地球温暖化と水循環の変化

Kooiti MASUDA: "Global warming" and associated changes in the hydrological cycle

日本第四紀学会シンポジウム 「環境問題・自然災害を第四紀学から考える」 (2006年8月6日) での講演のプレゼンテーションファイルをHTMLに書きかえたものです。 参考文献は別の文献リストへの参照としました。 プレゼンテーションファイルの図のうち、 他人の著作から引用した図の一部は、 ここでは省略し、文献参照だけを示しています。

温暖化の理解 ⇔ 気候システムの理解 ⇔ 古気候とくに氷期サイクルの理解

科学史的できごと (網羅的ではない)

• 1863ほか Tyndall 温室効果論 ... 氷河時代に関心
• 1896ほか Arrhenius 温室効果論 ... 古気候 +人為起源
• 1930ほか Milankovitch 軌道要素による氷期の理論
• 1938ほか Callendar 人為起源温暖化、古気候にも関心
• 1957(出版1960) Keeling 大気CO₂連続測定開始
• 1965(出版 Mitchell 1968) INQUA「気候変化の原因」会議
• 1967 Manabe+Wetherld 鉛直1次元モデルによるCO₂倍増実験
• 1975 Manabe+Wetherld 大気大循環モデルによるCO₂倍増実験
• 1975 アメリカGARP委員会報告書 気候システムの概念図
• 1982 Neftel et al. 氷床コアから氷期の大気中CO₂濃度
• 1985(出版 Bolin et al. 1986) SCOPE Villach会議
• 1988 IPCC発足, 1990, 1995, 2001 IPCC報告書

参照: Weart (2003); 大場 (2005)

気候システム (あるいは、地球表層システム)

• 大気・海洋・雪氷(・陸水・生物圏)などのサブシステムからなる。
• サブシステム間で物質(とくに水)・エネルギー・運動量を交換する。
• 外因(太陽、固体地球)と内因(サブシステム間作用)によって変動する。

出典: U. S. Commitee for GARP (1975)。 日本語訳は増田による。

気候変化(変動)の外因・内因 ... エネルギー収支の観点から

気候システムのエネルギーの変化 = 受けとる太陽放射 - 射出する地球放射

• 地球が受けとる太陽放射の変化
  • 太陽から出る放射の強さの変化
  • 太陽・地球の幾何学的関係による変化
    • 日変化、年変化、軌道要素変化=Milankovitch forcing
  • 太陽・地球間の物質の変化 (ほとんど不明)
  • 地表面の太陽放射反射率(アルベド)の変化
    • 雪氷 (*)
    • 土地被覆変化 (人間活動起源が重要)
• 地球放射の変化 ... 温室効果気体濃度の変化
  • 水蒸気 (*)
  • 二酸化炭素、メタンなど (人間活動起源が重要)
• 太陽放射(アルベド)・地球放射(温室効果)の両方に影響するもの
  • 雲 (*)
  • エーロゾル (火山起源、生物起源、人間活動起源)

(*)水の循環や相変化は気候システム内部のフィードバック(内因)として働く

参照: 町田ほか (2003) 4.2節。

地球温暖化と呼ばれる問題

(便宜上、二酸化炭素が関係する部分に限る)

• (a) 人間活動、とくに化石燃料の燃焼によって、二酸化炭素(CO₂が 大気中に排出されている。その約半分以上は百年以上の時間スケールで大気中に残る。
• (b) 大気中のCO₂は赤外線を吸収・射出するため、 それが増加することは地上気温(地表に近い空気の温度)を上げようとする働き [温室効果の強化]をする。
• (c) その結果として、全球平均地上気温の上昇を含む、しかしそれに限られない、気候の変化が起こる。
• (d) この気候変化には、生態系および人間社会にとって有害な影響がある。 (有益な影響もあるだろうが、被害者と受益者が違い、埋め合わせることはできない。)
• (e) 人類が健全に(大惨事を招かずに)生き続けるためには、気候変化への適応策と、CO₂排出を減らす策の両方が必要だと考えられる。

この(a)-(c)の認識は、IPCCの第3次報告書(2001年)の時点で、関連する科学者の大多数の共通認識となった (Weart 2003; Oreskes 2004)。 なお残る懐疑論への反論的コメントは、 増田ほか (2006)、 明日香ほか (2006), 明日香ほか「天気」投稿準備中。

