Hugues Goosse (2015) Climate System Dynamics and Modelling

  • Hugues Goosse, 2015: Climate System Dynamics and Modelling. Cambridge UK: Cambridge University Press, 358 pp. ISBN 978-1-107-08389-9 (hardback), 978-1-107-44583-3 (paperback).

2015年に出た本。わたしは、2019年4月に、気候変化についての英語での授業の参考書をさがしているときに見つけた。気候システムとその数値モデルに関する、大学院初級または学士課程で関心のある学生むけの教科書だ。題材のえらびかたは、わたしが教えたいこととよく合っている。ただし、全ページ(普通紙だが)カラー印刷にしたせいかもしれないが、値段が高めで、日本の洋書やで買うとペーパーバックでも7000円以上した(2020年3月)。気候システムを専門にする大学院生にならばすすめられるが、授業をとるだけの学生にはすすめにくい。ただし、世界的不幸のおかげで申しわけないが、Cambridge大学出版が2020年5月末まで限定で無料アクセス可能にした「Cambridge Core」の本の群にはふくまれている。それ以外のときは、本書の原型となった、著者が大学ウェブサイトの www.climate.be/textbook で公開しているバージョンを使うのがよいかもしれない。

著者の所属はベルギーのLouvainカトリック大学 (フランス語圏のほう)で、1980年代に天体力学から氷期サイクルの気候変化に専門をうつしたAndré Berger が始めた気候の研究室らしい。本書の英語つづりは、題名にもあらわれているように、イギリス式のところがある。

全6章。第1章は気候システムの概観。大気、海洋、雪氷圏、陸面・陸上生態系。

第2章は気候システムのエネルギー収支、水循環、炭素循環。そのうちエネルギー収支は、気候システム全体の「大気上端」での放射収支から始め、温室効果の基本、地球の自転と公転による緯度別・季節別の太陽放射の分布、エネルギーのたまり、緯度間のエネルギー輸送、地表面エネルギー収支をあつかう。

第3章は気候システムのモデル。単純な0次元エネルギー収支モデルから複雑な大循環モデルや「地球システムモデル」にわたる複雑さの階層を考える。おもに大循環モデルをつかった研究のスタイルを理解することをねらっているようだ。

第4章は、気候システムの、強制 (とくに放射エネルギーフラックスによる強制) への応答とフィードバック。まず物理的気候システムのエネルギー収支にかかわるもの。それから生物地球化学サイクルの炭素循環にかかわるもの。

第5章は古気候。さきに簡単に気候システムの(強制がなくてもおこる)内部変動と考えられるいくつかの年々変動モードの話がある。それから古気候復元の方法の話、地球史のなかの気候の変遷。重点は(Bergerの学派らしく)第四紀の氷期サイクルの地球の公転・自転のパラメータ変化にともなう日射量変化を強制とした説明にあるようだ。

