気象予測の考え方の主な変遷（1） 古代ギリシャ時代

（このブログは 「気象学と気象予報の発達史 」の一部です ) 

 

　気象予測の背景となる考え方の歴史的変遷を、「決定論的」と「決定論的でない」という2つ観点から概観しておく。これは「気象学と気象予報の発達史」の本における歴史的観点の一つともなっている。「決定論」という言葉は厳密には別な定義があるかもしれないが、この本では「原因や兆候がわかれば一意的に結果が決まると信じられている」という意味で使っている。「決定論的でない」とは、反対にそうではないという意味である。なお、[ ]内は本での詳しい記述箇所を示す。

 

気象予測の背景となる考え方の歴史的変遷

 

　古代ギリシャの自然哲学者でもあるアリストテレスは、アレキサンダー大王のバビロニア征服により入ってきたバビロニアの詳細な天文観測の結果をもとに、地球を中心として他の星が同心円の軌道を持つ宇宙構造のモデルを考えた（地球中心説）。そして宇宙を含む世界は、月とその先の「天上界」と、月より地球に近い「地上界」からなっていると考えた [1-1-1古代ギリシャ人による気象の観察と考察]。なお、別の回で述べる彗星は、当時地上界の出来事と考えられていた。

　アリストテレスが考えた天上界は、エーテル（アイテール）からできており、高貴なもので永遠に不生不滅である。また地上界は四元素（土、水、空気、火）からできており、通俗的で万物が流転して変化する。この世界観は「二元的宇宙像」と呼ばれて、その後ニュートンによる「一元」的な万有引力の考えが出てくるまで2000年間にわたって信じられた[1-1-2アリストテレスの宇宙像]。彼によって多くの人々がイメージできる宇宙構造のモデルが示されたことは、その後の科学にとって重要だった。このモデルがあったからこそ、後世に地球中心説や太陽中心説という議論に大勢が関与することができた。

　また、潮汐などは太陽や月の天上界の動きに従って起こる。そのため、アリストテレスは、地上界のさまざまな現象は天上界の天体の位置によって影響を及ぼされていると考えた。そして彼は天上界の地上界への影響をまず自然を通して説明しようとした。そのため、彼が述べた天体による地上への影響も、おのずと地震、洪水、嵐、豊作不作など自然や気象に関することが多かった[1-1-2アリストテレスの宇宙像]。

　アリストテレスは有名な気象論「メテオロロジカ」を著し、その中で地上界の多くの自然現象を説明しようとした。彼は、気候帯は太陽高度（緯度）で決まると考え、太陽の傾き（clima）はその後気候（climate）の語源となった。また、彼は地上界において「蒸発気（exhalation）」という概念を創造し、乾いた蒸発気の一部が天上界に引っ張られて水平方向に地球を巡る風となると考えた。これは、その後風の原因として長く信じられた。また彼は風を空気の動態とはせず、風かどうかはその始原（実体）が乾いた蒸発気かどうかによって決まると考えた[1-1-3 アリストテレスの気象論]。

[ ]は本書の項目

 

（つづく）

フォン・ノイマンについて（12）彼の死とまとめ

（このブログは 「気象学と気象予報の発達史 」の一部です。） 

 

　フォン・ノイマンは科学と純粋数学でみごとな業績を上げただけでなく、抜群の実務能力も持っていた。例えばプロジェクトを設立する際には、財務当局による査定が入って減額されないように、海軍と陸軍とのそれぞれの要請に応じて別々に契約することを避けて契約を一本化したり、持ち前の機知と説得力でかたくなな委員を納得させて委員会の運営をぐいぐい進めるなど、優れた手腕も発揮した。そういった実務力と科学の才能とを兼ね備えていたので、軍人、技術者、企業家、科学者などあらゆる職種の人々から絶大な信頼を得ていた[1]。特に、核ミサイル問題にかけて彼の右に出る者はおらず、「（11）戦略ミサイルと核戦争抑止」で述べたように、彼の言葉は重みを持って受け止められた。

