(JCAR)
2018

9

巻頭言
北極環境研究コンソーシアム（JCAR）で取りまとめた「北極環境研究の長期構想」が完成した。
JCAR は 2011 年 5 月に誕生し、賛同する登録者は 2014 年 8 月現在で 384 人に及ぶ。JCAR が生まれた背景には、これまでの日本の北極研究の取組を新しい形で発展させて行きたいという北極研究の関係者の思いがあった。
これまで多くの日本の研究者が北極に出かけていた。しかし、個人的な研究能力は高いものの、海外から日本としての成果があまり見えない、と言われていた。個別に北極に出かけている状態であり、過去の観測からの継続性や他の研究者の動向把握、協力体制、調整等の点が弱いという認識があった。このような活動では、どうしても研究は短期間となり、長期観測の展望や実施は不可能であった。JCAR が生まれることにより、それぞれの研究者が取り組んできた活動の情報交換をすること、今後の方向性、潜在的な共同研究の相手を得ることが期待された。そのような活動の中では日本の北極環境研究の長期の展望を立てることの重要性が考えられ、2010 年の文部科学省北極研究作業部
会の議論を経て、中間報告（2010 年 8 月）に提言されている。
JCAR が設立されたのと同じ年の 2011 年秋、GRENE 北極気候変動研究事業がスタートする。翌 2012 年北極海
氷面積は夏季の最少記録を更新し、春の積雪面積も最少、グリーンランド氷床の融解域も氷床表面ほぼ全域に拡大したことが観測された。2013 年 3 月には、日本の「海洋基本計画」が更新され北極にも注目が集まる。また学術会議にも北極に関する大型研究プランが提出された。2013 年 5 月には北極評議会に日本はオブザーバー国としての参加が承認された。北極評議会の活動は国際関係、環境問題、地域行政など多岐にわたるが、その活動や判断のベースとなるのは科学活動の情報である。急速に変化する北極の環境とそれに関わる研究活動について、国内の研究活動の立案や、国際的な協力要請の機会も増加している。これらにもすぐに応えられるよう国内の状況を把握していることは重要である。
長期構想は JCAR 第一期代表の大畑哲夫氏の強い意向で 2013 年に検討から実施に向けて動き出し、これをまとめるために編成されたワーキンググループ（WG）の活動が作業の進め方や編集作業を行なった。3 回の全体ワーク
ショップの他、各分野の検討や、分野間共通の研究基盤についての討論会等も開かれた。当初は長期構想執筆に多大な時間を費やすこと、研究のアイデアを公開してしまうことの不都合が懸念されたこともあった。しかし、今回の「北極環境研究の長期構想」執筆には 140 名を超える方が協力を表明した。WG の代表である池田元美氏をはじめとし、執筆者だけでなく、査読に関わられた方、またこの活動の必要性やあるべき姿についての意見を出された方、それら北極に関わる研究者の多くの議論と JCAR 事務局の支援により本構想作成活動が進められた。日本においてこの長期構想が書かれたこと自体が、新しく始まった北極研究、北極研究者体制の成果であると言え、長期構想の作成に携われた関係者に心から感謝したい。
長期構想では今後 10 年～20 年で取り組むべき課題を考えた。各分野の多くのテーマが盛り込まれた。執筆者は自らの興味と活動だけを主張するのではなく、広い視野から、重要な分野、日本の研究者が活動すべき対象についても盛り込んだ。そこで扱われた多くのテーマは国内にとどまらず、国際的にも提言していける完成度の高いものである。
北極の自然の変化は急速に起きている、変化する北極の環境に対する時代の要請、研究者への期待や使命は増加している。北極圏の現象は複雑である。全体における自分の位置を見ること、分野を越えた共同研究を行ない、ある分野の研究者は他の分野の内容から学ぶことが望まれている。日本の北極環境研究者が自らの分野の課題や方向性を示し、他の分野の動きや関連の模索を可能にする、それらを形にしていったのがこの「北極環境研究の長期構想」である。これを機に北極研究の議論が深まり、研究に参加する人が増えていくことを期待している。
北極環境研究コンソーシアム運営委員長

i

榎本浩之

JCAR「北極環境研究の長期構想」改訂にあたって
北極環境研究コンソーシアム（JCAR）では、2012 年初めから、多くの会員の参加により、様々な分野について北極研究の現状と今後の研究について執筆し「北極環境研究の長期構想」として 2014 年 9 月に出版しました。日本語、英語の本体版に併せ、要約版も和英出版し、JCAR ホームページにも掲載、多くの関係方面に配布しています。これまでの JCAR の活動としても、大変大きい仕事だったと思われ、また、その内容は文部科学省の委員会等でも引用されるなど、重要な文書となっています。
さて、本長期構想は当初、5 年ないし 10 年で改訂すべきとなっていました。実際、構想当初からは 6 年、出版から4 年を経過した現在、幾分内容的に古くなった部分もありますが、大幅な改訂は 10 年後となる 2020 年代半ばを目途に行うこととし、今回は間違いの修正等の小改訂とし、一部必用な周辺情報を添付することとなりました。本編出版 5
年後には少し早いですが、現在進行中の大型研究プロジェクト、「北極域研究推進プロジェクト（ArCS：2015—19 年度）」の次期プロジェクト策定の参考にも供すべく、その議論が始まる前、2018 年度初頭に完成させることを目標に、改訂にとりかかりました。
検討は 2016 年から始められ、具体的な作業やとりまとめを「長期構想改定 WG」として実施することとなりました。
WG は、旧長期構想策定 WG の過半数のメンバーに数人の新規メンバーを加え、2017 年初めより活動を開始しました。
具体的な改訂方針としては、本体中心部分である 5 章から 8 章のテーマ 1 から 12、A から C について、旧版の執筆グループに再度目を通していただき、間違いの訂正を中心に引用を加えるなどの微修正をしました。3 章、4 章、そして 11 章も改訂されています。GRENE 北極気候変動研究プロジェクト等による、旧版執筆以降の新しい成果については、本文を修正するのではなくテーマ毎に囲み記事「Update 2018」として掲載しました。また、旧版には無かった国際動向について、付録として付加しました。
2018 年 7 月 19 日長期構想改訂 WG 代表 山内 恭

長期構想改訂 WG（2016 年 7 月〜2018 年 7 月）
池田元美（元北海道大学）、伊勢武史（京都大学）、大畑哲夫（国立極地研究所）、川合美千代（東京海洋大学）、兒
玉裕二（国立極地研究所）、坂野井和代（駒沢大学）、末吉哲雄（国立極地研究所）、杉山
美野梨（北海道大学）、山内慎（北海道大学）、高橋恭（国立極地研究所）、吉森正和（北海道大学）、渡邉英嗣（海洋研究開発機構）

旧版執筆者以外で本文改訂や Update 2018 の執筆：近藤齊藤孝祐（横浜国立大学）

ii

豊（国立極地研究所）、紺屋恵子（海洋研究開発機構）、

北極環境研究の長期構想
目 次
巻頭言 ................................................................................................................................................................i
JCAR 「北極環境研究の長期構想」 改訂にあたって
1 章 報告書で目指すこと ..................................................................................................................................2
2 章 背景と内容 ................................................................................................................................................33 章 北極環境の現在までと近い将来に起こりうる変化 ........................................................................................44 章 北極環境研究の歴史 ................................................................................................................................8
5 章 「現在進行中の地球温暖化に伴う北極の急激な環境変化を解き明かす」 研究テーマ................................ 11
テーマ 1 ： 地球温暖化の北極域増幅 ............................................................................................................ 11
Q1 ： 下層から上層の大気における水平 ・ 鉛直熱輸送は、 北極温暖化増幅にどう影響するか？............. 12【Update 2018 1 】 北極域への潜熱輸送 ............................................................................................13
Q2 ： 陸域積雪 ・ 凍土 ・ 植生 ・ 氷床の役割は重要か？ ........................................................................ 15【Update 2018 2 】 SIGMA プロジェクト .............................................................................................17
Q3 ： 季節変動をもつ海洋の熱蓄積と海氷アルベドの役割はどの程度か？ ............................................. 18【Update 2018 3 】 北極海夏季の海氷減少におけるアイスアルベドフィードバックの役割 ...................... 20
Q4 ： 雲とエアロゾルがもつ役割を定量化できるか？ .............................................................................. 20【Update 2018 4 】 先端的な観測技術と数値モデルの開発による北極における光吸収性エアロゾルの挙動の解明 .............................................................................................................................................21
Q5 ： 北極温暖化増幅はなぜ起こっているのか？ その予測と不確実性はどれほどか？
北極域における放射強制力とフィードバック ・ プロセスはどう変化するのか？ ................................. 23

テーマ 2 ： 海氷減少のメカニズムと影響 ........................................................................................................ 25
Q1 ： 風のパターンや海氷の流動性の変化は海氷減少を促進するか？ .................................................. 26
Q2 ： 海氷の熱的減少はどのように進むのか？ ......................................................................................27
Q3 ： 海氷減少が雲や低気圧に及ぼす影響は？ ...................................................................................29
Q4 ： 海氷減少が海洋内部に及ぼす影響は？.......................................................................................30
10 ～ 20 年後を見据えた戦略 ..............................................................................................................31【Update 2018 5 】 ハイブリッドポリニヤ ...............................................................................................36
テーマ 3 ： 物質循環と生態系変化 ................................................................................................................ 36

Q1 ： 大気中の温室効果気体やエアロゾルなどの濃度はどう変化するか？.............................................. 38
Q2 ： 陸域生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか ? ...................................................................... 41
Q3 ： 陸から海への物質輸送の定量的解明には何が必要か ? ................................................................ 43
Q4 ： 海洋生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか ? ...................................................................... 45【Update 2018 6 】 GRENE 等での最新の成果 ................................................................................. 47

テーマ 4 ： 氷床 ・ 氷河、 凍土、 降積雪、 水循環 .......................................................................................... 49

Q1 ： 氷床 ・ 氷河の変化は加速するか？...............................................................................................49【Update 2018 7 】 グリーンランド北西部における氷河氷床の変動....................................................... 50
Q2 ： 永久凍土の変化は気候変動とどう連鎖するのか？......................................................................... 53
Q3 ： 北極域の降積雪はどう変化しているか？ .......................................................................................56
Q4 ： 環北極陸域の水文過程はどう変化するか？ .................................................................................. 57

テーマ 5 ： 北極 ・ 全球相互作用 ................................................................................................................... 60iii

Q1 ： ＜大気の役割について＞ 北極振動などの大気変動は強まるか弱まるか？ .................................... 62【Update 2018 8 】 北極振動などの大気変動は強まるか弱まるか ........................................................ 63
Q2 ： ＜海洋の役割について＞ 大西洋 ・ 太平洋間の海水循環は強まるか？ 深層水形成は減るか？ 中緯
度海洋大循環は変わるか？ ..................................................................................................................64
Q3 ： ＜陸域の役割について＞ 植生と凍土の変化による炭素収支や物質循環への影響は？積雪と植生の変動による広域エネルギー水循環への影響は？ ...................................................................................66【Update 2018 9 】 植生と凍土の変化による炭素収支や物質循環への影響は ? 積雪と植生の変動による
広域エネルギー水循環への影響は ? ....................................................................................................68
Q4 ： ＜超高層大気の役割について > 極域超高層大気が下層 ・ 中層大気 ・ 超高層大気全球変動に及ぼす影響は？ ..........................................................................................................................................69
Q5 ： ＜多圏相互作用について＞ 超高層大気、 大気、 陸面積雪と植生、 海洋のどれを経由する影響が大きいか？ ..............................................................................................................................................70
テーマ 6 ： 古環境から探る北極環境の将来 ................................................................................................... 72

Q1 ： 過去の北極温暖化増幅は現在とどれほど異なり、 その要因は何か？ ............................................ 74
Q2 ： 過去のグリーンランド及び大陸の氷床はどう変動し、 その要因は何か？ 気候変動との関係と海面水位への寄与は？ ...................................................................................................................................76【Update 2018 10 】 グリーンランド深層氷床掘削プロジェクトをめぐる近年の状況 ................................. 79
Q3 ： 過去の北極海の環境はどのようなものであったか。 とくに海氷と生物生産について ......................... 80
Q4 ： 過去の北極陸域環境は現在とどれほど異なり、 大気組成や気候とどう関係したのか？ ................... 82
Q5 ： 過去の北極において、 数年～数百年スケールにおける自然変動の強度や時空間パターンは現在と異なっていたか？そのメカニズムは何か？ ................................................................................................83【ボックス 1 】 古環境プロキシや年代推定手法の開発と解釈 .................................................................. 85

テーマ 7 ： 北極環境変化の社会への影響 ..................................................................................................... 86

Q1 ： 地球温暖化も含めた気候変動による影響は？ .............................................................................. 87
Q2 ： 地球温暖化に起因する陸域環境の変化による影響は？ ................................................................ 91
Q3 ： 地球温暖化に起因する海洋環境の変化による影響 ....................................................................... 92【Update 2018 11 】 中央北極海における無規制公海漁業防止協定草案に合意.................................. 93
Q4 ： 太陽活動と北極超高層大気の影響...............................................................................................95
Q5 ： 北極圏人間社会の対応 ...............................................................................................................96

6 章 「生物多様性を中心とする環境変化を解き明かす」 研究テーマ .............................................................. 101

テーマ 8 ： 陸域生態系と生物多様性への影響............................................................................................. 101
Q1 ： 人為的な要因で起こる環境変動は北極陸域生態系にどのような影響を及ぼすか？ ...................... 102
Q2 ： 生物多様性はどのような影響を受けるか？ ..................................................................................105【ボックス 2 】 生物多様性とは？ .........................................................................................................105【ボックス 3 】 学名の不一致問題 ........................................................................................................106
Q3 ： 北極陸域生態系の変化が動物や気候に与える影響はどうなるか？ .............................................. 107【ボックス 4 】 トナカイの生息変化 .......................................................................................................107
テーマ 9 ： 海洋生態系と生物多様性への影響............................................................................................. 109【ボックス 5 】 水鳥のモニタリング ........................................................................................................109
Q1 ： 陸域 ・ 大気の物質は北極海の生態系 ・ 多様性に大きな影響を与えるのか？ .............................. 111
Q2 ： 北極海の生物は物質をどのように輸送 ・ 変質しているのか？ ...................................................... 112
Q3 ： 北極海の食物連鎖と生態系変化 ・ 多様性はどう関係しているか？ .............................................. 114【ボックス 6 】 表層－底層生態系のカップリング ................................................................................... 115【ボックス 7 】 バイオロジカル ・ ホットスポット........................................................................................ 115
Q4 ： 成層化、 脱窒、 および海洋酸性化は北極海の生態系 ・ 多様性にどのような影響を及ぼすのか？
.............................................................................................................................................. 116

iv

7 章 「北極環境研究の広範な重要課題」 研究テーマ .................................................................................... 118
テーマ 10 ： 中層 ・ 超高層大気 ・ ジオスペース環境 .................................................................................... 118
Q1 ： ジオスペースからの超高層大気や、 より下層の大気への影響は？............................................... 120
Q2 ： 超高層大気が下層 ・ 中層大気に与える影響は？ ....................................................................... 122
Q3 ： 下層 ・ 中層大気変動が超高層大気に与える影響は？ ................................................................ 123
Q4: 超高層大気を通した極域から中低緯度へのエネルギー流入は？ .................................................. 125【Update 2018 12 】 大気電離圏結合モデル （GAIA） の性能評価 －地上磁場変化の再現性
荷電粒子による中間圏、 成層圏の変動 ： .......................................................... 126
テーマ 11 ： 表層環境変動と固体地球の相互作用 ....................................................................................... 127

Q1 ： 現在活動する北極海海嶺熱水系と海洋環境との相互作用は？ ................................................... 128
Q2 ： 氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？ ............................................................. 130
Q3 ： 北極海が形成されていく過程で、 大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していったか？
..............................................................................................................................................132
Q4 ： 数千万年～数十億年といった時間スケールでの地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達過程
はどのように影響を与えたか？ ............................................................................................................134

テーマ 12 ： 永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ................................................................................ 136【ボックス 8 】 永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ..................................................................... 140
Q1 ： 北極圏の永久凍土はどのような広がりと深さをもって存在しているのか？ ...................................... 141
Q2 ： 永久凍土を構成する物質はどのような分布を持ち、 どの程度の不均一性があるか？ .................... 142
Q3 ： 永久凍土はどのような様態 ・ 規模で昇温 ・ 融解するのか？ ........................................................ 143
Q4 ： 永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムはいかなる構造と挙動の特性をもつのか？ ............... 146

8 章 「環境研究のブレークスルーを可能にする手法の展開」 テーマ............................................................... 149

テーマ A ： 持続するシームレスなモニタリング .............................................................................................. 149
海洋圏モニタリング .............................................................................................................................150
雪氷圏モニタリング .............................................................................................................................153【ボックス 9 】 氷河質量収支の観測 ....................................................................................................155
大気圏モニタリング .............................................................................................................................156
陸域圏モニタリング .............................................................................................................................158
テーマ B ： 複合分野をつなぐ地球システムモデリング .................................................................................. 160

Q1 ： 地球システムモデルについて開発課題は何か？ ......................................................................... 161
Q2 ： 大気モデルについての開発課題は何か？ ..................................................................................165【Update 2018 13 】 大気モデル NICAM の展開 .............................................................................166
Q3 ： 海洋 ・ 海氷モデルについての開発課題は何か？ ....................................................................... 167【Update 2018 14 】 ArCS に向けた海氷モデル改良の現況と方針 ................................................... 171
Q4 ： 陸面 ・ 雪氷モデルについての開発課題は何か？ ....................................................................... 171

テーマ C ： モニタリングとモデリングをつなぐデータ同化............................................................................... 172

北極圏におけるデータ同化研究の現状 ...............................................................................................173【ボックス 10 】 データ同化技術の解説................................................................................................175
データ同化を北極環境研究に展開する方針 .......................................................................................176
北極圏データ同化研究の実現に向けた環境整備 ................................................................................181【Update 2018 15】 大気海氷海洋結合システムのデータ同化研究に挑戦 ......................................... 182

9 章 研究基盤の整備....................................................................................................................................186
砕氷観測船 ........................................................................................................................................186
衛星観測 ...........................................................................................................................................188
航空機 ...............................................................................................................................................190
海外の研究 ・ 観測拠点 ......................................................................................................................191v

データおよびサンプルのアーカイブシステム ........................................................................................194
人材育成 ...........................................................................................................................................196
研究推進体制 ....................................................................................................................................198
分野別研究機器等 .............................................................................................................................200
10 章 長期にわたる方向性と取り組み体制のまとめ.........................................................................................208
11 章 資料.................................................................................................................................................... 211
引用文献 ........................................................................................................................................... 211
執筆者等一覧 ....................................................................................................................................226
付属資料

vi

図 1 は別ファイルあり。このページの図は低解像度の仮の図を挿入している。Word でこのページを削除した場合
は、下部のページ数の変化に注意。 このページが 1、 次のページの文章 1 章がページ 2

15°W

0

30°W

45°W

60°W

75°W

90°W

大 西 洋

105°W

ヌーク

イスア地方
フェロー諸島

15°E

ハドソン湾

北 極 圏

アイスランド

70°N
オスロ

サミット

ノルウェー
グリーン
スウェーデンランド海
スカンジナビア半島
ノルウェー海30°E

トロムソ

フィンランドブリティッシュ
コロンビア州����海バロー�ル���山脈

��フ���海

アメラシア海盆

カナダ海盆

タイミル半島

西シベリア低地

135°W

ユーコン準州

フェアバンクス

アラスカ
150°W

シシュマレフノボシビルスク諸島

ラプテフ海

ベーリング海レナ川

中央シベリア高原

東シベリア海ティクシ

シ べ リ ア75°E

レゾリュートマカロフ海盆60°E

セーベルナヤゼムリャ
バラノバ

アルフ�海嶺カラ海

ウラル山脈

エルズミア島

北 極 海
ロモノソフ海嶺
アムンゼン海盆

ナンセン海盆ノバヤゼムリャ120°W
ケンブリッジベイ

アラート ユーレカ

ニーオルスン

スバールバル諸島
バレンツ海

ロ シ ア

80°N

フラム海峡

ロングイヤービンムルマンスク

45°E

グリーンランド

ユーラシア海盆
���ル海嶺

モスクワ

カ ナ ダ

バフィン湾

アムンゼン湾

サンクトペテルブルク

チャーチル

バフィン島

サハ共和国
アルタイ山脈

165°W

ヤクーツク
ウスチ・マヤカムチャツカ半島

バイカル湖

オホーツク海

90°E

太 平 洋

モンゴル
サハリン

180

日本
105°E

120°E

135°E

150°E

165°E
(v.2)

図 1 北極域地図。地図中に記した地名は本文中(全体版)に出てくる主な地名である。
下地に使用している地図は JCAR のウェブサイトからダウンロード可能。

1

1 章 報告書で目指すこと
本構想では、北極環境の研究者が、極域に関心のあ盤とする北極域の先住民がおり、彼らが伝承する文化

る他分野の研究者や、環境について知りたい市民など

は人類共通の財産である。同じことは海洋にも言えて、に向け、次に示す諸問題の解決を目指して研究の方向

海洋の生物多様性と生物相の変化も生態系サービスにを提案する。地球規模の環境変化でもっとも関心を持重要であり、住民の生活を支えている。農業と水産業はたれているのは地球温暖化であろう。なかでも北極域気候に影響されるが、農業は水資源の確保と作物種のは、温暖化のスピードが全地球平均の 2 倍あるいはそ選択によってある程度の対応ができるのに対して、水産れ以上とも言われ、氷と雪の変化が目立つので特に注

業は環境に大きく依存し、そこでは食物連鎖や種の競目される。しかし、地球温暖化が数十年から数百年のス合などの複雑な問題が存在する。

ケールで起きる変化であるのに対し、大気循環の変動と極域に特有の氷河・氷床と永久凍土がどう変わるか

それに伴い様々な空間パターンを持つ気温の昇降がが注目されるだろう。グリーンランド氷床が急速に融解し年毎に生じるため、ある期間では寒冷化しているようにていると判断されたのは今世紀に入ってからであり、こ見える地域もある。特に私達が居住する日本の気候がれからの海面上昇を大きく左右する要素と考えられる。

どう変わっていくのか、平年より寒い冬を過ごした後で山岳氷河の縮小は地域による差があるものの、全地球

は、地球温暖化に疑念を抱いても不思議はない。

規模では把握できている。一方でモニタリングが難しい

地図（図 1）を見ながら話を進めよう。北極に注目する

永久凍土は、その衰退が植生と河川に影響を及ぼすだと、従来は通年海氷に覆われていた北極海で、夏に海けでなく、含有炭素化合物が分解して温室効果気体を水面が開く海域が拡大している。シベリア沿岸はすでに放出する難しい対象である。近年増えていると言われる

季節海氷域となっており、北極海全域がそうなるのは、

シベリア河川の流量は、おそらく降水量の増加に因るだ

今世紀中ごろとする将来予測が多いものの、10 年後とろうが、凍土を融解させる力を持つかもしれない。

予測するモデルさえある。将来の予測はシミュレーショ

ここまで述べた様々な関心事に広く関わる視点で、過ンモデルを利用する必要があるが、それをどこまで信頼

去の気候変化から何を学べるか、地層や氷床の調査をできるか疑問が沸くであろう。北極海を横切る航路がいする古環境研究が、将来予測を行うシミュレーションモ

つごろ実質的に利用できるようになるかは、さらに難し

デルの検証にも情報を提供する。半閉鎖型の北極海はい質問である。

いつごろ形成され、北極海と沿岸域の気候はどう変わっ植生分布は主に気候に支配され、中高緯度で徐々たのか、太陽活動の変動に伴って超高層大気が変わるに気温が上がれば植生は活性化するが、土壌水分も重と成層圏と対流圏にどのような影響が出るのかなど、視要なので、降水量や積雪期間の長さにも依存する。た点を広げるとさらに多様な関心が沸いてくるであろう。自だし植生、特に森林生態系は容易に移動できないの

然科学ばかりでなく、先住民族と近年の移住者との間でで、気候変化の速さに植生が追従できない可能性も高

協働関係を構築するにはどうするかなど、人文社会科

い。また、森林伐採開発などの人為的影響も加わると、学の側面にも関心は広がるかもしれない。以上に述べ

生物多様性と生物相の変化を推定するのは非常に難した関心事を抱いた読者は、本構想を読み進め、それらい。多様性は環境変化に対応する力を決めるものであを解き明かす研究の構想を探っていただきたい。

り、広い意味での陸域生態系サービス1を保証する根幹であるので、それを如何に保つかは人類の課題であろう。陸域の動物は植生に支えられ、その狩猟を生活基

1生態系サービス： 生態系から人類が受ける食料、精神的・文化的利益、気候・水環境の緩和などが主なものだが、酸素の供給や二酸化炭素の吸収まで含む。

2

2 章 背景と内容
報告書作成の背景と経緯選び、まず、現在までの状態の変化とそれに関する研長期構想の作成自体は、現在進められている究の進展をレビューした。10 年～20 年を視野に入れ、

GRENE 北極気候変動研究事業 の運用基本方針、存在するギャップの同定・確認を含め科学テーマを描

JCAR の趣意書と規約において謳われている。これま出し構想するとともに、必要な研究および体制を示しで我が国で「北極環境研究」に特化した長期構想はなた。科学を専門としない読者、北極研究に携わっていな

く、現状の分析、及び将来取るべき方針を示すことは重い研究者のため、社会的な関心事を含む「まえがき」か要である。JCAR が本長期構想を作成できた事実は、

ら読み始め、さらに知ろうとする興味を持って、専門的なその存在意義を確たるものにしたと言っても過言ではな

情報にまで読み進められるように構成した。

2

3い。構想には次世代研究者の希望が反映されており、研究目的は次の 4 つである。コンソーシアム設立の背

それらの実現に向けた共同作業によって、多くの研究景となった課題である「北極地域の強い温暖化に伴い者が共通の目標を持って前進することが可能となる。

発生している急激で複合的な現象の理解とそのメカニ

地球温暖化と生物多様性は、国際的な取り組みによズムおよび影響の解明、さらに、その将来予測を向上さって現状の把握、将来予測、対応などが取りまとめられせる」研究では、地球温暖化の北極域増幅など 7 つのており、北極環境研究においても焦点とするにふさわしテーマを選んだ。「陸域と海洋における生物多様性、おい。様々な分野が結集している JCAR の特徴を活かよび温暖化だけでなく様々な人為的環境変化が生態系し、協働して取り組むべき課題を軸に長期構想をまとめに及ぼす影響を解明する」研究については、陸域と海上げることによって、分野間の相互啓発を促している。

洋に分けた 2 テーマとした。「広範かつ重要な北極環境

これらふたつの焦点には直接含まれない環境研究も北およびその基礎情報に関する」研究では、地球を取り囲極域について進められており、重要な研究課題がむジオスペース環境などの 3 テーマを設定した。4 つ目

JCAR のコミュニティとしての活動を際立たせるのみならの「環境研究のブレークスルーを可能にするモニタリン

ず、研究の進展によっては地球温暖化と生物多様性に

グ、モデリング、およびそれらを統合する」研究に関して関係する情報を与える可能性も考えられる。さらに研究は、3 つの手法に基づいた 3 テーマを選んだ。

基盤の整備まで提案し、研究プラットフォームの構築やこれらの研究目的で取り上げるさまざまな環境変動の人材育成にも力を結集する方向性を示している。

多くは、大気、海洋、雪氷、陸面、物質循環、生態系など

本長期構想を誰に対して示すのか。北極研究に携わの間の複雑な相互作用が絡んでおり、それを理解し予っていない研究者、科学を専門としない政策決定者、測することは既存学問分野の協働を活性化することにつ

環境に関心を持つ市民としている。それと共に、とりまとながる。その一方で各分野の理解を深化させ、未解明現めを行う過程で、北極研究専門家の考えと意欲を結集

象の究明も推進する。4 つ目の研究目的は手法の改善することができ、また、異なる分野と相互啓発するためのに留まらず、観測とモデリングの手法の革新的な展開か情報交換ができたのも事実である。これは今後の研究

ら、先駆的なブレークスルー研究のきっかけを創る。

推進にとって重要な一石となるであろう。

本長期構想の英語版を作成して国際的な情報発信を図ることとしている。日本における研究者コミュニティと内容の説明

して、学問の発展に道筋を示すことに大きな意義があ

北極環境に関する研究について、以下に示す 4 つのる。国際的には ICARPⅢ4の議論が 2014 年に開始予目的を設定して、それぞれの中で数件ずつのテーマを定であり、日本の北極環境研究の長期構想をインプットできる機会を逃すべきではない。

2

GRENE 北極気候変動研究事業： 2011 年度から 5 年計画の文部科学省の補助事業、グリーン・ネットワーク•オブ•エクセ
レンスの北極気候変動分野の研究プロジェクト。
3
JCAR： 北極環境研究コンソーシアム（Japan Consortium
for Arctic Environmental Research）。2011 年に設置された北極環境研究に関するネットワーク型の組織。

4
ICARPⅢ： The Third International Conference on
Arctic Research Planning33 章 北極環境の現在までと近い将来に起こりうる変化
北極環境が現在までどのように変わり、今世紀程度

る基礎情報を提供する。

の期間でどう変わりうるのかについて、北極環境研究の温暖化は、海洋にも問題を及ぼす。グリーンランド海専門家が答えるべき学究上の質問を挙げていく。現在の冷却が弱まり、鉛直混合による深層水形成が減ると、までの研究の進展についても、すでに取り組まれている

全球海洋コンベアベルト 5 の駆動が弱まるか、あるいは方向性まで含めて記述する。まず、長期構想の目的にそこに含まれる深層水が減るため、栄養塩が表層に昇沿って、複合分野が関わる問題を取り上げる。実際にこりにくくなる。北極海とその周辺海域でも鉛直混合が弱

れらは現在進行中の GRENE 事業でも焦点となってい化するため、海洋生態系に必ず影響するが、移動が容るものが多い。

易な種とそうでない種が混在しているので、実際に起き地球温暖化を中心に据えて、その原因を作ると共にる影響を見極めるには詳細な調査が必要である。北極影響も受ける諸現象を図 2 に示す。温暖化によって進海で最も早期に起こる海洋酸性化も、生態系に影響をむ海氷の減少と積雪の期間短縮と面積縮小はアルベド及ぼす。海面水温、無機炭素化合物濃度、アルカリ度（太陽光の反射率）を低下させ、温暖化の北極域増幅が二酸化炭素分圧を決める要素であり、温暖化は分圧にフィードバックする。温度上昇に伴う水蒸気の増加にを上げるが、海洋の二酸化炭素吸収を予測するにはまよって雲とエアロゾル（微粒子を含む大気）は増える。雲だ不明瞭な要素が多い。

の効果は季節によって異なるが、夏季以外は下方への過去の環境変動から将来予測に有用な情報を取り出

長波放射を増やすことにより、地表面温度を上げる。こす研究は、氷床、海底堆積物など様々な記録媒体を対

れらのメカニズムによって、北極域の温暖化が全球平均

象にしており、多くの分野と情報交換を進めている。本より急速になるかを定量的に示すことは、これからの研長期構想では主として自然科学を基礎とする研究につ究課題である。

いて述べているが、環境変化の与える社会への影響を説明し、さらに北極域に生活基盤を持つ住民との協働

温室効果気体増加により下向き長波放射が増え地表は温かくなり、対流圏界面を通過する外向き長波放射に基づいた対処方法をいくつか提案する。

は減ってしまい、バランスするために地表ー対流圏は温まる。一方、中層・超高層大気（成層圏・中間圏・下部熱圏）では、温室効果気体である二酸化炭素の増加により、
長波放射冷却が増加し寒冷化する。気温の変化が、低緯度－高緯度で、また、下層大気－超高層大気で異なる場合、北極を取り囲むジェット気流速度がどう変化するか、さらに蛇行が発達しやすくなるかなど、低緯度域の大気へフィードバックする様子は、まだ諸説がある。
温暖化は、森林限界を北上させるが、その一方で永久凍土を融かし、凍土によって保持されていた土壌水分が低下して森林が劣化する地域もある。積雪や水循
環を介して大気循環のパターンにも影響するなら、陸面へのフィードバックも考慮しなければならず、凍土融解と森林北上は地域によって異なる。これらの変化によって、凍土が融けると温室効果気体を土壌から放出させ5

全球海洋コンベアベルト： 北大西洋深層水によって駆動されることは事実であるが、それに加えて以下の要因も重要である。大西洋、太平洋、インド洋において、海面に加熱と冷却が働き、また降水と河川水流入に伴い海水の塩分が減るが、蒸発によって塩分が増える。その結果として子午面（南北断面）
循環が作られると、北大西洋で深層まで沈み込んだ北大西洋
深層水は大西洋を南下し、南大洋で東に向かってから、太平洋で北上して上層に昇る。その後はインド洋を通過してから大西洋に戻る。これをコンベアベルトと呼ぶ。

るが、森林が発達すると二酸化炭素を吸収する。しかし、土壌水分は降水量にも依存するので、実際に植生がどう変化するか予測するのは難しい。氷床融解の予測を向上させることは、海面上昇を予測し、高潮被害や低地水没など社会基盤の様々な対応を効率的に進め

41

図 2 北極温暖化と主要な因子と影響
現在進行中の気候変化に伴って、北極域の大気、陸域、雪氷、海洋に起こりつつある顕著で重要とおもわれる変化を掲示し、それらの間、および地球温暖化との間に働く影響（一方から他方へ）とフィードバック（双方の間で）を示している。あくまでも主たる作用を示したものであり、これら以外にも影響とフィードバックがありうることに留意していただきたい。実線はほぼ確かなものであり、点線は理論的には考えられるがまだ仮説の段階のものを示している。また、雲と温暖化の関係のように、矢印と逆の影響を持つ場合もある。すなわち、ここでは夏季以外のフィードバックが年平均では重要であるものの、夏季には雲が太陽放射をさえぎることによって海氷の融解を抑える、すなわち逆の効果を持っている場合もある。また、森林火災のように、温暖化が無い時でも起きており、その頻度が増しているものもある。

以下に北極環境の各要素について、それらに起きつ

域ではエアロゾルが雲核となり、雲形成を促進する影響

つある変化と学究上の質問を掘り下げる。大気を取り巻が大きく、その過程を精査することに努めるべきである。

く状況では、海氷減少に伴って海面からの長波放射、海氷減少と積雪変化の影響は地域によって異なるの

顕熱と潜熱 6の増加が北極圏に顕著な変化を生む。層で、引き起こされる大気循環パターンの変動が冬季東雲から層積雲への変化が起きつつあるが、数値モデル

アジアモンスーンを変調させ、日本周辺の気候にも影における雲形成の過大・過小評価を解消し、その上で響を及ぼすであろう。さらに、中緯度や赤道域の大気循

将来予測の信頼性向上に努める必要がある。温室効果

環の経年変動とどのように相互作用するかも調べる必

気体の増加は放射バランスを変化させるものの、北極要はあるが、その研究はまだ途についたばかりである。
超高層大気は、表層大気の温暖化に伴って寒冷化する。その変化をモニターすれば、温暖化進行を推定

6

顕熱と潜熱： 大気が低温で乾燥していると、海洋から熱を奪う。顕熱は大気と海洋の間の温度差に伴う熱輸送であり、潜熱は海洋から水蒸気を蒸発させることで熱を奪う。その水蒸気が大気中で凝結する時に熱を大気に放出する。

することに利用できる。南極に加えて北極圏のオゾン層も注目されており、地球温暖化との関係を究明する観測

52

を続けるべきである。また、太陽活動の影響が下層大気度地域の生物多様性を探究すべきである。

にまで現れる可能性も示唆されているので、影響を定

海氷減少は非常に目立つ変化だが、その背後には量化する試みが必要である。地球周辺の宇宙空間プラ気温上昇と共に海水昇温も役割を果たしている。北極

ズマは磁力線に沿って極域に降り注ぎ、オーロラに代

海全域で多年氷が減少する中でも、シベリア側におけ表されるさまざまな超高層大気の現象を引き起こす。こる季節海氷化が最も顕著である。太平洋の海水が昇温れを地上からモニターすることにより、人工衛星の安全・し、かつ流入量が増加する効果で有意な海氷減少を起

安心な運用に不可欠である宇宙空間プラズマ環境のモこしている。これまでの実績をふまえて、太平洋側におニタリングが可能になる。

いて海洋変動の観測を継続する役割を担い、海氷の諸

陸域雪氷が関わるプロセスで、海面上昇を生じる氷量と合わせてプロセスを探究すべきである。大西洋側か

床・氷河の融解については、観測とモデリングを用いてら北極海中層に流入する海水に関しては、バレンツ海

氷床の表面エネルギー・バランスと流動のメカニズムをの結氷が減ることによって塩分排出が減り、北極海内部

究明し、質量変化を追跡する。高緯度域全体にわたっの表層水と混合しやすくなるであろう。バレンツ海を経て積雪期間が短縮しているが、積雪深と陸水量は時空由する海水流入が、海氷分布に与える影響の調査にも間変動が大きい。森林帯の北上と衰退も同時に調べ、力を入れることが望ましい。北極航路の航行可能性を

