課題名

IR―3 地球温暖化の総合解析を目指した気候モデルと影響・対策評価モデルの統合に関する研究

課題代表者名

神沢 博(名古屋大学大学院環境学研究科地球環境科学専攻気候科学講座)
(平成13―14年度:井上元(独立行政法人国立環境研究所地球環境研究センター)

研究期間

平成13−15年度

合計予算額

150,272千円(うち15年度 48,740千円)

研究体制

(1)排出シナリオと気候モデルとのインターフェース開発に関する研究

(独立行政法人国立環境研究所、東京大学)

(2)気候モデルと影響評価モデルとのインターフェース開発に関する研究

(独立行政法人国立環境研究所)

(3)気候モデルと影響・対策評価モデルとを統合したモデルによる総合評価実験に関する研究

(名古屋大学、独立行政法人国立環境研究所)

研究概要

1.序(研究背景等)

  人為的発生量の抑制対策を行うことによる温室効果気体およびエアロゾルの排出量の年々変化
のさまざまなシナリオに対して、気候がどのように応答するかを数値気候モデル実験により明らか
にすることは、IPCC(lntergovernmental Panel on Climate Change: 気候変動に関する政府間パ
ネル)に貢献する研究となる。一方、これまでの数値気候モデルは、計算機資源の制限および気候
システムの理解の不十分さから水平分解能が数百kmと粗く、意味ある影響の評価を行うための地域
スケールでの地上気温、降雨量等の予測が不可能であることから、大規模スケールの気候モデルと
局地循環モデルとを結合した地域気候モデルを開発して、あるいは、それに代わる手法を開発して、
影響評価に耐える気候変化シナリオ結果を出すこと、さらに、その結果に基づいて、影響を定量的
に評価することが、現在大きな研究課題として残されており、IPCCにおいても重要視されている。

2.研究目的

  本研究は、温暖化の影響、各種温暖化対策の必要性と効果を政策担当者、国民等に対して具体的
に提供することを究極の目的とし、対策評価、温暖化の見通しの評価、影響評価の3つのモデル間
の相互作用を解析するアジア太平洋地域向けの統合モデルを開発して、温室効果気体及びエアロゾ
ルの排出が地域の気候変化を通して農業の収量変化や水資源の変化へ及ぼす影響に対する基礎的
情報を得ることを目標とする。
 現在、地球温暖化研究において解決すべき大きな課題として、|狼絏甲伐修鬚發燭蕕慌梗叱果
気体および地球温暖化を基本的には抑制する対流圏エアロゾルという、2つの大気微量成分につい
て、人為的発生量を対策モデル数値計算により定量的に評価し、その評価に基づいて、気候の将来
の見通しを得るための空間3次元気候モデル数値計算を行い、地球温暖化の時空間分布を定量的に
推定すること、△修凌篦蠏覯未亡陲鼎い董影響評価モデル数値計算を行い、地球温暖化の影響を
定量的に推定することの2つが挙げられる。本研究では、最終的にこの2点を遂行することを目指
す。具体的には、開発済みの全球気候モデルを、排出データから影響評価へと結びつけるために、
排出データを気候モデルに組み込むインターフェースおよび気候モデルと影響評価モデルとのイ
ンターフェースを開発する。このように、排出シナリオに対する気候シナリオ、その気候シナリオ
に対する影響シナリオについて一貫したモデルを作成し、それらのシナリオの評価を実施する。ま
た、開発した総合モデルを、20世紀の過去100年間の気候変化とその影響の問題に適用し、過去
の再現を行ってモデルの検証を行うとともに、過去の特徴をもたらした原因を探る。

3.研究の内容・成果

  全球気候モデルについては、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)とで共同で別途開発された大気海洋大循環気候モデル(CCSR/NIES AOGCM)を利用する。地
域気候モデルについては、全球気候モデルと影響評価モデルとのインターフェースとして位置づけ
て開発する。以下、3つのサブテーマ毎に記述するが、サブテーマ(2)以外では、気候モデルは、
全球気候モデルを意味する。