温室効果が地上気温を上げるように働くことの説明

大気のうち対流圏の平均鉛直温度勾配は対流で決まっておりほぼ一定。 定常状態では、気候システムが受けとる太陽放射と、宇宙空間に出ていく地球放射とがつりあっている。 地球放射は近似的に温度T_eの黒体放射で、その温度をもつ高さAから射出されるとみなす。 温室効果物質が多いと、赤外線の目で見て、大気がより不透明になる。 外から見た地球放射の射出源の代表高さは、高いところ(A')にずれる。 そこの温度(T_e')は低いので、地球放射射出は受けとる太陽放射より少ない。 対流圏の温度は、エネルギー収支がつりあうところ(破線)まで上昇する。

出典: 真鍋 (1985)。

「応答」としての気候変化: 定常応答

まず、CO₂濃度を気候システムへの強制作用(forcing)と考え、 それに対する「定常応答」を考える。つまり、それぞれ一定のCO₂ 濃度が続く複数の世界を仮定し、長期平均状態どうしを比較する。

全球平均地上気温の定常応答はCO₂濃度の対数にほぼ比例する。 つまり、CO₂が倍増するごとに温度は一定値だけ上昇する。

この一定値は1.5〜4.5 ℃の範囲にはいる可能性が高い (次ページで紹介する新しい研究参照)。

図は古いモデル計算で、温暖な範囲(図の上半分)でだけ感度が現実的。 横軸はCO₂濃度で、対数めもり。Xが現在の大気中の値に対応。

図の出典: Manabe and Bryan (1985), 図A2。

「応答」としての気候変化: CO2倍増に対する定常応答の確率分布推定

Using multiple observationally-based constraints to estimate climate sensitivity

出典: Annan and Hargreaves (2006), 図1。 海洋研究開発機構からの報道発表(2006年3月1日) http://www.jamstec.go.jp/frcgc/jp/press/060301/index.html参照。

「応答」としての気候変化: 過渡応答

現実の気候変化は、各時点のCO₂濃度への定常応答をつないだものよりは、遅れて起こる。 遅れかたは、たぶん、線形応答の考えを応用して、時間 t の指数関数 exp(-t / τ) を含む形で近似できるだろう。ただし、ここでτと書いた時定数はひとつではない。

図の出典: IPCC (2001) 総合報告書, 図SPM-5。 日本語は増田による。

IPCCで使われている主要な気候「予測」(projection)の流れ

• (1) 21世紀末ごろまでの社会のありかたについて複数のシナリオをつくり、 それぞれのシナリオでの人間活動による温室効果気体(およびエーロゾル)の排出量を推計する。 現在IPCCでの標準としては、2000年に出版されたSRES (Special Report on Emission Scenarios)という報告書にあげられたシナリオ(大きな類型が4つ、さらに細分) が使われている。
• (2) 大気・海洋(海洋生態系を含む)・陸上生態系の間の炭素循環のモデル (大循環モデルよりは簡単な構造)に、(1)のそれぞれのシナリオの排出量を与えて、 大気中の温室効果気体(およびエーロゾル)濃度のシナリオを作る。
• (3) 大気・海洋結合大循環モデル(炭素循環の計算は含まない)に(2)の 濃度シナリオを与えて、気温その他の気候変数を計算する (多数の機関で実施)。 なお、(2)+(3)に代わって、大循環モデルに炭素循環の予測型計算も含めた地球環境システムモデルによるprojectionも始められている。
• (4) (3)で得られた気候変数を使って生態系や社会への影響を推定する。

参考: 近藤 (2003) (主に2001年のIPCC第1部会第3次報告書について); 小池 (2006) (主に2007年のIPCC第4次報告書に向けた日本での研究について)。

予測できない「驚き」の気候変化

気候システムは非線形システムであり、そのフィードバックのうちにはまだモデル化されていないものもある。 過去には、たとえば第四紀の最終氷期中のDansgaard-Oeschger振動などの急激な気候変化があった。 今後百年の間にも、意外な急激な変化が起こる可能性を否定はできない。

「急激な気候変化は自然にもおこりうるので、CO₂排出抑制は意味がない」と論じる人もいる(「自然は気まぐれ」型自然観)。 しかし、「人為起源のCO₂濃度変化は地球史的に見ても急な強制作用であり、急激な気候変化の確率を高めるだろう」という主張に分がありそうだ。

自然に対する先入観の4類型

自然は丈夫(上)、自然は恵み深く意地悪(下)

...

