課題名

B-1 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

課題代表者名

神沢 博(環境庁国立環境研究所大気圏環境部大気物理研究室)
注)平成9年度:沼口 敦(東京大学気候システム研究センター(当時))

研究期間

平成9−11年度

合計予算額

120,94011年度 41,425)千円

研究体制

(1) 全球規模の気候変動におけるエアロゾル・水の効果の定量化に関する研究

(環境庁国立環境研究所、東京大学)

(2) 人為起源硫酸塩排出データに基づく気候モデルによるエアロゾル分布導出の試行的研究

(環境庁国立環境研究所)

(3) エアロゾル生成モデルのためのSO3生成・消滅過程に関する研究(環境庁国立環境研究所)

(4) 対流圏大気システムモデルのための大気循環・物質輸送モデルに関する研究

(環境庁国立環境研究所、九州大学、東京工業大学)

(5) 地域規模の気候変動評価に関する研究

(環境庁国立環境研究所、東京大学(北海道大学)、筑波大学)

(6) 森林生態系・大気間のエネルギー交換のモデル化に関する研究

(農林水産省林野庁森林総合研究所)

(7) 森林生態系を含む局地気候モデルによる局地気候変動の評価に関する研究

(通産省資源環境技術総合研究所)

 

研究概要

1.序

 地球温暖化にともなう気候変動の気候モデルによる予測が、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とともに、東アジア・日本といった地域スケールでの気候変動の評価を行う必要がある。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関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。

 

2.研究目的

 本研究課題では、(i)人為起源エアロゾル、雲、地表水文過程などによってもたらされる気候変動の不確定性を明らかにすること、(ii)全球気候モデルの結果を、森林生態系など各種地表面の影響を取り入れつつ、地域スケールでの気候変動評価に翻訳すること、(iii)気候変動と対流圏物質循環、森林生態系間の相互作用を含めた総合的なモデルの基礎を確立すること、という3点を主な目的とし、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が、同時に各種プロセスのモデル化とその改良に必要となるような室内実験、野外観測なども行う。

 研究の主要部分は、国立環境研究所(NIES: National Institute for Environmental Studies)が東京大学気候システム研究センター(CCSR: Center for Climate System Research)と共同で開発してきているCCSR/NIES気候モデルの開発改良とその応用である。研究の一部は、結果的に、IPCCIntergovernmenta1 Panel on Climate Change: 気候変動に関する政府間パネル)への貢献、より具体的には、IPCC3次報告書(TAR: Third Assessment Report)への貢献となることを目指す。

 

3.研究の内容・成果

(1)全球規模の気候変動におけるエアロゾル・水の効果の定量化に関する研究

 本研究では、全球規模の気候変動予測における不確実性を削減することを目的として、全球気候モデルを用いた数値実験および現実データを用いた解析研究により、気候にもたらすエアロゾルと雲の効果を研究した。

 まず、CCSR/NIES全球気候モデルを用い、エアロゾルの放射効果の取扱を高精度化することによる温暖化実験への効果を調べた。また、定点観測データを用いた雲とエアロゾルの放射効果の高精度推定を行った。次にCCSR/NIES全球大気モデルを基本にしたエアロゾル3次元輸送モデルの開発を行い、エアロゾルの全球分布の再現実験を行った。さらに、衛星データと大気モデルを用いたエアロゾルの全球的特性の見積り、およびエアロゾルモデルの詳細な検討を行った。

 その結果、衛星観測においてもモデル実験においても、これまでは単純に取り扱われていたエアロゾルについて、主要4種(土壌性・硫酸塩・炭素性・海塩)のエアロゾル特性を反映した推定が可能になった。また、気候モデルに雲に対するエアロゾルの間接効果を採り入れるなど、エアロゾルのモデル化も高精度化した。

 最後に以上の知見を元に、4種のエアロゾルを高精度に取り扱った気候モデルにより、IPCC3次報告書に向けた新しい4つのエアロゾル排出シナリオ(SRES)に基づく気候変化実験を行った。