定点観測の継続と衛星観測による面的なモニタリングの目前に控えて、海氷の分布と流動を予測する試行実験

統合が必須である。アルベドに関しては、植生変動に加を試みるには、衛星データ利用とモデル開発に注力すえ、積雪に含まれる不純物である微生物効果を定量的べきである。

に評価する。永久凍土上部の活動層が昇温しているの海洋の物質循環と生態系は、密接に関係しながら変は容易に想像がつくが、南限域での消失には初冬の積化するであろう。季節海氷域の拡大は生産性を高める

雪深に依存するアルベドと熱伝導が鍵となる。北極海に効果を持つが、表層の低塩化によって栄養塩の循環が注ぐ河川の流量が増加する傾向にあり、降水と蒸発の低下する場合は、必ずしも生産性が上がるとは限らな差である正味降水量の増加が背景にあると考えられてい。隣接海域の生物種が北極海に侵入する傾向は止いる。海面と中緯度帯からの水蒸気輸送も合わせて、

まらず、生物相が大きく変化する可能性は高い。河川水

水循環の全体像を描き出す作業を進めるべきである。

の影響が大きく、陸棚域が広い北極海では、陸棚－海

陸域の物質循環は、全球の炭素フラックスを同定す

盆間の物質移送と生態系の応答に注目した調査研究

る際にも不確定要素として残っている。北極域においてが中心となる。また、陸起源物質の影響を追跡すること

は、土壌・永久凍土中の莫大な有機物が、温暖化と大も必須である。海洋酸性化の進行をモニターするには、

規模森林火災によって二酸化炭素やメタンを放出す

大陸棚底層や海盆表層で炭酸カルシウム未飽和の領る。炭素に加えて、栄養塩、微量金属などが河川を通域を追跡する。動物プランクトンから魚類、鳥類への食じ、また、海岸侵食で海洋に流出すると、海洋の低次生

物連鎖・物質輸送の知見は初夏に限定されているの態系に影響を与える。シベリア、アラスカ、カナダ、北欧で、他の季節にも拡大するためのプラットフォームを構

における環境監視に貢献することが求められている。

築しなければならない。

陸域植生は、野生動物の生存を支え、人類には生態

数百年以上の時間スケールを持つ現象については、系サービスを提供することに加えて、気候変動にフィー

古環境データが気温変化と物質循環の相互作用に関ドバックする機能も持っている。植生の生産性が高まるする情報を提供する。現在進行中の環境変化を理解すと、二酸化炭素を固定するのは周知であるが、そのレベるための情報でもあるので、多様な学問領域と連携した

ルは栄養塩の存在量に依存する。さらに、森林帯の北研究体制を構築し運営することが鍵となる。固体地球分

上によりアルベドが低下し、土壌水分を吸収、蒸発散さ野の中では、海嶺熱水活動と海底地殻変動が海洋循

せて水循環に関わると共に、河川を通じて海洋に流出

環を介して気候に与える影響に注目する。海面上昇にする鉄化合物を生物に利用できる形態に整える役割も伴う氷床接地線の後退や融解増大による氷床変動へ持っている。環境変動の中で多様性の低下は脆弱につの応答については、近い将来に起こりうる問題を視野にながるので、中緯度・低緯度と比較して遅れている高緯入れた研究の方向性を示す。

63

最後に、北極環境変化の社会影響にまで触れる。北極航路の航行、地震津波情報の伝達、陸域生態系の変化がもたらす影響、森林火災の増加、水産物の変化と保全を例として取り上げる。その先にあるのは、情報を北極圏の住民に伝えるのみではなく、住民との協力、相互理解、さらに全地球の住人として一体となった人間の尊厳を重んじることである。

74

4 章 北極環境研究の歴史
北極研究の大きな転機となったのは、ソ連のゴルバ

北極における科学的研究の国際的取組みは、19 世
7

紀後半の第一回国際極年 （IPY；1882～1883 年）を契チョフ書記長による北極海航路の解放、北極圏におけ機に始まった。IPY には 12 カ国が参加し、北極圏に 14る科学研究の促進などを盛りこんだムルマンスクでの演

カ所の観測所を開設した。IPY では、主に気象、地磁説で、1987 年のことである。これを受け北極研究の国気、オーロラの観測が実施された。日本は、当時滞在し際協力の機運が高まり、1990 年 8 月、北極圏 8 カ国がていた外国人専門家の助言を受け自主参加し、農商務

カナダのレゾリュートで会合を開き、国際北極科学委員

省地質調査所と海軍水路局が地磁気観測を行った。北会8（IASC）を設置した。1991 年 1 月、オスロで開催さ極の本格的な海洋観測は、その 10 年後、1893～1896

れた第一回の IASC 評議会において、非北極圏国の加年にかけて行われたナンセンのフラム号探検に始まる。

盟審査が行われ、日本を含む申請 6 カ国の加盟が認め

まだ、北極航路の探査、未踏の地の発見、北極点踏破られた。

などに各国がしのぎを削る探検の時代であった。

我が国の北極研究も、この頃を機に大きく転換するこ

IPY の成功を踏まえ、その 50 年後の第二回国際極とになった。1990 年、国立極地研究所には北極圏環境年（IPY2；1932～1933 年）には、初参加の日本を含む研究センターが設置され、1991 年、同研究所はノルウ

44 カ国が参加した。北極圏に領土領海を持たぬ日本ェー極地研究所の協力を得て、スバールバル諸島スピは、北極に近い樺太での地磁気観測や、北極の気候に

ッツベルゲン島ニーオルスンに観測基地を設置するとと近い富士山頂での気象観測を行った。IPY2 の主要課

もに、大気、雪氷、海洋、陸域生態、超高層物理の観測

題は、長距離短波通信のための「電波予報」に関するを開始した。また、海洋科学技術センター

電離層の観測で、日本も観測所を設置しこの国際プロ（JAMSTEC；現、海洋研究開発機構）は、1990 年にウジェクトに参加した。

ッズホール海洋研究所と共同開発した氷海用自動観測

第二次世界大戦後、冷戦の舞台となった北極では、

ステーションやアラスカ大学の海洋観測船を用いて、北米ソを中心に、海氷や氷島(ice island)を利用した漂流極域の海洋観測を開始した。

ステーションや原子力潜水艦による北極海調査、永久近年、太陽活動と地球大気変動の議論が活発な極凍土やグリーンランド氷床の寒地工学的な研究など、資域中層大気（成層圏・中間圏・下部熱圏）および超高層源探査を含む軍事的な意味合いを強く持った研究が行大気研究においては、通信総合研究所（当時；2004 年

われた。

より情報通信研究機構）が、1993～2006 年の期間、アラ日本の研究者が北極で研究活動を行なうようになった

スカ大学フェアバンクス校地球物理研究所と共同して、のは、1950 年代末からである。中谷宇吉郎（北海道大同大ポーカーフラット実験場を中心とする地上リモート学）のグリーンランド氷床でのアイスコアの研究や、同大

センシング機器の開発・実験計画（通称「アラスカ・プロ

学の研究者による北極海のＴ3 やアーリス 2 と呼ばれた氷ジェクト」）を先導的に展開した。アラスカ州内でオーロラ、

島での気象、雪氷研究が挙げられるが、いずれも米国の電離圏プラズマ、中間圏力学、成層圏化学、対流圏エプロジェクトへの参加であった。1960 年代後半から、名古

アロゾルなどを対象にした拠点観測を行い、長期継続

屋大学による日本上空からアラスカへの氷晶核の追跡観的な観測、と衛星や気球、科学ロケットとの同期キャン

測、北海道大学のシベリアやアラスカなどでの永久凍土

ペーン観測を組み合わせて領域間・電離圏中性大気調査、アラスカでの氷河調査などが、日本の研究グルー

間相互作用などの研究成果を残した。

プ主導の計画として実施された。この時代は、東西冷戦

国立極地研究所は、ニーオルスン基地での温室効の最中で、北極における研究観測もその影響を色濃く受

果気体の観測、ポリニア（不凍開水域）での生物観測、けた時代であり、特に、ソ連の北極圏は門戸を閉ざされる

グリーンランド氷床などでの雪氷コア掘削、ドイツのアルとともに、データの入手も困難であった。

フレッド・ウェゲナー極地海洋研究所との航空機による

7

8
国際北極科学委員会： International Arctic Science
Committee (IASC）

国際極年： International Polar Year (IPY)85大気の共同観測、日本から北極海を横断してスバールてタイガ帯の森林調査を行っている。東北大学もシベリ

バル諸島までの航空機による温室効果気体、エアロゾ

ア地域の定期航空便による温室効果気体の観測を続ル、雲の観測、スバールバルとカナダのエルズミア島でけている。また、1999 年以降、JAMSTEC と JAXA（宇のツンドラ植生の炭素循環調査などを行ってきた。一

宙航空研究開発機構）は、アラスカ大学と北極研究に

方、JAMSTEC は、1998 年から海洋地球観測船「みら関する共同研究を開始した。

い」を用いた北極海の海洋観測を開始し、1998 年から日本における北極地域の観測研究は、幾つかのプロ2013 年までに 10 回の観測航海を行い、国際的な北極

ジェクトおよび機関やグループ研究に基づく分散的な形

海観測に貢献している。また、名古屋大学等は、態によって実施されて来たが、研究推進には国内におWCRP の GEWEX 研究プログラムに対応し、1997 年

ける協力が不可欠との認識を持ち、北極研究に関するからティクシやヤクーツクなどの観測点を設置して、凍連携を目的として 2006 年から有志によって委員会を構

土積雪域であるシベリア地域における水・エネルギー循

成し活動を始めた。その一環として 2007 年以降、日本

環 研 究 を 開 始 し た 。 当 該 研 究 は 2001 年 以 降 、

地球惑星科学連合大会で北極セッション、2008 年から 2

JAMSTEC、北海道大学、名古屋大学、総合地球環境

年ごとの国際北極研究シンポジウムを開催している。

9

10

一方、国際的な研究機運も 2000 年頃から見られ始研究所などによって、レナ川流域を中心に拡大・変化しめた北極海の海氷減少を機に盛んになってきた。国際

現在に至っている。
名古屋大学は、国立極地研究所と共同して、日本の地球観測年11（IGY）の 50 周年に当たる 2007～2008

EISCAT 科学協会加盟を 1996 年に果たし、北極域超高

年 に ICSU 12 、WMO 13 が 中心とな り、 南極も 併せ た層大気の精密観測が可能な EISCAT レーダーの日本

IPY2007～2008 が実施されて、観測・データアーカイ

人研究者による独自利用を実現した。さらに EISCAT 科

ブを中心に研究が推進された。IASC でも研究推進を学協会の有する EISCAT レーダーの拠点の一つである

強力に行うため、組織の拡大が議論され、2011 年からトロムソに、中間圏風速観測用 MF レーダーを設置、トロワーキンググループの数を増やし、発展している。これ

ムソ大学およびサスカッチュアン大学との共同運用をを機に日本の研究者も IASC への関与を深めた。

1998 年から開始した。その後、オーロラ観測用フォトメ

2011 年、文部科学省は GRENE 事業の一環で「北ータ(2001 年)および熱圏風速測定用ファブリペロー干

極気候変動分野」を取り上げ、「急変する北極気候シス

渉計(FPI)(2009 年)の自動観測を継続して実施し、ソデ

テム及び全球的な影響の総合的解明」を目的にィウムライダー(2010 年)およびミリ波分光計(2017 年)のGRENE 北極事業が 5 年計画でスタートした。GRENE設置を行った。並行して、国立極地研究所は、複数の北極事業は、国立極地研究所を代表機関、海洋研究

全天イメージャ設置や流星レーダーの設置 (2003 年)

開発機構を参画機関とし、この他に全国 38 の大学や研を行った。現在トロムソは、世界有数の拠点観測を実現究機関から 360 名を越す研究者が参加した大規模な研している。

究プロジェクトとして実施された。さらに、2015 年 10 月

また、国立環境研究所は、1991 年以降、航空機やからは、新しいプロジェクトとして「北極域研究推進プロ

観測タワーを利用したシベリア上空での温室効果気体

ジ ェ ク ト （ Arctic Challenge for Sustainability :の観測を持続的に行っている。北海道大学も 1980 年

ArCS）」が進められている。

代以降、シベリア、アラスカにおける凍土研究を実施

一方、2011 年 5 月には JCAR が設立され、北極環し、北海道大学と北見工業大学は、2000 年代にシベリ

境研究に関する長期計画策定に加え、研究・観測推進

ア地域の氷河観測、森林総合研究所は長年にわたっの基盤整備、国際協力・連携、人材育成の検討を行っ

9
WCRP： World Climate Research Programme、世界気候研
究計画
10
GEWEX： Global Energy and Water Cycle Experiment、
全球エネルギー・水循環観測計画 (2013 年以降は以下に変更された。Global Energy and Water Cycle Exchanges
Project、全球エネルギー・水循環計画)

11

国際地球観測年: International Geophysical Year
（IGY）
12
ICSU： The International Council for Science、国際科学会議
13
WMO： The World Meteorological Organization、世界気
象機関

9

ている。
北極海の航路は、１５世紀の大航海時代より、
欧州からシベリア沖を通って太平洋に向かう北東
航路と、欧州(大西洋)からカナダ北部を通って太平洋に向かう北西航路が知られている。現在は北東航路のロシア管轄下を北極海航路と呼ぶこともあり、用語の使用が定まっていないが、この報告書内では、北極海を利用する航路の総称として「北極航路」という用語を使用している。

10

5 章 「現在進行中の地球温暖化に伴う北極の急激な環境変化を解き明かす」 研究テーマ
地球温暖化は人間社会や生態系に大きな影響を与り上げ、 北極環境を構成する諸要素の間のフィードバック

えうる今世紀の環境変化であり、 社会の関心が高いのを解明する。 生態系の変化から地球温暖化へのフィード

で、 それに関わるテーマをあげる。 鍵となるプロセスを取バックにも注目する。

テーマ 1 ： 地球温暖化の北極域増幅
要旨
北極域では、 大気、 海洋、 雪氷、 陸面、 生態系等

よぼす影響について考えた。 Q3 は、 季節変動をもつ海の各要素が複雑に絡み合い、 様々なフィードバック効果

洋の熱蓄積と海氷アルベドが北極域増幅に与える役割が働く結果、 他の地域より急激な気温上昇になる。 「北について述べた。 Q4 は、 北極温暖化増幅において最

極温暖化増幅」 として知られている現象である。 しかも不確定性が高いと考えられる雲とエアロゾルがもつ定し、 個々の要素からの定量的な寄与や、 物理過程に関

量的役割について考察した。 最後に、 全体のまとめとしする理解は未だ不十分である。 そこで、 以下の 5 つのて北極温暖化増幅はなぜ起こっているのか、 その予測

Questions に関してそれらの重要性と現状、 及び今後と不確実性はどれほどか、 北極域における放射強制力の長期研究戦略を提案した。

とフィードバック ・ プロセスはどう変化するのかについて扱

Q1 ： 下層から上層の大気における水平 ・ 鉛直熱輸

い、 定量的評価の研究の現状と課題を考察した。 それ

送は、 北極温暖化増幅にどう影響するか？

ぞれの Question では、 プロセス観測、 長期モニタリン

Q2 ： 陸域積雪・ 凍土・ 植生・ 氷床の役割は重要か？

グ、プロセスモデル、気候モデリングの立場から検討を行っ

Q3 ： 季節変動をもつ海洋の熱蓄積と海氷アルベドのた。
10 年以上の長期にわたる取り組みは、 北極域を中心

役割はどの程度か？
Q4 ： 雲とエアロゾルがもつ役割を定量化できるか？

としたエネルギー輸送に焦点を当て、 超高層、 雲 ・ エア

Q5 ： 北極温暖化増幅はなぜ起こっているのか、 そのロゾル、 積雪、 海氷、 そして海洋中層までの各要素間の予測と不確実性はどれほどか？北極域における相互作用を解明していく。 そのための手段である地球シ放射強制力とフィードバック ・ プロセスはどう変化

ステムモデルを開発 ・ 利用するには、 様々な分野のモデ

するのか？

ラーの協力のみならず、 モデル検証に用いるデータの計

Q1 は大気循環に関する記述で、 中緯度からの熱輸画的取得が必要である。 我が国の貢献として、 超高層送の影響と超高層大気の役割に分け、 下層から上層のから海氷に至る衛星観測の拡充を図るため、 センサ開大気における水平 ・ 鉛直熱輸送が北極気温増幅にど発と衛星打ち上げを継続するよう担当機関に働きかける。

う影響するかという点について考察した。 Q2 は陸域積

もうひとつの鍵となる海洋の現場観測については、 定期

雪、 凍土、 植生、 氷床に関するもので、 水循環変化を的に実施できる体制を維持しなければならない。

伴う積雪、 凍土、 氷床の変化と土壌、 植生が大気におまえがき
現在北極域で起こっている気候変化は、 その地域だ

陸面、 生態系の様々な要素が複雑に絡み合っているた

けでなく、 遠く離れた地域の自然環境や経済活動など

め、 我々はそれらの相互作用の結果を観測している。

にも直接 ・ 間接的に影響を及ぼすと考えられる。 その根

図 3 は、 北極域における各要素間の影響の方向と本的原因は、 温室効果気体の増加による温暖化であフィードバックを示したものである。 各矢印の大きさに関ると考えられるが、 北極域では中低緯度域に比べ、 気する現在の我々の知見は、それほど正確なものではなく、温の上昇幅が大きく、 増幅効果をもっていることが分かっ「仮説」というレベルのものも含まれている。中心にある「温ている （北極温暖化増幅）。 しかし、 北極域での温暖暖化」 が進行すると、 海氷の減少、 雪氷の融解、 大気化増幅のメカニズムは単純ではなく大気、 海洋、 雪氷、循環の変化、 雲やエアロゾルの変化などが起こり、 高い

11図3
北極域各要素間の潜在的フィードバック効果

アルベドの雪氷面が相対的に黒い地表面や海面で置き温暖化に伴う環境変化とその結果生じる人間社会へ換わることにより、 さらに、 地表付近の加熱 （温暖化）の影響を正確に評価し、 適切な対策を早急に講じるたが進行する。 また、 凍土が融解すると更なる温室効果

めに、 図 3 に示した各要素やそれらの間で起こっている

気体の排出が進む。 しかし、 一方で海氷が減少し開水現象を理解することが強く求められている。 そこで本章面が拡大すると海洋から大気への水蒸気の供給によっでは代表的な構成要素である大気、 海洋、 陸域におて雲量が増加し、 海氷の更なる融解を変化させる効果もける Question として、 大気中の熱輸送、 陸域 ・ 氷床ある。 このような様々なフィードバック効果の結果、 北極の水循環変化と植生変化、 海氷と海洋について考察し、域では温暖化は増幅されているということが、 観測や数

さらに最も不確定性の大きな雲とエアロゾルの各フィード値モデルによる研究から分かってきたが、 個々の要素か

バック ・ プロセス、 そして、 それらのまとめとして北極温暖らの定量的な寄与や、 物理過程に関する理解は未だ不化増幅はなぜ起こっているのかという Question を設定十分である。

し、 現状分析と長期研究戦略を考える。

Q1 ： 下層から上層の大気における水平 ・ 鉛直熱輸送は、 北極温暖化増幅にどう影響するか？
北極域の温暖化とその増幅については、 海氷面積

Q1a: 中緯度からの熱輸送の影響の減少によるアイス ・ アルベド ・ フィードバック 14 の効果(1) 研究の現状
地球温暖化の中、 北極域には多くの変化が現れていや極向きエネルギー輸送の増加、 ブラックカーボンにる。 衛星観測による継続的なデータが存在するここ 30

伴うアルベドの変化などさまざまな要因が提唱されてい年間で、 北極海を覆う海氷面積、 積雪域面積は大きくる （Graversen et al., 2008 な ど ）。 この中 で 極 向 き

減少し、 北極圏の広範囲で、 地上気温、 地温、 海洋

エネルギー輸送に関しては、 Oort （1971） がレーウィ

上層の水温も昇温傾向を示している。 さらに、 北極圏陸

ンゾンデデータを用いて季節変動を、 Trenberth and

域を覆っている永久凍土の融解による温室効果気体で

Stepaniak （2003） が再解析データを用いて、 季節変あるメタンの放出、北極海に注ぐ河川流量の増加、グリー

動、年々変動を示すとともに乾燥静的エネルギー、潜熱、

ンランド氷床の融解、 氷河 ・ 氷帽の縮小、 積雪面積 ・運動エネルギーの各成分の寄与を、 定常成分と擾乱成期間の減少、 北極上空のオゾン量の減少、 大気中二酸分について示している。 Hwang et al. （2011） は第 3化炭素増加による海洋酸性化の進行など様々な異変が次結合モデル相互比較プロジェクト CMIP3 の複数モデ起こっている。 現実の北極気候変化は、 気候変動に関

14

アイス ・ アルベド ・ フィードバック ： 雪氷面のアルベドが植生や土壌面のアルベドよりも大幅に高いことから、 寒冷化 （温暖化） して雪氷面が増大 （減少） するとアルベドが増大 （減少）
して地表面に吸収される日射が減少 （増大） し、 寒冷化 （温暖化） がさらに進行する、 という正のフィードバック。

する政府間パネル （IPCC） 報告書で報告されている
多くの気候モデルの予測よりも早く進行していると考えられる。

12

ル結果を用いて、 極域の気温上昇に伴い北極域で極向底にあるメカニズム、 全球気候変動との関係を明らかにきエネルギー輸送が減少していることを示した。 これにするためには、 個別のプロセスの理解だけではなく、 北対して、 Graversen and Burtu （2016） は再解析デー

極の気候システム全体がどのように働いているのか、 そタを用いて、 北極域の気温上昇は数日のスケールでほの中で大気によるエネルギー輸送に着目し、 どのようにぼ同時に総観規模擾乱による極向きエネルギー輸送の関わっているかを理解する必要がある。 そこで北極大気減少をもたらすが、 惑星波による極向きエネルギー輸送

を 1 つのボックスととらえ、 中緯度との間でどのように熱、は 10 日程度の遅れで地上気温の上昇をもたらすことを水蒸気、 物質を交換しているのか、 またそこにどのように示した。 また、 潜熱輸送は水蒸気や雲の放射効果、 す大気力学が関わっているのかを理解することが重要であなわち温室効果を伴うため、同量の乾燥静的エネルギー

ると同時に、強い温暖化を引き起こすようなフィードバック・の輸送よりもはるかに効率的に北極域の気温上昇に寄プロセスの同定とその理解が必須である。 その中で、（1）

与することを示した。 将来の温暖化予測の枠組みでも、中緯度との熱、 水蒸気、 物質交換、 （2） フィードバック・

同様の結論が支持されている （囲み記事 Yoshimori

プロセス、 （3） 中間圏、 成層圏から境界層にいたる北et al., 2017 参照）。現状では、エネルギー輸送（熱輸送）

極大気における鉛直方向の結合という 3 点について、 包を直接取り扱った研究は少なく、 北極域の現況を記述括的に研究を進めていく必要性がある。

する多数の研究とは十分にリンクしているとは言えない。

この急変している北極圏気候変化の根底にあるプロセスを解く鍵が、 その変動 ・ 変化の時空間的特徴のなかにあると考えられる。 特に 1990 年代に入って海氷面積(2) 今後の研究
北極でなぜ温暖化が強化されるのか、 また、 その根の減少、 地上気温の上昇など、 さまざまな変化が顕在

Update 2018 1

北極域への潜熱輸送
乾燥静的エネルギーと潜熱の北極域への輸送を分析すると、前者は北極域の温暖化に応答して減少する傾向があるのに対して、後者は低緯度側の温暖化に応答して増加する傾向がある。潜熱輸送の増加は凝結熱の解放だけでなく、水蒸気や雲の温室効果といった放射フィードバックも引き起こすため、効率的に北極域の温暖化を促進する。将来予測シミュレーションでは、北極温暖化増幅が大きいモデルほど北極域への大気熱輸送が少ないという関係が知られているが（Hwang et al., 2011）、乾燥静的エネルギーと潜熱の総和としての大気熱輸送は、北極温暖化増幅における大気の役割を必ずしも示していないことが示唆される。

図 U-1 Yoshimori et al. (2017) 等で提案された北極温暖化
増幅における大気熱輸送の役割に関する考え方を表す模式
図 （Copyright © Yoshimori 2018）。 仮に、 顕熱 （正確には乾燥静的エネルギー） 輸送と潜熱輸送の変化が逆向きで等
しく、 それぞれの直接的な冷却効果と加熱効果が打ち消しあったとしても、 北極域への水蒸気輸送の増加は、 水蒸気や雲の増加により温室効果を強化するため、 全体としては
北極域の温暖化を増幅する可能性が考えられる。

13

化していることは周知の事実である。 さらに、 北半球寒近年増加傾向にあると報告されている。 さらに、 従来は冷域において、 現在進行中の温暖化と同様に急激な地

夜光雲がみられなかった中緯度域でも観測報告がなさ

上気温の昇温が 20 世紀前半、 1920 年代～ 1940 年れている。 また、 超高層大気では、 低軌道衛星の軌道代に起きていた事実は、 海氷のアイス ・ アルベド ・ フィー

データを用いた大気密度の経年変化から、 中層 ・ 超高ドバックに代表される急激な気候変化を引き起こすプロ層大気の寒冷化に伴う大気収縮により、 大気密度が急セスが、 北極圏気候システムに内在することを示唆する。

激に減少しているとの報告もある。 このように、 中間圏やまた、北極圏における温暖化は空間的に非一様なパター

超高層大気の寒冷化を定量的に理解することは、 下層ンを持つ傾向にあり、 特に 20 世紀前半はユーラシアセ

大気の温暖化の程度を理解することにつながるといえる。

クターの温暖化が明瞭であった。 元来、 北極海の他の下層大気環境を映し出す鏡としての超高層大気の役割

海域に比べてバレンツ海から東シベリア沿岸にかけて海を認識し、 中間圏や超高層大気の中期 ・ 長期変動につ氷の季節 ・ 経年変動が大きく、 中でもバレンツ海、 カラ

いても詳しく調べることが強く望まれる。 しかし、 夜光雲

海周辺は北半球でも最も大気海洋間の熱交換が大きいの観測、 超高層大気の大気密度の観測共に、 中期 ・海域の一つである。

長期的な変動を議論するためのデータの絶対量が不足

さらに、 北極域大西洋セクターは、 大気 ・ 海洋におしているため、 不確定性も多く含まれている。

ける極域と中緯度域の熱 ・ 水循環の窓口として機能して対流圏起源のプラネタリー波が成層圏に伝播し、 成おり、その変動は北大西洋振動 （NAO）・北極振動 （AO）

層圏大気大循環を変化させ、 それがさらに対流圏大気に代表される大気循環場の変動に強く支配されている。

大循環に影響を及ぼすことが明らかになりつつある （例一方、 バレンツ海、 カラ海の海氷変動は大気海洋間のえば、 Baldwin and Dunkerton, 1999）。 また、 中間

熱交換を通じて、 大気の遠隔応答を介して極東の冬季圏や熱圏では、 対流圏起源の各種大気波動が、 東西

モンスーンの変動に影響を与えていることが明らかになり

平均東西風や子午面循環の形成に大きく寄与しているつつある。 このような事実から、 特に北極大西洋～ユー

ことが知られている。 しかし、 対流圏起源の各種波動に

ラシアセクターの水平 ・ 鉛直熱輸送を定量的に見積もるより引き起こされた中間圏や熱圏での大気大循環が、 逆ことが、 北極温暖化増幅を理解する上で重要と考えられに、 大気上下結合過程を通じて、 対流圏に影響を及ぼる。 また、 このような北極の急激な気候変動とその空間

すかどうかについてはよく解っていない。 温暖化により、的非一様性に対して、 エアロゾル－雲プロセスにともなう対流圏での大気大循環は大きく変調することが知られて

放射強制力やフィードバックメカニズムの水平 ・ 鉛直熱

いるが、 これに伴って、 中層大気や超高層大気に鉛直輸送への潜在的な寄与が考えられており、 北極の気候

伝播する大気波動も変調することが推測される。 実際、変動という観点からの総合的な評価を行なっていく必要

大部分の化学気候モデルは温暖化により成層圏の子午がある。

面循環が加速すると予測している （例えば、 Butchart
et al., 2011）。 しかし、 微量成分観測で得られた成層

Q1b ： 中層 ・ 超高層大気の役割は何か

圏の気塊年代の経年変化とは矛盾することも報告されてここでは、 下層大気 （地表から高度約 10km までのいる （例えば、 Engel et al., 2009）。 さらに、 温暖化

対流圏）、 中層大気 （高度約 10 ～ 100km の成層圏 ・による対流圏起源の大気波動の変調により、 超高層大

中間圏・下部熱圏）、超高層大気 （高度約 80 ～ 500 （～気の東西平均東西風や子午面循環がどの程度影響を1000） km の上部中間圏 ・ 熱圏 ・ 電離圏） と定義する。

受けるのか、 また、 この変化がさらに対流圏に影響を及(1) 研究の現状

ぼす可能性はあるかどうかについては、 ほとんどわかっ

二酸化炭素増加に伴う下層大気の温暖化に対して、ていないのが現状である。

中層 ・ 超高層大気では寒冷化が起きているが、 大気密

成層圏でのオゾン変動は、 成層圏プラネタリー波の活度の小さいこの領域では、 この変化がより顕著に表れる

動度と密接に関連している。 しかし、 成層圏プラネタリー

ことが知られている。 二酸化炭素濃度増加に伴う中間圏

波は、 温暖化に伴い大きく変化すると考えられている。

の寒冷化や、 メタンの増加に伴う中間圏界面付近でのさらに、 冬季から春季にかけてのオゾン破壊の光化学

水蒸気の増加により、 夏季極域の中間圏界面直下に発反応過程は、 関連する各種の大気微量成分濃度変化

生する夜光雲（極中間圏雲とも呼ばれる）の発生頻度は、や下部成層圏の温度などとも密接に関連しているため、

14

予測は非常に難しい。 例えば、 2011 年の春には、 北領域の気象再解析データが利用可能になってきたことか

極でも南極オゾンホールに匹敵するオゾン破壊が発生しら、 観測と組み合わせて使用することで現象の解釈やたが、 この現象が、 二酸化炭素濃度増加に伴う成層圏

定量的理解の促進につながると期待される。 中層 ・ 超の寒冷化によるものなのか、 今後の北極オゾン破壊がど

高層大気の寒冷化の影響をより定量的に明らかにする

うなるのか、 といったことはまだよく解っていないのが現には、 大気大循環モデルによる数値シミュレーションが状である （例えば、 Manney et al., 2011）。

不可欠である。 そのためには、 中層大気や超高層大気
を含む大気大循環モデルの高精度化が課題である。 特(2) 今後の研究に、 中層 ・ 超高層大気が下層大気におよぼす影響を調

北極域ではレーダーやライダーなどによる中層 ・ 超高

べるには、 数値モデルの上端高度を変更したシミュレー

層大気の地上リモートセンシング観測が行われているが、ションを各種実行し、 比較解析することが大変有効であ

今後はそれらをネットワーク化し、 データを公開 ・ 共同利る。 また、 地球温暖化に伴うオゾン減少を正確に予測用する体制を構築することが重要である。 併せて、 それするには、 光化学反応過程を含んだ高精度の化学気候

らと相補的な役割を果たす衛星観測を拡充する必要がモデルが必要である。
注） テーマ 5 の Q4、 テーマ 10 の Q2、 テーマ 10ある。 また、 中緯度域の観測との比較や南極域での観の Q3 も参照のこと。

測との比較など多角的に行うことにより、 総合的な理解が生まれる。 近年、 地表から中間圏までの幅広い高度

Q2 ： 陸域積雪 ・ 凍土 ・ 植生 ・ 氷床の役割は重要か？
Q2a ： 水循環変化を伴う積雪 ・ 凍土 ・ 氷床の変化に移る。 この時期の陸域では、 融雪水の地中への浸透(1) 研究の現状と河川への流出、 また地温上昇が始まる。 近年の春の地球温暖化の北極域増幅に関する陸上の雪氷、 凍積雪面積の減少は積雪開始 ・ 終了の季節サイクルの変

土および氷床のフィードバック ・ プロセスについては、 ま調、 アルベドの影響時期のシフトを起こすと予想できる。

ずそれぞれの要素が持つ特徴の把握、 変化プロセスの永久凍土域では、 南限地域や海岸部などの境界域

追跡、 そして影響の理解と再現研究が進められている。

での融解のほか、 広く永久凍土層の地温上昇が報告さ

多点の観測データと衛星データによる連続 ・ 広域情報がれている （石川 2014）。 季節融解を起こす永久凍土表

もとになっており、 積雪域の熱収支解析から、 雪氷のア層の活動層では夏季の気温だけでなく、 積雪が抑制す

ルベド ・ フィードバックによって進む春の融解促進とそのる冬季の地表面冷却や、 春の融雪が促進する土壌水後の地表や大気への熱の移動も解析やモデル計算が分量の増加にも影響を受ける。 冬季の温度条件と積雪行われている。 しかし、 水循環に関係する融解の開始

による凍土融解促進について観測が必要である。 衛星や融解水の動きについては不確定なものも多く、 観測に

GRACE による重力観測から、 北極圏陸域での質量減よる熱伝導や融解水の移動など基本プロセスの理解や少が観測され、 氷床や氷河 ・ 氷帽の縮小、 永久凍土

モニター観測点の展開や維持が必要である。

から融解水が流出していると推定されている。

北半球高緯度では、 春の積雪面積が減少しているこ

グリーンランドでは、 2012 年夏に氷床表面全域で融とが報告されている （Hori et al., 2017）。 しかし、 冬解が観測された （Niwano et al., 2015）。 氷床表面の季の降水量自体は減っていないことから、 春の融雪と流融雪域や融解池の拡大、 また、 表面で繁殖する微生

出が早まることが原因と考えられる。 積雪域のアルベド ・物は、 いずれも表面のアルベドを低下させ、 融解を促進

フィードバックが起こるのは日射が増える春であり、 また水する。 半球的な気温上昇だけでなく、 氷床周辺のシノプ

循環についても春の融雪が重要である。 4 月以降、 北

ティックな気象による暖気流入や、 水蒸気増加による大半球高緯度の融解域が高緯度側に急速に北上する。

気放射加熱などの融解促進プロセスも報告されている融解の進行、 含水率増加と積雪粒径の増加によるアル（Bennartz et al., 2013）。 周辺海域の水温上昇も氷ベド低下が起こることは衛星でも観測されている。 日射が床末端部の不安定性を増大させ、 氷河後退を加速させ最大になる 6 月には陸上の積雪域はほぼ消失しており、ると考えられている （Straneo and Heimbach, 2013）。

アイス ・ アルベド ・ フィードバックの舞台は北極海の海氷

一方で氷床からの融解水は海洋循環にも影響を与える

15と予測されるが、 氷床内での融解水の挙動については

た表面融解加速の実態を把握するために、 氷床の広い十分理解されていない。 その、 影響を検出すべく氷床範囲まで観測網を拡充させる必要がある。 沿岸部では、および海洋の共同調査が試みられている。

カービング氷河の加速と急激な後退によって氷床質量減少が加速しており、 そのメカニズムの解明と将来予測が(2) 今後の研究急務となっている。 そしてこれらの変化に起因する氷床

雪氷によるアルベド ・ フィードバックに関わる観測情報

からの淡水流出の増加は、 周辺海域の海洋循環や結源として、 衛星観測は重要な広域観測手法であり、 アイ

氷にも影響を与える。 氷床内部における融解水の滞留

ス・アルベド・フィードバックの解析に重要な、 降雪の確認、や再凍結プロセスを明らかにし、 流出量を定量化するこ

積雪期間、 アルベド変化の観測の情報取得が期待できとによって、 大気 ・ 氷床 ・ 海洋の相互作用を解明するこる。 衛星による積雪被覆と融解域の把握には高精度のとが今後の最重要課題である。

技術が開発されつつある。 しかし、 積雪水量の測定について地域 ・ 時期ごとの精度確認や改良が必要である。

Q2b: 土壌 ・ 植生が大気におよぼす影響（テーマ A 参照）(1) 研究の現状と問題点

積雪に関連するモデルについては、 まず気候モデル

一般に、 植物は気温、 降水量、 日射量、 大気の二や領域気候モデルによる降水／降雪の予測精度の向酸化炭素濃度などの外的な環境条件の影響を受けてそ上、 次に陸面モデルや積雪変質モデルによる融雪予測の分布が定まる。 特に、 北極域では気温による影響がの不確定性を少なくすることが望まれる。 降水観測ミッ

最も支配的であり、 比較的温暖な低緯度側には亜寒帯

ション衛星 GPM の観測域は北緯 65 度以南に限られる林が、 比較的寒冷な高緯度側にはツンドラ植生が形成

が、 フェアバンクスやヤクーツクなどこの観測域にある地されている。 過去の温暖な時代や寒冷な時代に、 植生

上での降雪識別及び強度観測と合わせて、 モデルによの分布が当時の気候を反映して現在と異なっていたこと

る降雪予測に必要な基礎情報を得ることが期待される。

は地質学的証拠から知られている。 現在進行している

また、 北極海に至る大河川の上流域は GPM の観測域

温暖化に伴って起きていると考えられる植生分布の変化に含まれている。 ただし、 衛星による降雪量の推定誤を正しく把握することが重要な課題となっている。
最近の過去 20 年程度の時間スケールでは、 北半球差は大きいため、 現地観測との較正は今後も重要である。

