WAVEWATCH III を外部領域に用いた
波浪予測システムの精度検証
間瀬 肇
1・Tracey H. A. Tom
2・池本 藍
3・川崎 浩司
4 1正会員 京都大学防災研究所 特任教授（〒611-0011 宇治市五ケ庄） E-mail: [email protected] 2 (株) サーフレジェンド（〒251-0046 藤沢市辻堂西海岸3-1-1 辻堂海岸ビル2F） E-mail:[email protected] 3 元 (株) サーフレジェンド（〒251-0046 神奈川県藤沢市辻堂西海岸3-1-1 辻堂海岸ビル2F） E-mail:[email protected] 4正会員 (株) ハイドロソフト技術研究所 取締役兼研究開発センター長 （〒530-6126 大阪市北区中之島3-3-23中之島ダイビル26F） E-mail: [email protected]深海を対象に開発された WAVEWATCH III (WW3) や WAM は浅海に拡張され，一方，浅海を対象に開 発された SWAN は深海に拡張されているが，最初の目的からの開発経緯に従い，深海では WW3 や WAM を用い，浅海には SWAN を用いるネスティングが望ましい．実際に，IOOS (Integrated Ocean Observing System) では，外洋を WW3，近海を SWAN を用いた波浪予報を行っている．本研究は，日本のナウファ スの 12 地点に対して，外洋 (外部領域) に WW3，近海 (内部領域) に SWAN を用いた波浪システム WW3+SWAN による予測値の精度を，これまで構築した外部・内部領域のどちらにも SWAN を用いた波 浪システム SWAN+SWAN による予測値および観測値との比較を通して，WW3+SWAN 波浪予測システム の精度検証を行った．その結果，有義波高に関しては SWAN+SWAN と WW3+SWAN の優劣はほとんど なかったが，有義波周期に関しては，WW3+SWAN の方が良くなることがあることがわかった．
Key Words : wave forecasting, wave prediction, WAVEWATCH III, SWAN, prediction accuracy
1. はじめに
波浪予測は，大型船の運行やケーソン据付等の港湾・ 海洋工事，海水浴，サーフィン，ヨット等の海浜・海域 利用の予定を立てる上で重要な判断手段として重要であ る．また，高波災害発生時あるいは災害が予想される場 合，波浪が現在どのような状況で，これからどのように 変化するかといった，現在および数時間先の状況を把握 するためのリアルタイム予測も重要である． 現況観測値については，国内最大の波浪観測網である 全国港湾海洋波浪情報網 (ナウファス) を用いれば，観測 機器が設置されている全国 77ヶ所（2015年時点）のリア ルタイム情報を知ることができるが，観測機器がない場 所については現況を把握できない．そのため，Tomら1) は，リアルタイム波浪予測法とその配信システムを構築 した．また，リアルタイム予測値の精度検証を台風シー ズンの波浪に対して行い，有義波高が 2m 以上では的中 率が 80% 以上の良好な予測ができることがわかった 2) ． 現業の波浪予測で使われている波浪モデルは，主とし て WAM あるいは SWAN 3) (Simulating WAves Nearshore) があるが，WAVEWATCH III 4), 5) (略して WW3) を利用して いる機関もある (例えば，NOAA)．鈴木ら6) は WW3 を 用いた波浪予測システム構築のために WW3 と WAM の 推算精度を比較し，どちらも実測値の再現性は良いが， うねり性の波浪に対しては WW3 が良いと述べている． 深海を対象に開発された WW3 や WAM は浅海に拡張 され，一方，浅海を対象に開発された SWAN は深海に 拡張されているが，開発経緯に従い，深海では WW3 を 用い，浅海には SWAN を用いるネスティングが望まし い．実際に，IOOS (Integrated Ocean Observing System) 7) では，
外洋を WW3，近海を SWAN を用いた波浪予報を行って いる．
本研究では，日本のナウファスのうち 12 地点に対し て，外洋 (外部領域) に WW3，近海 (内部領域) に SWAN
を用いた波浪システム WW3+SWAN による予測値，こ れまで構築した外部・内部領域に SWAN を用いた波浪 システム SWAN+SWAN による予測値および観測値との 比較を通して，WW3+SWAN 波浪予測モデルの精度を検 証する．
2. 波浪予測システム
