(大学院) 地球環境科学総論
2023年7月5日の授業は、横山先生と順序をいれかえて、増田が担当します。
このページは、7月4日朝の段階では、項目だけあげておきます。4日夜に内容をいれます。
5日の当日も改訂します。
世界の水循環と地球温暖化にともなって予想されるその変化
まえおき
わたしの専門は気象学だが、
今年度は、サバティカルなどの関係で、この科目で水文の先生の担当する回がすくないので、
わたしの話題を水循環のほうによせることにした。
ひとつには、水循環自体が気象学の課題でもあるからだ。
もうひとつには、わたしは水文・水資源学会や日本水文科学会の会員でもあり、ある程度は水文学にかかわっているからだ。
ただし、わたしが語れるのは、全球規模(グローバル)や大陸規模の、(水質ではなく) 水の量に関することにかぎられる。
- 水と他の物質とのあいだの(正味の)化学変化は水の移動にくらべれば小さいとして、水について質量保存を考える。
- 物質の出入りのある系での質量保存: たまりの量の変化は、正味の流入量 (=流入-流出) にひとしい。
- 準定常状態: 正味の流入量がほぼゼロ。流入と流出がつりあっている。
- 収支解析: 測定の検証、あるいは未知の項の推定ができる。
- 流れの量が全部わかれば、たまりの量の変化の予測ができる。
- 岩石・鉱物に化合した水はふくめない。岩石のすきまの地下水や凍土の氷はふくめる。
- ソ連の研究者たちの1960-70年代のまとめによる部分が多い。当時の新しいデータで更新したところもある。
- 数値には不確かさがある。とくに地下水・凍土の水は不確かさが大きい。
- たまりの量が小さくても流れの量では重要な部分がある。
- 全球平均・鉛直積算の水蒸気量は、液体水換算で 25 mm 程度。
全球平均の降水量・蒸発量はどちらも約 1000 mm/年なので、水蒸気の大気中の平均滞在時間は 約9日。
- 陸上・海上をわけると、川の流量にみあっただけ、海上から陸上への正味の水蒸気輸送がある。
気候、あるいは大気・水圏のエネルギー循環にとっての水循環の意義
- 地表面からの水の蒸発 (質量の流れ) は、(鉛直の)潜熱輸送 (エネルギーの流れ) をともなう。これは地表面エネルギー収支 (熱収支)の重要な項。
- 地表面の正味(下向き)放射の8割は蒸発の潜熱、2割が顕熱で上に帰っていく。
- 水を蒸発させるエネルギー 2.5×106 J/kg、1000 mm/年 を換算してかけると 83 W/m2。
- 放射(電磁波) に対して。水蒸気は赤外線を吸収・射出する。雪氷は太陽光反射率が高い。雲はその両方のはたらきがある。
- (大気のもつエネルギーのうちの変換なのでこの図にはでてこないが)
水蒸気の凝結によって雲・降水がおこる。それとともに密度の小さい空気塊がつくられ、対流の原因となる。
[エネルギーと水蒸気を運ぶ大気大循環] (気象と水の科学) (Masuda 1988 Tellus などの図をえらんでつかう)
- 大気による南北エネルギー輸送にとっても水蒸気にともなう (水平の)潜熱輸送は重要な部分。
- 降水量・蒸発量などの緯度に対する分布は、大気大循環の主要な要素 (ハドレー循環、温帯低気圧帯) と対応している。
- K. Masuda, 1988: World water balance: Analysis of FGGE IIIb data.
Tropical Precipitation Measurements
(J. Theon and N. Fugono eds., A. Deepak Publ., Hampton, VA, USA), 51 -- 55.