　フォン・ノイマンが忙しすぎることを懸念して、彼の周囲は1954年夏にアイゼンハワー大統領の原子力委員（全米で5人）になるように手を回した[1]。この委員は就任に議会の承認を要する重い政策ポストだった。ところが彼は、1955年に癌と診断された。彼は生涯たばこは吸わなかったし、あまり飲酒もしなかった。おそらく1946年のビキニ環礁の核実験（クロスロード実験）に立ち会ったのが癌になった原因だと言われている。

　彼は残された時間を惜しむように、車椅子に乗って多忙な生活を続けたが、1956年1月に入院した。彼が亡くなった1957年2月8日には、彼の病室に国防長官と副長官、それに陸海空軍の長官や参謀長などの政府高官たちがベッドをとり囲んで、彼の最後のひとことにまでじっと耳を傾けた[1]。まだ53歳だった。科学界というよりは人類にとって惜しんでも余りある早すぎる死だった。

　私はこれまでにも述べてきたように、フォン・ノイマンの幅広い分野を深く俯瞰できる能力に感嘆している。自分の専門分野を深く掘り下げていく科学者は少なくない（というより科学者とはそういうものである）。しかしそうなればなるほど、他分野の研究と乖離していくことが多くなるとともに、研究に行き詰まってくる場合がある（いわゆる努力する割に成果が上がらないという「収穫逓減の法則」である）。

　しかし、どこかで誰かがそれまでのさまざまな分野での成果を幅広く総合して整理し、相互に補完・利用できる部分や方向性を明確にできると、そこからそれぞれがあるいは新たな分野が大きく発展する場合がある。彼はそれができる数少ない人間の一人だった。彼は物理学の量子力学と数学のヒルベルト空間を結びつけた。電子工学と論理学を結びつけた。数学と経済学を結びつけた。書くと簡単だが、これは容易なことではない。彼は自らが理論を発展させただけでなく、それを使って現実の政治を動かした。　

フォン・ノイマンが開拓した学問と活躍した分野

　そして気象学から見ると、気象学と電子工学や論理学（ソフトウェア）とを結びつけた。当時の気象学の内容は主に力学や熱力学、統計学であり、気象学者は気象予報の偏微分方程式であるプリミティブ方程式を数値的に解く、という原理や概念は理解できても、そのための電子コンピュータの回路やそれを動かすソフトウェアのことを理解できる人はほとんど皆無だった。

　しかも「（9）数値気象予報への貢献1」で述べたかつてのリチャードソンの失敗のように、膨大な努力を投入しても数値予報が成功するという保証は何もなかった。リチャードソンが1922年に「おそらく将来のある日、気象の進行よりは速く、・・・計算を行うことが可能性になるでしょう。しかし、それはまだ夢です。」[2]と述べてから、気象学はそれほど変わってはいなかった。数値予報はまだ単なる夢に近かった。

　そういう状況の中でフォン・ノイマンは、プリミティブ方程式を解く意義と解ける見通しを明確に理解して、多くの人々を説得して資金や人を集めて、数値予報のためのプロジェクトを立ち上げ、電子コンピュータやそのソフトウェアを自ら作って、数値予報の実現を進めていった。彼の見通し力、率先力、実行力は、驚くべきものである。これまで述べてきた他分野の業績も合わせて、彼は単なる天才とか先駆者という範疇を超越していると思う。

　フォン・ノイマンは、生物の細胞さながらにふるまう人工の素子を使って、人間の脳くらい複雑で高速なオートマトン（自動機械）を作れないかを考えていた[1]。彼が長生きしていれば、現在もてはやされているAIなども、はるかに進歩・進化していたかもしれない。もし彼がいなければ、今の世界はずっと遅れていたかもしれないと思うと同時に、もっと長生きしていれば今の世界はもっと変わっていたかもしれないとも思う。「（1）イントロダクション」で彼に対して鬼才という言葉を用いたが、とにかく異例の科学者であったことは間違いない。

フォン・ノイマンが受けた表彰
1938年：ボッチャー記念賞
1947年：功労勲章
1956年：自由勲章（アイゼンハワー大統領から直々にを手渡し）
1956年：アルベルト・アインシュタイン賞
1956年：エンリコ・フェルミ賞