高緯度の植生の増加トレンドが衛星観測から検出されて水循環に関わる凍土融解、 河川流量 （氾濫） のモ

いる （Tucker et al., 2001）。 また、 空間的なスケール

ニタリングには長期観測体制の整備が必要である。 デー

は異なるが、 50 年程度の過去の写真風景と現在の同タ蓄積に時間がかかるため、 代表的な地域で早期に観じ場所を比較することで、 北極域陸上での植生の増加

測を開始することが望まれる。 これら積雪や凍土の長期は検出されており、 温暖化に陸域生態系が応答してい継続観測に関しては、 北極圏の各国や国際観測ネット

ると考えられる （Strum et al. 2001）。 植生の増加は

ワーク活動に依存するが、 代表的な観測域における拠アルベドの低下を促し、 太陽光の吸収を増加させること

点設置や集中観測などは国際的な提携活動として推進で、 北極域の温暖化を増幅するというメカニズムがモデすべきである。

ルシミュレーションによって示されている。 また、 北極域

積雪表面アルベド変化をもたらす不純物、 微生物、は積雪域でもあるので、 植生によるアルベド低下は春先

粒径の観測では、 多点サンプルの分析や、 積雪ピットの融雪を促進し、 さらなる非線形な温暖化増幅が起きうやコアの分析による過去の変動研究が有効である。 そる （O’ishi and Abe-Ouchi, 2011）。 また、 北極域でのための精度の高い分析手法開発やモニター体制の充

直接温暖化を増幅するわけではないが、 温暖化による実が必要とされる。 不純物分布の地域性 ・ 時間変動が凍土層の融解によってこれまでに凍土層に蓄積されてい予想されるが、 輸送 ・ 沈着過程についてモデルを用いた有機炭素の大気中への放出が起きる可能性も指摘さた研究が望まれる。

れている （テーマ 1Q2a およびテーマ 3 参照）。 そのた

グリーンランド氷床では、 気候変動下における積雪量

め、 北極域全体での植生変化を精度よく把握することが変化に不確定性が大きく、 その監視が氷床変動の理解重要である。

に重要である。 また気温上昇とアルベドの変化に起因ししかし、 地上観測点は限られており、 モデル化された

16

Update 2018 2

SIGMA プロジェクト

Snow Impurity and Glacial Microbe effects on the abrupt warming of the Arctic（SIGMA）
プロジェクトは 2011-2015 年度に実施された科研費による研究課題（http://www.mri-jma.go.jp/Dep/
cl/cl6/sigma/sigma-e.html）で、2016-2019 年度には後継の SIGMA-II プロジェクトが実施されている。
その研究目的はブラックカーボンやダストなどの積雪不純物や雪氷微生物が、近年の北極における急激な温暖化にどのような影響を及ぼしているかについて、現地観測、氷床コア掘削、数値モデル、衛星リモー
トセンシングなどの研究方法によって明らかにするものである。主な研究対象域はグリーンランド氷床で、
北 西 グ リ ー ン ラ ン ド の カ ナ ッ ク 村 を 拠 点 に 氷 床 上 の SIGMA−A と D サ イ ト 及 び カ ナ ッ ク 氷 帽 上
SIGMA-B サイトの 3 カ所に自動気象観測装置（AWS）が設置され、2018 年現在 SIGMA−A と B の 2
カ所の AWS が運用中で、データは ADS（https://ads.nipr.ac.jp/portal/index.action）を通じて公開されている。また、これらの観測サイトは世界気象機関（WMO）の全球雪氷圏監視計画（GCW）の雪氷
圏観測点ネットワーク CryoNet（https://globalcryospherewatch.org/cryonet/）に登録されている。
以下、SIGMA プロジェクトの主な研究成果（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT23221004/）について紹介する。
グリーンランド氷床上における現地観測は 2011-2014 夏季の 4 シーズン実施され、涵養域ではアルベド低下に対するブラックカーボン（BC）等積雪不純物の寄与は小さく（Aoki et al., 2014）、むしろ積雪
粒径増加効果の方が大きいことが分かった。また、2012 年 7 月にグリーンランド氷床上のほとんどの地域で表面融解する顕著な温暖化イベントが発生し、標高約 1500 m の涵養域に位置する SIGMA-A でも推定 60-100 mm の降雨が観測された。このときの SIGMA − A の AWS データ解析から、温暖な下層雲からの下向き長波放射の増加が短波放射の減少を凌駕した結果、晴天時よりも雪面融解を増加させたことが分かった。一方、消耗域における現地観測では、カナック周辺の広範囲の氷河群、カナック氷帽、中西部のラッセル氷河などおける現地観測から、多くの氷河表面の不純物中に微生物が大量に含まれ（クリオコナイト）、アルベド低下へ大きく寄与していることが分かった。また、それらクリオコナイトに含まれる鉱物成分の分析の結果、消耗域表面の鉱物粒子は氷床周辺部に由来するもので、さらに氷体内から融解とともに表面に蓄積するものが多いことが明らかになった。これらグリーンランド氷床上の涵養域、消耗域それぞれの領域において、2000 年以降の衛星データ解析を行った結果、涵養域では夏季に積雪粒径が近年ほど増加していること、消耗域では裸氷域と雪氷微生物の集積した暗色裸氷域が年々成長拡大していること（Shimada et al., 2016）が明らかになった。これらは基本的に気温の上昇に伴うもので、それらによるアルベド低下がさらに氷床表面融解を加速するフィードバック効果として働いているものと考えられる。
氷床コア掘削は 2014 年 5-6 月に標高 2、100 m の内陸 SIGMA-D サイトで実施され、深さ 223 m の氷コアが取得された。その解析から BC 濃度は 1920-30 年に現在の数倍程度高いことなどが分かった。
SIGMA プロジェクト期間中には積雪変質モ
デル SMAP が開発され、続く SIGMA-II プ
ロジェクトでは気象庁非静力学モデル NHMと結合計算することにより、グリーンランド
氷床上における表面融解や表面質量収支の時空間分布を再現できるようになった（Niwano et al., 2018）。 図 U-2 は NHMSMAP による 2011-2012 質量収支年（9 月から翌年 8 月）以降のグリーンランド氷床全域における表面質量収支量の季節変化である。この表面質量収支量から氷河を通して海洋に流失する氷の質量を引くことで、氷床全体の質量収支が決まる。近年ではその値は常に負であること衛星観測などから確認されている。図 U-2 では、夏季に顕著な表面融解が起こった 2011-2012 質量収支年には表面
図 U-2 NHM-SMAP に よ っ て 計 算 し た 2011-2012 質 量 収 支 年 以
質量収支だけで負（涵養 < 消耗）になって降のグリーンランド氷床全域における表面質量収支の季節変化いたことが分かる。
（Niwano et al., （2018） に新しい計算結果を追加）。

17

プロセスがどの程度現実の北極域全体の植生変化を表べく、 地上観測、 衛星観測、 モデル研究の 3 者がより現しているかは検証が困難であるため、 今後どの程度の緊密に協力する体制が必要である。 協力の必要性は十

植生変化と温暖化増幅が北極域全体で起こるかは不確

数年以上前から言われており、 研究者の地道な努力に実性がある。 また、 永久凍土融解による植生変化と有よって前進してきている。 だが、 この問題については画

機炭素放出も同様に推定は困難である。

期的な改善をもたらす名案が出ることは期待できず、 今
後も努力を続けるのが最も近道と考えられる。 衛星デー

(2) 今後の研究タを用いたモデル ・ データ同化や、 広域の観測点整備

北極域の植生変化とその気候への影響に関連する個とデータ統合によって、 地上観測、 衛星観測、 モデル

別のプロセスについては、 定性的には明らかになりつつ3 者の相互比較と検証が可能となれば、 森林帯の北ある。 今後 20 年程度の時間スケールでは、 これまでに上やツンドラの融解と湿地化を再現するモデルによる将観測された植生の変化傾向がより顕著になることが予想

来予測や、 数百年先の森林分布の推定等の高精度化される。 既存のモニタリングを継続し今後期待される 20に繋がる。 このような協力体制の試みは既に始まってお年分の知見を加味して、 さらに長期的な将来における植り、 一定の成果を挙げている （Miyazaki et al. 2015,

生変化の推定と極域増幅への寄与の定量化を実現す

Sueyoshi et al. 2016）。

Q3: 季節変動をもつ海洋の熱蓄積と海氷アルベドの役割はどの程度か？
地球温暖化が進行して北極域 も昇温するのは当然し、 このフィードバックは直接には夏季に限られ、 蓄積さとして、 他の地域に比べ温度上昇が高い理由は、 アイ

れた熱の一部が秋季に鉛直混合で下方に輸送され、 開ス ・ アルベド ・ フィードバックだと言われてきた。 その他、

水部から大気へ放出される。 海洋の蓄積熱で越年する

図 4 を参照しながら、 海洋に関係するプロセスの効果を割合の把握が重要である。 また、 海氷の体積が減るこ

解き明かし、 できるだけ定量化する方向性を提示する。

とで負の熱蓄積が前年より減少しているか、 翌夏の開水面が増えるかも鍵となる。 大気への蓄積も定量化する必a. 研究の現状

要はあるが、 観測の難しい海洋中層と海氷厚の変化を（1） 海氷アルベドと表層海洋の役割を定量的に求める

把握することが必須となる。
広くなった開氷部から出た水蒸気によって秋季の降水（テーマ 2 参照）
旧来より言われてきたことは、 海氷のアルベドが海水よ量が増えるなら、 積雪はアルベドを高めるが、 その一方り高く、 海氷が減少することで太陽放射が海洋により多くで海氷を通る熱伝導を減らすので、 降雪および積雪の吸収される現象である （Perovich et al., 2007）。 しか融解と再結氷も考慮して、 熱的効果を定量化する必要

図 4 海洋を軸とする地球温暖化の北極域増幅メカニズム18がある。 夏季のメルトポンドがアルベドと熱伝導に及ぼす部が大西洋に戻る。 バレンツ海を経由した水は、その後、効果は、 水深が重要になるが、 衛星データによる見積も北極海内部の塩分躍層下 （深度 100 m 程度） と中層

りに依存することになろう。

（深度 500 〜 700 m） に流出する。 その流出の仕方や海氷が減少すると、 融解 ・ 結氷の季節変動も大きくな

海水特性には、 バレンツ海での冷却とそれに伴う結氷る。 SHEBA で示されたように、 融解による低塩分水による変質が大きな影響を及ぼす。 バレンツ海で結氷のが表層に留まる海域が多いものの、 海氷域の縁辺や、影響を十分に受けると熱的効果は小さくなり、 また、 あま

陸棚などの地形による湧昇が起きる一部海域では、 鉛

り結氷しないと北極海表層と混合しやすくなる。 結氷量

直混合が増大することで、 夏季の熱を下方に運ぶ効果が減ったため塩分が低下し、 鉛直混合が局所的に活発も考慮する必要がある。

化した場合、 大西洋水から表層への熱輸送も増大する。

15

このプロセスが顕著になると、 大西洋水の熱輸送の一部（2） 大気との相互作用が持つ役割 （テーマ 2 参照）

を表層への熱の水平的輸送として考慮するべき系に変

海氷減少は、 秋季になると大気の総観規模擾乱と雲貌する可能性がある。

形成を促進することで、 海洋から大気への熱輸送を強フラム海峡を経由する経路が北極海内部の 200 〜

めるが、 同時に雲から下方への長波放射のため、 大気

500 m 深に存在する高温高塩な大西洋水層の形成をが海氷海洋に熱を供給することになる。この相互作用は、担う。 大西洋水層が持つ熱の一部は海面に向かって供正のフィードバックであるが、 実際に進行していることを給される。 その大きさは 1 W/m2 のオーダーと言われ、確認すると共に、定量的な推定を試みる必要があり、その海面熱フラックスのオーダーと比べて非常に小さいもの

成果に基づいて大気と海氷海洋との結合系が生み出すの、 海氷厚を決定する大きな要素である。

北極域増幅効果として見積もりを行うことが重要である。

大西洋水層からの熱供給が小さいのは北極海表層〜中層で乱流混合が小さいためであり、 海氷の存在に（3） 隣接する海域からの流入が持つ役割 （テーマ 5 参

よって海面の波が抑制されていることによる。 温暖化に照）

より海氷が減少した結果として海面の波は立ちやすくな

太平洋からは、 ベーリング海峡を通じて夏季に高温海り、 中層の熱をより海面に引き上げやすくなるものと考水が流入し、 海氷を減少させる大きな熱的役割を果たしえられる （海氷減少に対する正 のフィードバック効果）ている。 その結果として、 アイス ・アルベド ・ フィードバック（Rainville et al., 2011）。

につながる。 また、 冬季混合層以深にも貯熱する分は

現在までは、 表層から深層に及ぶ混合や海水移動

越年し、 春季夏季に海氷を融解する効果を持つ。 もしは非常に弱いが、 海氷が減少し水平方向の不均一性が太平洋水の流入が温暖化によって増えるならば、 このプ増大すると、 部分的に鉛直混合や海水移動が起きる可

ロセスは北極域増幅に加えられる。 特に、 流入は大気能性がある。 この場合、 深層に貯熱される効果は 100

変動のパターン （双極モード） に影響されるので、 この年スケールで継続する。

パターンが温暖化によって増幅するか否かが、 北極域
b. 今後の研究

増幅を見積もる際には鍵となる。

海氷が減少していく表層については、 海氷厚の経年（4）中層・深層を含むプロセスの解明と役割の把握（テー

変動、 および大気、 中層との熱交換のモニタリングが必

マ 5 参照）

須である。 中層については、 太平洋水、 大西洋水の移大西洋からの流入には、 バレンツ海を経由する浅い動と拡散、 さらには、 より深い層までおよぶ混合の長期

経路 （深度 50 m 程 度） と、 フラム海峡を経由する深にわたるモニタリングが重要である。 特に、 中深層流速い経路 （深度 200 〜 500 m） のふたつが存在する。

パターンの変化を見るには、 化学トレーサーの利用も考流入する高温高塩分の海水は、 北極海中層を巡回し一える。海面の状態として重要なメルトポンド、そして雲高の変化を高精度で押さえるには、 衛星観測が有効である。

SHEBA ： Surface Heat Budget of the Arctic Ocean。
1990 年代に主として米国の資金で運営された北極海 （大気も含めて） の北極海表面熱収支観測プロジェクト。 カナダの砕氷船に伴われた氷上観測拠点を 1 年間続けたことでも知ら
れている。
15

また、 データ同化とエネルギー解析を利用して、 北極
海表層と中深層との相互作用に関する重要プロセスを特定することを試みる。

19

Update 2018 3

北極海夏季の海氷減少におけるアイスアルベドフィードバックの役割
衛星観測海氷データと気象場再解析データに基づいて北極海全域に対する海面熱フラックス、海氷生産
量、および海氷流動発散の時系列データセットを作成し、これを利用して近年の北極海氷変動におけるア
イスアルベドフィードバックの役割を解明した。近年海氷量の大きな経年変動が観測されている北極海太平洋側について、海氷融解量の経年変動のうちほとんどの部分は開水面における海洋熱吸収によって説明される。一方、主たる融解期である夏季の海氷融解量はその直前である初夏の海氷流動発散量と高い相関を持って経年変動している。すなわち、初夏の海氷流動発散が大きい（小さい）年には、その発散によって開水面が増加する（減少する）ために海洋が大気から吸収する熱が増え（減り）、それが北極海太平洋側の海氷量の経年変動を支配している。海洋熱吸収、海氷融解、初夏の海氷流動発散には 2000 年以降に顕著な増加トレンドが存在する。近年の海氷減少は海氷を動きやすくすることを通して上述のアイスアルベ
ドフィードバックの効果を高め、それが 2000 年以降の海氷激減に影響を及ぼしている（図 U-3）。

図 U-3 2000 年以前と 2000 年以降を比較すると、 初夏の海氷発散量は約 2 倍に増加する （上図中の Div）。 密接度減少に対する発散量増加の直接の影響は小さいが、 アイスアルベドフィードバックを通して開水面の熱吸収 （下図中の Qu） と海氷融解 （下図中の Qm） は大きく増加する （Kashiwase et al. （2017） Fig. 4）。

Q4: 雲とエアロゾルがもつ役割を定量化できるか？
a. 研究の重要性と現状を遮ることで地表面を冷却する方向に働き、 また、 大気

北極気候における雲とエアロゾルの役割は、 きわめてからの長波放射を増加させることで地表面を加熱する方重要である。 これまでの研究は、観測が不十分で、個々向に働く。 両者は相殺する方向ではあるが、 極域ではのプロセス研究が中心の定性的な理解であったため、太陽の出ない季節が長いこと、 雪氷面上であることから、複雑に相互作用する研究課題の理解は充分に進んで前者より、 後者がより支配的である。 雲は、 下向き長波いない。 中低緯度との関係、 両極間の相違や極域独自

放射によって温暖化増幅をもたらすフィードバック効果をの問題など、 様々な分野の相互作用について、 考えてい持つ。 エアロゾルの放射を通じた直接効果としては、 北

く必要がある。 雲は、 放射効果を通じて気候形成に役

極域では散乱性のエアロゾルの冷却効果は雪氷面上で割を果たす （Curry et al., 1996）。 雲は、 太陽放射はあまり大きく寄与しないが、 ブラックカーボン （黒色炭20Update 2018 4

先端的な観測技術と数値モデルの開発による北極における光吸収性エアロゾルの挙動の解明
光吸収特性を持つブラックカーボン（BC）濃度の北極におけるこれまでの連続測定は、BC 以外のエア
ロゾルの干渉効果をほとんど考慮せずに行われてきた。東京大学・国立極地研究所で開発してきた光吸収法による COSMOS（continuous soot monitoring system）測定器は空気導入管を加熱し、BC をフィ
ルター上に捕集する前に揮発性のエアロゾルを除去している（Kondo et al., 2011）。このため、中緯度ではこの干渉効果は小さいことは示されているが、BC 濃度がより低い北極では、未確認であった。
COSMOS とレーザー誘起白熱法測定器（SP2）とを詳細に比較し、COSMOS の測定誤差は北極でもわず か 10% 程 度 で あ る こ と が 示 さ れ た（Shinha et al., 2017）。 ニ ー オ ル ス ン（ ノ ル ウ ェ ー） で のCOSMOS と他の測定法による値の違いは大きく、正確な測定が重要であることを示したている（図U-4）。図 U-5 に示したように北極を取り巻いてバロー（米）、ニーオルスン、バラノバ（ロシア）、アラート（カナダ）で COSMOS による高精度 BC 観測が行なわれている。今後、北極における BC の気候影
響を定量化する上でこのデータは極めて重要になると考えられる。
北極域での BC の沈着は雪のアルベドを低下させ北極の温暖化に寄与する。しかし、これまで十分な時間・空間分解能での雪中の BC の高精度測定が乏しく、BC 沈着の過程とその影響の理解は不十分であった。
水中の BC を測定するために、改良型 SP2 測定器と噴霧による水の粒子化装置を組み合わせたシステムが開発された（Mori et al., 2016）。ニーオルスンにおいて 2012-13 年にかけて採取した積雪と降雪中のBC 濃度とそれから推定した沈着フラックスは良く一致し、この整合性・再現性などから積雪・降雪中のBC 測定法が確立された（図 U-6）。またこの観測から、全沈着に対する乾性沈着の寄与は小さいこともわ

図 U-4 ニーオルスンにおける COSMOS と他の測定器による BC 質
量濃度の季節変化。 この場合には先行研究による値は BC を過大評価している。

21

図 U-5 COSMOS 測定器による BC 質量濃度の連続観測地点

かった（Shinha et al., 2018）。現在も、ニーオルスンで降雪・降水の採取を継続しており、BC の湿性沈着の時間変動の理解が画期的に進むと考えられる。
数値モデルによる北極域での BC 濃度の精度の良い推定は難しく、モデル間のバラつきが非常に大きい。
そのため、将来の北極域での BC とその雪氷への沈着による温暖化効果の推定精度も十分ではない。この主要因として、エアロゾルモデルでの、中緯度域（発生源）から北極域への BC の輸送・除去過程の推定
精度の問題が挙げられる。BC の輸送中の除去過程は、BC を含む粒子の粒径や混合状態に強く影響を受けるが、これらの微物理特性を十分に表現できるエアロゾルモデルは世界的にみてもほとんどない。これまで、BC の粒径や混合状態を十分に解像し、全球および領域スケールでの BC の時空間分布やその放射強制力を高精度で推定するための気候モデルの開発を進めてきた（Matsui et al., 2014; Matsui, 2017;
Matsui and Mahowald, 2017）。この世界的にも最先端のエアロゾルモデルを、上記の観測と比較・検証することで、北極域への BC の輸送・除去過程の推定精度が大きく向上し、北極域での気候影響の評価の信頼性が改善することが期待される。
東京大学では、光吸収性の酸化鉄（FeOx）を含む粒子を個々に測定できる装置の開発に世界で初めて成功した（Yoshida et al., 2016; Moteki et al., 2017）。レーザー誘起白熱法に基づく新たな方法では人為起源の酸化鉄と、自然起源の酸化鉄（ダスト状）を区別して測定することができる。この測定法は電子顕微鏡観察との対応も良く、測定の信頼性も高いことが確認された（Adachi et al., 2016）。これらの酸化鉄粒子は、気候や人間の健康への影響があるため世界的に関心が高まりつつある。現在は中緯度での分布や発生源の同定の研究が進められている（Moteki et al., 2017）。またその放射強制力や海洋生態系への影響を推定する研究が行なわれている。今後この酸化鉄の北極への輸送、生成、沈着過程や北極の気候への影響を理解することが重要となる。

図 U-6 ニーオルスンにおける積雪 （Glacier, BSRN） と降雪 （Falling snow） 中の BC 濃度の時系列。
Glacier での積雪と、 Sverdrup での降雪中の BC 濃度の相関は r2 = 0.41 と比較的良い。

素エアロゾル） 等の吸収性のエアロゾルの温める効果は晶核としての効果など雲を通じた間接効果による気候影

増幅されて現れる。 エアロゾルは、 雲核、 雲形成、 氷響をはじめ、雪氷面アルベドの変化に寄与するなど、様々22

な影響をもち、 それらの定量的な理解が必要である。

のパッシプな観測を極域雪氷圏に用いるのは困難が多北極域では、 雲の存在の不確定性ゆえに、 その影かった。 新しいライダーや雲レーダーによるアクティブな

響は計り知れない。 特に雲の鉛直構造についての精度観測の導入、 そして航空機や係留気球などによる直接ある観測がなされていない。 北極域では、 海氷との関観測での検証、 アクティブとパッシブを併用した観測手

わりでも雲は重要である。 雲の存在が、 海氷の成長 ・法を確立する必要がある。 その一つとして、 わが国の宇融解に影響するし、 また、 海氷の有無が雲の状態や存

宙航空研究開発機構 JAXA が、 欧州宇宙機関 ESA

在に影響するという、 雲と海氷の相互作用が考えられる。

と協力して 2019 年度に打ち上げ予定の EarthCARE

雲のフィードバックは極域気候モデルにおいて、 最も不衛星 16 の利用が期待される。 これらの結果を、 気候モ

確実な要素の一つである。 雲の核となるエアロゾルは、

デルにおける雲の再現の高精度化に反映させていくこと

自然 ・人為起源による生成 ・ 輸送過程、 光吸収過程、が重要である。

雲凝結過程など極域変動の異なったスケール間での統近年の海氷減少に伴う雲の変化が注目される。 衛星合的理解が必要である。 例えば、 ブラックカーボンに関

観測からは、 海氷域面積が減少したことに伴い、 実際する分布形態、 輸送過程、 湿性沈着過程の評価、 気に雲量が増加していることが示され （Liu et al., 2012）、

候変動への寄与の評価は、 大気のみならず、 海洋や雪開水面からの蒸発によって雲が増加し、 夏季以外では、

氷との相互作用においても重要である。 従って、 雲とエ雲からの下向き長波放射によってさらに海氷が減るというアロゾルの働きに関する観測的研究が強く求められてい正のフィードバックが働くとも考えられる。 そのため、 雲－る。 雲の放射効果を規定するものとして、 雲の相、 すな

放射と海氷 （海面） の相互作用の理解が、 北極域の気

わち、 どういう粒子からなっているか、 氷粒子や水滴の候変動の予測に重要てある。 これらのエアロゾル ・ 雲の量、 サイズ分布、 鉛直分布、 エアロゾルの生成、 成長、変化に伴う気候変化を統合的に理解するには、 気候モ

除去過程、 吸湿特性等を明らかにしなければならない。

デルが不可欠である。 エアロゾルと水雲の相互作用を陽

北極域では、 氷粒子と水滴が併存する混合相雲が多いに 17 表現した気候モデルの研究はこれまでに進展があっと言われている。雲相の問題とともに、雲そのものの存在、たが、 極域は氷雲の比率が非常に高く、 現状の世界の雲量を明らかにすることが求められている。 これまでにわ

主要な気候モデルすべてにおいて、 エアロゾルと氷晶核かっていることとしては、 衛星の観測から、 春、 夏の雲の相互作用の表現は未だに不十分である。 今後新たに量は増加してきていることが示されている。

得られる観測データを参照しながら、 より適切なエアロゾ
ル ・ 氷晶相互作用を気候モデルで表現できるように努力

b. 今後の研究すべきである。 その前提として、 氷晶核となるポテンシャ

地上観測では、 従来は目視で雲を観測してきたが、ルを持っているダストやブラックカーボンの極域での分布

これをリモートセンシング機器による観測に置き換え、 雲を、 定量的に気候モデルで再現する必要がある。 このの巨視的分布と微物理特性の把握により、 長期的に定観点から、 極域でのグリッドサイズが低中緯度と大きく異量化した測定を行うことが必要である。 スバールバル諸なってしまう Gaussian 格子のモデルではなく、 全球一

島のニーオルスンに設置した雲レーダーは、 北極での雲様格子のモデルを用いることも有効な計画である （テー

観測の重要な手段で、 国際的な活用も期待されている。

マ B 参照）。

また、 衛星からの観測においても、 従来の可視、 赤外

Q5: 北極温暖化増幅はなぜ起こっているのか？ その予測と不確実性はどれほどか？ 北極域における放射強制力とフィードバック ・ プロセスはどう変化するのか？
a. 研究の重要性
EarthCA RE 衛 星 ： Earth Cloud, Aerosol andRadiation Experiment。 研究基盤の整備（衛星）参照。 雲、エアロゾルの鉛直分布およびその放射影響を測定するため、
雲レーダー、 ライダー、 放射計、 画像センサを搭載した衛星。
17
モデリングの分野ではある過程 （変数の時間変化） をモデ
ル方程式の中で直接、 明示的に書き表すことを 「陽に」 と表現することが多い。

北極域の気候変動を理解し予測するには、 人間活動

16

による二酸化炭素の排出やエアロゾルの放出などを通した放射強制力がどのように変化し、 気候システムがそれに応答することによって温暖化を増幅したり抑制したりするフィードバック効果がどのように働き変化していくかが鍵23となる。 Q1 ～ Q4 にあるように、 北極温暖化増幅のメカどが重要である。最近数十年を対象とした再現シミュレー

ニズムについて、 さまざまなプロセスの寄与が指摘されてションでも、 海氷減少が引き起こす下層雲の増加によるいる。 プロセス間の相互作用を理解し、 個々の寄与を

北極温暖化増幅の重要性とその観測データとの整合性

系統的かつ定量的に調べることが全体の理解にとってが報告されている （Abe et al., 2016）。 このように、 気重要である。

候モデルにおいて重要な役割を果たすフィードバック ・ プ
ロセスが整理されつつある。

b. 研究の現状

温暖化予測の不確かさを低減するための一つの方法

これまでの研究では、 考慮あるいは十分定量化されとして、 マルチモデルにおいて現在気候の再現性の良していない放射強制力やフィードバック ・ プロセスがある。

悪しと、 将来予測のばらつきの間に関係性を見つけ、 観

たとえば、 不確実性の大きい放射強制力の代表例として

測データにより将来予測幅を制約する方法がある。 よく

光吸収性エアロゾルが挙げられる。 ブラックカーボン等知られたものに、 現在の季節変化を利用して、 観測され

光吸収性エアロゾルが雪氷面に沈着するとアルベド低下

た春のアルベド ・ フィードバックの大きさから、 将来の北が起こり、 雪氷面温度の上昇や雪氷融解が加速される

極域陸上のアルベド ・ フィードバックの大きさを推定した

正のフィードバック効果が働く。 アルベド低下量は第一に例がある （Hall and Qu, 2006）。 同様に、 気候モデ

光吸収性エアロゾル濃度に依存するが、 同じエアロゾル

ルの信頼性や将来予測を評価するには、 遠い過去に濃度でも、 積雪粒径が大きいほどアルベド低下量は大き実際に起きた北極温暖化増幅を利用する方法も考えらくなる。 グリーンランドの氷床コア解析から、 産業革命以れるが、 これについてはテーマ 6 の Q1 で言及する。

降のブラックカーボン濃度が復元されていて、 1900 年
代前半にピークが記録され、 その後、 1800 年代のレベc. 今後の研究

ルまで低下したことが知られている。 温暖化に伴う積雪

すでに、 光吸収性エアロゾル濃度や積雪粒径の関

粒径の増加や消耗域の拡大は、 光吸収性エアロゾルや数として変化する 「積雪アルベド物理的モデル」 を組み

雪氷微生物によるアルベド低下をもたらし、 正のフィード

込んだ地球システムモデルによる気候予測や感度実験

バックを加速させると考えられる。

が始まっている。 例えば、 光吸収性エアロゾルの輸送 ・

植生分布の変化や成層圏以高の大気変動の影響に沈着過程と積雪アルベドの物理的モデルを組み込んだついても、 特に将来予測を行う気候モデルにおいて十地球システムモデルによる春季亜寒帯における数値実分考慮されていないのが現状である （Q1 ～ Q2 参照）。

験では、 大気中における炭素質エアロゾルによる地表

北極域の雲フィードバックもまた、 非常に不確実性が大

面日射量の低下効果、 暗化 （dimming） は、 それら

きい （Q4 参照）。 当然、 これらの相互作用についてもよ

エアロゾル沈着による積雪アルベド低下効果、 暗色化

くわかっていない。

（darkening） よりも小さいと見積もられている。 このよう21世紀末頃を想定した予測シミュレーションにおいて、なモデル開発を今後も進める必要がある。 さらに、 現在

個々の物理プロセスの北極温暖化増幅への寄与が系統ではまだ考慮されていない雪氷微生物によるアルベド低的に調べられてきた。 マルチモデルについては地表面下効果も現地観測に基づきモデル化し、それによるフィー

や大気上端でのエネルギー収支解析 （Laîné et al.,

ドバックを見積もる必要がある。

2016）、 少数のモデルについてはより詳細な解析が行わ数値モデルにおける極域の海氷や雲の季節変化なれてきた （Yoshimori et al., 2014）。 その結果、 次のど、 基礎的な再現性向上の課題が残されている。 地表

ことが明らかになってきた。 北極域のフィードバック ・ プロ

面でのエネルギー収支と雲の効果の定量化が課題であセスは強い季節性を示し、夏の海氷減少によるアルベド・り、 観測とモデルの連携による評価が必須である。 また、

フィードバックを通じて海洋表層に吸収された太陽放射

Q3 で触れたように、 海氷減少と大気の総観規模擾乱、

エネルギーが秋から冬にかけて大気に放出される。 そし雲形成プロセスの理解とそれによる寄与の定量化も重要て、 寒冷期の大気の強い成層や下層雲の温室効果によである。 さらに、 海氷減少のほか低緯度からの熱 ・ 水り地表付近の温暖化が増幅される。 したがって、 海洋のの輸送量変化の効果も含め、 雲変化の要因を検証する

熱吸収と分配のプロセス、 大気海洋の熱交換を決めることが重要である。

対流圏下層の逆転層や安定度、 下層雲の応答特性な現実に起きている北極温暖化増幅を理解するには、

24

個々のプロセスの寄与を気候モデル実験だけでなく、 観

るには、 地球システムモデルの開発 ・ 精緻化 ・ 利用が測データやデータ同化された再解析データにおいて特不可欠である。

定することが有効と考えられる。 また、 データ同化され地球システムモデルについてはテーマ B で主に言及

た結合モデルを高度化し、 北極温暖化増幅研究へのするが、 将来予測ではこうしたモデルが中心的役割を果

適用が長期の発展として重要である。 さらに、 日々の現たすであろう。 テーマ 6 で言及するように、 過去に起き象と定量化された相対的寄与 （たとえば、 総観規模擾

た北極温暖化増幅を利用して気候システム応答を制約

乱による雲形成と雲の放射効果が北極温暖化増幅で果するには、 考えられうる全ての要素が入った地球システム

たす役割） を結び付けて、 一連の物理プロセスをシステモデルが有効である。 また、 Q1 で述べたように成層圏

ム応答の中で理解することが重要である。 その基礎とな

以高の効果を考慮するには、 成層圏における十分な解る個々の要素を理解するには、 当然、 長期に継続した像度やモデル上端の高度化も検討していく必要がある。

観測データの果たす役割が非常に大きい。

上下層大気から雲放射や海氷から海洋成層まで、 大気

植生分布の変化やそれにともなう鉱物性ダスト放出の海洋を統合したエネルギ―収支プロセスを総合的に検変化、 その他の光吸収エアロゾルの効果など今後大きく証し、 現在の恒常的なバイアスを抑えた （データ同化に変化していくであろう要素は少なくない。 こうしたこれまで

頼らない） 自立した地球システムモデルの確立が究極的

あまり考慮されてこなかった要素やプロセスを導入し、 そには不可欠である。

の応答特性の不確かさを観測データを利用して低減すテーマ 2: 海氷減少のメカニズムと影響
要旨の熱のバランスに及ぼす影響など、 多様な相互作用も含めて定量的に明らかにしていく必要がある。

北極海の海氷は近年急激に減少しており、 「北極海からいつ海氷がなくなるのか？」 に人々の関心が集まり

北極海環境に関する学術研究、 特に現場観測は一つつある。 北極海の海氷減少は新たな商業航路の開国のみで行えるものではなく、 国際連携が不可欠であ拓や日本の寒冬とも関わりがあり、 科学分野だけでなく、る。 北極海の太平洋側における現場観測に関して日本

社会経済的にも話題となる現象となっている。 本テーマ

は既に多くの実績があるが、 当該海域において国際的では下記リストに挙げた Questions を取り上げ、 現状とに貢献し続けるためには、 結氷期間を含めた総合的観

今後の課題について執筆を行った。 まず海氷減少メカ測を行い、 データ空白を埋めることが最大の課題と言えニズムとして、 海氷運動による力学的要因と生成 ・ 融解る。 非欧米諸国が独自の砕氷観測船を建造 / 運航すによる熱力学的要因について記述し、 それに続いて海る中で、 日本の科学的貢献を維持 ・ 強化するための工氷減少が大気と海洋に及ぼす影響について論じる構成夫が必要である。 マイクロ波放射計に代表される人工衛になっている。

星による観測研究は、 北極から地理的に離れた日本がQ1: 風のパターンや海氷の流動性の変化は海氷減少

北極研究で主導的な役割を果たせる分野である。 また、を促進するか？

数値シミュレーションを行うモデルの改良が進めば、 大

Q2: 海氷の熱的減少はどのように進むのか？

気－海氷－海洋間相互作用や、 複数の海域間を横断す

Q3: 海氷減少が雲や低気圧に及ぼす影響は？

る海水の輸送などを含めてより定量的な情報を提供する

Q4: 海氷減少が海洋内部に及ぼす影響は？

ことが可能になる。 このような取り組みで得られる知見は、風のパターンや海氷の流動性の変化は、 海氷減少と物理環境だけでなく、 海洋生態系の理解にもつながる。

密接な関係があるので、 将来の気候下で現れやすい北10 年以上の長期にわたる取り組みでは、 海氷直下か極域の気圧配置や大気－海氷－海洋間の運動の伝達

ら海洋中層までを含めた海洋熱輸送、 そして雲や低気効率は、長期的に把握すべき情報のひとつである。また、圧を介した大気－海氷－海洋間相互作用について、 プ

海氷減少の全体像を海氷自身の動きやすさ、 融けやす

ロセスの理解と定量化を目指す。 海氷自身の特性に関しさや、 地球温暖化に伴う気温 ・ 海水温の上昇だけで説ては、 表面融解水 （メルトポンド） の形成過程と氷盤同明することは困難であり、 海流や気象の変化が海面で士の衝突過程を詳細に明らかにする。 これらの現場観

25

測には砕氷船の運用が必須であり、 天候に左右されなし、 北極航路に関する信頼性の高い情報を船舶に提供

いマイクロ波衛星観測も欠かせない。 また個々の氷盤やできるようにする。

高密度水沈降を陽に扱える海氷海洋結合モデルを構築

まえがき
一般に 「海氷」 とは海水が凍ったものであり、 陸上

これに関連して、 船舶が北極航路 （ロシア側の北東に降り積もった雪の塊が海洋に流れ出た 「氷山」 とは起

航路およびカナダ側の北西航路） を安全に航行するた源が異なる。 いまから数十年まで、 北極海の殆どの海

めには、数日先の短期予測と数ヵ月先の中期予測により、域は一年を通じて海氷で覆われていたが、 海氷が夏に航路上の海氷状況を高精度に予測し、 その情報を船舶融け切る 「季節海氷域」 が北極海で拡がっていることに提供することが必要である。 そのためには、 急激に変が近年の観測から明らかになっている （図 5）。 例えば、