 

(2)人為的起源硫酸塩排出データに基づく気候モデルによるエアロゾル分布導出の試行的研究

 エアロゾル関連排出シナリオデータの気候モデルヘの入力インターフェースの検討および入力データの作成を行った。具体的には、IPCC3次報告書(TAR: Third Assessment Report)への貢献を目的の一部とした地球温暖化の将来見通しに関わるCCSR/NIES気候モデルによる数値実験に必要な研究の一部、すなわち、エアロゾル排出データのグリッド化とエアロゾル分布の導出を行った。その導出の際、地球温暖化統合評価モデルによる排出シナリオデータの気候モデルヘの入力インターフェースの検討を、硫酸塩の他に炭素性エアロゾルも対象とし、IPCCSRES排出シナリオに即して行った。その結果、より整合性の高いインターフェースを作成するためには、気候モデルの中のエアロゾル輸送モデルが必要とするCO2排出源と統合評価モデルから得られるCO2排出源の両者が一致しない場合の対処方法、および、排出量の格子点データを作成する際の国毎の経済成長率の違い、人口移動、等の要因の取り扱い方法を開発する必要があることが判明した。

 

(3)エアロゾル生成モデルのためのSO3生成・消滅過程に関する研究

 硫黄酸化物の大気中での反応について評価を行うために光イオン化質量分析計を用いた研究を行った。(iO2との反応が遅い含硫黄ラジカル(SO, CH3S, HS)がHO2CH3O2をはじめとしたパーオキシラジカルと10-10cm3molecule-1s-1程度の大きな反応速度定数を有して反応することが分かった。このパーオキシラジカルとの反応は硫黄化合物の酸化促進反応として特にリモートな領域で重要であることが分かった。(iiSO2の光解離による一重項SOの生成は見られなかった。(iiiSOと一重項O2の反応は10-14cm3molecule-1s-1以下と十分遅い反応であることが分かった。(iv)自然起源の主要な有機硫黄化合物であるジメチルスルフィド(CH3SCH3DMS)の光酸化反応におけるSO2生成収率に対するNOx濃度および温度依存性を測定した結果、低NOx条件下において15℃から50℃に温度が上がる事により、またNOx濃度が低くなる事によりSO2生成収率が増大する事が見出された。

 

(4)対流圏大気システムモデルのための大気循環・物質輸送モデルに関する研究

 対流圏内の物質輸送プロセスを詳細に記述可能な対流圏大気システムモデルとして、CSU-RAMSと結合されたon-1ine輸送モデルを新たに開発してその評価を行った。モデルのテストは梅雨期を対象として行い、良好な結果が得られた。on-lineモデルは地域気象モデルと同時に物質輸送を解くため計算機負荷が大きいが、構成自体は比較的単純であり、今後の更なる発展が期待される。特に、RAMSは、気象客観解析データには含まれない鉛直風速、乱流エネルギー、雲・降水の詳細な時間・空間変化が得られることから、大気輸送・拡散への応用に適していることが確認された。

 

