熱帯低気圧予測モデル

熱帯低気圧予報モデルは、気象データを使用して熱帯低気圧の将来の状態の側面を予測するコンピュータプログラムです。モデルには、統計モデル、動的モデル、または統計と動的モデルの組み合わせの3種類があります。^[1]動的モデルは、高度な数学モデリングソフトウェアと気象データを備えた強力なスーパーコンピュータを使用して、将来の気象条件を計算します。 統計モデルは、過去のデータセットから外挿することで、より簡単な方法で熱帯低気圧の進化を予測するため、パーソナルコンピュータなどのプラットフォームですばやく実行できます。統計動的モデルは、両方のタイプの予測の側面を使用します。熱帯低気圧の予測には、進路、強度、高潮、降雨量の4つの主要なタイプがあります 。動的モデルは1970年代と1980年代まで開発されず、それ以前の取り組みは高潮の問題に重点が置かれていました。

進路モデルは、1980 年代までは統計モデルに比べて予報の精度が低かった。統計力学モデルは 1970 年代から 1990 年代にかけて使用された。初期のモデルは以前のモデル実行からのデータを使用するのに対し、後期のモデルは公式のハリケーン予報が送信された後に出力を生成する。コンセンサス予報、アンサンブル予報、スーパーアンサンブル予報を使用すると、個々の予報モデルよりも誤差が低減する。コンセンサス予報とスーパーアンサンブル予報はどちらも、それぞれのコンポーネントよりも、グローバルおよび地域モデル実行のガイダンスを使用してパフォーマンスを向上させることができる。合同台風警報センターで使用されている手法は、スーパーアンサンブル予報が進路予報の非常に強力なツールであることを示す。

国立ハリケーンセンターが使用した最初の統計的ガイダンスは、1969年に利用可能になったハリケーン類似手法（HURRAN）でした。この手法では、新しく開発された北大西洋熱帯低気圧データベースを使用して、同様の経路を持つ嵐を探しました。次に、それらの経路を嵐の現在の進路に沿ってシフトし、位置、移動方向と速度、日付を使用して適切な類似物を探しました。この方法は、北向きに曲がっていない北緯25度線以南の嵐には有効でしたが、回帰線付近または回帰線後のシステムには効果がありませんでした。 ^[2] 1972年以来、気候学と持続性（CLIPER）統計モデルが熱帯低気圧の進路予報に役立っています。巧みな力学予報の時代に、CLIPERは現在、モデルと予報者のスキルを示す基準として使用されています。^[3]統計的ハリケーン強度予報（SHIFOR）は、1979年以来、熱帯低気圧の強度予報に使用されています。気候学と持続性を利用して、現在のユリウス日、現在のサイクロンの強度、12時間前のサイクロンの強度、嵐の初期緯度と経度、および運動の帯状（東西）と子午線（南北）の要素を含む将来の強度を予測します。^[2]

CLIPERの出力と国立気象センター（当時は国立環境予測センター）で実行された原始方程式モデルの最新の出力に基づく回帰方程式を使用する一連の統計力学モデルが1970年代から1990年代にかけて開発され、NHC73、NHC83、NHC90、NHC91、NHC98と名付けられました。^{[1] [4]}熱帯低気圧の進路予報の分野では、計算能力の向上に伴って力学モデルのガイダンスが常に改善されてきたにもかかわらず、数値天気予報がその実力を発揮したのは1980年代の10年になってからであり、1990年代になってようやく、数値天気予報は統計モデルや単純な力学モデルを一貫して上回るようになりました。^{[5] 1994年には、}台風予報のために北西太平洋向けのSHIFORのバージョンが作成され、統計台風強度予報（STIFOR）として知られ、この地域の1971年から1990年のデータを使用して、今後72時間までの強度予報を作成しました。^[6]

