Weather forecast - Tenkiyoho (English) weather forecast

Japanese: 天気予報 - てんきよほう（英語表記）weather forecast

To predict and announce the weather conditions in a certain area, sea area, or airspace. Weather forecasts made by meteorological agencies are divided into short-term forecasts, weekly forecasts, one-month forecasts, three-month forecasts, seasonal forecasts, etc. depending on the forecast period, and the methods and contents of each are different. Weather forecasts are also divided into general forecasts and special forecasts depending on the purpose.

A short-term forecast is a forecast that covers the next few hours. A weekly forecast is a seven-day forecast, but it is sometimes called an extended forecast or a medium-range forecast. A one-month forecast, three-month forecast, or seasonal forecast is called a long-range forecast. A forecast that covers one to ten years or more is called a super long-range forecast. Special forecasts include railway weather reports, power weather reports, marine weather reports, aviation weather reports, flood forecasts, thunderstorm forecasts, agricultural weather forecasts (such as frost forecasts), and air pollution forecasts. Warnings and alerts for disaster prevention are also included in the broad definition of weather forecasts. Depending on the form of expression, there are quantitative forecasts, probability forecasts, distribution forecasts, and time series forecasts.

[Atsushi Kurashima and Takashi Aoki]

The basic principles of weather forecasting

Weather forecasting methods are divided into the following stages depending on the depth of thought involved:

(1) Phenomenological stage Weather forecasts based on weather proverbs and observations of the sky are made without understanding the structure and nature of natural phenomena, simply based on the principle of precedent or repetition, which says that if a certain phenomenon occurs, it is likely that the next one will be similar. This stage is called the phenomenological stage. Forecasts based on the persistence and periodicity of weather, methods using similar weather charts, and forecasts using statistically obtained correlations are all in the phenomenological stage if they are made without delving into the structure and nature of persistence, periodicity, similarity, and correlation. The method of formally matching the shape of isobars with weather distribution also belongs to this stage.

(2) Structural stage This stage involves forecasting the weather based on the trends of atmospheric structures such as high pressure, low pressure, typhoons, fronts, westerly wind waves, and jet streams. Weather forecasts that use weather chart analysis, i.e., synoptic weather forecasts, generally belong to this stage.

(3) Essentialist stage: This stage involves numerical forecasting, in which the essence of atmospheric phenomena is grasped as mechanical and thermodynamic processes, which are described using physical equations, and actual observational data is applied to calculate future atmospheric conditions.

The methods at each of the above stages are not clearly distinguished; for example, even at the phenomenological stage, the laws used may in fact represent extremely essential phenomena, and even at the structural and essentialist stages, there may be some phenomenological treatments.

[Atsushi Kurashima and Takashi Aoki]

History of Weather Forecasting

The history of weather forecasting can be divided into the era of meteorological observation, the era of single-point observation, the era of weather maps, the era of numerical forecasting, and the era of international cooperation, Earth observation, and the advanced information society.

[1] The era of observing the weather and observing the weather In the 16th chapter of the Gospel of Matthew in the New Testament, Jesus says, “At evening ye say, The sky is red, and it will be fair weather; and to morrow ye say, Today there will be wind and rain, and the sky is red and cloudy. Now ye know how to discern the signs of the times...”, which shows that attempts to observe the weather and observe the weather have existed since ancient times.

Weather proverbs have also existed since ancient times. Around 300 BC, the Greek Theophrastus (also known as Tyrantus) created about 200 weather proverbs, some of which relate to long-range and ultra-long-range forecasts.

[2] The era of single-point observation With the beginning of modern science in the Renaissance, the invention of the barometer, thermometer, hygrometer, and other instruments made meteorological observations quantitative, and patterns of weather changes were discovered from meteorological records observed at a single point, which were then used in weather forecasts. For example, it was thought that the rise and fall of the scales on a barometer or hygrometer directly corresponded to the weather of the day. The methods of this era were essentially the same as those of the era of weather observation, and belonged to the phenomenological stage.

[3] The era of weather charts As meteorological observations began to be carried out at various locations, comparing these observations made it clear that weather systems, such as storms, arise, develop, move, and then disappear. This led to the idea that weather forecasts could be made by depicting and tracking these systems on weather charts. However, maintaining and operating a wide-area meteorological observation network and collecting the results of the observations in one place in a short time required various conditions, including the establishment of modern nations and the development of communications. Therefore, the task of creating daily weather charts for the purpose of weather forecasting did not begin until the middle of the 19th century.

One of the characteristics of weather forecasting in the era of weather charts is that it began to be carried out as a business. A forecast is the announcement of a prediction, and it is not a simple prediction; it is not a forecast unless the results are widely communicated to the public, related organizations, and various industrial participants. It was only in the era of weather charts that a prediction became a forecast.

When daily weather charts began to be made, the atmospheric structures that govern weather distribution and weather changes, such as low pressure, typhoons, high pressure, air masses, and fronts, were depicted on the charts, and so-called synoptic forecasts began to be made. Then, in the 20th century, with the development of upper-altitude observations, daily upper-altitude weather charts began to be made around the 1930s, and structures and movements such as directional flow, westerly wind waves, easterly wind waves, and the jet stream began to be used in weather forecasts.

In Japan, the Tokyo Meteorological Observatory, the predecessor of the Japan Meteorological Agency, began weather observations in Tokyo for the first time in 1875 (Meiji 8), and later expanded its observation network to cover the entire country. On February 16, 1883, the Tokyo Meteorological Observatory produced its first weather chart, which began to be printed and distributed daily from March, and on May 26 of the same year, the observatory issued its first storm warning. Starting the following year, on June 1, 1884, the observatory began issuing nationwide weather forecasts three times a day.

