河宮 未知生 (2018) シミュレート・ジ・アース — 未来を予測する地球科学

  • 河宮 未知生, 2018: シミュレート・ジ・アース (Simulate The Earth) — 未来を予測する地球科学。ベレ出版, 263 pp. ISBN 978-4-86064-562-5.

2018年10月の新刊。地球科学に、計算機を使った数値シミュレーションがどのように使われているかを紹介する本。ただし、著者のおもな仕事が、地球温暖化の予測型シミュレーションをふくむ気候のシミュレーションなので、話題の大部分は気候・気象・海洋のシミュレーションだ (最後の第8章には地震の話題もあるが、その話題を期待する人にすすめられる本ではない)。本屋さんで地球科学の本がたくさんある場合に、地球科学全般か、気候・気象・海洋の本といっしょに置かれているのはよいのだが、地震や地質や土壌の本といっしょに置かれているのはうまくないと思った。

初歩むけのたとえ話もあり、先端の研究の紹介もある。ただ、その中間に飛躍がある感じがする。研究内容にたちいって理解するために必要な基礎概念は、短い本では説明しきれないから、教科書的な本などに誘導するのが適切だろう。第1章と第2章には、参考文献として日本語で書かれた入門書・教科書的なものがあげられている。しかし、あとは、第3章はカオス論の古典だが難解な論文だけ、第5章はIPCC (気候変動に関する政府間パネル)の報告書だけ、第6章は同僚研究者の研究論文(複数)とIPCC報告書、といったぐあいで、いずれも英語だし、英語が読めても基礎概念の勉強ができていないとわからないだろう。著者は研究プロジェクトのリーダーとして、専門外の人(とくに、研究資金を出してくれる政府機関の人や、研究者の雇い主になってくれる法人の経営者など)に、研究成果を説明したり、次の研究計画を説明したりすることに多くの労力をつかっている。その努力の成果を世の中一般にもひろめるのは有益なことだと思う。しかし、研究所では、すでに研究能力のある人を雇うから、基礎教育の材料をそろえることは本業ではない。基礎概念を勉強するには、大学教員が書いた本に期待したほうがよさそうだ。

第1章の話題は、シミュレーションの歴史だが、Richardsonが1922年の著書で示した数値天気予報の考えかたから出発して、当時は知見が不足していてその後に克服されたところもあるものの、大きく見れば同じ発想が第2次大戦後の計算機の発達によって実用になってきた、という話になっている。【細かいことだが、図1.3はたしかに「タイガー計算機」なのだが、この名まえは日本のブランドで、Richardsonがそれを使ったというのは正確ではないと思う。だいたい同様な手動卓上計算機を使ったのだろうと思うが。】

第2章は大気・海洋のシミュレーションのためのモデルの組み立ての考えかたの説明。運動方程式を中心とする力学、大気分子が電磁波(光や赤外線)を吸収したり射出したりする放射伝達など、物理法則にもとづく。ただし連続変数のままだと計算しきれないので、空間をマス目に切って(著者の説明用の表現では「ぶつ切りにして」) 計算する。マス目で表現しきれないところは経験則によって構成する。モデルには不確かさがある。基本とする物理法則は同じでも、マス目の大きさの制約や、経験則としてどんなものを使うかによって、モデルどうしのちがいが生じる。

第3章は天気予報への応用。観測値をそれまでのシミュレーション結果とくみあわせて初期値をつくる(専門用語では「データ同化」という)。予報計算の結果は、初期値のわずかなちがいが拡大する、Lorenz (ローレンツ)のいう「カオス」の性質をもつ。これは有意義な予報の限界をもたらすが、初期値にわざとわずかな差をあたえた計算を複数おこなう「アンサンブル予報」という方法によって克服する努力がされている。

第4章は過去の気候を再現するシミュレーション。おもに、地球史のうちでは最近の約百万年間の氷期サイクルが地球の公転・自転の軌道要素変化を原因として説明できるかという話。約2万年前の氷期の気候状態のシミュレーション、最近千年間の時系列的シミュレーションも紹介されている。

第5章は地球温暖化に関する仕事。すでに温暖化がおきているかどうかを検出し、それが人間活動による温室効果気体増加の結果といえるかどうかを評価する仕事もある。将来の温暖化の予測型シミュレーションもある。社会の変化については(複数の)シナリオを仮定し、二酸化炭素などの排出量あるいは濃度を与えられたところから、気候と生態系の変化をシミュレートする。生態系の変化は二酸化炭素濃度へのフィードバックもあるから、それを表現できる炭素循環のシミュレーションもしている。