強度予報に関しては、統計的ハリケーン強度予測スキーム（SHIPS）は、垂直風せん断や海面温度、気候、持続性（嵐の挙動）など、全球予報システム（GFS）からの環境条件の関係を多重回帰技術によって利用し、北大西洋と北東太平洋のシステムの強度予報を出します。^{[1]統計的強度予測システム（STIPS）として知られる同様のモデルが北西太平洋と南半球用に開発されました。これは、}海軍運用全球予測システム（NOGAPS）モデルからの入力環境条件を通じて陸地の相互作用を考慮しています。^[7]内陸減衰コンポーネントを備えたSHIPSのバージョンは減衰SHIPS（DSHIPS）として知られています。ロジスティック成長方程式モデル（LGEM）は、SHIPSと同じ入力を使用しますが、簡略化された動的予測システム内にあります。^[1]熱帯低気圧の降雨量予測においては、海洋上の極軌道衛星からのマイクロ波降雨量データと陸上からの一次降雨量測定を使用して、国立ハリケーンセンターの進路予測に基づく熱帯低気圧の現実的な降雨分布を導き出す降雨気候学および持続性（r-CLIPER）モデルが開発されました。このモデルは2004年から運用されています。^[8]統計的パラメトリック風半径モデルは、気候学と持続性を使用して今後5日間の風の構造を予測する国立ハリケーンセンターと合同台風警報センターで使用するために開発されました。^[2]

最初の力学的ハリケーン進路予報モデルであるサンダース順圧熱帯低気圧進路予測モデル（SANBAR）^[9]は1970年に導入され、1989年まで国立ハリケーンセンターの運用進路ガイダンスの一部として使用されていました。このモデルは、深層平均風を使用した大気力学方程式（等価順圧定式化）の簡略化されたセットに基づいています。

1972年、米国大陸棚沿いの高潮を予測する最初のモデルが開発され、ハリケーンによる高潮の振幅をリストする特別プログラム（SPLASH）として知られています。 ^{[10] 1978年には、}大気力学に基づく最初の完全物理学のハリケーン追跡モデルである可動ファインメッシュ（MFM）モデルが運用を開始しました。^[11]準ラグランジュ限定領域（QLM）モデルは、境界条件に直交グリッドと全球予報システム（GFS）を使用するマルチレベルプリミティブ方程式モデルです。^[2] 1980年代初頭、水蒸気、赤外線、可視衛星画像から衛星由来の風を同化することで、熱帯低気圧の進路予報が改善されることがわかりました。^[12]地球物理流体力学研究所（GFDL）のハリケーンモデルは、1973年から1980年代半ばまで研究目的で使用されていました。ハリケーン予測に効果があると判断されると、数年にわたる移行期間を経て、研究モデルは運用モデルへと生まれ変わり、 1995年には国立気象局が進路と強度の予測に使用できるようになりました。 ^{[13] 1985年までに、}メキシコ湾や米国東海岸付近の地域で使用するためのSLOSH（ハリケーンによる海・湖・陸地高潮）モデルが開発され、SPLASHモデルよりも堅牢になりました。^[14]

ベータ移流モデル（BAM）は、850 hPaから200 hPaの層で平均化された操舵風と、熱帯低気圧全体のコリオリ効果の違いにより嵐が北西に漂うベータ効果を使用して、1987年以来運用されています。 ^[15]サイクロンが大きいほど、ベータ効果の影響は大きくなります。^[16] 1990年から、850 hPaから700 hPaの層の平均風を使用するBAM浅層（BAMS）、850 hPaから400 hPaの層の平均風を使用するBAM中層（BAMM）、および1990年以前のBAMと同じBAM深層（BAMD）の3つのバージョンのBAMが運用されました。^[4]中心雷雨活動が十分に発達していない弱いハリケーンの場合、弱い嵐は低層の風によって方向づけられる傾向があるため、BAMSは有効に機能します。^[1]嵐が強くなり、中心付近の関連する雷雨活動が深くなるにつれて、これらのタイプの嵐は上層の風によって方向づけられるため、BAMMとBAMDはより正確になります。3つのバージョンの予報が類似している場合、予報官は不確実性は最小限であると結論付けることができますが、バージョンが大きく異なる場合は、不確実性が大きいため、予報官は予測された進路にあまり自信がありません。^[17]モデル予測間の大きな違いは、大気中の風のシアを示している可能性があり、これも強度予報に影響を与える可能性があります。^[1]

