「地球温暖化予測研究ワークショップ」開催報告

2004年3月
はじめに
 平成16年3月18日(木)〜19日(金)、神奈川県三浦市マホロバマインズ三浦において、 海洋科学技術センター(現・独立行政法人 海洋研究開発機構) 地球フロンティア研究システム(現・地球環境フロンティア研究センター)が主催して、「地球温暖化予測研究ワークショップ」を開催した。 本ワークショップは、IPCC-AR4に向けて諸活動が始まった現時点で、日本の温暖化研究者が一堂に会し、温暖化研究の現状と困難をそれぞれ紹介し議論し、とりわけ、地球シミュレータという世界最大の計算機を持ったモデリング研究陣が、それにふさわしい成果を出せるよう切磋琢磨する場として開催された。 会場が、満員になる約60人の参加者による活発な討論が予定時間を越えて続いた。
各セッションの報告は以下のとおりである。

セッション報告

セッション1:温暖化実験中間報告
CCSR/NIES/FRSGC高解像度結合モデル実験

 共生課題1の東大気候センター・国立環境研・地球フロンティア合同チーム(研究代表者:住 明正)による高分解能大気海洋結合モデル開発の現状と課題について木本が報告した。
当研究課題のミッションは、「高」解像度大気海洋結合モデルによってIPCCシナリオ実験、20世紀気候再現実験を行うこと、それにより地域気候や変動度の変化を論ずることである。
そのために、モデルの物理過程の精度向上を図り、モデル内の気候感度支配要因の究明を行ってきた。高解像度モデル(T106L56大気+1/4×1/6°L48海洋)ではたくさんの実験ができないので、中解像度モデル(T42L20大気+1×1.4°L44海洋)を併用している。また、事業の一環として英国Hadley Centreとモデル開発について協力している。本年3月を含めてこれまで3回のワークショップを行い、モデル調整ノウハウの共有、排出データ等交換に努めてきた。
 当課題のモデル開発の現状は以下のようである。
(1)シナリオ実験のできる「高」解像度結合モデルをほぼ完成した。本年度は予備的な現在気候実験56年と1%漸増実験40年を実施した。大気−海洋混合層結合版によって気候感度が大きいことがわかったので、雲、エアロゾル等のパラメータ調整を行った。オンラインエアロゾルを加えた新バージョンモデルが現在走っている。
(2)20世紀気候再現用歴史データセットを作成した。とくにカーボン系エアロゾルなどは独自のもので、すでに複数の他国機関に提供する段取りとなっている。
(3)中解像度モデルによる20世紀再現実験を開始した。本課題モデルの特徴の一つは、第1種、第2種エアロゾル間接効果を導入したことである。観測された全球気温昇温の再現性を見ながら間接効果、火山影響などの見極め、調整中である。
(4)大気単独では本課題のモデルより高解像度のモデルが多数あるが、全球結合モデルとしては現在世界最高解像度の一つである。解像度を上げたことにより、結合モデルでも梅雨前線が表現可能になる、強雨頻度が議論可能になる、季節内変動再現性向上、ハワイ諸島など局地地形の気候影響が明らかになるなどの恩恵が次第に明らかになってきた。
(5)たくさんの感度実験により、当課題モデルにおける気候感度の制御要因が明らかになってきた。とくに、当課題のモデルでは雲氷から雲水の変換過程の定式化に敏感である。二酸化炭素倍増時の平衡昇温量にして3.5〜10℃くらいの範囲内で制御が可能である。大きな感度のバージョンによる現在気候のシミュレーション結果が、低感度のものに比べて非現実的であるなどの証拠はまだ出ていない。雲水量の観測による検証が困難であるなどの理由から、温暖化予測の不確定性を縮めることができるとは考えていない。
 当課題では高解像度結合モデルについてまだ以下のような科学的問題点があると考えて開発研究を進めている。このような問題意識をモデル開発グループ外の研究者とも共有して解決に向かうのが理想的姿であると考えるが、そのような状況には残念ながらまだなっていない。
・モデルの気候ドリフト
−大気海洋系放射収支の制御しているもの、すなわち雲
−海洋中・深層循環の水循環への依存性解明
−ドリフトを防ぐためにフラックス調整を行うのは有効であろうが、当課題の陣容では物理過程の調整を行いながらフラックス調整ありのバージョンを準備する余裕は残念ながら無い
・気候感度
−雲、エアロゾル微物理過程への依存—真実はどこに?
・結合気候
−梅雨前線等の表現向上の一方、double ITCZ問題等世界的に顕著
−ENSO振幅の再現性
−台風の再現、降水組織化問題
・地域気候変化
−予測された海面水温への依存性が大きいと思われる
−従って予測の信頼性が問題となる。現在気候再現性の向上をもってよしとするか、組織的なアンサンブル実験が必要か(高解像では難しい)
・結合予測の必然性?
−大気⇔海洋相互作用の地域差解明


