増田 耕一 (ますだ こういち)
東京大学 理学部 地球惑星物理学科
[出版当時の所属]
「月刊 地球」(海洋出版) 第13巻(1991年) 594 - 601ページ。
引用する場合は、上の印刷物を参考文献としてあげてください。
地球科学の中で、気象学は早く近代化に成功した分野だと言える。その特徴は、 full model というべき大循環モデルを含めた、各種の数値モデルを研究の道具 としていることである。固体地球科学のfull model建設は、大気に比べて むずかしさが数々あるが、研究の発展の方向の一つとして考えてみる価値がある のではないだろうか。
この題名は、「日本の工業近代化は開発途上国の手本になりうるか？」の パロディである。答は yes and no に決まっている。つまり、
_図1は、 地球科学の対象領域の主観的「地図」である。人間に近い地球表層 （あるいは「気候システム」は、太陽光を高温熱源、宇宙空間を低温熱源とする 熱機関として特徴づけられる。その代表的作業物質は、３相の変化をしながら 循環する水である。気候システムを研究する者から見ると、地球内部は太陽光を 主要な熱源としない点で、超高層大気・惑星間空間は荷電粒子がおもな動く物質 である点で、研究対象としていちおう分離されている。ただし、侵食・堆積 プロセスや地球回転などの重要な課題が「表層」と「内部」にまたがっており、 この分割は絶対的なものではない。
気候システムはさらに、大気、海洋、雪氷、陸水などに分けられ、これまで 別々の学会で研究が進められてきた。このうち、大気中の現象を研究する気象学が、 気候システム研究に限らず、地球科学全体のうちで、最も近代化が進んだ学問分野 であるということができる。
近代化しているというのは、データの面からも言えることである。これは別の ところ _[文献1]でも述べた。 しかし、ここでは、近代科学の本筋として、理論・実験の 方法が確立しているかどうかに重点をおいて考えてみたい。ここでいう気象学の 対象は、成層圏下部から下の「下層大気」の運動、温度などの物理的状態である （大気の成分＝水蒸気を除く＝がどのように決まっているかではない。）これに 関しては、支配する基礎方程式がわかっており、それにもとづいた数値モデルが 研究および実用（天気予報）に使われている。 これに対応する固体地球のモデルはまだできていない。プレートテクトニクス は、現象の構造的理解というべきものであり、気象学でいえば、1920年代の、 ノルウェー学派の温帯低気圧モデルに似た性格のものといえよう。これは数値 モデルではなく、温帯低気圧という現象にともなってどのような変数がどのような 形に分布するかを記述したものである。このような発達段階のずれは、主として 気象学が幸運だったことによるが（5節）、大気モデル 建設に努力した人々の存在（6節）も見逃せないだろう。
数値モデルとは、対象とするもののふるまいの特徴を再現する計算機プログラム である。数値モデルを使って地球を研究する場合、モデルに要求したい性質が いろいろある。ここでは、光の３原色になぞらえてR, G, Bとしてみた (_図2参照)。
ｄＴ Ｃ−− ＝ Ｓ（１−α） − ε σ Ｔ4 ｄｔのように書くことができる。この式は簡単であり、パラメタもC(熱容量)、 S(太陽放射)、α(太陽放射の反射率)、ε(地球放射の見かけの射出率) だけなので、このモデルの中で起こりうることは調べつくすことができる。 しかし、観測値を使って、このモデルが「正しい」かどうかを検証することは できない。観測値を使ってこのモデルの「温度」に対応する変数を構成できる ようには作られていないからである。
E = β ρa Ce ｜v｜(qsat(Tg) -- qa)と書かれる。これは、観測された変数を代入できるように作られたものであり、 パラメタは半経験的に決めるものだが、式の形にはいちおう乱流理論による裏付け がある。ところが、蒸発が起これば、地面から水が出ていくので上のパラメタβは 減るし、エネルギーが出ていくので地面温度も下がるはずである。上の式だけは、 地面や大気の状態の時間変化を追うような議論はできない。つまり 「G」が不足しているのである。
