定常応答と、海洋による遅れ

温室効果気体の濃度が変化すると、 放射(電磁波)はすぐに変化する(はずだ)が、 地上気温は海洋表層(数百メートルの層)とともに変化するため、 その熱容量を反映した数十年の遅れがある。

理想的条件での大気・海洋結合数値実験 [Spelman and Manabe 1984年]

海陸分布は非常に理想化しており南北対称。季節変化も省略している。

• A: 標準実験。現在のCO₂濃度を与え、定常に落ち着いたところを見る。
• B: 定常応答実験。現在の4倍のCO₂濃度を与え、定常に落ち着いたところを見る。 Aとの差をCO₂濃度「変化」への「定常応答」と考える。 (シグナルを見やすくするため、CO₂濃度2倍でなく4倍の場合で実験した。 これまでの放射対流平衡モデルや大循環モデルによる経験から、温度の定常応答は だいたいCO₂濃度の対数に比例することがわかっている。)
• C: ステップ型強制に対する過渡応答実験。 Aの気候が実現しているある時点で、突然CO₂濃度を4倍に変えて、 時間発展型の計算を続ける。

Cの結果の温度の時間発展は、だいたい、Bの状態に指数関数的に近づくものである。

結果: 温度(差)の南北・鉛直断面

B(定常応答実験 最終状態)-A(標準実験)

• 成層圏は寒冷化する。
• 対流圏と海洋は温暖化する。
• 対流圏ではとくに高緯度の下層で温暖化が大きい。その理由は
  • 高緯度では地表付近だけ気温が低い「接地逆転」がよく見られるが、温暖化した気候では起こりにくくなる。
  • 雪氷アルベドフィードバック。
  • 温暖な気候のほうが水蒸気の凝結が多いため鉛直温度勾配がゆるくなる。
• 海洋の表層の温暖化はほぼその緯度の大気の温暖化を反映する。
• 海洋の深層の温暖化は、そこに沈みこむ水が作られる高緯度の対流圏下層の温暖化を反映する。

結果: 温度(差)の南北・鉛直断面

C(CO₂濃度変化後25年め)-A(標準実験)

• 25年では海洋深層はほとんど温度が変わっていない。
• 大気と海洋表層の温度変化は、定常応答とよく似た形をしており、 大きさは定常応答の約70%に達している。

この結果から、海洋による温暖化の遅れは、 海洋の表層の熱容量を想定した時定数で指数関数的に定常状態に向かう 線形モデルで近似できそうである。

この線形モデルに実際的なCO₂濃度増加シナリオを与えて 温度変化を見積もることができる。 大気海洋結合モデルによる予測ほど正確ではないが、その近似になる。

注

「遅れ」と表現したが、単純な遅れではなく、 エネルギーのためこみによるものなので、数学的には時間による積分にあたる。 海洋表層あるいは温度の時系列は、 二酸化炭素濃度の時系列を時間軸上でずらしたものと似た形にはならない。

文献

• 増田 耕一, 田辺 清人, 1994: 温暖化。 図説環境科学(環境情報科学センター編, 朝倉書店), 96 -- 101.
• M. J. Spelman and S. Manabe, 1984: Influence of oceanic heat transport upon the sensitivity of a model climate. Journal of Geophysical Research, 89, 571 - 586.