Spatio-Temporal Disaggregation of CMIP6 Rainfall Datasets and Generation of Intensity Duration Frequency (IDF) Curves for Hyderabad Metropolitan City, India

都市は単なる建物の集合体ではありません。それは、天候が開放された田舎とは異なる振る舞いを見せる、複雑で呼吸するシステムです。激しい雨が降るとき、都市の地面は森の地面のように水を吸収することができません。その代わりに、水はコンクリートやアスファルトの上を流れ落ち、恐ろしい速さで排水溝や通りを満たしていきます。都市の安全を守るための管や水路を設計するために、エンジニアは「強度・持続時間・頻度（IDF）曲線」と呼ばれる特定の種類のマップに頼っています。このマップは地理を示すものではなく、雨がいかに激しく、どのくらいの期間続き、そのような嵐がどのくらいの頻度で発生するかという統計的な関係を示すものです。例えば、ある嵐が1時間に一定量の雨を降らせる場合と、6時間かけて降らせる場合とでは、排水溝がどれだけの水を処理しなければならないかをプランナーに伝えます。しかし、これらのマップは時代遅れになりつつあります。地球温暖化に伴い、降雨のパターンは変化し、より不規則で激しくなっているからです。過去数十年の天候に基づいた古いマップは、変化する大気の現実を反映できていません。

科学者にとっての課題は、将来の天候を予測するために使用されるツールである「全球気候モデル」が、個々の都市の詳細を捉えるには粗すぎるという点です。これらのモデルは、世界を数百マイルに及ぶこともある巨大な格子状の区画に分割しており、都市部を浸水させるような特定の激しい降雨を捉えるには大きすぎます。さらに、これらのモデルは通常、日単位の降水量しか予測しませんが、都市の排水システムは、1時間ごとの何が起きるかを知る必要があります。このギャップを埋めるために、研究者はグローバルモデルによる広範な日単位の予測を取り、エンジニアが必要とする詳細な時間単位のデータへと分解しなければなりません。このプロセスには2つのステップがあります。第一に、モデルを地域の天候履歴に一致するように補正すること。第二に、日間の合計降水量を現実的な時間ごとのパターンに分割することです。

ナレシュ・アーディ氏率いるオスマニア大学の研究チームは、デカン高原にある巨大な大都市圏、ハイデラバードに対してこの問題に取り組みました。ハイデラバードは、熱帯の湿潤な条件と半乾燥の乾燥した条件が交差する場所に位置しており、独特の気候特性を持っています。この街は降水の大部分を南西モンスーンに依存していますが、近年、減少傾向にある総降雨日数に対し、降雨が発生した際には極めて危険な強度で水がもたらされるという、不穏な傾向が見られます。2020年、この街では1日で250ミリメートルを超える降水量を記録し、深刻な洪水を発生させました。次に何が起こるかを備えるため、チームはこれらのような短時間の極端な嵐が、今世紀末までにどのように変化するかを理解する必要がありました。彼らは、地球の未来の気候に関する最も高度なシミュレーションを提供する最新世代の全球気候モデル、具体的には「結合モデル相互比較プロジェクト第6フェーズ（CMIP6）」を活用しました。

研究者たちはまず、どのモデルがハイデラバードの降雨履歴を最もよく再現できるかを確認するために、8つの異なる全球気候モデルを選択しました。彼らは、1969年から2013年までの、市内の単一の気象観測所による45年間の実際の降雨記録をベンチマークとして使用しました。彼らは、平均降水量、変動性（日ごとの降雨の増減）、湿潤時と乾燥時のパターン、そしてある時間の降雨が次の時間とどのように関連しているかという、4つの主要な特性に対してモデルをテストしました。結果は示唆に富むものでした。すべてにおいて完璧な単一のモデルは存在しませんでした。CNRM-ESM2-1というモデルは平均降水量を正確に捉える上で最も優れていました。一方、BCC-CSM2-MRは、降雨の自然な増減を一致させる上で最も優れていました。湿潤時と乾燥時のタイミングに関しては、モデルは苦戦し、乾燥した時間を予測しすぎる傾向がありました。この発見は、気候科学における困難な真実を浮き彫りにしました。すなわち、「最高」のモデルとは一つではないということです。どのモデルを信頼するかは、取り組んでいる課題において、降雨のどの特定の側面が重要であるかに完全に依存します。