[4] The era of numerical forecasting The possibility of weather forecasting based on the physical processes of the atmosphere was considered before the Second World War by V. Bjerknes of Norway and L.F. Richardson of England, but it was not until the 1950s that practical numerical forecasting began, and it was in 1959 (Showa 34) that the Japan Meteorological Agency began its numerical forecasting business. Numerical forecasting began in this era for the following reasons:
(1) It was deeply recognized that meteorological phenomena exist on various scales and that the physical laws governing the phenomena at each scale differ. The laws governing synoptic-scale phenomena such as those depicted on weather charts were expressed in fairly simple equations (for example, in American J. G. Charney's "Numerical Prediction Studies" (1949).
(2) The development of large electronic computers capable of performing a large number of calculations in an extremely short period of time.
(3) The expansion of modern meteorological observation networks, including upper-altitude observations, and the development of international cooperation among meteorological services in various countries.
These are the background factors.

[5] The era of international cooperation, earth observation, and advanced information society In 1977, Japan's geostationary meteorological satellite "Himawari" began to be used for weather forecasting. The World Wide Web (WWW) project, which aimed to strengthen the development of a global meteorological observation network, data processing system, and communication network, was implemented and promoted by the World Meteorological Organization (WMO) in 1967. In the 1970s, the Global Atmospheric Research Programme (GARP) was jointly planned by the WMO and ICSU (International Council of Scientific Unions, now the International Council for Science), with the aim of gaining a deeper understanding of atmospheric movements and developing the physical basis of weather forecasting. Since then, many internationally-cooperative observations have been carried out. Historically, modern weather forecasting is a period in which it has rapidly transitioned from the early era of numerical forecasting ([4]) to the era of international cooperation, earth observation, and advanced information society ([5]). In the 1990s, the dramatic advances in computer performance, improvements in numerical forecast models, and the progress of the information and communications revolution led to a dramatic improvement in the accuracy of weather forecasts based on numerical forecasts, and forecast areas were subdivided, allowing individual forecasts with detailed time and space information to be quickly transmitted to the areas that needed them through a variety of methods (for example, distribution forecasts, time-series forecasts, and forecasts by meteorologists from private weather companies). It also became possible to extend the forecast period, and weekly and seasonal forecasts were also made using weather charts based on numerical forecasts. Furthermore, emphasis was placed on ultra-long-range forecasts as information on the global environment, and future predictions of global warming began to be made.

[Atsushi Kurashima and Takashi Aoki]

Weather forecast types

There are many different types of weather forecasts depending on the length of the forecast period and the format in which it is expressed.

(1) Short-term forecasts Phenomena such as thunderstorms, tornadoes, and torrential rains have a horizontal width of less than 10 kilometers, and even if they are organized, the horizontal width is about 100 kilometers, so their structure cannot be depicted on a weather chart of a normal scale. In addition, since they last for a few hours, it is difficult to track them on a normal weather chart, so a method called nowcasting (short-term forecast information) is used. Nowcasts forecast up to about one hour ahead based on the observed current situation and the most recent weather trends. Nowcasts include tornado occurrence probability nowcasts, which forecast the probability of occurrence of violent gusts such as tornadoes, lightning nowcasts, which forecast the intensity of thunder and the possibility of lightning strikes, and precipitation nowcasts, which are detailed forecasts of 10-minute rainfall amounts for every square kilometer, and are useful for understanding the trends of localized heavy rain.

In addition, there is a short-term precipitation forecast that predicts precipitation for one hour up to six hours in advance, which is longer than the nowcast. Short-term precipitation forecasts take into account not only the speed at which the rain area moves, but also the mechanism by which rain clouds develop and weaken due to the terrain, and are created by taking into account the predicted precipitation amount from numerical forecasts.

In addition to various nowcasts and short-term precipitation forecasts, weather radar, AMeDAS, and analyzed precipitation (rainfall distribution information calculated by combining data from weather radar and rain gauges) are used to understand ever-changing weather conditions. Using this information, tornado warnings have been issued since 2008. This is a supplement to the conventional lightning warnings, and is meteorological information that warns that strong gusts of wind caused by tornadoes and downbursts are likely to occur at this time. Also, since 2010, weather warnings and advisories have been issued for each city, town, and village. Until then, the warnings and advisories were limited to areas that were divided into several prefectures, but by making the warnings and advisories specific and clear about the cities, towns, and villages that need vigilance, the information has been improved to provide more effective support for disaster prevention activities and evacuation actions.

(2) Short-term forecasts are made by tracking high and low pressure systems plotted on the Far East and Asia-Pacific weather charts, and westerly wind waves plotted on the upper air weather charts, and predicting their occurrence, development, and weakening. These phenomena have a horizontal width of about 1,000 to 3,000 kilometers, so they are plotted on the Far East or Asia-Pacific weather charts at an appropriate scale, and they last for more than a few days, progressing at a speed of about 1,000 kilometers per day. Therefore, by simply tracking them on a weather chart that is produced once or several times a day, and extending their movements into the future, it is possible to create a weather forecast with a fairly high degree of accuracy. The reason why meteorological projects were started in the days when meteorology was still underdeveloped is because phenomena of this scale existed in the atmosphere. Today, with the remarkable progress of numerical forecasting, weather forecasts for 24 to 72 hours in advance can be produced with practical accuracy, and weather forecasts for today, tomorrow, the day after, etc. are made based on them.

(3) Extended forecasts: These are made by tracking pressure systems (high and low pressure systems, troughs and ridges of westerly wind waves, etc.) over a long period of time on a weather chart for the Northern Hemisphere that is wider than that used for short-term forecasts. As a forecasting method, it can be said to be an extension of short-term forecasts. The limit of the forecast period that can be predicted using this method is thought to be about two weeks. Weekly forecasts are now also made using ensemble numerical forecasts up to one week in advance. In addition to the weather for each day, weekly forecasts also include the probability of precipitation, maximum and minimum temperatures (with margin of error), and the reliability of the forecast. The margin of error indicates the range within which the maximum and minimum temperatures that are actually observed will fall with an approximately 80% probability. The reliability is expressed in three levels, A, B, C, and D, which indicate the accuracy of the forecast and the variability of the forecast. A is the same level of accuracy as the weather forecast for tomorrow, while C means that the accuracy of the forecast is poor and there is a high possibility that the forecast will change when it is announced the next day.

