気象研究所研究開発課題評価報告
気候モデルによる気候変動メカニズム解明に関する研究
終了時評価
- 副課題１ 大気モデルの高度化に関する研究
- 副課題２ 気候変動メカニズム解明に関する研究
研究代表者
楠 昌司（気候研究部 第一研究室長）
研究担当者：
（副課題１）小畑 淳、川合秀明（平23-25）、水田 亮、吉村 純、上口賢治、遠藤洋和、藪 将吉、保坂征宏、足立恭将、新藤永樹、村上茂教（平22-23）
（副課題２）楠 昌司、小畑 淳、吉田康平（平24-25）、吉村 純、上口賢治、水田 亮、遠藤洋和、村上茂教（平22-23）、鬼頭昭雄（平22-24）
研究期間
平成22年度～平成25年度
終了時評価の総合所見
研究の動機・背景
（副課題１）大気モデルの高度化に関する研究
信頼性の高い気候変動予測のためには、気候モデルの主要部分である大気モデルの高解像度化及び諸過程の改良を行ってモデルの精度を向上させる必要がある。
（副課題２）気候変動メカニズム解明に関する研究
副課題１で高度化されたモデルを用いて過去再現実験や古気候実験を行い、その気候変動のメカニズムを解明して温暖化を始めとする気候変動の予測に科学的基礎として役立てる必要がある。
研究の成果の到達目標
（副課題１）大気モデルの高度化に関する研究
大気モデルを構成する陸面、降水、炭素循環、海氷、エアロゾルなどに関する物理過程を改良する。それらを大気モデルに組み込んで大気モデルの精度評価を行う。さらに大気モデルの高解像度化も行う。改良した大気モデルを温暖化特研で開発している地球システムモデルに提供する。
（副課題２）気候変動メカニズム解明に関する研究
改良した大気モデル、大気海洋結合モデル、地球システムモデルを用いて、古気候実験、過去再現実験、境界条件や物理過程の影響を調べる実験などを行い、気候変動のメカニズムや気候変動の予測可能性を研究する。
１．研究結果
（１）成果の概要
（１）－１ 全体
大気モデルの高解像度化、および下層雲のパラメタリゼーションの精緻化などによる物理過程の改良により、大気モデルの高度化を行った。
全球大気エネルギーサイクルの局所的様相を解析するための新スキームを考案し、古気候モデル実験結果の解析に適用して平均場と擾乱場の相互作用を理論的に明らかにした。
地球システムモデルを用いた古気候実験や温暖化予測における感度実験を行い、特に炭素循環が関与する部分の気候変動メカニズムを解明した。また、20世紀気候再現実験を行い、広域平均の長期変動が再現されていることを確認した。
完新世中期、最終氷期最盛期、過去千年の各種古気候実験を完了し、結合モデル相互比較(CMIP5)データとして公開した。
（１）－２ 副課題ごと
（副課題１）大気モデルの高度化に関する研究
- 大気海洋結合モデル(MRI-CGCM3)の大気部分を高解像度(TL319, 60km)にした。
- 海洋性境界層雲の高度なパラメタリゼーションを開発するため、雲観測衛星(CloudSat, CALIPSO)のデータを用いて、モデル格子内の雲水の確率密度分布の関数形や、雲水の格子内不均一性に伴う放射スキームや降水パラメタリゼーションへの影響を詳細に調査し、これらを境界層の安定度ごとに定量的に見積ることに成功し、論文として発表した。(Kawai and Teixeira 2012 J.Climate)
- 気候変動シミュレーションにおける不確定性の大きな原因となっている海洋性境界層雲の雲フィードバックのメカニズムを解明するため、雲フィードバックに関するモデル相互比較(CFMIP-GCSS)の事例を用いて、鉛直１次元モデル数値実験を多数行い、得られた結果を論文として発表した。(Kawai 2012 SOLA)
- 大気モデルの鉛直層の層配分を決定する方法に関する公式レポートを作成し、WMOに提出した。本庁数値予報課はこの方法を用いて現業GSMの鉛直層を60層から100層へ増強する予定である。これに関連して、気象研大気モデルでは層増加による大気境界層の高解像度化が下層雲の鉛直構造の再現性を向上させることを確認した。
- 中高緯度の下層雲の高度なパラメタリゼーションを開発するため、雲観測衛星データと再解析データを用い、大気状態・気象要素と下層雲・霧の関係をその詳細な鉛直構造について全球規模で調査した。その結果、従来重視されてきた温位プロファイルのみではなく、湿度プロファイルが、中高緯度の下層雲の形成・維持に重要である可能性が示唆された。
