海洋地球デジタルツインとその将来構想について

RESTEC月例講演会
講演：海洋研究開発機構、地球情報科学技術センター、センター長　石川　洋一氏

RESTECでは社内勉強会として毎月1回様々な分野の方にご講演をいただいています。
海洋デジタルツインを推進していらっしゃる海洋研究開発機構、地球情報科学技術センター、センター長の石川様に、2025年4月にご講演いただいた内容をご紹介します。

はじめに

日本における海洋のデジタルツインについて

• JAMSTECの中長期計画は、今年度最終年度となり、付加価値情報創成システム（図１）の開発が行われてきました。これには数値解析リポジトリ、AIや計算機技術、そしてそれらから生成されるデータを組み合わせて付加価値をつけた研究成果が含まれています。7年前に立てた本計画では、個々の要素をしっかり作ることが重視されており、その結果としてアプリケーションが生まれ、デジタルツインの先駆的な成果となっています。また、JAMSTECはリアルタイム観測データや大気データ等を公開しており、最近では微生物のゲノム情報を基にした機能物質が化粧品や酒作りに利用されて成果もでていますし、生物多様性データや生物の出現データ等も注目されています。

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• これらのことを踏まえ、来年からは新たな中長期計画が開始されます。この計画の中で、私たちの部門では「デジタルツイン」というキーワードを中心に据え、これまで開発してきた要素技術を組み合わせて社会に役立つものを作ることを目指します。また、その結果からフィードバックを得て、ニーズに基づいて基礎研究を見直し、重要な分野を設定し、研究開発と社会実装のフィードバックを適切に行うことを掲げています。さらに、我々は、文部科学省のプロジェクトとして、気候変動予測先端研究プログラムと地球環境データ統合解析プラットフォーム（DIAS）の事業に関わっています。DIASではプロジェクト代表を務め、RESTECとも協力しています。気候変動において、このようなデータセットが様々なプロジェクトに役立つ、役に立った情報をどう作るかということをやっております。

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• DIASでの活動をざっくりとまとめると図３のようになっていますが、特にIT技術の活用方法について研究開発が進められています。IT専門家から見ると、地球環境分野は興味深い領域である一方で、研究の進行速度が比較的遅いと言われています。気候問題は季節による変動が伴うため、夏には夏の問題、冬には冬の問題が発生します。研究成果が出るまでに季節を跨ぐことがあり、例えば、夏の研究成果が冬に発表されることがあります。このように情報提供のタイムスケールが長いことが課題であり、IT技術を適用してよりリアルタイムに必要な情報を提供することが今後のプロジェクトの一つの課題となっています。 なお、日本の気候変動レポートで使われた予測データセットは、DIASから誰でもアクセス可能です。私達も海洋データセットの作成チームに参加しており、それ以外には豪雨や台風の将来予測データセットもできてきています。

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デジタルツインの概念について

• デジタルツインという概念は、製造業において一番身近で、特に理解しやすいものかと思います。図４は、自動車のデジタルツインについて示したものです。最も成功している例の一つで、デジタルツインの基本的な考え方をよく反映しています。自動車の部品等をコンピュータ上で再現し、設計を行うことが目的です。また、製造業では、デジタルツインという言葉が一般的になる前から、CFD（数値流体力学）とEFD（実験流体力学）の融合について話題にされていたと思います。
  地球シミュレーターでは、デジタルツインとコンピュータシミュレーションが使われます。例えば、空力実験の場合は、数値風洞実験と現実の測定が行われます。地球シミュレーターの開発リーダだった三好先生は、以前に数値風洞というスーパーコンピュータを作っており、このコンセプトはもう三、四十年ほど前から続いていると思います。

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• 最近は、他の分野に出てくる中で、例えば、東京都のWebサイトにある都市のデジタルツイン等（図５）というのも色々なところで聞くようになってきました。要因としては、センサー技術の普及により、安価なセンサーがネットワークで繋がるようになり、街の混雑等人の動きや日照や風況等の自然環境をリアルタイムで監視することが可能になっています。また、ハザードマップの重要性が増しています。
  インタラクティブに、ナビのように避難経路を示すことが求められています。地震や洪水では避難場所が異なることがあり、避難経路の指示をわかりやすくするために都市のデジタルツインが活用されています。

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海洋地球のデジタルツインについて

• 我々がこれら二つを同時に実現することは、簡単ではありません。図６の左側は、地球規模のスケールであり、図６の右側は魚一匹を見るときのミリやセンチメートルの解像度で物事を見なければならないです。このように「海洋地球デジタルツイン」は、幅広いコンセプトを持っています。実際にどうするかというと、例えば、私たちの身近な問題に対しては大西洋の真ん中のような場所を細かく見る必要はない一方で、日本の沿岸等は詳細に見たいというニーズがあります。デジタルツインは何でも計算機で作れば良いわけではなく、ユーザーのニーズを意識する必要があります。

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• 実際の従来型シミュレーション技術の進展の例を図７で説明します。
  これは少し古い資料ですが、IPCCの第1次～第4次報告書の内容を表しています。一番上の第1次（FAR）から第4次（AR4）へ気候変動シミュレーションの解像度が上がり、プロセスもCO2と雨のみから、雲や海洋等が追加されました。これまでは、計算機の性能や科学の進歩によって研究者が提供する情報が決まっていて、ユーザー側は与えられた情報を使うしかないという状況が続いていました。しかし、シミュレーションや観測技術が成熟するにつれて、ユーザーが必要な情報を要求し、それに応じて提供する時代になりつつあります。
  リモートセンシングでも、衛星データを提供するだけでなく、ユーザーに合わせて作成する時代が来つつあるのだと思っています。