（このシリーズ終わり。次は「気象予測の考え方の主な変遷（1）　古代ギリシャ時代 」）

 

参照文献

[1]ノーマン・マクレイ、渡辺正、芦田みどり訳（1998）「フォン・ノイマンの生涯」、朝日選書
[2] ジョン・コックス著、堤之智訳（2013）「嵐の正体にせまった科学者たち―気象予報が現代のかたちになるまで」、丸善出版

フォン・ノイマンについて（11）戦略ミサイルと核戦争抑止

（このブログは 「気象学と気象予報の発達史 」の一部です。）  

 

　フォン・ノイマンは「（6）経済学への貢献」で述べたゲームの理論を国防に応用すべきと考えていた。そして、対二次世界大戦後に東西冷戦が激しくなると「もし米ソ開戦が避けられないなら、ソ連が原子爆弾をもたないうちにやるべき」と主張した。これはソ連への先制攻撃を言い張る好戦派、タカ派という評判を彼にもたらした。

　しかし彼はハンガリー生まれのユダヤ人として、母国や同胞の過酷な歴史を知りあるいは体験していた。彼は精通している歴史の知識、深い科学知識、広い人脈と人を動かすための得意の説得力を総動員して、第二の母国であるアメリカがハンガリーの二の舞になって、自分や多くの民衆が迫害を受けることを避けるための最善の手法を考えていたのだと思う。 

　彼は確かな将来の予見能力とそれを用いた構想力、論理的に明確な説得力と築いた人脈を通して、さまざまな顧問や委員会の委員を引き受けた。1950年には軍の武器体系評価グループ（Weapons Systems Evaluation Group: WSEG）と国軍特殊武器計画（The Armed Forces Special Weapons Project: AFSWP）の顧問を引き受けた [1]。

　トルーマン政権下の1951年から1953年にかけて、さらにフォン・ノイマンは国防関係の仕事として、①中央情報局（CIA）の顧問、②原子力エネルギー委員会（Atomic Energy Commission）に助言する総合諮問委員会（the General Advisory Committee）の委員、③核兵器の研究開発を目的として設立されたローレンス・リバモア研究所の顧問、④合衆国空軍の科学諮問委員会（Scientific Advisory Board of the U.S. Airforce）の委員を引き受けた[1]。

　空軍は改革推進の作業を加速するため空軍内の様々な委員会を整理統合することを計画し、その要となる委員会の長をフォン・ノイマンに委嘱した。これは通称「フォン・ノイマン委員会」と呼ばれ、空軍直轄の諸計画について空軍長官に助言するほか、軍事ミサイル関係の大型計画についても国防長官に答申する権限を持つ委員会だった[1]。これは彼にとって将来の国防計画に関与する絶好の機会となった。

　そして、1954年にフォン・ノイマン委員会は、ソ連が先行している核弾頭つき長距離弾道ミサイルのアメリカでの開発を答申した。弾道ミサイルの開発には相当な時間が必要である。1957年にソ連がスプートニク衛星の打ち上げに世界で最初に成功したように、当時弾道ミサイルの開発はソ連がかなり先行していた。

　しかしその後、このフォン・ノイマン委員会の答申によって開発に成功したミサイルのうち、ICBMと略称される大陸間弾道ミサイル（アトラス、タイタン、ミニットマン）と中距離ミサイル（ソア、ジュピター）と潜水艦発射のポラリスミサイルは、米ソ冷戦時の戦略バランスに大きな役割を果たした[1]。例えば核戦争の瀬戸際まで行った1962年のキューバ危機の海上封鎖の際に、最終的にソ連が手を引いたことは、これらミサイルによる戦略的効果を如実に物語っている。これは彼が如何に先見の明を持っていたかを示す例の一つかもしれない。

（つづく）

 