- (増田 耕一, 1988: FGGEデータによる1年間の全球熱収支・水収支解析 (東京大学 博士論文) 第4章 全地球上の水収支)
- ここでいう「高層気象学的方法」は (いまでは「大気水収支法」といったほうがよい)、
大気中の水蒸気(鉛直積算)水平輸送の収束量から (定常の近似で) 降水量と蒸発量の差を推定する方法。
全球規模では1958-73年ごろPeixoto がラジオゾンデ観測の統計による評価をこころみていた。
「BO84」は F. Bryan and Oort (1984) で、ラジオゾンデ観測の約10年の統計によった。観測が疎なところで不自然な結果になった。
増田は「FGGE ECMWF」と「FGGE GFDL」の 2つの1年ぶん (1979年) のデータ同化プロダクトによった。
観測が疎なところが予報値でおぎなわれて符号は適切になったが、絶対値はプロダクト間の差がまだ大きかった。
- 河川流域という箱と、その上の大気という箱の、水収支のわくぐみ
- (地下水流出と、地下水貯留の変化は、重要でないと仮定)
- 変化は季節変化だけと仮定し、観測がとぼしい項 (陸水貯留量、陸面蒸発量など) を、観測が比較的そろった項 (降水量、観測されている河川流量など) によって推定する
- 大気中の水蒸気量と水蒸気輸送量は、
1979年以後、衛星観測とデータ同化 (再解析) によって「観測が比較的そろった項」になった。
- 大河川流域の水収支の季節変化。陸水貯留量の極大は、寒冷地帯では春 (積雪期のおわり)、熱帯では雨季のおわり、
温帯東アジアでは秋、温帯北アメリカでは春。
(東アジアの夏は降水 > 蒸発、北アメリカの夏は 蒸発 > 降水。)
- 増田 耕一, 2022: 地球温暖化についての知識の発達。 『地球環境研究』 (立正大学), 24: 122-123.
[PDF] (新任者研究紹介)
- 大気中の、赤外線を吸収・射出する成分 (温室効果物質) の増加にともなう気候の変化
- 最大の温室効果物質は水蒸気。これは海のある地球では温度とともに変化するので、気候変化 (温度の変化) にとって外因ではなくフィードバック要因。
- それにつぐのが二酸化炭素で、これは大気中にあるが、気温依存性は小さいので、気候変化の外因とみなせる。
- 主として人間の化石燃料 (石炭、石油、天然ガス) によって大気中の二酸化炭素が増加している。
- 二酸化炭素の増加は、成層圏の寒冷化、対流圏・地表面の温暖化をもたらす。
地球温暖化にともなう水循環の変化について予想されること
- 飽和水蒸気量は大きくふえる
- 実際の水蒸気量も大きくふえる (数量の不確実さはあるが)
- 短時間・ローカルの降水量も大きくふえることができる
- 世界平均の降水量・蒸発量はふえるが、あまり大きくふえることはできない。
- 水循環は加速するか? 単位時間あたりの質量の流量はふえるが、水蒸気の大気中平均滞在時間はのびる。
- 降水は短時間・ローカルに集中しがちになり、ふえないところもある。
- 緯度帯別にみると、降水は多いところ (ハドレー循環の上昇域、温帯低気圧帯) でふえ、すくないところ (亜熱帯高圧帯) で減る。
- 同じ緯度帯のうち経度別にみてどこでふえるかの予想は困難。
- 陸水貯留量 (土壌水分など) は、大陸上では減るところが多いだろう
(真鍋さんの1980年以来の懸念、真鍋・Broccoli 第10章参照)
- 雪は雨にかわる。ただし、低温であり降水がふえるところで雪がふえることもある。
- 水災害 ... 洪水と渇水 (渇水は水資源不足でもある)
- 水環境 ... 生物 (微生物をふくむ) を通じて人間にかかわる
- 水資源
- 水不足の心配や対策はつぎの両者を区別してかんがえるべき。
- 飲み水・からだの清潔をたもつのに必要な水 ... 人権問題、比較的少量
- (注) 国連の開発目標にでてくる "Water and sanitation" は 飲み水とトイレをさす。トイレ排水と飲み水の分離が (感染症や寄生虫の防止のために) 重要という考えのようだ。
- 水資源 ... 産業問題、多量
- 水資源の評価のとき、「天水農業」 (その場にふる雨を作物の葉が蒸散する) はふくめない (別にかんがえる) ことが多い。
- すると「水資源賦存量」は、降水量-蒸発量 あるいは 流出高 で近似できる。
- 世界の水資源利用量は、農業用水(灌漑)が多い。工業用水、都市用水は国によって大小さまざま。
- 「水を消費する」ことの意味が目的によってさまざま。製品にとりこまれるほかは、蒸散するのか、下流に流れるのか、汚染物質濃度がふえるのか...