(1)排出シナリオと気候モデルとのインターフェース開発に関する研究
 本研究の目的は、温室効果ガスやエアロゾルなどの人為起源物質に関する排出シナリオから、特
にエアロゾル前駆物質に着目して、3次元全球大気海洋大循環気候モデルで取り扱うことのできる
二酸化硫黄(SO2)および黒色炭素(Black Carbon:BC)排出量の格子点データを作成するツールを
構築することである。一般に、各種人為起源物質の排出量は国や都市等の行政区域毎のデータとし
てまとめられていることから、また、将来の排出シナリオのカテゴリに関しても状況は全く同様で
あることから、まず始めに、各種人為起源物質の国レベルの排出量時系列データを作成し、その後
に統一的な方法で各種人為起源物質の排出量データを格子点化する手法を開発した。SO2排出量に関
しては、過去の情報が比較的豊富であることと、排出シナリオにもSO2のカテゴリが存在しているこ
とから、過去における主要な排出源の情報までは作成せず、過去150年程度にわたる、SO2排出量そ
のものの国レベルの時系列データを構築した。BC排出量に関しては入手可能な情報が限られていた
ため、主要な排出源に関する国ごとの時系列データを整備し、先行研究で用いられている排出係数
などを活用して、過去150年程度にわたる、国レベルのBC排出量時系列データを構築した。格子点
化の際に使用する分配指標としては、人口分布の格子点データを用いた。国レベルのデータが存在
すれば、人口分布の変遷(時間変化)にも対応可能であるように設計し、緯度0.5°×経度0.5°の
格子点データを作成するツールを構築した。また、0.5°×0.5°格子のデータから気候モデルで取
り扱う格子への変換ツールも合わせて作成した。特に、変換の際に全球積算値が保存すること、2
グリッドノイズなどの偽の情報が埋め込まれないようにすること、の2点に注意を払った。ここで
構築した手法に基づいて作成された近年のSO2およびBC排出量格子点データを先行研究と比較・検討
し、概ね良好な結果が得られていることを確認した。将来に関しては、IPCC SRESシナリオを例に
取り、過去を題材にして構築した手法を用いて、各SRESシナリオに対応するSO2およびBC排出量の格
子点データを作成した。データ作成に当たっては、既存の格子点データを任意のパラメータを基に
して単純にスケーリングする手法は採用せず、主要な排出源ごとにシナリオでの対応物を選定し、
国レベルの排出量時系列データを作成した後に、現在の人口分布データを用いて格子点化を行う手
法を採用した。得られた格子点データについては、概ね良好な結果であることを確認した,

(2)気候モデルと影響評価モデルとのインターフェース開発に関する研究
 本研究の目的は、気候モデルと影響評価モデルを統合するためのインターフェースを開発し、そ
のインターフェースを利用してアジア地域における地球温暖化の影響を精度良く見積もることで
ある。インターフェース開発に先立ち、気候モデル・影響評価モデル統合に関わる問題点について
検討した。その結果、気候モデルが提供可能な気候予測情報と影響評価モデルが要する気候予測情
報との間には、空間・時間解像度、気候要素種等についてギャップが存在することが示された。そ
れらのギャップを認識したうえで、全球気候モデル(GCM)・地域気候モデル(RCM)の改良と、RCM
による気候変化実験、影響評価研究への予測情報提供を行った。まず、評価対象地域(アジア)に
注目し、RCMに境界条件を与えるGCMの改良を行った。モデル中での低緯度の層状性降水が過少であ
る点に着目し、かなとこ雲からの降水を促進するような改良を物理過程に導入し、結果的に降水量
分布が改善された。次に、改良された物理過程をRCMに導入し、GCM-RCM間の整合性向上を図った後、
RCMによる気候変化実験を行った。それによりGCMでは明瞭に表現できない地形性降雨などのメソス
ケール現象を表現した気候予測情報を影響評価研究に提供出来た。また、気候シナリオ(影響評価
モデルの入力情報)の開発手法に注目し、手法選択が影響評価結果に及ぼす効果について検討した。
現段階では、GCM・RCMともに現実気候再現能が十分ではないため、それらの出力を直接影響評価の
入力情報として用いることは不適切であり、モデルバイアス除去・空間詳細化のための手法を施し
た気候シナリオを影響評価の入力情報として用いる必要性が確認された。GCM出力・RCM出力それぞ
れに基づいて作成した気候シナリオを使って気候変動下でのコムギ・イネの生産性変化を推計した
ところ、評価対象地域の国平均で見た場合、GCM出力・RCM出力の選択により、1980年代から2040年
代の生産性変化に最大25%程度の差が生じることが示された。

