JP2021076565A

JP2021076565A - 低（中）解像度モデルによる降雨予測値の内挿（補間）値及び高解像度モデルの降雨予測値（内挿値含む）波形の相関に基づくダム流域に於ける数時間先の高精度な降雨予測値を得る方法（メソッド）

Info

Publication number: JP2021076565A
Application number: JP2019217474A
Authority: JP
Inventors: 良悦土門; Yoshietsu Domon
Original assignee: Domon Yoshietsu
Current assignee: Domon Yoshietsu
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20

Abstract

【課題】気象庁の全球モデルＧＳＭ、ＭＳＭなどの低（中）解像度モデルは数日先までの予測が可能で規模の大きな雨域を捉える一方、局地モデルＬＦＭなどの高精度モデルは１０時間先程度迄の予測であり小規模な積乱雲を表現するが位置ずれや時間ずれを伴う。ダム流域に係るどの降雨予測手法も単独では予測の信頼性に欠陥を抱えている。【解決手段】本願発明は実績雨量と相関性がある高・低解像度の降雨予測波形が相関することを源泉とする。本メソッドは図１０（線状降水帯）及び図１４（台風性降雨）、図２０、図２１、図２２に示すように豪雨襲来の数時間前であれば実雨量と予測雨量の相関係数（降雨波形の相似度を示す）が大で、相関性があることを利用している。高・低（中）解像度の降雨波形が相関すればその値（高解像度モデルの予測値）は実雨量に極めて近似する。（図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９）具体的には高・低（中）解像度の波形の相関の程度は波形の相関係数により判定する。【選択図】図７

Description

国土交通省などが管理運用するダムが豪雨に見舞われた際に急激にダム水位が上昇して異常洪水時防災操作と言われるダムへの流入量と同等の量を緊急放流する操作が必要になるがこの際の数時間先の豪雨予測の精度向上を図る技術。

降雨予測モデルには高解像度と低（中）解像度の数値予測モデルがある。高解像度モデルは数時間先の小規模な積乱雲による豪雨も鋭敏にとらえるが雨域が小規模のために位置ずれや時間ずれが発生し易い。（図１）

ダム流域の降雨予測の現状は数日先迄を見通すことが必要なために気象庁の全球モデルＧＳＭ及びＭＳＭなどの低・中解像度の数値予測モデルが主に使用されている。ＧＳＭ及びＭＳＭなどは数時間先の豪雨をもたらす小規模な積乱雲を表現することはできないが実施事例１及び図１２、図１３の事例の様に低解像度予測（及びその内挿値）はダム流域の雨量増減を表現する。（相関係数は図１４、図２１）一方、ダム流域降雨量の数時間先予報としてレーダー及び雨量計による解析雨量を使用する移動ベクトル手法による予測が行われているが予測可能時間に限界がある。

低（中）解像度モデルの降雨予測値から内挿（図２）によって細密な格子間隔６の予測値を作成する。格子間隔６を高・低（中）解像度予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）同程度の細密さにする内挿によって高・低（中）解像度降雨波形の相関を実現できる。加えて予測エリア（予測対象となる格子の範囲）を実際の流域範囲とほぼ同一にできる。（図２、図３、図４、図５、図６）内挿とは距離重みによる方法及びスプラインなど用途に応じた方法がありこれらを用いる方法である。

本願発明は実績雨量と相関性がある高・低解像度の降雨予測波形が相関することを源泉とする。異なる手法による予測値が実績雨量と相関することから両波形が相関する場合はその雨量が実際に出現する雨量である確率が極めて高くなる。両波形の相関を表すために低（中）解像度予測の内挿値と高解像度予測値（その内挿値を含む）の格子間隔を同等の細密さとする。このようにすれば位置・時間ずれがない場合は高・低（中）解像度予測は相関する。（図８、図９、図１０、図１４、図２１、図２２）予測モデルの解像度（格子間隔）が異なるから高・低（中）解像度両方のモデルの予測が同じ位置ずれを起こす確率は低いことが相関による予測の高信頼度の根拠である。本メソッドは図８、図９、図１０（線状降水帯）及び図１４（台風性降雨）図２０、図２１、図２２に示すように豪雨襲来の数時間前であれば実雨量と予測雨量の相関係数（降雨波形の相似度を示す）が大で相関性があることに基づく。両波形が相関することは同一の雨域を同一時間帯で表現することであり高解像度モデルによる予測値がダム流域の数時間先の予測値であることを証明する。（図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９、）具体的には高・低（中）解像度波形の相関の程度は図１８に示す相関係数の読み方により判定する。