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ユーザー視点のアプリケーション

• 図９の右側一番上の生簀は小さなスケールです。養殖ケース等のスケールで生簀の中をバーチャルに再現し、管理を行っています。生簀の中は、養殖生簀の写真ではなく、バーチャル空間でCG作成された美しい魚の映像になっています。良いシミュレーションができれば、現実との比較が可能になります。魚群探知機でバーチャルの魚群を測定し、それを実際のエコーイメージと組み合わせて魚の状態を表すことができます。この方法で、異常行動をしている魚がいないか検知することが可能です。成長モデル等と組み合わせることで、デジタルツインを実現しています。真ん中の図は水産漁場推定に関するもので漁船漁業を行う水産業者がどこに魚を取りに行ったら良いかを判断しています。ユーザーは観測データと推定された漁場の情報を組み合わせています。さらに、下の図はブルーカーボンの貯留量として、アマモやコンブの藻場のデータと、その藻場がどこに運ばれるか戻ってくるか等を評価し、気候変動対策にも利用するデジタルツインを作成しようとしています。

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• 海洋環境データ（図10）は1980年代から気象研究所と協力して作成したものです。ちなみに今年中に1950年から2010年までの新しいバージョンが、より細かい解像度で提供される予定です。このデータは黒潮や親潮の流れ、海の渦を示しており、ダイナミックな動きをムービーとして観察できます。このようなデータが多く揃っていて整備されています。

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• では、実際誰が推進しているのかというと、各国のデータセンターが主導しています。同様に、コペルニクス等欧州の衛星や現場の方々がサービスプラットフォームにデータを展開しています。 例えば、「欧州ブルークラウド」プロジェクトでは、海洋研究に従事していた研究者達が多様なネットワークを構築しました。このプロジェクトは植物プランクトンの活動量の測定、海洋環境指標の開発、漁業データの管理、養殖のモニタリング等に焦点を当てています。これらの活動は、海洋観測および関連するデータの分析において、共通の課題と解決策を提供しています。その結果として、従来の知見や観測成果を活用し、ヨーロッパ全体でより効率的な海洋データ管理の実践が推進されています。 他にも、図13のようにデータセンターでのデータのアーカイブと配布から、ユーザーに届けるための加工を経てサービス展開するプロセスが進行しています。

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国内におけるデジタルツインの成功事例

• 図14はニュースでご覧になった方もいるかと思いますが、2021年に福徳岡ノ場の噴火によって発生した軽石が日本沿岸や沖縄等に漂流するシミュレーションを行いました。JAXAのレポート等を見ても、その結果は実際にかなり一致していました。この技術はそれほど大変なものではなく、既存の技術をそのまま応用することができました。 例えば、軽石の漂流経路は魚の回遊モデルをベースにちょっとした改良をすることでシミュレーションできます。魚の泳ぐ力を除けば、軽石は海洋の流れにそのまま従って動くため、これは横展開が成功した典型例となっています。

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• 図16は2022年の猛暑事例において、人為起源の温室効果ガスの影響を評価した事例になります。異常気象の発生において人間活動による温暖化の影響を分析し、その結果を提示することで、行動変容を促すことが期待できます。現在では、こうした情報は主に3ヶ月遅れや半年遅れで提供されていますが、リアルタイムで提供できるようにする研究が進められています。
  実際、図16のような2022年の事例を2024年の論文として発表することは、通常の研究のタイムスケールとしては一般的になっています。しかし、情報提供の観点からは、よりタイムリーであることが求められています。この問題に関する議論は進行中であり、どのような情報を誰に対して提供するかという点が非常に重要となっています。

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海洋地球デジタルツインの将来展望

最後に、今後海洋地球デジタルツインをどうしていきたいか、どうなってくれると嬉しいかについて話します。
我々の一つの理想形は、世界気候研究計画（WCRP）のライトハウスアクティビティであるDigital Earths等をもとに、地域の気候リスクを「ボトムアップ」アプローチで評価し説明するために必要な情報をタイムリーに得られる「My Climate リスク」のような環境の開発です。
事前にすべてをこなせるアプリケーションの設計は難しいですが、最近ノーコードやローコードのツールが普及しています。これらのツールを使えば、部品を組み合わせて簡単に必要な情報を取得し、グラフ化することもできるようになります。また、AIを使って欲しい情報を基にアプリケーションを作成することも容易になりつつあります。そのための仕組みを作るには、必要なデータやツールを揃えて整理し、共通のインターフェースを作ることが重要です。これを次の数年で実現し、海洋環境に活用していくことです。まずは専門家が成功例を作り、それを基にAIも含めた開発に取り組む必要があります。さらに、データやツールの流通について、手続きを踏めば簡単に利用できるようにすることが重要だと思っています。
やはり、成功した事例を積み重ね、それを拡げることが重要です。その際、地元の人や自治体、民間企業の方々が役に立てている具体的な事例をビジネスとして成立させる必要があります。また、隣の自治体がうまくいったなら、同様に自分達でも簡単に導入できるような環境が整備されるとともに、そのコミュニティが成長していくことが大事です。そのためには、ネットワーキングを強化し、横展開を進める必要があります。
そういう意味で、私は計算機を触るのか楽しくてこの業界に入りました。AIのブームとしてのピークは終わりつつありますが、技術は残り、今後はより一般的なものとなっていくことが予想されています。30年前から比べると夢のような時代です。しかし、もっと努力が必要ですし、やりがいのあるテーマだと思いますので、今後に期待してください。また、RESTECの方々と一緒に取り組むことを期待しています。