科学研究 - 融合卫星观测与模型模拟，提前72小时预测洪水将损失降至最低

受地球变暖影响，世界各地暴雨多发，洪水灾害愈发常见。为了防止此类气候变化带来的损害，除了完善和强化堤坝等“硬件”措施之外，提前预测洪水，并实施水闸调控、水库泄洪、居民提前避难等“软件”对策也同样重要。目前，洪水预报即使再快，也只能在洪水发生前约6小时发布，而东京大学生产技术研究所的芳村圭教授正通过融合卫星观测与模型模拟，尝试实现提前72小时的洪水预测。研究目标是通过优化洪水信息传达与防灾应对的机制，实现将灾害控制在最小范围内的社会。

芳村圭
东京大学生产技术研究所教授
2021年担任未来社会创造事业研究开发负责人

全球洪灾每年损失约4万亿日元
努力实现“不发生洪灾”的社会

近年来，伴随全球变暖，超大型台风和极端暴雨等气候异常现象的不断发生，洪灾规模也日趋严重。2000～2019年的洪灾报告数量达到1980～1999年的2.34倍，全球每年平均损失约4万亿日元（图1）。在日本，仅2019年台风19号造成的损失就高达1.8万亿日元。预计未来洪灾还将进一步增加，因此，如何将灾害降至最低已成为迫在眉睫的社会课题。

图1　1980～1999年与2000～2019年各类自然灾害发生数量比较
出处：UNDRR & CRED（2020）《过去20年灾害的人类代价（2000–2019）》

过去，防灾对策主要集中于水坝、堤防等治水设施的建设与强化。然而，仅依靠这种“防止洪水发生”的措施，已无法阻止灾害扩大。芳村教授表示：“原本被认为百年一遇规模的洪水，如今却时有发生。因此，研究团队转换了思路，希望通过研究实现一个‘让洪水不造成灾害’的社会。”

要将洪水损失降至最低，事前应对极其重要，因此需要高精度、长时间跨度的预测。然而，现有的洪水预报即使在发布后立即开始避难，往往时间上已来不及应对，从而导致重大损失频发。此外，由于信息精度不足，也难以精准锁定即将发生洪灾的区域并集中采取措施。

为此，芳村教授的研究项目计划通过结合卫星观测与模型模拟计算，实现提前72小时、高精度、高分辨率的洪水预测，实现让所有人都能从容采取有效行动的社会（图2）。该项目不仅致力于预测洪水本身，还研究信息传达方式，通过根据个人处境和需求提供定制化预测信息，在防止损失扩大的同时，也希望为国家和地方政府制定避难计划及防灾减灾措施提供帮助。

图2　基于72小时洪水预测技术，通过提供适当的信息，从传统“被动等待型”的避难与防灾模式，转变为主动行动、适应洪水的社会与生活方式，实现“让洪水不造成灾害”的社会。

向全世界提供预测信息
利用卫星使洪水预测命中率达到50%

芳村教授的专业领域是气候系统与水循环。基于力学、热力学和辐射等物理法则，他开发出了能够以数值方式模拟地球整体的大气、海洋、陆地和冰雪圈的状态及其相互作用的模型，并通过模拟计算研究全球变暖带来的影响。此前，他还曾构建与自然环境相似、将质量数较大的水同位素混入普通水中的气候模型等方式，提升了地球水循环模拟的精度，并调查了气候变化的详细机制。

在他的研究项目中，研究团队分为三个小组开展研究（图3）。“洪水预测技术开发团队”不仅利用一般河流水位计数据，还融合了国立研究开发法人宇宙航空研究开发机构（JAXA）卫星获取的浸水区域与水位观测信息，以及居民通过SNS发布的信息。同时，引入基于AI的降雨预测修正技术、地下水动态、水坝操作、堤防相关数据以及概率预测功能，利用最先进的模拟系统，实现面向全球提供的最长72小时的洪水预测。

图3　芳村教授的项目针对三大课题，分别由“洪水预测技术开发团队”、“信息融合团队”、“社会变革团队”担纲研究。

芳村教授此前已与JAXA共同开发并运行了名为“Today's Earth”的虚拟地球系统，用于整合全球降雨数据、河流流量、水蒸气等数据并进行模拟。该系统基于卫星观测等气象数据，计算陆地（河流、地下水）与大气（水蒸气、降雨）之间的水与能量交换，并输出地表各种变量，再根据总径流量进行包含洪泛平原的水力学计算（图4）。

图4Today's Earth界面示例。依据日本《气象业务法》，普通用户目前只能查看截至当前时间的河流流量、水深、淹水深度、泛滥面积比例等数据；研究用途限定用户则可查看最长39小时后的预测。
提供：Today's Earth（JAXA）

在水力学计算中，系统将河道表示为矩形水路，将泛滥平原表示为其斜坡，通过在各地点进行数值计算，由此推导出流量和泛滥面积比例等与河流相关的物理量。团队计划进一步提升“Today's Earth”的精度，使其发展为能够用于更长时间洪水预测的系统。

促使芳村教授加快研究步伐的重要契机，是2015年9月发生的日本关东·东北暴雨灾害。当时，茨城县内的鬼怒川决堤，引发了严重的洪水灾害。受灾地区位于鬼怒川与小贝川之间的地区。小贝川流经位于千叶县柏市的芳村教授研究室附近，也是他的研究对象之一。回顾看到身边发生的洪水时，芳村教授表示：“眼前的洪水让我重新意识到，今后类似灾害在首都圈发生的可能性正在不断增加。”