1989年と1990年にテストされたVICBAR（ビック・オオヤマ・バロトロピック）モデルは、境界条件がグローバル予報モデルとして定義された入れ子になった領域での浅水予測方程式の観測と解の客観的分析に変数の3次Bスプライン表現を使用しました。^{[18]これは、境界条件にGFSを使用して、1992年に限定領域正弦変換バロトロピック（LBAR）モデルとして運用されました。 [2] 1990年までに、}オーストラリアはパソコンで数分で実行できる独自の高潮モデルを開発しました。^[19]気象庁（JMA）は1994年に独自の台風モデル（TYM）を開発し、^[20] 1998年には独自の動的高潮モデルの使用を開始しました。^[21]

ハリケーン気象研究予報（HWRF）モデルは気象研究予報（WRF）モデルの特殊バージョンであり、熱帯低気圧の進路と強度を予報するために使用されます。このモデルは、米国海洋大気庁（NOAA）、米国海軍研究所、ロードアイランド大学、フロリダ州立大学によって開発されました。^[22]このモデルは2007年に運用を開始しました。 ^[23]進路予報の改善にもかかわらず、統計的手法は力学ガイダンスよりも高いスキルを示し続けているため、数値気象予報に基づく熱帯低気圧の強度の予測は依然として課題となっています。^[24]専門的なガイダンス以外にも、GFS、統一モデル（UKMET）、NOGAPS、日本の全球スペクトルモデル（GSM）、ヨーロッパ中期予報センターモデル、フランスのAction de Recherche Petite Echelle Grande Echelle（ARPEGE）およびAire Limit´ee Adaptation Dynamique Initialisation（ALADIN）モデル、インドの国立中期予報センター（NCMRWF）モデル、韓国の全球データ同化予測システム（GDAPS）および地域データ同化予測システム（RDAPS）モデル、香港/中国の運用地域スペクトルモデル（ORSM）モデル、カナダの地球環境マルチスケールモデル（GEM）モデルなどの全球ガイダンスが、進路と強度の目的で使用されています。^[2]

一部のモデルは、モデルの実行開始直後の予報サイクルに使用できるほど迅速に出力を生成しません (HWRF、GFDL、FSSE など)。上記のトラック モデルのほとんどは (CLIPER を除く) 、GFS などのグローバル気象モデルからのデータを必要とします。GFS は、協定世界時 (UTC) の 0000、0600、1200、1800 の概観時刻から約 4 時間後に出力を生成します。NHC の予報の半分については、その時刻から 3 時間後にのみ予報を発行するため、一部の「早い」モデル (NHC90、BAM、LBAR) は、現在の時刻の 12 時間前の予報を使用して実行されます。GFS や GFDL などの「遅い」モデルは、アドバイザリが発行された後に終了します。これらのモデルは、次の予報サイクルで使用するために現在の嵐の位置に補間されます(GFDL モデルの補間バージョンである GFDI など)。^{[1] [25]}

予測モデルのコンセンサスを使用すると、予測誤差が軽減されます。^[26]トラックに関しては、GUNAモデルは、GFDL、サイクロントラッカーに品質管理を適用したUKMET、米国海軍NOGAPS、およびGFSモデルの補間バージョンのコンセンサスです。モデルバイアスを修正したGUNAのバージョンはCGUNとして知られています。TCONコンセンサスは、GUNAコンセンサスにハリケーンWRFモデルを加えたものです。モデルバイアスを修正したTCONのバージョンはTCCNとして知られています。TCON内のメンバーの最後の2回の実行の遅延平均とECMWFモデルはTVCNコンセンサスとして知られています。モデルバイアスを修正したTVCNのバージョンはTVCCコンセンサスです。^[1]