(4) Seasonal forecasts: These forecasts predict the general trends of weather and average temperatures and precipitation over the next month or three months. Temperature and precipitation are divided into three categories: "low (little)", "average", and "high (heavy)", and the forecasts predict the probability of each category occurring. Neither forecast predicts daily weather, but rather general predictions such as whether there will be more sunny or rainy days on average, and whether temperatures will be higher or lower than average.

The one-month forecast is released every Friday, and includes the temperature and probability of precipitation for each week. The three-month forecast is released around the 25th of each month, and includes the temperature and probability of precipitation for each month. Forecasts for more than three months ahead include a warm season forecast (released at the same time as the three-month forecast for February) and a cold season forecast (released at the same time as the three-month forecast for September). In addition to probabilities of temperature and precipitation for summer (June to August) and winter (December to February), forecasts include the amount of precipitation during the rainy season, whether there will be a lot or little snow on the Sea of Japan side in winter, whether it will be a cool or hot summer, and whether it will be a cold or warm winter.

Seasonal forecasts have long been in the phenomenological and structural stages, such as correlation methods, periodic methods, and analogy methods, but have already made the transition to the essential stage, in which numerical forecasts are applied. In other words, ensemble forecasts are the basic forecasting material, and coupled atmosphere-ocean models have also been introduced for three-month forecasts, warm season forecasts, and cold season forecasts.

(5) Ultra-long-range forecasts Ultra-long-range forecasts of one to ten years or more are not officially conducted in any country in the world. However, the Earth's climate changes on a variety of scales, from glacial and interglacial periods on a 10,000-year time scale to cooling, warming, wetter and drier periods on a few years to a few hundred years, and these have a major impact on the conditions for human existence. Therefore, predictions of what phase of climate change the Earth's current climate is in, in what direction it will change in the future, and how the weather around the world will change as a result are of great importance to humankind, and so ultra-long-range forecasts with solid evidence are desired from all quarters. Climate changes that have attracted particular attention include the significant warming that occurred mainly in the high latitudes of the Northern Hemisphere from around 1920 to around 1940, the cooling from around 1940 to around 1970, the subsequent halt in the cooling and reversal to warming, and the subsequent significant warming of the lower atmosphere and cooling of the stratosphere on a global scale. The frequent occurrence of abnormal weather such as cold waves, heat waves, heavy rains, and droughts around the world is also thought to be related to these climate changes.

One of the most interesting issues in the climate change issue is the long-term outlook for climate change caused by human activities. The World Climate Conference, held in 1979 under the leadership of the WMO, declared that if the atmospheric carbon dioxide concentration continues to increase at the current rate, the temperature of the Earth's atmosphere will gradually increase until a climate change will be detectable by the end of this century, and a significant climate change may occur by the middle of the next century, raising concerns about the issue. Furthermore, the WMO has created the World Climate Programme (WCP) and has been working on the issue of climate change in cooperation with relevant international organizations. In 1988, the WMO and the United Nations Environment Programme (UNEP) established the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) to grasp and predict the actual state of global warming, and to evaluate its effects on society, the economy, and ecosystems. The first report was published in 1990 and played a major role in the conclusion of the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). The second report of the IPCC, compiled in 1995, was the first to point out "global warming caused by human activities." The third report in 2001 stated that "the warming trend over the past 100 years has been abnormal, and it is highly unlikely that it is a phenomenon of natural origin," which strengthened the belief that human influence is the cause of global warming. The fourth report was published in 2007. It specifically mentioned the progress and future outlook, stating that "global warming is beyond doubt, and it is highly likely that it is due to an increase in greenhouse gases of human origin," and that "the 21st century will bring about even greater global warming," and that "the occurrence of strong typhoons and hurricanes will increase, and the number of extremely hot days and torrential rains will also increase." The next report, the fifth report, is scheduled to be published in 2013-2014. In the fifth report, research is being conducted to provide more accurate and reliable climate predictions that will be useful for adaptation and mitigation measures against climate change, focusing not only on 100 years from now, but also on long-term climate change up to 2300 and the climate 20 to 30 years from now in the near future.

(6) Probabilistic forecasts A form of forecasting the degree of possibility of a certain phenomenon occurring is called a probabilistic forecast. Weather forecasts and seasonal forecasts are not 100% accurate, so probability is used to express their accuracy and reliability. In Japan, precipitation probability forecasts began for the Tokyo area on June 1, 1980, and the forecast area was gradually expanded to the entire country. A precipitation probability forecast predicts the probability of precipitation of 1 mm or more occurring at a certain location during a certain period of time, and does not distinguish between continuous precipitation and one-time precipitation during that period. The probability of precipitation is calculated by taking various factors that determine whether or not precipitation will occur, such as wind and water vapor in the upper atmosphere, from the atmospheric conditions theoretically and objectively predicted by numerical forecasts, and examining the percentage of cases in which precipitation actually occurred when similar conditions were predicted in the past, and creating a statistical formula from this. Probability forecasts are not limited to precipitation, but can be used to specify a variety of phenomena, such as the probability of winds blowing at 10 meters per second or more at a certain point or region during a certain time period, the probability of lightning, or the probability of precipitation of 20 millimeters or more per hour, rather than 1 millimeter or more. Seasonal forecasts predict the probability of each of the three classes of temperature and precipitation: low (little), average, and high (heavy). There are also probability forecasts of entering a typhoon's storm zone. These are three-hourly forecasts of the possibility that a certain region will enter a typhoon's storm zone for the next 72 hours. When the probability gradually increases, it indicates that there is a growing risk of entering the storm zone of an approaching typhoon. By observing the time-to-time change in the predicted value of the probability of entering the storm zone, it is also possible to know the time period when a typhoon will be closest to the area.

