論文セルフ解説：台風通過時にみられる気象庁の日別海面水温解析のバイアス
note初投稿です！
気象庁が数値天気予報に使っている海面水温(Sea surface temperature; SST)にバイアスがあるという論文を書いて、その速報版が日本気象学会の英文誌JMSJに掲載されました。論文には書ききれなかったこともあるので、noteの練習も兼ねて、解説を書いてみたいと思います。
内容は執筆時点(2021年12月3日)のものです。
1. 動機
2020年9月に台風第10号が発生しました。台風接近が予想される地域では、記録的な大雨・暴風・高波・高潮となるおそれがあったことから、繰り返し記者会見が開かれたほか、日本時間9月5日21時には中心気圧930 hPaで鹿児島県に接近または上陸する恐れがあり、特別警報発表の見通しであるとの報道発表がなされました。しかし、6日朝には予測される台風強度が弱くなり、特別警報発表の可能性が低くなったという報道発表に変わります。実際には、九州に接近した時点で945 hPaと十分に強い勢力を保っていたものの特別警報の基準には達しませんでした。
気象庁の台風強度予報は、今もって困難な課題のひとつであり、中心気圧の予報誤差は1日先の平均で約12hPa、3日先の平均で約15hPaなので、ある意味ではこの事例でも平均的な誤差だったと言えます(2020年RSMC Tokyo年報, 21ページ)。また、防災的な観点で言えば、複数の地点で歴代1位の降水量、最大風速や最大瞬間風速を記録しており、想定したほどではなかったとしても、十分に強い台風であったことに間違いはありません(注1)。その意味で、個人的には気象庁による呼びかけは全く問題がなかったと考えています(注2)。ただ、さらなる台風予報の改善のためには、原因を探求し、今後に生かしていくことが重要です。
なぜ、台風強度は事前の予測ほどに強くならなかったのでしょうか？気象庁は、9月16日に令和2年台風第10号における予報の検証(速報版)と題した報道発表を行いました。予報結果の検証が即座に出されたことは、少なくとも私の記憶にはなく、気象庁に強い問題意識と改善への意欲があることが伺えます。お忙しい中、このような解析結果を短時間でまとめられたことに敬意を表したいと思います。研究者の側からすると、解析結果を即時に出していただくことで、気象庁側がどのように考えているかが明らかとなり、改善の糸口を見つけることにもつながるのだろうと思います(注3)。
さて、肝心の内容ですが「東シナ海から台風に乾燥空気が流入したことが影響」「海面水温の低下に伴う予報への影響については限定的」というものでした。ここでいう海面水温の低下とは、台風第10号が当該領域を通過する直前に台風第8-9号が通過していたため、そのかき混ぜ効果で海面水温が低下していたことを意味しています。これまでの経験から、乾燥空気塊流入で台風が弱くなった可能性については概ね同意したのですが、前の台風が通過したことによる海面水温低下の影響が限定的だったかどうかは慎重に調べる必要があると直感しました。
というのも、報道発表で用いられた気象庁の海面水温解析(0～0.6℃の低下)には、バイアスが含まれうると考えていたからです。台風通過直後の海面水温にバイアスが含まれてしまう問題に関しては、ごく一部の人には知られていて、私も何度かtwitterでコメント(これとかこれとか)したりしていたのですが、ちゃんと調査をしたわけではありませんでした。そこで、改めてじっくり腰を据えて調べてみようという気になったのでした。
2. 気象庁の海面水温解析
そもそも、台風や集中豪雨といった極端な大気現象は、海面水温が高い領域でたっぷりと供給された水蒸気が凝結することでエネルギーを得て強まります。そのため、海面水温の分布を正確に知ることは、中心気圧・最大風速といった台風強度や集中豪雨に伴う降水量を予測するために重要な要素のひとつです。
海面水温の元データは衛星観測や船舶・ブイなどの現場観測ですが、これだけでは、厚い雲がかかっていたり、観測が無かったりするため、どうしても観測できない地点が出てきます。数値天気予報の境界条件として与える際に値が存在しない地点があってはいけないので、観測値に何らかの補間操作を行う必要があります。これを海面水温解析といいます。例えば、静止気象衛星ひまわりによる海面水温画像は衛星観測であるため雲がある場所などで欠けますが、日別海面水温は補間処理を施した解析値であるため欠けがありません。
気象庁では、3種類の海面水温解析を実施し、用途に応じて使い分けています。
MGDSST(注4): 全球日別海面水温解析
HIMSST(注5): 北西太平洋高解像度日別海面水温解析
COBE-SST(注6): 歴史的海面水温解析
