【第62回 気象予報士試験 専門知識】問5 数値予報の誤差とアンサンブル予報をわかりやすく解説

こんにちは！今回は第62回気象予報士試験 専門知識 問5を解説します！

この問題は、数値予報の誤差とアンサンブル予報についての問題です。

数値予報モデルの限界、初期値誤差の成長、メソアンサンブル予報、メンバー間のばらつきの意味を正しく理解しているかが問われています。

この問題で重要なポイント

  • 格子間隔より小さな現象は、格子点の物理量を使って近似的に評価する
  • 大気にはカオス的な性質があり、初期値誤差は時間とともに拡大する
  • アンサンブル予報では、初期値や境界値に少しずつ異なる摂動を加える
  • 確率的物理過程強制法は、モデルの物理過程の不確実性を考慮する手法
  • メンバー間のばらつきが大きいほど、予測の不確実性が大きい

■ 問題文

数値予報の誤差とアンサンブル予報について述べた次の文章の下線部（a）〜（d）の正誤について、下記の①〜⑤の中から正しいものを1つ選べ。

数値予報には、数値予報モデルやその初期値が完全でないことなどに起因する誤差が含まれる。 地球大気を扱う数値予報モデルでは、格子間隔より小さなスケールの現象によって生じる効果を、（a）格子点における物理量を用いて近似的に評価しているので、実際の現象とは厳密に一致せず、誤差が生じる要因の一つとなっている。

（b）仮に数値予報モデルが完全であり、初期値に含まれる誤差が微小であったとしても、大気の持つカオス的な性質により、予報時間が長くなるにしたがって予報誤差は急速に増大することが知られている。

これらの誤差を予め把握するため、気象庁のメソアンサンブル予報では、（c）初期値と側面境界値に少しずつ異なった誤差（摂動）を加えた複数の予測を行っており、さらに2023年3月からは、数値予報モデルの物理過程の不確実性を考慮するために、モデルアンサンブル手法の一つである確率的物理過程強制法が導入されている。