(7) Weather Distribution Forecast This forecast was launched in 1996. The country is divided into about 1,500 regions of about 20 square kilometers, and forecasts the weather, precipitation, and temperature every three hours for the next 24 hours, as well as the distribution of maximum and minimum temperatures. In winter, a distribution forecast of snowfall is also announced.

(8) Regional Time Series Forecast This was also launched in 1996, and it forecasts the weather, temperature, and wind direction and speed every three hours for one to four representative regions in each prefecture, up to 24 hours in advance (30 hours in advance for forecasts at 5 p.m.).

The various forecasts mentioned above are provided to users online, allowing them to edit them to suit their needs, and are displayed graphically on television, etc. In addition, the forecast materials used to create these forecasts are also distributed online to private weather companies, etc., enabling weather forecasters to provide more detailed and individualized forecasts.

[Atsushi Kurashima and Takashi Aoki]

Weather forecast accuracy

The evaluation of weather forecasting performance seems simple, but it contains surprisingly complex issues. For example, let's say there are two forecasters, A and B, who make forecasts for tomorrow and the day after on a sunny day. A does not see any signs of change on the weather chart, and thinks that the current sunny weather will continue, so he predicts "sunny tomorrow" and "sunny the day after." B sees signs of a low pressure system and predicts that it will pass the day after tomorrow, so he predicts "sunny tomorrow" and "rain the day after." However, in reality, the low pressure system moves quickly, and it rains on the first day and sunny on the second day. In this case, A's performance is 0 points on the first day and 100 points on the second day, with an average of 50 points. On the other hand, B's performance is 0 points on the first day and 0 points on the second day, with an average of 0 points, so A's performance is better than B's. However, A did not think about the possibility of a low pressure system and the resulting rain, whereas B misjudged the time of the low pressure system, but predicted the possibility of rain within at least two days. A's score of 50 is a score with no chance of improvement, while B's score of 0 is a score with the possibility of improvement to 100.

To give another example, suppose that when it is raining continuously, a weather forecast predicts that "tomorrow will be sunny," but in reality it will be "cloudy." A film director who had planned to shoot an outdoor location under a clear sky would say that the weather forecast gets a zero, but the stadium manager, who only wanted it to rain, might think that it would be okay to give it about 60 points. In this way, the scoring of weather forecasts varies depending on the technical difficulty and the viewpoint of the users.

There is a method for evaluating weather forecasting skills called the skill score. This is a method that evaluates the results based purely on skill, excluding the number of hits due to chance.

where S is the skill score, F is the number of hits, T is the total number of forecasts, and D is the climatological hits.

Here, _C1 is the number of sunny forecasts, _C2 is the number of rainy forecasts, _R1 is the number of sunny actual reports, and _R2 is the number of rainy actual reports.

A simpler method of scoring is to use a scoring sheet, in which detailed scores are determined in advance by comparing the forecast with the actual situation, based on the scores shown below.

●Weather forecast scoring criteria [Forecast: Sunny]
Weather: Sunny 100 points Cloudy 60 points Rain 0 points Snow 0 points [Forecast: Cloudy]
Weather: Sunny 60 points Cloudy 100 points Rain 44 points Snow 44 points [Forecast: Rain]
Weather: Sunny 0 points Cloudy 44 points Rain 100 points Snow 70 points [Forecast: Snow]
Actual condition Sunny 0 points Cloudy 44 points Rain 70 points Snow 100 points According to the results of scoring using this scoring standard (scoring sheet), tonight's forecast is 81 points, tomorrow's is 78 points, and the day after tomorrow's is about 75 points. Also, the forecast performs well in summer and winter when the weather is stable, and performs poorly in spring, autumn, and the rainy season when the weather is changeable.

To express the error in the usefulness of daily precipitation probability forecasts, the Brier score is used as follows:

Brier score=(P _OBS -P _FCT ) ²
Here, P _OBS is set to 1 when precipitation actually occurred and 0 when it did not, and P _FCT is the predicted probability of precipitation expressed as a decimal. The smaller this value, the better the reliability and resolution of the probabilistic forecast.

[Atsushi Kurashima and Takashi Aoki]

"The Science of Weather Forecasting" by Takahashi Koichirō (1980, NHK Books)" ▽ "Numerical Forecasting - Its Theory and Practice" by Masuda Yoshinobu (1981, Tokyodo Publishing)" ▽ "Weather and Predictability - A Theory of Weather Forecasting" by Nitta Hisashi (1982, Tokyodo Publishing)" ▽ "How Accurate Can Weather Forecasts Be?" by Okamura Masaru (1993, Morikita Publishing)" ▽ "How to Read and Use Weather Information" by Nitta Hisashi (1995, Ohmsha)" ▽ "How to Look at Weather Charts for Weather Forecasting" by Shimoyama Norio (1998, Tokyodo Publishing)" ▽ "Decision-Making Based on Weather Forecasts - The Economic Value of Uncertain Information" by Tatehira Ryozo (1999, Tokyodo Publishing)" ▽ "Today's Meteorological Operations" edited by the Japan Meteorological Agency, 2000 Edition (Ministry of Finance Printing Bureau)" ▽ "Japan Meteorological Agency Guidebook 2010" (2010, Meteorological Operations Support Center) " "Japan Meteorological Agency Today's Meteorological Operations" (2010, Kenseido Printing)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

