課題名

B-1 気候変動の将来の見通しの向上を目指したエアロゾル・水・植生等の過程のモデル化に関する研究

課題代表者名

神沢 博 (独立行政法人国立環境研究所大気圏環境研究領域大気物理室)

研究期間

平成12−14年度

合計予算額

109,367千円 (うち14年度 37,982千円)

研究体制

(1)対流圏エアロゾルおよび対流圏オゾンの気侯影響に関する研究

(独立行政法人国立環境研究所、東京大学、九州大学)

(2)地球温暖化に伴う気候変化と水循環過程との相互関係に関する研究

(独立行政法人国立環境研究所、北海道大学、東京大学)

(3)地球温暖化における陸上生態系フィードバックに関する研究

(独立行政法人森林総合研究所、独立行政法人農業環境技術研究所、
独立行政法人産業技術総合研究所、北海道大学、東京大学)

研究概要

1.序(研究背景等)

 地球温暖化にともなう気候変化・気候変動の気候モデルによる将来の見通しが、影響評価・対策に十分に活かせるものとなるには、気候変動評価の不確定性の幅を明らかにする必要がある。また、地球環境変動の研究の推進のためには、現在の気候モデルに欠けている物質循環や生態系との相互作用を取り入れて総合化した気候モデルを開発して用いる必要がある。これらの課題は現在大きな研究課題として残されており、IPCCIntergovernmental Panel on Climate Change: 気候変動に関する政府間パネル)においても重要視されている。

 

2.研究目的

 本研究課題では、(i)人為起源対流圏エアロゾルと対流圏オゾンによる気候変化の不確定性を明らかにすること、(ii)水蒸気、雲、地表水文過程などによってもたらされる気候変化・気候変動の不確定性を明らかにすること、(iii)気候変化・気候変動と対流圏物質循環、森林生態系間のフィードバックを含めた総合的なモデルの基礎を確立すること、を主な目的とし、さらに、それらの知見を統合し、総合的な気候・物質循環モデルの開発改良とその応用を目指す。手法としては、数値モデルによる研究が中心となる。

 

3.研究の内容・成果

 本研究では、東京大学気候システム研究センター(CCSR)と国立環境研究所(NIES)とで共同で開発しているCCSR/NIES全球気候モデル(大気海洋大循環モデル)の開発の一環として、エアロゾル、オゾン、水、植生等の過程のモデル化を行っている。モデル開発の中で、モデルに導入する過程の検証を行うため、衛星観測、森林での地上観測、等で得られた観測データの解析を有機的に組み合わせている。これらの過程のモデル開発を行うことは、すなわち、気候影響評価に大きなインパクトをもたらす上記過程に関する研究を行うことにもなる。さらに、開発したモデルを用いて、温室効果ガス、エアロゾル源、等の人為的排出に伴う気候変動の将来の見通し実験(地球温暖化実験)を行うことを念頭に置いている。