- 雲観測衛星から得られる正確な雲の雲頂高度データを用い、モデルにおける中緯度の海洋下層雲の鉛直構造を検証した。特に、再現性の悪い南大洋の夏季の海洋下層雲の鉛直構造を理解するため、その地理的分布や、北太平洋中緯度の下層雲の鉛直構造との違い、季節による違いなども比較し、モデルがどのような状況の雲を表現出来ていないかを明らかにした。
- 現在の大気モデル(MRI-AGCM3)では、季節内振動(MJO)のシグナルが弱いため、MJOを再現出来るような積雲対流スキームの調整を行った。具体的には、大気中の水物質の滞留時間を延ばすように、積雲から出る水物質を大規模凝結過程にできるだけ渡し、雲スキームによって降水を作るような調整である。この方法により、積雲スキームの種類によらずに、MJOのシグナルを強める事が出来た。
- 熱帯対流圏界層は成層圏への熱・運動量・物質の輸送を通じて気候に影響を及ぼすが、同領域の気温のモデルによる再現性は世界各国で不十分である。その原因を気象研大気モデルとCMIP5データを用いて調査した。その結果、同領域の上昇流(による冷却)の強/弱と気温の低さ/高さが対応した形でモデルの短所が判明した（気象研は、上昇流：弱、気温：高）。この知見を今後のモデルの改良に役立てる予定である。
- CMIP5データ提出時、地球システムモデルの陸域植生の純一次生産量（大気からの二酸化炭素吸収量）はモデル全体の調整時間不足のため若干過大傾向であった。そこで、陸域生態系炭素循環モデル部分の各種生物係数の調整（植生死亡率の増加など）を行い、生産量を改善した。
（副課題２）気候変動メカニズム解明に関する研究
- ローレンツが提唱した全球のエネルギーサイクルの局所的様相を解析するための新しいスキームを考案した。更に、東大大気海洋研MIROCモデルによる第2次古気候モデル相互比較(PMIP2)最終氷期最盛期実験結果について、その新スキームを準地衡風近似方程式系に適用して局所エネルギー相互作用の解析を行い、局所Eliassen-Palmフラックスと相互作用エネルギーフラックスの関係を理論的に明らかにした。以上の成果を論文として発表した。(Murakami et al. 2011 J.Atmos.Sci.) (Murakami 2011 J.Atmos.Sci.)
- 地球システムモデルの一部である気候炭素循環モデルを用いて暁-始新世高温期の大気メタン急増に関連する実験を行った。その結果、メタンの激しい温室効果により全球で6℃以上の高温化が再現され、高温化で植物の呼吸が増加して生産が減少することにより陸域生態系の炭素量が低中緯度を中心として全球で3割も減ることが分かった。これらの環境激変と生態系への影響は21世紀温暖化予測を凌駕するものであり、結果を論文として発表した。(Obata and Shibata 2012 J.Climate)
- 気候炭素循環モデルに化石燃料消費二酸化炭素排出量を与えた2100年までの実験における炭素循環の効果を評価した。炭素循環を気候の温暖化と結合した実験は結合しない実験に比べ、特に土壌有機炭素の微生物による呼吸分解が活発化することで、大気二酸化炭素増加が10%以上増えて温暖化を加速させる事が分かった。この結果は既存の各国研究機関のモデルと一致しており、将来予測における気候炭素循環相互作用の重要性が改めて認識された。
- 巨大火山噴火による環境変動を解明するため、地球システムモデルを用いてクラカタウ(1883年)やその100倍規模のトバ(約7.4万年前)火山噴火を対象とした成層圏二酸化硫黄放出の実験を行った。その結果、生成された硫酸エアロゾル粒子による日射減少・気温低下・植物生産減少などの変動は、クラカタウについては全球で数%以下の小さな規模であった。一方、トバについては、日射激減(-75%)による激しい寒冷乾燥化(気温10℃以上低下、降水量80%減少)とそれに伴う陸域生態系の激しい衰退(植生50%以上減少)が見られ、生態系への破滅的な影響が示唆された。
- 完新世中期(6000年前)、最終氷期最盛期(21000年前)、過去千年(西暦850-1850年)の各種古気候実験を完了し、CMIP5データとして公開した。
- MRI-CGCM3の低解像度版大気モデル(TL95, 180km)による20世紀再現実験(1872-2003年, 132年間)を完了した。このモデルはエアロゾルモデルが組み込まれており、エアロゾル-大気相互作用が表現出来る。実験結果の陸域年平均地上気温の解析によると、モデルは全球平均の気温の変動を良く再現していたが、1880～1890年代で過大、1990年代で過小である。北半球平均は全球と同様な傾向がある。南半球平均でもモデルの再現性が良いが、1890年代で過大である。熱帯平均でもモデルの再現性は良い。熱帯平均では年々変動が特に良く再現されているが、これは海面水温の観測値を与えている海洋の面積が大きいためである。
