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地球規模の天気予報の秘密: 最も強力なスーパーコンピューターを使用して将来の天気を計算するにはどうすればよいですか?
技術の進歩により、天気予報の精度は飛躍的に向上しました。数値天気予報 (NWP) は、数学モデルを使用して大気と海洋を記述し、現在の気象条件に基づいて将来の天気を予測します。最も初期の試みは 1920 年代にまで遡りますが、数値天気予報が現実的な結果を生み出せるようになったのは、1950 年代にコンピューター シミュレーションが登場してからのことでした。
ラジオゾンデ、気象衛星、その他の観測システムからの最新の気象観測を入力として使用し、地球規模から地域規模まで、世界中でいくつかの予報モデルが実行されています。
気象学者はこのデータを使用してモデルを初期化し、大気流体力学と熱力学の基本方程式を適用して、今後数日間の天気を予測します。現在のスーパーコンピュータの性能は向上し続けていますが、数値気象モデルの予測精度は依然として約 6 日間の範囲に限られています。予測の精度に影響を与える要因には、予測の入力として使用される観測データの密度と品質、およびモデル自体の不完全性が含まれます。
より強力なスーパーコンピュータを使用しても、数値予測モデルの予測能力は約 6 日間の範囲に制限されます。
予報の精度を向上させるために、気象学者は数値予報におけるエラー処理を改善するモデル出力統計 (MOS) などの後処理技術を開発しました。これらの技術は、気象学者が無秩序な行動の影響を軽減し、特に熱帯低気圧の進路や空気の質の予測において、多くの領域で予報の精度を高めるのに役立ちます。
数値天気予報の歴史
数値天気予報の歴史は、気象学者ルイス・フライ・リチャードソンが面倒な手計算で大気予報を作成しようとした 1920 年代にまで遡ります。コンピュータが広く使用されるようになり、予測の計算時間が大幅に短縮されたのは 1950 年になってからでした。その年、ENIAC コンピューターが初めて使用され、簡略化された方程式に基づく天気予報が作成され、数値予報の先駆的な時代が始まりました。
1954 年までに、スウェーデン気象水文研究所のカール・グスタフ・ロスビーのチームが同じモデルを使用して、初めての実用的な天気予報を作成することに成功しました。 1955 年までに、米国の数値天気予報は合同数値天気予報ユニット (JNWPU) の下で運用され始め、米国が数値天気予報に積極的に関与するようになりました。
1956 年、ノーマン フィリップスは、対流圏の月ごとおよび季節ごとのパターンを現実的に描写できる最初の成功した気候モデルを開発しました。
コンピュータの処理能力が向上するにつれて、初期データセットのサイズも大きくなり、これらのコンピューティングリソースを最大限に活用するための新しい大気モデルが開発されました。これらの進歩により、気象学者は気候変動とその影響をより正確に予測できるようになりましたが、課題はまだ残っています。たとえば、モデルは、山火事など狭い地域で発生するプロセスに対しては、まだ十分な性能を発揮していません。
初期化と計算プロセス
数値天気予報において、初期化とは、観測データをモデルに入力して初期状態を生成するプロセスです。主な入力は、気象気球や気象衛星から打ち上げられたラジオゾンデを含む、国立気象サービスからの観測結果から得られます。このデータは処理され、モデルの数学的アルゴリズムで使用可能な値に変換され、将来の天気を予測するために使用されます。
観測データは、成層圏に上昇する気象観測気球や気象衛星など、さまざまな方法で収集されます。
初期化プロセスに加えて、これらの観察を処理するには、かなりの計算能力が必要です。現代の気象モデルは、一連の数式に基づいて将来の気象状況を予測します。これらの方程式のほとんどは非線形偏微分方程式であるため、正確に解くことはできず、近似解を得るために数値手法がよく使用されます。さらに、異なるモデルでは異なる解法が使用され、これには有限差分法やスペクトル法が含まれる場合があります。
後処理と統合予測
処理後でも数値予測は完璧ではないため、予測を修正するためにモデル出力統計 (MOS) が開発されました。これらの統計モデルは、数値モデル、地表観測、特定の場所の気候条件によって生成された 3 次元フィールドに基づいて調整されます。これにより、レオル効果とモデルのバイアスが修正され、予測の精度が向上します。
1990 年代以降、アンサンブル予報は予報の不確実性を定量化するために広く使用され、気象学者が予報の信頼性を評価し、予報の有効期間を延長するのに役立っています。
このアプローチでは、同じモデルの異なる物理的パラメータ化または異なる初期条件からの複数の予測を分析することで不確実性を評価します。これにより、天気予報の精度が向上するだけでなく、気候変動の影響に関するより詳細な研究も促進されます。
テクノロジーの進歩により予測能力は向上していますが、多くの課題が残っています。将来、予測精度と気候の変化の間でより良いバランスを見つけることができるでしょうか?