わりつつある北極海の海氷減少メカニズムを解明し、 得

2012 年は夏季の海氷面積が冬季の約 20% まで減少しられた知見を取り入れた海氷予測システムを構築することており、 この夏の面積は 1990 年代平均の約半分にまでが重要である。 船舶が航行する北極航路上で海氷の存減少していることから、 季節海氷化がかなり進行している

在する日数が激減すれば、 低気圧や波浪の影響も懸と言える。 「北極海から海氷が消失する日が来るのか？」

念事項となるため、 高精度な気象 ・ 海況予測も求められに社会的な関心が集まりつつあり、 様々な手法を用いてる。 近年、 日本を含む中緯度帯で例年よりも寒冷な冬予測がなされている。 先行研究からは、 2020 ～ 2040に見舞われる年が頻発している。 それに関連して、 北極

年頃には夏季に海氷が消失するという見積もりが出され海の海氷減少の影響を示唆する解析結果が国内外のているが （Overland and Wang, 2013）、 このような予研究者によって示され、 日本の気候に対してはバレンツ

測でよく参照される CMIP5 でも数値シミュレーションの海の海氷の多寡が影響していることが指摘されている。

結果にばらつきが大きく、 将来予測で想定される社会経

このように北極海の海氷変動は科学分野だけでなく、 日済シナリオ自体にも多くの不確定要素を含むことは認識

本の社会経済的にも話題となっている。

18

しておく必要がある （テーマ B 参照）。

図 5 （左） IARC-JAXA 海氷モニターで提供されている人工衛星で捉えられた北極海の海氷分布。 2012 年夏季 （紫）は冬季 （白） の 20％まで面積減少。
（上） 海氷変動の模式図。 海氷は海水が冷やされることで生成され、 日射や海洋からの熱供給により融解する。 また風を受けて絶えず動いており、 多くは大西洋側に流出する。

Q1: 風のパターンや海氷の流動性の変化は海氷減少を促進するか？
一般に海氷の運動は風による駆動力と内部応力 （氷年代前半は、 北極振動 （テーマ 5 参照） で説明される

盤同士の衝突時に働く抵抗力） に支配される。 1990

ような北極海上の風のパターンの変化により、 北極海から大西洋側への海氷流出量が増加した。 2000 年代後CMIP5 ： Coupled Model Intercomparison Project
Phase 5、 全球気候モデル間比較プロジェクト
18

半からは海面気圧の双極パターン （北極海のカナダ側

26

での気圧上昇およびシベリア側での気圧低下） 出現に縮されるであろう。 このことは逆に、 厚い海氷の形成がより、 同様の傾向が見られている。 平年に比べて冬季は起きにくくなる結果にもなる （正のフィードバック）。 このよ

反時計回り、 夏季は時計回りの風のパターンが北極海

うな風と海氷運動の関係性を広範囲でモニタリングでき内部で強くなると、 いずれも海氷流出を促進するという季たのは、 IABP19 に代表される氷盤設置型ブイの展開に

節間のコントラストは興味深い。 また、 非一様な風が吹よる海面気圧と海氷漂流速度の広域データ取得である。

いている海域や沿岸域では、 氷盤同士が衝突すること

ただし、 海氷脆弱化は氷盤へのブイ設置を困難にするで海氷が動きにくいが、 海氷が近年脆弱化 （海氷が薄という側面もあるため、 現在の情報量を維持するには、

くなることなどによる強度の低下） していることで風に対す代替手段を準備しておく必要がある。 日本も国際連携る海氷の流動性が高まる海域が拡がっている （Rampalの中でこのような現場観測に携わるとともに、 衛星やモet al., 2011）。 このような海域では、 海氷下の海流およ

デルも駆使した多角的な視点で力学プロセスを明らかにび海洋熱輸送が強化されることも報告されている （海洋していくべきであり、 その下地は整っている。 広範囲かつ熱と海氷減少の関係については Q2 を参照のこと）。 風

定量的な議論を行うには、 海氷モデルが強力なツールとと海氷の流動性の関係性については、Wind Factor （風なるが、 水平解像度が個々の氷盤と同じ空間スケールま速に対する直下の海氷流速の比率） などの指標を利用で高まる場合には、 海氷力学に関する表現方法を再評して定量化が試みられているが、 大気－海氷－海洋間

価することが必要となる。 また、 データ同化手法を利用の運動の伝達効率が海氷の厚さや形状などにどう依存して大気－海氷－海洋間の摩擦係数 （運動の伝わりやするかも含めて、 起きているプロセスをより詳細に明らかすさの指標） を精度良く見積もるといったモデル改良アにすることが、 海氷減少の力学的要因を理解する上でもプローチも考えられる。
10 ～ 20 年後には、 1) 全球気候モデリング研究と連重要である。
北極海全域を俯瞰してみると、 これまでは極縦断流携しながら、 将来気候下で現れやすい北極域の気圧配（Transpolar Drift） によってカナダ多島海北部に海氷置を推定すること、 2) 海氷特性への依存性を把握したが蓄積することで夏でも融け切らない多年氷域が形成さ上で大気－海氷－海洋間の運動伝達に関する情報を広れ、 風に対する海氷海洋の応答が比較的小さいシステ

範囲で瞬時に得ること、 3) 海氷運動の時空間変化を加ムになっていた。 しかし、 近年のペースで薄氷化が進む

味した海氷分布の応答を数日から数十年のタイムスケーと多くの海域で海氷が流れやすくなるため、 熱力学的なルで予測していくこと、 を目指す。

生成から周辺海域に流出するまでの 「滞留時間」 が短

Q2: 海氷の熱的減少はどのように進むのか？
北極海の長期的な海氷減少傾向は、 夏季の融解量

洋間の熱や運動の伝達に及ぼす影響は古くから研究さ増加や冬季の結氷量低下といった熱力学的要因に依るれてきたが、 その複雑さゆえに依然として定量化が困難

ところが大きい。 近年、 北半球高緯度帯における冬季である （気候モデルを用いた定量化への取り組みについの低気圧経路が北に移動していることが指摘されているては、 テーマ 1 参照）。

が、 このことはユーラシア大陸の降雪量の減少および北北極域の温暖化に伴って、 中緯度からの水と熱の輸

極海氷上の降雪量の増加をもたらす。 海氷上の積雪は、送量が増加し、 北極海上の降雪量は増加傾向にあると海氷より熱伝導率が低いために冬季の海氷生成を抑制考えられるが、 降雪量の増減予測 ・ 検証も取り組むべ

する働きがある一方で （断熱効果）、 アルベド （太陽光

き課題のひとつと言える （水循環についてはテーマ 4 参の反射率） が海氷表面より高いため、 夏季には海氷融照）。 海氷減少に対する海洋側の熱源としては、 中緯度解を抑制する働きもある。 海氷上での降雪開始時期やからの暖水流入が挙げられる （図 6）。 ベーリング海峡

積雪深の変化に伴い、 海氷の成長がどう影響を受けるから流入する太平洋起源水は、 チャクチ海の大陸棚上

かは、 今後注目すべきプロセスのひとつである。 メルトポ

で日射吸収により昇温した後、 カナダ海盆域の数十 m

ンド （夏季の海氷融解により海氷表面で形成される水

深に貫入する。 輸送された海洋熱の一部は、 翌年以降溜まり） は、 アルベドが低いために海氷融解を促進する

19

IABP ： International Arctic Buoy Programme、 国際
北極海ブイ観測プロジェクト

働きをする。 これら海氷特性の変化が大気－海氷－海27

の海氷生成・ 融解にも影響すると考えられている。 また、な熱力学的プロセスとしては、 まず海氷－海洋アルベド・

フラム海峡やバレンツ海から流入する大西洋起源水はフィードバックが挙げられる （図 7）。 これは海氷と海洋ユーラシア海盆側の貯熱量および海氷分布に直接的なのアルベドの違いから、 何らかの作用で海氷域に開水影響を及ぼす。 大西洋水は数十年スケールで北極海盆

面 （氷盤と氷盤の間に露出する海面） が出現すると、 日域の広範囲を流れるが、 カナダ海盆側では太平洋水よ射が海洋表層により多く吸収され、 海氷の側面 ・ 底面

り深い約 400 m を中心に位置するため、 直上の海氷に融解を促進、 もしくは結氷を抑制し、 さらに海氷面積が対する相対的影響は小さい。

減少するというものである （Kashiwase et al., 2017）。

海氷の熱的減少の全体像を、 海氷自身の特性や地

また、 海洋表層の水温上昇は、 氷縁域での低気圧

球温暖化に伴う気温 ・ 海水温の上昇だけで説明するこを活発化させ、 海氷上への暖気流入をもたらす。 さらに、とは困難であり、 局所的な相互作用を含むフィードバック

海氷上の低気圧が海氷の発散運動 （氷盤同士が離れシステムを明らかにしていく必要がある。 北極海の複雑る向きの動き） を促進することも開水面の拡大に繋がる。

図 6 北極の主要な海流

図 7 北極海で想定される大気 - 海氷 - 海洋間フィードバックの例。 カナダ海盆域には熱源の異なる 3 つの水温極大層が存在し、 様々なプロセスを経て海氷に作用する。 右図はカナダ海盆域で観測された鉛直水温分布 [Jackson
et al., 2010]。

28このような低気圧を介した海氷減少フィードバックも重要層に存在するもうひとつの熱源である大西洋水の湧昇になプロセスとなる。 開水面の拡大は風による海洋の慣性伴う海洋表層への熱輸送も指摘されている。

振動 （地球の自転によって数十～数百 km スケールで以上の熱力学的プロセス群は複合的に関与しており、回転する運動） や内部波 （風波や潮汐などにより発生

また、 熱源である日射や中緯度からの海水流入に起因する海洋内部を伝搬する波） の発生も促す。 海氷運動する北極海内部の貯熱量分布には、 大きな経年変動が激しくなることは、 海氷下における乱流混合を生み出が存在する （Timmermans et al., 2014）。 この複雑し、 海洋表層における鉛直方向の熱の移動を活発化さな海氷減少システムを理解するには、 大気－海氷－海せる。 特に海氷が激減している太平洋側北極海の表層

洋の三者の熱バランスの変動を同時かつ定量的に把握

100 m には、 日射と太平洋夏季水をそれぞれ熱源とすする必要性がある。 熱的特性において不均一性が極めるふたつの暖水層が存在するため、 乱流混合に伴う海て大きい海氷域の理解には、 局所的な観測だけでは限洋熱の解放が海氷融解促進 ・ 結氷抑制に寄与し、 さら界があるので、 広範囲をカバーできる人工衛星データをに海氷が減少するというフィードバックシステムも考えられ組み合わせた研究も有用である。

る。 加えて、 北極海の太平洋側の沿岸域では、 海洋中

Q3: 海氷減少が雲や低気圧に及ぼす影響は？
海面の露出は大気への大きな熱源となる。 海氷に覆本海上で発達する筋状雲と同様の雲降水システムが形われていた場所に特有であった夏季の雲の形状が、 海成される。 これらの雲は、 大気と海洋の熱交換の結果

洋からの加熱に伴い層雲から層積雲へと変化することがでもあり、 夏季に蓄積された海洋熱が、 秋から冬にかけ観測事実から明らかとなってきた。 これは、 海洋からのて効率よく大気へ放出されていることを示唆する。これは、熱供給に伴う対流の強化を意味する。 雲底高度が高ま

冬の北極域における温暖化増幅に寄与する現象のひとることによって、 大気から海洋への熱放射が減少するこつであろう。

とが見込まれるが、 北極域の温暖化に伴う水蒸気増加

秋から冬にかけての雲量増加は、 旧ソ連のラジオゾンによって下向き熱放射が増加する効果と相殺関係にある

デデータからも示されているが、 冬の雲の現場観測自体ため、 雲が鉛直熱輸送に及ぼす定量的な寄与という点が困難であるため、 その詳細には未解明な部分が多い。

では依然として不確定性が大きい。 一方、 層雲が層積雲の鉛直構造に関して、 CALIPSO21 や CloudSat に雲に変化することによる雲量の減少は海面への日射を増よる衛星観測データは蓄積されているが、 冬季氷上現加させるものの、 海面付近の乱流で海面が冷却されるこ場観測のデータは依然として不足している。 ちなみに低とが元々の要因であるため、 正味の熱収支がどの程度

気圧経路の北上は、 北極海上の降水 （降雪） 量増加

変化しているかは、 雲粒を陽に20表現するような数値モをもたらし、 海氷生成にもフィードバックされる。 近年はデルによって定量的に評価する必要がある。 そもそも雲NCEP22-CFSR23 等の大気海洋結合再解析データが量の増減に関しては、 現場観測、 衛星観測、 再解析利用可能であり、 大気と海洋の結合系に着目して解析しの各データセット間や、 着目する時空間スケールによってていくこともひとつの方向性として挙げられる。 北極海の傾向が異なることに留意すべきである

海氷減少の日本周辺の気候への影響についてはテーマ
5 を参照のこと。

このような雲構造変化は単独の現象ではなく、 低気圧
活動によって引き起こされることも観測事実から示されてきた （Inoue and Hori, 2011）。 例えば、 海面水温と海氷表面温度の水平温度勾配が強い高緯度の海氷縁では、 低気圧が急激に発達することがある。 この温帯低CA LIPSO ： Cloud-Aerosol Lidar and Infrared
Pathﬁnder Satellite Observations、 雲 ・ エアロゾル衛星
観測網
22
NCEP ： National Centers for Env ironmental
Prediction、 米国環境予測センター
23
CFSR ： Climate Forecast System Reanalysis、 気候
変動予測システム再解析

気圧に似た構造は、 南側の暖気を北へ、 海氷域の寒21

気を南へ引き出す効果があり、 前線通過後には冬の日
20モデリングの分野ではある過程 （変数の時間変化） をモデ
ル方程式の中で直接、 明示的に書き表すことを 「陽に」 と表現することが多い。

29

Q4: 海氷減少が海洋内部に及ぼす影響は？
海氷は、 大気－海洋間の運動 ・ 熱 ・ 水 ・ 物質の交明らかにすることは海氷減少の影響評価にとって有用な換を遮る役割をする。 まず運動に関しては、 開水面よ情報となる。 また、 不思議な現象として、 北極海の大陸

りも海氷の表面の方が風から受ける力が大きいため、 海

棚縁から海盆中央部にかけて水平方向に 1000 km 近氷は海流を強める効果を持つ一方で、 氷盤同士が衝突

い拡がりを持つ水温と塩分が一様な極薄い層 （厚さ数するような海域では、 海氷が動きにくくなるために海流がm）が 200 ～ 300 m 深で観測されている。 二重拡散（海弱められるというプロセスも存在する。 このような風によっ

水中において塩分よりも水温の方が速く混ざる現象） がて駆動される海氷運動およびその直下の海流の強さは形成要因のひとつとして指摘されているが、 水平方向へ

個々の氷盤の形状や流向に依存する。 大気から海洋への拡大プロセス、 詳しい分布や出現頻度については未の運動の伝達は海洋表層の鉛直混合をもたらし、 海氷解明な点が多い。 このような海洋微細現象と海氷減少

下部への熱供給とも関連があるので、 この力学過程を精の関係を見出すことも、 海洋物理学の進展につながる。

密に調べることが重要である。

現在の気候下では、 塩分の低い太平洋起源の海水

また、 海氷の生成 ・ 融解に伴う熱と水の交換を定量と塩分の高い大西洋起源の海水による密度差に河川水化することが、 季節海氷化する北極海においてますまの効果も加わって、 塩分分布が北極海洋循環を支配しす重要になる。 海氷融解の効果だけ考えると、 淡水供ている。 仮に太平洋起源水の高塩分化、 または、 大西

給および日射により海洋表層は密度の低い水で覆われ

洋起源水の低塩分化が各々の上流域で起これば、 鉛るので、 成層 （海水の鉛直密度勾配による安定な層構

直対流強化により太平洋水と大西洋水の混合水塊が点造） が強化され、 鉛直方向の混合が起こりにくくなる。 た

在する状態になり得る。 これらの鉛直混合が重要になるだし、 夏季の海氷減少により開水面が拡がると、 冬季状態を数値モデルで陽に再現するには、 1 km 以下のの海面冷却による海氷生成量が増えるので、 北極海盆

水平解像度が必要なので、 計算資源的制約を勘案する

域の 100 ～ 500 m 深を占める大陸棚起源の高密度水と、 まずは既存の対流スキームの精査や個々のプロセ（水温が低いか塩分が高いことで密度が高い海水） のスにターゲットを絞ったモデリングから始めるべきである。

形成が、 活発化することも考えられる。 その結果、 北極

将来予測の観点では、 温暖化気候下で海洋表層への海中層は、 寒冷化 ・ 高酸素化する可能性がある。 海洋

蓄熱が進むことで、 水温主導の密度分布が支配的な熱中の酸素濃度は物質循環や生態系と密接な関係がある駆動循環になる可能性を議論することにも意義がある。

（テーマ 3、 テーマ 9 参照）。

上述したような海洋の物理的変化は、 北極海の物質

季節海氷化に伴って、 大気－海洋間の運動 ・ 熱 ・ 水

循環、 生態系とも密接な関わりがある。 海洋循環の強の交換を合わせた影響がどうなるか、 カナダ海盆域を化により、 河川水、 海氷融解水、 大陸棚起源の海水の時計周りに流れるボーフォート海流が近年強化されてい影響が及ぶ空間スケールが拡大すれば、 海盆域でのる事例も参考になる （McPhee, 2013）。 特に、 循環南動・植物プランクトンによる生物生産量の増大につながり、端では西向きの海流と大陸棚側の東向きの海流の間に物質循環が加速する。 また、 海氷面積の減少やそれに大きな水平流速差を形成し、 同時に直径数十 km の渦伴う鉛直混合の活発化は、 大気－海洋間のガス交換をが生成される。 活発な渦活動は陸棚－海盆間輸送 （水促進する一方で、 海氷融解による海洋表層への淡水供

深の浅い大陸棚と水深の深い海盆域の間の海水交換）

給は、 ガス交換を妨げる結果ともなる。 結氷に伴う海洋を促進する役割がある。 このような渦による海水交換をから大気へのガス放出も事例報告があるが、 季節海氷

定量化するには、 局所的なモニタリングと高解像度モデ域が拡大することで北極海が二酸化炭素の吸収源と放ルによる数値実験が有効である。

出源のどちら側にシフトするかについては不確定性が大

一般に海洋の鉛直混合は、 高密度水の沈み込みにきい。 日本ではオホーツク海を共通の対象フィールドとしよる対流混合と内部波などによって駆動される乱流混合て、 物理から生態系までを含めた分野間連携が積極的に分けられる。 内部波による乱流混合が初冬に起これに行われてきた。 そのノウハウを生かして、 北極海におば、 海洋熱輸送を介して結氷開始時期を変える一因にいても物質循環システムの鍵となる領域とプロセスを陸棚もなる。 内部波の発生頻度や強度は、 海水密度の鉛直－海盆間輸送、 渦、 湧昇流といった物理的側面と、 河分布に支配されるので、 この分布の季節～経年変動を川、 海岸浸食、 海底永久凍土融解からの有機物供給

30といった生物地球化学的側面の双方から抽出し、 船舶・

物質循環・生態系の詳細についてはテーマ 3 およびテー

衛星観測 ・ モデリング等を駆使してそれらを定量的に精マ 9 を参照のこと。

査することで、 世界のモデルケースともなり得るであろう。

10 ～ 20 年後を見据えた戦略
a. 国際的動向と日本の役割、 今後の国際連携の在り画してきた。 今後 10 年以内には IASC プログラムとし

方て、 MOSAiC31、 AODS32 が予定されており、 日本も計北極海に関する学術研究、 特に現場観測は、 一国

画立案および実際のフィールド観測に関わっていくことのみで行えるものではなく、 国際連携が不可欠であるこが望まれる。 大気側ではラジオゾンデによる同時観測とは IASC でも強く認識されている。近年は中国、韓国、

ARCROSE33 がいままさに進行中であり、 日本が主導

南アフリカなど非欧米諸国が独自の砕氷観測船を建造的な役割を担っている。 衛星観測においては、 JAXAする中で、 日本の科学的貢献を維持 ・ 強化するためのが主導する GCOM–W34 に、 日本の極域研究者の多く工夫が必要である。 砕氷船を保有する北極海沿岸諸国が関わっている。 取得された海氷データは世界的に活の主たる観測海域は領海 ・ 排他的経済水域を中心とし用されており、 マイクロ波放射計の長期的な運用に向けた沿岸に集中しており、 非北極沿岸国である日本が中立た取り組みを継続すべきである。 モデリング研究は必ずな立場で権益に捉われない科学調査を主導することは、

しも国際連携を前提としないが、 2000 年代に始まった

今後の北極環境研究に対して重要な意味を持つ。 また、相互比較プロジェクト AOMIP35 は既存の北極海モデル

日本は衛星観測やモデル開発において世界に誇る先導に共通して見られる問題点を同定し、 再現性を向上させ性を持っている。 これら現場観測 ・ 衛星 ・ モデル研究るための貴重な情報交換の場となっており、 その後継と者間での交流も活発であり、 三位一体の体制とその推なる FAMOS36 の年次会合にも日本から複数名が参加進を司る拠点形成がなされれば世界に先駆ける成果がしている。 人的交流の場としては、 ART37 が次世代を期待できる。

担う若手研究者の分野間連携を推進しており、 日本か24

北極海を対象とした国際観測プロジェクトを年代別にらも複数名が参加している。 これらの国際的な枠組みは俯瞰すると （図 8）、 まず大気－海氷－海洋間の熱収

新たな共同研究のきっかけにもなるので、 有効に活用し支に関する通年 観測 SHEBA が 1990 年代後半にていくべきである。

25

実施された。 熱収支に関する通年規模の観測は他に例がないため、 15 年経った現在でも最新の観測や数値

b. 衛星観測モデルの比較対象として SHEBA の結果が引用されて現場観測が容易ではない北極海の海氷域をモニタリいる。 2000 年代に入ると、 太平洋側では CASES 、ングするために、 人工衛星による観測は極めて有用であ

BGEP 、 DBO 、 大西洋側では NPEO 、 ASOF

る。 地球観測用の衛星搭載センサには様々なものがあ

26

27

28

29

30

など大小 様々なプロジェクトが展開され、 日本 か らもる。 中でもマイクロ波放射計は、 日射や気象条件の影

JAMSTEC （海洋研究開発機構）、 北海道大学、 東響を殆ど受けずに極域全体を毎日観測できることから、

京海洋大学、 国立極地研究所を中心に積極的に参MOSAiC ： Multidisciplinary Drifting Observatory
for the Study of Arctic Climate、 学際的漂流観測網
32
AODS ： Arctic Ocean Drift Study、 北極海漂流観測
研究プロジェクト33
A RCROSE ： Arctic Research Collaboration forRadiosonde Observing System Experiment、 ゾ ン デ観
測網
34
GCOM–W ： Global Change Observation MissionWater、 水循環変動観測衛星
35
AOMIP ： Arctic Ocean Model Intercomparison
Project、 北極海モデル間比較プロジェクト
36
FAMOS： Forum for Arctic Modeling and Observational
Synthesis、 北極海モデル観測統合フォーラム
37
ART ： Arctic in Rapid Transition、 IASC 主導の若手研究推進プロジェクト
31

IASC ： International Arctic Science Committee、 国際北極科学委員会
25
SHEBA ： Surface Heat Budget of the Arctic Ocean、
北極海表面熱収支観測プロジェクト
26
CASES ： Canadian Arctic Shelf Exchange Study、
カナダ側北極海における陸棚 - 海盆間輸送研究
27
BGEP： Beaufort Gyre Exploration Project、ボーフォー
ト循環観測プロジェクト
28
DBO ： Distributed Biogeochemical Observatory、 太
平洋側北極海における生物地球化学観測
29
NPEO ： North Pole Environmental Observatory、 北
極点環境観測プロジェクト
30
ASOF ： Arctic-Subarctic Ocean Fluxes、 北極 - 亜北極間海洋輸送観測プロジェクト
24

31

図 8 北極海研究に関する代表的な国際プロジェクト。 “→” は終了時期未定。

数十年に渡って海氷研究で中心的な役割を果たしてき米国航空宇宙局 NASA と欧州宇宙 機関 ESA では、た。 現在の主力センサは日本国産のマイクロ波放射計

それぞれレーザーおよびレーダー高度計を搭載する

AMSR2 である。 AMSR2 は米国の SSM/I に対し

ICESat40 （ 初 代 ： 2003 ～ 2009 年、 後 継 機 ： 2018

ピクセル密度にして 4 倍以上の空間解像度を持ち、 デー

年打上げ予定） と CryoSat （初代：2005 年打上げ失敗、タの有用性を大きく向上させた。 今や AMSR は海氷の後継機 ： 2010 年～） を運用している。 これらの高度計

現況モニタリングや変動研究において生命線であり、 そからは海氷表面だけでなく、 海面高度の情報も得られの観測を間断なく継続させることは国際的な責任でもある （Mizobata et al., 2016）。 海面高度から導かれるる。 具体的には AMSR2 の想定耐用年数を考えると、海洋循環の空間分布と強度は、 北極海の水平熱輸送

後継を遅くとも 2020/21 年までに打ち上げることが最重を左右するため、 海氷変動要因の理解と将来予測にお要である。 また、 より詳細な氷縁のモニタリングや細かいいて重要な観測項目である。 しかし、その精度、解像度、スケールの海氷変動の解析を可能にするために、 マイク

観測頻度はまだ十分でない。 今後日本においても海氷

ロ波放射計の高解像度化を目指した開発を継続すべき

表面高度や海面高度を広範囲かつ高解像度で通年計である。

測できる高度計の開発および複数小型衛星の打ち上げ

38

39

海氷全体量の把握と生成 ・ 融解量の見積りのために等も視野に入れるべきである。

は海氷厚データの取得も不可欠である。 これまでにもMODIS41、 LANDSAT42 等の可視 ・ 赤外域センサ

衛星で捉えられる海氷表面状態から海氷厚を推定するや PALSAR43、 RadarSat 等の合成開口レーダーによ研究がなされているが、 多年氷域で十分な精度を得る

ICESat： Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite、氷・雲 ・ 標高観測衛星
41
MODIS ： Moderate R esolution Imag ing
Spectroradiometer、 中分解能撮像分光放射計
42
LANDSAT ： Land Remote Sensing Satellite、 陸 域
観測衛星
43
PALSAR ： Phased Array type L-band Synthetic
Aperture Radar、 合成開口レーダー
40

ことは難しい。 海氷タイプに依存しないデータ取得のためには海氷表面の高さを計測する方法が有用である。
A M S R 2 ： Adva nced M icr owave S ca n n i ng
Radiometer 2、 改良型高性能マイクロ波放射計
39
SSM/I ： Special Sensor Microwave Imager、 衛星搭
載型マイクロ波放射計
3832

る観測も有用である。 日本は地球観測衛星技術と衛星が限定されているために空間代表性という意味で難があ

データを用いた海氷海洋研究の双方で世界最高レベル

る。 一方、 現在利用可能な再解析データには NCEP-の技術と実績を有しているにも関わらず、 それらのデータ

CFSR のように氷上の積雪深が出力されているものもあは北極研究に十分に利用されているとは言い難い。 今り、 長期トレンド解析に資するかを観測データで検証し後は積極的にこれらのセンサのデータを利用していくべておくことも重要である。 気象レーダーによる降水システ

きであり、 そのためにはデータを利用しやすい環境を整ムの把握とともに、 現場の積雪および海氷厚の時間変備すること、 衛星データ利用者の裾野を広げることが必化を捉えるためには、 SHEBA 的な集中観測も望まれ要である。 人工衛星による観測研究は北極から地理的る。 NSIDC47 による Operation IceBridge ミッションでに離れた我が国が北極研究で主導的な役割を果たせる

は、ICESat と ICESat-2 のギャップを埋める一環として、分野である。 日本の北極研究をさらに進展させるため、2009 年以降、 ヘリコプターに搭載した電磁誘導式氷厚既存センサの最大限の利用 ・ 新規センサの開発 ・人材計を用いて、 北極海の太平洋側において春先の氷厚 ・

育成 ・ 研究組織の確立を行う必要がある。

積雪観測を不定期に行っている。
日本は、 こ れまで JAMSTEC の海洋地球研 究 船

c. 現場観測「みらい」 を主な基盤として、 海氷消失域での大気海洋

太平洋側北極海での現場観測において、 日本には観測を 10 年以上継続しているが、 特にオリジナリティが既に多くの実績があるが、 現状の設備では海氷融解期あるのはラジオゾンデ観測である。 ラジオゾンデ観測の以外の観測が困難である。 当該海域において国際的

自動放球装置は少人数で高頻度の観測が可能である。

に貢献し続けるためには、 海氷に覆われる期間を含め2013 年には 「みらい」 北極航海初の二週間定点観測た総合的観測を行い、 季節変動と経年変動の両面から期間中に、 ニーオルスン、 アラート、 ユーレカなど陸上

データ空白を埋めることが最大の課題と言える。 海氷が現業ステーションの協力の下で北極海を網羅するラジオ

急激に減少する今だからこそ、 海氷周辺の現地調査をゾンデ同時観測が実現された。 その実現においてドイ

集中的に行い、 熱収支観測に例えると、 SHEBA に代ツやカナダの国際協力が得られたのは、 事前に IASC

わる新しい北極研究のスタンダードを提示することが重大気作業部会にて観測の重要性 ・ 先見性を表明したと要である。 そのためには結氷期および海氷域の現場観ころが大きく、 アメリカやロシアも理解を示していた。 「み測に耐え得る観測設備 （砕氷船や無人観測ステーショらい」 が主たる船舶として観測網を拡充したこの試みはン） の導入が必要不可欠である。 砕氷船についての詳

ARCROSE と名付けられ、 北極域の天気予報や中緯

細は、 「9 章 研究基盤の整備」 の章を参照のこと。

度域への影響評価を含めた新規性のある研究に発展し

海氷観測に関しては、 時間方向には IPS によるつつある。 これは世界気象機関が提案している PPP48

係留観測、 空間方向には AUV45 や耐氷プロファイリにも合致した取り組みであり、 それを日本発で始動した

ングフロートによるデータ取得が重要である。 さらに、ことは特筆すべきことである。 さらにこの活動は 2019 ～ADCP46 による海氷厚の計測が実用化されれば、 飛躍

2020 年に計画されている MOSAiC の予備調査として的なデータ量増加が期待できる。 個々の氷盤スケールも認識されており、 近未来の北極研究の根幹をなすことの海氷観測は海氷モデルの精緻化にも寄与する。 しかは間違いない。

44

し、 これらの体制を構築 ・ 維持するには、 海外の研究機関と連携を図りながら、 ノウハウを持った人材を育成

d. 数値モデリング

することが欠かせない。 海氷上の雲 ・ 降水システムや、

気候モデルによる地球温暖化予測実験では、 世界の

積雪過程の把握も海氷変動メカニズムの理解のためにどの結果も近年の急激な海氷減少および氷厚分布の変重要である。 氷上積雪の経年変化を捉える観測手法と化を十分に予測できていないという問題を抱えている。

しては Ice Mass Balance ブイが有効だが、 展開個数

その要因は多岐にわたるが （テーマ B 参照）、 ここでは
北極海内部で起きているプロセスの理解といった目的に

IPS ： Ice Proﬁling Sonar、 超音波氷厚計
AUV ： Autonomous Underwater Vehicle、 自律型無人潜水機
46
ADCP ： Acoustic Doppler Current Proﬁler、 音 響 式
流向流速計
44
45

NSIDC ： National Snow and Ice Data Center、 米国
雪氷データセンター
48
PPP ： Polar Prediction Project、 極域予測プロジェクト
47

33

おいて、 海氷 ・ 海洋モデルをどのように改良すべきかにを駆使しても北極海全域で陽に解像できるレベルではついていくつか紹介する。

ない。 高解像度化が実現したとしても、 海氷生成に伴う

海 氷モ デル に 関 して は、 1970 年 代に 開 発された

高密度水の沈み込みや海水混合の精緻化には、 新た

Semtner 型の熱力学や Hibler 型の力学の表現方法

なアプローチが必要になる。 理想的な実験設定で得らが現在まで継承されている。 そのうち熱力学過程においれた知見などを生かして、 既存のモデルで使用されていては、 積雪やメルトポンドを含めた海氷上アルベドの精る鉛直対流の表現方法を改良することが必要である。

緻化がひとつの鍵になる。 特に、 海氷融解期における大気モデルでは、 WRF49 のような領域気象モデルを

アルベドの時間変化は多年海氷域と季節海氷域で異な北極海の各海域で実装できるように整備し、 氷縁域でることが報告されており、 このような海域間の違いまで十の大気－海氷－海洋間相互作用を含めた気象の時空間分に表現できることが望ましい。 メルトポンドそのものの変動を明らかにしていくことがひとつの方向性として挙げ時間変化を計算するモデルも開発されているが、 直接的られる。 いずれにせよ数値モデルの改良には観測デーに表現するか、 アルベドの変化として間接的に扱うかにタの取得が不可欠であるが、 現場観測だけでなく、 日本

ついては、 検証データの有無や計算に要する時間に応の実績が高く評価されている衛星観測データも次世代

じてその都度見極めるべきである。力学過程においては、

モデルの開発に有用であろう。 上述した素過程の解明

例えば 10 km 以下の氷盤スケールで局所的に生じていの他、 大気境界条件に使用する再解析データの高精るプロセスが十分に考慮されていない。 従来の内部応力度化やモデルの性能評価手法の確立にも力を注ぐ必要

レオロジー （氷盤衝突に伴う力学エネルギーの変化をがあるが、 これらの詳細はテーマ B、 C を参照のこと。

表現したもの） は、 水平解像度が数十 km の海氷モデ
ルを念頭に開発されているが、計算機性能の向上に伴っまとめて数 km まで高解像度化したモデルに対して同じ表現

日本は太平洋側北極海において、 既に多くの観測実方法を適用できるかは、 再検証する必要がある。 季節

績を残している。この海域は、北極海の中で最も早いペー

海氷化が進むと、 風波によって海氷が破砕され、 氷盤

スで季節海氷化が進み、 現在では夏季に大部分の海が小さくなるという 「波－海氷相互作用」 も重要になって氷が消失する状況にある。「みらい」による北極航海では、くる （Williams et al., 2013）。 大気－海氷－海洋間の15 年以上に渡りチャクチ海の大陸棚およびカナダ海盆

運動の伝達という観点では、 海氷の厚さやメルトポンド

域を中心とした大気海洋観測を実施してきた。 特に、 北の状態まで反映することができればより精度が上がると考太平洋から流入する海水の熱量を把握するための係留えられる。

系観測や海洋の鉛直熱輸送を見積もる乱流計観測を一方、 北極海を主対象にした海洋モデリングは、 世

継続的に行っている。 同時に詳細な気象観測を実施す

界的にもまだ発展途上であり、 例えば、 水平解像度がることで、 大気による海面冷却の効果や低気圧の発生メ

20 km 程度のモデルでは、 冬季陸棚水 （冬季に大陸

カニズム、 雲底高度の変化など下層大気についても多く

棚上で形成される密度の高い海水） の海盆域への輸送の知見を得ている。 近年では、北海道大学の練習船「おを十分に表現できていないという問題が、共通認識となっしょろ丸」 もベーリング海からチャクチ大陸棚にかけてのている。 北極海では、 中 ・ 低緯度海洋に比べて小さい

海洋観測を実施している。 これらの点から、 太平洋側

空間スケールの物理現象と複雑な海底地形が海盆ス

北極海での大気 ・ 海洋に関するデータ収集能力と観測

ケールの海洋循環をも支配しているという特徴から、 現ノウハウに関しては、 日本に一日の長があり、 国際的にも実の水温 ・ 塩分分布を忠実に再現するには、 水平解像

高い評価を受けている。

度を数 km まで高める必要がある。 これらの制約は最

現在北極海は全域が季節海氷化する傾向にあり、 日先端の大型計算機資源を十分に確保できれば解消に本が多くの観測実績を得ている太平洋側北極海はその近づくことが期待されるが、 モデルの表現方法や実験設

モデルケースとなり得る。 ゆえに今後も当該海域を重点定を新たに整える必要も出てくる。 北極海の包括的な理観測対象と位置付け、 継続的な総合観測を実施してい解のためには、 海洋中規模渦 ・ 内部波 ・ 鉛直対流によくべきである。 カナダ、 中国、 韓国の砕氷船は、 北極海る海水混合にも着目すべきである。 特に水平 100 m ス

49

WRF ： Weather Research and Forecasting Model、
局地気象予測モデル

ケールの鉛直対流混合は、 世界最高峰の計算機資源34

中央部を縦断的に観測する傾向にある一方で、氷縁域・て、 北極領域気候モデルの構築および改良が挙げられ

季節海氷域に特化した観測例は相対的に少ない。 ちな

る （テーマ B も参照）。 このような取り組みは既に米国モみに米国では Marginal Ice Zoneプロジェクトにおいて、ントレーの Naval Postgraduate School などが主導してボーフォート海氷縁域の集中観測に着手している。 ま

始められているが、 幅広い時空間スケールに対応する

た、 ICESCAPE プロジェクトでは、 チャクチ海の海氷にはまだ課題も多い。 北極研究に限らず、 モデル開発

融解期の観測を行い、 海氷下での大規模な植物プラン

や計算機資源に関して日本は世界に誇る先導性を持っクトンの生産活動の発見など画期的な成果を挙げているており、 大気 ・ 海洋 ・ 陸面 ・ 氷床などの各要素モデル（Arrigo et al., 2012）。 このような不定期観測が今後もは既に保有している。 それらをいかに整合的に結合させ継続するのかは定かでないが、 ひとつの参考材料になるかを議論する時期に来ている。

