地球温暖化認識の発達におけるシミュレーションの役割

2017年3月27日、 「コンピュータ シミュレーションの科学論研究会」 での話題提供材料です。

要旨

序論

地球温暖化は、近ごろは 「温度がすでに上がっている」 「そのおもな原因は人間活動からの二酸化炭素排出である」 そして「二酸化炭素排出を続ければ温度上昇がさらに進む」 という形で提示されることが多い。 ただし、この形での提示がふつうになったのは、およそ2001年ごろ以後だ。 (おそらく2001年に出たIPCC (気候変動に関する政府間パネル)の第3次評価報告書の 要旨の表現が普及したものだろう。)

実際の世界平均地表温度 (陸上では地上気温、海上では海面水温をまとめて「地表温度」としておく)は、 1970年代に過去30年ほどをふりかえったところでは上昇していなかった (北半球平均では下降していた)。 その中で、1970年代後半に、物理に基礎を置く気候の研究者たちは、 二酸化炭素濃度増加が温暖化をもたらし、 おそらく21世紀の気候変化の主要因になるだろう、 という見通しを持ったのだ。

地球科学の研究の発想には、 過去の証拠から事実を認定しその原因をさぐるものと、 原因から結果を考えるものがあるが、 地球温暖化の見通しを得たのは、後者のアプローチだった。

この話題については、増田(2016)で論じた ([2016-05-12のブログ記事]参照)。 今回の話題は半分くらいそれと重なる。

それに追加した内容についての、この要旨よりも部分的に詳しい準備段階のメモが [2017-03-16のブログ記事]にある。

対象となるシステムの限定

世界のうちから「気候システム」を切り取る。 これは、大気(対流圏・成層圏までと考えると深さ約50km)、 水圏(海洋の深さは平均4km、最深11km)という、地球全体に比べれば浅い層だ。 陸については、(考えるプロセスや時間スケールによって深さの数値は違うが一例として) 地面から10mくらいの浅い層を含める。 人間活動の影響は、系外からの強制作用とみなす。

この大気・水圏で起こっていることを、 「物理的気候システム」と「生物地球化学サイクル」に分けてモデル化する (最近は結合したモデル化もされている)。 物理的気候システムでは、 組成は簡略に扱い、大気・海洋とも「水」とそれ以外の2成分系とみなす。 空間は連続体とみなし、 温度・圧力・速度などの物理変数が4次元時空間の座標値の関数として分布すると考える。 ただし、実際の数値モデル化では、連続空間のままでは表現できないので、 差分法その他の形で離散近似する。

気候システムのモデル

モデルには、単純なものと複雑なものがある。 単純なモデルは、一般解または多数の数値解が得られ、 研究者はそのモデルで起こりうることを知りつくすことができる。 しかし、モデルの数量と現実世界の数量を定量的に関係づけることはむずかしい。 複雑なモデルは、現実的な設定を与えれば、結果を現実世界の数量と定量的に対比できる。 反面、必要な計算量が多いので、わりあい少数の数値解だけが得られるだけで、 モデルで起こりうることを知りつくすことはできない。 しかし、非現実的な設定を与えるなどの実験によって因果関係にせまることができる。 単純なモデルは理論の道具、複雑なモデルは実験装置と言える。

(1980年ごろ以後の)数値天気予報モデルと、 複雑な気候モデルの大気の部分である大気大循環モデルとは、ほとんど同じである。 これは幸運なことで、 気象現業での数値天気予報モデルの検証を参考にして気候モデルも発達できた。

しかし、単純なモデルから発達してきたと考えると、両者は同じでない。 (実際にこの順に考えられたとは限らないが、 計算の成果が出はじめた順序はだいたいこうなると思う。)