- MRI-CGCM3の高解像度版大気モデル(TL319, 60km)を用いてエアロゾルと大気との相互作用の効果を調べた。エアロゾルモデルが組み込まれた基準実験では、エアロゾルの排出量から濃度を計算して、エアロゾルによる直接効果と間接効果を表現している。エアロゾルと大気との相互作用を切った実験では、エアロゾルの濃度を直接与えた。両者共に海面水温の観測値を与え、1979～2003年の25年間積分した。夏季の東アジアの降水量の再現性は2つの実験共に概ね良好であるが、フィリピン海域で降水量が過剰である。2つの実験の降水量の差からエアロゾルと大気との相互作用の効果を見積もったところ、中国大陸で降水量が増えることが分かった。冬季についても同様な傾向がある。
（２）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
東日本大震災の影響による電力不足からスーパーコンピューターの運用が制限されている。このため、結合モデルによる数十年変動予測可能性アンサンブル実験、および完新世中期、最終氷期最盛期に関する山岳の感度実験は完了していない。しかし、解析用の道具の開発や既存の実験データを用いた基礎的な気候変動の解析は行うことが出来た。
（３）成果の他の研究への波及状況
モデルの高解像度化や物理過程などの改良は、温暖化特研、創生プログラムでのモデルによる研究に貢献している。
（４）今後の課題
上記（２）に記した様に、数十年変動予測可能性アンサンブル実験や山岳の古気候感度実験は未達成である。これら未達成の実験とその解析は、今後の研究課題で実施して気候変動予測の精度向上・不確実性低減に役立てる必要がある。
２．自己点検
（１）到達目標に対する達成度
大気モデルの高度化については、予定通り高解像度化を行い、下層雲の表現の精緻化・積雲対流改良による季節内振動の再現性向上・植物生産の改良など諸過程の改良も概ね達成した。
気候変動メカニズム解明については、理論分野ではエネルギーサイクルに関する新しい知見を提示出来た事が目標以上の大きな成果であった。実験分野では、電力不足からスーパーコンピューターの運用が制限されているにも関わらず、主な過去再現実験・古気候実験とその解析を行い、目標をある程度達成した。
（２）研究手法及び到達目標の設定の妥当性
モデルが含む大循環やその他の諸過程について、各国研究機関の中でも最先端に位置する気象研のモデルを更に改良しつつ、気候変動に関する実験も同時に行う本課題の手法と目標は、気象業務と地球科学に貢献する上記の各成果を生み出したことで、妥当であったと認められる。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
本課題で得られた気候変動メカニズムの理解は、地球温暖化時の気候変化の原因を究明するために必要な基礎知識となり、温暖化防止の施策を決定する場合に、予測の科学的な信頼性を与えるものである。CMIP５に提出した古気候実験は、今後のIPCC報告書に貢献することが期待される。また、英文査読誌に発表した物理過程改良、古気候実験、炭素循環に関する論文は、気象研究、気候変動研究の分野での国際的な貢献となっている。
（４）総合評価
気候変動は本来、物理のみならず化学・生物など多くの要素が複雑に関係するものであり、その時空間規模も多岐にわたる。従って、本課題の成果の集合だけでは気候変動の総合的理解に十分とは言えない。しかし、現在未解明ながら重要と考えられる雲や炭素循環など各要素の気候に及ぼす効果、また、気候の状態を記述するエネルギーサイクルについて、理論やモデル実験を通じて新たな知見を示した事は、今後の気候変動研究への大きな貢献（著名な米気象学会誌に筆頭著者論文として４編掲載）であり、高く評価される。
３．参考資料
３．１ 研究成果リスト
（１）査読論文：９編
1. Murakami, S., R. Ohgaito, and A. Abe-Ouchi, 2011: Atmospheric local energetics and energy interactions between mean and eddy fields. Part II: An example for the Last Glacial Maximum climate. J. Atmos. Sci., 68, 533-552.