(3)気候モデルと影響・対策評価モデルとを統合したモデルによる総合評価実験に関する研究
 排出シナリオに対する気候シナリオ、その気候シナリオに対する影響シナリオについて一貫した
地球温暖化総合モデルを作成し、それらのシナリオの評価を、不確実性をおさえつつ行うため、開
発した地球温暖化総合モデルを20世紀の過去約100年間の気候変化に適用してモデルを検証する。
はじめに、過去約100年の排出データを旧版の3次元全球大気海洋大循環気候モデルに簡単なインタ
ーフェースで与えて数値実験を行い、観測データと比較した。気候モデル計算結果の全球地上平均
気温は、20世紀半ばの緩やかな温度降下や近年の急激な温度上昇については観測と比較的よく一致
しているが、20世紀前半の温度上昇を全く表現していなかった。この原因は、20世紀前半における
炭素性エアロゾルの排出量の与え方が実際よりも過多傾向となり、その間接効果による冷却効果が
大きめであったためであることが考えられる。次に、最新版の気候モデルにより過去再現実験を行
う際に必要となる、各種外部境界データの収集・整備を行った。特に、従来の温暖化実験などでは
あまり注意を払ってこなかった対流圏および成層圏のオゾン濃度の変動、および、気候変化に比較
的大きな影響を及ぼすと考えられる自然変動、すなわち、太陽定数の変動、大規模火山噴火に伴う
成層圏エアロゾルの変動に関する過去のデータに関する情報を収集し、それらを外部境界条件とし
て気候モデルに与えられるように整備した。本サブテーマで整備した外部境界データに加えて、温
室効果ガス濃度データおよび、本研究課題のサブテーマ1(排出シナリオと気候モデルとのインタ
ーフェース開発に関する研究)で別途整備した、過去におけるエアロゾル前駆物質の排出量格子点
データを用いて、最新版の気候モデルによる20世紀の気候再現実験を行った。19世紀中盤の1850年
から2000年までの、自然起源および人為起源両方の各種外部境界条件データを与えて、過去150年
間程度の気候再現実験を行った結果、全球年平均した地上気温は、観測値と非常によい一致を得た。
自然起源の外部条件データのみ与えた場合には、20世紀前半の気温上昇をよく表現しているが、後
半では温室効果ガスが増加しないため、大規模火山噴火に起因すると思われる寒冷化傾向が見られ
た。人為起源の外部条件データのみ与えた場合では、1950年頃までは顕著な昇温傾向は見られない
が、1950年以降では、温室効果ガスの増加に伴い著しい昇温傾向が見られた。

4.考察

  IPCC(気候変動に関する政府間パネル)は、 WG I(気候変動の科学)、WG II(影響・適応策)、
およびWG III(緩和策)の3つのWG(作業部会)から構成されており、政策決定者等に向けた気候
変動に関わる総合的な科学的知見を提供するよう設計されている。本研究課題は、WG Iに最も深く
関係する気候モデルを中心とし、WG IIおよびWG IIIの研究を結びつける研究である。IPCCでは、
3つの作業部会の連携により総合的なシナリオ分析が構成される。すなわち、将来の世界の発展方
向のストーリーラインと社会的諸要素の変化、およびそれに伴う温室効果気体やエアロゾルの排出
量変化(排出シナリオ)をWG IIIが、排出シナリオに対する大気中温室効果気体等の濃度変化およ
びそれによってもたらされる気候変化(気候変化シナリオ)をWG Iが、気候変化シナリオに対する
種々の自然影響、社会影響(影響シナリオ)をWG IIが分担する。このような一貫したシナリオを
複数のストーリーラインについて作成し、その上で種々の政策の効果とコストを分析することが
IPCCの大きな目論見の一つである。IPCCにおける気候モデル研究は、気候変化の検出や機構解明等
を行うというWG I内で完結した目的の他に、このようなシナリオ分析の一端を担う数理モデルの一
つとして位置付けられる。
 上述した気候モデルの位置付けを意識して、本研究を行った。本研究では、過去約100年の温室
効果気体やエアロゾルの排出量変化に伴う気候変化、影響を、地球温暖化総合モデルで再現し、モ
デルの検証を行い、一定の成果を得た。将来的には、将来の見通し実験を行うことを視野に入れた。
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
(NEC SX-4およびSX-6)を中心とする計算機資源を活用した。
 本研究課題によって実施された研究の一部は、IPCC第3次アセスメント報告(2001年出版)に
貢献した。さらに、次期のIPCC第4次アセスメント報告(2007年頃に出版予定)に貢献する研究
となることを目指した。本研究課題で構築した20世紀の各種エアロゾルの排出データベースは、気
候モデルによる気候変化の研究で世界をリードしており、また、IPCC活動においても積極的な貢献
をしている英国ハドレーセンターの研究者グループから提供依頼を受けて提供され、同センターの
3次元全球大気海洋大循環気候モデルによる過去の気候再現実験に利用されている。他にもドイツ
のマックスプランク気象学研究所や米国イリノイ大学など、気候研究をリードしている複数の研究
機関の研究グループからもデータの提供依頼を受けて提供されている。したがって、次期IPCC第
4次アセスメント報告で引用されるであろう、我々の気候モデルを含む世界各国の気候モデルの研
究結果には、本研究課題で構築したエアロゾル排出データベースが使用されることになろう。
 なお、平成16年度より新規実施が承認された研究課題「B―12 極端な気象現象を含む高解像
度気候変化シナリオを用いた温暖化影響評価研究」は、本研究課題の継続的側面を持つ研究課題で
あり、影響評価に必要な気候モデルの極値再現性の検証と入力データの検討、極値現象を含む気候
変化シナリオを用いた温暖化影響評価、影響評価において重要な極値現象変化のメカニズム解明と
不確実性の検討、などを行い、やはり、次期IPCC第4次アセスメント報告への貢献を目指す。
 本研究課題は、国立環境研究所の大気圏環境研究領域と社会環境システム研究領域の2つの研究
グループの緊密な協力のもとに行われた。早くから本研究課題の方向での研究の必要性を見抜か
れ、IPCC活動に多大の貢献をされ、社会環境システム研究領域長の現職で2003年9月に逝去された、
森田恒幸氏の存在なしに、本研究の遂行はあり得なかった。