参照文献

[1]ノーマン・マクレイ、渡辺正、芦田みどり訳（1998）「フォン・ノイマンの生涯」、朝日選書

フォン・ノイマンについて（10）数値予報への貢献2

（このブログは 「気象学と気象予報の発達史 」の一部です。） 

　「（8）電子コンピュータの開発」で述べたフォン・ノイマンが高等研究所で開発していたコンピュータ（IASマシン）が1951年に完成した。この新型の計算機は、ENIACで24時間かかった計算をわずか5分で終える能力を持っていた[1]。この高速の計算機を利用して、1952年にはチャーニーらは、傾圧モデルを用いて低気圧発達の再現に成功した。

　これを受けて、本の「10-5-2 現業運用での数値予報の開始」で述べているように、現業運用のための数値予報モデルの開発のために、1954年にアメリカでは空軍気象局、海軍気象局、アメリカ気象局の三者が「合同数値予報グループ（Joint Numerical Weather Prediction Unit: JNWPU）」を設立した。これは後に、現在アメリカで数値予報を行っている国立環境予報センター（National Center for Environmental Prediction: NCEP）となっていった。

IAS マシンとフォン・ノイマン（右）。左はオッペンハイマー

　1956年にはシカゴ大学の気象学者ノーマン・フィリップス（Norman Phillips, 1923- 2019）が、大気大循環モデルの計算実験を行った。大気大循環モデルとは、気象予測のようなある一定時間後の波の運動の予測ではなく、長期積分によって平均的な大気循環を調べるものである。本の「10-7-2大循環モデルの発明」で述べているように、彼は準地衡風モデルを約30日間走らせることによって、地球上の大気の典型的な気候学的循環パターンの再現に成功した（「気候学の歴史(7)：気候モデルの登場」参照）。

　この大気大循環モデルの成功によって、地球の気候を力学的、熱力学的に調べることができる可能性が出てきた。その将来性に気付いたフォン・ノイマンは、早速大循環モデルのその後の発展のために「Application of Numerical Integration Techniques to the Problem of the General Circulation」と題する会議のお膳立てをした。しかし、がんが進行していたフォン・ノイマンは、1957年に亡くなってしまう。

　数値予報のようなコンピュータを用いた技術開発は、純粋科学の研究を目的としていたプリンストンの高等研究所では必ずしも評価が高くなかった。そのためフォン・ノイマンが亡くなると、気象プロジェクトは高等研究所でのコンピュータプロジェクトとともに終了した。

　

しかしながら、それまでに十分に基盤は作られていた。これらのモデルは本の「10-5 数値予報の現業運用化」と「10-7 気候科学の発展」で述べているように、現業の数値予報モデルと気候モデルとして発展していった。現在、毎日の天気予報にはこの数値予報モデルを発展させたものが使われているし、IPCCなどで議論されている地球温暖化の将来予測は、大循環モデルを発展させた気候モデルあるいは地球システムモデルで行われている。

　気象予測モデルは、観測結果の入力から予測の計算結果の導出までにかかる時間が、気象の発現時刻（予測時間）より速くないと意味がない（予測に使えない）という特殊事情がある。フォン・ノイマンは自身でコンピュータを改善して（プログラム内蔵などにして）数値予報が実用化できるほどにコンピュータを高速化しただけでなく、コンピュータ開発のために気象プロジェクトを立ち上げて主導した。

　当時の気象学の分野は小さかったうえに、伝統的な気象学者にとって、全く新しい電子コンピュータを用いた偏微分方程式の数値的解法は、異次元の分野だった。もしフォン・ノイマンがいなければ、数値予報の開発のために人とお金を集めた大規模なプロジェクトを立ち上げることはできなかっただろう。数値予報の開発は、彼が気象予測のための偏微分方程式の数値的解法と、電子コンピュータ技術の両方をよく理解していたからこそできたことだった。もし彼がいなかったら、数値予報の開発は、実際よりはるかに遅れていたに違いない。

（つづく）

 

参照文献

 [1] Shumann G.F. (1989) History of Numerical Weather Prediction at the National Meteorological Center、 Weather and Forecasting、 4 American Meteorological Society、 286-296.