2. Murakami, S., 2011: Atmospheric local energetics and energy interactions between mean and eddy fields. Part I: Theory. J. Atmos. Sci., 68, 760-768.
3. Kawai, H., and J. Teixeira, 2012: Probability density functions of liquid water path and total water content of marine boundary layer clouds: Implications for cloud parameterization. J. Climate, 25, 2162-2177.
4. Kawai, H., 2012: Examples of mechanisms for negative cloud feedback of stratocumulus and stratus in cloud parameterizations. SOLA, 8, 150-154.
5. Obata, A., and K. Shibata, 2012: Damage of land biosphere due to intense warming by 1000-fold rapid increase in atmospheric methane: Estimation with a climate-carbon cycle model. J. Climate, 25, 8524-8541.
6. Sperber, K.R., H. Annamalai, I.-S. Kang, A. Kitoh, A. Moise, A.G. Turner, B. Wang and T. Zhou, 2012: The Asian summer monsoon: An intercomparison of CMIP5 vs. CMIP3 simulations of the late 20th century. Climate Dynamics, DOI:10.1007/S00382-012-1607-6.
7. Abe, M., M. Hori, T. Yasunari, and A. Kitoh, 2013: Effects of the Tibetan Plateau on the onset of the summer monsoon in South Asia: The role of the air-sea interaction. J. Geophys. Res. Atmos., 118, 1760-1776, doi:10.1002/jgrd.50210.
8. Lee, S.-S., J.-Y. Lee, K.-J. Ha, B. Wang, A. Kitoh, Y. Kajikawa, and M. Abe, 2013: Role of the Tibetan Plateau on the annual variation of mean atmospheric circulation and storm-track activity. J. Climate, 26, 5270-5286.
9. Zhang, M., H. Kawai, et al., 2014: CGILS: Results from the first phase of an international project to understand the physical mechanisms of low cloud feedbacks in single column models. J. Adv. Model. Earth Syst., in press.
（２）査読論文以外の著作物（翻訳、著書、解説）：３編
1. Kawai, H., 2012: Results of ASTEX and Composite model intercomparison cases using two versions of JMA-GSM SCM. CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling/WMO, 42, 0411-0412.
2. Kawai, H., 2012: Mechanisms of negative cloud radiative feedback of stratocumulus and stratus in JMA-GSM SCM. CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling/WMO, 42, 0707-0708.
3. Kawai, H., H. Yonehara, and M. Ujiie, 2013: Vertical layer placement in the Eta Coordinate for models with a high model top. CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling/WMO, 43, 0303-0304.
（３）学会等発表
ア．口頭発表
・国際的な会議・学会等：６件
1. Kawai, H., 2011: Results of CGILS, ASTEX, and Composite cases using JMA-GSM SCM. CFMIP/GCSS/EUCLIPSE Meeting on Cloud Processes and Climate Feedbacks, June 2011, Exeter, UK.
2. Kawai, H., S. Yabu, and Y. Hagihara, 2012: Characteristics of vertical structures of marine boundary layer clouds over mid-latitudes. Joint EUCLIPSE - CFMIP meeting, 29 May-1 June 2012, Paris, France.
