Syukuro Manabe [真鍋 淑郎] & Anthony J. Broccoli (2020) Beyond Global Warming [メモ その2]

本の概略と目次の書きぬきは[2020-02-04の読書メモ]に書いた。その後、紙の本も買って、2020年11月、なんとか読みとおした。今回の[メモ その2]では、全10章のうち第5章までの要点と思ったことを書いておく。第6章以後は、後日に追加する(この記事に書きたすか、別の記事にするかは未定)。

真鍋さんがながらくPrinceton大学の大学院でつづけてきた講義の資料をもとに、GFDLで部下だったBroccoliさんとともに本の形にまとめたものだ。わたしが1983年に東大できいた講義とおおすじは変わらないが、あたらしい材料がくわえられている。

内容にはいるまえに図について気づいたことを書いておく。本書の話題には、いろいろな数量の、北極から南極まで、あるいは赤道から極までの、南北分布の図が多いのだが、本書ではいつも図の左側を北にしている。わたしは左側を南にすることにしたので、比較するのには左右を反転しなければならない。この件に統一された標準はなく、著者ごとの習慣があるだけなのだ。

序文で、数理モデルは、予測だけでなく、(地質学的過去の気候をもふくむ)気候の基本的物理過程の理解にやくだつ、と言っている。

第1章。序論。話を世界平均地表温度がすでに上昇しているという事実からはじめている (この点は今ふうだ)。

温室効果を、外向き地球放射の代表温度と地上気温の差として導入している。そして、外向き地球放射をひとつの代表高さの温度の黒体放射で近似する模式図が、まず図1.5に出てきて、何度も変形してつかわれる。図1.7では地表面に達する下向き地球放射の代表高さを上向きとは区別してとりあげている。

第2章。大気中の温室効果気体(とくに二酸化炭素)が気候変化の原因になることについての、真鍋さんがとりかかるまでの研究の歴史。

Fourier (1827)が、温室効果にあたる理屈をのべた (de Saussure によるガラス板をはめた道具を参考にした)。ただし原因物質は特定しなかった。Tyndall (1859, 1861)が、実験で、どんな気体が赤外線を吸収しているかをしめした。そしてArrhenius (1896)が、二酸化炭素濃度の変化にともなう気温の変化の定量的みつもりをした。二酸化炭素倍増への定常応答[これはわたしの表現だが]は 5~6℃となった。大気は1層モデルで考えていた。二酸化炭素の赤外線吸収率は、Langley (1889)によったが、Ramanathan & Vogelmann (1997 Ambio)によれば、これは現代の知見の 2.5倍 ぐらいだ。これを修正してやりなおすと定常応答は約2℃になる。

つぎの発展は、E. O. Hulbert (1931, Physical Review 38: 1876-1890) が、多層モデルで、放射対流平衡[これは真鍋さんの表現]を計算したことだ。二酸化炭素倍増への定常応答は 4℃となった。ただし、水蒸気と雪氷のフィードバックを入れていないので、現代の知見によればそれは 1.2℃ となるところだ。この研究はながらくわすれられていた。【Archer & Pierrehumbert 編 (2011) Warming Papers [読書メモ]の編者が気づいていたら収録していたはずだから、それ以後に再発見されたのだろう。】

よく知られたのは Callendar (1938)で、二酸化炭素倍増への定常応答 2℃という数値を得ていたが、地表面熱収支を基本に考えたものだった。多くの人が同様な考えかたをしたが、それはうまくなかった。【Warming Papersの本でPierrehumbertが “The Surface Budget Fallacy” として論評している。】Möller (1963) が放射過程を改訂してやりなおしたら 1℃ になったが、水蒸気フィードバックをいれたら計算結果はあばれて「-6℃」となることもあった。Newell & Dopplick (1979)は、地表面・大気の熱交換をくわえて、0.25℃という小さな定常応答をえたが、これは、気温と絶対湿度を固定して地表面温度の変化を見ようとしたからだった (R. G. Watts, 1981, Journal of Applied Meteorology)。