MRI中解像度結合モデル実験(シナリオ実験及び20世紀気候再現実験)
MRI20KM大気大循環モデル実験中間結果(現在気候再現実験)

 気象研究所・気象庁では以下の気候モデルを用いた地球温暖化研究を行っている。
1)全球大気・大気海洋結合モデルを用いた20世紀気候再現実験と温暖化予測実験(CMIP、 SRESシナリオなど)(分解能:大気T42→T63、海洋200km→100km)
2)1)にネスティングした地域気候モデルを用いたタイムスライス実験(分解能:日本域大気20km、太平洋20km)
3)1)で計算された海面水温を用いた高分解能大気モデルによるタイムスライス実験(分解能:全球大気20km)
4)1)をコアモデルとして、物質循環モデルと結合した地球システムモデルによる温暖化予測実験(5年後に統合化予定)
 本サブセッションの前半では、これまでの1)に関連したモデル開発と20世紀気候再現実験の結果を行本が、温暖化予測実験部分を野田が紹介した。行本は、IPCC第3次評価報告書で用いたMRI-CGCM2の大気上端の東西平均された放射収支をより観測に近づくように雲パラメータを調整した結果、気候感度が上昇したこと、20世紀気候再現実験で世紀末にかけての北極振動類似の変化が再現できていることを示し、同時に、北極振動類似の変化と、自然変動としての北極振動には構造上の違いが見られることも指摘した。野田は自然変動と温暖化パターンの類似性に着目し、旧MRI-CGCM1版と新MRI-CGCM2版において、大気・海洋混合層結合モデル版と大気・海洋結合モデル版に見られる気候感度の違いは、太平洋の温暖化パターンがエルニーニョ型かラニーニャ型かに起因することを示した。
 本サブセッションの後半では、共生プロジェクト課題4に対応する3)の20kmメッシュ(TL959L60)大気モデルの開発の現状について、吉村、大内、宮本が紹介した。課題4は単に全球20kmメッシュモデルを開発するだけでなく、温暖化タイムスライス実験を行うことが要求されている。そのために、長時間積分を可能にするためのモデルの高速化、パラメタリゼーションの解像度依存性への対応、熱帯低気圧や梅雨前線の現在気候における、より高精度の再現性が必要である。吉村は、セミラグランジュ法と2タイムレベル法の導入によるモデルの高速化と物理過程パラメタリゼーションの改良・調整により行った現在気候シミュレーションの結果を、大内は、個々の熱帯低気圧の構造ばかりでなく、発生数などの気候値の再現性を向上させるこれまでの試みについて、宮本は、解像度を落とした60kmメッシュ(T213L40)版による10年ランの結果を報告した。積雲対流による水平運動量輸送、最小エントレインメント率、雲水生成過程に用いる水蒸気変動幅、海面からの熱輸送に対する粗度長などの調整が熱帯低気圧の再現性に効いているばかりでなく、熱帯域の月平均降水分布を再現する上で重要であることが示された。
CRIEPI結合モデル実験
 IPCCシナリオに基づいた温暖化予測計算を行う研究プロジェクトの一つとして、電力中央研究所が米国大気研究センター(NCAR)他と共同で取り組んでいる研究の進捗状況を報告した。
まず、筒井が、本プロジェクトから、どのような温暖化予測データが得られるかという観点から、研究概要を説明した。主な内容は、CO2排出シナリオのエネルギー政策面からの検討、予測に用いる大気・海洋結合モデル(NCAR CCSM)の特徴、実行中および実行予定の計算ケースの仕様、CO2倍増・漸増実験から得られた気候感度などである。これまでのところ、当初の予定と比べて若干の遅れがあるものの、IPCCの期限(2004年9月1日)までに、所定の温暖化予測計算を完了する見通しを得ている。また、温暖化予測結果を左右する気候感度について、NCARのモデルは、IPCC第3次報告書で使われたモデルと比べて、大きな変化はないという結果が得られている。
続いて、仲敷が、気候安定化に重要な海洋深層循環について、モデルのパフォーマンスを説明した。今回使用するモデルでは、海氷の計算が改善され、かなり現実の海氷分布に近づいた。また、大西洋の子午線方向の循環については、解像度T85の大気モデルを結合した場合、T42のモデルを結合した場合に見られなかった、長周期の大きな変動が生じた。以上の発表に対し、海洋深層循環に関する物理過程、CO2削減シナリオの背景、大気の下層雲の表現などについて、質疑が行われた。それぞれの質疑の内容は、次のように要約される。大西洋の子午線方向の循環は、拡散係数などに依存することが知られている。以前のバージョンと比べて現実的な強さの循環が得られたのは、混合スキーム等の若干の違いのためと考えられる。また、結合する大気モデルの解像度に依存した変動は、計算された海氷分布等が異なることが影響すると考えられる。CO2削減シナリオに対する温暖化予測計算は、IPCCが推奨するシナリオに加えて、独自に実施するものである。この削減シナリオでは、将来、一時的に排出量を負にする(大気中のCO2を何らかの技術で取り除く)必要が生じ、温暖化対策の観点から、重大なメッセージが込められている。このシナリオを取り上げた背景には、CO2濃度の安定化目標として550ppmというレベルが取り上げられることが多いこと、および熱塩循環の変化とCO2濃度レベルの関係に強い関心のあることが挙げられる。NCARの大気モデルは、昨年から、下層雲の生成に関連する物理過程などに対し、継続的な改良が行われてきた。下層雲の生成は、気候感度にも大きく関係し、実際、改良過程の時々で気候感度が変化した。ただし、一連の改良は、モデルの各種平均値と自然変動の度合いについて、適切な気候値を得ることを目標としており、気候感度はその結果として得られたものと理解されている。例えば、雲に関連する物理過程については、雲の放射強制力を観測値に近づけることに注意が払われた。 

