科學研究 - 融合衛星觀測與模型模擬，提前72小時預測洪水將損失降至最低

受地球變暖影響，世界各地暴雨多發，洪水災害愈發常見。為了防止此類氣候變遷帶來的損害，除了完善和強化堤壩等「硬體」措施之外，提前預測洪水，並實施水閘調控、水庫洩洪、居民提前避難等「軟體」對策也同樣重要。目前，洪水預報即使再快，也只能在洪水發生前約6小時發佈，而東京大學生產技術研究所的芳村圭教授正通過融合衛星觀測與模型模擬，嘗試實現提前72小時的洪水預測。研究目標是通過優化洪水資訊傳達與防災應對的機制，實現將災害控制在最小範圍內的社會。

芳村圭
東京大學生產技術研究所教授
2021年擔任未來社會創造事業研究開發負責人

全球洪災每年損失約4萬億日圓
努力實現「不發生洪災」的社會

近年來，伴隨全球變暖，超大型颱風和極端暴雨等氣候距平現象的不斷發生，洪災規模也日趨嚴重。2000～2019年的洪災報告數量達到1980～1999年的2.34倍，全球每年平均損失約4萬億日圓（圖1）。在日本，僅2019年颱風19號造成的損失就高達1.8萬億日圓。預計未來洪災還將進一步增加，因此，如何將災害降至最低已成為迫在眉睫的社會課題。

圖1　1980～1999年與2000～2019年各類自然災害發生數量比較
出處：UNDRR & CRED（2020）《過去20年災害的人類代價（2000–2019）》

過去，防災對策主要集中於水壩、堤防等治水設施的建設與強化。然而，僅依靠這種「防止洪水發生」的措施，已無法阻止災害擴大。芳村教授表示：「原本被認為百年一遇規模的洪水，如今卻時有發生。因此，研究團隊轉換了思路，希望通過研究實現一個‘讓洪水不造成災害’的社會。」

要將洪水損失降至最低，事前應對極其重要，因此需要高精度、長時間跨距的預測。然而，現有的洪水預報即使在發佈後立即開始避難，往往時間上已來不及應對，從而導致重大損失頻發。此外，由於資訊精度不足，也難以精準鎖定即將發生洪災的區域並集中採取措施。

為此，芳村教授的研究項目計劃通過結合衛星觀測與模型模擬計算，實現提前72小時、高精度、高分辨率的洪水預測，實現讓所有人都能從容採取有效行動的社會（圖2）。該項目不僅致力於預測洪水本身，還研究資訊傳達方式，通過根據個人處境和需求提供定製化預測資訊，在防止損失擴大的同時，也希望為國家和地方政府制定避難計劃及防災減災措施提供幫助。

圖2　基於72小時洪水預測技術，通過提供適當的資訊，從傳統「被動等待型」的避難與防災模式，轉變為主動行動、適應洪水的社會與生活方式，實現「讓洪水不造成災害」的社會。

向全世界提供預測資訊
利用衛星使洪水預測命中率達到50%

芳村教授的專業領域是氣候系統與水循環。基於力學、熱力學和輻射等物理法則，他開發出了能夠以數值方式模擬地球整體的大氣、海洋、陸地和冰雪圈的狀態及其相互作用的模型，並通過模擬計算研究全球變暖帶來的影響。此前，他還曾構建與自然環境相似、將質量數較大的水同位素混入普通水中的氣候模型等方式，提升了地球水循環模擬的精度，並調查了氣候變遷的詳細機制。

在他的研究項目中，研究團隊分為三個小組開展研究（圖3）。「洪水預測技術開發團隊」不僅利用一般河流水位計數據，還融合了國立研究開發法人宇宙航空研究開發機構（JAXA）衛星獲取的浸水區域與水位觀測資訊，以及居民通過SNS發佈的資訊。同時，引入基於AI的降雨預測修正技術、地下水動態、水壩操作、堤防相關數據以及概率預測功能，利用最先進的模擬系統，實現面向全球提供的最長72小時的洪水預測。

圖3　芳村教授的項目針對三大課題，分別由「洪水預測技術開發團隊」、「資訊融合團隊」、「社會變革團隊」擔綱研究。

芳村教授此前已與JAXA共同開發並運行了名為「Today's Earth」的虛擬地球系統，用於整合全球降雨數據、河流流量、蒸汽等數據並進行模擬。該系統基於衛星觀測等氣象數據，計算陸地（河流、地下水）與大氣（蒸汽、降雨）之間的水與能量交換，並輸出地表各種變量，再根據總逕流進行包含洪泛平原的水力學計算（圖4）。

圖4Today's Earth界面示例。依據日本《氣象業務法》，普通用戶目前只能查看截至當前時間的河流流量、水深、淹水深度、氾濫面積比例等數據；研究用途限定用戶則可查看最長39小時後的預測。
提供：Today's Earth（JAXA）

在水力學計算中，系統將河道表示為矩形水路，將氾濫平原表示為其斜坡，通過在各地點進行數值計算，由此推導出流量和氾濫面積比例等與河流相關的物理量。團隊計劃進一步提升「Today's Earth」的精度，使其發展為能夠用於更長時間洪水預測的系統。

促使芳村教授加快研究步伐的重要契機，是2015年9月發生的日本關東·東北暴雨災害。當時，茨城縣內的鬼怒川決堤，引發了嚴重的洪水災害。受災地區位於鬼怒川與小貝川之間的地區。小貝川流經位於千葉縣柏市的芳村教授研究室附近，也是他的研究對象之一。回顧看到身邊發生的洪水時，芳村教授表示：「眼前的洪水讓我重新意識到，今後類似災害在首都圈發生的可能性正在不斷增加。」