ある地域または海域、空域の気象状態を予測し発表すること。気象官署の行う天気予報は予測する期間により、短期予報、週間予報、1か月予報、3か月予報、季節予報などに分けられ、それぞれ方法も内容も異なる。また、天気予報は用途によって一般予報と特殊予報に分けられる。

　短期予報は明後日までの予報をいい、とくに目先数時間ぐらいまでの予報を短時間予報という。週間予報は文字どおり7日間の予報であるが、これを延長予報extended forecastとか中期予報medium-range forecastとよぶことがある。1か月予報、3か月予報、季節予報は長期予報long-range forecastという。また1年から10年またはそれ以上の予報を超長期予報super long-range forecastという。特殊予報には鉄道気象通報、電力気象通報、海上気象通報、航空気象通報、洪水予報、雷雨予報、農業気象予報（降霜予報など）、大気汚染気象予報などがある。防災を目的とした注意報、警報も広義の天気予報に含まれる。また表現形式によって、量的予報、確率予報、分布予報、時系列予報などがある。

［倉嶋　厚・青木　孝］

天気予報の基礎となる考え方

天気予報の方法は、その考え方の深さによって、次の段階に分けられる。

(1)現象論的段階　天気俚諺(りげん)（天気についての言い伝え）や観天望気（空のようすを見て将来の天気を予想すること）による天気予報は、自然現象の構造や本質を知らないで、単に、ある現象が現れたら次にはこういう現象が現れることが多いという「前例の原理」または「繰り返しの原理」に基づいて行われるものである。このような段階を現象論的段階という。天気の持続性、周期性に基づく予報や、類似天気図を使う方法などのほか、統計的に得られた相関関係を利用した予報などは、持続性、周期性、類似性、相関性の構造や本質に立ち入らないで行われるときは、現象論的段階である。等圧線の形と天気分布を形式的に対応させる方法も、この段階に属する。

(2)構造論的段階　高気圧、低気圧、台風、前線、偏西風波動、ジェット気流などの大気の構造を見極めながら、それらの動向によって天気を予報する方法が、この段階に属する。天気図解析を手段とした天気予報、すなわち総観的天気予報はおおむねこの段階に属する。

(3)本質論的段階　大気中の現象の本質を力学的、熱力学的な過程としてとらえ、それを物理学の式で記述し、これに実際の観測資料を当てはめて、将来の大気の状態を計算する数値予報がこの段階に属する。

　以上の各段階の方法は、画然と区別されるのではなく、たとえば現象論的段階でも、それに使われている法則は、実はきわめて本質的な現象を表したものであることがあり、構造論的段階や本質論的段階のものでも、現象論的取扱いの部分があったりする。

［倉嶋　厚・青木　孝］

天気予報の歴史

天気予報の歴史は、観天望気の時代、一地点観測の時代、天気図の時代、数値予報の時代、国際協力と地球観測および高度情報化社会の時代に分けて考えることができる。

〔1〕観天望気の時代　『新約聖書』の「マタイ伝」の第16章に、イエスの「夕べには汝(なんじ)ら、空赤きがゆえに晴れならん、といい、また、あしたには、空赤くして曇るゆえに、きょうは風雨ならん、という。なんじら空の気色を見わくることを知りて、時のしるしを見わくることあたわぬか……」ということばの載っているのをみても、観天望気の試みは、古くからあったことがわかる。

　天気俚諺(りげん)も古くからあり、紀元前300年ごろギリシアのテオフラストス（チランタスTyrantusの名でも知られている）は約200の天気俚諺をつくっているが、そのなかには長期予報、超長期予報に関係するものもある。

〔2〕一地点観測の時代　ルネサンスにおける近代科学の開幕とともに、気圧計、温度計、湿度計などが発明されて気象の観測が定量的なものになり、一地点で観測された気象記録のなかから天気変化の法則性がみいだされ、それが天気予報に利用されるようになった。たとえば気圧計や湿度計の目盛りの上がり下がりが、直接、晴雨に対応すると考えられた。この時代の方法は、観天望気の時代と本質的には同じものであり、現象論的段階に属していた。

〔3〕天気図の時代　各地点で気象観測が行われるようになると、それらを比較することにより、暴風雨のような天気のシステムは、発生し発達しながら移動し消滅するものであることが明らかになり、それを天気図の上に表現して追跡すれば、天気予報ができるという考えが生まれてきた。しかし、広域にわたる気象観測網を維持、経営し、そこで行われる気象観測の結果を短時間に1か所に集めるためには、近代国家の成立、通信の発達など、さまざまの条件を必要とした。したがって天気予報を目的として日々の天気図を作成する仕事は、19世紀の中ごろになって初めて行われるようになった。

　天気図時代の天気予報の特徴の一つは、それが事業として行われ始めたことである。予報とは予想の発表であり、単に予想するだけでなく、その結果を広く人々や関係諸機関、諸産業関係者に知らせるのでなければ予報にならない。天気図の時代になって初めて予想が予報になったのである。

　日々の天気図がつくられるようになると、天気図上に低気圧、台風、高気圧、気団、前線などの、天気分布と天気変化を支配する大気の構造が描き出され、いわゆる総観予報が行われるようになった。そして20世紀に入ってからは高層観測の発展によって、1930年代ごろから日々の高層天気図が作成され始め、指向流、偏西風波動、偏東風波動、ジェット気流などの構造や動きが天気予報に利用されるようになった。

　日本では、1875年（明治8）に気象庁の前身である東京気象台が、東京で初めて気象観測を開始し、その後全国に観測網を展開した。1883年2月16日、東京気象台で初の天気図を作成、3月から毎日印刷・配布されるようになり、同年5月26日同台で初めて暴風警報を発表した。翌1884年6月1日からは同台で毎日3回、全国の天気予報を発表し始めた。