50

るであろう。 また、 北極海では厳しい気象条件などの制極域研究を進展させるには、 観測とモデルを融合させ

約により冬季の船舶観測が殆ど行われていないが、 暖ることが戦略的にも重要だと考えられるが、 これに関して

水流入域などを狙った集中観測を行い、 係留系によるは観測値とモデル結果を比較するだけでなく、 データ同

時系列データなどと融合することで少しでも多くの情報を化を介した様々なアプローチが有用となる。 中低緯度域得ることができれば国際的にも大きく貢献できるだろう。

では、 漂流ブイによるアルゴデータ等を最大限活用し、観測だけで得ることが困難な時空間変動の仕組みを既に研究手法としてデータ同化が認識されているが、 北

記述 ・ 理解するには、 数値モデリングが有用であるが、極域では海氷下の情報が比較的少ないことや数値モデ

北極海モデリングの現状を鑑みるに、 今後 10 年程度でルによる海洋の再現性がまだ十分でないなどの事情には、 海洋熱の海氷への寄与、 冬季陸棚水の海盆域へ

より、 既存の同化例は海氷密接度や一部の大陸棚上のの流入過程、 氷縁域での雲と低気圧の形成過程を定海洋流速に限られている。

量的に明らかにすべきである。 南北両極域に端を発す

しかし、 10 ～ 20 年先の長期構想を考える際には、る全球規模の海洋深層循環は、 乱流混合 ・ 鉛直対流・

自動観測装置の普及による観測網の充実や、 モデルの中規模渦 ・ 大規模海流とミクロスケールからマクロスケー

高解像度化に伴う海洋循環の再現性向上が期待される

ルまでを包括する現象である。 その統一的な理解に向ので、 北極海においてもデータ同化を利用した研究をけて、 異なるスケールを持つプロセス間の相互作用を北

現実的なプロジェクトとして見据えておくべきであろう。デー

極海を含む領域モデルで解き明かしていく。

タ同化システム自体は特に海域に依存しないものである

北極海の海氷変動要因に関して、 大気 ・ 海洋それが、 極域では海氷下の情報をいかに取得するかが鍵にぞれの寄与については様々なプロセス研究が繰り広げらなる。 例えば、 冬季は海氷下を自動昇降し、 夏季の海れてきたが、 大気－海氷－海洋間相互作用については、

氷縁後退後は海面まで測定できるような測器が開発で未解明の点が多い重要な研究テーマである。 例えば、

きれば、 中低緯度域に劣らない精度でデータ同化結果

渦生成の頻度やそれに伴う海洋熱輸送は風の向きや速を提供でき、 様々な時空間スケールでの研究基盤となるさに依存することが推察されるが、 海洋熱の変化が海氷であろう。 データ同化は、 他にもモデルパラメータ （モデ

縁後退を通じて北極海全域スケールの大気循環にどの

ルの定式化に用いる経験的な係数） の最適値推定やように作用するかといったフィードバックプロセスについて

予報変数の初期値作成にも有用とされている。 既に日は今後優先的に取り組むべき研究課題のひとつとして挙本近海で運用されている JCOPE51 や JADE52 のようなげられる。 それに関連して、 これまで海氷分布の季節予

短期予測システムを将来的に北極海でも構築できれば、報を行う場合には特徴的な風の分布を仮定したり、 ある

北極航路に関する船舶への情報提供なども可能になり、いは複数の風を与えて平均的な結果を議論することが多社会経済への貢献度も増すことが期待される。 データ

かったが、 海氷海洋の変化が大気にどう影響するかを

同化の詳細についてはテーマ C を参照のこと。

定量的に理解することで季節予報精度の向上につなぐことができる。 上記の解決に向けたひとつのアプローチとし
ICESCAPE ： Impacts of Climate change on the
Eco-Systems and Chemistry of the Arctic Pacific
Environment、 気候変動に伴う太平洋側北極海での生物
地球化学的影響の評価

JCOPE ： Japan Coastal Ocean P redictability
Experiment、 日本近海変動予測システム
52
JADE ： Japan Sea Data Assimilation Experiment、
日本海海況予測システム

50

51

35

Update 2018 5

ハイブリッドポリニヤ
ポリニヤとは海氷域における持続的な開水面あるいは薄氷域のことであり、潜熱ポリニヤと顕熱ポリニヤに大別される。前者は風や海流に駆動される海氷の力学的移動によって、後者は比較的温暖な水塊からの熱供給によって形成・維持される。潜熱ポリニヤでは海氷の熱力学的生成が活発に起こるため、特に南極海では重要な深層水形成域になる。北極海においても数多くのポリニヤが観測されており、このうちアラスカ沖のバロー沿岸ポリニヤ BCP（Barrow Coastal Polynya）はこれまで強い北東風に伴って海氷が岸から離れることで形成される潜熱ポリニヤとして考えられてきた。しかし人工衛星アルゴリズムの改良や最新の係留系観測によって、BCP に温暖な太平洋夏季水および大西洋起源水から海洋熱が供給されることで冬季でも結氷が抑制される顕熱ポリニヤとしての特徴も併せ持つことが明らかになっている（Hirano et al., 2016）。このハイブリッド特性によって当該海域固有の水塊形成が生じている可能性もあり、本成果は北極海全域の水塊変質を考える上でも重要である。

図 U-6

バロー沿岸ポリニヤ域における水塊変質の概念図 [Hirano et al., 2016]

テーマ 3 ： 物質循環と生態系変化
Questions を挙げ、 10 ～ 20 年将来の長期的な研究

要旨
大気中での温室効果をつかさどる CO2 やメタン、 雲の展望を述べる。
Q1: 大気中の温室効果気体やエアロゾルなどの濃度の形成や日射量を左右するエアロゾル、 それから海洋生態系を育む栄養塩などは、 大気－陸－海洋を巡るはどう変化するか？
Q2: 陸域生態系にかかわる物質循環はどう変わるのさまざまな物質の循環に密接に関係している。 北極域
では、 さらに海氷、 氷床、 積雪、 永久凍土が物質循

か？
Q3: 陸から海への物質輸送の定量的解明には何が環に対して大きな役割を果たすとともに、 そのプロセスを複雑にしている。 ここでは、 環境変動と表裏一体の関必要か？

係にある物質循環変動について要となる以下の 4 つのQ4: 海洋生態系にかかわる物質循環はどう変わるの

36

か？

の河川と沿岸に観測網を整備し、 海岸浸食、 氷床融

大気に関しては、 観測データが著しく乏しいシベリア解、 および土壌侵食や凍土の融解に由来する、 汚染

地域に新たに観測拠点を設け、 大気微量成分の通年

物質、 炭素、 栄養塩、 微量金属などのモニタリングを行観測を実施する一方で、 海洋域では人工衛星データのう必要があろう。 海洋生態系に関しては、 地域的にも季利用や、 定期的に船舶を活用したエアロゾルなどの観測

節的にも空白の無い観測データを取得する必要がある。

を実施することが必要である。 陸域生態系に関しては、

例えば、 冬季の氷上キャンプでの観測やセジメントトラッ

長期調査プロットを設定し、100 年スケールの植生の種、

プ・ 係留系による通年観測を通じてデータを取得し、 海構造などについての継続的データの取得を行うとともに、

洋構造や物質循環 ・ 生態系の季節変化を把握する必

衛星観測によって植生変動のシグナルを明らかし、 さら要がある。 また、 それらのデータと培養 ・ 飼育実験や数に植生動態モデルで長期変動について信頼性の高い予値モデリング結果を比較 ・ 融合することにより、 物質循

測を行う一方で、 土壌有機炭素の分布の把握と蓄積 ・環過程と生態系との関係や酸性化の仕組みと実態を定

分解のメカニズムを理解することも重要である。 陸から量的に評価する必要がある。

海洋への物質輸送に関しては、 北極域における広範囲

まえがき
世界的に関心を 集めている近年の地球温暖化は、である。 また、 気候変動は、 亜寒帯、 寒帯の陸域にお大気中の CO2 濃度の増加が主因であることがほぼ確いて特に顕著になると予想されている （図 10; IPCC，実となっている。 CO2 は人為的に大気中に放出され続

2013b）。 気候変動が亜寒帯・寒帯の陸域の生態系 （以けてきた一方で、 陸や海洋が吸収することによって、 大降、 「北極陸域生態系」 と呼ぶことにする） に与える影

気中の濃度の増加は抑えられてきたことも事実である。

響を的確に把握することは、 物質循環を通した気候へ

IPCC の第 5 次評価報告書 （IPCC， 2013a） を参考のフィードバックの理解のために欠かせない。

に計算すると、 年間で見て化石燃料の燃焼などによって北極域では、 陸上を広く覆う亜寒帯林や海洋の植物

大気中に放出された CO2 の約 4 割を陸が、 約 2 割を

プランクトンなどの一次生産 （光合成） が、 大気中の海洋が吸収していると見積もられる。 このように、 大気中

CO2 濃度を支配する大きな要因のひとつとなっており、の CO2 濃度を理解しようとした場合、 大気－陸－海洋を

全球炭素循環に対する役割も大きい。 温暖化が特に顕めぐる炭素の循環として考える必要があることがわかる。

著である北極域の炭素循環の変動とその生態系への影

図 9 に北極域における環境中の物質循環の模式図を

響を定量的に把握することは、 地球の将来の気候を予示す。 北極のような寒冷圏の場合、 陸上の雪氷や海氷測する上で非常に重要である。
気候変動に関わるのは CO2 だけではない。 永久凍の果たす役割の大きいことが、 他の地域には無い特徴

図 9 北極域における物資循環の概念図37

図 10 IPCC がまとめた地球温暖化の予測 ( シナリオ RCP8.5)。 1986 ～ 2005 年の平均気温から、2081 ～ 2100 年の平均気温が何度 (℃ ) 上昇するかを表している。 特に北極付近の温暖化が激しいことに注目したい。 この原因は、 温暖化に伴う雪氷域の縮小によるアルベドフィードバックと考えられる。
(IPCC, 2013b, Figure SPM.8. Maps of CMIP5 multi-model mean results for the scenarios RCP2.6 and
RCP8.5 in 2081-2100. (a) annual mean surface temperature change.)

土が温暖化によって湿地化することによって増加する可ぐ陸起源の物質や、 大気によって輸送され海面に降りそ能性のあるメタンの大気中への放出、 北極海の海底永そぐ物質も、 海洋生態系にとって欠かせないものである。

久凍土からのメタンの放出も気候に大きな影響を及ぼ

陸－大気－海を巡る物質の挙動は、 気候や環境にすだろう。 さらに、 亜寒帯で頻発する林野火災によって対して決定的であり、 現場や衛星観測をはじめ、 モデル

53

生じるブラックカーボン （BC） などのエアロゾルも雲凝によって気候変動に対するその動態と生態系の役割を結核となるほか、 大気や雪氷面の放射過程を変化させ、明らかにしていくことが、 長期的に重要であろう。

その結果気候を変化させる。 河川や海岸から海洋に注

Q1: 大気中の温室効果気体やエアロゾルなどの濃度はどう変化するか？
a. 研究の重要性と現状アラート （カナダ） を拠点として長期的な観測が継続して

図 11 に模式図を示したように、 大気中に存在する微いる。 近年、北極域では、気候変動の影響とされる変化、

54

量成分 （温室効果気体、 短寿命気体 、 エアロゾル）

例えば、 夏季海氷面積の急激な縮小などが観測されては、 大気中の放射収支過程を通して、 気候変動に大きいる。 この様な急激な環境変化は、 大気微量成分の分な影響を与えている。 北極域は、 北極海のほとんどを布や濃度変化に大きな影響を及ぼすことは間違いない。

占める海氷域、 莫大な生物生産量を有する海洋域、 広

環境変化による大気微量成分の分布の変化やその影響

大な永久凍土帯や森林帯が分布する陸域で構成されてを理解するには、 起こり得る環境変化に対応して、 観測いる。 これらの領域は、大気微量成分にとっては、ソース、的研究を進め、 大気中の物質循環過程の変化に関して

シンク両方の役割を担うため、 大気微量成分の循環過知見を蓄積していくしかない。

程と密接に関係している。 大気微量成分の循環過程や季節海氷域と開水域の拡大により、 これまでと比べる

トレンドを明らかにすることを目的として、 日本を含め各国と、 CO2 の交換過程、 エアロゾル前駆物質 55 （DMS ：がニーオルスン （スバールバル諸島）、バロー （アラスカ）、

硫化ジメチル） など短寿命 （1 日未満～数週間） 気体

53

55

ブラックカーボン （BC） ： ブラックカーボンは、 強い光吸収性を示す “グラファイト状の微小構造を持つ黒色の粒子状炭素” である。
54
短寿命気体 ： 反応性が高く、 大気中での化学的な寿命が1 日未満～数週間と短い気体 ( 例、 O3, NOy、 SO2, 揮発性有機物など ) のことを示す。

エアロゾル前駆物質 ： 大気中では気体として存在し、 気相中の酸化反応を経て蒸気圧が低い成分に変換され、 新粒子生成過程や既存粒子への凝縮過程を経て、 最終的にエアロゾル粒子となりうる気体や、 既存粒子に凝縮後、 エアロゾル粒
子上の化学反応を経て、 エアロゾル粒子成分へ変換されうる気体のことを示す。

38

図 11 大気を中心とした物質循環の模式図の大気への放出、 海塩粒子の放出が活発になることがは、 海氷起源海塩粒子のソースとなる。 季節海氷域か考えられる。 CO2 交換海域の分布やその季節変化にらの海塩粒子放出は、 冬～春季の北極海上のエアロゾ

ついては、 大気中の CO2 循環過程を理解する上で非ル分布を変える可能性がある。 フロストフラワーや海氷常に重要である。 また、 海洋表面からはエアロゾル前駆

起源海塩粒子上の不均一反応は、 高反応性ハロゲン物質や海塩粒子の放出が促進されるため、 開水域の拡成分を大気に放出するため、 日射条件下 （特に polar

大はエアロゾル数濃度増加の要因となる。 エアロゾル数

sunrise 時期） の大気化学過程 （たとえば、 短寿命気濃度の増加は、 雲凝結核 56 の増加をもたらし、 最終的体の酸化、 O3 消失現象、 Hg 除去過程など） とも密接には雲過程を通して間接的に放射収支に影響を及ぼしに関係している。

（Lubin and Vogelmann, 2010）。 大気中の海

陸域においては、 土壌環境の変化や植生の変化によ

塩粒子の増加は、 エアロゾル粒子上の不均一反応と海り、 湿地帯からの温室効果気体放出量、 森林からの短塩粒子の沈着過程により、 人為起源の酸性ガス （SO2、寿命気体 （揮発性有機化合物 （VOC） など） の放出量、NO ｙ など） の効率的な除去を促進させるため、 一部の林野火災発生領域の分布に変化が起こる可能性があ

短寿命気体の循環過程と密接に関係する。 また、 冬る。 これまでの北極域の温室効果気体と関連気体成分

得る

57～春季の季節海氷上に形成されるフロストフラワー

58の観測から、 経年 ・ 季節変化は化石燃料消費、 森林

56

消失、 林野火災、 湿地帯からの放出との関係が示唆さ57れている （森本ほか、 2010）。 なかでも、 林野火災によ

雲凝結核 ： Cloud Condensation Nuclei （CCN）
エアロゾルと雲形成と気候に対する影響 ： 大気中に存在す
るエアロゾル粒子上に水蒸気が凝縮して雲粒となり、 雲が形成される。 エアロゾル数濃度の増加 （減少） は、 雲粒濃度の増加 （減少）、 雲粒径の減少 （増加） をもたらし、 雲の寿命と光学特性を大きく変化させる。 これらの変化は放射収支と密接に関連しており、 気候変動に大きく影響を与える可能性がある。
58
フロストフラワー ： 低温条件下で、 海氷形成時に海氷表面に形成する氷の結晶であり、 海氷上の Brine( 濃縮海水 ) がしみ上がるため、 フロストフラワーの塩分濃度は非常に高い。
フロストフラワー上での化学反応過程や、 強風による破砕により、 反応性の高い成分や海塩粒子が大気へ放出される。

る影響は、 温室効果気体の放出だけではなく、 BC や
ブラウンカーボン （BrC）59 などの光吸収性エアロゾルの重要なソースでもあり、 雪氷面への BC、 BrC の沈着に
より雪氷表面のアルベドに大きな影響を及ぼす。 さらに、
59

ブラウンカーボン （BrC） ： ブラックカーボンは、 強い光吸収性を示す “グラファイト状の微小構造を持つ黒色の粒子状炭素” である。 ブラウンカーボンは、 光吸収性を示す粒子状
有機化合物である。 いずれも燃焼によって大気へ放出される。

39

北極航路の利用や北極域の資源開発による人間活動

測、 船舶、 航空機、 飛翔体、 衛星を用い、 大気微量の拡大が、 一部の大気微量成分 （CO、 CO2、 NOx、

成分濃度、 同位体比、 エアロゾル数濃度 ・ 粒径分布、BC など） の濃度レベル、 空間分布、 気候変動に与え雲などの観測を展開することが重要である。

得る影響も今後の研究対象に含めるべきであろう。 北極

地上観測では、 これまでの観測データとの比較のた

圏内の温室効果気体やエアロゾル長期観測から、 北極

め、 現在の拠点における観測を国内外の研究機関と共圏外からの人為起源物質の長距離輸送の寄与も指摘さ同して継続させる。 観測データが著しく乏しいシベリア地

れている （Quinn et al., 2007; 森本ほか、 2010）。 北域では、 新たに観測拠点を設け、 大気微量成分の通極大気中の微量成分の循環やその及ぼし得る影響につ年観測も実施する。 海洋域では、 開水域から海氷域

いては、 これまでの精力的な研究により、 その一端に関上の分布を把握することが必須となるため、 定期的に船する科学的な知見は得られてきてはいるが、 大気中の舶を活用したエアロゾル・短寿命気体の観測を実施する。

微量成分がかかわる相互作用や全体の変動メカニズム

これまでの船舶による観測は、 夏季の開水域で実施さについては、 依然として大きな不確実性が含まれており、れることが多かったため、 砕氷船を用いた海氷域、 冬季

多くの未解明な点が存在している。

北極海での観測、 海氷上に設けた無人気象 ・ エアロゾ
ル観測拠点での通年観測も必要である。 また、 大気微

b. 今後の研究

量成分 （特に、 短寿命気体やエアロゾル） の動態を理

北極大気中の温室効果気体、 短寿命気体、 エアロ

解するには、 陸上から北極海上の観測に加え、 航空機

ゾルの循環過程とその気候変動への影響を理解、 検証や飛翔体を駆使した集中観測を定期的に実施し、 地上するには、 それらの時空間分布の観測を長期的に、 か近傍から対流圏上層にかけての鉛直分布、 陸域－開水つ、 高精度に把握することが重要である。 大気を中心域－海氷域にかけての水平分布を捉えることが重要であとした物質循環に関する観測の概略を図 12 に挙げた。

る。 さらに、 船舶、 航空機による空間的な観測の展開対象となる観測領域は、 海氷域、 海洋域 （開水域）、は制約も多いため、人工衛星観測により、温室効果気体、陸域、 上空と広域に亘るため、 観測する対象や地域に

短寿命気体、 エアロゾル、 雲の空間的な構造の把握も合わせて、 日本の研究コミュニティが中心となり、 地上観行う。 これらの観測結果から、 大気微量成分の時空間

図 12 大気を中心とした物質循環の観測の概念図

40

分布、 陸面と海面からの気体成分 ・ エアロゾルの発生、

海面と大気との相互作用のメカニズム、 及び、 北極域大吸収、 沈着量分布、 その季節変化、 それらの経年変化

気中の大気微量成分 （温室効果気体、 短寿命気体、を高解像度、 高精度で明らかにする。 得られた観測結エアロゾル） の挙動や動態を解明し、 より高精度の気候果に基づき、 大気組成 ・ 輸送モデルを駆使し、 陸面や変動の予測を目指す。

Q2: 陸域生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか ?
a. この研究の重要性と現状とが重要であろう。 北極陸域生態系は、 気候変動の原

気温や降水量の変化は、 北極陸域生態系に強い影因として大きな放射強制力を持つ CO2、 さらに CO2 に響を与える。植生については、光合成量と呼吸量の変化、次ぐ放射強制力を持つメタンの大きなソースになる可能

バイオマスの変化、 植生タイプの変化などが起こる。 ま性が高いため、 これらのダイナミクスを正確に理解するこた、 大気中の CO2 濃度の上昇がもたらす生態系に対すとが緊急な課題となる。

の影響も大きく、 CO2 濃度が 20 世紀後

北極陸域生態系は気候から一方的に影響を受けて半の約 2 倍の環境下では全球の平均的な光合成量はいるわけではなく、 生態系から気候に対する影響もある

10 ～ 30％程度も増加すると考えられている。 これに関ため、 複雑な相互作用を伴っている 61 （図 13）。 よって、連し、 化石燃料の燃焼などによって人為的に大気中に陸域生態系と物質循環の変動を理解するには、 北極陸

放出される年間の炭素の約 4 割を陸がシンクとして吸収域生態系が物質循環および地表面物理過程を通して気していると見積もられており （IPCC, 2013a）、 これら炭候に与える影響を考慮しなければならない。 つまり、 北

素収支に対する北極生態系の寄与を適切に見積もるこ

極陸域生態系と環境変動をシステム科学の観点から理

る施肥効果

60

図 13 陸域生態系と気候は強い相互作用を持ち、 お互いに影響を与えあっている。 気候変動下でこれらの作用がどのように変化するか全体的な解明を行うために、 複雑にからみあう要素やプロセスをひとまとめにしたシミュレーションモデルの開発 ・ 検証 ・ 適用が緊急に求められている。
陸域炭素循環にひそむさまざまなフィードバック : 気候変動を引き起こす温室効果気体の CO2 とメタンはともに炭素を含む気体であり、 これらは植物や微生物などの生理的はたらきによって陸域生態系と大気を循環している。 気候変動による環境の変化によって植物や微生物の生理的活性は大きく変化し、 これにより炭素循環が変わることで気候変動とのフィードバックを引き起こす。 このフィードバックは多様で、 あるものは温暖化を加速する正のフィードバック、 別のものは温暖化を抑制する負のフィードバックとして作用する。 正のフィードバックを挙げると、 土壌温度上昇にともなう微生物活性の向上が土壌
有機炭素の分解を促進し、 大気中へのさらなる CO2 の放出につながることがある。 負のフィードバックとしては、 気候の温暖化によって光合成量と植物バイオマスの増加が起こり、 これが大気中の CO2 を陸面に固定する効果を持つ。 正確な将来予測を行うためには、 これら相反する影響を持つフィードバッ
ク要素それぞれを理解し、 モデル化する必要がある。
61

施肥効果 : CO2 濃度の増加によってこれを原材料とする植物の光合成効率が上昇する現象が知られ、 施肥効果と呼ばれる。 施肥効果によって大気中の CO2 の吸収が促進される
ため、 気候変動を抑制する負のフィードバックとしてのはたらきを持つ。 しかし施肥効果の定量評価は進んでおらず、 その大
きさは人為的な CO2 排出量の 5-30％と不確実性の幅が広く、今後の研究の進展が待たれている。

60

41

解することが重要である。 しかし、 現状では、 北極陸域

植生バイオマスは全球炭素循環中の炭素プールとしての関わるシステムの理解はなはだ不完全な状態である。

機能していることから、 物質循環の変動を知るには、 そシステム科学の観点からの科学的理解を促進することにの変動を把握する必要がある。陸上では長期調査プロッより、 温暖化による植生動態への影響と、 植生の変化

トを設定し、 植生種や植生構造について 100 年規模のによるアルベドや炭素循環を介した気候への影響など、継続的データの取得を行うとともに、 衛星観測によって不確実性の高いフィードバックの定量的理解が進められ

植生変動のシグナルを明らかにする。 さらに、 植生動態

る。

モデルで植生の長期変動について信頼性の高い予測を北極陸域生態系に蓄積されている炭素の大部分は行うことが必要であろう。 以上は、 前述した全球炭素循

SOC （土壌有機炭素） の形で地表面近くに存在して環に対して陸が果たす炭素循環の役割を定量的に解明いるが、 温暖化がもたらす熱 ・ 水環境の変化によってすることにつながるだろう。 具体的なフィールド観測の手

SOC の劇的な変化が生じることが懸念されている。 今

法としては、 広大な環北極陸域を効率的 ・ 戦略的にカ

世紀末までに 4℃という比較的おだやかな温度上昇がバーするための非接触観測技術 （プリズム法による胸高

泥炭地に蓄積される炭素量を最大 80％減少させるとい

断面積計測や円周魚眼レンズ撮影データにもとづく葉う報告もあり （Ise et al., 2008）、 SOC 動態の正確な面積指数計測など） の積極的な活用も重要となる。

把握は重要な課題である。 これは、 特に永久凍土表層

特に、 SOC は北極陸域生態系における最大の炭素の融解深が関係する場合、 劇的な変化をもたらす可能プールとして機能しており、 その分布の把握と蓄積 ・ 分性があり、 特に、 温暖化による永久凍土の湿地化はメタ

解のメカニズムの理解の重要性は特筆すべきである。 主

ンの発生を助長する可能性もあることが指摘されている。

に SOC が蓄積される有機質土壌は、SOC の増減によっ

また、 林野火災は短時間で大量の CO2 を排出するうえて土壌の厚みが変わり、 それに伴って土壌の物理条件に、 地表面アルベドや植生の蒸発散量を変化させ、 さも変化するため、 炭素循環と熱 ・ 水循環を同時にモデル

らに雲凝結核となるエアロゾルを発生させるため、 気候へ化しなくてはならない。 そのため、 物質循環モデルと土の影響が大きいと見積もられているが、 その定量予測は

壌物理モデルの融合を中長期的視点で推進すべきであ

現時点では困難である。

る。 従来は学問分野の相違のため協力があまり見られな

北極陸域生態系の物質循環を把握するには現地観かった生態学的研究と地表面物理研究の統合化が求

測 ・ 調査が重要だが、 アクセスが困難な地域が大部分められる。 また、 メタンの動態を把握するためにも、 観であるため得られる取得可能な現地データは限定的で測に基づく土壌の物理環境の理解とモデルによる予測ある。 よって、 今後も貴重なデータをもたらす現地観測 ・が重要である。 物質循環モデルと土壌物理モデルを統調査を継続的に実施する必要があるとともに、 観測を空合したモデルを構築することで、 気候変動による永久凍間的に広げて広域での生態系の変化をとらえるリモート

土の深さ （活動層の厚さ） の変化を明示的に予測するこセンシングなどの技術のさらなる活用が求められる。 そしとができ、 土壌の層ごとの微生物活性と CO2 およびメタて、 気候変動などの環境変動と陸域生態系の物質循環

ンのダイナミクスを示すことが可能になる。 また、 陸域のとの相互作用を理解し、 将来予測によって社会に貢献

統合モデルを構築することによって陸域の物質循環の定するには、 これらの観測データやプロセスを明示的に再量的な理解と将来予測が達成されることによって、 水循

現するシミュレーションモデルの開発が不可欠であるが、環とそれにともなう陸域から海洋への物質の流れの解明

ふくめるべき要素は多数におよび、 それらの相互間のにも貢献できる （詳しくは、 Q3 を参照）。

フィードバックはきわめて複雑であるため、 統合的なモデ

シミュレーションと並んで、 衛星リモートセンシングは北ル開発は遅々として進んでいないことが現状である。

極陸域生態系の理解と将来予測のための強力なツールである。 特に近年はリモートセンシング技術の進歩によ

b. 今後の研究

り光合成ポテンシャルや植生バイオマス推定の実現が進今後必要となる北極陸域生態系の研究テーマは枚挙

められており （Suzuki et al., 2013）、 これによりフィーにいとまがないが、 ここでは特に広域 ・ 全球での物質循

ルド観測結果にもとづいた広域での炭素循環を把握す

環の理解に直接貢献するもの、 長期的視点で解明すべるための研究を発展させるべきである。 また、 リモートセ

きものをいくつか列挙する。

ンシングは林野火災などの大規模で重大なイベントの観42測にも活用できる。

これら今後の目標を達成するにあたり、 日本の研究コ

データ同化技術の応用は、 観測結果と将来予測をつミュニティをまとめること、また、国際的なプロジェクトやネッ

なぐための今後 10 年間の鍵といえるかもしれない。 蓄

トワークとの協働が不可欠となる。例えば、長期観測プロッ

積されつつある現地とリモートセンシングのデータを活用

トに関しては、 ILTER62、 地表面と大気間の CO2 交換するために必要な、 客観的 ・ 総合的な統計技術であるの観測に関して FLUXNET や GEO GFOI63 などがからだ。特に、アンサンブル・カルマンフィルターなどを使っ挙げられる。 従来は研究グループが個別に取得 ・ 管理

た 4 次元データ同化技術の応用により、 フィールド観測

してきたデータを一元化して利用を促進すること、 オーとリモートセンシング観測による客観的なモデル改良とい

ルジャパン的なモデル開発を行う体制を整えることが必う重要なテーマに変革をもたらす可能性が大いにある。

要である。 北極陸域生態系に由来する物質循環の変動

これらのデータ同化技術はすでに大気科学や海洋科学

は IPCC 報告書などでも大きく取り上げられており、 海では利用されているが、 その陸域生態系研究への応用

外の地球システムモデリングを行うグループ （NASA、はほとんど存在しない。 重要なのは統計理論と計算科

GISS、 Hadley Centre など） とのモデル相互比較を学に熟達した研究者を養成することである。

積極的に実施していくべきである。

Q3: 陸から海への物質輸送の定量的解明には何が必要か ?
a. 研究の重要性と現状てきたこと、 温暖化によって海洋へ輸送される物質の量

陸起源の物質は、 主に河川や海岸浸食などによって及び質 （無機物 / 有機物、 易分解性 / 難分解性など）

海洋へ供給される。 北極海には、 全球河川の 10% にの変化が予想されること、 季節海氷域の拡大や水温上相当する河川水が流入し、 多量の陸起源炭素などを海昇など沿岸域の環境変化が進んでいることなどから、 陸洋へ運んでいる。 つまり、 北極海は陸から海への物質

起源物質が北極の海洋生態系に与える影響について改輸送の要といえる。 温暖化に伴って凍土表層の融解深めて注目が集まっている。

の深化、 氷床の融解、 河川水量の増加、 海岸浸食の北米の河川およびシベリアの主要河川の炭素、 栄養

加速などが進んでおり、 北極海への陸起源物質のフラッ

塩類その他の化学成分のフラックスとその季節 ・ 経年変

クスはさらに増すと予想されている。 さらに、 季節海氷

動の基礎的情報は米国地質調査所 USGS や Arctic-

域の占める割合が多くなることで、 陸起源物質の影響の

GRO プロジェクトの観測により提供されている （例えば、及ぶ範囲と時期も拡大すると予想される。 永久凍土に多Holms et al., 2012）。 しかし、 海岸浸食、 土壌浸食、量に含まれている有機炭素の行方は特に注目されてお氷床融解、 シベリアの中 ・ 小規模河川や地下水由来のり、 海洋に輸送された際に沿岸域で沈降除去されるか、物質についての定量的な把握は充分なされていない。

あるいは無機化されて CO2 やメタンといった温室効果気

温暖化に伴い、 海岸浸食や氷床融解による粒子や有体として大気に放出されるかによって、 気候へのフィード

機物の海洋流出が増加することは確実である。 河川に

バックは大きく異なってくることが指摘されている。 また、

おいては、 永久凍土の融解に伴って地下水の寄与が上

人為起源 CO2 濃度の増加による海洋の酸性化は北極

昇し、 主要イオン濃度およびリン酸塩やケイ酸濃度が増海で特に深刻であり、 ここに陸起源炭素の流入量が増加すると予想されているが、 一方、 溶存無機窒素や有加することは、 海洋酸性化をさらに促進し、 北極の海洋機物に関しては地域差が大きく、 全体としての増減は不生態系に深刻な影響を及ぼす可能性がある（テーマ 9）。

明である （Frey and McClelland, 2009）。 植生の変一般に、 陸 起源物質のうち、 栄養塩、 微量金属、化や農業などの人間活動による陸起源物質の質および溶存有機物は、 海洋の低次生態系の生産を直接左右量の変化も不明である。 また、 重金属その他の汚染物する因子である。 また、 陸起源の溶存 ・ 懸濁物質は表質の陸から海洋への流入も増加すると考えられる。

層における光の透過率を減少させることで、 一次生産を海洋に流入した淡 水の行方については化学トレー制限する。 しかし、 これまで北極海の生物生産における

サーや衛星海色センサを用いた溶存有機炭素の分布

陸起源物質の寄与は小さいと考えられており、 あまり重I LTE R ： International L ong Term E colog ical
Research
63
GEO GFOI ： Group on Earth Observation - Global
Forest Observations Initiative62

要視されてこなかった。 近年、 北極主要河川における陸起源物質濃度の季節的、 空間的変動が明らかになっ43

解析によりある程度の推測がなされている。 しかし、 ほとを定量的に解明することが重要である。 また、 温度や水んどの陸起源物質については、 河川水中や沿岸域での分の変化が土壌からの物質溶出に与える影響を定量的変質 ・ 除去 ・ 分配過程およびこれらの季節変動が不明に明らかにするための現場実験や室内実験などを行うこなため、 その行方や海洋生態系、 物質循環への影響をとも、 モニタリング観測結果の解釈や将来予測モデルの定量的に議論することは困難な状況にある。

開発に必要であろう。 さらに、 土壌や採水試料について
多種の化学分析を行い、新たな陸起源物質のトレーサー

b. 今後の研究の探索 ・ 開発を行うことは、 陸起源物質の海洋での循

陸から海への物質輸送の重要性および温暖化に対環過程を定量的に把握する上で有用である。

する応答を明らかにするには、 図 14 に示したように、 河

河川以外の海岸浸食や氷床融解に由来する物質に川から河口域 ・ 沿岸域までを総合的に観測するための関しては、陸域観測と沿岸の船舶観測により、その分布、観測網を整備し、 陸起源の炭素、 栄養塩、 微量金属

海洋への供給の規模、 頻度を把握する必要がある。

などの海洋への流入とその影響をモニタリングする必要

河口域および沿岸域での変質 ・ 除去 ・ 分配過程は、がある。 これらの成分の流入量や海洋での循環過程は

陸起源物質の海洋への影響を理解 ・ 予測する上での鍵

温暖化に伴って今後顕著に変化する可能性が高いため、となるが、 現状では定量的な理解が大きく不足している。

早急なモニタリングの開始と 10 年以上の長期的な継続

陸起源物質の影響が大きいと思われる主要な海域を選が望まれる。 他国の沿岸での観測は国際協力の体制を定し、 陸域から河口域 ・ 沿岸域での物質循環を総合的整備して実施する必要があるため容易ではないが、 日本にモニタリングすることが必要である。 小型船舶による定ではこれまでにシベリアや北米などでの陸上観測を継続

期的な観測に加えて、係留型のセンサや時系列採水器、して行ってきた。 新たに沿岸観測と融合させることで、 陸堆積物観測プラットフォームなどを利用することで、 陸起と海を繋ぐ新領域における研究の発展が大いに期待で源物質の分布、 および光化学プロセスや生物による取りきる。

込みなどの詳細な季節変動や経年変化およびこれらの陸においては、 中 ・ 小規模河川を含む様々な河川に変化 ・ 変動と物理環境との関係を明らかにすることが望

おいては、 センサの係留や定期的な採水観測により各まれる。 浅海域での係留観測には生物による汚染や海物質の濃度やフラックスの季節変動や長期変動をモニ

氷による破損等の問題があるが、 これらを克服することタリングし、 陸上の水文学的観測 （テーマ 4） を併せるで、 陸起源物質が沿岸の生物生産や海洋酸性化に与ことで、 物質が河川を通じて海洋へ供給されるプロセス

える影響や、 陸起源炭素の除去 ・ 再無機化について詳

図 14 陸から海への物質輸送に関する観測の模式図

44細かつ定量的な理解が可能になるだろう。

源トレーサーの利用が可能になれば、 海洋における陸また、 北極海に入った陸起源物質は北大西洋に流出起源物質の分布に関する知見を大きく広げることが期待し、 より広範囲の物質循環や生物生産に影響を与える可できる。

能性がある。 このため、 北極海周辺海域を含めた外洋

さらに、 これらの観測や実験結果をもとに、 陸から域での観測も必要である。 広域船舶観測に加えて、 衛

海までの物質循環モデルの開発 ・ 改良を行い、 気温 ・星海色センサを用いた溶存有機炭素の分布の把握、 係

水温上昇や季節海氷域の拡大などの環境変化の中で、留系やグライダーに搭載した各種センサや採水器による陸起源物質の動態がどのように変化し、 それが北極海な海氷下の観測などによる 3 次元的解析により、 陸域起

らびに全球の海洋生態系へどのような影響を及ぼすか

源物質の行方を把握することが望まれる。 新たな陸起の予測に繋げることも非常に重要である。

Q4: 海洋生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか ?
and Mathis, 2009）。 このことから、 北極海は全球的a. 研究の重要性と現状
近年、 北極海で急激に進行しつつある温暖化や海な炭素循環に大きな影響を及ぼしていると言える。 しか氷減少によって、 北極海の物質循環や生態系がどう変し、この見積もりは限られた海域の春から夏に偏ったデー