第3章。鉛直1次元モデルによる「放射対流平衡」。Manabe & Strickler (1964) が鉛直1次元モデルで現実的な鉛直温度分布を再現した。Manabe & Wetherald (1967)が二酸化炭素濃度を変えた実験をした。水蒸気のフィードバックを相対湿度一定という形でとりこんだばあいの二酸化炭素倍増への定常応答は2.4℃となった。

二酸化炭素濃度が高いほうが地上と対流圏の気温は高くなるが、成層圏の気温は低くなる。(定常応答ではないが)すでに起こっている気候の変化として、1958-2005年のあいだに、対流圏下部の気温が上がるとともに、成層圏下部の気温は下がっていることがしめされている(図はIPCC第4次評価報告書から)。

第4章。大気大循環モデル。大気大循環モデルは GFDL, LLNL, UCLA, NCARで並行して開発された。Edwards (2010) A Vast Machine [読書ノート]の第7章で整理されている。

GFDLではSmagorinsky が2層モデルを開発していた(論文 1958年)。真鍋は1958年の秋にくわわり、おもに、放射、対流、地表面 熱・水収支を担当した。放射についてはドイツから Möller をまねいて学んだ。

最初に成果を出したモデル(Manabe et al. 1965 MWR, Smagorinsky et al. 1965 MWR)は、季節変化のないもので、年平均の太陽放射を与えた。格子間隔は約 500 km だった。深い湿潤対流 (Riehl & Malkus 1958 の giant hot tower) を 湿潤対流調節 で表現した。地表面は、熱容量がなく水が自由に蒸発できる表面(“swamp”)とした。150日ぐらいで気温の南北鉛直分布はほぼ定常になった。熱帯の降水帯 (ITCZ)もできた。ただし実際よりせまい。温帯低気圧帯、亜熱帯乾燥帯もできた。ただし、熱帯圏界面が中緯度までひろがってしまう。(季節変化のないことの影響)。

それから、 全球の現実的地形のモデルをつくり、まず1月に固定した実験(Holloway & Manabe 1971 MWR)、それから季節変化のある実験(Manabe & Holloway 1975 JGR, Manabe et al. 1974 JAS)をした。年降水量の分布、赤道をこえてモンスーンにつながる熱帯対流圏下層の風の分布などがうまく表現された。ただし、観測にもとづく海面水温をあたえて計算したものである。

第5章。大気大循環モデルで、二酸化炭素濃度あるいは太陽放射をかえて、定常応答をみる実験。

まず、経度幅 60度の陸と60度の海(ただし高緯度は全部陸)という理想化した海陸分布で、季節変化なしのモデルをつくった。陸も海も熱容量がない。海氷は温度できまり、陸の土壌水分と積雪は質量収支によって変化する。

二酸化炭素倍増への定常応答をみた (Manabe & Wetherald 1975 JAS)。温度上昇(ここでは定常状態どうしで2xCO2 (600 ppm)のほうが1xCO2 (300 ppm)よりも温度が高いことをこう表現しておく)は、高緯度の対流圏下層(から中層)で大きい (polar amplification。すでにおきた気候変化でも同様な特徴がみられる)。この原因としては雪氷アルベドフィードバックがあるが、それにくわえて大規模な循環の効果による気温減率の変化(Held 1978 JAS)がある。他方、熱帯の温度上昇は対流圏上層のほうが大きい(この特徴も、マイクロ波リモートセンシングの観測値が得られるようになってからすでにおきた気候変化でもみられる)。これは、深い湿潤対流の結果である。湿潤断熱減率が温度が高いほうが小さいので、気温減率がちいさくなる。高緯度と低緯度の変化がうちけしあって、全球平均の気温減率の変化はちいさい。(鉛直1次元モデルでつかった気温減率固定の近似は悪くなかった。) 全球平均地上気温の定常応答は 2.9℃となった。鉛直1次元モデルより大きい理由としては雪氷アルベドがある。相対湿度は、300-700 hPa ではへり、700 hPaから下層ではふえるが、その全球平均地上気温への影響は 0.1℃以下だ (鉛直1次元モデルでの相対湿度固定の近似も悪くなかった)。