セッション2:重要問題討論(温暖化予測)
 セッション2「重要問題討論(温暖化予測)」の前半では、地球温暖化予測の大きな不安定要因となっている、海洋中の乱流拡散、海氷、大気境界層の乱流、雲など、諸物理過程のパラメタリゼーションの高度化に向けて進行中の「共生プロジェクト第3課題」の研究成果が紹介された。まず、日比谷は、北太平洋の広範囲での投棄式流速計による水平流の鉛直シアーの観測結果をGregg(1989)の実験式に代入することで求めた鉛直乱流拡散のグローバルな空間分布を紹介した。乱流の主要なエネルギー源である内部潮汐波エネルギーの乱流スケールへのカスケードダウンの緯度依存性のため、顕著な鉛直乱流拡散は緯度30°よりも赤道側の海嶺・海山上に限られることが明瞭に示され、空間的に一定の鉛直拡散係数を用いている現在の気候予測モデルへの警鐘ともいうべき結果が報告された。続いて、豊田は、オホーツク海南部で得られた観測結果をもとに季節海氷域の氷厚発達過程として考案されたRafting Cycle Modelの基本概念、および、海氷の融解過程で重要となる氷盤分布の解析結果を紹介した。今後、これらの結果をオホーツク海の海氷モデルに組み込むことで、従来の連続体型モデルがどのように改善されるかを調べていく予定であることが報告された。 また、新野は、大気境界層のラージ・エディ・シミュレーションの計算結果に基づき「乱流長さの診断式と普遍定数」を再構築したMellor-Yamada(1982)の1次元乱流境界層モデルの改訂版を紹介した。この改訂版Mellor-Yamadaモデルを用いることによって、夜間の安定境界層のKH不安定による発達や日の出後の対流混合層の発達などが、従来のMellor-Yamadaモデルに比べ、格段に良く再現できることが示された。さらに、岩崎は、雲と陸面過程のパラメタリゼーションに関して、特に、地球大気のエネルギー収支に大きな影響を与える「浅い湿潤対流」の典型的な事例であるヤマセを題材としながら、雲解像(高解像度)モデル(100m格子間隔)、汎用(低解像度)モデル(5〜10km格子間隔)、および、地上(船舶)観測の3つの手法を組み合わせることで、研究を進行させていることを報告した。 セッションの後半の「海洋循環に関する諸問題」では、まず、劉 と 金 が、高精度のRIAMOM(RIAM Ocean Model)を用いた太平洋海洋循環の計算結果を紹介した。特に、Noh et al.(2002)の混合層スキーム、Gent and McWilliams(1990)の等密度面混合スキーム(GMスキーム)を組み込んだ格子間隔1/2°のモデルによって、北太平洋中層水をはじめとする主要な水塊構造の再現に成功したこと、GMスキームなしの格子間隔1/12°のeddy-resolvingモデルで、南西諸島東岸の亜表層で観測される琉球海流の再現に初めて成功したことなどが報告された。今後、RIAMOM に、上述した改良版Mellor-Yamadaスキームを組み込んでいく予定であることも報告された。最後に、尹は、同じく高精度のRIAMOM による日本海循環の計算結果を紹介した。対馬東方のカルマン渦や対馬東水道を通過する対馬暖流の不安定に伴う渦が解像されるなど、日本海深層で観測される反時計回りの循環流の形成に重要な役割をはたすと推察される渦の再現が可能になったことが報告された。