化し、 CO2 やメタンをはじめとした温室効果気体が大気タに基づくもので、 より信頼のおける見積もりのためには、－海洋間の交換にどの程度影響するのかを定量的に評

大気－海洋間の CO2 交換の季節変動や海域による違価することは、 北極圏、 ひいては全球の気候システムをい （縁辺海 ・ 海盆スケール） を明らかにしていく必要

理解するうえで重要な課題である。 図 15 に温暖化 ・ 海がある。 また、 北極海の水温上昇、 淡水化、 酸性化、氷減少に伴う北極海の物質循環 ・ 生態系の変化につい一次生産 （植物プランクトンによる CO2 の取り込み） なての模式図を示した。 現在の北極海は年間 66 ～ 199

ど、 CO2 の吸収や放出に影響を及ぼす物理 ・ 化学 ・ 生

× 10 gC の CO2 を吸収すると見積 もられており、 こ

物プロセスを総合的に理解することも必要である。

12

れは全球の CO2 収支の 5 ～ 14% に相当する （Bates

他の温室効果気体やエアロゾルの大気－海洋間の交図 15 温 暖 化 ・ 海 氷 減 少 に 伴 う 北極海の物質循環 ・ 生態系の変化。 右上の図は、Compiled by F. Fetterer and C. Fowler. 2006, updated 2009. National Ice Center Arctic Sea
Ice Charts and Climatologies in Gridded Format. (http://dx.doi.org/10.7265/N5X34VDB) を元に加工した。

45

換と気候変動との関連については、 本テーマの Q1 を

1） 河川からの大量の溶存有機物の流入参考されたい。 特に、 北極海から大気へ放出されるメタ

2） 氷の融解に伴う有機物供給

ンについては、 全海洋から放出されるメタンの約半分に3） 生産性の高い縁辺海からの有機物流入も匹敵する量 （年間 8 × 10 gC） がシベリア沿岸から

特に 3） についてはアラスカ沖のカナダ海盆では、 太放出されていると見積もられているが、 海底永久凍土 の平洋起源水が一次生産の高いチャクチ海陸棚域を通っ融解により メタンの放出量はさらに増えると予想されるて有機物を運んでくるため、 その層で細菌生産活性が（Shakhova et al., 2010）。

高いことが分かってきたが、 陸起源有機物の供給が多12大気－海洋間の CO2 交換を左右する一次生産は、いシベリア沖の細菌分布や生産速度については、 観測

海洋生態系にとっても重要な要素である。 近年の北極が少なく未知な点が多い。 また、 北極海における水温

海の海氷減少により、 海水中への入射光量が増加し、上昇が、 細菌やその他の微生物に対して及す影響につ一次生産が増加するとの見積もりもあるが、 場所によっいても不明な点が多く残されている。

ては海氷融解に伴う成層の強化や淡水蓄積による栄養

海洋生態系にとって、 もうひとつ重要な要素は、 海洋の深化のため下層からの栄養塩供給が抑えら酸性化である。 北極海は、 CO2 の吸収を妨げていた海

れ、 一次生産が低下することも考えられる。 また、 表層

氷の蓋がとけて無くなったことで、 酸性化が急速に進行

栄養塩濃度が低下すると植物プランクトンが小型化する

した （Yamamoto-Kawai et al., 2009）。 酸性化の進との報告もある。 一次生産による CO2 吸収能を正確に行により、 すでに一部の海域で炭酸カルシウムが溶けう

評価するには、 プランクトンのサイズ （群集組成） を把る環境になっており、 今後さらに拡大することは必至であ握する必要もある。 一般に、 より大型の （あるいは群体る。 炭酸カルシウムの殻を持つプランクトンや底棲生物を形成する） プランクトンが優占すると、粒子の沈降フラッ

がダメージを受け、 さらに食物連鎖網を通じてより高次のクスが増加し、 CO2 吸収能が大きくなる。 表層栄養塩濃生態系に影響することが懸念されている。 一方、 チャク

度の低下が著しい海域では、 渦が陸棚域から栄養塩やチ海や東シベリア海の陸棚底層では、 生物由来あるい

有機物を運ぶ役割が相対的に重要性を増し、 物質循

は陸起源の有機物の分解に伴い生成される CO2 が海環や生態系に影響を及ぼす可能性もある。 また、 近年

水をさらに酸性化している。 今後予想される陸起源有機

北極域で観測される低気圧活動の活発化により、 海洋物供給の増加により、 底棲生物への影響が深刻化するの鉛直混合が促進され、 栄養塩の表層への供給が一可能性がある。

塩躍層

64

次生産や沈降粒子を増加させる可能性もある。 一方で、

チャクチ海や東シベリア海などの陸棚底層は、 窒素

海氷減少はブライン 65 中に付着して生息するアイスアルや微量元素の循環を議論するうえでも重要な海域であを起こす植物プランクトンる。 この海域の陸棚底層では脱窒素 68 が起きており、のように、 暗所に馴化した微細藻類の増殖を抑制する

そこを通過して北極海に流れ込む太平洋起源水は大西

可能性がある。 また、 早期に海氷が後退することにより、

洋起源水に比べて窒素栄養塩が不足している。 このた

アイスアルジーが早期に深層へ沈降し、 底棲生物の生め、 太平洋側北極海の一次生産は、 主に窒素栄養塩

態に影響を及ぼす可能性がある。

によって制限されている。 一方、 一次生産に必須の微量ジー

66

や海氷下でブルーム67

北極海で一次生産により生物に固定された炭素の 20元素である鉄分は、 冬季に陸棚上で海氷が生成される～ 50% は、 他の海域同様、 溶存有機物を介して微生際に、 海氷中に高濃度で取り込まれ、 海氷と共に移送物ループと呼ばれる食物連鎖系に流れるものと推定されされている。 また、 海氷生成に伴うブライン排出によってる。 また、 北極海では、 表層の一次生産とともに、 次のできる高密度陸棚水 （DSW）69 にも、 陸棚上の堆積物

ような独自の有機物供給メカニズムが存在することに注目

由来の鉄分が多量にとりこまれ、 DSW と共に陸棚斜面する必要がある。

に移送されている。 微量元素は、 また、エアロゾルによっ

64

栄養塩躍層 ： 水深とともに栄養塩濃度が急激に増加する層。
65
ブライン ： 海氷生成時に海水に含まれる塩分が排出されることで形成される高塩分で高密度の水。
66
アイスアルジー ： 海氷底部に繁殖する藻類。
67
ブルーム ： 海洋植物プランクトンの光合成活動が盛んになり爆発的に増殖する現象。

68

脱窒素 ： 海底堆積物などに存在するバクテリアの働きで主として硝酸態窒素 NO3−が窒素ガス N2 もしくは酸化窒素 N2Oの形に還元されて大気中にガス状で放出される現象。
69
高密度陸棚水 ： Dense Shelf Water （DSW）。 陸棚上で冬季に冷却を受け海氷生成時に形成される高塩分で高密度の水。

46

Update 2018 6

GRENE 等での最新の成果
北極海の中のチャクチ海南部は、世界で最も基礎生産力（植物プランクトンの生産力）が高い海域のひとつであり、生物学的ホットスポットとして知られている。しかし、この海域は冬季に海氷に覆われるため一年を通じて得られる観測データはなかった。そこで、GRENE プロジェクトでは、チャクチ海南部のホープ海底谷に世界で初めて係留系を設置し、水温、塩分、溶存酸素、濁度、及び動物・植物プランクトン量のデータを 2 年間に亘り取得した。さらに、係留系では取得できないパラメータについては、「みらい」
や「おしょろ丸」による海洋観測で広域かつ高精度なデータを取得した。係留系による時系列観測の結果、
植物プランクトンは海氷融解期である春季に大増殖（ブルーム）がみられるだけでなく、秋季にもブルー
ムが起きることが分かった（Nishino et al., 2016）。海洋観測の結果と合わせると、ホープ海底谷が有機物の貯蔵庫の役割を果たし、ここで有機物が分解されて生じる栄養塩が、秋季ブルームを引き起こしていることが明らかになった（図 U-7）。また、ホープ海底谷での有機物の分解では二酸化炭素も生じるため、海底で海洋酸性化が進行することも突き止めた（Yamamoto-Kawai et al., 2016）。動物プランクトンの季節変化も係留系観測で初めて明らかにされた（Kitamura et al., 2017）。動物プランクトン量は、春季
ブルームの時期ではなく、秋季に最大になることが観測された。また、大型動物プランクトンは夏季の終わりから秋季にかけて、小型のものはそれ以外の時期に卓越することが分かった。大型動物プランクトン
は海鳥や海生哺乳類の餌になるため、動物プランクトンの季節変化が海鳥の飛来や海生哺乳類の回遊とも関係すると考えられる。海生哺乳類の捕獲は先住民の生活に欠かせないため、これら一連の研究は、海洋環境変動に関わる問題だけでなく社会的・経済的・政策的な側面にとっても重要であり、「我が国の北極政策」にも貢献するものである。

図 U-7 チャクチ海ホープ海底谷での秋季ブルームの模式図。 図中の 「○の中に・」、及び 「○の中に×」 の記号は、それぞれ図の裏から表に向かう方向の流れ、 及び図の表から裏に向かう方向の流れを表す。 ホープ海底谷では底層水がドーム状構造をしており、 このため反時計回りの海洋循環がみられるとともに、 海底近くで流れが集まってくると考えられる。 この流れに乗って有機物を含む様々な粒子が流入 ・ 蓄積し、 その有機物が分解されることにより植物プラン
クトンの増殖に必要な栄養塩 （アンモニア等） が生成され、 秋季のブルームを支えていると考えられる。

47

ても北極海に運ばれている可能性もある。 このような窒は、 今後計画 されている RUSALCA73 や AODS74 等

素や微量元素の循環が、 環境変動に伴ってどのようにのプロジェクトと連携し、 国際協力のもとにボーダーレス

変化するかという点が、 今後の太平洋側北極海におけるに実施することが望まれる。 同時に、 日本が得意とする

一次生産力を左右する鍵であると考えられる。

多項目分析や高品質データの取得、 また、 日本が先導する衛星観測やモデル研究との連携により日本のオリジ

b. 今後の研究

ナリティを示すことが重要である。

北極海の炭素、 窒素、 微量元素の循環とその変動

新しい技術を取り入れ、化学・生物センサや観測プラッを明らかにし、 北極圏－全球気候システムの理解に資トフォームの開発、 および、 衛星観測の高度化を進める

するには、 地域的にも季節的にも偏りの無い観測デー

ことにより、 新たな物質循環像や生態系の変動が見えてタを取得する必要がある。 広域な観測データを取得するくることが期待される （ 9 章 研究基盤の整備を参照）。

には、 国際協力の下に複数船舶で観測を実施する必要

化学 ・ 生物センサについては、 係留系に取り付けることがある。 海洋渦等を分解できる中規模スケールの観測で観測パラメータの季節変動を把握したり、 CTD75 や乱が望まれるが、 時間的制約があるため、 衛星観測や数流計 76 に取り付けることで、今まで捉える事のできなかっ値モデルの結果をもとに対象海域を絞る必要もある。 こた微細構造を計測し、 新たな水塊の起源や形成過程をれまでは 、 日本、 米国、 カナダ、 ロシア、 中国、 韓国が、議論できるだろう。 また、 物理センサの計測と合わせて国際生物観測網70を組み複数船舶でチャクチ海の繰り物質のフラックス等を見積もることにより、 炭素 ・ 窒素 ・返し観測を行ったり、 日本－カナダが共同でカナダ海盆

微量元素の循環の定量的な解析が可能となるであろう。

の広域観測を行ったりして、 前述のような研究成果に貢プロファイリングフロート、 水中グライダー、 自律型無人潜献してきた。

水機 77 等に化学 ・ 生物センサを搭載したり、 採水機能

しかし、 まだまだデータ空白域が多く、 特にシベリアを付けることにより、 開放水域のみならず海氷下の多様側の北極海は、 生物地球化学的な変化が最もダイナミッ

な化学 ・ 生物観測も可能となるかも知れない。 海底堆

クに起きている海域にもかかわらず、 ロシア EEZ 内、 あ

積物と直上水間の栄養塩や、 メタン、 微量元素などのフるいはそれに近接しているため、 利用できるデータが非ラックスを観測できるシステムも、 陸棚域での物質循環

常に限られている。 また、 厚い海氷に阻まれて観測がや陸棚－海盆間相互作用の理解に必要である。 衛星

困難であった多島海側の大陸斜面から海盆にかけてもからのデータ、 特に Chl-a 分布は北極海の生態系の理

データが不足しているが、 氷河 ・ 氷床融解による物質循

解に欠かせない。 しかし、 雲によるデータの欠損や、 河環や生態系への影響を評価するために重要な海域であ川から供給される有色溶存態有機物 （CDOM） によるる。 さらに、 冬季の氷上キャンプでの観測やセジメントト

Chl-a の過大評価、 亜表層 Chl-a 極大の見積もりなど

ラップ

71

・ 係留系

72

による通年観測を通じて、 夏季の船克服すべき問題がある。 また、 将来的には植物プランク

舶観測だけでは得られないデータを取得し、 海洋構造

トンのサイズ分布や一次生産などの時系列変化を広範囲

や物質循環・生態系の季節変化を把握する必要がある。

に精度良く捉えることができれば、 環北極海域の海洋

また、 培養 ・ 飼育実験や数値モデリングを行い、 それら

生態系にかかわる物質循環はどう変わるのかということにのデータと、 船舶観測やセジメントトラップ・ 係留系等か応えるための強力な武器となる。

ら得られる現場データとを比較 ・ 融合することにより、 物質循環過程と生態系との関係や、 酸性化の仕組みと実態を定量的に評価する必要がある。 これらの研究活動
RUSALCA ： Russian-American Long-term Census
of the Arctic
74
AODS ： Arctic Ocean Drift Study75
CTD: Conductivity Temperature Depth proﬁler の略
で、 海洋中の電気伝導度、 温度、 水深 ( 水圧 ) を計測する測器。 電気伝導度と水温、 圧力から塩分を計算する。
76
乱流計 ： 海洋中の乱流混合の大きさを計測する測器。
77
自律型無人潜水機 ： Autonomous Underwater Vehicle（AUC）。
73

国際生物観測網 ： Distributed Biological Observatory（DBO）。
71
セジメントトラップ： 海水中の沈降粒子を採取する漏斗型の捕集器。
72
係留系 ： 海底に沈めたおもりと海水中の浮き ( フロート ) を索でつなげ、 主に水温や塩分、 流速などを時系列で計測するセンサを取り付けた観測システム。
7048

テーマ 4 ： 氷床 ・ 氷河、 凍土、 降積雪、 水循環
要旨

量的、 質的変化の情報は現在も十分ではない。 高精

北極域における氷床 ・ 氷河の変動は、 地域の気候

度な冬季降水量、 雪質や不純物 ・ 微生物効果などの観変動や水循環に影響を与え、 海水準上昇やアルベド変測精度を高めるため、 現場観測と衛星データ観測を組化など全球規模の環境変化をもたらす。 その変動メカニ

み合わせ、 積雪モデルの改良と合わせた統合的な研究

ズムを解明し、 将来変動の予測精度を向上するには、体制の構築が望まれる。

現場観測 ・ 衛星観測とモデリングの強い連携が重要で

陸域 （河川）、大気、海洋に対する北極域の水 （淡水）ある。 また、 これまで十分に考慮されていなかった海洋

循環研究は、 各分野での理解は進みつつあるが、 相との相互作用や、 雪氷生物のアルベド影響、 氷河地震

互関係の理解はまだ十分ではない。 凍土や積雪、 植などの理解を進めていくことが必要である。

生、 河川水、 気象の変化が環北極陸域の水文過程や永久凍土表層 （活動層） の変化は、 温暖化に加え、北極海の海氷生成、 物質循環へ及ぼす影響を解明す

積雪深や土壌の湿潤度とも強く関係している。 活動層

るには、 現地と衛星の観測を継続し、 陸面－気候－水が凍土氷 （地中の氷塊） の層まで達すると、 氷の融解

文－海洋モデルが連携した包括的な研究推進が必要でに伴う地形沈降 （サーモカルスト） が不可逆的に進行し、ある。
ここでは、 次の 4 つの鍵となる科学 Questions を取り

生態 ・ 水文過程の変化を介して気候システムにもフィードバックする要因となる。 これらの変化過程の解明には、上げる。

既存の凍土観測網と地表面環境変動の観測を統合し、

Q1: 氷床 ・ 氷河の変化は加速するか？

衛星や陸面モデルの援用も合わせた研究体制の構築が

Q2: 永久凍土の変化は気候変動とどう連鎖するの必要である。

か？
Q3: 北極域の降積雪はどう変化しているか？

北半球大陸上の積雪は、積雪期間が減少傾向にあり、

Q4: 環北極陸域の水文過程はどう変化するか？

特に春季の積雪面積減少が顕著である。 しかし、 その

Q1: 氷床 ・ 氷河の変化は加速するか？
a. 研究の背景

北極圏カナダ、 グリーンランド沿岸部、 アラスカ、 北極(1) グリーンランド氷床の質量変化とそのメカニズム

海のロシア領群島、 スバールバルに広く分布し、 その氷

グリーンランド氷床の氷の量は、 地球に存在する氷の全量は、 海水準に換算して 200～300 mm 程度と見積

約 10% （海水準の 6 ～ 7 m） に相当する。 1990 年代

もられ、 グリーンランド氷床と比べれば小さいが、 その変は横ばいにあった氷床体積が、 2000 年以降に明瞭な動の速さから北極域の環境変化では重要である。 特に、減少傾向を示し、 その後 2010 年まで質量損失が加速

北極圏カナダ、 グリーンランド、 アラスカ 3 地域におけしている。 2000 年から 2011 年にかけての質量変化はる 2003 ～ 2009 年の質量損失は著しく、 同時期に全の減少であり、 年間約 6 mm の海水準上

世界の氷河 ・ 氷帽で失われた氷の半分以上に相当する

昇に相当する （Shepherd et al., 2012）。 氷床質量の（Gardner et al., 2013）。 氷河 ・ 氷帽の質量変化は主

変化は、 主に、①降雪による涵養量、②融解量、③カーに降雪と融解のバランスで決まるが、 カービング氷河でビング氷河末端での氷損失量 （氷山流出と海洋によるは氷河末端での氷損失が消耗量に加わる。 北極域に融解） の総和によって与えられる。 近年の観測から、 気は海洋へ流入するカービング氷河が数多く存在するが、温上昇による②の増加が顕著であり、 氷河の流動加速

これらは末端が陸地にある通常の氷河よりも急激な変動によって③が増加していることも明らかである。 その一方を示し、 近年の氷損失に大きな役割を果たしている。

200 Gt a−1

で、 ①は増加傾向にあると考えられているが、 ②と③の増加を補うには十分でない。

(3) 数値モデルによる氷床 ・ 氷河の現在状態、 変化過程の再現の試み(2) 氷河 ・ 氷帽の質量変化とそのメカニズム

氷床 ・ 氷河変動を再現する数値モデルは、 通常さま

北極域の氷河 ・ 氷帽 （放射状に流動する氷体） は、ざまな過程のサブモデルの組み合わせであり、 目的や49

Update 2018 7

グリーンランド北西部における氷河氷床の変動
氷河氷床の大きな変化が指摘されながらデータ空白域となっていたグリーンランド北西部で、カナック村を拠点に日本の研究者を中心とした研究が進んでいる。人工衛星データを使った解析では、氷帽の氷損
失速度が定量化され、気温上昇に加えて氷表面の暗色化による融解の促進が判明した（Sugiyama et al.,2014; Saito et al., 2016; Tsutaki et al., 2017）。またこの地域で海洋に流入するカービング氷河は、
2000 年以降その全てが後退傾向にある（図 1）（Sakakibara and Sugiyama, 2018）。そのうちのひと
つボードイン氷河で日本とスイスの共同観測が実施された結果、氷河変動のメカニズム、氷河地震、カービング等に関して次々と新しい知見が報告されている（Sugiyama et al., 2015; Tsutaki et al., 2016;
Podolskiy et al., 2016; Jouvet et al., 2017；2018）。さらに氷河の融解水や懸濁物質の流入が、海洋環境・生態系に与える影響が明らかにされつつある（Ohashi et al., 2016; Kanna et al., 2018）。氷床内
陸では積雪・気象・氷コアに関する研究が進んでおり（update 2018 2 参照）、グリーンランドの急速な環境変化の理解に向けて、日本の北極研究コミュニティーがカナック周辺で果たす役割は大きい。北極域の持続可能な発展に貢献するため、研究成果をカナック村の住民にフィードバックして、彼らとの協働による新しい成果を目指している。

図 U-8 グリーンランド北西部カナック地域。 カラースケールは氷河の流動速度を示す （Sakakibara and Sugiyama,
2018 を改変）。

図 U-9

氷河から流出する融解水がフィヨルドに形成するプルームの構造を示す模式図 （Kanna et al., 2018 を改変）

50

対象、 支配的な過程に応じて要素を簡単化することが伴う振動現象である （Ekström et al., 2006）。 21 世多い。 近年は国内研究者らの取組で Full Stokes の高紀に入りその発生頻度が増加し、 また、 季節変動が見

解像度氷床流動モデルが実用的になってきたが、 氷期られることから、 氷河底面に流入する融解水量の変化、－間氷期サイクルなど長い時間スケールの計算を行うの

氷河流動やカービングの活発化を反映した現象と考えらは困難であり、 現状では力学的な近似を仮定した比較れる。 その頻度は 2005 年に最大となった後 2005 年

的軽いモデルで長期計算を行っている。 氷床 ・ 氷河の以降減少したが、 その後は再度増加している。 日本の流動計算において、 不確定性が大きな過程は、 底面滑研究者も参画する観測ネットワークの結果によると、 特にりや末端でのカービングなどである。 いずれの過程も観

最近はグリーンランド北西部での増加が顕著である。

測が困難であり、 経験的なパラメタリゼーションを用いているのが現状である。

b． 鍵となる科学 Question: 氷床 ・ 氷河の変化は加速
するか？

(4) 雪氷微生物の繁殖が氷床 ・ 氷河に与える影響(1) 将来の氷床 ・ 氷河 ・ 氷帽の質量変動の不確定性

氷床 ・ 氷河の融解量に影響する表面アルベドは、 雪

グリーンランド氷床の将来変動は、 降雪量、 融解量、氷中の微生物の繁殖が原因で大きく低下することが明ら

およびカービング氷河からの氷流出量の変化で決まる。

かになってきた。 氷河表面には、 低温環境で繁殖可能

今後も北極域の気温上昇や氷床表面のアルベド低下がなシアノバクテリアや緑藻等の光合成微生物が生息して予想され、 融解が進行する可能性が高い。 一方で、 降いる。 これらの微生物によって生産された有機物は、 分

雪量とカービング氷河からの氷流出が今後の氷床変動解をうけて暗色の腐植物質に変化し、 鉱物粒子や微生に与える影響は不明瞭である。 温暖化する気候下で降物とともに氷河上でクリオコナイトと呼ばれる黒い物質を雪が増加して、 融解量増加の一部を補う可能性がある。

形成する。 氷河消耗域の裸氷表面では、 このクリオコ

また、 現在進行しているカービング氷河の流動の加速とナイトの堆積量が大きくアルベドに影響する （Takeuchi

後退は、 いずれ収束に向かうとの見方も示されている。

et al., 2001）。 微生物によるアルベド低下は、 日本の研さらに、 海洋の水温や循環がカービング氷河末端部に究者を中心にアジア山岳域で研究が進められてきたが、与える影響も、 将来変動を考える上での不確定要素で近年グリーンランド裸氷域でも顕著な変化が観測されてある。

注目を集めている （Yallop et al., 2012 など）。

氷河 ・ 氷帽においては、 北極域の気温上昇のもとで、氷の減少傾向が続くと予想される。 氷河 ・ 氷帽は氷床よりも気候への反応速度が速く、 近年の温暖化傾向をより直接的に反映すると考えられており、 今後の変動速度の見積もりが重要課題である。 近年の変動がより激しいカービング氷河においては、 氷床同様に海洋との相互作用を含めた不確定要素が大きく、 現在の急激な縮小傾向が今後継続するかどうかは明確ではない。
(2) 海水準変動への影響の不確定性と予測の試み
山岳氷河が、 氷体体積の大きい氷床と比較して、 海水準上昇により大きな影響を与えていることが早くから指摘されてきた。 その正確な見積もりは難しい課題であっ写真 1 グリーンランド氷床から海へ流出するカービング氷河 ( 撮影 : 杉山慎 )たが、 GRACE 衛星による重力測定、 氷 ・ 雲 ・ 標高観
測衛星 IceSat による標高測定に基づいて、 より信頼性の高い数字が報告されている （Gardner et al., 2013）。
その結果は、 北極域の氷河 ・ 氷帽が海水準に与える影(5) 氷河地震活動の増加
氷河地震 （Glacial Earthquake） は、 グリーンラン

響が非常に大きいことを示しており、 特に北極圏カナダ、

ド氷床、 特にその縁辺部での氷の流動 ・ 崩壊、 流出に

アラスカ、 グリーンランド沿岸の氷帽は、 世界で最も氷質51

量減少の激しい地域となっている。 今後は山岳氷河の(4) 氷床 ・ 氷河の生態系変動と気候変化因子 （アルベ海水準変動への寄与を精度良く監視し、 将来変動を予ド） ・ 流動変化への影響測することが課題である。 近年では質量収支の地域性、

氷床 ・ 氷河の消耗域のみならず、 涵養域や季節積雪

氷河面積と体積との関係などをパラメータ化し、 予測されの表面でも緑藻類の繁殖による赤雪現象がアルベド低る気候変動下での氷河質量変化を全球で計算する試み

下を引き起こし、 積雪の融解を加速する可能性がある。

がなされている。

このような雪氷微生物由来のアルベド低下は、 黒色炭素

グリーンランド氷床の海水準上昇への寄与も、 近年や鉱物粒子に比べて定量的な理解が不足しているが、増加傾向にあることが衛星観測等から示されている。 モ

北極圏の氷床 ・ 氷河の変化を加速させる可能性がある。

デルの将来予測は、 気候モデルでの表面質量収支計

温暖化のような環境変動が、 氷床 ・ 氷河上の生態系と算に基づくもの （通常氷床分布を固定） や、 氷床流動

くに生物地球化学過程に与える影響、 およびその結果とモデルを用いたものがある。 例えば、 Yoshimori and

してのアルベド変化について定量的解明が必要である。

Abe-Ouchi （2012） で は 1980 年 か ら 2099 年 ま でのグリーンランド氷床融解が、 海水準に換算して 2 ～c. 今後の氷床 ・ 氷河変動研究

13cm と見積られている。 また、 氷床モデルの比較プロ(1) 現地データと衛星データによる氷床 ・ 氷河変動のジェクト SeaRISE では、 RCP8.5 相当の温暖化シナリ

定量化とメカニズム解明

オ下で、 2100 年までに 16cm の海水準上昇に寄与する

グリーンランド氷床、 氷河・氷帽ともに、 人工衛星デーと見積られている。

タによる変動測定が有力な手段となっている。 従来からの氷河末端位置や面積変化の画像判読に加えて、 可(3) 氷床－海洋 ・ 固体地球の相互作用と氷床流動変動

視画像や合成開口レーダー （SAR） データから作成しへの影響た数値標高モデル （DEM） や、 人工衛星に搭載されグリーンランドのカービング氷河が、 急激に加速、 後た高度計のデータを使って、 氷表面高度の経年変化を退したことを受けて、 氷床と海洋との相互作用の理解が精密に測定可能となった。 また、 画像相関法や InSAR

求められている。 これまでに、 海水温度の上昇がカービ

による流動速度の測定、 重力衛星による氷質量変化のング氷河の変動を駆動した可能性が指摘され、 氷床周測定などが、 近年の研究において強力な武器となって辺で新しいデータが得られつつある。 また、 グリーンラ

いる。 日本による衛星観測がこれらの技術発展に貢献しンドからの融解水流入による海洋循環の変化は、 古くかており、 今後も解析手法の高度化、 衛星搭載センサのらその重要性が認識されており、 氷河末端から流出され開発など、 次世代の衛星観測手法へと展開することがる土砂や化学成分が、 海洋生態系に与える影響も大き重要である。

い。 今後の氷床変動を左右する鍵のひとつは、 棚氷底

人工衛星データの重要性が高まっているとはいえ、 野面の融解過程や潮汐といった海洋から氷床への作用で外観測データは引き続き非常に重要である。 特に、 氷あり、 氷床質量の減少が続けば、 氷床から海洋への作

床 ・ 氷河変動のメカニズムを理解するために、 現地での用も顕在化するであろう。

み測定できる高い時間 ・ 空間分解能、 高い精度を持っグリーンランド氷河地震は、 21 世紀になり確認され、たデータが必要となるからである。 また、 氷河内部や底未解明の点が多い現象である。 この発生メカニズムの解面での測定やサンプリングなど、 野外観測でしか得られ明は、 氷河地震活動の時間的推移と氷河末端部のダイないデータも数多い。 さらに、人工衛星データの校正や、ナミクスに新たな指標を与えることが期待される。 現在進数値モデルの入力データを得るためにも、野外観測デー

行中の気候変動と氷河地震頻度の時間的推移とを関連

タの重要性は高い。 既に国内の研究者による研究実績

づけたり、 他の雪氷学 ・ 気象学 ・ 地球物理学的なデーのあるグリーンランド北西部、 ロシア、 アラスカなどを中心

タとの比較により、 新たな知見が得られる可能性がある。

として、 より効率的で質の高い観測の実施が求められる。

気候モデリングや氷床古環境研究との対比・連携により、(2) 氷床 ・ 氷河それぞれの数値モデリングの改良

気候変動がグリーランド氷河変動に及ぼす影響評価の精度向上が期待される。

氷河の数値モデリングは、 その目的によって適切なモデルの開発と改良が重要である。 北極全域の氷河が海

52

水準に与える影響を見積もるためには、 数多くの氷河変を明らかにした上で、 黒色炭素やダストと共に不純物と動を取り扱うための簡略化やパラメータ手法の開発が求して雪氷アルベド物理モデルに組み込み、 氷河の熱収められる。 その一方で、 正確な氷河変動予測やカービ

支や質量収支の計算につなげていく。 実際の現象の把

ング氷河の急激な変動メカニズムを解明するには、 プロ

握のために、 衛星による長期的なスペクトル反射率の観セスモデルの精緻化やモデルの高次元化が必要になる。

測、 現地調査による微生物群集のモニタリングが必要で数値モデルの評価と改良のためには様々なデータが必ある。

要となるため、 衛星解析や野外観測との連携も不可欠で、 特に、 氷河の基盤地形、 表面質量収支、 流動速(4) 海洋と氷床の相互作用の実態と将来変化予測

度などの測定データを整備することが重要である。

グリーンランド氷床と海洋との相互作用についてその重氷床モデリングでは、 着目する時空間スケールなど目要性が認知されつつある。 しかし、 氷床周縁部の海域的に応じて適切なモデル開発と改良が求められる。 統で実施された観測は限られており、 人工衛星と野外観

一的なモデルによる過去 ・ 現在の氷床分布の再現と観測を組み合わせた観測体制の充実が求められる。 特に、測事実との比較による検証、 表面質量収支過程の高度

カービング氷河が流入するフィヨルド内の海水特性、 海化、 底面水文過程と氷流動との相互作用の高度化、 海洋循環、 海氷状態などが重要で、 氷河の変動や融解

洋や固体地球も含めた地球システムのモデリングとの有水の流出との関係解明が急務となっている。 極域での機的な結合など、 モデルを改良すべき点は多い。 モデル

観測に実績を持つ国内の海洋研究者と協力して、 係留の検証のために観測から得られる情報を最大限利用す系や観測船を使った観測やサンプリングを実施する他、ることが望まれる。 また、 全球規模の気候と氷床の変

人工衛星データによる観測を進め、 精度よく数値モデル

動を再現するには、 気候が氷床に与える影響だけでなへの導入をする必要がある。

く、 両者の相互作用を適切に表現することが重要である

ポスト国際極年 （IPY） における、 グリーンランド氷床（Abe-Ouchi et al., 2013 など）。 表面質量収支、 氷河

変動の長期監視に向けて、 国際的な研究グループによ末端と海洋間の相互作用 （棚氷下の底面融解） や固体

るグリーンランド氷床の地震モニタリング観測計画 78 が地球との相互作用（氷床荷重変化に応答した地殻変形）

進行中である。 我が国は平成 23 年度より米国地震観を再現することが重要である。 たとえば、 観測データを

測網 IRIS との共同で、 氷床上に地震観測点 （ICE-S）

活かして、 グリーンランド用領域気象モデルの開発によるを設置している （Toyokuni et al., 2014）。 この氷床上

表面質量収支過程の研究を進めることが不可欠である。

観測点で得られる地震データを GLISN 計画観測網の（氷床 ・ 氷河モデルについてはテーマ B でも記述あり）

データと統合し、氷河地震活動を解析する。具体的には、正確な震源と震源メカニズムの決定により、 氷床中の発(3) 氷河上の生態系変動と気候変化因子への影響

生位置とその原因となる断層パラメータの決定を試みる。

雪氷微生物による氷河 ・ 積雪の融解加速過程につい氷河地震活動と発生過程から、 地球温暖化の影響をて、 微生物の繁殖およびそのアルベド低下効果につい評価する研究計画は独創的であり、 グリーンランド氷床ての定量化が必要である。 微生物繁殖過程については、の気候変動に対する応答メカニズムの解明と将来予測に雪氷面の物理、 化学条件との関係を明らかにした上でついて、 新しいデータセットと学際的視点をもたらすことモデル化をおこない、 さらに微生物生産物の光学特性が期待される。

Q2: 永久凍土の変化は気候変動とどう連鎖するのか？
a. 研究の背景の影響を受ける傾向にある。 高緯度に連続的に分布す(1) 地球温暖化に伴う永久凍土変化る寒冷な永久凍土ほど温度上昇量が大きく、 ロシアや極永久凍土は、 少なくとも 2 年以上 0℃以下を保つ土

北カナダでは 10 年で 1℃を超える上昇率を示す地点も

壌、 または地盤とされ、 全陸地の約 20% に存在するとある。 南限の不連続と点在永久凍土帯では、 顕著に地いわれている。 また、 季節凍土は冬季に凍結し夏季に温上昇 ・ 凍土融解が生じており、 その結果、 連続と不融解する土壌であり、 その分布域は全陸地の 60% にも78

グ リ ーン ラ ン ド 氷 床 地 震 モ ニ タ リ ング 観 測 計 画 ： The
GreenLand Ice Sheet monitoring Network （GLISN）

及ぶ。 最近の数十年の観測から、 永久凍土は温暖化

53

連続永久凍土帯の境界が北進している傾向が示されて量の増加によると考えられている。

いる （Romanovsky et al., 2010）。
(4) 活動層の観測体制(2) 活動層の深化

活動層厚の変化は、 環北極で測定されており、 国際

永久凍土帯で、 冬に凍結し夏に融解する地表付近の永久凍土学会の観測ネットワーク GTN-P79 や CALM80

層を活動層という。 活動層の厚さは、 アラスカの連続 ・としてまとめられている。 その一方、 活動層と地表面の気不連続永久凍土帯では各 0.5m、 1.5 ～ 3m 程度、 東象 ・ 土壌水分 ・ 植生状態などを統合して観測する地点

シベリアの連続永久凍土帯のツンドラ域、 北方林域では非常に少なく、 相互作用研究が可能なプラットフォーム

各 0.4m、 ～ 3m 程度になる。 活動層深さは夏の気温やそのネットワーク化は進んでいない。

（積算暖度） と冬の積雪深に大きく依存する。 その長期的傾向は地域的に異なり、 北米では気温上昇とは逆に

b. 鍵となる科学 Question: 永久凍土の変化は気候変動

活動層は浅くなっている。 これは冬の積雪深減少が凍とどう連鎖するのか？

結を強め、 夏の土壌水分の乾燥が融解を抑えるためと(1) 活動層の変化 （深化） の状況とその要因考えられている （Park et al., 2013）。 一方、 シベリアで

気温上昇による活動層変化として、 春に融解が進行は温暖化に加えて積雪深の増加によって活動層が深くし始める時期が早まることと、 秋に再び凍結期へ移行なっている （Park et al., 2013）。 このように、 活動層のする時期が遅くなることが重要である。 活動層の深さは、

変動は積雪深や土壌水分などの地表面の水文状態にも春の消雪時期や、 夏の降水に伴う土壌水分変化も大き大きく依存し、 気温上昇とは異なる変動形態を示す。

く影響する。 また、 活動層と永久凍土層との間では、 析出した氷晶が成長しやすい物理環境にあるため、 厚さ数十㎝から 1m 程度の高含氷率の層が形成されている(3) 活動層変動と水文 ・ 植生変化
活動層変動は様々な生態 ・ 水文過程の変貌の誘因

ことが多い。 この層は遷移層と呼ばれ、 数年から数百年となる。 氷に富む永久凍土が融解し流出すると、 サーモの周期で融解 ・ 凍結を繰り返すと考えられている （Shur

