平成23年2月21日
革新成果報告会

地球システム統合モデルによる長期気候変化予測実験（革新チーム1:地球環境予測）
時岡達志
海洋研究開発機構
最長で300年先までの地球温暖化予測実験を行い、CO最長で300年先までの地球温暖化予測実験を行い
CO2濃度安定化シナリオの下での長期的な地球環境の変化や、シナリオ実現のために要求される人為的CO2排出量を予測する。
１．地球システム統合モデルによる長期気候変化実験
a. 20世紀気候変動再現実験
b. CMIP5に向けたシナリオ実験実施・解析
c. 動的全球植生モデル(SEIB-DGVM)の結合系での特性解析
２．モデルアンサンブルによる地球システム統合モデルの不確実性定量化＜炭素循環モデル相互比較＞
３ モデル相互比較による不確実性評価
３．モデル相互比較による不確実性評価＜インターフェイスの改良、マルチモデルカップリング＞

新地球システム統合モデル（ESM)の開発とシナリオ実験の実施
O3、O、O1D、N、N、O、NO2、NO3、N2O5、HNO3、HNO4、H2O2、CO、C2H6、C3H8、 C2H4、C3H6、ONMV、C5H8、C10H16、CH3COCH3、CH2O、

CH3CHO、CH3OH、NALD、MGLY、HACET、MACR、PAN、MPAN、ISON、CH3OOH、C2H5OOH、C3H7OOH、ISOOH、HOROOH、CH3COOOH、MACROOH、O3S、O1DS、SPRSO2、SPRSO4、OCS、CH4、N2O、Cl、 ClO、OClO、ClOOCl、ClONO2、HOCl、HCl、
Cl2、CH3Cl、CCl4、CH3CCl3、CFC11、CFC12、CFC113、HCFC22、Br、BrO、BrONO2、HOBr、HBr、CH3Br、Br2、BrCl、H1211、
H1301 CHB 3、H、OH、HO
H1301、CHBr
H OH HO2、CH
CH3O2、CC2H5O2、CC3H7O2、CH
CH3COO2、CH
CH3COCH2O2、HOC
HOC2H4O2、HOC
HOC3H6O2、ISO
ISO2、MACRO2
MACRO2（84種類）

化学トレーサー＝５８種類； 光解離反応＝５８本； 化学反応＝１８４本

陸域植生19種
種類の変化を予測20世紀気候変動再現実験

全球年平均地上気温の経年変化（1851-1900年の平均値からの偏差）
観測
MIROC-ESM-ED
MIROC3.2med

観測（HadCRUT3）MIROC-ESM-ED
MIROC-ESM-CHEM
MIROC ESM（アンサンブル平均）
MIROC-ESM（アンサンブル平均）
MIROC-ESM（各メンバー３例）

MIROC3.2med（アンサンブル平均）
MIROC3.2med（１０例の最大 最小幅）
MIROC3.2med（１０例の最大・最小幅）

年平均地上気温の線形トレンド分布（1951 2005年）（1951－2005年）

観測（観測（HadCRUT3））MIROC ESM CHEMMIROC-ESM-CHEM

MIROC ESM ED
MIROC-ESM-ED

MIROC-ESM
MIROCESMMIROC3.2med☑
☑

シナリオ実験リスト

☑
☑

☑

☑

☑

☑
☑

☑

☑
☑
☑

実験の終了したもの☑MIROC‐ESM☑MIROC‐ESM‐CHEM☑MIROCESM CHEM

＜ れま＜これまでのシナリオ実験＞
シナリオ実験＞→ 濃度シナリオ → 気候モデルによる予測実験（簡易物質循環モデル）
濃度シナリオ（ → ESMによる予測実験 → 実現に要求さ）れるCO 排出量◎ 排出量シナリオ

2＜今回のシナリオ実験＞◎ 排出量シナリオ→濃度シナリオ(簡易物質循環モデル）◎CO2排出量シナリオ
土地利用変化+土地利用変化→

新ESMによる 濃度シナリオ→ 実現に要求さ予測実験

れるCO2排出量

以外の新ESMによる予測実験 →CO 濃度+ CO→
濃度シナリオ22

MIROC‐ESM結果

CO2濃度と地上気温予測

MIROC‐ESM結果

MIROC‐ESM結果

MIROC‐ESM結果

シナリオ実現に要求される化石燃料起源CO2排出量

シナリオによる 海・陸炭素蓄積量の変化
400350300

海洋炭素蓄積量の変化[PgC]