(1)対流圏エアロゾルおよび対流圏オゾンの気候影響に関する研究

 本サブテーマでは、人為起源の対流圏エアロゾルと対流圏オゾンによる気候変化の不確定性を明らかにすることを目指した。具体的目的は、輸送過程と化学反応などを組み込んだ全球気候モデルによって、二酸化硫黄、炭素等の排出に応答したエアロゾル・オゾン分布を得ること、ならびに、エアロゾル分布や雲の効果の不確定性を考慮し、地球温暖化物質の増加時の全球気候モデルによる気候変動の評価を行うことであった。以下の成果を得た。(射強制力に関するエアロゾルの直接効果(エアロゾルそれ自身が太陽放射を散乱・吸収する効果)および間接効果(エアロゾルが雲の凝結核となることによって雲の光学的・微物理学的特性を変化させる効果)につき、全球3次元エアロゾル輸送・放射モデル実験解析および衛星データ解析により、理解を深めた。ここで考慮するエアロゾルのタイプは、4つの主要なエアロゾルタイプ(土壌粒子、炭素性粒子、硫酸塩粒子、海塩粒子)である。直接効果につき、エアロゾルモデル解析の結果、エアロゾルの正味の冷却効果は、IPCC(2001)の評価値よりも小さい可能性があることがわかった。間接効果については、依然として多くの不確定要素が含まれているものの、間接効果は直接効果よりも、正味の負の放射強制力の絶対値が大きいという結果が得られた。改良開発した全球3次元エアロゾル輸送・放射モデルについて、東アジア域に着目してモデルによるシミュレーション結果の詳細な検証を行い、良好な結果を得るとともに、モデルに人為起源物質排出量の将来シナリオデータを与えて、エアロゾル分布の予測実験を行い、シナリオによっては、50年後に放射強制力が2倍近くになった。B侘圏オゾンと硫酸塩エアロゾルの気候影響を同時に評価が可能な全球3次元対流圏オゾン光化学モデルを開発し、観測結果と比較し、良好な結果を得た。開発した全球3次元対流圏オゾン光化学モデルを用いて、対流圏オゾンがメタンと同等の放射強制力を持つことを示した。対流圏オゾン化学の変動要因に関する実験を行い、熱帯域においては、エルニーニョ現象による東西循環、対流パターン、水蒸気分布の変動が、観測された大規模なオゾン変動の主因であることを示した。ぞ来の対流圏オゾンおよび硫酸エアロゾルの予測シミュレーションを行った結果、対流圏オゾンは、前駆気体の排出量の増加に対してほぼ直線的な増加をすることが示された。ケ卆吋螢癲璽肇札鵐轡鵐阿砲茲襯┘▲蹈哨觴鑛綿類に関し、衛星データから、エアロゾルの光学的厚さ・粒径指標・光吸収性を同時推定するアルゴリズムを開発し、そのアルゴリズムをSeaWiFSセンサーのデータに適用し、砂塵性土壌粒子、炭素性粒子、硫酸塩粒子、海塩粒子の種別分類が可能であることを示した。Ρ卆吋如璽燭砲茲訛侘圏エアロゾル光学特性の過去約20年にわたる長期変動の解析を行うため、NOAA搭載AVHRRセンサーの校正の検討を行った。相対校正の方法を確立した。校正係数の絶対値の決定については、克服すべき問題とその解決法を具体的に検討した。

(2)地球温暖化に伴う気候変化と水循環過程との相互関係に関する研究

 水蒸気・雲・地表水文過程などによってもたらされる気候変化・気候変動の不確定性を明らかにすることを目的として、現実データと共に全球気候モデルにおける水循環過程の特性を解析し気候モデルの改良を図る研究を行った。本サブテーマでは、雲降水過程と気候変化との相互関係の解明に向け大きな3つの目標(〆膿靴離皀妊襪鰺僂い堂甲伐修鉾爾水循環過程の変化の予測を試み、その感度を調べる;着手可能な部分についてモデルの高度化を行う;最新の観測データや長期データを用い、次世代モデルの精密化に向けて詳細な現象解明を行う)を掲げてこの問題に取り組んだ。

 主な研究成果は次の7項目である。|狼絏甲伐修鉾爾だ兩穃未聾詐すると予測される地域と増加すると予測される地域があることを示し、その要因を調べた。温暖化時の梅雨活動について気候モデルを用いた実験を行い、温暖化に伴って梅雨活動が強化されると予測されることを示し、それはいかなる大規模場の変化によるものかを示した。5じモデルにおける水蒸気の力学的輸送スキームを改良した。さじモデルにおける大気海洋結合過程の人為的調節(フラックス調節)をはずした新バージョンの開発を行い、大気海洋結合モデルを高精度化した。TRMM衛星観測データによる降水特性の解析を行い、次世代気候モデルによって表現されるべき熱帯降雨の統計的特性について新しい知見を示した。さらにこの知見において現在の気候モデルの中の大気大循環モデルの降水特性を検討した。ζ逎▲献▲皀鵐后璽鷙濘緡未侶佛変化機構について解析し、東西風の鉛直シアがモンスーン低気圧の発達に及ぼす影響という新しい視点から、エルニーニョと南アジアモンスーンとの関係を解析した。У╂疇眇尭阿鉾爾α反ゲ修靴神儕逝侘に対する大規模大気成層構造の効果について解析し、降水過程の精密なモデルには雲物理に起因する大気の準安定層の再現も必要であることを示した。