降水予測情報の改善について札幌管区気象台平成３０年７月２３日局地モデル（ＬＦＭ）の特性と利用上の留意点について気象庁予報部平成２５年１１月２０日台風情報と全球数値予報モデル（ＧＳＭ）によるダム運用の改善に関する基礎的検討土木学会論文集（水工学）２０１３異常豪雨頻発化に備えたダムの洪水調節機能と情報の充実に向けて（提言）平成３０年１２月（７（１）▲２▼）

降雨予測モデルの格子間隔６とそれが表現可能な雨雲の大きさは格子間隔の５〜８倍（ｋｍ）とされる。例えばＬＦＭ（格子間隔Ｘ＝２ｋｍ）であれば１０〜１６ｋｍの小規模な幅の雨域迄表現する。ＧＳＭ（Ｘ＝２０ｋｍ）は幅が１００〜１６０ｋｍ以上の規模の雨域を表現する。（図１１）ＭＳＭはその中間に位置する。（Ｘ＝５ｋｍ）

降雨量を予測する「コンピューターを使用して行う数値予報モデル」はダム流域（ダムに流れ込む降雨の地理的範囲）に豪雨をもたらす幅１０数ｋｍの積乱雲も捉えることが必要である。

ＧＳＭなどの低解像度モデルは数日先までの規模の大きな雨域を予測する。ＬＦＭなどの高精度モデルは１０時間先までの小規模な積乱雲も表現するが対象が小規模な場合は位置ずれや時間ずれが起こすことがある。（図１、図１１）

現状ではダムの洪水調節のための雨量予測は数日先が必要であるため主としてＧＳＭ及びＭＳＭが使用されているが豪雨をもたらす小規模の積乱雲を捉えられないために豪雨数時間前に於いてダムのゲート操作に的確に対応できない。（図８、図９）一方、ダム流域降雨量の数時間先予報としてレーダー及び雨量計による解析雨量を使用する移動ベクトル手法による予測が行われているが予測先時間に限界がある。即ち、ダム流域に係るどの降雨予測手法も単独では予測の信頼性に欠陥を抱えている。

低（中）解像度モデルは小規模な積乱雲は捉えないため降雨強度（ｍｍ／ｈｒ）は緩慢な分布になるが実施事例１及び図１２、図１３の様に低（中）解像度予測（及びその内挿値）はダム流域の雨量を表現する。（相関係数は図１４、図２１）一方、高解像度モデルは幅１０数ｋｍの積乱雲も表現できる。（図１）

本願発明は実績雨量と相関性がある高・低解像度の降雨予測波形が相互に相関することを源泉とする。（図８、図９、図１０、図１４、図２１、図２２）異なる手法による予測値が実績雨量と相関することから両波形が相関する場合はその雨量が実際に出現する雨量である確率が極めて高くなる。格子間隔６を高・低（中）解像度予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）同程度の細密さにする内挿によって高・低（中）解像度降雨波形の相関を実現できる。予測に位置ずれ、時間ずれが無ければ高・低（中）解像度モデルで得られた予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）の波形５は相関する。この両波形が相関することは同一の雨域を同時間帯で表現することであり高解像度モデルによる予測値がダム流域の数時間先の予測値であることを証明する。波形が相関しない場合は高・低（中）解像度予測値のいずれかが位置または時間ずれを起こしている。相関しない場合は次の予測更新時に再度照合する。このメソッドは高精細度の格子間隔によって「ダム流域」範囲の誤差は最小に抑えられることから「ダム流域」の予測降雨量は厳密に同一エリアの降雨量であり照合が可能となる。（図２、図４、図５、図６）

高解像度モデルの降雨予測の解像度（格子間隔）が局地モデル（ＬＦＭ）では２ｋｍ、降水短時間予報では１ｋｍの細密度である。このメソッドでは内挿により１ｋｍ程度の格子間隔にすることによってダム流域範囲を高・低（中）解像度の予測で実際と近似した範囲にできる。格子間隔を内挿により１ｋｍ程度とすることにより流域面積の誤差率７は５％程度となる。このようにして本メソッドは高・低（中）解像度予測値波形の相関を高信頼度で判定する。（図５、図６）