さらにいうと、MGDSSTには解析時点までに得られた観測データを用いて作る速報版としばらくたってから過去を振り返って作られる遅延版があります。このうち、速報版MGDSST(以下、R-MGD)は全球大気モデルの海面水温として使われているほか、海洋モデルに同化される「観測値」として利用されている重要な海面水温解析です。HIMSSTは日本付近の大気の状態を高解像度で計算するメソモデルの海面水温などとして用いられています。COBE-SSTは長期的な海面水温変化を捉える目的などで利用されており、第一次世界大戦ごろの貴重な海面水温を含む海上気象データ「神戸コレクション」に敬意を表してこのような名前が付けられているとのことです(石井, 2012)。
台風予報の基礎として使われるのは全球大気モデルですから、以後、R-MGDに絞って話をします。
3. R-MGDのフィルタと台風通過時の海面水温変化
日別の海面水温解析を行う際には、海面水温の気候値と気候値からのずれ（気候値偏差）を別々に用意し、両者を足したものをその日の海面水温とします。気候値は過去数十年分の蓄積に基づいて計算されるので、値は基本的には更新のタイミングを除いて変わりません。海面水温解析の日々の変動には、気候値偏差が大きな影響を与えます。
先ほども述べたように衛星観測や現場観測に基づいて解析を行う際に欠けがあったり不自然な不連続があってはならないわけですが、それを回避するための具体的な方策として、いくつかの方法が考えられます。
データの欠けが無いように長期間の気候値偏差の重み付き平均を採用する(MGDSST, HIMSSTはこちら)。
前回の解析で得られた気候値偏差を第一推定値に活用し、直近の観測データの情報を足す(諸外国の多くはこちら)。
海洋データ同化システムの出力結果を用いる。すなわち、物理モデルの予測値と観測値を統計的手法で混合する。
R-MGDはこのうち1.で作られており、プロセスの詳細は下記の図のようになっています。解析日から17日前までさかのぼった前処理済みの観測データに「カットオフ周期27日のフィルタ」「カットオフ周期53日のフィルタ」(注7)を適用して、「27-53日周期成分」と「53日周期以上」の成分を抽出し、それを組み合わせて作成します。逆に言うと「周期27日以下」の海面水温変動(注8)はノイズとみなされており、R-MGDの作成には用いられません。また、現場観測も長周期・長スケールの部分の補正に用いられているのみです。そのため、数日以内の短期間で急激に海面水温が低下したり、上昇したりする場合には、現実の海面水温変動が反映されない可能性があるのです。
これに対し、諸外国のシステムの多くは、前日（前回）の解析をベースに、直近に得られたデータを足しこんでいくというサイクルを繰り返しています。前日の解析値は格子点の値がすべて埋まっていますので、欠けが生じる心配はありません。具体的には、解析対象となる日やその直前に通報された観測値を最適内挿法と呼ばれる手法で取り込んでいくことになります。
もっとわかりやすく言うと、諸外国のシステムでは新しい観測値が得られたら、現在の海面水温はそれに近いだろうと考えて修正するという操作をしているのに対して、R-MGDでは、直近のデータが得られていようが得られていまいが、過去1～2週間の平均のような値を「今日の海面水温」として解析していることになります。なので、本当の今日の海面水温を知りたければ、気象庁の海面水温解析よりも、気象庁やJAXAが公開している衛星海面水温を見る方が良いでしょう(注9)。
3.のデータ同化（物理モデルで出した予測値と観測値を融合する）を使う方法の場合、観測が無い場所でも物理法則に従った推定が可能となるため、物理モデルが完璧であるならば最善の方法と考えられます。ただし、物理モデルは不完全でバイアスを持っているので、そのバイアスが悪さをして、逆に海面水温から離れた推定値を出してしまう恐れもあります。もし、この方法で海面水温解析を行うならば、どのようなバイアスがあるのかを入念に調査して、その補正を適用する必要があるでしょう。
少し補足をしておくと、海洋は大気に比べて熱的な慣性が非常に大きいので、ちょっとやそっとで海面水温が大きく変わることはありません。そのため、一般的な場面であれば、1.の方法で海面水温解析を実施しても大きな問題にはならないものと考えられます。ただし、台風が通過したときなど(注10)はその限りではありません。台風が近づいた海域では非常に強い風が吹くため、海の中がかき混ぜられたり、深いところにある冷たい水が湧き上がったりします。その結果として、海面水温は数時間～数日のスケールで激しく低下します(Price, 1981)。そのため、過去1～2週間の平均値を「今日の海面水温」として採用することは適切でないと思われます。
2020年台風第10号の話に戻します。下の図では韓国の済州島より10kmほど南にある馬羅島の係留ブイによる海面水温データを示しています。ブイの観測では、台風第8号の接近に伴い、8月23日から27日にかけて、ガクッと海面水温が下がっている様子がうかがえます。若干のずれや欠測はあるものの、衛星観測もそれに近い動きを見せています。一方で、R-MGDにおける台風通過後の海面水温低下は非常にゆっくりで、現場観測や衛星観測に比べてかなり高めに出ています。8月25日から9月5日までは、現場観測に比べて1℃以上の高温バイアスが持続していることになります。
