天気予報の仕組み：データ収集から予報アプリまで

スマートフォンアプリやテレビ放送に表示されるあらゆる天気予報は、同じ基本的なパイプラインに遡ります。観測データが入力され、スーパーコンピュータが大気の方程式を解き、予報士またはアルゴリズムが出力を予測に変換します。米国国立海洋大気庁（NOAA）は、このプロセスを単純に数学に基づいた天気予報と説明しており、大気の物理的振る舞いを表す方程式が時間の進行とともに何度も解かれます。

予報の背後にある6つのステップ

1. NOAAによると、観測データは世界中から収集されます。気象気球、衛星、ブイ、レーダー、商用航空機と船のセンサー、河川・沿岸計測器、地上観測所からのデータが、気温、気圧、湿度、風の数値に変換されます。
2. データ同化は、これらの新しい観測データを大気の最新の短期予報と組み合わせます。欧州中期天気予報センター（ECMWF）によると、数億の観測データが毎日この統計処理によってフィルタリングされ、最近の短期予報と組み合わせられ、大気の現在の状態の最良推定値を生成します。
3. 数値モデルは地球（またはある地域）を三次元の格子点に分割します。NOAAは、より細かい格子はより詳細な局所情報を提供しますが、大幅に多くの計算力を必要とし、各方向の解像度を2倍にすると、同じ領域に必要な計算がおよそ4倍になると指摘しています。
4. スーパーコンピュータは、短い時間ステップで各格子点で物理方程式を解き、その結果を次のステップの開始点として戻します。バージニア州とフロリダ州に位置するNOAAのマシンは、1秒あたり約2.8京の計算を実行します。ECMWFのシステムは100万を超えるプロセッサを使用し、約30ペタフロップスを実現しています。
5. モデルは、初期条件または物理設定を微妙に変えて複数回実行されます。これをアンサンブルと呼びます。NOAAは、実行結果が一致する場合、予報士はより高い信頼度を持つと述べており、異なる場合、その広がり自体が公開に不確実性を伝えます。
6. 人間の予報士と自動化されたシステムは、公開予報、注意報、または警報を発行する前に、生のモデル出力を解釈します。地形、既知のモデルの偏り、または最近の観測に対して調整を行います。

グローバルモデルと地域モデル

NOAAは、地球全体を粗い解像度でカバーするグローバルモデルと、より小さな領域をより細かく詳細にカバーする地域モデルを区別しています。ECMWFはグローバルモデルを1日に2回、真夜中と正午に実行し、2つの追加的な中間実行を行い、加盟国の独自の地域モデルに境界条件を供給しています。機関は、世界の一方の気象の乱れが数日後に別の場所の条件に影響を与える可能性があるため、グローバルモデルが必要であると指摘しています。

予報が時間とともに正確さを失う理由

大気はカオス的なシステムです。初期条件のわずかな違いが時間とともに成長し、予報が現実から乖離するまでになります。この原理は、MIT気象学者エドワード・ローレンツによって最初に特定されたもので、どんなに強力なモデルでも将来を無期限に予報することができない理由です。

ペンシルベニア州立大学の研究者フーチン・ザンが率いた研究は、2つの主要なグローバル予報システム、ECMWFのモデルと米国の次世代グローバル予報システムを、ほぼ完璧な初期データを使用して、ヨーロッパの寒波と中国の洪水を含む実際のイベントに対してテストしました。チームは、世界の人口の大部分が住む中緯度地域では、信頼できる日々の予報は約9～10日先まで達成可能であり、データ収集、アルゴリズム、計算能力の向上に伴い、およそ14～15日まで延長される可能性があると結論付けました。

NOAAの独自のモデル出力に関する技術的ガイダンスは、生の未処理の格子予報に関してより保守的な数値を示しており、モデルは約4日間は一般的に正確であり、その後、実行間の変動が大幅に増加することを指摘しています。これは、アンサンブルと人間の予報士が中期範囲のパイプラインの一部のままである理由の1つです。

予報技術の次は何か

ECMWFは、将来の利益はより細かい解像度のアンサンブル予報、地球システムプロセス（大気、土地、海洋を一緒に）の改善された表現、および天気観測の改善された同化に依存していると述べています。これらはすべてより多くの計算能力を必要とします。センターのスケーラビリティプログラムは、エクサスケールコンピューティング（1秒あたり10億の10億計算）の準備をしており、また、独自のファクトシートによると、予報システムの一部として機械学習技術の探索も行っています。