3. Kawai, H., 2012: Sub-grid scale inhomogeneity effect of marine boundary layer clouds on precipitation and radiation processes depending on the atmospheric boundary layer stability. Workshop: The Physics of Weather and Climate Models, March 2012, パサデナ, USA.
4. Kawai, H., S. Yabu, and Y. Hagihara, 2012: Vertical structures of marine boundary layer clouds over mid-latitudes. --- Southern Ocean and Northern Pacific in summer ---. 2012 AGU Fall Meeting, 3-7 December 2012, San Francisco, CA, USA.
5. Sperber, K.R., H. Annamalai, I.-S. Kang, A. Kitoh, A.F. Moise, A.G. Turner, B. Wang, and T. Zhou 2012: The Asian summer monsoon: An intercomparison of CMIP5 vs. CMIP3 simulations of the late 20th century. 2012 AGU Fall Meeting, 3-7 December 2012, San Francisco, CA, USA. [GC33G-04]
6. Yoshida, K., and R. Mizuta, 2013: Future changes and uncertainties in the tropical tropopause layer by multiphysics and multi-SST ensemble experiments with MRI-AGCM3.2. China-Korea-Japan Joint Conference on Meteorology, 25 October 2013, Nanjing, China.
・国内の会議・学会等：１９件
1. 村上茂教, 2010: 氷期気候系における局所エネルギー収支とエネルギー流束. 日本気象学会2010年度春季大会, 2010年5月23～26日, 国立オリンピック記念青少年総合センター.
2. 村上茂教, 2010；氷期気候系における局所エネルギー収支. 日本地球惑星科学連合2010年大会, 2010年5月23～28日, 幕張メッセ国際会議場.
3. 村上茂教, 2010: 氷期気候系における局所エネルギー収支－その季節性－. 日本気象学会2010年度秋季大会, 2010年10月27～29日, 京都テルサ.
4. 村上茂教, 2010: 氷期気候系における局所エネルギー相互作用. 第33回極域気水圏シンポジウム, 2010年11月30日～12月1日, 国立極地研究所.
5. 小畑淳, 2010: 大気メタン急激増加に対する気候炭素循環モデルの応答－各種感度実験－. 日本気象学会2010年度秋季大会, 2010年10月29日, 京都テルサ.
6. 村上茂教, 2011: エネルギーサイクル再考. 日本気象学会2011年春季大会, 2011年5月, 東京都渋谷区.
7. 川合秀明, 2011: 海洋性境界層雲の層積雲から浅い対流への遷移. 日本気象学会2011年春季大会, 2011年5月, 東京都渋谷区.
8. 村上茂教, 2011: Atmospheric local energetics in mid-Holocene and Last Glacial Maximum climates. 日本地球惑星科学連合2011年大会, 千葉市.
9. 川合秀明, 2011: 世界の海域における多様な下層雲とその大気構造-見えてくるオホーツク海の下層雲の特徴-. 第4回ヤマセ研究会, 2011年9月, 青森県弘前市.
10. 川合秀明, 2011: 中高緯度の海洋下層雲. 日本気象学会2011年度秋季大会, 2011年11月, 名古屋市.
11. 村上茂教, 2011: エネルギー論再考-第2報-. 日本気象学会2011年度秋季大会, 2011年11月, 名古屋市.
12. 小畑淳, 2011: 温暖化時の気候炭素循環変動に及ぼす植生枯死の影響. 日本気象学会2011年度秋季大会, 2011年11月, 名古屋市.
13. 川合秀明, 2012: 中高緯度の海上下層雲の鉛直構造、海上霧の発生頻度、及びそれらと大気状態との関係. 第5回ヤマセ研究会, 2012年3月, 宮城県仙台市.
14. 小畑淳, 2012: クラカタウ火山噴火が引き起こす気候炭素循環変動－気象研地球システムモデルによる解析－. 日本気象学会2012年度春季大会, 2012年5月28日, つくば国際会議場.
