- 三好 建正, 2026: 気象学におけるデータ同化入門 (気象学ライブラリー 5)。朝倉書店, 186 pp. ISBN 978-4-254-16945-4.
2026年4月の新刊、A5判 横書きのペーパーバック。
データ同化は、時間とともに変化する対象について、一定の法則をもった数理モデルに、観測データをとりこみ、観測データと近い値をもちながら数理モデルの法則にしたがうデータセットをつくる技術だといえるだろう。それは、ほかにも起源があるだろうが、気象の分野では数値天気予報の初期値をつくるために発達してきた。ちかごろ、データ同化の教科書的な本がいくつもでてきたが、とくに気象のデータ同化についてのものは、気象学会の「気象研究ノート」シリーズの本があるけれども、市販の本にはまだなかったと思う。もと気象庁の職員としてデータ同化にかかわりはじめ、いまは神戸にある理研の計算科学研究機構のデータ同化研究チームリーダーである三好さんによる、気象を対象としたデータ同化の総論の本が出たのは、ありがたい。
三好さんが中心となって、理研では、データ同化の講習会をやっている。京都大学の授業としてもやっているそうだ。そこでは、実際の数値天気予報につかう数理モデルよりはだいぶ単純だが同様な性質をもった「Lorenz-96」というモデル (それが何かは本書からはわからないが、おそらく Lorenz (1996) であつかわれたものなのだろう) にデータ同化の機能をつけくわえたプログラムをUnix系のOSがはいったパソコンで動かすような実習をするらしい。自分でデータ同化のシステムを組める人を養成するには、そのような数式やコンピュータプログラムをふくむ実習教材が必要になるにちがいない。
本書はそのような実習の教科書ではなく、それと並行した講義にあたるものだ。プログラム例はでてこないし、数式もほとんどでてこない。その形で、データ同化の基本的考えかたから、ちかごろの気象庁でどのようなデータ同化がおこなわれているか、そして、さらに精度の高い予報や地球大気をよりよく表現するデータセット作成ができるようにするためにどんな研究がおこなわれているかを展望する本なのだ。
きちんと理解するには、いろいろな予備知識を必要とする。統計学、そのうちでも多変量解析の基本。気象学の基本、数値天気予報の基本、現代の気象観測の概要。しかし、わからないことばがあっても読みすすめられる人ならば、ひとまず本書の話題を見わたしたうえで、予備知識がたりないとおもったらその入門教科書で補足していくという読みかたができるかもしれない。
1980年代に気象のデータ同化 (当時はむしろ「客観解析」という用語のほうがふつうだったが) について学んだわたしにとっては、概念としては知っていることが多いのだが、数値予報モデルの技術も気象観測の技術も新しい世代のものに入れかわっているので、新鮮なこともある。
気象は応用数学用語でいう「カオス」の性質をもっている。単純にいうと、わずかな誤差が時間とともに成長してしまうのだ。気象の分野でカオスの概念の発達にもっとも貢献したのは Edward N. Lorenz であり、本人による一般むけの本 The Essence of Chaos (『カオスのエッセンス』) がでている。数値天気予報は決定論的なモデルをつかうので、この誤差の拡大が数値予報の限界をもたらす。ただし、初期状態がわずかにちがう時間発展を多数計算することによって誤差の拡大を定量的に評価できる「アンサンブル予報」という方法が発達し、(計算機資源を大量につかうが) 数値予報の利用機能な領域はだいぶひろがった。
ここまではいまどきの気象関係者の共通認識になっているのだが、本書第2章で三好さんは、データ同化では「カオス同期」ができるのだという。これはわたしにとっては新しい知識だった。わたしはただしく理解できたか自信がないが、つぎのようなことを考えた。去年の5月のある日の状態を初期値として今年の4月のアンサンブル予報をしてみる。ほとんどどの時間発展でも「三寒四温」が実現している、つまり7日ぐらいの周期で気温が変動している (とする)。どの曜日に寒くなるかはまちまちで、現実の今年の4月とあっているのは7分の1しかなく、4月の天気予報としては役にたたない。ところがここに、今年の4月の東京では何曜日が寒かったという情報を追加してやると、東京以外の地点、あるいは気温以外の気象要素のうちにも、現実の値の近似としてつかえるような値がでてくる。やや一般化していうと、カオス現象では、個々の時点でのシステムの状態は事実上予測不可能になるのだが、どの時間発展でもシステムのふるまいは似ていることが多い。そのうち簡単なばあいは、振動型で、位相はちがっても周期はだいたい同じであるばあいで、位相を指定してやれば可能な時間発展の群をぐっとしぼることができる。これはわたしの連想にすぎず、「カオス同期」の説明になっているかどうかはわからない。ともかくわたしは「カオス同期」が可能になる条件について学びたいと思うようになった。
【それに関連して、本書の話題ではないが、理研の三好さんのグループのウェブページを見たら、三好さんが最近、このカオス同期の考えかたの発展で、もしかするとカオス性をもつ現実のシステムを制御できるかもしれないという議論をしているのを知った。数理科学の問題として論じた研究論文がでたというプレスリリースが理研のサイトからでている。
-(理化学研究所) (2026-01-15) [「バタフライ効果」を制御する新原理 — カオスを逆手に取る「双対性原理」の提唱]
わたしはこれまで、予測不可能なものの制御を論じてもむだだと思っていたのだが、もしかすると予測不可能でも制御可能なこともあるかもしれないと思えてきた。しかしそのばあいも、制御しなかったばあいについての予測ができないと、制御が実際にできたか確認することができないだろうと思うのだが。】
文献
- Edward Lorenz, 1993, paperback 1995: The Essence of Chaos. Seattle: University of Washington Press; London: UCL Press, 227 pp. ISBN 0-295-97514-8.
- [同、日本語版] E. N. Lorenz 著、杉山 勝、杉山 智子 訳, 1997: (ローレンツ) カオスのエッセンス。共立出版, 232 pp. ISBN 4-320-00895-2. [読書メモ]
- Edward N. Lorenz, 1996: Predictability — Problem partly solved. Predictability of Weather and Climate (Edited by Tim Palmer and Renate Hagedorn), Cambridge University Press, Chapter 3, Page 40-58. https://doi.org/10.1017/CBO9780511617652.004 (有料)
折りかえしのあとに目次をつける。
Continue reading