大気大循環モデルの構成の詳しい説明は、たとえば文献 _[文献2]を参照していた だきたい。現在の大気大循環モデルの実体は、数値（天気）予報モデルと ほとんど同じで、違いは使い方にあるので、数値予報の解説（例、 _[文献3]）も 参考になる。
まず、大気の運動を支配する基本方程式から出発する。これは、運動方程式、 エネルギー保存の式、質量保存の式、状態方程式、などからなっている。大気は ほぼ1成分系として扱うが、水蒸気の相変化は無視できないので、大気中の 水蒸気の質量比（比湿）の変化の式も連立させる。実際には、大気の大規模 （数百 km以上の空間スケール）の運動にあまり効かない項を落とす近似をする。 たとえば静水圧近似である。ただし、純理論的研究では、2節の B因子重視の 立場で、あえてある項を落とすことがある。たとえば、運動方程式で、運動量の 移流の項は非線形となるので落としてしまったり、一定の速度で移流される だけに近似したりする。しかし、大循環モデルでは、定量的に無視できない項は 落とさない。必然的に非線形となる。
この方程式系は、変数（温度、風速、気圧、比湿など）が空間・時間の関数 であるため、連立偏微分方程式だが、連続時空間のままでは解が見つからない。 そこで、有限個の数値からなる方程式で置きかえる。つまり離散化である。 離散化の方法としては、差分と、直交関数展開とがある。
方程式系はほぼ「双曲型」の偏微分方程式なので、ある時刻の全空間の値が 与えられると、それ以後の時刻の値を求めることができる。実際には、時間 ステップをきざんで差分で時間積分する。なお、ある種の境界値（たとえば 海面水温）も必要である。
大循環モデルの設計にあたっては、全体の質量、エネルギーなどの保存量の 収支が合うように注意している。ここで収支が合うとは、系内の量の変化が系の 境界を通しての出入りと一致することである。この条件は、時間積分を長く 続けても場が現実的な構造をもつために必要とされている。
基本方程式の中で、完全には物理的説明ができていない項がある。エネルギー 保存の式の熱源の項、運動方程式の摩擦の項などである。また、有限の時空間 分解能で離散化するため、表現しきれない現象もある。これらの効果を無視した のでは、現実と定量的に対応させることができない。そこで、これらの現象は 経験式などにより、大規模な場に対する効果に大きな狂いがないように入れる。 これをparameterizationと呼んでいる。 2節で述べたプロセスモデルを部品 として使うわけであり、R因子とB因子のどちらを重視するかに、モデラーの 個性が現われるところである。
大気大循環モデルによる研究のスタイルを、いくつかの観点から分類してみよう。
大気のfull modelとしては、 数値予報モデルが先に発展し、予報現場だけでなく 研究方法としても1つのパラダイムをなしていると言える。 これは、ある初期値 を与え、それ以後の時間発展のうち、初期値を「覚えている」部分を重視する ものである。大気だけの場合、有効な時間積分の長さは10日程度となる。観測 データにもとづいた初期値を与えて、n日予報の結果を、n日後の観測と比較する ことにより、モデルを検証する経験を積むことができる(モデルが悪いか観測が 悪いかは、場合によるが)。また、初期値に少しの乱れを与えて、予報結果を 比較することにより、予報可能性の限界をさぐる研究もなされている。
大循環モデルによる気候研究の代表人物である 真鍋淑郎の仕事のスタイルは これと対照的である。初期条件として、いたるところ等温、静止というような、 非現実的なものをとる。そこから時間積分を長く続けると、いわば初期条件を 忘れて、数百日の統計という意味では定常な状態に達する。これがけっこう 現実の気候に似た特徴をもっているのがおもしろいというわけである。境界条件 （たとえば太陽放射の強さ）を変えて、同じように長い時間積分を続け、定常 状態どうしの差をとって、これを変えた境界条件に対する「応答」と考えたり する。典型的論文に _[文献4]がある。