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後期課程修了、理学博士、国立極地研
     究所助手、国立環境研究所大気圏環境研究領域大気物理研究室長、現在、名古屋大学
     大学院環境学研究科教授
     主要論文: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. Meteoro1. Soc. Japan, 60, No. 5,
            1063-1073.
          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.一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:lo。1029/2001JD000881.
          Kanzawa, H., T. Sugita, H. Nakajima, G. E. Bodeker, H. Oelhaf, M.
            Stowasser, G. Wetzel, A. Engel, U, Schmidt, I. Levin, G. C. Toon,
            B. Sen, J.一F. Blavier, S. Aoki, T. Nakazawa, K. W. Jucks, D.G.
            Johnson, W, A, Traub, C. Camy-Peyret, S. Payan, P. Jeseck, I.
            Murata, H. Fukunishi, M. von Koenig, H. Bremer, H. Kuellmann, 工H.
            Park, L、 L. Pan, T. Yokota, M. Suzuki, M. Shiotani, and Y. Sasano
            (2003): Validation and data characteristics of nitorus oxide and
            methane profiles observed by the Improved Limb Atmospheric
            Spectrometer (ILAS)and processed with the Version 5.20 algorithm.
            J, Geophys. Res., 108(D16), 8003, doi: 10.1029/2002JD002458.

主要参画研究者
(1)野沢 徹
   1968年生まれ、京都大学大学院理学研究科博士後期課程修了、博士(理学)、現在、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主任研究員(地球温暖化研究プロ
   ジェクト気候モデル研究チーム併任)
   主要論文:Nozawa, T, and S. Yoden(1997)lFormation of zonal band structure in forced
         two-dimensional turbulence on a rotating sphere, Physics of Fluids, 9,
         2081-2093.
       Nozawa, T, and S. Yoden (1997):Spectral anisotropy in forced two-dimensional
         turbulence on a rotating sphere. Physics of Fluids, 9, 3834-3842,
       Nozawa, T., S. Emori, A. Numaguti, Y. Tsushima, T. Takemura, T, Nakajima,
         A.Abe-Ouchi, and M,,Kimoto (2001):Projectionsσf future climate change
         in the 21st century simulated by the CCSR/NIES CGCM under the IPCC
         SRES scenarios. In "Present and Future of Modeling Global Environmental
         Change:Toward Integrated Modeling", Matsuno, T. and H. Kida Eds., Terra
         Scientific Publishing Company, Tokyo, PP.15-28.

(2)高橋 潔
  1973年生まれ、京都大学工学部衛生工学科卒業、博士(工学)、現在、独立行政法人国立環
  境研究所社会環境システム研究領域環境計画研究室研究員(地球温暖化研究プロジェクト影
  響・適応モデル研究チーム併任)
  主要論文:高橋潔,松岡譲,原沢英夫(1997):二酸化炭素肥沃化効果を考慮した気候変動に
         よる穀物影響評価. 環境システム研究,25,121-131,
       Takahashi, K., Matsuoka, Y. and Harasawa, H. (1998): Impacts of climate
         change on water resources, crop Production and natural ecosystem in the
         Asia and Pacific region.  J. Global Environmental Engineering, 4,
         91-103.
       Takahashi, K., Matsuoka, Y,, Shimada, Y. and Harasawa, H. (2001);Assessment
         of  water  resource  problems  under  climate  change  -  considering
         inter-annual variability of climate derived from GCM calculations一.  J.
         Global Environmental Engineering, 7, 17-30.

(3)神沢 博(課題代表者の項参照)