フォン・ノイマンについて（9）数値予報への貢献1

（このブログは 「気象学と気象予報の発達史 」の一部です。） 

 

　フォン・ノイマンは1942年に海底鉱脈の仕事に関わった際に、シカゴ大学の気象・海洋学者であるカール=グスタフ・ロスビー（Carl-Gustaf Rossby, 1898-1957）と知り合いになった[1]。ロスビーは、本の「9-5高層の波と気象予測」で述べているように、上層の長波（プラネタリー波またはロスビー波）の導出を通して大気力学と気象予報を改革した卓越した科学者だった。

フォン・ノイマンは、1945年頃ロスビーから気象予測が主観的な職人芸となっていることを聞き、気象予測のための非線形偏微分方程式（プリミティブ方程式）を電子コンピュータを使って数値計算すれば、職人芸ではなく客観的な予報ができると考えた。

　一方で、膨大な資金を必要とする電子コンピュータの開発には、資金集めのために人々にとってわかりやすい目的が必要だった。彼は実用的な気象予測と気象制御をその目的の一つに据えた。[1]。彼は例えば北極の氷を染めて反射するエネルギー量を減少させれば、アイスランドの気候をハワイのような暖かな気候に変えることができると考えていた[2]。もちろん、現実には気候はさまざまな要素と相互作用をするので、話はそう単純ではない。しかし、そういった気象の複雑性がわかってきたのは、もっと後のことである。

　本の「10-2-3 数値予報への胎動」で述べているように、ものごとをとにかく前に進めることが得意なフォン・ノイマンは、さっそく1946年に海軍などを説得して資金を集めた。そして、電子コンピュータを使った数値予報を研究するために「気象プロジェクト」を立ち上げ、世界の主な気象学者を集めて会議を開いた。それまでばらばらだった予報に対する気象学者たちの考えを、偏微分方程式を数値的に解く数値予報の実現にまとめて、プロジェクトとして一歩前に踏み出させたことは画期的なことだった。

　しかし、本の「9-3 リチャードソンによる数値計算の試み」で述べたように、これはイギリスの気象学者ルイス・リチャードソン（Lewis Richardson, 1881-1953）が第一次世界大戦中に手計算で行って失敗した予報の数値計算を、電子コンピュータに置き換えただけでうまくいくわけではないことははっきりしていた。そのためには本の「10-3-3数値予報の課題解決」で述べているように、解決すべき難問が横たわっていた。

　フォン・ノイマンは、プリンストンの高等研究所でコンピュータと数値予報のための気象学の改善を指揮しつつ、プリンストンからワシントンへ、ニューヨークへ、ロスアラモスへ飛んで、またプリンストンに舞い戻る忙しい日々を送っていた。そのため、気象プロジェクトにそれほど時間を割くことができずに、一時期気象プロジェクトは停滞した。

　その打開のために、1948年に素晴らしい数学的才能を持った若手のアメリカの気象学者ジュール・チャーニー（Jule Charney, 1917-1981）が気象プロジェクトに招かれた。本の「10-3傾圧不安定理論と準地衡風モデル」と「10-4実験的な数値予報の成功」で述べたように、チャーニーによってリチャードソンによる失敗の回避が行われ、電子コンピュータを用いた数値予報のための手法が切り開かれていった。

　数値予報の実験は、当初ENIACではなくその後継マシンで行う予定であったが、後継マシンの開発が遅れたため、本の「10-4-2順圧モデルを使った初めての数値計算」で述べたように、1950年からENIACを使って、順圧モデルという気象の移流のみを予測する簡単化された気象予報モデルで、過去の気象の再現実験が行われた。この際に、順圧モデルを内部記憶装置が小さいENIACで計算できるようにするために、フォン・ノイマンがその手法を開発した。

この結果は、1950年に「順圧渦度⽅程式の数値積分（Numerical integration of the barotropic vorticity equation）」という題で論文に発表された。これは数値予報が実現可能であることを実証した気象学にとって記念碑的な論文となった。この論文の3名の著者の一人としてフォン・ノイマンも入っている。

（つづく）

参照文献

[1]ノーマン・マクレイ、渡辺正、芦田みどり訳（1998）「フォン・ノイマンの生涯」、朝日選書
[2] P. R. Halmos, (1973) The Legend of John Von Neumann, The American Mathematical Monthly, 80, 4, 382-394.