(5)地域規模の気候変動評価に関する研究

 地域スケールの気候変化を高精度で評価するための「地域気候モデル」の開発に関する研究を行った。コロラド州立大学で開発された領域大気モデリングシステム(RAMS)を基に、東京大学気候システム研究センターと国立環境研究所の共同開発による気候モデル(CCSR/NIES AGCM)の物理過程を組み込むことにより、地域気候モデルNIES/CCSR RAMSを開発した。このモデルの性能を評価するために、1994年の1年間を例に、ヨーロッパ中期予報センター(ECMWF)の客観解析データを境界条件として用いて、現在の気候を再現する実験を行った。モデルは冬期の東アジア域の降水分布などをよく再現したが、梅雨期の降水分布に特に大きな問題があることが明らかになった。この問題を解決するために、一方では梅雨期の降水分布の形成機構について理解を深めるために、地域気候モデルによる数値実験を行なった。この結果、梅雨前線に伴う下層ジェットの形成要因が主として大規模な海陸の温度コントラストにあることなどが示唆された。また一方では問題の主要な原因と思われるモデルの積雲対流スキームについて、その振舞いを理解するための系統的な感度実験を行なった。この結果、Arakawa-Schubert型の積雲スキームは時間変動性に乏しい傾向があるが、対流を抑制する条件を付加することによってこの傾向を改善できることが示された。これらの結果を参考にしてNIES/CCSR RAMSの改良を行なったところ、現実的な梅雨期の降水分布を含む、東アジアの地域気候の特徴を再現することに成功した。次に、このモデルを用いて、大気中二酸化炭素濃度倍増時(2XCO2)を想定した気候変化実験を行なった。現在の気候と2XCO2の気候を想定した全球気候モデル(CCSR/NIES AGCM)の結果を境界条件として、各々10年分の計算を行なった。冬季を除いては、全球気候モデルによる東アジアの気候再現性が十分でないため、全球気候モデルの改良が急務であることが確認された。冬季については、2XCO2の気候では中国南東部と日本南西部において降水量の減少が期待されることなどを、その機構を含めて議論した。

 

(6)森林生態系・大気間のエネルギー交換のモデル化に関する研究

 本サブテーマは、森林生態系・大気間の熱・水蒸気交換過程を観測に基づいてパラメータ化し、大気モデルに対し森林の影響を正しく反映させる手法を開発することを目的としている。

 埼玉県川越市の落葉広葉樹林に試験地を設定し、森林の熱収支や森林内微気象などの観測を継続的に実施した。観測にあたっては、測定機器類の精度維持を入念に行うとともに、複数の測定手法を併用することにより、長期間にわたり高品質なデータが得られるよう考慮した。この観測の結果から、落葉樹林では葉面積が大きく季節変化するため、それにともなってアルベードや熱収支の形態が変化することが明らかとなった。特に、春季には樹木の展葉が一斉に起こるため、森林が大気に及ぼす影響は短期間のうちに劇的に変化する。これらのことから、落葉樹林においては、展葉や落葉の時期を正確に推定することが必要であることが明らかとなった。

 また、観測データに基づいて森林群落の蒸発効率を評価し、その季節変化や気象条件等との対応を調べた。その結果、蒸発効率の値は森林の活動期に大きくなる明瞭な季節変化を示すことが明らかになった。また、各季節内においては、蒸発効率の気象条件への依存性を、日射量と蒸発要求度を用いてパラメータ化することができる。日射量に対する依存性は増加飽和型の関数形で、蒸発要求度に対する依存性については漸減型の関数形でそれぞれ表現することにより、蒸発効率の日変化が再現される。季節別に異なるパラメータセットを用いることにより、蒸発効率の季節変化をも表現することができる。その方法を用いて熱収支の再現計算を行ったところ、おおむね良好な結果が得られた。

 

(7)森林生態系を含む局地気候モデルによる局地気候変動の評価に関する研究

 岐阜県高山市郊外にある広葉落葉樹林での測定値を基に、森林の年間の生態系純生産量(NEP)、総生産量(GPP)、および生態系呼吸(R)を光合成有効放射量、気温、葉面積指数の関数として見積もった。このデータを基本として、年間の平均日射量と気温を変化させた場合の生態系純生産量の変化を調べた。他の条件を一定として日射量が10%増えた場合は年間のNEP17%増加した。また梅雨期前後の日射量の減少は短期間でも年問のNEPの低下に大きく寄与することがわかった。年間平均気温を10℃上昇させると生育期間がのびて年間のGPPは増加するが、呼吸の温度依存性のほうが大きく、年間のNEP11%減少した。