〔4〕数値予報の時代　大気の物理的過程に基礎を置く天気予報の可能性は、第二次世界大戦前にもノルウェーのV・ビャークネスやイギリスのL・F・リチャードソンによって検討されたが、実用的な数値予報が行われ始めたのは1950年代であり、日本の気象庁で数値予報が業務として始まったのは1959年（昭和34）である。この年代に数値予報が始まったのには、
(1)気象現象にさまざまのスケールのものがあり、各スケールの現象を支配する物理法則に相違があることが深く認識され、天気図に描き出されるような総観スケールの現象を支配する法則が、かなり簡単な方程式で表現されたこと（たとえばアメリカのJ・G・チャーニーの『数値予報の研究』1949など）、
(2)多量の計算をきわめて短時間に行うことのできる大型電子計算機ができたこと、
(3)高層観測を含む近代的気象観測網の拡大と、各国気象事業間の国際協力が発展したこと、
などが背景となっている。

〔5〕国際協力と地球観測および高度情報化社会の時代　1977年、日本の静止気象衛星「ひまわり」が天気予報に利用され始めた。また全地球的な気象観測網、資料処理システム、通信網の整備強化を目的とするWWW（世界気象監視）の計画が、WMO（世界気象機関）によって1967年から実施、推進された。さらに1970年代には、大気の運動を深く理解し、天気予報の物理学的基礎を発展させることを目的としたGARP(ガープ)（地球大気開発計画）が、WMOとICSU（国際学術連合会議。現、国際科学会議）の共同企画によって行われ、その後も、多くの国際協力による観測が行われてきた。そして現代の天気予報は、歴史的にみると、〔4〕の初期の数値予報の時代から、〔5〕の国際協力と地球観測および高度情報化社会の時代へ急速に移行している時代である。1990年代には電子計算機の性能の飛躍的進歩、数値予報モデルの改良、情報通信革命の進行により、数値予報による天気予報はその精度が格段に向上し、予報対象区域も細分化され、いわゆる時間的にも空間的にもきめの細かい個別予報が、さまざまな伝達方法により必要とする分野に迅速に伝達されるようになった（たとえば分布予報、時系列予報、民間気象会社の気象予報士の予報など）。また、予報期間の延長も可能になり、週間予報や季節予報も数値予報による予想天気図によって行われるようになった。さらに地球環境情報としての超長期予報が重視され、地球温暖化の将来予測も行われるようになった。

［倉嶋　厚・青木　孝］

天気予報の種類

天気予報には、予測する期間の長さや、その表現形式によりさまざまな種類がある。

(1)短時間予報　雷雨や竜巻、集中豪雨などの現象は水平幅が10キロメートル以下の現象で、それらが組織的に集まったものでも水平幅が100キロメートル程度であり、その構造は通常のスケールの天気図には描き出すことができない。また、その持続時間も数時間であるから、通常の天気図上では追跡することも困難であり、ナウキャスト（短時間予測情報）という方法が行われている。ナウキャストnowcastは、観測された現在nowの状況と直近の気象の変化傾向から1時間程度先までを予報forecastする。ナウキャストには、竜巻などの激しい突風が発生する確度を予報する竜巻発生確度ナウキャストや、雷の激しさや落雷の可能性を予報する雷ナウキャスト、1キロメートル四方ごとの10分間雨量という細かい予報で、局地的な大雨の動向を把握するのに役立てる降水ナウキャストがある。

　さらに、ナウキャストよりも長く6時間先までの1時間雨量を予報する降水短時間予報がある。降水短時間予報は、雨域の移動速度だけでなく、地形による雨雲の発達・衰弱メカニズムが考慮されており、数値予報による予測雨量も加味して作成される。

　各種ナウキャストや降水短時間予報のほかに、気象レーダーやアメダス、解析雨量（気象レーダーと雨量計のデータを組み合わせて計算される雨量分布情報）などを使うことにより、刻々と変化する気象状況が把握できるようになった。このような情報を利用して、2008年（平成20）からは竜巻注意情報が発表されるようになった。これは、従来の雷注意報を補足する情報であり、今まさに竜巻やダウンバーストなどによる激しい突風が発生しやすいことを注意する気象情報である。また、2010年からは市町村を単位とした気象等の警報・注意報が発表されている。それまでは、都道府県をいくつかの地域に分けた区域が対象だったが、警戒が必要な市町村を具体的に明確に示す警報・注意報とすることにより、防災活動や避難行動などに対するさらに効果的な支援情報に改善された。

(2)短期予報　極東天気図、アジア太平洋天気図の上に描き出される高気圧や低気圧や、高層天気図に描き出される偏西風波動の追跡と、それらの発生、発達、衰弱の予想によって行われる。これらの諸現象は水平幅1000～3000キロメートル程度の大きさをもつため、極東またはアジア太平洋天気図に適当な大きさで描き出され、しかもその持続日数は数日以上、進行速度は1日1000キロメートル程度である。したがって、1日1回または数回作成される天気図上で追跡して、その動きを先に延ばしてみるだけでも、かなりの精度の予想天気図をつくることができる。気象学が未発達の時代に気象事業が開始されたのも、大気中にこのスケールの現象が存在していたためである。現在は数値予報の格段の進歩により、24～72時間先の予想天気図が実用的精度で作成されており、それに基づいて今日、明日、明後日などの天気予報が行われている。

(3)延長予報　短期予報で用いる天気図よりも広域の北半球天気図上で、気圧系（高気圧や低気圧、偏西風波動の谷や尾根など）を長期間にわたって追跡することにより行われる。予報の方法としては短期予報を延長したものといえる。このような方法による予報可能期間の限界は2週間程度と考えられている。週間予報も1週間先までのアンサンブル数値予報によって作成されるようになった。週間予報では毎日の天気のほか、降水確率および最高・最低気温（誤差幅付き）、予報の信頼度が発表されている。誤差幅は、約80％の確率で実際に観測される最高気温と最低気温が入る範囲を示す。信頼度は、雨が降るかどうかの予報の精度と予報の変わりやすさをABCの3段階で表わす。Aは明日の天気予報と同じ程度の精度があり、Cのときは予報精度が悪く、翌日の発表時に予報が変わる可能性が大きいことを意味する。