外部領域および内部領域ともに SWAN を用いた波浪 予測システムを SWAN+SWAN と表し，外部領域に WW3 を用いた波浪予測システムを WW3+SWAN と称す る． (1) 解析領域 外部領域は，以下のようである（図-1 参照）． i) SWAN+SWAN の場合 北緯 5 度～ 55 度および東経 120 度～ 175 度であり，海 底地形データはアメリカ国防総省の海軍海洋学局による DBDBV (Digital Bathymetric Data Base Variable) 10 分間隔デー タを用いた．波浪計算格子間隔は 0.167 度とした． ii) WW3+SWAN の場合北緯 0 度～ 60.3 度および 東経 98 度～ 180.3 度とし，海 底地形データとして ETOPO1 (1 Miniute Gridded global Relief Data) から作成した1分間隔データを用いた 8) ．波浪計算 格子間隔は 0.167 度である． 波浪計算に用いる入力風は，GFS の 0.5 度間隔の地上 10m 風であるが，波浪計算時には 0.167 度間隔に内挿さ れる． 内部領域は，以下のようである． i) SWAN+SWAN の場合 北緯 24 度～ 47 度，東経 126 度～ 149 度とし，海底地 形データとして ETOPO2-V2 の 2 分間隔データを用いた． 波浪計算格子間隔は 0.033 度である． ii) WW3+SWAN の場合 北緯 22.7 度～ 47.4 度および東経 120.1 度～ 149.9 度であ り，海底地形データとして GEBCO (General Bathymetric Chart of the Ocean)/JBIRD(JODC Bathymetry Integrated Random Dataset) 500m から1分間隔データを用いた．波浪計算格子 間隔は 0.055 × 0.05 度とした．
用いる入力風は，3～1日先予測においては，WRF (Weather Research Forecasting) により推算した 0.1 度間隔の 高度 10m 風を用い，リアルタイム予測においては 0.05 度間隔の HA-GPV 高度 10m 風を用いる． (2) 予測計算フロー 外部領域では，第 3 世代波浪モデルである SWAN あ るいは WW3 を用いて波浪予測計算を行う．WW3 を用 いるにあたって種々のパラメータ選択があるが，ここで は UQ, FLX2, LN1, ST2, STAB2, NL1, BT1, IC0, REF0, DB1, TR0, BS0, XX0, WNT1, WNX1, CRT1, CRX1 (パラメータの 詳細は Tolman5) を参照) を用いた．風データは GFS (Glob-al Forecast System) の 0.5 度間隔の 10m 高度風を用い，1 日 外部領域 (SWAN+SWAN) - 北緯 5度～55度 東経 120度～175度 - 海底地形 DBDBV 10分間隔 - 波浪計算格子間隔 0.167度 (WW3+SWAN) - 北緯 0度～60.3度 東経 98度～180.3度 - 海底地形 ETOPO1 1分間隔 - 波浪計算格子間隔 0.167度 （入力風） - GFS 0.5度 地上10m風 波浪計算時 0.167度に内挿 内部領域 (SWAN+SWAN) - 北緯 24度～47度 東経 126度～149度 - ETOPO2-V2 2分間隔 - 波浪計算格子間隔 0.033度 (WW3+SWAN) - 北緯 22.7度～47.4度 東経 120.1度～149.9度 - GEBCO/JBIRD 500m間隔 - 波浪計算格子間隔 0.055x0.05度 （入力風） 3～1日先予測 - 0.1度 WRFによる高度10m風 リアルタイム予測 - 0.05度 HA-GPV 高度10m風 図-1 波浪予測計算の解析領域と用いるデータ SWAN+SWAN WW3+SWAN
4 回 1 週間先までの波浪予測計算を行う． 内部領域においては，境界条件に外部領域の波浪計算 結果を用い，GFS の気象データを WRF によってダウン スケールした 0.1 度間隔の風データを外力条件として SWAN により3日先までの波浪予測計算を行う，あるい は，毎時大気解析 GPV による 0.05 度間隔の風データを 用いてリアルタイム波浪予測計算を行う1), 2), 9)．
3. 波浪の予測値と観測値の比較