地球温暖化にともなう水に関する心配
- (農業以外の生物がらみの変化は、わたしにはよくわからないので、省略。)
- すでに水の多いところ (の どこか) に雨がふえ、洪水がふえる。
- 亜熱帯・温帯の大陸のあちこちで、「水資源賦存量」が減少、畑作農業・牧畜に困難が生じる。
(とくに地中海・黒海周辺、アメリカ合衆国南西部など。)
- (大気中二酸化炭素増加にともなって陸上植物が要求する蒸散量がいくらか少なくてすむ可能性はある。)
- デルタ地帯で、海面上昇によって、高潮のリスク増加、土壌水の塩分増加、水田農業は継続できるか?
- 水資源を雪どけにたよっていたところで、春に利用可能な水が減る (冬に利用可能な水はふえる)。
本の紹介
水循環 (増田の関心にかたよっている)
- 三隅 良平, 2017:『雨はどのような一生を送るのか』。ベレ出版。
[読書メモ]
- 榧根 [かやね] 勇, 1989: 『水と気象』 (現代の気象テクノロジー 8)。 朝倉書店。
[読書ノート]
- Nigel Arnell, 2002: Hydrology and Global Environmental Change. Pearson.
[読書ノート]
水循環をふくむ大気大循環
- Dennis L. Hartmann, 初版 1994, 第2版 2016:
Global Physical Climatology. Elsevier (初版は Academic Press).
[初版の読書ノート] [第2版の読書メモ]
- Jose P. Peixoto & Abraham H. Oort, 1992:
Physics of Climate. American Institute of Physics (現在は Springer から発売).
[読書ノート (英語)]
- K. A. Browning & R. J. Gurney eds., 1999:
Global Energy and Water Cycles. Cambridge University Press.
... 全地球規模の大気・水圏のエネルギーと水の循環に関するレビュー論文集。Oki による "the global water cycle" をふくむ。
- 松山 洋、増田 耕一 編, 2021: 『大気と水の循環』。朝倉書店, 136 pp. ISBN 978-4-254-16076-5.
[読書メモ]
... 第1-3章 (増田) でエネルギー収支を中心とした気候システムの考えかた、第4章 (増田) で大気大循環、第5章 (増田) で地表面エネルギー収支、第7章 (松山) で大陸規模の流域水収支をあつかっている。
地球温暖化
- 渡部 雅浩, 2018: 『絵でわかる 地球温暖化』。講談社。
[読書メモ]
... 地球温暖化の話題を中心とした、気候の変化・変動についての入門書。
- 真鍋 淑郎、アンソニー J. ブロッコリー (Anthony J. Broccoli) 著 (原書 2020),
増田 耕一、阿部 彩子 監訳、宮本 寿代 訳, 2022:
『地球温暖化はなぜ起こるのか -- 気候モデルで探る 過去・現在・未来の地球』
(ブルーバックス B2202)。講談社。
[英語版の読書メモ (1)]
[(2)]
[(3)]
[日本語版の読書メモ]
... 真鍋さんの回顧でもあり、教科書的な本でもある。第1章は万人むけだが、その他は入門をすませた人むけ。
最後の第10章で陸上の水の問題を論じる。
- 日本気象学会 地球環境問題委員会 編, 2014: 『地球温暖化 -- そのメカニズムと不確実性』。
朝倉書店。
[読書メモ]
... 表題の主題について、専門家が分担執筆している。気象の基礎知識のある人むけ。
地球温暖化にともなう (日本付近の) 降水の変化
水と人間社会
- 沖 大幹 [たいかん], 2016: 『水の未来 -- グローバルリスクと日本』 岩波新書 新赤版。
[読書メモ]
... 後半で地球温暖化にともなう水資源・水災害の問題を論じている。
前半は、水の利用がどこの環境に負荷をかけているかを考える「ウォーター・フットプリント」という概念の話。
- 沖 大幹, 2012: 『水危機 ほんとうの話』(新潮選書)。新潮社。
[読書メモ]
- Maggie Black ed., 2016: Atlas of Water (Third Edition).
University of California Press. ISBN 976-0-520-29203-1.
... 水資源に関するいろいろな量の世界地図帳。
初版 (原書 2004, 日本語版 2006), 第2版 (原書 2009, 日本語版 2010) は、丸善から日本語版『水の世界地図』が出ている。
立正大学では第2版の日本語版が熊谷図書館にある。
- ダヴィド ブランション (David Blanchon) 著 (原書 2017), 吉田 春美 訳, 2021:
『(地図とデータで見る) 水の世界ハンドブック』。原書房。ISBN 978-4-562-06796-6.
[読書メモ]
2023-07-04
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)