アンサンブル予報を利用する際の留意点として、メンバー間のばらつきが大きい時は、（d）気象要素の日々の変動が大きくなる予測であることを示している。

内容
①（a）のみ誤り
②（b）のみ誤り
③（c）のみ誤り
④（d）のみ誤り
⑤すべて正しい

■ 解答

④

（a）正
（b）正
（c）正
（d）誤

■ 解き方の方針

この問題は、数値予報の誤差がどこから生じるのかを整理すると解きやすいです。

モデルの限界
↓
格子より小さい現象を近似

初期値の誤差
↓
大気のカオス性で拡大

アンサンブル予報
↓
少しずつ違う条件で複数予測

メンバーのばらつき
↓
予測の不確実性

特に（d）は、「日々の変動が大きい」という意味ではなく、予報がどれくらい不確実かを表している点に注意しましょう。

■ （a）格子より小さな現象は近似的に評価する

（a）は正しいです。

数値予報モデルでは、大気を細かい格子に区切って計算します。

しかし、実際の大気には、格子間隔より小さなスケールの現象もたくさんあります。

たとえば、積雲の発生、乱流、放射、雲微物理過程などは、モデルの格子間隔だけでは直接表現しきれない場合があります。

そのため、格子間隔より小さな現象によって生じる効果を、格子点における気温・湿度・風などの物理量を使って近似的に評価します。

パラメータリゼーションのイメージ

格子より小さい現象
↓
直接は表現できない
↓
格子点の物理量から近似的に評価
↓
モデルに反映

このような近似をパラメータリゼーションといいます。

ただし、近似である以上、実際の現象と完全には一致しません。

したがって、（a）は正です。

■ （b）大気のカオス性により予報誤差は増大する

（b）は正しいです。

仮に数値予報モデルが完全であったとしても、初期値を完全に正しく知ることはできません。

観測には誤差があり、観測点がない場所の大気状態も推定する必要があるためです。

さらに、大気にはカオス的な性質があります。

これは、初期状態のわずかな違いが、時間とともに大きな予報結果の違いへ成長する性質です。

受験生向けのイメージ

初期値の小さな誤差
↓
大気のカオス性
↓
時間とともに拡大
↓
予報誤差が大きくなる

「モデルが完全なら誤差は増えない」と考えると間違えます。

初期値に少しでも誤差があれば、予報時間が長くなるほど誤差は大きくなりやすいです。

したがって、（b）は正です。

■ （c）メソアンサンブル予報では摂動を加えた複数予測を行う

（c）は正しいです。

アンサンブル予報とは、少しずつ異なる条件で複数の予測を行い、そのばらつきから予報の不確実性を把握する方法です。

気象庁のメソアンサンブル予報では、初期値や側面境界値に少しずつ異なる誤差、つまり摂動を加えた複数の予測を行います。

また、数値予報モデルの物理過程の不確実性を考慮するため、確率的物理過程強制法も導入されています。

アンサンブル予報のイメージ

少しずつ違う初期値・境界値
↓
複数の予測を実行
↓
結果のばらつきを見る
↓
予報の不確実性を把握

ここでいう側面境界値とは、メソモデルのように限られた領域を計算するモデルにおいて、計算領域の外側から入ってくる気象情報のことです。

メソモデルは全球全体を計算しているわけではないため、領域の外から入ってくる情報も予報結果に影響します。

したがって、（c）は正です。

■ （d）メンバー間のばらつきは日々の変動ではなく予測の不確実性

（d）は誤りです。

アンサンブル予報では、複数のメンバーの予測結果を比較します。

メンバー間のばらつきが小さい場合は、多くの予測が似た結果を示しているため、予測の信頼度が比較的高いと考えられます。

一方、メンバー間のばらつきが大きい場合は、予測結果が分かれているため、予測の不確実性が大きいことを意味します。

問題文では「気象要素の日々の変動が大きくなる予測」としていますが、これは誤りです。

ここが最大のひっかけ！

メンバー間のばらつきが大きい
↓
予測結果がそろっていない
↓
予測の不確実性が大きい

「日々の変動が大きい」という意味ではありません。

したがって、（d）は誤です。

■ 選択肢確認表

選択肢 正誤 理由
（a） 正 格子間隔より小さな現象は、格子点の物理量を使って近似的に評価する
（b） 正 初期値誤差が微小でも、大気のカオス性により予報時間とともに誤差は増大する
（c） 正 メソアンサンブル予報では、初期値や側面境界値に摂動を加えた複数予測を行う
（d） 誤 メンバー間のばらつきが大きいことは、日々の変動ではなく予測の不確実性が大きいことを示す

以上より、正しい選択肢は④です。

■ 受験生がつまずくポイント

1. パラメータリゼーションの意味があいまいになる

格子間隔より小さい現象は、モデルで直接表現しきれません。

そのため、格子点の物理量を使って近似的に評価します。

「小さな現象を無視する」のではなく、「近似してモデルに反映する」と押さえましょう。

2. モデルが完全なら誤差は増えないと思ってしまう

大気にはカオス的な性質があります。

そのため、初期値にわずかな誤差があるだけでも、予報時間が長くなるほど誤差は大きくなりやすいです。

3. 側面境界値の意味で止まる

メソモデルは、限られた領域を対象に計算します。

そのため、計算領域の外から入ってくる気象情報が必要です。

この外側から与えられる情報が側面境界値です。

4. アンサンブルのばらつきを「天気の変動」と誤解する

メンバー間のばらつきは、日々の気温変化や天気変化の大きさではありません。

複数予測の結果がどれくらい一致していないか、つまり予測の不確実性を示します。

■ まとめ

  • （a）格子より小さい現象は格子点の物理量で近似評価するため正しい
  • （b）大気のカオス性により、微小な初期値誤差も時間とともに拡大するため正しい
  • （c）メソアンサンブル予報では初期値や側面境界値に摂動を加えた複数予測を行うため正しい
  • （d）メンバー間のばらつきは日々の変動ではなく、予測の不確実性を示すため誤り

正解は④

（d）のみ誤り

この問題で必ず押さえたいこと

格子より小さい現象
＝ 近似的に評価

初期値誤差
＝ 時間とともに拡大

アンサンブル予報
＝ 少しずつ違う条件で複数予測

メンバー間のばらつき
＝ 予測の不確実性

数値予報の誤差の問題では、「誤差があるからダメ」ではなく、誤差をどう扱い、どう予測に活かしているかを理解することが大切です。

※ 本記事では、一般財団法人 気象業務支援センターより利用許諾を受けて、気象予報士試験問題を掲載しています。
問題文の著作権は一般財団法人 気象業務支援センターに帰属します。

以上、第62回 専門知識 問5の解説でした！

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