(1) 用いる波浪観測データ 波浪予測値との比較に用いる観測値は，全国港湾海洋 波浪情報網（ナウファス）のうち，酒田，輪島，金沢， むつ小川原，鹿島，鳥取，細島，御前崎，十勝，中城， 岩手中部沖，山形県沖の 12 地点における 2015年 1 月 1日 から 5 月 30 日までの 5 か月間である．5 月には台風 6 号 が 11 日から 12 日にかけて，南西諸島に接近し，12 日 18 時に四国沖で温帯低気圧に変わり，その後三陸沖を北東 に進んだ波浪データを含んでいる． (2) 有義波高および有義波周期の比較 図-2 は，輪島港における有義波高（上段）と有義波周 期（下段）の観測値と 3 日先予測値（毎時 0:00 UTC）を 比較したものである．左図は，1 月 1 日 0 時からの時系 列，右図は横軸に観測値および縦軸に予測値をプロット したものである．有義波高の観測値と SWAN+SWAN お よび WW3+SWAN の両予測値の時系列を見ると，3 者と も良く一致していることがわかる．観測値と予測値を直 接比較した右図からも，2 種類の予測値は満足できる値 であることがわかる．有義波周期に関しては，観測値と 予測値の一致度は低下するが，右図も同時に参考にする と，SWAN+SWAN の予測値が観測値より総じて大きく， WW3+SWAN の予測値の方が観測値との一致が良いこと が見られる． 図-3 は，中城港における有義波高と有義波周期の観測 値と 3 日前予測値を比較したものである．このケースで は，左図の時系列の比較および右図の 1:1 比較の両図か ら WW3+SWAN による波高と周期の予測値が観測値に 比べて大きめの予測になっていることが見られる．なお， 台風6号時に観測された有義波高はそれほど大きくなっ ておらず，日本から離れたところを通った台風7号（5月 9～21日）時に観測された有義波高の方が大きい．その 時の有義波高の予測値は観測値より大きくなっているが， 有義波周期に関する両者の一致は良い． (3) 各種指標から見た波浪予測精度の検証 図-4 は，有義波高および周期の3日先予測値と観測値 に関する相関係数 CC を調べたものである．まず， SWAN+SWAN と WW3+SWAN 結果に関する相違につい て見てみる．有義波高に関しては両者の優劣は決められ 8 6 4 2 0 H1/ 3 (m ) 2015/01/01 2015/02/01 2015/03/01 2015/04/01 2015/05/01 2015/06/01 Date WajimaLead Time: 3 days Observation SWAN+SWAN WW3+SWAN 8 6 4 2 0 P re d . H1/ 3 (m ) 8 6 4 2 0 Obs. H1/3 (m) Lead Time: 3 days SWAN+SWAN WW3+SWAN 14 12 10 8 6 4 2 T1/ 3 (m ) 2015/01/01 2015/02/01 2015/03/01 2015/04/01 2015/05/01 2015/06/01 Date
Wajima Lead Time: 3 days Observation SWAN+SWAN WW3+SWAN 14 12 10 8 6 4 2 0 P re d . T1/ 3 (m ) 14 12 10 8 6 4 2 0 Obs. T1/3 (m) Lead Time: 3 days
SWAN+SWAN WW3+SWAN
4 3 2 1 0 H1/ 3 (m ) 2015/01/01 2015/02/01 2015/03/01 2015/04/01 2015/05/01 2015/06/01 Date
Nakagusuku Lead Time: 3 days Observation SWAN+SWAN WW3+SWAN 4 3 2 1 0 P re d . H1/ 3 (m ) 4 3 2 1 0 Obs. H1/3 (m) Lead Time: 3 days
SWAN+SWAN WW3+SWAN 20 15 10 5 T1/ 3 (m ) 2015/01/01 2015/02/01 2015/03/01 2015/04/01 2015/05/01 2015/06/01 Date
Nakagusuku Lead Time: 3 days Observation SWAN+SWAN WW3+SWAN 20 15 10 5 0 P re d . T1/ 3 (m ) 20 15 10 5 0 Obs. T1/3 (m) Lead Time: 3 days
