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2021 年度 実績報告書

最先端のデータサイエンスで切り拓く「富岳」時代のリアルタイム豪雨・洪水予測

研究課題

研究課題/領域番号 21H04571
研究機関千葉大学

研究代表者

小槻 峻司  千葉大学, 環境リモートセンシング研究センター, 准教授 (90729229)

研究分担者 佐藤 陽祐  北海道大学, 理学研究院, 特任准教授 (10633505)
渡部 哲史  京都大学, 防災研究所, 特定准教授 (20633845)
山田 真史  京都大学, 防災研究所, 特別研究員(PD) (50897858)
小林 亮太  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (70549237)
岡崎 淳史  弘前大学, 理工学研究科, 助教 (10790842)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
キーワードデータ同化 / 機械学習 / 数値気象モデル / 豪雨予測 / データサイエンス
研究実績の概要

本研究の目的は、これまで独立して進んできた気象・水文モデル予測とデータ同化・機械学習を統合し、「富岳」時代の高精度・高頻度なリアルタイム豪雨・洪水予測を確立することである。2021年度は下記(a)-(d)の研究を推進した。
(a) 極端気象予測の改善: 雲微物理の不確定要素である雪氷種は、モデル予測の精度を左右する重要な要素であるが、現状では検証データが十分にない。2021年度には雪氷種画像を分類する畳み込み画像識別器CNN開発した。図鑑画像を教師にしたCNNにより、数値モデルで扱う主要な雪氷種分類に成功した。
(b) 水文データ同化による洪水予測の高精度化: 降雨・流出・氾濫一体解析モデルRRIにアンサンブルカルマンフィルタ (EnKF)を実装し、初期値改善によりリアルタイム洪水・浸水予測を高精度化する。2021年度には、雄物川を対象にしたRRI-EnKFのプロトタイプを完成させた。
(c) 衛星ビッグデータを用いた豪雨の高頻度予測: 線状降水帯の発達の鍵となる水蒸気分布“湿舌”の形成を予測するため、時空間的に密な衛星ビッグデータを用いた、湿舌のデータ駆動型予測手法を構築する。2021年度は畳み込み時系列予測モデル Convolutional LSTMの開発を開始しており、単純な画像補完問題 (Moving MNIST)で良好な動作を確認した。
(d) AIダム操作最適化による災害緩和手法の構築:ここでは高速計算可能な洪水予測エミュレータを開発し洪水の高頻度予測を実現する。2021年度は、雄物川流域を対象に、洪水氾濫モデルの長期積分を行い、その入力・出力関係を関連付ける機械学習・エミュレータを開発した。特に、入出力データを情報圧縮したうえでニューラルネットワークによる回帰学習をさせることで、より少ないアンプルデータからのエミュレーティングを可能にした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(a), (d)の研究計画については、研究提案時の線表通りに進んでいる。各研究項目については、初年度年度から新たに取り組みを開始した課題ばかりであり、本報告書執筆特点においては未だ論文化されていない。(a), (d) については、英語論文が投稿間近であり、2年時以降に具体的な研究成果の論文化を図る。(b), (c) についても、着実に成果の論文化を図る方針である。

今後の研究の推進方策

今後の推進方策は、下記(a)-(d)の推進となる
(a)極端気象予測の改善: 2021年度に開発した雪氷種を分類する畳み込み画像識別器CNN開発を更に高度化する。特に、実カメラ画像の背景場には繊維に起因するノイズが含まれるため、ノイズに対してもロバストな学習器を開発する。そして実カメラ画像に学習済CNNを適用し、現実の雪氷モデルの検証データを整備すると共に、論文化を図る。
(b)水文データ同化による洪水予測の高精度化: 2021年度に開発した、雄物川を対象にしたRRI-EnKFのプロトタイプを高度化する。具体的には、共分散膨張や局所化など、水文モデルに適したデータ同化手法を探索する。
(c)衛星ビッグデータを用いた豪雨の高頻度予測: 再帰的機械学習による気象場の移流推定に焦点を定め、まず扱いやすいレーダー画像を用いて、データ駆動型降水予測手法の構築する。具体的には、畳み込み時系列予測モデル Convolutional LSTMを開発し、実レーダー画像への応用・高度化を進める。特に、学習のコスト関数が問題になることが考えられるため、最適輸送問題を含めたより地球科学に適した方法を探索する。
(d)AIダム操作最適化による災害緩和手法の構築: 2021年度に開発した機械学習・エミュレータを更に高度化し、より少ない学習データで動作するための汎化性能向上に取り組む。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 9件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Enhancing data assimilation of GPM observations2022

    • 著者名/発表者名
      Miyoshi Takemasa、Terasaki Koji、Kotsuki Shunji、Otsuka Shigenori、Chen Ying-Wen、Kanemaru Kaya、Okamoto Kozo、Kondo Keiichi、Lien Guo-Yuan、Yashiro Hisashi、Tomita Hirofumi、Satoh Masaki、Kalnay Eugenia
    • 雑誌名