ただし、落ちつく定常状態が１つであるという前提が暗黙のうちにはいって いる。これはたまたま大気の場合には成り立っているらしいが、海洋の大循環 モデルを結合させた場合 _[文献5]には多重平衡のような状況に なっており、定常状態は 初期条件に依存するという結果が得られている。また土壌水分の簡単なモデルを 大気と結合させただけでも、多重平衡の可能性がある _[文献6]。
初期条件には依存しない問題に限ったとしても、海陸分布などのモデルの 境界条件の与えかたに態度の違いがみられる。大きく分けて、現実的な条件 (現実のユーラシア、アメリカなどの大陸の分布を与える)と、理想的な条件 (地表を全部海にしてみたり、まっすぐ切って半分陸、半分海にしてみたり、 など)がある。この違いは、2節に述べた RとBの因子のどちらに 相対的に重きをおくかに対応する。
現実的条件でモデルを走らせれば、結果を観測データと比較できる。その結果 得られるのは、モデルの性能に関する情報である(つまらないと思われるかも しれないが、実験装置の性能を確認することは重要である)。現実的条件の まわりで境界条件に対する「応答」を見ることにより、気候の境界条件への 感度が得られ、これは統計的意味で観測された気候変動と比較される。
一方、理想的条件でモデルを走らせるのは、現実の気候の特徴のうち、いわば 何もないところから気候を作っても現われるのは何か、という問題になる。また、 理想化した状況での境界条件への応答実験は、気候変動のメカニズムの解明を ねらったものと言えよう。
観測データは、次のようないろいろな形でモデルと結びつく。
最後のものだけ補足説明しておく。 観測データを使って場の変数値を推定する 際、観測点の位置から求める位置に統計的に空間内挿するのがふつうであるが、 これに予報モデルによる時間的外挿を組み合わせることにより、よりよい推定値 を得ようというものである。もともと 数値予報の初期値を得るために開発された 方法だが _[文献3]、 この方法で得られた格子点データは気候研究にも役に立っている _[文献7]。
大循環モデルの欠点は2節のB因子が弱いことである。 大循環モデルによる実験 結果を解釈するために、モデルの単純化が行なわれる。たとえば
気象学は、近代化につごうのよい条件を多くそなえていた。
まず、物質が単純である。Newton流体、理想気体、1成分という近似がかなり よく成り立つ。そのため、外の学問分野で開発された力学・数値計算方法論の 成果を適用可能である。気象学者が数学や数値計算法に貢献した例としてLorenzの カオスや荒川の差分スキームがあるにはあるが、全体としては輸入超過と言える だろう。
次に、固体地球あるいは海洋と比べて、観測しやすいことである。観測機器を 大気の中に送りこんで現場観測をすることもできるし、電磁波の多くのものが 透過するので信号を電波で受信することができる。また電磁波に対して全く透明 でもないから、吸収・散乱を利用したリモートセンシングもできる。
これに、特に「天気予報」に対する社会的需要があることがあいまって、 ルーチン観測網が早くできた。しかも、予報のある程度の成功が、観測網の 整備を促進した。
また、ルーチン観測網の対象となった「天気」現象（たとえば温帯低気圧）の 時間スケールが、人の寿命よりじゅうぶん短い。つまり類似の例が待っている間 に起こる。これによって、天気現象の研究は予測・検証型近代科学に、またその 数値モデリングは品質管理の要素を含む現代的工学になることができた。
しかもたまたま、「天気」現象は「大気大循環」にとっても重要であった。 たとえば、低緯度から高緯度にエネルギーを運ぶ主役は温帯低気圧であった。 しかも、天気予報用の数値モデルを天気現象を表現する時間ステップで時間積分 して、なんとか大循環の立場でも意味のある実験ができた。つまり、大気自体の 特徴的な時間スケールと、人間社会にとって関心のある時間スケールがほぼ一致 していたのである。