一方で、イギリス気象局のOSTIAと呼ばれる海面水温解析プロダクトは、台風第8号に伴う海面水温低下を完全には追い切れていないものの、かなりマシな結果を出しているように思われます。OSTIAでは、日々解析を行い、新しく入ったデータが入ったら、そちらに修正を掛けていく仕組みとなっており、直近の観測値の情報がより強く反映されています。
また、3つの台風が過ぎ去った後、9月上旬から中旬にかけて、ブイの海面水温は若干の上昇～維持傾向を示していることにも注目です。これは、台風通過後に日射が海面に当たるほか海洋内部でもで正常化が進むため、海面水温が回復していくことに対応しています(注11)。一方で、R-MGDでは現実のブイなどにみられた海面水温の回復が捉えられておらず、海面水温の低下が持続しています。つまり、台風通過直後の海面水温低下だけでなく、海面水温回復期の上昇もフィルタリングで落としてしまうようなのです。そのため、今度はR-MGDが実際の観測よりも海面水温を低めに見積もってしまうという先ほどとは逆のバイアスが生じています。
船舶やブイなどによる観測はそこそこ存在しているので、次に、空間分布をみてみることにします。台風第9号が温帯低気圧化し、台風第10号が東シナ海に向かっている9月3-5日の海面水温のバイアスを示したものが下図です。東シナ海北部、黄海南部、日本海西部において、R-MGDによる解析値は、現場観測の海面水温よりも2℃ほど高い正バイアスの状態となっていたことが分かります。そのため、台風第10号が九州地方に接近するタイミングにおいては、全球大気モデルに現実よりもかなり高い海面水温を与えて予測計算を行っていたと考えられます。
台風第10号の位置は9月4日時点。星印は馬羅島。
拙著では、このほかにおよそ5年分の153個の台風通過に伴う海面水温バイアスの調査も行っています。詳細は割愛しますが、平均的に見た場合の特徴は以下の通りであることが分かりました。
台風最接近の1日前から4日後まで正バイアス、7日後から少なくとも14日後まで負バイアスが生じる。バイアスは台風の経路の左右約500 km以内の範囲で統計的に有意である。
海面のすぐ下に非常に冷たい水がある場合に正バイアスは非常に顕著になる。台風が強い場合にも正バイアスは顕著になる。
北西太平洋で台風通過に伴い顕著な正バイアスが生じやすい海域は黒潮と黒潮続流域(注12)を除く中緯度である。
OSTIAのバイアスは、R-MGDのバイアスに比べてかなり小さい。
4. じゃあ、どうする？
ここまで、R-MGDの台風通過時のバイアスについて触れてきました。R-MGDのバイアスが短時間周期を取り除くフィルタに起因するならば、いくつか対処法がありそうです。まず第一に、現状のシステムに、短周期の成分を加えていくという作戦が考えられます。例えば、HIMSSTと呼ばれるプロダクトは「カットオフ周期27日のフィルタ」「カットオフ周期53日のフィルタ」に加えて、「カットオフ周期10日のフィルタ」を適用し、10日以上の周期成分を取り出すシステムとなっています。これにより、R-MGDよりも短周期の変動が取り出されやすくなっています。
現時点ではHIMSSTを用いた海面水温解析はひまわり8・9号の観測範囲に限られますが、気象庁では、全球日別海面水温解析をHIMSSTに置き換える全球HIMSST化計画を将来目標のひとつとしています(気象庁「『2030年に向けた 数値予報技術開発重点計画』 の取組状況と課題」, 2021年3月30日, 6ページ)。これが実現すると、台風予報の基礎となる全球モデルに用いられる海面水温もHIMSSTとなり、より短周期成分の反映された海面水温解析となることが期待できるでしょう。ただ、今回、論文で調査したところによると、残念ながら、R-MGDよりはマシであるものの、HIMSSTにも台風通過時のバイアスはまだかなり残っているようです。やはり、HIMSSTにも長周期変動成分がそれなりに残っていますので、台風通過時の水温低下はゆっくり表現されてしまうのだと考えています。
拙著では、解析時刻の過去72時間前までに得られた現場観測値を用いて追加的に修正することで、バイアスをある程度緩和できることも示しました(図2のA-MGD)。図3で示したように、現場観測はそれなりに数があるにも関わらず、長周期成分の補正にしか用いられていないので、直近の変動を反映させることも可能だと考えたためです。ただ、自分自身、これはあまり良い解決策だとは考えていません。あまりよろしくないと考える理由のひとつは、私には品質管理のハードルが非常に高かったので、衛星海面水温の短周期成分を使わなかったことです。本格的に運用していくならば、衛星海面水温の短周期成分も積極的に活用することが必要でしょう。もうひとつの理由は、私が適用した補正では、複雑な構造への建て増しになってしまうことです。シンプルな構造である方が管理が容易ですし、基礎となる理論が置けないと技巧やチューニングの世界になってしまいます。短周期成分を追加することで品質が改善できたということを示すにはよいのですが、最終的には抜本的な改変が必要かと考えています。