      Precipitation Science, Measurement Remote Sensing, Microphysics, and Modeling. Elsevier

      巻: - ページ: 787~804

    • DOI

      10.1016/B978-0-12-822973-6.00020-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Implementing Hybrid Background Error Covariance into the LETKF with Attenuation-Based Localization: Experiments with a Simplified AGCM2022

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki Shunji、Bishop Craig H.
    • 雑誌名

      Monthly Weather Review

      巻: 150 ページ: 283~302

    • DOI

      10.1175/MWR-D-21-0174.1

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 豪雪地帯に位置するダム対象とした融雪期の操作におけるAIダム操作モデルの応用可能性2021

    • 著者名/発表者名
      赤塚洋介, 瀬戸里枝, 鼎信次郎, 小槻峻司, 渡辺哲史
    • 雑誌名

      水工学論文集B1

      巻: 77 ページ: I_109~I_114

    • DOI

      10.2208/jscejhe.77.2_I_109

    • 査読あり
  • [学会発表] Implementing Hybrid Background Error Covariance into the LETKF with Attenuation-based Localization: Experiments with a Simplified AGCM2022

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S., and Bishop, H. C.
    • 学会等名
      第12回データ同化ワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] Improving the stability of the Local Particle Filter and Its Gaussian Mixture Extension: Experiments with an Intermediate AGCM2021

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S., Oishi, K., Miyoshi, T.
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Ensemble-Based Data Assimilation of GPM DPR Reflectivity into the Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model NICAM2021

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S., Terasaki, K., Satoh, M., Miyoshi, T.
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Improving Inflation and Resampling Methods To Stabilize Local Particle Filter2021

    • 著者名/発表者名
      Oishi, K., Kotsuki, S.
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Local Ensemble Transform Kalman Filter Experiments with Hybrid Background Error Covariance2021

    • 著者名/発表者名
      Otaki, T., Kotsuki, S., Miyoshi, T., Bishop, C.
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Improving Detection of Tropical Cyclones by Deep Convolutional Neural Network through a Two-step Training2021

    • 著者名/発表者名
      土屋建, 小槻峻司, 菊地亮太, 梅澤猛, 大澤範高
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Implementing Hybrid Background Error Covariance into the LETKF with Attenuation-based Localization2021

    • 著者名/発表者名
      小槻峻司, Bishop C.
    • 学会等名
      富岳プロテーマ1 サブテーマB 第3研究会
  • [学会発表] フラックス観測データを活用したデータ同化とスパースセンシング2021

    • 著者名/発表者名
      小槻峻司
    • 学会等名
      JapanFlux データ利用・共同研究促進ワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] 気候的背景誤差情報を用いたデータ同化手法高度化と観測位置最適化2021

    • 著者名/発表者名
      小槻峻司, 齋藤匠
    • 学会等名
      水文・水資源学会/日本水文科学会2021年度研究発表会
  • [学会発表] Ensemble-Based Data Assimilation of GPM DPR Reflectivity into the Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model NICAM2021

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S., Terasaki, K., Satoh, M., and Miyoshi, T.
    • 学会等名
      WCRP-WWRP Symposium on Data Assimilation and Reanalysis
    • 国際学会
  • [学会発表] Improving the stability of the Local Particle Filter and Its Gaussian Mixture Extension: Experiments with an Intermediate AGCM2021

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S., Oishi, K., and Miyoshi, T.
    • 学会等名
      WCRP-WWRP Symposium on Data Assimilation and Reanalysis
    • 国際学会
  • [学会発表] Local Ensemble Transform Kalman Filter Experiments with Hybrid Background Error Covariance: A Case with an Intermediate AGCM2021

    • 著者名/発表者名
      Kotsuki, S. and Bishop, C.
    • 学会等名
      WCRP-WWRP Symposium on Data Assimilation and Reanalysis
    • 国際学会
  • [学会発表] 数値計算と観測を融合するデータ同化 ー天気予報の仕組みと研究の最前線ー2021

    • 著者名/発表者名
      小槻峻司
    • 学会等名
      あかりんアワー
    • 招待講演
  • [学会発表] Two-stage Clustering Method for Discovering People’s Perceptions: A Case Study of the COVID-19 Vaccine from Twitter.2021

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto T, Uno T, Takedomi Y, Shepard D, Toyoda M, Yoshinaga N, Kitsuregawa M, and Kobayashi R
    • 学会等名
      IEEE BigData 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 気象モデルSCALEを用いた北海道を対象とした降雪研究2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤陽祐、稲津將、勝山祐太、近藤誠
    • 学会等名
      雪氷研究大会
  • [学会発表] 降雪粒子の粒子形状を扱う気象モデルの検証;北海道を対象とした数値実験2021

    • 著者名/発表者名
      鎌田萌花、佐藤陽祐
    • 学会等名
      雪氷研究大会

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公開日: 2022-12-28  

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