• (1) 渦が流れる。水平2次元の流体力学。断熱でもよい。
• (2) 温帯低気圧の発達。 南北の加熱差がもとになって熱機関的に運動エネルギーが作られる。 3次元の流体力学。熱力学も加わるが、熱源は系外からの強制。
• (3) 水蒸気の凝結、電磁波の吸収・射出など、 系内で熱源が生じる物理過程があり、それが力学と相互作用する。

• (1) 気候システムのエネルギー総量の変化。0次元エネルギー収支モデル。
• (2) 鉛直方向の放射(電磁波)と(広い意味の)対流によるエネルギー伝達を表現。 鉛直1次元モデル。
• (3) 南北(赤道と極のあいだ)のエネルギー輸送を考える。 温帯の場合、その主役は温帯低気圧であり、時間変化と東西方向の非一様性を考える必要がある。 したがって、南北・鉛直2次元モデルをとばして3次元モデルが重要になる。

ここまで複雑化したところで両者の要件がほとんど同じになった。

理論的予言としての地球温暖化の「発見」

「二酸化炭素倍増に対する定常応答」という問題がたてられた。 二酸化炭素濃度が標準の値とその2倍の値がそれぞれずっと続いた場合の 地表温度の長期平均値どうしの差である。

0次元モデルではその答えが定まらなかった。

真鍋淑郎氏らが、(3次元モデル構築の途上で) 鉛直1次元モデルによって その問いに答えた (論文1967年)。 その結果は、他の人びとが追試でき、多少違った定式化をしても大筋は同様だった。

3次元モデルでの数値実験の結果も、世界平均で見るとほぼ同様だった (その最初のものが真鍋氏らの1975年の論文)。 そして1970年代末には、この問いに対する専門家の大筋のコンセンサスが得られた。

二酸化炭素とエーロゾルの相対的重要性の評価も同じころ定まってきた。

現実の温度変化と定常応答の違いには、海の熱容量による遅れが重要で、 その評価は、1980年代に進んだ。 大気海洋結合大循環モデルによる数値実験が貢献した。

気候モデルの使われかた

• 数値予報型実験
• 定常応答型実験
• 過渡応答型実験
• 過去の気候変化の再現実験、気候変化の検出と原因特定のための実験
• 将来の気候変化の予測型シミュレーション

気象・気候予測型モデルが可能だった幸運

天気予報と気候変化のシミュレーションは同じモデルでできたが、 これはこの対象の特性が研究者にとって幸運だったので、 他の対象ではそうできるとは限らないだろう。 たとえば、固体地球では、地震と大陸の形成・移動とでは時間スケールが違いすぎて いっしょに計算できそうもない。

物理法則に基づき、経験則を補助的にだけ使うモデリングができたのも幸運だった。 気候変化(地球温暖化)に関与するものを考えるだけでも、 生物のモデルは、物理法則を制約とすることはできるが、 それぞれの生物種についての知識に依存する経験的パラメータを含むものになるだろう。 人間社会のモデルは、基本法則がよくわからないので経験則によるしかなく、 しかも社会の発展がその経験則を裏切る可能性も考えないといけないだろう。

文献

• 増田 耕一, 2016: 地球温暖化に関する認識は原因から結果に向かう思考によって発達した。 科学史研究 (日本科学史学会), 54: 327 - 339. [著者によるHTML版(アクセス制限あり)]

プレゼンテーションファイル (各ページを画像として収録)

序論

[03] [04] [05] [06] [07] [08] [09] [10]

対象となるシステムの限定

[12] [13] [14] [04] [16] [17]

気候システムの理論とモデル

[19] [20]

数値天気予報モデル / 大気(・海洋)大循環モデル

[22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

理論的予言としての地球温暖化の「発見」

[33] [34] [35] [36] [37] [38]

気候モデルの使われかた

[40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47]

気象・気候予測型モデルが可能だった幸運

[49]