セッション3:炭素循環−大気・陸域・海洋の観測からの知見について
陸域観測とプロセス、海洋観測とプロセス、大気観測とプロセス

 温室効果ガスの収支の現状把握、そのメカニズムの理解と将来予測を目的としたセッションであり、構成要素としては、(1)大気、陸域、海洋での炭素プールとその間でのフラックス、(2)二酸化炭素以外の温室効果ガスの排出と蓄積、(3)観測技術とデータ解析診断モデルである。 大気観測では森本が東北大中澤グループのデータを中心に長期の二酸化炭素濃度と炭素同位体の観測結果や、これから算出した陸域・海洋の二酸化炭素吸収比の変動とエルニーニョや火山噴火との関係などを説明した。同様な目的で酸素・窒素比の精密測定が行われており、遠嶋がその歴史的経緯を含め独自に手法を開発して観測を行った結果、また高頻度自動観測という今後の方向などを説明した。双方とも詳細な検討を行うには、植生による同位体分別の違いや海洋の溶存酸素変動など、他分野の研究との連携が必要であることを指摘した。町田はわが国では航空機によるモニタリングを世界に先駆けて開始したこと、高度分布を含めた三次元的な観測が重要な情報をもたらすことを紹介した。井上は温室効果ガス観測衛星(GOSAT)で条件がよければ二酸化炭素を1%以上の精度で測定できるが、エアロゾルのある場合についてはセンサとデータ解析の双方で改善が必要であることを述べた。マクシュートフは大気観測データから地表面炭素収支分布算出のデータ解析モデルが、観測の設計への応用、高い空間分解能での解析に向けて発展していることを紹介した。 陸域の炭素収支については、三枝が森林でフラックスを直接計測するネットワークや、そこでの光合成や呼吸などのプロセス観測、遠隔計測などの総合的観測が成果を出しつつあることを述べた。小林は、将来予想される高二酸化炭素濃度では短期的には成長が促進するが他の要素が律速となりそれほどの成長が望めないこと、しかし、水田では有機物の根系への供給が増加しメタン発生が増えることなどを報告した。 海洋の炭素収支については、野尻が、日本の観測を契機に商船を利用した高頻度の大気・海洋間の二酸化炭素フラックス観測ネットワークが世界的に充実しつつあり、既存の収支推定を支持する結果が出ていることや、将来のトレンドを求めるための観測について報告した。石井は全炭酸の海洋断面分布観測が定期的に行われ、長期的な海洋吸収変動の解明に向けた研究が行われていること、池田は山中の全球海洋物質循環モデルで生物プロセスが重要であることを紹介した。また、池田は温暖化による北極圏の海氷減少などの観測(ロシアの未公表データを含め)とモデル予測との整合性を議論した。 炭素以外の温室効果ガスとして、横内は大気中ハロカーボンの観測の国際的取組みや、わが国での航空機観測からハロカーボンの種類別の排出量を推定するなどの成果を紹介した。吉田は温室効果ガスのアイソトポマー(例えばN2OではNN*OとN*NO、ここでN*は重い窒素同位体)、更にその組み合わせから、発生源や消滅プロセスなどが理解できることを紹介した。