第6章は未来の気候変化。大部分は今後約百年の気候の予測型シミュレーション(projection)の話。少しだけ、もっと長期の見とおしの話。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
Contents
Preface
Acknowledgements
Main Symbols and Acronyms, Including Typical Values for Constants
1. Description of the Climate System and Its Components
– 1.1 Introduction
– 1.2 The Atmosphere
– – 1.2.1 Composition and Temperature
– – 1.2.2 General Circulation of the Atmosphere
– – 1.2.3 Precipitation
– 1.3 The Ocean
– – 1.3.1 Composition and Properties
– – 1.3.2 Oceanic Circulation
– – 1.3.3 Temperature and Salinity
– 1.4 The Cryosphere
– – 1.4.1 Components
– – 1.4.2 Properties
– 1.5 The Land Surface and the Terrestrial Biosphere
– Review Exercises [以後の章については省略]
2. Energy Balance, Hydrological and Carbon Cycles
– 2.1 The Earth’s Energy Budget
– – 2.1.1 The Radiative Balance at the Top of the Atmosphere: A Global View
– – 2.1.2 The Greenhouse Effect
– – 2.1.3 Present-Day Insolation at the Top of the Atmosphere
– – 2.1.4 The Radiative Balance at the Top of the Atmosphere: Geographical Distribution
– – 2.1.5 Heat Storage and transport
– – 2.1.6 Energy Balance at the Surface
– 2.2 The Hydrological Cycle
– – 2.2.1 Global Water Balance
– – 2.2.2 Water Balance on Land
– – 2.2.3 Local Water Balance and Water Transport
– 2.3 The Carbon Cycle
– – 2.3.1 Overview
– – 2.3.2 Oceanic Carbon Cycle
– – 2.3.3 Terrestrial Carbon Cycle
– – 2.3.4 Geological Reservoirs
– – 2.3.5 The Methane Cycle
3. Modelling the Climate System
– 3.1 Introduction
– – 3.1.1 What Is a Climate Model?
– – 3.1.2 Types of Models
– 3.2 A Hierarchy of Models
– – 3.2.1 Energy-Balance Models and Simple Dynamic Systems
– – 3.2.2 Intermediate-Complexity Models
– – 3.2.3 General Circulation Models
– – 3.2.4 Regional Climate Models
– – 3.2.5 Statistical Downscaling
– 3.3 Components of a Climate Model
– – 3.3.1 Atmosphere
– – 3.3.2 Ocean
– – 3.3.3 Sea Ice
– – 3.3.4 Land Surface
– – 3.3.5 Marine Biogeochemistry
– – 3.3.6 Ice Sheets
– – 3.3.7 Aerosols and Atmospheric Chemistry
– – 3.3.8 Earth System Models: Coupling between the Components
– 3.4 Numerical Resolution of the Equations
– – 3.4.1 A Simple Example Using the Finite-Difference Method
– – 3.4.2 Consistence, Convergence, Stability and Accuracy
– – 3.4.3 Time and Space Discretisations Using Finite Differences
– – 3.4.4 Spectral Representation, Finite-Volume and Finite-Element Methods
– 3.5 Model Evaluation
– – 3.5.1 Testing, Verification and Validation
– – 3.5.2 Evaluating Model Performance
– 3.6 Combining Model Results and Observations
– – 3.6.1 Correction of Model Biases
– – 3.6.2 Data Assimilation
4. Response of the Climate System to a Perturbation
– 4.1 Climate Forcing and Climate Response
– – 4.1.1 Notion of Radiative Forcing
– – 4.1.2 Major Radiative Forcing Agents
– – 4.1.3 Equilibrium Response of the Climate System: A Definition of Feedback
– – 4.1.4 Direct Physical Feedbacks
– – 4.1.5 Transient Response of the Climate System: Ocean Heat Uptake
– 4.2 Physical Feedbacks
– – 4.2.1 Water-Vapour Feedback and Lapse-Rate Feedback
– – 4.2.2 Cryospheric Feedbacks
– – 4.2.3 Cloud Feedbacks
– – 4.2.4 Soil-Moisture Feedbacks
– – 4.2.5 Advective Feedback in the Ocean
– 4.3 Geochemical, Biogeochemical and Biogeophysical Feedbacks
– – 4.3.1 Concentration-Carbon and Climate-Carbon Feedbacks
– – 4.3.2 Interactions between Climate and the Terrestrial Biosphere
– – 4.3.3 Calcium Carbonate Compensation
– – 4.3.4 Interaction among Plate Tectonics, Climate and the Carbon Cycle
– 4.4. Summary of the Most Important Feedbacks
5. Brief History of Climate: Causes and Mechanisms
– 5.1 Introduction
– – 5.1.1 Forced and Internal Variability
– – 5.1.2 Time Scale of Climate Variations
– 5.2 Internal Climate Variability
– – 5.2.1 El Niño – Southern Oscillation
– – 5.2.2 North Atlantic Oscillation
– – 5.2.3 Southern Annular Mode
– – 5.2.4 Atlantic Multi-Decadal Oscillation and Pacific Decadal Oscillation
– 5.3 Reconstructing Past Climates
– – 5.3.1 Records of Past Climate Changes
– – 5.3.2 Dating Methods
– – 5.3.3 An Important Example: Reconstructions Based on Isotopes
– 5.4 Climate since the Earth’s Formation
– – 5.4.1 Precambrian Climate
– – 5.4.2 Phanerozoic Climate
– – 5.4.3 Cenozoic Climate
– 5.5 The Last Million Years: Glacial-Interglacial Cycles
– – 5.5.1 Variations in Astronomical Parameters and Insolation
– – 5.5.2 The Astronomical Theory of Paleoclimates
– – 5.5.3 Glacial-Interglacial Variations in the Atmospheric CO2 Concentration
– – 5.5.4 Millennial-Scale Variability during Glacial Periods
– 5.6 The Last Deglaciation and the Holocene
– – 5.6.1 The Last Deglaciation
– – 5.6.2 The Current Interglacial
– – 5.6.3 The Past 2000 Years
– 5.7 The Last Century
– – 5.7.1 Observed Changes
– – 5.7.2 Detection and Attribution of Recent Climate Changes
6. Future Climate Changes
– 6.1 Scenarios
– – 6.1.1 The Purpose of the Scenarios and Scenario Development
– – 6.1.2 Special Report on Emission Scenarios (SRES)
– – 6.1.3 Representative Concentration Pathways (RCPs)
– 6.2 Climate Changes over the Twenty-First Century
– – 6.2.1 Model Ensembles
– – 6.2.2 Decadal Predictions and Projections
– – 6.2.3 Changes in Global Mean Surface Temperature
– – 6.2.4 Spatial Distribution of Surface Temperature Changes
– – 6.2.5 Spatial Distribution of Precipitation Changes
– – 6.2.6 Changes in the Ocean and Sea Ice
– – 6.2.7 Changes in Modes of Variability
– – 6.2.8 Changes in Climate Extremes
– – 6.2.9 Changes in the Carbon Cycle
– 6.3 Long-Term Climate Changes
– – 6.3.1 The Carbon Cycle
– – 6.3.2 Sea Level and Ice Sheets
– – 6.3.3 Abrupt Climate Changes
Concluding Remarks
Glossary
Cited References and Further Reading
Solutions of the Review Exercises
Index

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