熱帯低気圧予報

熱帯低気圧予報は、熱帯低気圧の中心とその影響が将来のある時点でどこにあるかを予測する科学です。熱帯低気圧予報には、進路予報、強度予報、降雨量予報、高潮、竜巻、季節予報など、いくつかの要素があります。進路予報のスキルは向上していますが、強度予報のスキルは過去数年間変わっていません。季節予報は 1980 年代に大西洋流域で始まり、それ以来他の流域にも広がっています。

熱帯低気圧を予報する方法は、時が経つにつれて変化してきました。西半球で最初に予報が行われたのは、1847年にバルバドスで王立工兵隊のウィリアム・リード中佐によるものです。リードは主に気圧測定を予報の基礎として利用しました。ベニート・ヴァインズは1870年代にハバナで雲量の変化に基づく予報および警報システムを導入しました。しかし、1900年代初頭までは、ほとんどの予報は気象観測所での直接観測によって行われ、それが電信で予報センターに中継されていました。20世紀初頭にラジオが登場して初めて、海上の船舶からの観測が予報官に提供されるようになりました。1930年代には、熱帯低気圧の予報にラジオゾンデが使用されるようになりました。次の10年間は​​、1943年にハリケーンへの初の専用飛行が行われ、1944年にはハリケーンハンターが設立され、軍による航空機による偵察が登場した。1950年代には、米国で沿岸気象レーダーが使用されるようになり、 1954年にはハリケーン研究部門の前身による研究偵察飛行が始まった。 ^[1]

1960年に打ち上げられた最初の気象衛星TIROS-Iは、現在でも熱帯低気圧の予報に重要な新しい予報技術を導入しました。1970年代には、それまで海面上では利用できなかった表面測定の解像度を向上させるためにブイが導入されました。^[1]

1970年代後半、ウィリアム・グレイはエルニーニョの年に北大西洋流域でハリケーンの活動が低下する傾向に気付きました。彼はそのような現象を関連づけた最初の研究者であり、肯定的な結果が彼をさらなる研究へと導きました。彼は、アフリカのサヘルの雨期と米国東海岸沿いの大型ハリケーン上陸の増加との関連など、世界中の多くの要因が熱帯低気圧の活動に影響を与えていることを発見しました。しかし、彼の研究結果は、主要な影響として単一の要因だけを見ると矛盾があることも示しました。^[2]

グレイは、その研究結果を利用して、季節的なハリケーン活動に関する客観的な統計的予報を作成した。彼は、熱帯暴風雨、ハリケーン、大型ハリケーンの数のみを予測し、前述の不一致のため、進路や上陸予定地の詳細は伏せた。^[2]グレイは、1984年のシーズンに先立って、熱帯低気圧活動、エルニーニョ南方振動(ENSO)、準2年振動(QBO)、カリブ海盆の海面気圧の統計的関係を用いた最初の季節予報を発表した。 ^[3]この試みは、まずまずの成功を収めた。^[2]その後、彼は、5月の大西洋ハリケーンシーズン開始前と、シーズンピークの8月前に予報を発表した。^{[4 ] その後、}クリストファー・ランドシー、ポール・W・ミールケ・ジュニア、ケネス・J・ベリーなど、学生や同僚が彼の予報チームに加わった。 ^[5]

大規模な総観流は熱帯低気圧の運動の 70 ～ 90 パーセントを決定します。深層平均流は進路の方向と速度を決定するのに最適なツールです。嵐が著しくせん断されている場合は、下層の風を利用する方が予測に適しています。ベータ効果の知識は熱帯低気圧の方向を定めるのに使用できます。北半球では、熱帯低気圧は北西方向に向かう傾向があるためです。また、より正確な軌道を決定するには、嵐の中心の短期的な揺れを滑らかにすることが最善です。^[6]

熱帯低気圧の進路に影響を与える力のため、正確な進路予測は、高気圧と低気圧の位置と強さを決定し、熱帯システムの存続期間中にそれらの領域がどのように変化するかを予測することにかかっています。科学者は、熱帯低気圧に作用する力の理解の深まりと地球周回衛星やその他のセンサーからの豊富なデータと予測モデルを組み合わせることで、ここ数十年で進路予測の精度を高めてきました。^[7] 正確な進路予測は重要です。進路予測が間違っていると、強度、降雨量、高潮、竜巻の脅威の予測も間違ってしまうからです。

1-2-3ルール（船員の1-2-3ルールまたは危険水域）は、激しい嵐（特にハリケーンや熱帯低気圧）の追跡と予測のために船員に一般的に教えられているガイドラインです。1-2-3ルールは2つの部分で構成され、34ノットルールは回避すべき危険水域です。^[8] 1-2-3ルール自体は、NHC / TPCの長期予報誤差がそれぞれ24-48-72時間で100-200-300海里であることを指しています。これらの数値は、1982年から1991年の10年間の平均値に近いものでした。^{[9]ただし、} NHCの 予報士の精度が向上するにつれて、これらの誤差は50-100-150近くまで減少しました。回避すべき「危険地域」は、予測経路を、それぞれの数百マイルに予測される34ノットの風の半径を加えた半径だけ拡大することによって構築されます。^[10]

予報官は、熱帯低気圧の強さを予測するよりも、台風の進路を予測する方が得意だと言います。^[11] 利用可能な計算能力では、正確な地形や大気の状態など、多数の複雑な要因を正確にモデル化する能力が予報官に限界がありますが、経験と理解が深まれば、同じ解像度のモデルでも現実世界の挙動をより正確に反映するように調整できます。^[12] もう1つの弱点は、嵐の目における風速の測定が頻繁に行われないことです。 2016年にNASAが打ち上げたサイクロン全地球航法衛星システムは、気象ブイやハリケーン貫通航空機による散発的な測定に比べて、はるかに多くのデータを提供することが期待されています。^[13]