「太陽定数」を+2%, -2%, -4% とかえて定常応答をみた (Wetherald & Manabe 1975 JAS)。+2%の対流圏の気温の南北分布は 2xCO2のものとよくにている。GISSモデルでもよくにていた (Hansenほか 1984 Geophysical Monograph)。放射強制の南北分布がちがうにもかかわらず、応答がにてくるのは、南北温度勾配をある値以下にたもつしくみがあるのだろうか。傾圧不安定のおこる条件によって調節されるという説 (Smagorinsky 1963 MWR が示唆していたが Stone 1978 JAS が明確にのべた)がある。

太陽放射の一定比率の変化に対する全球平均地上気温の変化は、寒い気候ほど大きい。これには雪氷アルベドフィードバックがきいている。雪氷アルベドフィードバックをとりだすには、エネルギー収支モデルが有効だ。BudykoやSellersのエネルギー収支モデルでは、「太陽定数」 -2% で、全球が雪氷におおわれた状態にむかう不安定がおこりうるとされていた。大循環モデルでそのような不安定をおこすには、もっとおおきくへらす必要がある。Held, Linder, Suarez (1981 JAS) が大気2層の力学モデルで検討した。雪氷限界が緯度60度あたりにくるとモデルの気候は敏感になるが、不安定にはならず、雪氷限界がもうすこし赤道側にくるとモデルの気候は鈍感になる。雪氷が緯度20度までひろがると敏感になって不安定がおこる。拡散モデルでも、緯度によって拡散係数をかえると、このような特徴を表現できる。雪氷限界と南北混合が活発である温帯低気圧帯との位置関係が重要なのだ。

つぎに、季節変化のあるモデルによる定常応答実験をした(Manabe & Stouffer 1979 Nature, 1980 JGR)。海洋は混合層(深さ約70m)の熱容量として入れる。海氷も熱収支でできるようにする。等温静止から10年以上の計算をして、大気上端のエネルギー収支はほぼつりあった。

二酸化炭素濃度4倍(4xCO2)の実験をした。4xCO2と1xCO2の地上気温の差は、高緯度の冬に大きく、夏にはそれほど大きくない。(すでに起きている気温変化のトレンドもそうである。) 4xCO2では、海氷は薄くなり、夏にはなくなる。冬の海氷が薄いのは、冬の放射収支のちがいのせいではなく、夏の放射収支のちがいが、海洋混合層の熱容量によって影響をおよぼすのだ。なお、日射量の多い夏に海氷面積は小さいという負の共分散があるので、季節変化のあるモデルのほうがないモデルよりも、太陽放射の吸収が大きくなり、地表面温度は高めになる (Wetherald & Manabe 1981 JGR)。季節変化がアルベドフィードバックをつよめるのだ。

すでにおきた気候の変化を季節ごとにみる。地表温度(HadCRUT)の、1961-1990から1991-2009への変化(Manabe, Ploshay, Lau 2011 JClim)をみると、北半球では高緯度ほど大きい温度上昇があり、北極圏で大きいが、夏にはあまり大きくない。南半球でははっきりしたpolar amplification はなく、南緯55度付近のトレンドは小さい。南半球中高緯度の特徴は、海洋深層とのエネルギー交換(第8章の話題)によるので、大気と混合層だけのモデルでは表現されない。海氷域面積の1979-2009年の変化(Perovich et al. 2010 BAMS)をみると、9月の減少percentageが大きく、3月の減少percentageはそれほど大きくない。

GISSのHansenたち (1983 MWR, 1984 Geophys. Monogr.)も、大気+海洋混合層のモデルを開発した。polar amplificationはGISSモデルでも見られた。CO2濃度への応答は、GISSモデルでは2倍で4℃。GFDLモデルでは4倍で4.1℃だったので、2倍では2℃ぐらいで、モデルの感度がちがう。気候モデルの感度は第6章で論じる。

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