気象学が好条件にめぐまれていたとはいえ、積極的に努力した先駆者なしには、 現在の状況は考えられない。
さかのぼれば大気の運動を流体力学と熱力学で説明しようとしたHelmholtz, Hertzやノルウェー学派の人々にもふれるべきかもしれないが、数値予報という 方法論を提唱したのはRichardson (出版1922年)である。当時は機が熟さなかっ たが、第２次大戦中、von Neumannの計算機プロジェクトに弾道計算に次ぐ課題 として取り上げられたのをきっかけに発展した。(アメリカで予報業務に組み 入れられたのは1955年である。ただし数値予報が予報官の経験とカンをおし のけるに至ったのは1980年ごろというべきだろう)。
その中で、Phillipsがモデルの長時間積分の結果を出すと、計算上の困難 (のちに荒川が解決した)があったにもかかわらず、気候モデリングを次の研究 課題と考え、研究所(現在のGFDL)を作るために奔走した人たちがいた _[文献8]。
それから1970年代半ばまでの、数値予報を除く大循環モデルの研究グループは、 _図3の3か所でほとんどつきて いた。いずれもアメリカ合衆国である。ほかの 国の経済力では、これだけ大量の計算機資源を使う研究は許されなかっただろう。
図3の人名のあげかたには筆者の主観によるかたよりがあるかもしれないが、 日本出身の人(現在60才前後)が活躍しているのは確かである。日本人の頭脳 流出の背景には、アメリカと日本の研究・生活条件の格差、特に気象関係で日本 での就職がむずかしかったということもある。しかし積極的要因として、東北 大学の山本義一を中心とする放射・乱流と東京大学の正野重方を中心とする気象 力学の基礎研究の積み上げが、アメリカのプロジェクト研究の中で生かされたと いうことができよう。たとえば、地球放射の parameterizationは、真鍋、笹森、 片山のいずれも山本の放射図を基礎としている。
1980年ごろになって、多くの国で大循環モデルを使う研究が本格的に始まる。 日本でも気象庁気象研究所での時岡達志らの仕事がある。東京大学でも、小規模 ながら研究をしてきたが、1991年、気候システム研究センターが設立されて、 より大規模な研究ができる条件が整ってきた。
整理してみると、組織者としてのSmagorinsky・Mintz, ビジョンを持った実務家 としての真鍋・荒川［人名は象徴的にあげた］の存在と、日本の基礎研究、 アメリカの投資が大循環モデルの発展をもたらしたと言えるのではないだろうか。 また、共同利用研究所NCARの存在が研究者層を厚くしたことも見のがせない。
気象学は、いわば近代化してしまった学問分野である。そのため、フロンティア としての魅力には欠けるともいえよう。
つまり、モデルがいちおう完成され、毎日の天気予報という実用に使われて いるという段階にあり、画期的に新しいものは出てきにくいのである。(実は、 ないことはない。全地球規模の大気モデルで、分解能を上げて、個々の雲を まともに表現することによる進展はありうる。現在のモデルでは雲を経験的に parameterizeするしかないため、 気候変動の中で雲量 ==雲に覆われた面積比== が どのように変わるかという基本的なことにも答えられないのである。これは 計算機技術の発展に期待するところが大きい。) モデルで気候のいろいろな特徴をシミュレート(再現)しようという努力を 始めたときはおそらく、理論の裏付けのあるシミュレーションができれば 気候が説明できると期待しただろう。 気がついてみると、シミュレートには成功しているが、説明には道がなお遠い。 これで天気現象の時間スケール(境界条件の変化を考えなくてよい)の実用には たえるので、天気予報工学としては栄えているわけだが、基礎科学としては 悩ましいところである。
