情報学(数値シミュレーション・データ解析)

地学では、大気が熱や水蒸気を運び、高気圧や低気圧が動くしくみを学びます。こうした大気の動きは、物理の法則で式に書けます。その式を計算して天気を予報しようと考えたのが、イギリスの気象学者リチャードソンです。1922 年に出した本で、地球をます目に分け、ます目ごとに気圧や風を計算する方法を示しました。実際の観測データで試した手計算の予報は、現実とかけ離れた結果になりました。

それでもリチャードソンは、本の中で 1 つの夢を描きました。地球全体の天気を実際の天気より速く計算するには、約 6 万 4,000 人の計算係が要る。そう見積もり、劇場のような大きな建物を思い描いたのです。壁には世界地図が描かれ、計算係は担当する地域の席で、それぞれ式の一部を受け持ちます。中央の高い台に立つ責任者は、計算が進みすぎた地域にはばら色の光を、遅れた地域には青い光を当てて、全体の歩調をそろえます。

この「予報の工場」は、今のスーパーコンピュータのしくみとよく似ています。大きな問題を地域ごとに分け、たくさんの計算装置で同時に計算し、隣どうしで結果をやりとりする。情報学で学ぶ並列計算の考え方そのものです。

夢が動き出したのは 1950 年です。アメリカの気象学者チャーニーたちのチームは、初期のコンピュータ ENIAC で、24 時間先の予報を 4 回計算しました。ます目の間隔は約 500〜740 km、1 か月の作業で打ち込んだパンチカードは約 10 万枚です。24 時間先の予報の計算に約 24 時間かかりましたが、リチャードソンはこの結果を「大きな科学の進歩」とたたえました。今、気象庁の全球モデルのます目は約 13 km、日本付近の局地モデルは 1 km です。

地学では、海の水が波や潮の満ち引き、海流として動くしくみを学びます。津波は、地震で海底が持ち上がったり沈んだりして、海の水全体が動く現象です。日本の近くで地震が起きると、津波はすぐに海岸に届くことがあります。気象庁によると、地震が起きてから計算を始めたのでは、最新のコンピュータでも、津波が届くまでに警報を出せません。

そこで気象庁は、あらかじめ津波の数値シミュレーションを行い、結果を「津波予報データベース」にためています。想定する断層は、水平方向に約 1,500 か所、深さは 0〜100 km の間で 6 通り、マグニチュードは 4 通りです。掛け合わせると、およそ 3 万 6,000 通りになります。地震が起きたら、その位置と規模に合う結果をすぐに探して、警報や注意報を出します。

計算は 2 段階です。まず、断層のずれで海底がどう動くかを計算します。次に、海を縦横の細かいます目に区切り、各ます目の津波の高さと速さを、時間を追って計算します。浅く地形も複雑な海岸の近くは、沖合の結果から「グリーンの法則」で高さを求めます。全国の海岸をすべて細かく計算するには、時間がかかりすぎるからです。

データベースは、実際の地震から学んで直されています。2016 年 11 月 22 日の福島県沖の地震では、断層の向きが想定と違い、宮城県の津波を小さく予測しました。気象庁は全国の地震の断層の向きを点検し、2018 年 7 月に約 2,200 通りのシミュレーションを加えています。先に計算して、すばやく探す。結果を振り返って、データを直す。情報学で学ぶデータの扱い方が、ここにも生きています。