(4)季節予報　向こう1か月間あるいは3か月間の天候と平均的な気温や降水量等の大まかな傾向を予報する。気温と降水量は「低い（少ない）」「平年並」「高い（多い）」の3階級に分けて、それぞれの階級が現れる確率の予報である。いずれも日々の天気ではなく、平均的にみて晴れが多いか雨が多いか、気温は平年より高いか低いか、などというような概略を予報するものである。

　1か月予報は毎週金曜日に発表され、週単位の気温と降水量の確率も予報する。3か月予報は、毎月25日ころに発表され、各月の気温と降水量の確率も予報する。3か月より先の予報には暖候期予報（2月の3か月予報と同時発表）と寒候期予報（9月の3か月予報と同時発表）がある。夏（6～8月）や冬（12～2月）の気温や降水量の確率予報のほか、梅雨期間の降水量や冬の日本海側の雪が多いか少ないか、冷夏か暑夏か、寒冬か暖冬か、などが予報される。

　季節予報は、相関法や周期法、類似法など現象論的段階や構造論的段階の時代が長かったが、すでに数値予報が適用される本質的段階への移行が終了している。すなわち、アンサンブル予報が基本的な予報資料であり、3か月予報や暖候期予報、寒候期予報には大気海洋結合モデルも導入されている。

(5)超長期予報　1年から10年あるいはそれ以上の超長期予報は、世界のどの国でも正式には行われていない。しかし地球の気候は、たとえば氷期、間氷期のような1万年の時間スケールのものから、数年から数百年の時間スケールの寒冷化、温暖化、湿潤化、乾燥化のような、さまざまなスケールの変動をおこしており、それが人類の生存条件に大きな影響を及ぼしている。したがって、現在の地球の気候が、気候変動のどの位相にあり、将来どのような方向に変化するのか、またそれに伴い世界各地の気象はどのようになるのか、という予測は人類にとって重要な意味をもっており、論拠のしっかりした超長期予報が各方面から望まれている。とくに注目されている気候変動に、北半球の高緯度帯を中心におこった1920年ごろから1940年ごろにかけての顕著な温暖化と、1940年ごろから1970年ごろにかけての寒冷化、そしてその後の寒冷化の停滞と温暖化への反転、さらにその後の全地球規模での下層大気の顕著な温暖化と成層圏の寒冷化がある。世界各地の寒波、熱波、大雨、干魃(かんばつ)などの異常天候の頻発も、この気候変動に関連するものと考えられている。

　気候変動問題のなかでとくに関心の寄せられているものの一つに、人間活動による気候変動の長期的見通しがある。1979年にWMOが中心となって開催された世界気候会議は、「大気中の二酸化炭素濃度がこのまま増加し続ければ、地球大気の気温は徐々に上昇して、今世紀末までには気候変動が検出可能になり、来世紀中ごろまでには著しい気候変動がおこるかもしれない」と宣言し、注意を喚起した。さらにWMOは世界気候計画（WCP）を作成し、関係各国際機関と協力して気候変動の問題と取り組んできている。そしてWMOと国連環境計画（UNEP）により、1988年に「気候変動に関する政府間パネル」（IPCC）が設置され、地球温暖化の実態の把握および予測、社会・経済・生態系などへの評価を行うことになった。その第一次報告書は1990年に発表され「気候変動に関する国際連合枠組条約」（気候変動枠組み条約）の締結に大きな役割を演じた。1995年にまとめられたIPCCの第二次報告書では、初めて「人間活動による地球の温暖化」について指摘した。2001年の第三次報告書では「過去100年間の温暖化傾向は異常であり、自然起源の現象である可能性はきわめて低い」と、温暖化に対する人為的影響に確信を強めた論調となった。さらに2007年には第四次報告書が発表された。そのなかで「温暖化は疑う余地がなく、人為起源の温室効果ガスの増加による可能性が非常に高い」また「21世紀にはさらに大規模な温暖化がもたらされる」「強い台風やハリケーンの発生が多くなり、猛暑日や集中豪雨なども増加する」と、第四次報告書は具体的に経過と今後の見通しについて言及した。次の第五次報告書は、2013～2014年に公表が予定されている。第五次報告書では、さらに精度がよく信頼性の高い気候予測を、100年後だけでなく、2300年までの長期気候変動や近未来の20～30年後の気候にも重点をおくなど、気候の変動に対する適応策や緩和策に役立てるために研究が進められている。

(6)確率予報　ある特定の現象のおこる可能性の程度を予報する形式を確率予報という。天気予報や季節予報は的中率100％ではないので、その精度や信頼度を表現するために確率を用いている。日本では1980年6月1日から東京地方に対して降水確率予報が行われ始め、その後、段階的に予報対象地域が全国に拡大された。降水確率予報は、ある地点において、ある時間帯に1ミリメートル以上の降水のおこる確率を予報するもので、その時間帯に連続して降るか、一時降るかの区別はしていない。降水確率は、数値予報によって理論的、客観的に予測された大気の状態のうち、上空の風とか水蒸気の量など降水の有無を決めるさまざまの要素を取り出し、過去に同じような状態が予測されたときに実際に降った場合が何％あったかの値を調べ、これを統計式にして求める。確率予報は降水現象だけでなく、たとえばある地点またはある地域で、ある時間帯に毎秒10メートル以上の風の吹く確率、雷がおこる確率、あるいは同じ降水現象でも1ミリメートル以上ではなく、1時間20ミリメートル以上の降水のおこる確率というように、さまざまの事象を特定して行うことが可能である。季節予報では、気温や降水量について「低い（少ない）」「平年並」「高い（多い）」の三つの階級を対象に、それぞれの階級の出現が予想される確率を予報している。また、台風の暴風域に入る確率予報もある。これは、ある地域が台風の暴風域に入る可能性について72時間先までの3時間ごとの確率の予報である。確率がしだいに大きくなる場合には接近しつつある台風の暴風域に入る恐れが大きくなっていることを示している。また、暴風域に入る確率の予報値の時間変化をみることによって、台風がもっとも接近する時間帯を知ることもできる。