セッション4:地球環境統合モデリング
 本セッションでは、共生第2課題である炭素循環への、気候変化フィードバックを含む地球環境システム統合モデリングに関する進捗状況と、気象研究所における同様の試みについて紹介があった。 まず最初に、河宮から、地球フロンティアにおける共生第2課題では大気海洋陸域結合炭素循環モデルの原型が完成し、相互比較プロジェクトへの参加準備もすすめており、IPCC AR4への貢献は十分可能なペースで開発がすすんでいるとの報告があった。結合モデルへの移植以前の海洋単体の炭素循環モデルを用いた温暖化実験では、IPCC TARの報告にもある過去の研究と大筋は矛盾しない結果が得られた事、しかしまだまだ量的には不十分で改良の必要な事が報告された。 須藤からは、CHASERモデルでメタン対流圏オゾンや硫酸塩エアロゾルなどの将来予測実験により、オゾンのほかにも、メタンなどの重要な気候影響要素も気候変動(温暖化)の影響を大きくうけながら変化していくことが予想されており、将来の大気組成変動の予測には、気候変化の影響も考慮にいれた統合的な議論が必要であることが紹介された。 佐藤からは、共生2で開発をすすめている全球動的植生モデル(DGVM)について、その基本設計と作業の進捗状況があった。このモデルは林の中の一本一本の樹木の成長を介しての異種間の競争を扱う「個体ベース」モデルなので、気候変動に伴った植生変動の速度を、既存のどのDGVMよりももっとも的確に予測できる。現在までに、一林分での計算のみを行うプログラムコードの開発が完了し、今夏までに全球グリッドでのシミュレーションを行う予定である。 滝川からは、対流圏化学モデルCHASERを成層圏化学過程までふくむように拡張する際、どの程度の化学種までを含めるかの検討と、高精度移流スキームをもちいた成層圏および対流圏における輸送場の検証をおこなった報告があった。 渡辺は、AGCMの放射過程の更新による下部成層圏の低温バイアスの改善、成層圏界面から中間圏における温度バイアスの改善、AGCMに導入した重力波抵抗パラメタリゼーションによる成果と、その最適化のための高解像度AGCM実験の結果について紹介した。 市井の発表によると、現存するモデルにおける陸域炭素循環は多様であり、植生モデルの特性のみならず、GCMによってシミュレーションされた気候によっても陸域植生の応答は大きく変動することも忘れてはならないことが示された。 最後に、小畑から、気象研における既存の気候モデルに炭素循環過程を組み込んだ温暖化予測実験の最近の結果報告が行われた。

以上
 

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