第6章。台風などの極端気象現象や、猛暑などの異常天候のシミュレーション。台風の発生や動きをよりよく再現するには、空間分解能を細かくして広域を表現できるようなモデルの開発も必要だ。温暖化が進むと台風や異常天候の頻度がどう変わるかを知るための研究もある。すでにおきた異常天候の原因としてすでに進行している地球温暖化がどのくらい重要かを評価する event attribution という種類の研究もある。

第7章は、海洋と大気の相互作用をふくむ年々変動、とくにエルニーニョ現象の予測の話。

第8章は、気候以外の地球科学の話題。おもに地震に関する話題がとりあげられている。震源でおこる岩石破壊現象、地震波が伝わること、地面がゆれること、建物が破壊されること、人が避難などの行動をとることなどが、連関しておこることはわかる。しかし、さまざまなシミュレーションの話題がそれぞれ簡単に紹介されるので、それぞれの研究ごとに、何をモデル化の対象とし、何を条件として与え、結果の何を見るのかがちがうと思うのだが、それがうまくつたわってこない。また、将来構想として「マルチフィジックスシミュレーション」または「連成シミュレーション」という概念がしめされている。これまで別々にあつかわれていた二つずつのプロセスをつないでみることの意義はわかる。おそらく震源過程から人の行動まで一気にシミュレートする(そして大雨などの気象も関与した複合災害も表現する)モデルをつくることを本気で考えているわけではないと思うのだが、構想の文面はそう読めてしまう。もしそれをやると約束して予算がついたら壮大なむだづかいになるだろうと心配してしまった。

折り返しのあとにくわしい目次をつける。

== 目次 ==
口絵
まえがき
もくじ
第1章 シミュレーションの歴史といま
– シミュレーションという概念
– シミュレーション事始め
– コンピュータの発明
– 数値シミュレーションの発展と日本人の活躍
– コンピュータの発展と数値シミュレーション
第2章 シミュレーションの原理と仕組み
– 身近なシミュレーション
– 気象や気候を表す数式 1 — 状態方程式と運動方程式
– 気象や気候を表す数式 2 — 放射伝達方程式
– 数式をぶつ切りにする
– 数式をコンピュータに解かせる
– マス目で表しきれないもの
– 熱帯域の対流活動
– そのほかの経験則
– シミュレーションモデルにつきまとう不正確さ
第3章 シミュレーションでわかるいまの地球
– 全体の流れ
– さまざまな観測
– 予報とモデルの種類
– 予報円の見方
– カオスについて
– カオスと天気予報
– アンサンブル予報
– バタフライ効果
第4章 シミュレーションでわかる過去の地球
– オンザロックか、科学データか
– 同位体でわかる太古の環境
– ミランコビッチ・サイクルの話
– その他の要因
– 数値シミュレーションによる古気候研究
– 古気候シミュレーションの入力データ — いまと何が違うのか
– 最終氷期のシミュレーション
– 過去1000年の気候変動シミュレーション
– 古気候研究が投げかける問い
第5章 シミュレーションでわかる未来の地球
– 地球温暖化の仕組み
– 温暖化の検出
– 温暖化の予測
– 炭素循環のシミュレーション
– さまざまなフィードバック
– 温暖化予測の不確かさ
第6章 シミュレーションで挑む極端現象と異常気象
– 台風のシミュレーション
– 台風が発生する仕組み
– 台風の予報
– 高解像度モデルの開発
– 台風の発生予測に向けて
– 温暖化と台風
– 異常気象と地球温暖化の関係
– シミュレーションによる評価
– イベント・アトリビューションの課題と将来
第7章 シミュレーションで読み解くエルニーニョ
– エルニーニョとは、そもそも
– 地球規模のエルニーニョ
– エルニーニョ・ラニーニャに伴う天候異常
– 天気予報とエルニーニョ予測
– エルニーニョ予測の精度
– 予測の障壁: スプリングバリア
– スプリングバリア vs ゴジラ
– 新しいエルニーニョ
– 将来のエルニーニョ
第8章 シミュレーション地球科学の展望
– 地球科学とシミュレーション
– 地震を表す数式
– 緊急地震速報から震源の特定まで
– 地震の科学的理解に向けて
– 地震の予知
– シミュレーション地球科学
– 解像度の向上
– データ同化手法の高度化とアンサンブル予報の拡充
– 地震 連成シミュレーション
– 人と地球と宇宙のシミュレーション
あとがき
さくいん

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