SWAN+SWAN WW3+SWAN 図-3 中城港における観測値と予測値の比較 ないが，有義波周期については，WW3+SWAN の方が SWAN+SWAN より良くなっている．特に，細島と御前 崎で顕著である．なお，ここには図示していないが，1 日先予測に関しても以上述べた傾向は同じである． 図-5 は，3日先予測値と観測値との差の平方を平均し た値の平方根である平均2乗誤差平方根 RMS を示したも の で あ る ． 有 義 波 高 に 関 し て ， SWAN+SWAN と WW3+SWAN の優劣は決められないが，有義波周期に関 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 CC 12 10 8 6 4 2 0 SWAN+SWAN WW3+SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata H1/3 (3 days' lead time)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 CC 12 10 8 6 4 2 0 SWAN+SWAN WW3+SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata T1/3 (3 days' lead time)
図-4 3日先有義波高・周期予測値と観測値の相関係数（上 段図：有義波高；下段図：有義波周期） 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 RM S (m ) 12 10 8 6 4 2 0 SWAN+SWAN WW3+SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata H1/3 (3 days' lead time)
6 5 4 3 2 1 0 RM S (s) 12 10 8 6 4 2 0 SWAN+SWAN WW3+SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata T1/3 (3 days' lead time)
図-5 3日先有義波高・周期予測値と観測値の平均2 乗誤差平 方根（上段図：有義波高；下段図：有義波周期）
しては WW3+SWAN の方が良くなっている地点が多く 見られる． 図-6 は，有義波高および周期の3日先予測値とそれら のとの差の輪を平均したバイアス Bias を示したものであ る．有義波高に関して，御前崎において WW3+SWAN でバイアスの絶対値が SWAN+SWAN のものより大きく な っ て い る が ， そ れ を 除 い て SWAN+SWAN と WW3+SWAN の優劣は顕著ではない．有義波周期におい ては，特に細島，御前崎，十勝において WW3+SWAN の結果が良い．
4. まとめ
本研究では，波浪観測網ナウファスの 12 地点に対し て，外洋 (外部領域) に WW3，近海 (内部領域) に SWAN を用いた波浪システム WW3+SWAN による予測値およ びこれまでに構築した外部領域と内部領域のどちらにも SWAN を用いた波浪システム SWAN+SWAN による予測 値，ならびに観測値との比較を通して，WW3 を用いる ことによる効果を調べたものである． その結果，WW3+SWAN および SWAN+SWAN による 有義波高の予測結果の優劣はほとんど見られなかったが， 有義波周期に関しては，WW3+SWAN の予測結果の方が SWAN+SWAN による予測結果より少し良くなることが わかった． 本研究では WW3 の設定パラメタ選択の良し悪しを詳 しく検討して選択したわけではなく，これらの選択を変 えれば予測値が少し変わると思われるが，パラメタ選択 に関する試行実験は行わなかった．ただし，選択したパ ラメタを明示しておき，他研究者が参考できるように明 示しておいた．謝辞
本研究を行うに当たり，ナウファスでデータを使用 いたしました．関係者の皆様には波浪観測結果の利用に 関しましてお世話になりましたことをここに感謝いたし ます． また，本研究を行うに当り，京都大学防災研究所 森 信人准教授，関西大学環境都市工学部 安田誠宏准教授 には種々のアドバイスを頂いたことをここに謝意を表し ます． 参考文献 1) Tom, T.H.A.・間瀬 肇・安田誠宏・森 信人：リアルタイ ム波浪予測と仮想波高計による配信システムの開発，海岸 工学論文集，第56巻，pp.1471-1475, 2009. 2) Tom, T.H.A.・池本 藍・間瀬 肇・安田誠宏・森 信人： 台風シーズンにおけるリアルタイム波浪予測と精度検証， 土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 66, pp.161-165, 2010. 3) Booij, N., Ris, R.C. and Holthuijsen, L.H.: A third-generationwave model for coastal regions, Part I, model description and val-idation, Jour. Geophys. Res., Vol.104, pp.7,649-7,666, 1999. 4) Tolman, H.L.: Testing of WAVEWATCH III version 2.22 in