之後，在JAXA協助下，芳村教授的研究團隊引入了多個衛星的數據，洪水預測精度不斷提高。「在2019年颱風19號期間，共有142處決堤。而這些情況其實在39小時前就已經預測到了。遺憾的是，由於法律限制，當時無法公開數據，但我們已經確認洪水的確可以被預測。」目前，洪水預測命中率（預測到的洪水中實際發生的比例）約為25%，今後希望能提升至50%。同樣，洪水的捕捉率（實際發生的洪水中被預測到的比例）目前約90%，今後希望能提高到95%。此外，如果一開始就無法預測洪水，地方政府和居民也就無法提前採取措施，因此儘可能預測更多洪水也十分重要。

驗證資訊的提供方法
與政府和居民舉行研討會

在研究項目中，除了「洪水預測技術開發團隊」之外，還有「資訊統合團隊」與「社會變革團隊」。其中，「資訊統合團隊」由京都大學防災研究所的廣井慧副教授擔任負責人，研究如何讓洪水預測資訊更容易傳達給公眾。因為即便預測再準確，如果無法以適當形式提供和傳達，也會因避難通知時間不足，導致兒童、老人等群體來不及逃出。

廣井副教授利用在電脳上重建災害發生時的社會狀況的技術，構建更接近現實的虛擬社會，並通過模擬使洪水發生，並根據提供預測的時機，驗證應如何定製資訊，才能正確傳達給人們，並促使他們採取正確的行動。

名古屋大學研究生院工學研究科的中村晉一郎副教授領導的「社會變革團隊」，則聯合人文及社會科學研究者及地方相關人士，共同構建將洪水預測技術導入社會的方案，同時梳理潛在的倫理、法律與社會方面的問題。通過與政府及居民開展研討會（圖5）和問卷調查，明確社會對洪水預測技術的需求，以及落地實施的可能性與課題，並力爭與地方政府合作，將相關內容納入防災計劃。

圖5　以長野縣長野市為對象，在當地舉辦了兩次由行政人員與研究人員參與的研討會。每次約有30人參加，包括長野縣廳、長野市政府多個部門的職員，以及包括洪水預測系統開發者在內的研究者，共同討論如果實現長時間的洪水預測後，各自業務將受到怎樣的影響。

打造符合地區需求的長期預報
與多個地方政府簽署合作協議

與地方政府的合作同樣不可或缺。芳村教授等人於2025年3月與愛知縣岡崎市、同年12月與長野縣飯山市分別簽署了研究合作協議。飯山市曾在2019年颱風19號中遭遇嚴重洪水，鄰近的長野市的新幹線車輛基地被淹沒的事件仍令人記憶猶新。

談到與多個地方政府合作的意義，芳村教授表示：「因為各地對長期預報的需求各不相同。」例如，若流經岡崎市的矢作川發生氾濫，預計最多需要疏散20萬人；另一方面，飯山市相對其人口面積廣闊，因此需要制定即使地方政府職員人數有限也切實可行的避難方案。

如果能實現長期預測，並明確哪些地區更容易發生洪水，那麼今後地方政府的職責將不再是制定避難計劃。「像小河匯入大河的區域，更容易發生洪水。在日本，一級河川由國家管理，但類似支流的二級河川則並非如此。因此，地方政府如何監測這些支流非常關鍵。」

另一方面，要讓地方政府理解這種長期預測並不容易。因為洪水災害往往具有局部性，某地洪水氾濫後，水位會出現下降，同一河流其他區域反而可能變得安全。芳村教授說：「當大範圍危險逼近時，會發佈大量預測資訊，其中很多最終並不會發生。但真正發生洪水的地方，預測絕不能出錯。因為一旦應對延遲，就會危及生命。因此，需要與地方政府和居民持續對話，加深理解。」

為提高公眾認知，岡崎市計劃於2026年度舉辦研討會。其目的在於與其他部門共享洪水的預測資訊，並改變地方政府職員的行動方式。通過細緻梳理除防災部門之外（例如農業、道路管理、教育等部門）在災害發生時應採取的措施，實現更高效、更有效的應對。

法律修訂後民間也可發佈預測
目標是同步拓展至海外

未來，該項目將如何發展？首先，目前開發中的長期洪水預報，需要利用已積累的數據，以類似「數字孿生」的形式在電脳虛擬空間中真實再現社會，從而構建讓所有人都能安全避難的系統。團隊希望不僅能使當前降雨狀況視覺化，還能公開72小時後的洪水資訊，並讓所有人都能自由獲取。

日本在2023年修訂《氣象業務法》後，民間企業也可發佈洪水預測。「在2019年颱風19號時，由於法律限制，我們無法公開洪水預測。雖然現在發佈預測仍需事前審查，但法制方面已經開始鬆動，這是巨大的一步。」芳村教授對此充滿期待。未來，芳村教授的團隊也希望獲得洪水預報業務許可，正式發佈基於Today's Earth的洪水預測。

氣候變遷引發洪水災害的問題並非日本獨有。團隊計劃於2026年開始向以東協國家為中心的海外地區推廣洪水預測，同時也在推進與南非、不丹等國的合作項目。此外，世界氣象組織（WMO）也已成立全球洪水預測相關委員會，芳村教授也參與其中。

在此之前，Today's Earth已於2026年3月完成升級，能夠以約10公里網格分辨率提供全球陸地區域最長約5天後的水循環預測資訊，任何人均可查看。芳村教授介紹說：「聯合國正在推進名為‘Early Warnings for All’（全民早期預警）的倡議，也就是‘讓所有人都擁有早期預警系統’。目前全球規模的預測還遠遠不足。我們希望通過自己的系統，為全球提供更多資訊。」為了實現「讓洪水不造成災害的社會」的社會，該研究今後仍將持續推進。

（TEXT：本橋恵一、PHOTO：島本繪梨佳）