2013 年初頭、海軍の主要な運用世界予報モデルとして NOGAPS に代わってNAVGEM が採用されました。2013 年シーズンでは、モデルの検証が行われるまで、コンセンサス予報の作成には使用されません。

強度については、LGEM、補間されたGFDL、補間されたHWRF、およびDSHIPSモデルの組み合わせがICONコンセンサスとして知られています。ICONコンセンサス内のモデルの最後の2回の実行の遅延平均はIVCNコンセンサスと呼ばれています。^[1]北西太平洋と南半球では、NOGAPS、GFS、日本のGSM、海洋/大気結合メソスケール予測システム（COAMPS）、UKMET、日本のTYM、NOGAPS境界条件付きGFDL、空軍気象局（ AFWA）モデル、オーストラリア熱帯低気圧局所エリア予測システム、およびウェーバー順圧モデルの出力から10メンバーのSTIPSコンセンサスが形成されています。^[7]

大気についてすべてを正確にタイムリーに知ることは不可能であり、大気の測定値が完全に正確というわけではないため、どのモデルも完璧に正確ということはありません。^[27]マルチモデルアンサンブルであろうと、グローバルモデルに基づく多数のアンサンブルメンバーであろうと、アンサンブル予測法の使用は不確実性を定義し、誤差をさらに制限するのに役立ちます。^{[28] [29]}

気象庁は2008年2月から、132時間先まで予測可能な11メンバーの台風アンサンブル予報システム「台風アンサンブル予報システム（TEPS）」を開発している。このシステムでは、GSMの低解像度版（グリッド間隔が大きい）を使用しており、摂動メンバー10個と非摂動メンバー1個で構成される。このシステムでは、高解像度のGSMと比較して、5日先の誤差を平均40キロメートル（25マイル）削減できる。^[30]

フロリダ州スーパーアンサンブル（FSSE）は、一連のモデルから作成され、その後、トレーニングフェーズで開発された統計的回帰方程式を使用してバイアスを削減し、メンバーモデルまたはその平均解よりも優れた予測を生成します。フロリダ州立大学で開発された5つ、統合モデル、GFS、NOGAPS、米国海軍NOGAPS、オーストラリア気象研究センター（BMRC）モデル、およびカナダのRecherche en Prévision Numérique（RPN）モデルを含む11のグローバルモデルを使用しています。熱帯低気圧の進路、強度、降雨量の予測において優れた能力を示しています。^[31]

体系的アプローチ予報支援（SAFA）は、合同台風警報センターによって開発されたもので、アメリカ海軍NOGAPSモデル、GFDL、気象庁の全球・台風モデル、UKMETを使用して、72時間枠でより誤った予報を考慮から除外した選択的コンセンサス予報を作成するものである。SAFAの5年間の歴史の中ですべてのモデルが改良され、誤った予報を除去することは運用上困難であることが判明した。^[32]

2010年の報告書では、太陽黒点活動の低下とハリケーン活動の活発化に相関関係があるとしている。過去のデータを分析すると、太陽黒点活動がピークの年には少なくとも1つのハリケーンが米国本土を襲う確率は25％で、太陽黒点活動が低い年には64％の確率であった。2010年6月、米国のハリケーン予測者はこの情報を使用していなかった。^[33]

ハリケーン予測モデルの精度は、嵐によって大きく異なります。一部の嵐では、ハリケーンの進路に影響を与える要因が比較的単純で、モデルは正確であるだけでなく、同様の予測を生成しますが、他の嵐では、ハリケーンの進路に影響を与える要因がより複雑で、異なるモデルで非常に異なる予測が生成されます。^[34]

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• 熱帯低気圧の降雨量予測
• 天気予報

• 熱帯低気圧予報士リファレンスガイド、第 5 章 2006 年 7 月 11 日にWayback Machineにアーカイブされました
• NCEP のモデル分析と予測は、2007 年 12 月 23 日にWayback Machineにアーカイブされています。
• 国立ハリケーンセンター予報モデルの背景と情報