 複雑地形上にある高山の測定データの大まかな精度を調べるため、高山で得られたデータと植生データを用いて中部日本の生態系純生産量を植生区分毎に算出し、さらに人為起源の二酸化炭素排出をも考慮して夏期の二酸化炭素濃度変化のシミュレーションを行った。結果はおおむね測定値と一致した。また、結果より移流の効果や水平方向の非均一性に基づく濃度変化が大きいことがわかった。同じモデルを用いて雲量の変化に伴う夏期の生態系純生産量の変化を求めた。

 

4.考察

 「気候・物質循環モデル」と課題名にあるように、エアロゾル、温室効果ガス等の物質の循環過程を気候モデルに取り入れて気候変動の研究を行うことに本研究課題の特徴がある。気候モデルによる気候変動の研究は、世界各国のグループで進められて成果が出てきているが、気候・物質循環モデルによる気候変動の研究は始まりつつあるところである。本研究課題においては、(i)現在の知識でわかっていることはなるべく取り入れた気候モデルを開発し、将来の地球温暖化の見通し(予測)を計算するという当面の課題に資すること、さらに、(ii)これまで取り入れられてこなかったが重要であると認識されているプロセスのモデルを開発することの2つに大きく分けられる。

 前者(i)については、CCSR/NIES大気・海洋結合気候モデルに対流圏エアロゾルの放射効果をきちんと取り入れた全球気候モデルを開発し、IPCCの推奨する温室効果ガスおよびエアロゾル源の将来100年にわたる排出シナリオを与えて、その気候モデルを時間積分して将来の気候変化の推定を行い、現在編集の最終段階に入ったIPCC3次報告書に採用される予定の成果を出すことができた。また、社会的影響を議論するのに耐えるような地域気候モデルの研究が重要であると認識されていることに鑑み、この分野が発展途上であることから未だ不充分ではあるが、一定の成果を得、IPCC3次報告書に採用される予定の成果を出すことができた。一方、後者(ii)については、植生による水および熱の大気との交換は陸面過程の中で重要な部分であることから、その交換過程のモデル化の開発を行い、この陸面過程のモデルを気候モデルに結合させることを試みるまでに至った。また、雲の放射効果は気候変化の推定にとって最も不確定要素の大きいものとして知られており、雲の放射効果の理解に資する知見を得た。

 以上まとめると、国立研究所と大学が協力して研究を実施しやすいという本研究費の枠組みを活用し、特に、国立環境研究所と東京大学気候システム研究センターとの気候モデル開発が順調に進んで成果を得た。また、気候にとって重要であり、未だ気候モデルにとり入れられていないプロセスのモデル化の研究が進んだ。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(NEC SX-4)を中心とする計算機資源を活用した。

 次に発展すべきこととして、対流圏エアロゾルのモデルの高度化、対流圏オゾン(それ自身温室効果ガスであるとともに、エアロゾル生成にも関与する)のモデル化、植生を含む陸面過程のモデル化、それらのプロセスモデルと気候モデルとの結合などがある。

 

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、文部省国立極地研究所助手、環境庁国立環境研究所地球環境研究センター研究管理官、現在、同研究所大気圏環境部大気物理研究室長

主要論文:

Kanzawa, H. (1982): Eliassen-Palm flux diagnostics a11 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.

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

Kreher, K., Bodeker, G. E., Kanzawa, H., Nakane, H., and Sasano, Y. (1999): Ozone and temperature profiles measured above Kiruna inside, at the edge of, and outside the Arctic polar vortex in February and March 1997. Geophys. Res. Lett., 26, No. 6, 715-718.

 

サブテーマ代表者

(1) 高薮 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)、現在、環境庁国立環境研究所大気圏環境部大気物理研究室主任研究員

主要論文:

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.

Takayabu, Y. N., T. Ueno, T. Nakajima, I. Matsui, Y. Tsushima, K. Aoki, N. Sugimoto, and I. Uno (1999): Estimate 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.

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, Vol. 402, 279-282.