モデルが過去のデータに適合するように補正された後、チームはパズルの第二の部分、つまり日間の降水量から時間単位のデータへと変換するという課題に取り組まなければなりませんでした。彼らはこれを行うために、3つの異なる数学的手法をテストしました。第一に、「バートレット・ルイス・モデル」として知られる手法で、これは降雨を互いに集まる一連のパルス（脈動）として扱います。第二に、「マイクロカノニカル・カスケード」であり、これは一日の降雨を、全体の量が変わらないようにしながら、より小さな塊へと細分化していく分岐する樹木のように分解します。第三の手法である「K近傍法（K-Nearest Neighbor）」は、過去の同様の天候パターンを持つ日を探し、それらの時間ごとの内訳を借りて、新しい現実的なシナリオを作成する仕組みです。これらの3つの手法を補正済みの全球モデルに対して実行することで、チームは数千もの可能な未来の時間単位の降雨シーケンスを生成しました。

これらの高解像度のシーケンスを手に入れた研究者たちは、ハイデラーバードのための新しい強度・持続時間・頻度（IDF）曲線を作成しました。彼らは、温室効果ガスの排出が中程度に安定する世界と、排出が高水準で続く世界の2つの異なる未来の世界を検討しました。また、2015年から2056年までの「近未来」と、2057年から2100年までの「遠い未来」という2つの時間枠も調査しました。結果は、この街のインフラにとって明確かつ懸念すべき状況を描き出しました。シミュレーションは、極端に短く激しい嵐のリスクが大幅に増加していることを示唆していました。中程度の排出シナリオの下では、モデルは1時間の降雨強度が約250ミリメートル/時間に達する可能性があると予測しました。これは、これほど短い時間に降る量としては驚異的な数値です。3時間の嵐もまた深刻であり、約85ミリメートル/時間に達すると予測されました。

興味深いことに、これらの短時間の激しい降雨の激しさは、必ずしも世紀が進むにつれて増大するわけではありませんでした。遠い未来（2057年〜2100年）における1時間および3時間の嵐の強度は、近未来の予測と概ね同様であり、排出量が高水準であっても中程度であっても、この街は今世紀を通じてこれらの特定の種類のリスクに直面し続けることを示唆しています。しかし、より長い時間の嵐については話が異なります。6時間および12時間の降水強度は、歴史的に経験してきた範囲内に留まっていました。これは、ハイデラーバードに対する主な脅威は、雨季の長さの変化ではなく、最も短く突発的な豪雨の激しさの劇的な増大であることを示しています。

本研究はまた、どのツールがこの特定の作業に最適であったかも明らかにしました。研究者たちは、MIROC6全球モデルと組み合わせた場合、K近傍法とマイクロカノニカル・カスケード法が、特に最も激しい嵐のパターンを再現する上で非常に効果的であることを発見しました。他のモデルは1時間の嵐のピーク強度を過大評価する傾向がありましたが、MIROC6モデルは観察された歴史的傾向を密接に追跡していました。これにより、エンジニアは将来の排水システムを設計するための具体的で信頼できるツールの組み合わせを得ることができます。この知見は、厳しい警告を発しています。都市インフラを構築するための古いルールは、もはや十分ではありません。気候が変化する中で、ハイデラーバード、そして多くの都市は、最も危険な雨が最短の時間で降るという未来に向けて、コンクリートジャングルにおける水管理のあり方を根本的に再考しなければなりません。