カルストと呼ばれる地形沈降が生じ、 低平地が拡大してet al., 2005）。

融解湖が形成される。 連続的永久凍土帯では、 融解

氷楔などの大型な凍土氷を含む永久凍土 （エドマ）層の深化による新たな融解湖の形成が、 不連続永久凍層と活動層との間には、 この遷移層が存在する。 氷楔

土帯では永久凍土の消失による地下水位の低下や乾燥が融解し地盤が沈下するには、 高含氷率の遷移層が融化が進行していると考えられている。 北米の連続永久凍解する必要があるため、 サーモカルストは急激には起こり

土帯では、 河川や海岸沿いの崩壊地形が近年急激に増えてきたことが報告され、 この要因として凍土氷の融解と消失が指摘されている （Jorgenson et al., 2006）。
東シベリアでは、 2000 年代に活動層が深くなった（Iijima et al., 2010）。 これは冬の雪と夏の雨が共に過剰に増加した年が複数年続き、 地表付近の凍土融解が進み、 活動層内に過剰な水分が継続した特長的な現象である。 その影響により、 活動層が深く、 過剰に湿潤状態となった森林では、 根の生育環境が悪化しカラマツの枯死が進行した （Ohta et al., 2014）。
また、 双子衛星間の距離変化を計測して重力分布を調べる GRACE 衛星の重力変化データから、 2000 年
写真 2 東シベリア ・ ヤクーツク近郊のアラス周囲の永久凍
土融解斜面 （撮影 ： 飯島慈裕）

代の東シベリアの陸水貯留量は、 年間約 11mm の割合で増加したことが示されている （小川ほか 2010）。 この

GTN-P ： Global Terrestrial Network for Permafrost
CA L M ： Circumpolar Active Layer Monitoring
Network
79

経年変化は、 サーモカルストで形成される北方林に点在80する湖沼 （アラス） の貯留水量と活動層内の土壌水分54

にくい。 ただし、 気候 ・ 環境変化で地表面からの熱伝

c. 今後の永久凍土表層変動研究

導が増え、 一旦活動層が遷移層を越えて深くなるとサー(1) 活動層の進化とサーモカルスト進行過程の理解

モカルストが進み、 不可逆的な永久凍土融解に繋がると活動層の変化や永久凍土の融解に対する安定性を考えられる。 しかし、 これらの融解過程の観測は極めて議論するには、 活動層の土壌水分動態と永久凍土層少ない。

の含氷率の空間的分布の把握が不可欠である。 基本となる活動層の地温変化の観測は、 活動層厚、 遷移層(2) 永久凍土表層の融解 （活動層の深化） による影響と長期的永久凍土層上部を含む深度まで高密度に行永久凍土が変動する時間規模を過去 1、 2 世紀およい、 活動層厚の変化に留まらず、 その融解期の季節的び今後数十年程度と考えるならば、 “永久凍土の温暖な広がりを捉える観測を増やすことが重要である。 地温化” や “活動層の深化” が、 気候 ・ 環境変化に本質

観測の展開 ・ 維持はもちろんであるが、 さらには活動層的な影響を与える現象と考えられる。 環北極陸域におの水分状態や凍土中の氷の測定も同時に展開する必要

ける多くの環境変化 （河川流量の増加、北方林の衰退、がある。 永久凍土上層部でコア採取し、 雪氷学的な分メタンの放出、 サーモカルストの進行など） は、 いずれも

析と地下氷の安定同位体比や年代情報の解析を様々な“活動層の深化” によって起こりうる現象であり、 “活動層永久凍土地域に対して行い、 過去の活動層厚の変動の深化” や “永久凍土の温暖化” を実証する観測的範囲と頻度を推定することが重要である。 加えて、 サー知見も数多く存在する。 活動層の深化が進み、 かつて

モカルストによる地盤沈下 ・ 地形変化の現地測量観測のの永久凍土層上部がタリク （通年で未凍結な地層） 化

展開はほとんどなく、 早急な実施検討が望まれる。

した事例はシベリア各地で報告されている （Hiyama etal., 2013）。 また、 近年の東シベリアのように、 活動層が(2) 活動層深化の地表面環境と水循環 ・ 気候変化への降水量増加で深くなり、 気候偏差の極端な継続による影響の理解

北方林の衰退や、 水域や湿原の分布域の変化に繋が永久凍土表層 （活動層） の変化が地表面環境、 さらる凍土―生態系―水文の連鎖過程の理解が、 凍土変には熱 ・ 水 ・ 炭素収支の変化を介して気候にどのように動が気候に与える影響として今後さらに重要になる。

フィードバックするのかを理解するには、 統合的な観測サイト （スーパーサイト） における継続的観測と、 それに(3) 活動層変化と広域的な水循環との関係基づく陸面過程モデルの精緻化を連動して実施する必活動層の深さは土壌水分の鉛直分布を変え、 ひいて要がある。 森林火災、 気候変化 （乾湿偏差） など、 広は陸面の水文特性も大きく異なるものになる。 例えば、域に生じる活動層深化に繋がる現象の理解とその気候

活動層の深化は地表付近の乾燥化を引き起こし、 不連相互作用の評価のためには、 衛星リモートセンシングと、

続永久凍土帯や凍土分布の境界で湖沼の面積や数が領域的な陸面モデル適用が有効である。 衛星データの大幅に減少し、 地域的な水循環や陸域生態系に大き利用に関しては、 マイクロ波 ・ 光学センサを駆使して活な影響を及ぼすことが予想される。 また、 近年の気候動層深化に起因する植生荒廃域や、 湖沼の面積や数変動は降水や蒸発散の変調をもたらし、 活動層の熱的の変動と分布を定量化することで、 間接的な凍土融解

動態を変化させて陸域水収支にも影響を及ぼす。 活動の時空間的変動と気候との関連について追求することが層を含む凍土表層は土壌水や地下水のバッファとなるた

有効であろう。 しかし、 活動層厚を直接的に観測可能

め、 大気と陸域との水収支の変動には位相と振幅が特な衛星センサは存在しない。 今後、 地表下の温度プロ徴的に連動、 遅れがあるものと考えられる。 例えば、 上

ファイルを推定可能な新たな衛星センサ ・ アルゴリズムの述の GRACE 衛星の重力変化データでは、 時間的に開発が必要であるとともに、 数値モデル、 現場観測、 衛

一ヶ月程度、 空間的に数百 km 程度の分解能で、 地表星観測を融合させた活動層厚の統合的解析法の開発と面、活動層での陸水貯留量変動が示されている。しかし、それによる水文気候学的研究も有効であろう。

流域ごとの凍土分布の不均質性を理解できる現地観測がないことなどから、 それらを検証する凍土－水文過程(3) 活動層変動の統合的観測体制の構築の理解は進んでいない。

永久凍土温度の観測は、 全球凍土モニタリングネット
ワーク （GTN-P） の方針に合わせて推進すると良いが、55

寒冷 ・ 遠隔環境の耐性と精度を備えた測定機器の開する。 そこでは、 日本の研究者が主導している東ユーラ

発を進め、 大規模なサーモカルストが予測される永久凍シアや、 連携実績のあるアラスカ、 極北カナダなどが集土地域をカバーするように観測網を展開するとともに、 観

中観測地域として担当すべき領域といえる。 その際、 ア測様式の国際的な標準化も早急に進める必要がある。

クセスとインフラ設備の制限に影響を受けないよう、 二国

また、 永久凍土表層の変化を決定する地表面の気象 ・間 （または国際的な） 科学協定に基づく観測サポート

生態 ・ 水文要素も併せて測定する観測デザインを確立の体制強化が求められる。

Q3: 北極域の降積雪はどう変化しているか？
a. 研究の背景

また、 降雪量と積雪深の観測精度の現状把握と改善を(1) 環北極域の積雪目指して、WMO が主導する固体降水比較観測 81（Nitu,

20 世紀半ば以降、 特に 1980 年ころから、 北半球

2013; Rasmussen et al., 2012） が 2013 ～ 2015 年の春季の積雪面積には顕著な減少傾向が見られる。 積を中心に実施されており、 日本からも気象庁、 防災科学

雪面積は月毎の経年変化が異なり、 特に春と夏の減少

技術研究所、 国立極地研究所が、 新潟県上越市及び傾向が顕著であるほか、 地域によって経年変化も異な

北海道陸別町を観測サイトとして参加している。

る （Brown and Mote, 2009)。 一方南半球では、 過グリーンランド氷床上では、 衛星から表面高度や氷床

去 40 年以上にわたり、 おおむね減少しているか変化が質量の測定はある程度可能であるが、 降雪量を測定すない。 積雪の減少には、 気温の上昇が降雪の減少と積る手段としては限られた自動気象観測装置によって積雪雪期間を短縮させる支配的な要因となる一方で、 積雪の深の変化として見積もられている。 また、 降雪量の時空増加には、 ほぼ降水量の増加が要因となる （Lemke et

間変動はモデルに頼っているのが現状である。

al., 2007）。
b. 鍵となる科学 Question: 北極域の降積雪はどう変化しているか？

(2) 高緯度降水量の観測精度(1) 積雪期間 ・ 積雪深 ・ 水量の時空間変動

北極域では降水量の観測地点が少なく、 また、 観測
精度が低いことから、 気候データの信頼性は低く、 改善

積雪に関して、 北半球全体で見れば積雪期間の短が望まれている （Goodison et al., 1998）。 2014 年 2

縮傾向は明らかである。 しかし、 地域毎には積雪深 ・月に全球降水観測 （GPM） 計画の主衛星が打ち上が積雪水量の年々変動は異なるため、 より多くの地域を代り、 北緯 65 度までの降水量推定の精度向上が期待さ表する観測網の構築が望まれている。 地上観測点の配れる。 特に、 シベリア南部、 アラスカ南部などの情報が置、 衛星観測による広域把握、 それらとモデル予測降得られるため、 これらの地域で精度向上が期待される。

水量の同化が求められている。 衛星観測では、 積雪分
布と融雪域の観測は信頼性が高いと考えられるが、 積
雪水量は長年のマイクロ波観測手法の開発にもかかわらず、 時期・地域を問わず信頼できるものに至っていない。
また、 森林域での積雪量の把握は課題である。
(2) 積雪不純物 ・ 雪質 ・ 微生物効果の定量的評価
積雪不純物 ・ 雪質 ・ 微生物効果の定量的評価は幾つかの地点のケーススタディとして理解されており、 北極
域スケールでの現象を捉える観測に基づいた理解が望まれている。 これを受けて、 衛星データから、 積雪不純物や粒径といった積雪物理量を抽出する研究が進めら

写真 3 シベリア北方林内のしもざらめ層が発達した積雪（撮影 ： 飯島慈裕）

れており、 より多くの地上検証データの必要性が高まっている。

固体降水比較観： Solid Precipitation InterComparison
Experiment （SPICE）
81

56

(3) 積雪と土壌 ・ 生態系 ・ 大気 （アルベド変化） との相して、 雪氷圏の冬季水循環像を提示する。 降雪に関し互作用ては、 これまでより時間間隔の短い降雪量 （時間、 分

春に積雪の減少が記録される一方で、 冬季の降水量を単位とする “降雪強度”） 及び降雪粒子に関する自動は減っていない。 これは春の融雪期の短期間に集中し観測の展開が開始される。 積雪深の観測においても、て融解が起きることを意味している。 また、 冬季の降水

レーザーを利用した自動観測点を増やす。 また、 近年の増加のため、 冬から春の融雪水量の増加は、 河川流普及し始めたインターバル撮影カメラの利用により植生の量の増加に影響していると考えられている。 さらに、 積

周りをはじめとした分布の不均一性などの地上観測から、雪域からの昇華蒸発による大気水蒸気量の増加が極生態系との相互作用の研究を進展させる。 そのために、域沿岸分で多いことが指摘されている （Sugiura and

画像データを定量化する方法の構築が必要となる。

Ohata, 2008）。 積雪と土壌 ・ 生態系 ・ 大気 （アルベドこうした高精度、多項目の観測データ及びそれらによっ変化） との相互作用に関しては、 現地での降水 ・ 積雪 ・て検証された数値モデルに基づいて、 植生、 土壌、 積

陸面過程の統合的観測とモデル研究の連携による研究

雪、 降雪、 大気の相互作用を解明する。 数値モデルにの進展が今後期待される。

おいては、特に積雪モデルの高度化を行い、気象、海洋、
土壌モデルとの結合を進める。 この際、 雪質変化に関c. 今後の降積雪変動研究

わる要因を明らかにし、 積雪モデルに反映させる。 衛星(1) 降積雪観測とモデル化

利用も積極的に進める必要があり、 積雪パラメータ （水北極海上、 ツンドラ、 北方林、 氷河、 氷床、 氷帽上等量、 樹冠着雪量、 雪質、 汚れなど） の標準プロダク

で、 精度の高い降水 （特に降雪） 量観測、 積雪物理

ト化を目指す。 その地上検証として、 積雪水量の推定精量観測を展開し、 衛星データと組み合わせて北極域に度向上、 森林域での観測実施が望まれる。

おける長期データアーカイブを開始する。 また、 過去のデータの補正方法を確立し、 同データアーカイブに含め(2) 海氷上の積雪る。 これにより、 降水量、 積雪量の気候変化を評価し、海氷上の積雪は、急変が報告されている海氷の成長、気候モデルの境界条件作成及び検証、 衛星データの融解に関わる重要な要素であるが、 積雪の役割、 積

解析アルゴリズム開発及び降雪 ・ 積雪観測用の衛星セ

雪 ・ 海氷の変質過程の理解とともに、 広域積雪の観測

ンサの開発に貢献する。 全球降水観測計画 GPM での手法の開発が望まれる。 海氷上の積雪は見かけ上の厚二周波降水レーダー DPR 等の新規降水衛星データや、さ、 アルベド、 熱伝導の点から重要な観測要素である。

大気データ同化手法の高度化等を組み合わせて、 全球

NASA による海氷上積雪の衛星観測手法は、 開発が

北緯 90 度から南緯 90 度までの衛星による降水量の推滞っており、 新たな手法による進展が望ましい。 海氷上定に取り組む。

の積雪は見かけ上の海氷の厚さの観測精度にも影響す

観測測器に関する技術開発の進展を背景に、 強風るため、 現場 ・ 衛星両方での正確な観測法の確立が望域や森林域での水循環の各構成要素を高精度で観測まれる。

Q4: 環北極陸域の水文過程はどう変化するか？
a. 研究の背景

たらし、 北極海の海氷形成や海洋循環、 物質循環へ

北極域陸域における水循環は、 凍土と積雪、 北方林影響を与えることが懸念される。 河川流量の変化には、が重要な役割を果たす。 この地域の河川は、 北極海へ

大気循環変動に伴う降水量変化とともに、 流域におけるの淡水と栄養塩、 有機物の供給源である。 河川流量の様々な陸域水文過程が関わっている。 気候システムに急激な増加は、 春のアイスジャム洪水や夏洪水として住おいては、 北極と中緯度の間に位置する陸域は中高緯民に被害を与える一方で、 栄養分を運ぶことで牧畜等度相互作用として無視できない。 陸域水文過程の変化の生業にとっては恵みとなる。 また、 河川氷や凍土の状に伴う水 ・ 熱フラックスやアルベドの変化は大気下層の態の変化は交通や住環境に影響を及ぼす。 このように気温を変え、 北極海とそれを囲む陸域との気温コントラ

北極域の河川は地域住民の生活に大きく関わる。

ストを変えることで、 大気循環や気象への影響を及ぼす

河川流量変化は、 淡水や陸源物質供給の変化をもことが懸念される。

57

b. 鍵となる科学 Question: 環北極陸域の水文過程はどう変化するか？
(1) 北極海へ流入する河川流量の変化とその要因
北極海へ流入する河川流量は、 近年増加傾向にある。 これはシベリアの河川流量が 2000 年代後半に数年間連続して多かったことに起因する。 一方、 北米の河川流量の変化は顕著ではない。 流量の長期変化の要因として、 ダムや凍土融解、 森林火災の影響がこれまで検討されてきたが、 現状の変化量に対する影響はい
ずれも小さい。 河川流量は、 主に正味降水量 （降水量と蒸発散量の差） の影響を受けており （Zhang et al.,

写真 4 東シベリアのレナ川。 広大な流域面積から集められた淡水が北極海に注がれる。 （撮影 ： 飯島慈裕）

2013）、 総観規模の大気循環や低気圧活動に伴う水蒸気輸送が変動要因となる。 加えて、 植生からの蒸散や凍土融解による土壌水分の変化などの陸域水文過程

フラックスの変化を引き起こす。 消雪の影響には地域性も、また、河川流量の変動要因となると考えられる。 最近、があり、 西シベリアではアルベドの差異が初夏の放射収東シベリアでは夏の基底流量の増加と活動層深化の関支に影響する一方で、 東シベリアでは融雪水が夏の顕係が指摘されており （Brutsaert and Hiyama, 2012）、

熱と潜熱の割合に影響を及ぼす （Matsumura et al.,

今後ますます陸域水文過程の調査が重要になるであろ2010）。

う。

温暖化に伴う環北極陸域の大きな昇温と降水量増加

気候モデルでは温暖化に伴って高緯度の降水量が増

は、 積雪期間の短縮や活動層深化、 そして土壌水分、加すると予測されており、 環北極域の河川流量も長期的

蒸発散量、 植生活動などの水文過程の変化を引き起こには増加すると予測される。 よって北極海への淡水供すと予想される。 昇温は積雪期間を短縮させ、 昇温に給は増し、 同時に熱や栄養塩、 有機物の供給も増すと伴う大気中水蒸気量の増加は東シベリアの乾いた大陸予想される。 陸域水文過程の変化は、 河川から流出す

内陸での蒸発量と蒸散、 昇華を変化させる可能性がある陸源物質のソース自体にも変化をもたらす可能性が考る。 実際、 長期的な蒸発散量の増加が観測とモデル研え得る （テーマ 3）。 しかし、 気候モデルによる降水量

究から示されている （Zhang et al., 2009）。 また、 東増加の大きさやその地域分布は予測の不確実性が高く、シベリアの消雪では融雪とともに昇華蒸発の重要性も指また、 陸域過程に関しては特に広域の調査がまだ不十摘されている（Suzuki et al., 2006）。 降水量の増加は、分である。 現状でのこれらの陸域過程の相互関係を解

活動層深化と土壌水分の増加を進行させる可能性があ明しつつ、 将来変化を検討する必要がある。

る。 これらの陸域過程は、 雪氷が鍵であり、 種々の水
文過程に加え、 陸域の熱収支に関わる諸過程の解明も(2) 環北極陸域の水文過程の変化重要であることを示している。

21 世紀に入り、 環北極の広い地域で積雪深の減少（東シベリアのみ増加） が見られ、 土壌水分量、 河川流(3) 北極海の淡水収支と北極域の水循環

出量への影響が予想される。 一方で同期間に北米とシ陸起源の淡水供給の増加は海洋表層の成層を強化

ベリアの土壌水分は、 増加傾向にあることが GRACE

し、 また、 塩分を低下させて海氷生成を促進する働きが衛星で検知された （Landerer et al., 2010）。 積雪変ある。 北極海へ流入した淡水はやがて北大西洋に流出動には、 量の変化に加えて、 積雪期間の変化も重要するため、 淡水供給の増加は長期的に北大西洋での深である。 近年の気温上昇に伴い、 秋の積雪の遅れと春層水形成を弱める働きをする。 その解明には、 北極海の融雪の早まりから、 積雪期間が短縮する傾向にある。

の海氷生成と海洋循環の変化を併せて理解することが積雪には、 大気と土壌の間の断熱効果があるため、 地重要である。

温と土壌凍結 （凍土） に影響を与え、 さらに土壌水分

温暖化の進行によって海氷上の積雪量は増加するとや植生のフェノロジー （植物季節）、 放射 ・ 地表面熱予想され、 これは海氷の生成 ・ 融解を大きく左右する可58

能性がある。 また、気温上昇や季節海氷域の拡大によっでの水文過程の理解に適した指標であり、 過去を復元て海水へ直接流入する降水量が増加し、 海洋表層の淡する調査には有効な観測手法となる。 北極域の流量観

水化をもたらす可能性もある。 しかし、 海氷上の積雪に

測は期間も場所も限られるが、 今後も観測を継続し、 水関する研究はほとんどなく、今後、 海洋上や氷上での雲・収支解析やモデル研究、 古気候プロキシデータ解析と降水 ・ 積雪過程の観測が必要である （テーマ 2）。 これ

合わせて、 変動要因の解明を目指すことが重要である。

らを踏まえ、 北極海とそれに接する陸域や太平洋、 大

河川流量変化による海洋への影響を評価するには、

西洋、 上空の大気を含めた北極域全体で、 水循環の海洋観測と海洋循環モデルの利用が有用である。 沿岸

理解と淡水収支の定量的な評価が望まれる。

域での係留系の展開や小型船舶の利用により、 淡水流
出入の時空間変化を捉え、 陸起源の熱や物質と海氷生

c. 今後の水循環変動研究

成量の関係を調べられる観測が望まれる。 陸域水文過(1) 水文過程を理解するための陸域観測サイトの充実

程の変化による北極海、 大西洋への淡水供給や、 海観測結果の統合的な利用には、 モデルとの緊密な連洋循環、 物質循環、 海洋生態系への影響を評価する

携が推進されるべきである。 そのためには、 観測地点には、 主要河川だけではなく、 小河川や氷床 ・ 氷河融で長期運用管理した入力データセット （気象要素）、 パ

解水、 地下水などからの淡水や物質のピンポイントでのラメータデータ （植生情報、 土壌情報）、 検証データ

供給を考慮し、 現実的な海洋循環場を再現できる高精（地温、 土壌水分、 光合成量など） を作成する必要が度な海洋循環モデルの開発が必要である。

ある。 これまで日本とロシアの研究者が中心となって東シベリア域の現地観測が行われ、 多くの陸域水文過程(3) 氷床 ・ 氷河、 永久凍土、 積雪、 水循環の統合的に関する成果が得られた。 しかし、 冬の間はデータの把握

空白期間であった。 通年観測を視野に入れて、 基盤と現地観測ではカバーできない広域な水循環変動の理なる気象要素と熱 ・ 水 ・ 炭素フラックス、 凍土 ・ 土壌水

解には、 衛星観測や陸域モデル、 客観解析データの分変動を一体として測定できるスーパーサイトを整備し、利用が有効である。

長期的に維持できるように、 二国間、 多国間の協力体

北極域における大陸や流域を対象とした広域の水 ・制と日本側の責任研究機関の設定が必要である。 東シ

熱収支の定量的な評価は十分でなく、 陸域水循環の重ベリアを考えるならば、 ヤクーツク近傍のスパスカヤパッド

要な研究対象といえる。 GRACE 衛星による陸水貯留（Spasskaya Pad）、 ウスチ ・ マ ヤ （Ust-Maya） 近傍

量や AMSR2 による積雪水量、 今後の全球降水観測の Elgeeii、 そして Volyui 川の Ol’ okminsk 当たりが計画 GPM での二周波降水レーダー DPR による高頻候補である。 これらの観測データは、 客観解析データ

度の降水観測、 また、 ALOS および ALOS2 による高や領域モデルによるダウンスケール、 衛星観測データを分解能な水域抽出などの土地被覆分類は広域の陸域

組み合わせて、 長期データセットとして構成し、 水循環

水文過程の把握と解明に役立ち、 モデル実験の検証にの極端現象などを検証できるようにするために、 国内のおいても有益である。 また、 衛星プロダクトにとって現地共同研究体制が望まれる。

地上観測データとの比較検証は必要不可欠であり、 特に観測が少ない北極域での現地観測の継続が求めら(2) 河川由来の淡水および有機物、 熱輸送の観測と海れる。

洋モデル開発陸域モデルにおけるより正確な水文過程の理解には、

河川を介した陸域水文過程と海洋過程との関係を解凍土に関わる土壌の透水や熱伝導に関する適切なモデ

明するには、 水文学的に異なる流域に観測点を設置し、ル化や、 積雪、 吹雪過程の改良が必要である。 さらに

河川流出の量やタイミング、 水温、 陸源物質などの測定

数 10 年以上の長期的な時間スケールでは、 植生変動が求められる （テーマ A）。 降水量、 蒸発散量、 土壌が蒸散、 土壌環境に影響するため、 凍土地帯に対応で水分に対する観測とモデルの研究を組み合わせること

きる植生動態モデルが必要となる。 これらのモデルの検で、 陸域から北極海への淡水と物質の流出量、 流出場証に使用できる総合的な地上観測は必須である （テー所、 タイミングおよび質を決める要因を明らかにし、 予測マ A）。

に繋げる。 水の安定同位体比は様々なスケールや場所

客観解析データは、 気候変動研究にとって重要な基59

図 16 氷床 ・ 氷河、 凍土 （活動層）、 降積雪の変動と水循環変化の研究全体像

礎データの一つである。客観解析データの技術開発は、陸域過程を考慮した大気海洋陸域結合データ同化技

地上観測や数値モデルによる表現が制限されている北術を開発し、 その客観解析データを用いて解析を進め極域の気候研究にとって重要な意味を持つ。 現在の客ることで、 北極域水循環研究のブレークスルーが期待さ

観解析データは、 主に大気と海洋を対象としているが、れる。

テーマ 5 ： 北極 ・ 全球相互作用
要旨

成層圏大気、 海洋、 陸域及び超高層大気のそれぞれ

テーマ 5 では、 気候システム研究の中で注目を集めの圏で起きている北極 ・ 全球相互作用を取り上げる。

始めている北極 ・ 全球相互作用について議論する。 こ

対流圏 ・ 成層圏大気の研究では、 北極を取り巻く偏西れまでの研究においては、 北極 ・ 全球相互作用に関し

風及び極渦の様々なテレコネクションパターンや気候変ては、 あまり関心を払われない傾向にあった。 しかし、動モードの力学的過程の解明などが重要となる。これは、最新の研究により、 北極域の大気 ・ 海洋などの循環が、大気と他の圏 （海洋、 陸域、 超高層大気） との相互作

他地域へ様々な面で重要な影響を及ぼしうる事が明らか

用や、 今世紀に予測される気候変動などを考える際にになりつつある。 例えば、 近年、 北極域の海氷減少が基礎的な知見を与える。

冬季東アジアモンスーンに与える影響についての議論が海洋分野では、 大西洋 ・ 太平洋間の海水循環、 深活発化しており、 異常気象などの季節予測の改善に寄層水形成、 中緯度海洋大循環などの研究が重要になる

与する可能性がある。 また、 数年から数十年以上の時と思われ、 そのために、 研究船等の観測インフラの整間スケールの気候変動 （地球温暖化も含む） のメカニ

備や高解像度モデルの利用とそれによる検証が必須でズムを理解するためにも、 北極 ・ 全球相互作用のプロセあろう。 陸域の研究分野では、 積雪の変動による広域スを理解する必要が、 様々な視点から指摘されるようにエネルギー ・ 水循環への影響や、 植生や凍土を含む土なってきている。

壌の変化による炭素収支等の物質循環への影響などを定量的に評価するための研究が注目を集めている。 こ

ここでは、 まず、 気候システムを形成している対流圏 ・60

れまでも現地観測やプロセスモデルによって精力的に研基にして、 我々は気候システムの中での北極気候システ

究が進められてきたが、 中低緯度を含む広域での陸域ムの役割の理解を進めていくべきであろう。 その結果としプロセスの気候影響を定量的に評価するには、 陸域プて、 将来の北極域のみならず全球気候予測の高度化 ・ロセスの広域評価手法の確立も含めて、 更なる基礎的高精度化が達成されると考えられる。
ここでは、 次の 5 つの鍵となる科学 Questions を取りな研究が必要とされている。 超高層大気分野では、 宇宙空間から極域へのエネルギー流入に起因する中低緯上げる。
Q1: 大気の役割について ： 北極振動などの大気変動度の超高層大気変動、 温室効果気体の増大に伴う超高層大気の寒冷化、 及び、 極域超高層大気が下層大は強まるか弱まるか？

気に及ぼす影響等の研究が重要になると思われる。 超Q2: 海洋の役割について ： 大西洋 ・ 太平洋間の海水

高層大気の気候システムにおける役割については、 発

循環は強まるか？ 深層水形成は減るか、 中緯度

展途上の興味深い研究テーマが様々に存在し、 広域

海洋大循環は変わるか？

地上観測ネットワークや複数機の人工衛星等によるグ

Q3: 陸域の役割について ： 植生と凍土の変化による

ローバルかつ多角的な観測の整備や光化学過程を含め炭素収支や物質循環への影響は？ 積雪と植生た数値モデルの利用等により、 さらに理解を深化させねの変動による広域エネルギー水循環への影響ばならない。

は？

次に、 古くて新しい難題として我々に残されている、

Q4: 超高層大気の役割について ： 極域超高層大気

それぞれの圏の間に見られる相互作用 （すなわち多圏が下層大気 ・ 超高層大気全球変動に及ぼす影響

相互作用；図 17） の研究を取り上げる。 対流圏大気は、は？

その存在の物理的位置から、 相互作用において重要な

Q5: 多圏相互作用について： 超高層大気、 大気、 陸役割を果たす。 すなわち、 成層圏、 または超高層大気

面積雪と植生、 海洋のどれを経由する影響が大きなど 「上方」 とも相互作用しうるし、 または海洋や陸域ないか？

どの 「下方」 とも相互作用しうるという事である。 その一例として、 上で例に挙げた北極海海氷の減少に伴う冬季東アジアモンスーンへの影響の研究があるが、 他のテーマに関しても研究のさらなる発展が期待される。
北極域の変動の影響がまず現れるのは、 気候変動のシグナルが大きく現れ易い極東域などの中緯度域であり、このテーマにおける日本の研究コミュニ
ティが果たすべき役割は大きい。 実際、例に挙げた、 北極海海氷が大気循環に及ぼす影響の研究に関しては、 日本の研究者による貢献が非常に大きいという事実がある。 これらの蓄積などを

図 17 大気 ・ 海洋 ・ 陸域等の複数の圏の相互作用の模式図

まえがき
ここでは、 北極 ・ 全球相互作用について議論する。

するにつれて、 冷源としての北極域の役割とその中低緯

これまでの気候変動、 または地球システム研究では、度への影響に注目が集まり始めている。 実際、 北極海

エルニーニョ／ラニーニャに代表されるような熱帯域循環の海氷減少の遠隔影響が、 大気循環の変動を通じてから全球への影響に注目が集まる傾向にあった。しかし、

冬季東アジアモンスーン活動に現れているとする研究が近年の北極域での急速な海氷減少や環境変化が進行

近年複数発表される等、 北極と他地域の各々の循環の61

相互作用研究が日本を中心に盛んになりつつある。 この圏における北極 ・ 全球相互作用を、 科学的疑問 （Q）

ような研究は、 異常気象や気候変動の解明と密接に関に答える形で議論する。 さらに Q5 では、 各圏間で見ら係する事から、 学術的な関心にとどまらず、 社会的な関れる相互作用を議論する。 このテーマ 5 の議論が、 北心も高い課題であり、 今後の研究の進展が期待される。

極と全球のそれぞれの循環の相互作用の概要を捉える

以下、 大気、 海洋、 陸域、 超高層大気のそれぞれの研究指針の一助となる事を期待する。

Q1: ＜大気の役割について＞ 北極振動などの大気変動は強まるか弱まるか？
a. 研究の重要性と現状

我々は答えを持っているとは言い難い。 また、 これらのテレコネクションパターン （「テレコネクション」 と呼ぶ

テレコネクション （または気候変動モード）の研究に加え、事もある） は、 全球規模の大気循環変動に見られるあ

最近注目を集めている 「北極低気圧」、 夏季ボーフォー

る特定のパターンの事であり、 北極を取り巻く偏西風及ト高気圧、 北極上のストームトラック、 及び成層圏突然昇び極渦の変動モードとの解釈も可能である。 以下に挙温の頻度 （の将来予測） などの循環要素 （素過程） のげるように、 様々なテレコネクションが過去に報告されて解明も重要であろう。

おり、 これらは異常気象の発生と密接に関係しているとさ

最近注目されている、 バレンツ海などの北極海海氷のれている。 また、 数年から数十年規模の気候変動にも変動 （減少） が、 冬季東アジアモンスーンなど大気循

テレコネクションが重要な役割を果たす可能性が指摘さ環に与える影響についての力学的理解もまだ十全とは言れており、 気候変動モードと密接な関係があるとする研

えず、 以下のような重要な課題が残されている。 例えば、究者もいる。 テレコネクションのうち、北極振動

82

（AO)、

北極海海氷の減少に伴う地表付近の熱的条件の変化

または北半球環状モード 83 （NAM） は過去 15 年ほどする領域の水平スケールは、 大規模大気循環の水平ス

最も研究者の注目を集めてきたものの一つであろう。 加

ケールと比較すると相対的に狭小である事が多い。 また、えて、北大西洋振動（NAO）、北太平洋・北アメリカ（PNA）

極域 ・ 寒冷域の下部対流圏の西風は一般的に非常にパターン、 西太平洋 （WP） パターンなどが異常気象や弱い。 双方の条件とも、 大気にロスビー波応答を引き起

気候変動との関連で注目される事が多い。 また、 それとこすには不利な条件であるのにも関わらず、 なぜ海氷変関連し、 対流圏 ・ 成層圏力学結合の研究も最先端の動が大規模大気循環を引き起こす事ができるのか、 その研究テーマの一つとして浮上している。 それまでの常識

力学についての解明が待たれる所である。 また、 対流

では、 成層圏循環は対流圏循環から一方的に影響され圏下層の渦位 （PV） 分布など基本的と思われるテーマ

るのみと思われてきたものが、 逆のプロセスも注目されるについても充分に調査されていない部分がある事も、 海ようになった事は画期的であろう。 一方、 海氷減少や積氷から大気への力学的影響の理解を妨げている可能性

雪変化などにより引き起こされる大気変動の研究、 例えがある。 さらに、 現在気候に見られるとされる 「北極海ば冬季東アジアモンスーンへの影響の研究なども最近

氷減少が大気循環変動 （例えば、 日本付近の寒冬） に注目を集めている。

繋がる」 現象が、将来気候においても変化するのか （または、 しないのか）、 また、 変化していくとするとどの様に

b. 今後の研究変化していくのか、 という視点も重要な研究課題となろう。

これから必要とされる研究とはどのようなテーマが考え加えて、 近年北部ユーラシア全域に見られがちな異常られるだろうか。 AO、 WP パターンなどのテレコネクショ

寒波や、 2014 年冬季の北米の異常寒波などの現象にンパターン （または気候変動モード） の力学的過程は、対し、 どの程度、 北極域の循環変動が影響を及ぼしてまだ不明な部分が多く、 それらの解明が大気循環のよりいるのかも興味ある課題である。

高度な理解や予測可能性の向上に必須である。例えば、

上記のような海氷の影響に加え、 陸域の変化が大気

熱帯域の海水温変動とこれらのテレコネクション （また循環に与える影響の調査も今までそれほど注目されておは気候変動モード） との関係という基本的な問題ですららず、 今後の発展が期待される。 例えば、 近年及び将来の暖候期の大陸上の積雪減少が、 その後の北極域、北極振動 ： Arctic Oscillation （AO）
83
北半球環状モード： Northern Hemisphere annular mode
（NAM）
82

低中緯度の気候にどう影響するか、 もしくは熱波やブロッ
キング高気圧などの発生頻度に影響しうるか、 などという

62

Update 2018 8

北極振動などの大気変動は強まるか弱まるか
海氷と中高緯度大気との相互作用研究については、Honda et al.（2009）の画期的な研究以来、観測デー
タ解析及び数値モデルシミュレーションの双方の側面から活発な議論が続いている。そのなかの大きなテーマの一つとして、バレンツ海やカラ海など、近年の晩夏・初秋に観測される北極海海氷の減少が、寒候期の東アジアモンスーンに及ぼす影響が議論されている（Honda et al., 2009; Mori et al., 2014 など）。
海氷の減少が大気循環変動をもたらすメカニズムとして、最近注目されている説の一つは、海氷変動がもたらす対流圏の大気循環変動が成層圏の循環を変え、それが再び対流圏の循環に影響を及ぼすというもの
で、これは言わば、成層圏を経由した海氷・大気相互作用（stratospheric pathway）であると言える（Kimet al. 2014, King et al. 2015, Nakamura et al. 2015 など）。
海氷・大気相互作用研究においては、上に挙げた Honda et al.（2009）に象徴されるように、日本人研究者グループの寄与が非常に大きい。例えば、Nakamura et al.（2016）は、成層圏・対流圏力学結合
を人為的に弱めた気候モデルにおいては、海氷偏差を与えても対流圏の大気循環変動が見られなくなる事を示した（図 U-10）。これは、海氷変動が冬季東アジアモンスーンに影響を与える過程において成層圏循
環が大きな役割を果たす事を意味しており、上記の stratospheric pathway を示唆する重要な結果と言えよう。とはいえ、海氷・大気相互作用においては、海氷が大気循環変動をどの程度励起しうるかを含め（Barnes and Screen 2015, McCusker et al. 2016）、未だにメカニズムが不明な点が多々残されており、今後のさらなる研究の進展が望まれる。

図 U-10 気候モデルでシミュレートされた海氷減少時の （a） 北緯 60°の
日平均東西平均東西風偏差 （単位m/s） お よ び （b） 北 緯 50-80 ° 平 均の 100hPa 鉛直波活動度フラックス偏差。 薄 / 濃 い 灰 色 陰 影 は 95/99% 有
意水準を示す。 成層圏をフルに表現す
る FREE に対して、 RS10, 30 はそれぞれ 10, 30hPa より上空で波動平均流相
互作用の働きを人為的に弱めたもの。
Nakamura et al. （2016） より引用。