質問への答えや討論中に補足したこと

アンサンブル実験について

• アンサンブル実験には、初期値を少しずつ変えたもの、 parameterizationのパラメータ値を少しずつ変えたもの、 別々に構成されたモデルで同じ設定の実験をしたマルチモデル アンサンブルがある。
• 統計力学の概念であるアンサンブルとは、 確率分布を考えるという漠然とした共通性はあるが、だいぶ違った概念である。
• 決定論的シミュレーションを10例程度 (特に大がかりな場合で100例程度)やるものなので、 確率分布の推定としては頑健なものではない。 むしろ、従事している人の経験的知識(新種の職人芸)で、 「予測の幅」を認識するのに使っていると思う。
• 初期値によるアンサンブルは、気候システム自体がもつ(E. N. Lorenzの意味での)カオス性 つまり初期値の小さな違いの拡大の問題に対処するものである。
• たとえば台風の進路予測で、 ある日の場合はアンサンブルのどのメンバーの経路も似ているが、 別の日の場合は経路がばらつく。後者のような場合の予報がむずかしい。 もしそのむずかしさの原因が初期値の誤差にあるのならば、 そして機動的観測が可能ならば、観測を追加すると予報精度がよくなる可能性がある。 しかし原因が大気自体のカオス性にあるならば、改善されないかもしれない。
• マルチモデル アンサンブルの実験は、 モデル化の根拠となる知識の不確かさへの対処として意図的に設計されることもある。 しかし、 IPCCでいわゆる温暖化予測として重視されているCMIP (Coupled Model Intercomparison Project)の 場合は、参加する能力と意志のあるチームの成果をそのまま集めており、 モデルの特性の分布はなりゆきしだいである。CMIPについては別項目に続く。

CMIPについて

• CMIPは、IPCC第4次報告書準備段階以来、IPCCに採用されることを意識してはいるが、 政府間機関であるIPCCとは別の、科学研究者の共同研究活動としておこなわれている。 ただし同じ人がIPCCの著者とCMIPに参加する研究者を兼ねる場合もある。
• 実験に参加しているモデルの数は20程度。 同じ研究機関あるいはプロジェクトから複数のバージョンが出てくることもある。 回を重ねると、同じ国のチームは統合またはしぼりこみされる傾向があるが、 新しい国からの参加がある。
• 研究チームはそれぞれ独立に仕事をしているが、 同じ学術コミュニティに属する(同じ学術雑誌群に投稿することが多い)人々なので、 発想が似ている可能性はある。 それは一方では、マルチモデルアンサンブルであってもデザインがじゅうぶん多様でない、 また、他のチームと似た結果が出るとうまくいっているとしてしまいがち、という欠点、 他方では、他のチームの経験も参考にして逐次改良が速く進むという長所になりうる。
• CMIPに関する限り、モデルの特性が各モデルプロジェクト主催国の政策の影響を受けてはいないようだ。 (気候の生態系や人間社会への影響のモデル(IPCC第2部会関連)や 気候・経済連関のモデル(IPCC第3部会関連)では、政策の影響があることはありうると思う。)
• 多数の国が研究チームを参加させる理由は、 一般的に科学技術能力を高めたいこと、 政策交渉に使われる知識の根拠を判断できる人を自まえで持ちたいこと、 国力を誇示したい(それができる機会になっている)こと、などがあると思う。 日本(政府、とくに文部科学省)はIPCC第4次報告書(2007年)に、 「地球シミュレータ」を使って世界最高空間分解能のシミュレーションを (MIROCチームと気象研の2系列のモデルによって)出したことを誇った。