(7)天気分布予報　この予報は1996年から開始された。これは全国を約20キロメートル四方で約1500の地域に細分し、天気、降水量、気温を3時間ごとに24時間先まで、また最高・最低気温の分布を予報するものである。冬季には降雪量の分布予報も発表される。

(8)地域時系列予報　これも1996年から開始されたもので、各都道府県内の代表的な1～4地域を対象に、3時間ごとの天気や気温、風向風速の推移を24時間先（17時発表は30時間先）まで予報する。

　上述の各種の予報は利用者にオンラインで提供され、利用者側がニーズに応じた独自の編集をすることが可能となり、テレビなどで図形で表示されるようになった。また、これらの予報を作成するための予測資料も民間天気会社などにオンラインで配信されることから、気象予報士などが、さらにきめの細かい個別的な予報をすることが可能になった。

［倉嶋　厚・青木　孝］

天気予報の的中率

天気予報の成績評価は、簡単なようで、案外に複雑な問題を含んでいる。たとえば、ここにA、Bの2名の予報官がいて、ある晴天の日に、明日、明後日に対して予報を出したとする。Aは天気図上に変化の兆しをみいださず、現在の晴天が続くと考えて「明日、晴れ」「明後日、晴れ」と予報した。Bは低気圧発生の兆しをみつけ、それが通るのを明後日と予測して「明日、晴れ」「明後日、雨」と出した。ところが実際には、低気圧の動きが早く、第1日目が雨、第2日目が晴れになってしまった。この場合、Aの成績は第1日目0点、第2日目100点で、平均50点である。一方、Bは第1日目0点、第2日目0点、平均0点であり、AのほうがBよりも成績がよくなる。しかしAは低気圧の発生とそれによる雨の可能性を思ってもみなかったのに、Bは低気圧の通る「時刻の判断」に誤りがあったが、少なくとも2日以内に雨の降る可能性を事前に予想した。Aがとった50点は向上の見込みのない50点であり、Bがとった0点は100点に向上しうる「見込みのある0点」である。

　別の例をあげると、雨が降り続いているときに、「明日は晴れ」と出した予報が、実際には「曇り」だったとする。青空の下での野外ロケーションを予定していた映画監督は「天気予報は0点だ」というであろうが、雨さえ降らなければよいと思っていた球場経営者は60点ぐらいはやってもよいと思うかもしれない。このように天気予報の採点は、技術的難易の観点や利用者の立場によって異なってくる。

　天気予報の技能評価の方法として、スキル・スコアskill scoreがある。これは、偶然による的中数を引いた、純粋に技術によって的中した成績を評価するもので、

で計算される。ここでSはスキル・スコア、Fは的中した回数、Tは予報を出した総回数、Dは気候学的的中数である。

ここでC₁は晴れの予報回数、C₂は雨の予報回数、R₁は晴れの実況数、R₂は雨の実況数である。

　もっと簡単な採点法は、採点表による方法で、これは、以下に示す点数を基本にして、予報と実況との対照による点数をあらかじめ細かく決めておくものである。

●天気予報の採点基準
〔予報・晴れ〕
　　実況　晴れ　100点
　　　　　曇り　 60点
　　　　　雨　　　0点
　　　　　雪　　　0点
〔予報・曇り〕
　　実況　晴れ　 60点
　　　　　曇り　100点
　　　　　雨　　 44点
　　　　　雪　　 44点
〔予報・雨〕
　　実況　晴れ　　0点
　　　　　曇り　 44点
　　　　　雨　　100点
　　　　　雪　　 70点
〔予報・雪〕
　　実況　晴れ　　0点
　　　　　曇り　 44点
　　　　　雨　　 70点
　　　　　雪　　100点
　この採点基準（採点表）を用いて採点した結果によると、今夜の予報が81点、明日が78点、明後日が75点ぐらいになり、また天気の安定する夏や冬に成績がよく、天気の変わりやすい春、秋、梅雨期に成績が悪い。

　なお日々の降水確率予報の有用性の誤差を表現するには、次式のブライヤー・スコアBrier scoreが用いられる。

　　Brier score=(P_OBS-P_FCT)²
ここにP_OBSは、実際に降水のあったときを1、なかったときを0とし、P_FCTは予報された降水確率を小数で表現した値を用いる。この値が小さいほど、確率予報は、その信頼度も分解能もよいことになる。

［倉嶋　厚・青木　孝］

『高橋浩一郎著『天気予報の科学』（1980・NHKブックス）』▽『増田善信著『数値予報――その理論と実際』（1981・東京堂出版）』▽『新田尚著『天気と予測可能性――ひとつの天気予報論』（1982・東京堂出版）』▽『岡村存著『天気予報はどこまで正確にできるか』（1993・森北出版）』▽『新田尚著『気象情報の読み方・使い方』（1995・オーム社）』▽『下山紀夫著『気象予報のための天気図のみかた』（1998・東京堂出版）』▽『立平良三著『気象予報による意思決定――不確実情報の経済価値』（1999・東京堂出版）』▽『気象庁編『今日の気象業務』平成12年版（大蔵省印刷局）』▽『気象庁編『気象庁ガイドブック2010』（2010・気象業務支援センター）』▽『気象庁編『気象業務はいま』（2010・研精堂印刷）』