250200

RCP8.5
RCP6.0
RCP4.5150

RCP2.6100
5002000

2020

2040

2060

150

陸域炭素蓄積量の100変化[P C]
変化[PgC]
5020802100

RCP6.0
RCP4.5
RCP2.60-50

RCP8.5-100-150
2000

2020

2040

2060

2080

2100

陸の炭素蓄積量の変化
140120150100

植生に蓄積されている炭素量の変化[PgC]100

陸域炭素蓄積量の変化[PgC]

RCP6.0

RCP6.060

RCP8 5
RCP8.540

RCP4.5508020

RCP2.60

RCP2.60

RCP4.5-20-4040
2000

2020

2040

2060

2080

2100-50

RCP8.5-100100-150
200040

RCP6.020RCP4.502020

2040

2060

2080

2100

RCP2.6-20-40-60-80

土壌有機物等として蓄積 RCP8.5
されている炭素量の変化[PgC]

-100
2000

2020

2040

2060

2080

2100

RCPにおける土地利用シナリオ
時系列グラフは1500年からの各土地利用が占める割合の変化
空間分布図は 非農業用地(=1次植生＋2次植生)の2000年からの変化量(赤：増加 青：減少)
空間分布図は、非農業用地(=1次植生＋2次植生)の2000年からの変化量(赤：増加、青：減少)
100%

RCP-3PD(1500～2100)

90%
80%
70%
60%

Crop

100%

Pasture80%

Secondary

50%
40%

Primary

20%
10%

100%

90%

Crop
P t
Pasture70%
60%

Secondary

50%
40%

30%

0%
1500

RCP-4.5(1500～2100)

Primary

30%
20%
10%

1600

1700

1800

1900

2000

RCP-6.0(1500～2100)

CropP tPasture90%%80%70%0%
1500

100%

1600

1700

1800

1900

RCP-8.5(1500～2100)

90%%80%

Secondary

50%
40%

Crop
Pasture70%60%

2000

60%

Secondary

50%
40%

30%

Primary

20%30%10%10%0%
1500

0%
1500

1600

1700

1800

1900

2000

Primary

20%

1600

1700

1800

1900

2000

RCP4.5シナリオによる2300年までの環境変化予測

CO2濃濃度MIROC‐ESM結果

RCP4.5

23000

22000

2100

2007

Boreal-Deciduous Forest

RCP4.5
Boreal-Evergreen Forest

Tropical Forest＜ れま＜これまでのシナリオ実験＞
シナリオ実験＞→ 濃度シナリオ → 気候モデルによる予測実験（簡易物質循環モデル）
濃度シナリオ（ → ESMによる予測実験 → 実現に要求さ）れるCO 排出量◎ 排出量シナリオ2＜今回のシナリオ実験＞◎ 排出量シナリオ→濃度シナリオ(簡易物質循環モデル）◎

CO2排出量シナリオ
土地利用変化+土地利用変化→

新ESMによる 濃度シナリオ→ 実現に要求さ予測実験

れるCO2排出量以外の新ESMによる予測実験 →CO 濃度+ CO→
濃度シナリオ22

MIROC‐ESM結果

RCP8.5濃度シナリオのCO2濃度と、同排出量シナリオに基づいて新ESMで計算したCO2濃度の違い

RCP濃度シナリオの実現に要求される化石燃料起源CO2排出量(実線)と、RCP排出量シナリオでのCO2排出量（破線）の違い

MIROC‐ESM‐CHEM結果

中層大気の温暖化時の変化
RCP6.0 (2090s – 2000s)
気温

東西風

70km

70km

50km

50km

30km

30km

10km

10km

MIROC‐ESM‐CHEM結果(HIST‐2000s vs RCP8.5‐2090s)

温暖化に伴う東西風と波動強制の変化を通じた成層圏残差循環の強化
50km
極向き循環の強化が作る熱帯上昇流 強化
作る熱帯上昇流の強化
30km

極向き残差循環の強化
プラネタリー波活動の変化による、波動強制の強化
極向き残差循環の強化

20km

ジェットの拡張に伴い、地形性ジェットの拡張に伴い地形性
重力波がより高高度で潰れる
温暖化に伴い、亜熱帯ジェットが下部成層圏に上向きに拡張

赤道

北極
波動による東向き加速

MIROC‐ESM‐CHEM結果

成層圏：大気の平均年代の変化
32‐43N,24‐35km 月平均Mean Age 時系列(年)2000年10月のMean Age (年)
80km

5.0

5

50km

44.0

20km
90S

90N

1980‐2005のトレンド(年/decade)
80km

303.0

Engelら観測の平均と誤差
RCP4.5
HIST
50年以上の期間で見れば減少
RCP8.5
増加は一時的RCP8.5: 2050‐2100のトレンド(年/decade)80km