正確な進路予報は、正確な強度予報を行うために不可欠であり、特に北太平洋西部やカリブ海などの大きな島々がある地域では、陸地に近いことが熱帯低気圧の発達を阻害する要因となるためである。強いハリケーン/台風/サイクロンは、外側の眼壁（通常は嵐の中心から約80～160キロメートル（50～99マイル））が形成され、内側の眼壁内の対流が阻害されると、弱まる可能性がある。このような弱体化は眼壁置換サイクルと呼ばれ、通常は一時的である。^[14]

ケリー・エマニュエル博士は、1988年頃に最大潜在強度（MPI）と呼ばれる数学モデルを作成し、最新の全球モデル実行からの海面温度と大気プロファイルに基づいて熱帯低気圧の強度の上限を計算しました。この方程式から作成されたマップは、最後のモデル実行時（0000または1200 UTC ）の大気の熱力学による最大達成可能強度の値を示しています。ただし、MPIは垂直風せん断を考慮していません。^[15] MPIは次の式を使用して計算されます。

${\displaystyle V=A+B\cdot e^{C(T-T_{0})}}$

ここで、は最大潜在速度（メートル毎秒）、は熱帯低気圧の中心の下の海面温度、は基準温度（30 °C）、、およびは曲線近似定数です。、、およびのとき、この関数によって生成されるグラフは、熱帯低気圧の実験的強度データの99パーセンタイルに対応します。^[16]${\displaystyle V}$${\displaystyle T}$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle C}$${\displaystyle A=28.2}$${\displaystyle B=55.8}$${\displaystyle C=0.1813}$

熱帯低気圧の降雨量予報は重要である。なぜなら、1970年から2004年の間、米国では熱帯低気圧による死者の大半が内陸部の洪水によるものだったからである。^{[17] [18]}洪水は陸地近くの熱帯低気圧では一般的である が、熱帯低気圧による過度の降雨につながる要因もいくつかある。ハリケーン・ダニーやハリケーン・ウィルマで見られたようなゆっくりとした動きは多量降雨につながる可能性がある。メキシコ、ハイチ、ドミニカ共和国、中央アメリカ、マダガスカル、レユニオン、中国、日本の大半に見られるように、海岸近くに地形があると、山地への上り坂の流れによって降雨量が増大する。ハリケーン・フロイドのときのように、偏西風を通って移動する気圧の谷からの強い上層の力は、平均的な前進運動をしているシステムであっても過度の降雨につながる可能性がある。これらの要因のうち2つが組み合わさると、中央アメリカでのハリケーン・ミッチの際に見られたように、特に壊滅的な被害をもたらす可能性があります。^[19] したがって、熱帯低気圧の正確な降雨量予測を行うには、正確な進路予測が不可欠です。^[20] しかし、地球温暖化の結果、海面に蓄積された熱により、嵐やハリケーンはより多くの水蒸気を捕らえ、大気中の温度も上昇しているため、より長い時間水分を保持できるようになりました。^[21]その結果、陸地に降る雨量は信じられないほど多く、これがハリケーンの最も大きな被害となることがよくあります。

歴史的に、熱帯低気圧追跡図は、過去の経路を組み込み、地域専門気象センターと熱帯低気圧警報センターで将来の予報を準備するために使用されていました。熱帯低気圧を予報するためのより近代的な方法の必要性は、1980年代半ばまでに運用気象予報士の間で明らかになりました。当時、米国防総省は熱帯低気圧を予報するために紙の地図、アセテート、グリースペンシル、およびさまざまなコンピュータプログラムを使用していました。^[22] 自動熱帯低気圧予報システム（ATCF）ソフトウェアは、1986年に海軍研究所によって統合台風警報センター（JTWC）向けに開発され、 ^{[23] 1988年から使用されています。1990年に、このシステムは}国立ハリケーンセンター（NHC）によって採用され、NHC、国立環境予測センター、中部太平洋ハリケーンセンターで使用されました。^{[23] [24]}これによりNHCはマルチタスクソフトウェア環境を手に入れ、効率性を向上させ、予報に必要な時間を25%または1時間短縮することができました。^{[24] ATCFはもともと}DOS内での使用のために開発されましたが、後にUnixとLinuxに適応されました。^[23]

大西洋流域の主な高潮予報モデルはSLOSHで、これは海、湖、大西洋、ハリケーンの波を意味する。^{[25]このモデルは、嵐の大きさ、強さ、前進運動、海岸平野の地形を利用して、}米国 全土の任意のグリッドポイントでの高潮の深さを推定する。正確な高潮予報を行うには、正確な予報経路が必要である。しかし、上陸地点が不確かな場合は、接近方向に基づいて最大水エンベロープ（MEOW）マップを生成することができる。予報経路自体も不確かな場合は、特定の強さのハリケーンに対する最悪のシナリオを示す最大値（MoM）マップを生成することができる。^[26]

熱帯低気圧に関連する竜巻のほとんどは、北半球では北東象限、南半球では南東象限に発生します。^[27] 熱帯低気圧の影響に関する他のほとんどの予報と同様に、正確な竜巻の脅威予報を行うには、正確な進路予報が必要です。

さまざまな気候パラメータの年間変動を調べることで、予報官は特定の季節に発生する熱帯低気圧の総数と強度を予測することができます。たとえば、米国の気候予測センターは季節予測を作成する際に、エルニーニョ南方振動、25～40年の熱帯周期、海洋上の風のせん断、海面温度の影響を考慮しています。^[28]

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