予測波形（５）とは予測時間ごとの１時間当たりの予測降雨量を表す折れ線グラフを近似させた曲線で表示される波形をいう。低解像度モデルは例えば気象庁全球モデルＧＳＭ（格子間隔２０ｋｍ）などを中解像度モデルは例えば同庁メソスケールモデルＭＳＭ（格子間隔５ｋｍ）などを高解像度モデルは例えば同庁局地モデルＬＦＭ（同２ｋｍ）またはＬＦＭとＭＳＭ（同５ｋｍ）の合成値（同庁降水短時間予報）などをいう。予測波形（５）の位相、周期等（１、２、３、４）とは予測降雨強度（ｍｍ／ｈｒ）が極大になる前後の波形（５）の位相、周期（波長）、勾配（降雨増減勾配）、起伏開始終了か所をいう。内挿とは距離重みによる方法及びスプラインなど用途に応じた方法がありこれらを用いる方法である。（図３）照合とは高・低解像度による各予測波形（５）が相関（近似する状態をいう）するか否かを照合することをいう。具体的には以下のように行う。

低（中）解像度降雨予測モデルの予測値を内挿によって高解像度予測モデルの予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）の格子間隔と同程度に細密化して豪雨襲来の数時間前で高解像度予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）の降雨波形５の位相、周期等１、２、３、４の対比・照合を行う。（図２、図４、図５、図６）対象とする波形５は予測降雨強度が極大となる箇所前後の波形である。

高・低（中）解像度両方の降雨波形５が相関（波形が相似に近い状態をいう）すれば両方の予測値は同一の雨域及び同時間帯の予測になる。（図７、図８、図９、図１０）具体的には高・低（中）解像度波形の相関の程度は図１８に示す相関係数の読み方により判定する。

高・低（中）解像度の予測波形５が相関（相似する状態をいう）すれば数時間後の豪雨を高精度で予測することができる。（図７、図８、図９）相関する場合は高解像度モデルの予測値がダム流域に於ける数時間先の高精度の予測値である。

高・低（中）解像度の予測が同じ位置及び時間ずれを起こす確率は低いから高・低（中）解像度の波形が相関すればその予測値（高解像度による予測値）が高信頼度の予測値である。（図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９、図２０、図２１、図２２）

照合誤差７を最小にするために低（中）解像度モデルによる降雨予測値の内挿による格子間隔６は高解像度モデルの予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）の格子間隔６と同程度の細密さ（例えばＬＦＭの２ｋｍまたは気象庁降水短時間予報の１ｋｍ）とする。（図２、図３．図４．図５図６）

異なる解像度の予測モデルによる降雨予測値を内挿により同等の格子間隔６とすることにより降雨波形５を照合して豪雨の高精度の降雨予測値を得る。解像度が異なる二つの降雨予測モデルの予測であることからメソッド通りに内挿値を含む高・低（中）解像度の予測波形５が相関すれば当メソッドによる予測が外れる確率は極めて低いこと（図７、図８、図９、図１０）及び高・低（中）解像度の二つの予測値のもととなる格子が細密度のため照合に当たってのダム流域の地形的範囲に誤差が生じないことがその根拠である。

本願発明はダム流域における豪雨下での数時間先の高精度の降雨予測を実現して異常洪水時防災操作など緊急事態に於ける的確なダムの洪水時操作を可能とする効果がある。即ち、ダムからの急激な放流による河川氾濫など甚大な災害を防止すると共に豪雨予測が外れた場合の甚大なダム放流被害の発生を防止する。

高解像度モデルが数時間先の小規模な豪雨を鋭敏に捉えるが位置ずれや時間ずれが発生する事例の図である。低（中）解像度モデルによる降雨予測値から内挿によって細密化された降雨予測の格子間隔と高解像度モデルによる予測値の格子間隔６の説明図及び内挿方法の概念図である。内挿方法の概念図である。低（中）解像度モデルによる降雨予測値から内挿によって細密化された降雨予測の格子間隔と高解像度モデルによる予測値（その内挿値を含む）の格子間隔６の説明図及び内挿方法の概念図である。内挿格子間隔の細密度によるダム流域範囲の表現誤差により降雨予測波形にずれが生じる。高解像度予測値（その内挿値を含む）の波形５と内挿で得られた低（中）解像度予測値の波形５との位相、周期等１、２、３、４の相関有無を判定する照合メソッドの説明図である。波形５は予測初期時刻から数時間先迄の各１時間降雨量を表す折れ線グラフを近似して得られる曲線の波形をいう。上記［図７］の実施例（２０１８年７月愛媛県肱川流域の野村ダム及び鹿野川ダムの事例）である。流域降雨量の高低解像度の予測波形の相関係数を推定する。高解像度（格子間隔１〜５ｋｍ）と低解像度（格子間隔２０ｋｍ）降雨予測モデルによる降雨予測を比較した事例である。小規模な雨域の表現に差がある。低解像度モデルによるダム流域の良好な降雨予測精度を表す事例である。低解像度モデル（ＧＳＭ）による降雨予測値の実測値との相関係数をリードタイム（予測時間）で表す事例である。ＧＳＭを初期値・境界値とするダム流域雨量のアンサンブル予測事例豪雨数時間前におけるピーク予測時間帯の高・低解像度波形の相関度評価（例示）時系列データＸ，Ｙの相関係数（ｒ）の事例予測降雨波形相関係数（正の相関）の読み方ｎ次の内挿により高・低（中）解像度降雨予測波形の相関係数が累次増加するメカニズム（ダム流域イメージ）ダム事務所のＧＳＭは過小予測ではあるが豪雨の生起から終息迄の時間帯を捉えている。（ＧＳＭは概ね実雨量と相関がある。）２０１８．７野村・鹿野川ダム実降雨量〜ＧＳＭ相関図及び相関係数実績雨量とＲＳＭ（ＧＳＭ２０ｋｍ格子間隔の前モデル）の降雨波形の相関事例（早明浦ダム流域２００４．８．３０）