15. 川合秀明, 2012: 夏の中高緯度海上には、なぜ下層雲が多いのか？. 第6回ヤマセ研究会, 2012年9月24-25日, 岩手県盛岡市.
16. 川合秀明, 2012: 下層安定度によって異なる、降水過程・放射過程における雲水の非一様性効果. 日本気象学会2012年度秋季大会, 2012年10月3-5日, 札幌.
17. 川合秀明, 2012: 中緯度の海洋下層雲の鉛直構造－夏の南大洋と北太平洋における地理的特徴－. 日本気象学会2012年度秋季大会, 2012年10月3-5日, 札幌.
18. 小畑淳, 2013: 巨大火山噴火が引き起こす気候炭素循環変動－気象研地球システムモデルによる解析－. 日本気象学会2013年度春季大会, 2013年5月18日, 東京都渋谷区.
19. 川合秀明, 藪将吉, 2013: モデルにおける中緯度海洋下層雲の鉛直構造の検証. 日本気象学会2013年度秋季大会, 2013年11月20日, 仙台市.
イ．ポスター発表
・国際的な会議・学会等：６件
1. Murakami, S., R. Ohgaito, and A. Abe-Ouchi, 2010; Atmospheric Energetics in Glacial Climate, 2010 PAGES Regional Workshop in Japan, Jun. 5th to 6th 2010, Nagoya University Noyori Conference Hall, Nagoya, Japan.
2. Murakami, S., R. Ohgaito, A. Abe-Ouchi, and A. Kitoh, 2010; Atmospheric Local Energetics in mid-Holocene and LGM Climates, PMIP3 Kyoto Workshop. Dec. 5th to 10th 2010, Kyoto Garden Palace, Kyoto, Japan.
3. Kamae, Y., H. Ueda and A. Kitoh, 2010:Wetter subtropics and Hadley/Walker circulation in Mid-Pliocene simulated by an atmospheric general circulation model. PMIP3 Kyoto Workshop. Dec. 5th to 10th 2010, Kyoto Garden Palace, Kyoto, Japan.
4. Kitoh, A., 2010: PMIP3 Simulations at MRI. PMIP3 Kyoto Workshop. Dec. 5th to 10th 2010, Kyoto Garden Palace, Kyoto, Japan.
5. Kawai, H., S. Yabu, and Y. Hagihara, 2013: Evaluation of vertical structures of marine boundary layer clouds over mid-latitudes. --- Southern Ocean and Northern Pacific in summer ---. 4th WGNE workshop on systematic errors in weather and climate models, 15-19 April 2013, Exeter, UK.
6. Kawai, H., S. Yukimoto, T. Koshiro, T. Ose, and T. Tanaka, 2013: Characteristics of clouds and aerosol indirect effects in the MRI-CGCM3. 2013 AGU Fall Meeting, 9-13 December 2013, San Francisco, CA, USA.
・国内の会議・学会等：５件
1. 小畑淳, 2010: 気候変動に及ぼす炭素循環の影響－将来百年予測について－. 第8回環境研究シンポジウム, 平成22年11月17日, 一橋記念講堂.
2. 川合秀明, 2012: 中高緯度の海洋下層雲の鉛直構造及び気象要素との関係. 日本気象学会2012年度春季大会, 2012年5月26-29日, つくば国際会議場.
3. 保坂征宏, 2013: 陸面モデルHALとその開発. 気水圏シンポジウム, 平成25年11月12日, 極地研, 東京都立川市.
4. 足立恭将, 小畑淳, 2013: 火山噴火規模の環境変動への影響. 日本気象学会2013年度秋季大会, 2013年11月19日, 仙台市.
5. 吉田康平, 水田亮, 2013: マルチ対流スキーム・SSTアンサンブル実験による熱帯対流圏界層の不確実性評価. 日本気象学会2013年度秋季大会, 2013年11月21日, 仙台市.
３．２ 報道・記事
1. 小畑淳, 2013: 巨大火山噴火が引き起こす気候炭素循環変動－気象研地球システムモデルによる解析－. 日本気象学会2013年度春季大会: 本発表内容が、時事通信社電子版(5/18)、新聞地方紙11社（6/12, 6/13: 共同通信社配信）に掲載。