固体地球との関連について

• 気候システムには固体地球は含めていない。 ただし、「陸面」としてごく浅い層を含める。 関心のあるプロセスや時間スケールによって違うが、 深さ 10 m 程度が典型か?
• 講演の最後で話した固体地球の件(地震と大陸形成では時間スケールが違いすぎる)は 気候システムとは別のシステムの研究を想定した話だった。
• 大陸氷床は、気候システムの一部と考えられるが、 万年・十万年の時間規模をもつので、 これまでの結合気候モデルには含まれておらず、 モデル開発から先端の課題として研究されている。 氷床のシミュレーションでは固体地球の変化も表現する必要があるが、 特定の働き (マントルレオロジー)に限定してよいだろうと考えられている。
• 火山噴火は気候システムにとって重要な外部からの強制である。 百年規模の気候変化を考えるうえでは、 火山ガスの硫黄分が硫酸液滴のエーロゾルとなって太陽光の反射をふやすことを重視する (それ自体の時間規模は1年の桁と考えられているが)。 もっと長期には、火山ガスの二酸化炭素の温室効果が重要だが、 これから百年を考える際にはそれは人間活動からの排出に比べて相対的に無視できると考えられている。

知識の頑健性(robustness)、IPCC用語の「確信度」

• IPCC第5次報告書では、科学的知見の各項目の不確かさの表現として、 「可能性」と「確信度」という表現を使っている (プレゼンテーションファイル 43ページ)。
• この「可能性」は英語では likelihood だが「尤度」ではなく、 概念としては「確率」と同じで、表現を大まかにしたものである。
• この「確信度」は英語では confidence level だが、 統計学用語の「信頼水準」ではない。 多くの証拠が共通に支持していることをさすので、 科学哲学用語の「頑健性」(robustness)とほぼ同じだと考えられる。
• ただし、「確信度」の定義のようなものの中には、 それぞれの証拠の「頑健さ」(robustness)も出てくる。 これも、たぶん科学哲学用語の「頑健性」と同じで、 さししめす対象の階層が違うのだと考えられる。
• CMIP に基づく今後百年の気候変化の見通し(いわゆる「予測」)のうちでも、 知見の項目によって「確信度」つまり頑健性は違う。 世界平均地表温度(44ページ)は、比較的頑健な知識である。 ローカルな気候の予測(45ページ)や、急激な気候変化が起こるかどうか(46ページ)は、 頑健性が高くない。
• 過去百年の気候変化の検出と原因特定(47ページ)も、 今後百年の見通しほどは頑健性が高くない。 ひとつには、シミュレーションが時間前進でしかできず、 百年前の(とくに海洋の状態の)初期値を決める観測データの不確かさが大きいからである。 もうひとつには、過去の人為起源の強制作用が、予想される今後のものよりも小さいからである。

Manabe & Wetherald (1967)の論文になった研究の背景

• 3次元の気候モデルをつくる研究の途上にあり、 部品としての放射過程の動作をテストする必要があった。 現在の気候の鉛直温度分布の構造の再現はうまくいったので (Manabe & Strickler 1964)、 関心はそれがどう変化しうるかに向かった。
• 地球史、とくに氷河時代を想定して、気候を変化させる要因に関する多様な仮説があり、 二酸化炭素もそのひとつだった。
• 1958年以来、二酸化炭素濃度が継続的に観測されており、 1963年ごろには増加傾向があきらかになっていた。 (それが気候を変化させ人間社会に悪影響をおよぼしうることを指摘する人もあり、 アメリカの大統領科学顧問委員会の環境問題に関する多数の課題のひとつになったが (報告書1965年[読書メモ])、 まだ実際の政策課題にはなっていなかった。)
• ドイツのMöllerが0次元モデルで二酸化炭素倍増への定常応答を求めようとしたが 数値が定まらなかった(非現実的と思われる大きな値になることもあった)。 真鍋がその話を聞いて共同研究をした。
• 東北大学の山本義一が二酸化炭素と水蒸気の共存する大気の 放射吸収・射出の計算図式をつくった(1952年の論文)。 真鍋のモデルの放射過程の部分はそれを参考にしている。 山本はまた、二酸化炭素濃度増加が温暖化をもたらすと考え、 計算を始め、1957年に講演で紹介した。ただしこちらは研究論文には至っていない ([2015-08-08のブログ記事]参照)。