之后，在JAXA协助下，芳村教授的研究团队引入了多个卫星的数据，洪水预测精度不断提高。“在2019年台风19号期间，共有142处决堤。而这些情况其实在39小时前就已经预测到了。遗憾的是，由于法律限制，当时无法公开数据，但我们已经确认洪水的确可以被预测。”目前，洪水预测命中率（预测到的洪水中实际发生的比例）约为25%，今后希望能提升至50%。同样，洪水的捕捉率（实际发生的洪水中被预测到的比例）目前约90%，今后希望能提高到95%。此外，如果一开始就无法预测洪水，地方政府和居民也就无法提前采取措施，因此尽可能预测更多洪水也十分重要。

验证信息的提供方法
与政府和居民举行研讨会

在研究项目中，除了“洪水预测技术开发团队”之外，还有“信息统合团队”与“社会变革团队”。其中，“信息统合团队”由京都大学防灾研究所的广井慧副教授担任负责人，研究如何让洪水预测信息更容易传达给公众。因为即便预测再准确，如果无法以适当形式提供和传达，也会因避难通知时间不足，导致儿童、老人等群体来不及逃生。

广井副教授利用在计算机上重建灾害发生时的社会状况的技术，构建更接近现实的虚拟社会，并通过模拟使洪水发生，并根据提供预测的时机，验证应如何定制信息，才能正确传达给人们，并促使他们采取正确的行动。

名古屋大学研究生院工学研究科的中村晋一郎副教授领导的“社会变革团队”，则联合人文及社会科学研究者及地方相关人士，共同构建将洪水预测技术导入社会的方案，同时梳理潜在的伦理、法律与社会方面的问题。通过与政府及居民开展研讨会（图5）和问卷调查，明确社会对洪水预测技术的需求，以及落地实施的可能性与课题，并力争与地方政府合作，将相关内容纳入防灾计划。

图5　以长野县长野市为对象，在当地举办了两次由行政人员与研究人员参与的研讨会。每次约有30人参加，包括长野县厅、长野市政府多个部门的职员，以及包括洪水预测系统开发者在内的研究者，共同讨论如果实现长时间的洪水预测后，各自业务将受到怎样的影响。

打造符合地区需求的长期预报
与多个地方政府签署合作协议

与地方政府的合作同样不可或缺。芳村教授等人于2025年3月与爱知县冈崎市、同年12月与长野县饭山市分别签署了研究合作协议。饭山市曾在2019年台风19号中遭遇严重洪水，邻近的长野市的新干线车辆基地被淹没的事件仍令人记忆犹新。

谈到与多个地方政府合作的意义，芳村教授表示：“因为各地对长期预报的需求各不相同。”例如，若流经冈崎市的矢作川发生泛滥，预计最多需要疏散20万人；另一方面，饭山市相对其人口面积广阔，因此需要制定即使地方政府职员人数有限也切实可行的避难方案。

如果能实现长期预测，并明确哪些地区更容易发生洪水，那么今后地方政府的职责将不再是制定避难计划。“像小河汇入大河的区域，更容易发生洪水。在日本，一级河川由国家管理，但类似支流的二级河川则并非如此。因此，地方政府如何监测这些支流非常关键。”

另一方面，要让地方政府理解这种长期预测并不容易。因为洪水灾害往往具有局部性，某地洪水泛滥后，水位会出现下降，同一河流其他区域反而可能变得安全。芳村教授说：“当大范围危险逼近时，会发布大量预测信息，其中很多最终并不会发生。但真正发生洪水的地方，预测绝不能出错。因为一旦应对延迟，就会危及生命。因此，需要与地方政府和居民持续对话，加深理解。”

为提高公众认知，冈崎市计划于2026年度举办研讨会。其目的在于与其他部门共享洪水的预测信息，并改变地方政府职员的行动方式。通过细致梳理除防灾部门之外（例如农业、道路管理、教育等部门）在灾害发生时应采取的措施，实现更高效、更有效的应对。

法律修订后民间也可发布预测
目标是同步拓展至海外

未来，该项目将如何发展？首先，目前开发中的长期洪水预报，需要利用已积累的数据，以类似“数字孪生”的形式在计算机虚拟空间中真实再现社会，从而构建让所有人都能安全避难的系统。团队希望不仅能使当前降雨状况可视化，还能公开72小时后的洪水信息，并让所有人都能自由获取。

日本在2023年修订《气象业务法》后，民间企业也可发布洪水预测。“在2019年台风19号时，由于法律限制，我们无法公开洪水预测。虽然现在发布预测仍需事前审查，但法制方面已经开始松动，这是巨大的一步。”芳村教授对此充满期待。未来，芳村教授的团队也希望获得洪水预报业务许可，正式发布基于Today's Earth的洪水预测。

气候变化引发洪水灾害的问题并非日本独有。团队计划于2026年开始向以东盟国家为中心的海外地区推广洪水预测，同时也在推进与南非、不丹等国的合作项目。此外，世界气象组织（WMO）也已成立全球洪水预测相关委员会，芳村教授也参与其中。

在此之前，Today's Earth已于2026年3月完成升级，能够以约10公里网格分辨率提供全球陆地区域最长约5天后的水循环预测信息，任何人均可查看。芳村教授介绍说：“联合国正在推进名为‘Early Warnings for All’（全民早期预警）的倡议，也就是‘让所有人都拥有早期预警系统’。目前全球规模的预测还远远不足。我们希望通过自己的系统，为全球提供更多信息。”为了实现“让洪水不造成灾害的社会”的社会，该研究今后仍将持续推进。

（TEXT：本桥恵一、PHOTO：岛本绘梨佳）