国土交通省など国及び県、さらに電力会社が管理するダムに於いて台風及び線状降水帯などによる豪雨襲来に際して本願発明のメソッドを使用して降雨量の予測のもとに的確なダムの運用を実施する。

低（中）解像度降雨予測モデルの予測値を内挿によって高解像度予測モデルの予測値（その内挿値を含む）の格子間隔６と同程度の細密化を行うことによって豪雨襲来の数時間前から高解像度予測値（その内挿値を含む）との降雨波形５の位相、周期等１、２、３、４に相関性が得られ、位置ずれ、時間ずれが無ければ相関することを利用する。（図２、図４、図５、図６、図７）

内挿によるも含む低（中）・高解像度モデルの予測値の両予測降雨波形５を照合して高信頼度の降雨予測値を得る。（図２、図４、図５、図６、図７）

予測モデルの解像度（格子間隔）が異なるから高・低（中）解像度両方のモデルの予測が同じ位置ずれを起こす確率は低いことが照合による予測の高信頼度の根拠である。

照合誤差７を最小にするために内挿による格子間隔６は高解像度モデルの格子間隔６と同程度の細密さ（例えばＬＦＭの２ｋｍまたは気象庁降水短時間予報の１ｋｍ）とする。（図２、図３．図４．図５、図６）

実施例その１

異なる二つのダム流域に於ける初期時刻毎の豪雨の降雨量予測の事例である。（２０１８．７愛媛県肱川の野村（Ｎ）ダム及び鹿野川（Ｋ）ダム）低解像度モデルＧＳＭ（格子間隔２０ｋｍ）は内挿により１ｋｍ格子間隔６に細密化されており高解像度モデルの予測値（気象庁降水短時間予報）の１ｋｍ格子間隔６と同じである。（図８、図９、図１０）予測初期時刻午前２時３０分と同３時００分で各々、高・低解像度（内挿後）降雨予測値波形の位相、周期等１、２、３、４が相関するから高解像度モデルの降雨予測値が高精度の予測値である。上記時刻前後に於いても同様の傾向がある。（図８、図９、図１０）

１高解像度及び低解像度降雨予測モデルによる予測値（内挿あり含む）の降雨強度極大箇所前後における予測降雨波形の位相、周期
２高解像度及び低解像度降雨予測モデルによる予測値（内挿あり含む）の降雨強度極大箇所前後における各予測降雨波形の雨量増加開始及び減少終了の近傍
３高解像度及び低解像度降雨予測モデルによる予測値（内挿あり含む）の降雨強度極大箇所前後における各予測降雨波形の頂点の近傍
４高解像度及び低解像度降雨予測モデルによる予測値（内挿あり含む）の降雨強度極大箇所前後における各予測降雨波形の波長
５高解像度及び低解像度降雨予測モデルによる予測値（内挿あり含む）の降雨強度極大箇所前後における予測降雨波形
６降雨予測モデルの格子間隔（水平方向の格子間隔）
７ダム流域の内側と外側に跨るため雨量予測値に誤差を生じる格子面積の割合