現時点で、個人的に良い対処法として考えているのは、3節の冒頭で挙げた3つの選択肢のうちの2番目、すなわち、他センターのように、前日の海面水温解析を第一推定値として、新しい観測が得られたら補正する、という方針です。これは新しいデータが入ったらそれに近づけていくという単純明快な方針で精度を確保できますし、システム的にも確率論の解釈としてもスッキリするということもあります。また、3番目の選択肢であるデータ同化による推定は、現時点ではバイアス補正を要するため、導入するとしても注意深く進める必要があるでしょうが、理想的には更によい精度を生み出すと考えられます。そのため、今後も海面水温解析としての適用も念頭においた研究開発を続けていくべきでしょう。
5. おわりに
本稿では、私の個人的な考えについて書きましたが、私自身は精度以外の安定性・信頼性に関する実験等を実施していないことについても申し添えます。精度も大事なことですが、現業官庁が責任をもって運用するためには、バグや計算不安定で落ちるようなことは万が一にもあってはならず、頑強な作りにしなければなりません。また、海面水温解析は大気モデルだけでなく、海洋モデルにも使われています。そのため、新たな海面水温解析システムを導入すると、それに合わせて、大気モデルや海洋モデルを最適化し直さなければいけない可能性も出てきます。
このようなことを考えれば、中長期的な戦略を練るという考えが必要になるでしょう。大変なことであるのは重々承知していますが、理想的には、複数のシステムを慎重に比較・検討し、その中で最適なものを選ぶことが望まれます。
本研究を実施するにあたっては、多くの方にお話を伺いました。日別海面水温のバイアスは、気象庁としても知られたくないことだったかもしれないのですが、気象庁の担当部署の方にも、研究の意義をご理解いただき、私のしつこい質問にも親切に答えていただきました。改めて感謝申し上げます。
これが作られた2000年代中頃は、それより前のものよりも品質が良くなったということで重宝されたそうです。それから15年あまりが経過し、改めて、冷静に見つめるタイミングが来たのではないかと思います。
本件で、気象庁が批判されることは私の望むところではありません。徐々に様々な環境が厳しさを増して、皆さんがお忙しくなる中で、日々の運用に加えて開発も進めていくというのは並大抵のことではないはずだからです。しかし、今回の調査が何らかのきっかけとなり、一歩ずつでも改善が図られていくことは防災・減災の観点においても重要なことだと考えています。新たな展開を期待しています。
Disclaimer
本稿は、伊藤の個人研究の解説であり、自らが所属する組織の見解を示すものではありません。
(注1) 気象庁「台風第10号による暴風、大雨等」
(注2) 僕自身、9月3日の日経新聞記事では、十分に強くなる可能性があることについて言及していました。気象庁が、6日朝に特別警報の可能性が低くなったとの発表をすべきだったかどうかについては、警戒を解いてしまう方がいる可能性に鑑みれば、議論があるでしょう。
(注3) 気持ちがホットなうちに、というところが大事です。
(注4) Merged Satellite and In-situ Data Global Daily SSTの略。参照論文は「衛星マイクロ波放射計,衛星赤外放射計及び現場観測データを用いた全球日別海面水温解析」（栗原ら, 2006, 測候時報）。
(注5) High-resolution merged satellite and in-situ data Sea Surface Temperatureの略。
(注6) Centennial Observation-Based Estimates of SST and marine meteorological variablesの略。ここでは海面水温解析としていますが、COBEは海面水温の他に海上気象要素も含んでいます。
(注7) フィルタの名称は気象庁の呼び名にならいましたが、実装としては名前で示されるよりも、もう少し短い周期まで拾うような作りになっています（詳細は原著論文をご覧ください）。とはいえ、例えば5日周期の変動であれば、元の振幅を1/10程度に抑えてしまいます。
(注8) 厳密には海面水温の気候値偏差の変動です。以後も誤解のない範囲で同様の書き方をします。
(注9) 今回の台風の事例に関しては、JAXAのEORCが海面水温の低下に関するまとめを公開しています。
(注10) この他には、海洋表層の混合層が薄く、急激に水温が上昇・下降する場合が考えられます。
(注11) 海面水温上昇が弱いのは、季節が夏から秋に向かっているためだと考えられます。
(注12) 黒潮が本州を離れ、東に流れ去ったものを黒潮続流と呼びます。