自然はもろい(上)、自然は気まぐれ(下)

「自然に対する先入観の4類型」の気候への適用は、 Maslin (2004), 図8。 用語の日本語訳は Marten (2001)の日本語版第9章による。

(予測ではないが) 想像はされている「驚き」の気候変化

いずれも確率は不明でたぶん低いと思われる。

• 海洋深層の熱塩循環の体制の変化。
  • たとえば、温暖化で北大西洋高緯度での降水がふえると、そこでの沈みこみが弱まり、深層循環が止まり、全球的には温暖化してもヨーロッパは寒冷化する可能性もある。
• 西南極氷床の崩壊。
  • 氷の表面質量収支変化による千年スケールの変化とは別の問題として、氷床末端の棚氷の崩壊によって氷の流動が速まるという力学的プロセスで百年スケールで氷床が崩れる可能性が指摘されている。もし崩壊すれば海水準が数メートル上昇する。
• メタンハイドレートの崩壊。
  • 海底や大陸の凍土中にあるメタンハイドレートが分解し、メタンが大気中に放出され、温暖化を加速する可能性がある[注]。
• 森林の崩壊。
  • Peter Coxほか (イギリス Hadley Centre)のシミュレーションは、気候変化の結果アマゾンの降水が減り森林が成立できなくなるという結果を示している。森林の崩壊はCO₂源でもあり温暖化を加速することになる。
• エルニーニョ・南方振動(ENSO)の停止。
  • 温暖化すると、ENSOは少しエルニーニョ側に偏って振動を続けるという予測が多数派だが、エルニーニョまたはラニーニャの一方の状態に固定する可能性を指摘する人もいる。

参考: Schellnhuber (2006), Maslin (2004), Pittock (2005), Oldfield (2005)。 とくに海洋深層の熱塩循環の体制の変化に関しては、 Alley (2000), NRC (2002), John Cox (2005), Weart (2004)。

[注] このうち、温暖化によって陸上の凍土中のメタンハイドレートが分解することは、 もはや驚きではなく応答として考慮されるべきことだろう。 海底では、温暖化に伴って海水準が上昇すれば、 圧力がふえるのでハイドレートの分解は起こりにくくなると予想される。 しかし、氷床の融解が進むとその周辺地域では、 氷床の重みがなくなったのに応じた固体地球の変形で 陸に相対的に海水準が下がるので、 圧力が下がってハイドレートが分解する可能性がある (Maslin, 2002)。

水循環: 地球上の水の存在量(箱)と移動量(矢印)

出典: Oki (1999), 2章。 日本語訳は増田による。

水循環 : 現在の全球平均(海陸を区別しない)の水循環の数量

• 降水量 = 蒸発量 = 1000 mm / 年 = 2.7 mm / 日
• 大気中の水蒸気量 ... 液体の水の 25 mm の層に相当
• 「水蒸気の平均滞在時間」 = 水蒸気量 / 降水量 = 9 日
• 「水蒸気の循環速度」 = 降水量 / 水蒸気量 = 1 / (9 日) = 0.11 ×(1 / 日)

温暖化すると水循環はどうなるか ... 単純な考え

全球の地上気温が上がると...

• 海面に接した大気は水蒸気で飽和しているのでその水蒸気量はふえる。
• 大気全体の水蒸気量もたぶん飽和水蒸気量にほぼ比例してふえる。

降水量、蒸発量もこれにほぼ比例してふえるか?

循環速度は一定か?