NCEP’s NWW3 ocean wave model suite, Tech Note 214, NOAA/NWS/NCEP/OMB, 99p., 2002.
5) Tolman, H.L.: WAVEWATCH III development best practices, Tech Note 286, NOAA/NWS/NCEP/OMB, 23p., 2014. 6) 鈴木善光・高山知司・吉永泰祐・岡田弘三・窪田和彦・宇
都宮好博・松藤絵理子・君塚政文：WAMとWAVEWATCH III による推算波浪の再現特性，土木学会論文集B3（海洋開 発），Vol.72, No.2, pp.I_265-I_270, 2016.
7) IOOS: Intergared Ocean Observing System, https://ioos.noaa.gov/, 2017，参照2017-04-08.
8) Chawra, A. and Tolman, H.L.: Automated grid generation for WAVEWATCH III, Tech Note 254, NOAA/NWS/ NCEP/ MMAB, 71p., 2007. 9) Tom, T.H.A.・間瀬 肇・安田誠宏：毎時大気解析GPVを用 いたリアルタイム波浪予測システムの開発と検証，海岸工 学論文集，第55巻，pp.186-190, 2008. (2017. 3. 15 受付) 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 B ias (m ) 12 10 8 6 4 2 0 SWAN+SWAN WW3+SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata
H1/3 (3 days' lead time)
3 2 1 0 -1 -2 B ias (s) 12 10 8 6 4 2 0 SWAN-SWAN WW3-SWAN Sakata Wajima Kanazawa Mutsu Kashima Tottori Hosojima Omaezaki Tokachi Nakagusuku Iwate Yamagata T1/3 (3 days lead time)
図-6 3日先有義波高・周期予測値と観測値のバイアス（上 段図：有義波高；下段図：有義波周期）
VERIFICATION OF ACCURACY FOR WAVE FORECASTING
USING WAVE WATCH III EMPLOYED IN OUTER REGION
Hajime MASE, Tracey H. A. TOM, Ai IKEMOTO and Koji KAWASAKI
Wave models of WAVEWATCH III and WAM are developed and extended from ocean to nearshore sea; on the other hand, SWAN is developed for nearshore sea to ocean region. From the developed pro-cess, WAVEWATCH and WAM had better to be employed for the ocean wave prediction and SWAN for the nearshore region. In actual fact, IOOS (Integrated Ocean Observing System) is operated to forecast waves using WAVEWATCH for ocean and SWAN for nearshore sea. There are still few reaserch to ex-amine the validity or accuracy of wave prediction when using the WAVEWATCH III and SWAN; that is, which wave model is better for the wave prediction. This study carried out the inter-comparioson of the accuracy of wave predictions using the WAVEWATCH III and SWAN against the observed wave data by NOWPHAS.
