古気候への博物学的アプローチと物理的アプローチの統合への期待
2014年12月24日、
総合地球環境学研究所 気候適応史プロジェクト 全体会議
(異分野融合に関する総合評価システム構築のための中塚プロジェクト全体会議)
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
現所属: 海洋研究開発機構(JAMSTEC) 統合的気候変動予測研究分野
このページは発表用に使ったものを少しだけ改訂したものです。
http://macroscope.world.coocan.jp/ja/memo/paleo/20141224/
に置きます。
1. 古気候研究の意義
- 地球環境の性質を知る
- 地域の成り立ちの背景を知る
- (人間のいる時代) 環境変化の人間社会への影響、人間社会の対応(適応)のしかたを知る
- 将来の環境変化への対応(適応)を考えるうえでの、直接・間接の類似例
- 環境(気候)予測のために使われるモデルの検証:
機器観測のある近代に経験したよりも広い範囲の変動をモデルは再現できるか?
- 最終氷期最盛期(2万年前)の大気・海洋の平均状態を氷床と大気成分(二酸化炭素など)への応答として見ることには実績がある。
- 最近千年などの場合には、モデル実験の入力として与える強制(forcing、過去の太陽活動・火山起源エーロゾルなど)の不確かさが大きいので、モデル結果と観測事実を直接定量的に比較して意味があるかは疑問。時刻や強さの詳しい対応を求めず似た現象が起こるかどうかに注目するタイプの研究ならば期待できる。
- データ同化のモデルの検証には使えるかもしれない(まだよくわからない)。
2. 地球科学の博物学的アプローチと物理的アプローチ
- 論理に関する「帰納と演繹」の対立と似たもの(だが同じではないようだ)。
- (なお、帰納・演繹のほかに「アブダクション」あるいは「発想法」をたてる考えとは対応させにくい。)
- 因果関係に、結果からせまるか、原因からせまるか。
- 博物学的アプローチ: 観察事実群の構造を認識、構造をもたらす原因を推測。
- フィールド調査、フィールドで得たサンプルの分析、分布図作成など
- 物理的アプローチ: 因果法則を前提とし、原因を仮定して得た結果を観察事実と比較。
- 大気・海洋大循環モデルを典型と考える。物理法則(エネルギー保存、質量保存、運動方程式など)に基づく数値モデル。時間前進型。初期値と境界条件を与えて、それ以後の各時刻の状態を順次得る。
- 時間をさかのぼる向きの計算はできないことが多い。(熱力学第二法則的不可逆性のせいだと思う。)
- データ統合アプローチ: 博物学的アプローチと物理的アプローチの材料や結果を、共通の枠組みを作って見比べる。
- データ同化アプローチ: 物理モデルによる予測を観測データを使って修正、物理法則にも観測にも近似的に合う情報を得る。
- (基礎づけ主義から見ると循環的依存がある。正当性の根拠は統計学的評価。)
- 気象の分野では、博物学的アプローチも近代科学の初期から物理変数を使っており、物理的・博物学的の両アプローチを使う人の両方を含む専門分科コミュニティが発達した。また、天気予報の社会的需要をきっかけとして、データ同化技術が他分野よりも早く発達した。
- 古気候については、博物学的アプローチは、地質学・古生物学・自然地理学などのフィールド科学として発達してきた。同位体などの物理・化学的手法も、フィールドで得たサンプルの分析に使われるものは、ここでは「博物学的アプローチ」のほうに含めて論じたい。物理的アプローチは、地球物理(とくに気象学・海洋物理学)の専門分科で発達してきた。両者の間では、専門分科間の用語体系(概念体系)の違い、具体的な変数(指標)の違い、情報の時空間構造の違いがあり、データ同化はもちろんデータ統合にも知的努力が必要である。
3. 情報の時空間構造の違いと、それを克服する方向
- 地球科学のフィールドのサンプルに基づくデータは、1地点の時系列として得られることが多い。(地層や氷床のサンプルでは、鉛直方向が時間軸に対応する。)
- 気候モデルには、初期値として、ひとつの時刻の全地点の数量が必要である。また結果も、時刻ごとの空間分布として見ることが多い。
- 現在の気候に関する経験によれば、1地点の気候変数の変動には、さまざまな時空間スケールの現象によるものが混ざっている。
- また、気候モデルを使った経験によれば、海陸分布との関係で降水が多くなる位置は、全球平均温度の変化よりも、海陸間の温度コントラストに強く依存する。
- そこで、博物学的データを、時間目盛りをそろえて、同時刻の空間分布を見ることが重要である。
- 季節変化は完新世内の気候変動よりも大きいと考えられるので、博物学的データがどの季節を代表するものか(代表性が時期によって変わっていないか)の吟味が必要である。
- 同位体の時系列については、その場の環境の変化のほかに、供給源が変わること、あるいは供給源での環境の変化を反映している可能性もある。
4. 変数の違い
- 生物(化石を含む)からの情報は、生物の種類ごとの多様な性質を含み、これを物理的モデルと対応させるには、困難がある。
- 化石の存在は、環境変数が、その生物種が生存できる区間にあることを示す。必ずしもひとつの確からしい値を与えるものではない。複数の環境変数からなる多次元空間の中で、複数の面(不等式)で区切られた立体のようなものの中のどこかに実際の環境条件があったことを示している。
- 現在生きている生物種については、実験や、現在の生息分布の情報が使える。絶滅種については、機能をあらわす形質からの推論ができる場合もあるが、不確かさが大きい。
5. 用語の問題
- 専門分科間で用語体系が違うことが多い。(この構造は多重になっている。)
同じ分科でもスクール(学派)間での違いがありうる。
- 同じ人でさえ、発表の場によって用語を切りかえることがある。
(わたしは「気候変動」と「気候変化」を区別したりしなかったりする。)
- 分野間共同作業のためには、用語が統一できればよいが、なかなかできない。
複数の分野の用語を知って、必要に応じて翻訳・通訳できる人がふえることが必要。
その目的を意識した各専門入門教材を整備することが有益と思う。
わたしは学部の気象学の授業のついでに「気象むらの方言」解説を書いている([目次はここ])。
- 「モンスーン」(季節風) という用語はあまりにも多義的([ブログ記事]参照)。
多くの人をまきこむ活動の表題としてはよいが、
具体的対象を示す用語としては、定義を示すか、避けるべき。
これまでの博物学的アプローチの論文で「東アジアのモンスーンの強弱」と述べられたもののほとんどはたとえば「中国雲南の夏の乾湿」や「日本海の冬の北西風の強弱」のような形で論じたほうがよいのではないか。
参考資料
2014-12-24 (会合後)
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)