定性的な循環パターンの変動が生じやすい領域？ ‐‐0.08

50km

50km
‐‐0.0420km90S‐‐0.16‐‐0.14

90N

20km
90S

90N

MIROC‐ESM結果

成層圏：熱帯上昇流とQBOの変化
70hPa面：残差平均鉛直流(mm/s)
2090年代(点線) & 2000年代(実線)

上:70hPa質量フラックス(青線;Mt/年)
下：赤道東西風時系列+0.55‐‐0.5490S

赤道東西風と残差平均鉛直流
QBOコンポジット

90N

温暖化に伴って中緯度の波動強制が強まる⇒赤道の上昇流が強化（北半球中・高緯度＆南半球中緯度で下降）
QBOの東風加速が弱まるとともに東風長期化
強まった赤道上昇流が波動‐平均流相互作用によるQBO位相の下降を妨げる

MIROC‐ESM‐CHEM結果

成層圏オゾンの将来予測
南極10月のオゾン全量[ドブソン単位]

オゾン層破壊物質の推移

RCP4.5：年平均混合比2090s‐2000s (偏差%) RCP8.5：年平均混合比2090s‐2000s (偏差%)O3破壊物質減少＆寒冷化+20+1010+20 +10‐‐20‐‐10O3破壊物質減少+20GHG増⇒寒冷化
寒冷化⇒⇒O3増加+30+20+10+30+20‐‐30+20GHG増⇒循環強化

CH4増＋成層圏から流入増

1%漸増実験による異なる炭素循環モデル相互比較
CESM1，MIROC‐ESM，SEEPLUS((簡易気候モデル))の比較

start

炭素の分配率• 逆算された炭素排出量のモデル間の差は小さい• モデル間で，大気・海洋・陸域間の炭素の分配率に差逆算された炭素排出量

CESM1は，1%漸増の60年目頃から，海洋による吸収の割合が減少に転じる

カプラー開発計画の概要• 目標– 地球システムモデルを主対象とした日本標準カップラーの作成・実用化・公開• スケジュール

2007

2008

2009

2010

2011

Code DesignImplementation and evaluation– 2007年度から５年
Atmosphere/ocean land/river chemistry aerosol– 初年度はデザインフェーズ
Sum up– ２年度：大気海洋結合– ３年度：大気エアロゾル結合– 今年度：インターフェースの改良、マルチコンポーネントカップリング• インターフェースの改良– Scupとインターフェースを共通化– 送受信をカップラー内部で暗黙的に行うようにしたことが最大の改良点• マルチコンポーネントカップリング– ひとつの実行単位に複数の要素モデルが存在する場合の結合を可能にした

結合試験• Toy Modelでのマルチコンポーネント結合テスト
ポ結合– 3タスク、5コンポーネント– TaskT k AとTask
AとT k Cは逐次実行、Task
Cは逐次実行 T k AとTask
AとT k Bは並列実行
Task CTask A

Task Bdo t1 = 1, N1

do t1 = 1, N1

do t3 = 1, N1

ChmAtmOcn

end dodo t2 = 1, N2

do t4 = 1, N2

LandIceend doend do

Task

Component ΔT

Task A

Atm60

Land30

Ocn180

Ice30

Chm120

Task Bend doend doTask C– 異なるTime lag、異なるΔTが混在した条件でマルチコンポーネント結合を実現• MIROC５の大気海洋結合へ適応– Intelマシンでの動作チェックオリジナルコ ドとバイナリレベルで 致
オリジナルコードとバイナリレベルで一致今年度の成果（まとめ）◎新しい地球システム統合モデル（ESM)を開発
炭素循環の変化、陸域植生の種類の変化、中層大気循環の再現、オゾンホールの再現、赤道QBOの再現、 20世紀気候変動の再現◎新ESMによる各種シナリオ実験の実施
濃度シナリオ実験を行い、シナリオ実現のために要求される化石燃料起源のCO2排出量を計算、シナリオ作成に際して土地利用変化について注意深い検排出量を計算 シナリオ作成に際して土地利用変化について注意深い検討が必要なことを明確化◎中層大気（成層圏+中間圏）の温暖化時の変化を予測
気残差循環の強化（諸物質の滞留時間が短くなる）、QBOの周期の長期化と振幅の減少、オゾンホールの回復に関する予測など