【配列表】

高解像度モデルが数時間先の小規模な豪雨を鋭敏に捉えるが位置ずれや時間ずれが発生する事例の図である。（局地モデル（ＬＦＭ）の特性と利用上の留意点について気象庁平成２５年１１月）低（中）解像度モデルによる降雨予測値から内挿によって細密化された降雨予測の格子間隔と高解像度モデルによる予測値の格子間隔６の説明図及び内挿方法の概念図である。内挿方法の概念図である。低（中）解像度モデルによる降雨予測値から内挿によって細密化された降雨予測の格子間隔と高解像度モデルによる予測値（その内挿値を含む）の格子間隔６の説明図及び内挿方法の概念図である。内挿格子間隔の細密度によるダム流域範囲の表現誤差により降雨予測波形にずれが生じる。高解像度予測値（その内挿値を含む）の波形５と内挿で得られた低（中）解像度予測値の波形５との位相、周期等１、２、３、４の相関有無を判定する照合メソッドの説明図である。波形５は予測初期時刻から数時間先迄の各１時間降雨量を表す折れ線グラフを近似して得られる曲線の波形をいう。上記［図７］の実施例（２０１８年７月愛媛県肱川流域の野村ダム及び鹿野川ダムの事例）である。流域降雨量の高低解像度の予測波形の相関係数を推定する。（国交省四国地方整備局作成資料（より効果的なダム操作について国交省四国地方整備局平成３０年９月１４日８〜９頁）を加工して作成）高解像度（格子間隔１〜５ｋｍ）と低解像度（格子間隔２０ｋｍ）降雨予測モデルによる降雨予測を比較した事例である。小規模な雨域の表現に差がある。（近年の降雨予測技術を活用したダム操作について松ケ平ほか：平成２８年度水源地環境技術研究所所報２頁）低解像度モデルによるダム流域の良好な降雨予測精度を表す事例である。（［図１２］北上川ダム洪水予測システム改良について「国交省北上川ダム統合管理事務所平成３０年６月重茂ほか［図１３］平成３０年７月豪雨：ダム洪水調節効果と異常洪水時防災操作の課題「京都大学防災研究所角哲也」消防防災の科学２０１９春２１頁）低解像度モデル（ＧＳＭ）による降雨予測値の実測値との相関係数をリードタイム（予測時間）で表す事例である。（土木学会論文集Ｂ１（水工学）Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．４，Ｉ＿３６７−Ｉ＿３７２，２０１３．松原ほか）ＧＳＭを初期値・境界値とするダム流域雨量のアンサンブル予測事例（アンサンブル予測雨量を活用したダム洪水調節手法「国交省国土技術政策総合研究所猪股ほか土木技術資料２８頁」５６−２（２０１４））豪雨数時間前におけるピーク予測時間帯の高・低解像度波形の相関度評価（例示）時系列データＸ．Ｙの相関係数（ｒ）の事例予測降雨波形相関係数（正の相関）の読み方ｎ次の内挿により高・低（中）解像度降雨予測波形の相関係数が累次増加するメカニズム（ダム流域イメージ）ダム事務所のＧＳＭは過小予測ではあるが豪雨の生起から終息迄の時間帯を捉えている。（ＧＳＭは概ね実雨量と相関がある。）（国交省四国地方整備局作成資料（より効果的なダム操作について国交省四国地方整備局平成３０年９月１４日８〜９頁）を加工して作成）２０１８．７野村・鹿野川ダム実降雨量〜ＧＳＭ相関図及び相関係数（国交省四国地方整備局作成資料（より効果的なダム操作について国交省四国地方整備局平成３０年９月１４日８〜９頁）を加工して作成）実績雨量とＲＳＭ（ＧＳＭ２０ｋｍ格子間隔の前モデル）の降雨波形の相関事例（早明浦ダム流域２００４．８．３０）（降雨予測技術を活用したダム洪水調節操作の高度化国土技術政策総合研究所気候変動対応本部河川研究部水資源研究室平成２１年７月１３頁）

Claims

低（中）解像度モデルによる降雨予測値を内挿（補間）により高解像度モデルの予測値（またはそれの内挿で得られた予測値）と同程度に細密化（例えば格子間隔１ｋｍ）した降雨予測値と高解像度モデルの降雨予測値（またはそれの内挿で得られた予測値（例えば格子間隔１ｋｍ））の位相、周期等（１、２、３、４）を構成要素とする降雨波形５の豪雨襲来数時間前の時点に於ける相関の生起に基づきダム流域に於ける数時間先の高精度の降雨予測値を取得する方法（メソッド）。その具体的手段として高・低（中）解像度の予測モデルによる降雨予測値の相関係数を用いて豪雨の襲来とその時のピーク時の時間雨量を含む予測降雨波形の信頼性を評価する方法（メソッド）。