計算機で天気を解く
概要
天気は物理の法則に従って動く。ならば、いまの空気の状態を数字にして方程式を解けば、明日が計算できるはずである。第一次大戦中、イギリスのリチャードソンは手計算でそれを試み、六時間先の予報を出すのに六週間かかった。彼は、六万四千人が計算尺を並べて分担すれば間に合うと書いている。1950年、フォン・ノイマンらはENIACを使い、二十四時間先の予報を、ほぼ二十四時間かけて計算した。実用には届かないが、道筋は示された。計算機が速くなるほど予報が当たるようになるという時代が、ここから始まる。
場所
39.47°N -76.13°E · アメリカ・メリーランド州（アバディーン性能試験場）
本文
天気は、気まぐれに変わるように見えて、実は物理の法則に従って動いている。空気は温められれば膨らんで軽くなり、気圧の高いところから低いところへ流れ、地球の自転で曲げられる。それぞれの法則は方程式で書ける。ならば、いまの空気の状態を数字で正確につかみ、その方程式を解いていけば、明日の天気は計算で求められるはずである。二十世紀の初め、ノルウェーの気象学者ビヤークネスがこの考えをはっきりと示した。それまでの予報は、天気図の形を過去の似た例と見比べる、経験と勘の仕事だった（最初の天気予報）。
それを実際にやってみた最初の人が、イギリスのルイス・フライ・リチャードソン（1881〜1953年）である。クエーカー教徒だった彼は、第一次世界大戦で武器を取ることを拒み、救急車の部隊に加わってフランスの前線に出た。その合間、宿舎の干し草の山の上で、彼は計算を続けたという。
やり方はこうである。大気を、地図の上で碁盤の目のような格子に区切り、さらに高さ方向にも何層かに分ける。格子の一つ一つに、気圧、温度、風の向きと強さを数字として置く。そこに物理の方程式を当てはめて、少し先の時刻の値を求める。求めた値をもとに、さらに先を求める。これを繰り返せば、天気の変化を追いかけていける。
リチャードソンは、1910年5月のある日の中部ヨーロッパの観測をもとに、二つの格子について六時間先の気圧の変化を手で計算した。それだけで六週間ほどかかった。しかも答えは、六時間で気圧が百四十ヘクトパスカル以上も変わるという、現実にはありえない値になった。のちに、最初に与えた観測値の細かな乱れが計算の中で膨らんだことが原因だと分かるが、当時は失敗としか見えなかった。
それでも彼は、1922年に出した本で、この方法の未来を描いている。大きな劇場のような円い広間に六万四千人の計算手を並べ、それぞれが地球の一区画を受け持って計算する。中央の高い台に立つ指揮者が、光で合図して全体の歩調を合わせる。そうすれば、計算は実際の天気に追いつけるだろう、と。「予報工場」と呼ばれるこの空想は、人の手で計算するかぎり、天気の速さに追いつけないことを示してもいた。
その計算をする機械が、第二次世界大戦の後に現れる。弾道の計算のために作られた電子計算機ENIACである。計算機の設計に深く関わった数学者フォン・ノイマンは、天気の予報こそ計算機が挑むべき大きな課題だと考え、プリンストンの高等研究所に気象の研究組を作った。中心になったのは、若い気象学者チャーニーだった。
チャーニーは、リチャードソンの失敗から学んだ。すべての方程式をそのまま解くと、天気には関係のない細かな波まで拾ってしまい、計算が乱れる。そこで、大きな気圧の谷と尾根の動きだけを扱えるように、方程式を思い切って簡単にした。1950年の春、研究組はメリーランド州アバディーンの陸軍の施設にあったENIACに通い、北アメリカ周辺の上空の気圧の変化を計算した。
計算は、二十四時間先の予報を四回分行った。一回分の計算に、ほぼ二十四時間かかった。ENIACは数字を何千枚ものパンチカードでやりとりしなければならず、その出し入れにも時間を取られた。予報が出るころには、その日がもう来ているのだから、実用にはならない。だが、計算された気圧の流れは、大づかみには実際の動きを捉えていた。計算機が速くなれば予報は間に合う、という道筋が見えた。
業務としての数値予報は、1954年にスウェーデンで、翌1955年にアメリカで始まった。日本の気象庁も1959年に大型の計算機を入れて、数値予報を始めている。気象の観測は明治のころから続いてきたが（東京気象台）、その使い方がここで変わった。1960年代になると気象衛星が宇宙から雲を写すようになり、計算の出発点になる観測の網が地球全体に広がっていく。
計算が進むにつれ、予報の限界も見えてきた。1960年代の初め、アメリカの気象学者ローレンツは、計算機で天気の模型を動かしていて、途中の数字をわずかに丸めて入れ直しただけで、しばらく先の結果がまったく違ってしまうことに気づいた。初めの状態のごくわずかな違いが、時間とともに大きく育つ。これが「カオス」と呼ばれる性質の研究の始まりになった。
天気がそういう性質を持つ以上、いくら計算機を速くしても、ある先から先は当てられない。その壁は、およそ二週間とされる。そこで1990年代からは、出発点の数字を少しずつ変えて同じ計算を何十回も回し、結果のばらつきから「雨の確率」や予報の確からしさを示すやり方が使われるようになった。
予報の精度は、十年ごとにおよそ一日ずつ先へ伸びてきたとされる。いまの三日先の予報は、半世紀ほど前の翌日の予報と同じくらい当たる。ENIACが二十四時間かけて解いた計算は、いまの計算機なら一瞬で終わる。リチャードソンが夢見た六万四千人の計算手の広間は、一つの建物の中の計算機に置き換わった。