(3)地球温暖化における陸上生態系フィードバックに関する研究

 本サブテーマでは、気候システムにおける陸上生態系によるフィードバック機構を明らかにすることを目的とし、群落スケールにおける相互作用、領域スケールヘの集積過程、大陸規模でのモデル検証に関する研究を進めてきた。得られた主な成果は以下の通りである。)務て斬膤惘竜試験地における現地調査の結果、北方林で顕著に見られるような、林床にササ等の下層植生が密生する林分においては、土壌中の資源を巡る上層木と下層植生との競争が、群落構造の形成に重大な影響を及ぼすことが明らかとなった。そのため、従来は無視されることが多かった林床下層植生の役割を、特に北方林における環境変動と森林動態の研究では、十分考慮に入れる必要のあることが示唆された。気候−陸上生態系間の動的な相互作用過程(フィードバック)を表現することのできる陸面モデルのプロトタイプが開発された。このモデルは、スギ及びカラマツの人工林に適用され、単一樹種林分における植物個体群動態に関する観測データをよく再現することが確認された。さらに、このモデルは樹種間の競争過程が表現されるように拡張され、広範な生態系への適用が可能となり、これによって広域へ適用するための準備が整えられた。また、アジアの代表的陸面形態の一つである水田生態系に関して、その特徴である湛水層の熱的影響を陸面モデルに適切に導入する手法が開発され、それによって実際の水田での観測値が再現されることが示された。J雑地形上における生態系フラックスの領域スケールヘの集積過程を解析するため、大気のLES(Large Eddy Simulation)モデルを開発して山岳地形に応用した。計算された山岳周辺の風速場を風洞実験による測定データと比較することにより、モデルの性能を検証し、必要な改良を行った。また、シミュレーションの結果、山岳周辺での物質(CO2など)の輸送には熱的な影響よりも力学的影響が大きいことや、剥離流や地表面粗度の影響を受けて物質濃度が著しく変動する領域が地表面付近に形成される様子が明らかとなった。のμ魅皀妊襪髻河川流量データを用いて広域スケールにおいて検証することを可能にするための予備的研究を行った。その結果、モデル検証のためには、陸面水収支に関する長期シミュレーションを実行する必要があるが、その際に必要となる大気外力データのうち、特に降水量についてはシミュレーション結果の敏感度が高く、統計学的な手法を用いて入念にデータを作成しなければならないことが明らかになった。また、今後行われることになる各種陸面モデルの検証作業に供するため、世界中の大河川における流量データが取り揃えられた。

 

4.考察

 本研究の旧課題(気候・物質循環モデルによる気候変動の定量的評価に関する研究:平成9-11年度)では、硫酸塩エアロゾルの放射効果を精密に表現するCCSR/NIES全球気候モデルによる気候変動の将来の見通し実験を行い、簡便なエアロゾルの放射効果の取り入れ方をした世界の他のモデルの結果に比べて、その冷却効果が小さいことを示した。また、多種類のエアロゾルを取り入れる手法をモデルに取り入れた実験結果等を得、IPCC3次アセスメント第一作業部会報告(IPCC,2001)に貢献した。本研究課題では、硫酸塩エアロゾルばかりでなく多種類のエアロゾルをCCSR/NIES気候モデルに取り入れる手法を、衛星観測データ解析結果で検証することにより、よりよい手法の開発を目ざした。また、エアロゾルの間接効果のCCSR/NIMES気候モデルヘの取り入れ方の予備的な手法も開発した。さらに、対流圏オゾン分布については、これまでの我々グループの将来の見通し実験においては、外国の他のモデル(英国気象局Hadley Center)の結果を提供してもらっていたが、本研究課題において、対流圏オゾンモデルの開発をCCSR/NIES全球気候モデルと整合的な形で独自に開発した。さらに、CCSR/NIES全球気候モデルに組み込むことを目ざして、気候システムにおける陸上生態系によるフィードバック機構の研究をすすめた。これらの研究はほぼ順調に進んだ。なお、この研究には高速の計算機資源を必要とするが、国立環境研究所のスーパーコンピュータ(NECSX-4およびSX-6)を中心とする計算機資源を活用した。

(1)本研究課題によって開発されたモデルは、地球温暖化の将来の見通し実験に適用することにより、次期のIPCC4次アセスメント報告(2007年頃に出版予定)に貢献する研究となる。

(2)以下のWCRPWorld Climate Research Programme:世界気候研究計画)のプロジェクトに深く関連し、これらのプロジェクトに貢献する研究となる。

GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment)、特に、GEWEX/ISLSCP (Internmational Satellite Land Surface Climatology Project) CLIVAR (Climate Variability and Predictability Programme)

・気候モデル国際比較プロジェクト。特に、AMIP (Atmospheric Model Intercomparison Project: WCRPWGNE (Working Group on Numerical Experimentation)の下で活動)CMIP (Coupled Model Intercomparison Project: WCRP CLIVARWGCM (Working Group on Coupled Models)の下で活動)

(3)以下のIGBP (International Geosphere-Biosphere Programme: 地球圏−生物圏国際協同研究計画)のプロジェクトに深く関連し、これらのプロジェクトに貢献する研究となる。

GAIM (Global Analysis, Interpretation, and Modelling)

BAHC (Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle)

 

5.研究者略歴

課題代表者:神沢博

1953年生まれ、京都大学大学院理学研究科博士課程修了、理学博士、国立極地研究所助手、独立行政法人国立環境研究所大気圏環境研究領域大気物理研究室室長(20034月より、名古屋大学大学院環境学研究科教授)

主要論文:

1. Kanzawa, H. (1982): Eliassen-Palm flux diagnostics and the effect of the mean wind on planetary wave propagation for an observed sudden stratospheric warming. J. Meteorol. Soc. Japan, 60, No. 5, 1063-1073.

2. Kanzawa, H. and S. Kawaguchi (1990): Large stratospheric sudden warming in Antarctic late winter and shallow ozone hole in 1988. Geophys. Res. Lett., 17, No. 1, 77-80.

3. Kanzawa, H., C. Schiller, J. Ovarlez, C. Camy-Peyret, S. Payan, P. Jeseck, H. Oelhaf, M. Stowasser, W.A. Traub, K.W. Jucks, D.G. Johnson, G.C. Toon, B. Sen, J.-F. Blavier, J.H. Park, G.E. Bodeker, L.L. Pan, T. Sugita,. H. Nakajima, T. Yokota, M. Suzuki, M. Shiotani, and Y. Sasano (2002): Validation and data characteristics of water vapor profiles observed by the Improved Limb Atmospheric Spectrometer (ILAS) and processed with the version 5.20 algorithm. J. Geophys. Res., 107(D24), 8217, doi: 10.1029/2001 JD000881.

 

サブテーマ代表者

(1): 神沢博(同上)

 

(2): 高藪縁

1959年生まれ、東京大学理学系大学院修士課程修了、博士(理学)、国立環境研究所大気圏環境研究部主任研究員、現在、東京大学気候システム研究センター助教授

主要論文:

1. Takayabu, Y. N., K.-M. Lau and C.-H. Sui (1996): Observation of a quasi-2-day wave during TOGA COARE. Mon. Weather Rev., 124, 1892-1913.

2. Takayabu, Y. N., T. Ueno, T. Nakajima, I. Matsui, Y. Tsushima, K. Aoki, N. Sugimoto, and I. Uno (1999): Estimation of the cloud and aerosol effects on the surface radiative flux based on the measurements and the transfer model calculations. Part I: Shortwave forcing at Tateno, Japan. J. Meteorol. Soc. Japan, 77, 1007-1021.

3. Takayabu, Y. N., T. Iguchi, M. Kachi, A. Shibata, and H. Kanzawa (1999): Abrupt termination of the 1997-98 El Nino in response to a Madden-Julian oscillation. Nature, 402, 279-282.

 

(3): 渡辺力

1963年生まれ、東北大学大学院理学研究科博士後期課程修了、理学博士、

現在、独立行政法人森林総合研究所気象環境研究領域気象研究室主任研究官

主要論文:

1. Watanabe, T. (1993): The bulk transfer coefficients over a vegetated surface based on K-theory and 2nd-order closure model. J. Meteorol. Soc. Japan, 71, 33-41

2. Watanabe, T. (1994): Bulk parameterization for a vegetated surface and its application to a simulation nocturnal drainage flow. Boundary-Layer Meteorol., 70, 13-35.

3. Watanabe, T., and K. Mizutani (1996): Model study on micrometeorological aspects of rainfall interception over an evergreen broad-leaved forest. Agric. Forest Meteorol., 80, 195-214.