 

(2) 神沢 博(課題代表者欄参照)

 

(3) 今村隆史

1957年生まれ・東京工業大学大学院理工学研究科博士過程修了、理学博士、環境庁国立環境研究所大気圏環境部大気反応研究室長、現在、同研究所地球環境研究グループオゾン層研究チーム総合研究官

主要論文:

Imamura, T., and N. Washida (1995): Measurements of rate constants for HO2+NO and NH2+No reactions by time-resolved photoionization mass spectrometry. Laser Chem., 16, 43-51.

Imamura, T., Y. Rudich, R. K. Talukdar, R. W. Fox, and A. R. Ravishankara (1997): Uptake of NO3 onto water solutions: rate coefficients for reactions of NO3 with cloud water constituents. J. Phys. Chem., 101, 2316-2322.

Imamura, T., and H. Akiyoshi (2000): Uptake of acetone into sulfuric-acid solutions. Geophys. Res. Lett., 27, 1419-1422.

 

(4) 鵜野伊津志

1955年生まれ、北海道大学大学院工学研究科修士課程修了、工学博士、環境庁国立環境研究所大気圏環境部大気物理研究室室長、現在、九州大学応用力学研究所海洋大気研究部門大気変動力学分野教授

主要論文:

鵜野伊津志・森 淳子・宇都宮 彬・若松伸司 (1998):梅雨期の東アジアスケールの長距離輸送の解析。大気環境学会誌、33, 109-116.

Carmichae1, G. R., Uno, M. J. Phandnis, Y. Zhang, and Y. Sunwoo (1998): Tropospheric ozone production and transport in the springtime in east Asia. J. Geophys. Res., 103, 10649-10671.

Uno, I., T. Ohara and K. Murano (1998): Simulated acidic aerosol long-range transport and deposition over East Asia-Role of synoptic scale weather systems. Air Pollution Modeling and its Application Vol. 22 (Ed. S. E. Gryning and N. Chaumerliac), Plenum Pub. Co., 185-193.

 

(5) 江守正多

1970年生まれ、東京大学大学院総合文化研究科博士課程修了、博士(学術)、現在、環境庁国立環境研究所大気圏環境部大気物理研究室研究員

主要論文:

Emori, S., K. Abe, A. Numaguti and S. Mitsumoto (1996): Sensitivity of a simulated water cycle to a runoff process with atmospheric feedback. J. Meteoro1. Soc. Japan, 74, 815-832.

Emori, S. (1998): The interaction of cumulus convection with soil moisture distribution: An idealized simulation. J. Geophys. Res., 103D, 8873-8884.

Emori, S., T. Nozawa, A. Abe-Ouchi, A. Numaguti, M. Kimoto and T. Nakajima (1999): Coupled ocean-atmosphere model experiments of future climate change with an explicit representation of sulfate aerosol scattering. J. Meteorol. Soc. Japan, 77, 1299-1307.

 

(6) 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、農林水産省林野庁森林総合研究所森林環境部気象研究室主任研究官

主要論文:

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

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

Watanabe, T., and K. Mizutani (1996): Model study on micrometeorological aspects of rainfall interception over an evergreen broad-leaved forest. Agric. Forest Meteoro1., 80, 195-214.

 

(7) 近藤裕昭

1955年生まれ、東京大学理学系大学院修士課程修了、理学博士、現在、通産省資源環境技術総合研究所環境影響予測部大気環境予測研究室長

主要論文:

Kondo, H. (1990): A numerical experiment on the "extended sea breeze" in the Kanto Plain. J. Meteorol. Soc. Japan, 68, 419-434.

Kondo, H. (1995): The thermally induced local wind and surface inversion over the Kanto Plain on calm winter nights. J. Appl. Meteorol., 34, 1439-1448.

近藤裕昭・劉発華 (1998): 1次元都市キャノピーモデルによる都市の熱環境の研究.大気環境学会誌、33, 179-192.