温暖化すると水循環はどうなるか ... 単純な考え、つづき

しかし、

• 地表面からの蒸発にはエネルギーの制約もある。
• 温暖化に伴って地表面での正味下向き放射は増加するが、 飽和水蒸気量の増加ほど急激ではない。
• 蒸発量および全球平均の降水量は、ふえるが、飽和水蒸気量の増加ほど急激ではない。
• 水蒸気の循環速度は遅くなる。

ただし、まわりから水蒸気を集めることのできる場所での ローカル・短時間の降水量は、飽和水蒸気量の増加と同様に増加することができる。

参考: 鬼頭 (2005)。

温暖化に伴う水蒸気循環速度の変化

(大気海洋結合シミュレーション)

気象研究所cgcm2.2 T42、温室効果物質濃度はIPCCのシナリオA2

循環速度 3.5回/月 ⇒ 3.0回/月

出典: 五十嵐ほか (2004)の ポスター発表の図から編集。

温暖化に伴う降水量の変化

(シミュレーション、IPCC第4次向けまとめ)

(将来[2081-2100年] - 現在[1981-2000年]) / 現在 の百分率。

• 年平均降水量の相対変化
  • 高緯度で増加, 亜熱帯で減少, 熱帯で増加 ...基本的帯状構造の強化
  • 東太平洋熱帯収束帯で増加, 西太平洋熱帯では増加少ない ...ややエルニーニョ型にシフト
• 大雨の降水量(各年の上位から4ばんめの日降水量)の相対変化
  • 平均降水量はふえなくても大雨が強まるところがある

出典: Emori and Brown (2005)。 海洋研究開発機構からの報道発表(2005年8月29日) http://www.jamstec.go.jp/frcgc/jp/press/050829/index.html参照。

温暖化に伴う降水特性の変化 (シミュレーション)

気象研究所の第1世代大気大循環モデル(海洋混合層の熱容量を含む)。

各時刻に地球上で降水のある面積と、降水のあるところでの平均降水強度。

CO₂倍増実験(点)は現在気候実験(×印)よりも面積は狭く降水強度は大きい。

出典: Noda and Tokioka (1989)。 増田・田辺(1994)でも紹介した。

(参考) 現在の気候のもとでの温帯と熱帯の雨の降りかた

(温帯と熱帯の違いは、温度だけでなく、地球の自転の効果の違いもあるが、) 気温が高いほど、雨は短い時間に集中して降る傾向がある。

タイ気象庁(TMD)のデータおよび日本の気象庁データにより、増田作図。

温暖化すると水資源・水災害はどうなるか ... 単純な考え

水循環の変化の時空間分布がどうなるかで変わってくること

• 楽観論
  • 水循環のパターンは基本的には変わらない
  • 循環する水の量はふえる ... 使える水の量もそれに比例してふえる(だろう)
• 悲観論
  • 雨は集中して降る ... 洪水がふえる [要注意: 中国南部の夏・秋、東南アジアの雨季]
  • その他のところでは、雨はふえず、蒸発だけがふえる ... 水不足になる [要注意: 北アメリカ大平原の夏]
  • 変動幅が大きくなる ... 洪水と水不足の両方の確率がふえる地域もある

温度の変化だけから予測できること

• 雪が雨に変わる ... 積雪が減り、河川流出の季節配分が変わる。 冬の降水をためるしくみがないと、春・初夏に使える水は減る。 (ダムを作れと簡単には言えない。堆砂や生態系への影響もある。)

温暖化に伴う河川流量の変化

(シミュレーション、IPCC第4次向けまとめ)

[2081-2100年]ひく[1981-2000年]の平均どうしの差の相対値(%)。 19のモデルのIPCC SRES A1Bシナリオに基づく実験結果の重みつき平均。 流出高から流量への変換は野原(気象研、現APCC)が沖の方式で計算。

出典: Nohara et al. (2006), 図8下側。

温暖化に伴う積雪水量の変化

(シミュレーション、気象研究所モデル)

大気の水平分解能20km。海面水温は別に計算した結果を与えた。

1979-1998年平均 [2080-2099年]ひく[1979-1998年] (液体水換算 mm)。

• 冬
  • 高緯度では全般に増加 (降水量増加)
  • 中緯度では全般に減少 (雪から雨へ)
• 夏
  • 高緯度でも全般に減少

出典: Hosaka et al. (2005), 図4。

水循環の変動に対してどんな対応策をとるべきか?

これまで異常と考えられていた値が出現する確率がふえそうだ。

⇒適応の幅を広げることと、予測精度を上げる(適応の対象をしぼりこむ)ことが必要。

(例の図は、ある川の流量の37年間の階級別頻度と、それを仮想的に変形したもの)