そして、具体的な研究テーマと言えば、基礎方程式を作るような仕事は終わった ので、応用になる。気象学コミュニティでは現在、気候変動の予測を正面の課題と 考える人が多い。これはまだ工学段階に達しておらず、どちらかといえば基礎科学 である。ところが、そのテーマは、たとえば全球平均気温の0.2 Kの違いを 論じるような、精密さを要求するものが多い。また、雲が放射にも、凝結によって 大気に浮力を与えることにも、また水蒸気収支にも効いてくることを考えなくては いけないというように、複雑な(当然、非線形の)相互作用を考えなければなら ないものが多い。その結果、努力してもなかなか画期的な研究ができない、いわば 研究のぶどまりが悪いという状況になっている。若い人が参加しようとしても、 勉強すべき過去の蓄積が多く、研究のスタートラインに立つまでが長いのも、 近代科学としての歴史の長い分野の特徴だろう。正規の大学院教育を受けてでさえ そうなのだから、アマチュアの出るまくはないということにもなる。また、理論を 勉強するのが気象学の正道であるような印象が広まると、博物学的な部分は冷遇 されるようになる。いわば、自然科学としての根を失う心配もあるのである。
データが多いのも、近代化した気象学の特徴である。データがありすぎて解析が 追いつかないという事態になっている。一方で、大量のデータのそれぞれの部分の 価値をしっかり認識できる人は少ないから、ある立場では必要なデータも、粗末に されるということも起こっている。
このようなわけで、筆者としては、気象学が地球科学の他分野よりも魅力がある とは思えなくなっている。ただ、議論を展開しているうちに、「アマチュアの 出るまくがない」ことと、「データに解析が追いつかない」という二つの問題は 同時に解決できそうに思えてきた。博物学的動機をもったアマチュアの人に、 グローバルデータを観察してもらえばよい。
モデリングの先進国である気象学の経験から、モデリングといえども万能では ないことがわかってきた。 Full modelが完成した状態は幸福ではないかもしれない。 しかし、少なくともfull modelを建設するという営みの効用は大きい。対象とする 系の物質収支・エネルギー収支に効く項を全部数え上げなければならないから、 現在の認識のどこが弱いかが認識できるわけである。これが、人類にとっての環境 としての地球・惑星の理解を進める上で、努力すべき道の一つであると考える。
固体地球の分野に full model という方法論を導入することは、気象の分野に 比べてはるかに困難だと言えよう。これまでにあるマントル対流などのモデルは、 いわば力学というプロセスのモデルという性格が強い。多成分・多相の物質を正面 から扱わなければ、定量的に観測事実と比較できるようなモデルにはなりにくい。 そのような構成方程式を含んだ力学の計算結果を、他の研究分野から輸入してくる ことは期待薄である。また、モデルの検証のための観測網も社会的需要に応じて 作られた現業観測網だけには頼れないし、人間の寿命では検証不可能なことも 多い。地球全体はまだ進化途上であるという観点からは、モデル系の統計的定常 状態を議論の対象とする Manabeパラダイムはとれないから、 別の研究方法論も必要 になる。人間の１世代で完成するものではないだろうが、次の世代につないで努力 する価値のあることではないだろうか。
わたし自身は当面、大気大循環モデルを地質時代の気候を考えるための道具に 使う構想をあたためている。この方法は、真鍋はじめ多くの先達があるのだが、 日本の研究コミュニティに定着させることにも意味があるだろうと考えている。 固体地球のモデリングに関しては、外野でもんくを言っているにすぎないのだが、 だれかが作ってくれたらぜひ使いたいと思っている。それは固体地球にとっては 短期的な問題で、第四紀の海面変動である。氷の変動、マントルレオロジー、 気候変動をあわせて考えたモデルにより、海岸段丘をはじめとする各種のデータ を 「４次元同化」して、 できるかぎり正確な変動像を得たいと思うのである。
この試論は筆者ひとりの文責で書いたものではあるが、阿部豊さん(名古屋大学 水圏科学研究所[1995年現在、東京大学理学系地球惑星物理専攻]) をはじめとする、元・東京大学理学部地球物理学科 気象研究室 のみなさんとの議論に負うところが大きい。