研究課題が考えられる。

今まで注目されてきたロスビー波の鉛直伝播のみならず、

対流圏 ・ 成層圏力学結合の研究もさらに深化させる

等価順圧的な大気循環変動も惑星ロスビー波の鉛直伝必要がある。 対流圏から成層圏への影響の研究では、播に影響を及ぼす事が明らかになりつつある。 しかし、63

その研究は緒に就いたばかりの状況である。 力学結合て、 成層圏よりもさらに上層の中間圏以上も考慮に入れに関して一つキーワードとなりうるのは、 「惑星ロスビー波

た上下結合の解明も重要である。 中間圏を考察する際の変調」 であり、 これは北極関係の研究のみならず、に重要なのは重力波であり、 その活動度及び基本場とENSO の中高緯度への影響や、 またはその影響の 「季のフィードバック研究が進展する必要がある。

節内シ フト」 （intraseasonal shift; 例えば、 Fereday

北極海海氷変動の大気循環変動に与える影響の研et al., 2008 や Ineson and Scaife, 2009 など） など

究では、 日本の研究者による貢献が大きい。 これに代の研究でも重要となろう。 また、 成層圏から対流圏への表されるように、 日本の研究者による対流圏／成層圏大影響の力学過程の解明も大変重要である。 そのために気の北極 ・ 全球相互作用に対する関心は大きいと思わは、 大気循環のラグランジュ的循環 （物質循環） の解れ、 今後とも研究の発展に日本の研究コミュニティが果明が大事な要素の一つとなると思われ、 それを記述でたす事のできる役割は大きい。

きる理論の発展やモデルの開発などが必要となる。 加え

Q2: ＜海洋の役割について＞ 大西洋・太平洋間の海水循環は強まるか？ 深層水形成は減るか？
中緯度海洋大循環は変わるか？
a. 研究の重要性と現状とよばれ、 ノルウェー海深層水と入れ替わる。

北極海から海洋を通じた全球との相互作用を考える

地球温暖化の進行に伴い、 さらに海氷と低塩分水のと、 北大西洋深層水の形成と循環、 および、 太平洋か流出およびグリーンランド氷床の融解が促進されることら流入し北極海の中で異なる水塊と混ざりながら大西洋によって、 深層水は低塩化し深層下部まで到達しなくなに流れ出る経路が主たるものである。 さらに、 海洋は循る。 北大西洋深層水は 50 年前から低塩化しており、 こ環が大気の状態に大きく影響されるだけでなく、 海面水れが続くとグリーンランド海の下層から北極海下層にあ温などから大気にフィードバックもするはずである。 これら

ふれ出る海水は密度が低下し、 その流れも弱くなる （図の要素について、 将来起きる可能性にも仮説を含めて言18 の青色流）。 それに伴いカナダ海盆からマカロフ海盆

及し、 研究方針を提起する。

に出てくる流れ （図 18 の黄色流） も弱くなることが想定される。 最初はその直上にある上層 ・ 中層にも大西洋か(1) グリーンランド海における北大西洋深層水形成

ら北極海に向かう流速が加わるだろうが、 中層に流れ込

図 18 に北極海循環を模式的に示す。 北極海の表んでいる大西洋水 （図 18 の赤色流） と表層に流れ込

層 （200m 深程度まで） とその下の中層 （700m 深まで）む太平洋水 （図 18 の緑色流） は北極海で滞留する傾では、 太平洋起源の海水に河川水を加えた低塩分水が向となり、 北極海の上層 ・ 中層の密度分布とそれに伴う表層 （北極海面混合相） とその直下にあり、 中層に北流れを変えてしまう可能性もある。 十年以上の時間で起

大西洋から流入する高塩分水との密度差によって駆動さこる変化に関する仮説のひとつとして考えられるのは、 上れる流速場を形成して、 風応力による移動も合わせ、 海

層 ・ 中層の密度分布の強化により、 北極海 ・ 大西洋間

氷分布を決める主な要素となっている。 北極海で形成しの海水交換が増加し、 下層の海水交換の役割が低下す

た水塊が大西洋に多く流出すると、 グリーンランド海におることである。 この場合に大西洋水による北極海蓄熱量

ける北大西洋深層水を低塩化し形成量を減らす。 この変は増加し、 一部は下層と混合するであろうが、 上層と混化は長い時間スケールを持つものの、 大西洋ではすで合することも考えられる。 その結果として、 海氷を減少さに検知されており （Dickson et al., 2002）、 全球海洋せる可能性があり、 その定量化に向けた取り組みが求めにも徐々に広がるであろう。

られる。 一方で、 全球海洋コンベアベルト に乗って流れ

一方、 北大西洋深層水に起源を持つノルウェー海深る北大西洋深層水はさらに低塩化することにより、 大西

層水は、 フラム海峡からナンセン海盆、 アムンゼン海盆

洋を南下する時、 その上部に位置する水塊との混合がの下層に流入し、 北極海下層の水質を支配する。 ただ盛んになると、 コンベアベルトを特徴づける水質が見つけし、 地球化学トレーサーに基づいて推定したところ、 中にくくなることも考えられる。

層の大西洋水に加えて太平洋水の影響も示唆されている。 北極海下層から流出する水塊は上部北極海深層水(2) 太平洋から大西洋への海水通過

64図 18 ベーリング海峡から Fram 海峡に至る断面における北極海循環。 全水
深は 4000m ほどであり、 赤線の Atlantic Water が 300 ～ 700m を占めている。
実線は明瞭な海流、 点線は弱い流れと海水の混合が混在していることを示す。
点線で示された海水の振る舞いが特に解明されていない。

ベーリング海峡は幅わずか 85km で、 北極海への太PDO 太平洋十年規模振動、 PNA など） が地球温暖

平洋水の平均流量は 0.8Sv （1 Sv=1 × 106 m3 s − 1、化の進行に伴ってどのように変化するかについては、 いく

黒潮流量の約 3％） でありながら、 北極海や大西洋のつかの異なる見解が示されている。 例えば、 AO が正に

気候システムにおいて重要な役割を持つ。 例えば、 最偏り （北極海上空の極渦が強まり） 中緯度域が暖冬に終氷期の急激な気候変動であるダンスガード ・ オシュなるとするモデル予測に対し、 21 世紀に入って負になる

ガーサイクルは、 ベーリング海峡の閉鎖に伴う北極海―

ことが多いデータ解析結果も報告されている。 AO のよう

太平洋間の淡水フラックスの遮断で起きることが示唆されに自然変動が大きい現象については、モデルと観測デーており （例えば、 Hu et al., 2012）、 また、 太平洋水がタを合わせた慎重な検討が必要な段階である。 さらに、もつ熱量が太平洋側北極海における海氷激減の主要因

このような大気循環変動は海洋循環を変動させるので、であることが報告されている。

中緯度から亜寒帯に拡がる海水の北上が数十年周期

この太平洋水の流入には、「太平洋・ベーリング海」と「北で変動することになり、 北極海まで影響を及ぼす可能性

極海内部 ・ 大西洋」 との海面力学高度差に起因する長に留意する必要がある。

周期変動 （Steel and Ermold, 2007） と、 ベーリング

地球温暖化実験に参加したモデルの間で共通に示さ

海峡沿岸部における地衡流調節 （海上風に対する海れているのは、 今世紀後半の気圧変化として、 ベーリンの応答） に起因する短周期変動がある。 主な駆動源でグ海上の気圧低下、 および北大西洋亜寒帯域の気圧ある海面力学高度を変化させる要因には、 グリーンラン上昇である （Chapman and Walsh, 2007）。 ベーリン

ド氷床融解や海氷流出に伴う北大西洋への莫大な淡水

グ海上の気圧低下は上記 （2） につながる。 大西洋で加入、 降水量 ・ 蒸発散量の変化による各大洋の貯淡

は、 海面水温の上昇が陸面より遅れるため、 地表面気水量変動、 海洋貯熱量変動、 大気循環の変化が挙げ

圧は上昇傾向を示す。 その結果として、 メキシコ湾流のられる。 地球温暖化の結果として、 太平洋からの流入を流量が増加し、 高温海水が現在より北上すると予想され増加 ・ 減少させる要因が混在しており、 今後の変動とそる。 しかし、 今世紀後半に北極海上の大気が非常に温の要因を解明するには、 大気－海氷－海洋－陸面を網暖化していると、大西洋水の北上する量が増えたとしても、羅的に扱う分野横断的な観測研究およびモデル研究が北極海流入水の熱的効果は増大しないであろう。 また、必要である。

高塩分の大西洋水がフラム海峡近くまで北上するため、
大西洋 ・ 北極海の海水交換は塩分差によって駆動され(3) 中緯度の大気海洋大循環を介する北極へのフィード

続けるという仮説を立てて、 今後の研究の方向性を探る

バック

ことに役立てる。

北半球に現れる大気循環の変化、 そしてそれが影響を及ぼす中緯度海洋の大循環を通じたフィードバックに

b. 今後の研究注目する。 数年から数十年の周期を持つ大気変動（AO、上に示した原理的な推定と将来予測モデルに準拠す

65

る仮説に対して、 「水温の急激な上昇によって水温駆動

走行型採水装置などの開発が急務である。 さらに、 長循環になる」 など、 いくつかの異なる仮説も提案されるでい時間スケールを持つ変動をモニターするには、 化学トあろう。 モデル研究はモデルの精緻化だけでなく、 仮説

レーサーの利用も進める必要がある。

を立て確かめることによっても発展することを考え、 客観

北極海 ・ 大西洋間の海洋循環のように、 中深層の流的な視点を忘れることなく大胆に進めるべきである。 海動が海底地形に大きく影響される海域では、 高解像度

洋と陸域の温暖化応答が異なることにも注目する場合モデルの利用と検証を格段に進展させる方針を立てるべは、 大気と海洋だけではなく陸域の植生や積雪の表現きである。 また、 その結果を検証するには、 鉛直密度勾を適切に含む地球システムモデルの利用が必須である。

配を持つ海洋内部の流速分布を基本的な鉛直モードに

現場観測による循環と水塊のモニタリングを進めるに展開するなど、 海洋物理学の基礎となる理論に基づいは、研究船が必須であるが、我が国は研究砕氷船を持った考察も重要である。 希少データによるモデルの客観的たことがない。 それに加えて、 自動昇降型流速計、 自動な検証が鍵となる。

Q3: ＜陸域の役割について＞ 植生と凍土の変化による炭素収支や物質循環への影響は？ 積雪と植生の変動による広域エネルギー水循環への影響は？
北極 ・ 全球相互作用における陸域プロセスの影響は、細な陸面プロセスモデルを用いた鉛直 1 次元実験による植生や凍土を含む土壌の変化による炭素収支 ･ 物質循

プロセスの解明、 （ii） 領域スケールでの広域観測網や環の変化や、 積雪 ･ 植生の変動によるエネルギー ・ 水

衛星データなどを活用した実態解明ならびに多地点 ･ 多

収支の変化が、 大気の循環場や広域エネルギー ・ 水

モデルによる比較検証、 （iii） 領域モデルや全球モデ

循環を変化させ （図 19）、 他地域や中低緯度の気候にルによる相互作用を含めた感度実験による影響調査な

影響を及ぼすことになる。 従って、 その影響を定量的にど、 多様なアプローチを組み合わせて進めることが必要

解明するには、地表面状態を広域的に把握するとともに、である （図 20）。

広域スケールで重要なプロセスを特定することなどが必要になる。 しかし、 地表面状態は水平の非一様性が大a. 植生

きいため、 現地観測に基づく物理量の変動特性や相互(1) 研究の重要性と現状

作用プロセスに関する知見を広域的に定量評価すること

陸域植生は、 CO2 の吸収 ・ 放出に伴い全球の炭素（スケールアップ） が困難である事が大きなボトルネックと

収支や物質循環に影響を及ぼし、 人間活動による CO2

なっている。 スケールアップには、（i）プロットスケール （数排出の吸収源 （シンク） として注目されてきた。 また、 北

10 から数 100 メートルのスケール） における観測や詳

半球高緯度地域では、 植生活動の季節振幅が大きいことから、 全球の大気中 CO2 濃度の季節変動にも大きく寄与しているとされる。 植生動
態の広域的な分布と変動については、 衛星観測によるデータが蓄積されてきており、 例
えば、 最近数 10 年間において、 アラスカの北極沿岸でのバイオマスの増大傾向なども指摘されている （Tape et al., 2006）。 地
球温暖化予測では、 寒帯林の分布域が北進しバイオマスが増大すると考えられている一方で、 2050 年頃をピークに土壌も含めた
バイオマスは頭打ちになるとする予測もあり、地域毎の変動傾向を含む定量的な評価にはまだ大きな不確定性が残っている。 それ以前に、 陸域において CO2 のシンクがどこにあるのかさえ、 はっきりわかっていない。

図 19 陸面プロセスが大気に及ぼす影響

66

まれる。 植生構造（特にバイオマス）
や構成種の変動に伴う炭素収支や物質循環の変動は応答時間が長く、全球の気候変動に対する北極域の生態系の 役 割を把 握する上 か ら、
長期的な観測態勢とそのネットワーク（例えば、 LTER : The Long Term
Ecological Research） の構築が必要である。 これらのプロセス研究の知見に基づいて、 広域的な炭素収支や物質循環への影響を定量的に解明するには、 広域評価で考慮すべきプロセスの抽出と定式化、 衛星
観測データを用いた広域での比較

図 20 陸域プロセスのスケールアップ

検証、 地球システムモデルによる相互作用を含めた影響評価が必要である。

このほか、 植生の変動はアルベドの変化を通じてエネ
ルギー ・ 水収支にも影響を及ぼすことが知られている。

植生による地表面アルベドの変化に関しては、 衛星

特に、 雪面から突き出た植生によって地表面全体として観測による植生分布や地表面アルベド等の広域データのアルベドが減少する効果は、 広域エネルギー収支にが蓄積されつつある中で、 それらを活用して、 植生と積大きな影響を及ぼすが、 定量的な評価はまだ十分にさ雪の相互作用やその広域影響について、 定量的な解明れているとは言えない。 また、 植物体からの赤外放射にが進むことが望まれる。 植生の地表面摩擦や乱流構造

よってその近傍の雪面の放射収支が変化したり、 植生にに対する力学的抵抗に関しては、 安定な接地境界層のよる吹きだまりの形成や融雪の促進などによって積雪深メカニズム解明を含めて、 地表面付近の潜熱 ・ 顕熱輸の非一様性が増大したりすることも知られている（例えば、送に関する基礎的な研究から見直す必要がある。 そのListon, 2004）。 また、 植生の力学的抵抗による大気一つとして、 乱流による輸送過程を直接計算する Large

循環への影響については、 寒帯林を対象とした研究はEddy Simulation に よ る 研 究 （Beare et al., 2006）

非常に少なく、 内部変動が大きい中高緯度の大気循環が近年注目されており、 その推進も有効であると考えら場に対する影響は十分に解明されていない。 また、 寒れる。

冷域での安定な接地境界層における顕熱 ・ 潜熱の乱流輸送に関しては、 新しい観測手法や数値実験手法

b. 積雪 ・ 凍土による実態解明の国際的な研究の取り組みがはじめられ(1) 研究の重要性と現状ているものの、 具体的な知見はまだ極めて少ない。 この

積雪はアルベド ・ フィードバック 84 によって北極温暖化

ような植生から大気循環への影響と、 大気循環から雲 ・増幅の中心的な要因とされているほか、 モンスーンシステ

降水過程を通した植生への影響とを合わせて、 植生 ・ムなどの中高緯度の広域エネルギー ・ 水循環に影響を大気循環の相互作用について理解を進めていく必要が及ぼすことが、これまでに多くの研究で指摘されてきた（例ある。

えば、 Groisman and Davies, 2001）。 積雪のプロセ
ス解明もまた、 植生と同様に、 現地観測や詳細なプロ(2) 今後の研究

セスモデルによって長年進められてきた。 加えて、 積雪

植生動態のプロセス解明のために、 現地観測や詳細

84

アルベド ・ フィードバック ： 雪氷面のアルベドが植生や土壌面のアルベドよりも大幅に高いことから、 寒冷化 （温暖化） して雪氷面が増大 （減少） するとアルベドが増大 （減少） して地表面に吸収される日射が減少 （増大） し、寒冷化 （温暖化）がさらに進行する、 という正のフィードバック。

なプロセスモデルによる研究が進められてきた。 アジア
や欧米では、 広域観測網としての整備も進められつつあり、 北極域でもそれらと協調できる観測網の整備が望67

Update 2018 9

植生と凍土の変化による炭素収支や物質循環への影響は ?
積雪と植生の変動による広域エネルギー水循環への影響は ?
寒冷圏の陸域植生の炭素収支における役割は、気候変動において大きな課題で有り、近年加速的に研究が進められている。その基礎となる地上観測データを集約してデータベース化するプロジェクト（e.g.,
AsiaFlux）が継続的に進められており、現地観測が持つ空間代表性の制約を補う環境が整いつつある。衛星による広域での植生モニタリングも長期データの蓄積が進んでおり、地上観測と合わせた機械学習による CO2 フラックスの広域推定の試みが始まっている（Ichii et al., 2017）。また、様々な手法による CO2
フラックスの推定値を組み合わせて相互検証・相互比較する試みも増えている（Maksyutov et al., 2013;
Takata et al., 2017）。これら複合的なアプローチによって、今後、気候変化に対する陸域植生の炭素収支の応答特性の解明が進むことが期待される。
植生変化の熱収支における影響においては、積雪との相互作用が課題となることは長年指摘されている。
植生の積雪マスキング効果について ESM によるケーススタディがあり（Abe et al., 2017）、ESM の精度向上とともにさらなる研究の進展が望まれる。
積雪は寒冷圏の広域エネルギー水収支において鍵となる最大の要素といえる。衛星観測による積雪の広域データは、積雪被覆をはじめとして蓄積が進み、長期トレンドが明らかになるとともに（Hori et al.,2017）、雪質に関する情報も得られるようになってきた（Hori et al., 2014）。これらの知見は全球気候モ
デルの精度向上や、積雪の全球気候への影響解明に資すると期待される。積雪中の不純物によるアルベド低下については、有色エアロゾルによる全球気候への影響（Yasunari et al., 2015）に加えて、雪氷微生
物の観測とモデリングが進められている。

域の広域変動も衛星データの蓄積によって季節変化をとして、 凍土の融解深が CO2、 メタン等の温室効果気含む長期変動が把握できるようになってきており （例え

体 （Greenhouse gas; GHG） の放出速度に影響を及ば、 Brown et al., 2010）、 全球気候モデルの検証なぼすことや、 植生に利用可能な土壌水分を増減させるこどにも利用されるようになっている。 積雪の気候影響のとなど、 炭素収支や生態系との相互作用も注目されるよう鍵となるアルベドには、 積雪粒径等の雪質が影響するこになってきている。 温暖化による凍土の湿地化は、 メタとが知られているが、 積雪中の不純物濃度 （黒色炭素

ン発生を引き起こす可能性があり、 全球気候に対する影（Black Carbon ： BC）、 土壌粒子、 雪氷微生物） の響も懸念される。 しかし、 凍土の変化による水文環境や影響も近年注目を集めている。 積雪アルベドに対する炭素収支 （メタンや CO2 の放出） の変化には、 土壌の不純物濃度の効果については、 現地での積雪 ・ 放射 ・

物理的 ・ 化学的性質や微生物環境など、 多様な条件

熱・水収支の総合観測に基づくプロセス研究と並行して、が関係しており、 広域的な影響に関する定量的な議論

衛星データによる広域的な地表面アルベドの定量評価には大きな不確定性が残っている。

が進められている。
積雪が大きな断熱効果を持つことはよく知られている(2) 今後の研究が、 それによって凍土の形成が大きな影響を受け、 初冬

積雪や凍土の広域的な気候影響を定量的に明らかにの積雪深が夏の融解深と強い関係を持つことが、 近年していくには、 プロットスケールでのプロセス理解を広域指摘されるようになってきた （Zhang, 2005）。 凍土のプ的な振る舞いの理解へと拡張していくことが要となる。 積

ロセス研究もまた、 現地観測や詳細なプロセスモデルに

雪域については、 衛星データによって広域変動が把握

よって進められてきているが、 凍土変動の広域的な影響できるようになってきているが、 積雪変動プロセスにおい68

て重要な雪質や積雪深、 積雪水当量などについては、状態に加えて、 土質、 土壌水分、 アイスウェッジ、 土壌

マイクロ波データ等から粒径や湿雪 / 乾雪の区別等の推微生物などの土壌条件に強く影響を受ける。 土壌条件計データが幾つか出されているものの、 定量的な信頼は非一様性が極めて高い上に、 植生の影響を受けるた性については今後の検証が待たれる。 地表水文プロセ

め衛星観測による広域把握が難しく、 地表面の凍結状スにおいて鍵となる表層土壌水分も、 広域の分布や変態に関する推計があるのに留まっている。 炭素収支にお動の把握が望まれており、 マイクロ波データによる推定がいても土壌は特に不確定性の大きい部分であり、 現地

出されているが、 植生の影響の除去など、 定量的な信観測に基づくボトムアップによる推計と、 大気中の GHG

頼性は、 まだ十分とは言えない。 積雪物理量 （粒径、濃度変動に基づくトップダウンによる推計との比較による積雪深など） や表層土壌水分などについて、 衛星デー

研究の進展が望まれる。 土壌 ･ 凍土過程による炭素収タが検証できるような広域的な観測を展開し、 衛星デー

支や水文環境への影響を明らかにしていくには、 プロセ

タの信頼性を向上するとともに、 広域変動の特徴やメカスの解明、 評価手法の確立を含めた広域変動特性のニズムの解明が望まれる。

把握、 モデルを用いた感度実験による不確定性の定量

凍土の変動とそれに伴う水文環境や GHG の放出速評価など、 様々なアプローチが必要であろう。

度等の変動は、 植生や微地形などの局所的な地表面

Q4: ＜超高層大気の役割について > 極域超高層大気が下層 ・ 中層大気 ・ 超高層大気全球変動に及ぼす影響は？
a. 極域へのエネルギー流入に起因する中低緯度の超室効果気体である二酸化炭素の増大が赤外放射冷却

高層大気変動の増加という効果として現れ、 結果としてこの領域全体(1) 研究の重要性と現状が寒冷化する。 夏季の極域中間圏に極低温下で出現

極域超高層大気には、 オーロラ現象などに伴って地する夜光雲と呼ばれる不思議な雲が見られるようになっ球近傍の宇宙空間 （磁気圏） から粒子及び電磁エネル

たのは、 産業革命以降と言われている。 夜光雲は、 人

ギーが流入する。 特に、 磁気嵐に際して、 極域電場や間活動の影響が極域の中層 ・ 超高層大気に現れた顕

電気伝導度の増大による強いジュール加熱に起因して、著な例であると考えられる。

全球的な熱圏循環の強化や大気波動の励起 ・ 伝搬が人工衛星軌道データを用いた超高層大気 （特に上生じることが知られている。 このように、 極域へのエネル

部熱圏） 密度の経年変化推定、 夜光雲の観測頻度やギー流入は中低緯度の超高層大気変動を引き起こす要中緯度での観測報告、 数値シミュレーション等によって、因の 1 つであるが、 定量的な理解や電離圏変動予報

中層 ・ 超高層大気の寒冷化が進んでいるというデータがには至っていない。

得られている。 下層大気では様々な大気変動現象があり、 温暖化による気温上昇と他の大気変動による気温上昇とを区別することは困難である。 一方、 中層 ・ 超高層(2) 今後の研究
広域な観測網を整備し、 また、 GCM （全球気候モ

大気は、 対流圏と比較するとシンプルな大気力学過程デル） シミュレーションにより、 極域超高層大気が超高に支配されているため、 温室効果気体増加による寒冷層大気全球変動に及ぼす影響を定量的に評価する必化の程度を見積もることが比較的容易である。 したがっ要がある。 さらに、 世界的には、 複数機の人工衛星かて、 中層 ・ 超高層大気の寒冷化を定量的に理解するこらの超高層大気観測が進められており、 日本のコミュニとは、 下層大気の温暖化の程度を理解することにつながティにおいても、 複数機の人工衛星による超高層大気観ると考えられる。 下層大気環境を映し出す鏡としての中測を実現する必要がある。テーマ 10 の Q4 も参照のこと。

層 ・ 超高層大気の役割を認識し、 中層 ・ 超高層大気の中期・長期変動について調べることが望まれるが、 中期・

b. 温室効果気体の増大に伴う中層 ・ 超高層大気寒冷

長期変動を議論するためのデータの蓄積が不足してい化ることから、 不確定さも多く含まれている。 また、 人工衛(1) 研究の現状

星軌道データからの超高層大気密度の経年変化推定
量と、 GCM シミュレーションからの推定には食い違いも対流圏と異なり、 中層 ・ 超高層大気の領域では、 温69

見られる。

を引き起こすと考えられているが、 どの高度でどれだけの破壊に寄与するかなど、 定量的な理解は進んでいない。
また、 O3 減少が起こる領域の広がりも正しくは把握され(2) 今後の研究
人工衛星軌道データの再解析など、 過去のデータをてはいない。

再度吟味し、 データ校正などを行う必要がある。 観測、モデルの精度向上により、 微小な寒冷化のシグナルをと(2) 今後の研究らえることが望まれる。 過去から現在まで継続して行わ

成 層圏 か ら 熱 圏に 至 る大 気領 域 の同 時 観 測 や、れている観測を、 さらに長期にわたって維持 ・ 発展させ

GCM シミュレーションにより、 極域下部熱圏や中間圏

る必要がある。 Q5 も参照のこと。

で生成された NO がさらに下方の大気領域に与える影響を定量的に評価することが望まれる。 そのため、グローc. 極域超高層大気が下層の大気に及ぼす影響

バルな観測ネットワークの構築や、 人工衛星による超高(1) 研究の重要性と現状

層大気領域の大気微量成分、 ダイナミクスの観測を実太陽プロトン現象やオーロラ現象に伴って、 極域下部施する必要がある。 さらに、 精密な光化学モデルを構築

熱圏や中間圏では一酸化窒素 （NO） が生成されることし、 超高層大気 GCM への組み込み、 または連携したが知られている。 この NO は下方へ輸送され、 また、 大

数値計算を実施する必要がある。 テーマ 10 の Q3 も参気循環の影響により中低緯度へも広がると考えられてい照のこと。

る。 輸送された NO は上部成層圏のオゾン （O3） 破壊

Q5: ＜多圏相互作用について＞ 超高層大気、 大気、 陸面積雪と植生、 海洋のどれを経由する
影響が大きいか？
でなく、 季節予測などの予報精度向上にも繋がると思わ

ここでは、 超高層大気、 中層大気、 下層大気、 陸域、れ、 今後の重要な研究課題となろう。

海洋／海氷等の間に見られる多圏相互作用、 または、北極域と他領域の間で働くフィードバックの力学的過程

最近の研究では、 海氷減少がもたらす大気循環の変や、 エネルギー、 水の輸送過程などに注目する研究方動の研究に代表されるように、 下部境界から対流圏大針を提起する。

気への影響の研究が新しい方向として注目されつつあり（テーマ 5Q1 参照）、 この方向性を今後さらに深化させる

a. はじめに ： 考えられる研究課題

必要があろう。 その上で、 逆の方向、 すなわち、 対流圏

地球上の多圏相互作用の解明には、 対流圏大気と大気から海氷、 海氷等の下部境界への影響の研究を

他の圏の相互作用の把握が一つの重要なテーマになる

併せ （例えば、 Q2 参照）、 海洋／海氷－大気、 またはと思われる。 なぜなら対流圏の大気は、 その下部境界

陸面－大気間の 「相互作用」 系としての描像に迫る事がとしての海洋、 海氷そして陸域と強く相互作用している一重要である。

方、 同時に上方に存在している成層圏や中間圏などの上層大気とも密接に相互作用して、 その循環を形成して

b. 大気と下部境界としての海洋 ・ 海氷との相互作用いるからである （図 17 参照）。 すなわち、 他の圏と比べ季節内の時間スケールでの、 大気と下部境界との相

対流圏大気は相互作用の 「相手」 が多いと言える。 も互作用過程の解明は、 季節予報の精度向上も期待でき

ちろん、 対流圏大気があまり関係しない相互作用 （例る興味深い研究テーマである。 近年の研究では、 例え

えば海洋循環と陸域水循環の関係等） も地球システム

ば、 バレンツ海の海氷減少と冬季東アジアモンスーンとの中で重要な役割を果たしている。 これらの相互作用のの関係の研究が注目されている （テーマ 5Q1 参照）。 し

テーマは近年ようやく取り上げられるようになったばかりでかし、 そのプロセス一つをとっても、 低気圧経路が重要あり、 Question1 ～ 4 でも一部例を挙げたような、 様々（Inoue et al., 2012） なのか、 定常ロスビー波応答 －な研究課題が数多く残されている。 このような課題の解

つまり偏西風の蛇行の励起－ が重要 （Honda et al.,

明は、 気候システムの季節内、 または数年から数十年2009）なのか、未だに完全には判明していない。ましてや、

以上の時間スケールの変動の理解をより深化させるだけ

他の海域の海氷の大気への影響の研究はまだ緒につい70

たばかりである。 海洋 （SST 偏差等）、 または陸域 （積波と重力波双方の活動とその基本場への影響を考慮し雪分布等） の大気への影響の研究についても同様であた研究、 さらに Question4 で触れたような大気微量成

り、 これらの研究の進展が望まれる。

分の輸送の正確な把握のための研究などが重要であ

数年から数十年以上の気候変動の解明は、 地球温る。 さらに、 成層圏突然昇温に起因する中間圏 ・ 熱圏

暖化との関係もあり、 今後も重要な課題であり続けると思大気変動が、 観測的にも GCM シミュレーションからもわれるが、 ここでも相互作用の解明が鍵となる。 AO や明らかになってきた。 成層圏から中間圏 ・ 熱圏大気まで

NAO、 PNA、 PDO、 AMO 北大西洋数十年規模振の変動を引き起こす物理機構の解明などの研究テーマ

動等の気候変動モードの変化など興味深い研究課題に関し今後の進展が期待される。

が山積している。 現在、 または将来の気候変動が、 自然変動の範疇なのかそれとも人為的な原因によってもたe. 陸起源物質の海洋流出に伴う水 ・ 物質循環の役割

らされたものなのかを見極めるためにも、 相互作用系の以上では、 大気が関係する相互作用に関し記述して理解を含めたさらなる研究の発展が必要である。 特に、

きたが、 大気を介さずに陸圏と海洋圏が直接持つ相互上記の気候変動モードのように自然変動が大きい現象に作用の研究も大きな課題となる。 具体的には、 気候シス

ついては、 モデルと観測データを合わせた慎重な検討

テムにおける陸起源物質の海洋流出を介した水 ・ 物質が必要である。

循環の役割の解明などが、 今後の大きなテーマになると地球温暖化に代表されるような、 数十年から数百年思われる。 河川などを通じた陸からの物質流出は、 海より長い時間スケールの気候変動の研究も重要である。

洋の生物生産に大きな影響を与える（テーマ 3、9 参照）。

例えば、 Q2 で触れた Chapman and Walsh （2007）

栄養塩はもちろんのこと、 金属元素も重要な役割を持っに代表されるような大気循環変動に伴う海洋循環の変動ている。 北太平洋亜寒帯域のように栄養塩は十分だがの研究や、 または、 その逆の影響の研究などが注目さ

鉄が不足しているところでは、 微量とは言え、 鉄が河川れるようになると思われる。

および大気を経由して海域に入ることで生産性を高める。
鉄は溶存鉄として陸域に存在しており、 その形態は水環

c. 大気と下部境界としての陸域との相互作用

境や植生などに依存する。 森林とその周辺の河川では、

陸域では、 植生、 積雪、 凍土が相互作用しながら変鉄と錯体を形成する溶存有機物が多量に存在するため動し、 その結果、 地表面－大気間のエネルギー水交換

溶存鉄が多く、 河川から海洋に入ると植物プランクトンにや物質交換などを通して、 広域の気候変動に影響を及利用される。 しかし、 自然環境であるか人為的な開発でぼしている。 植生、 積雪、 凍土のプロセス解明は、 現

あるかにかかわらず、 森林がない土壌から流出する鉄は

地観測や詳細なプロセスモデルによって着実に進められ海洋に入ってからすぐに粒状鉄として沈降してしまうので、てきた。 それらの広域的な変動を定量的に把握すること

生物に利用されない。 気候変動により中緯度で特定のが広域の気候変動への影響評価に必要なステップにな

陸域の降水量が減ると、 鉄化合物の形態が変わり、 海る。 植生分布や積雪域など一部の物理量については衛

洋生態系に影響を及ぼす可能性がある。

星データが蓄積されつつあり、 広域変動の定量評価にも利用されている。 しかし、 広域評価の手法確立を含

f. 北極域に影響を及ぼす領域の淡水収支

めた基礎的な研究が必要な物理量 （土壌水分や土壌

テーマ 4 で水循環を記述し、 北極海の淡水収支を取条件など） もある。 また、個々のプロセスの役割をスケーり上げている。 また、 テーマ 2 では北極海上層の海氷・ルアップして広域的な定量評価に繋げることが今後の課

海洋結合システムの状況を詳しく説明している。 テーマ

題である。

1 は北極域のエネルギー輸送に注目するものの、 それに伴う水循環の仕組みも示している。 本テーマでは、 こ

d. 対流圏、 成層圏、 中間圏、 熱圏大気の相互作用

れらの取り組みと連携し、 北極域河川の流域における正対流圏 ・ 成層圏力学結合や、 または中間圏 ・ 熱圏

味降水量 （降水から蒸発を差し引く） を推定するために、大気とそれよりも下層の大気との上下結合の研究もまだ

大気中の水蒸気輸送を精査すること、 そして北極海と太緒に就いたばかりである。 Question1 で触れたような、平洋、 大西洋の間の淡水輸送を解明する研究に力を注

対流圏／成層圏間の双方向の影響の理解や、 ロスビー

ぐ。 北極域とつながる地域にも目を向け、 大気中の水蒸

71気輸送と比較検討する対象として、 北太平洋と北大西洋などの多圏相互作用の振る舞いを解明することが、 大きの正味降水量の調査研究を進める。 その際に注目するな軸となる。 その解明なしには、 例えば、 南北熱水輸のは、 大気循環パターンの経年変動であり、 Q1 に示し送の定量化等の課題に取り組む事は困難であると考えた研究の焦点を踏まえることが基本となる。 また、 両大られる。 AOMIP85 などのプロジェクトは、 これらの問題

洋の亜熱帯、 亜寒帯まで含めた塩分輸送の調査と解明の解明に大きな役割を果たしうる。 相互作用研究には、を進める活動に際しては、 全球海洋コンベアベルトのメ

地球システムモデルの利用が重要な役割を果たすが、 さカニズムにも注目した研究に取り組む。

らに、 データ同化の適用によって、 データ誤差も的確に考慮して各要素モデルを検証する。 地球システムモデル

g. 全体を通じた研究方針に大気変動パターン、 それに影響される水循環、 そして

上記の議論をふまえると、 今後の研究方針は以下の

植生分布までを含めることにより、 物質循環への影響も通りとなろう。 まず、 大気海洋結合系、 大気陸面結合系調査する事が重要である。

テーマ 6 ： 古環境から探る北極環境の将来
要旨

十年を対象とした研究のみでは不可能である。 過去数

北極域の温暖化が氷床や海氷、 凍土、 植生、 大気

千万年には、 大気中 CO2 濃度が現在よりはるかに高くエアロゾル等に与える影響や、 それらによるフィードバック

氷床が存在しなかった時代や、 北極気温 ・ 氷床が地球が注目されているが （図 21 参照）、 変動の時間スケー

軌道要素に伴って周期的に大きく変動した氷期−間氷期

ルが万年以上におよぶ北極気候システムの全容を理解

サイクルなどがあり、 それらの研究を通じて北極気候シスすることは、 現在や近代的観測データのある過去百数テムを解明し数値モデルを検証することができる。 ここで

図 21 種々の気候フィードバックと、それらによる CO2 倍増時の全球温度変化。 各気候要素の時間スケー
ルや、 各設問と気候要素との主な対応関係も示す。
AOMIP ： Arctic Ocean Model Intercomparison
Project
85

72

は、 モデルとデータの連携により北極古環境の復元とメ

然変動は現在と異なっていたか？

カニズムの理解を目指すため、 5 つの Questions を挙研究手法としては、 データについてはアイスコア （氷げた。

床や氷河を鉛直に掘り出した柱状の氷） や海底コアのQ1: 過去の北極温暖化増幅は現在とどれほど異なり、採取と分析、 陸上および海底の地形地質調査などであ

その要因は何か？

り、 モデルについては気候と氷床、 植生、 固体地球等

Q2: 過去のグリーンランド及び大陸の氷床はどう変動の多要素を結合した地球システムモデルの開発と長期し、 その要因は何か？

間 ・ 多数のシミュレーションである。 過去に起こった温Q3: 過去の北極海の環境はどのようなものであったか

暖期の環境を復元し理解することが特に重要だが、 氷（特に、 海氷と生物生産について） ？

期や退氷期に繰り返された突然の気候変動や、 数年か

Q4: 過去の北極陸域環境は現在とどれほど異なり、ら数百年スケールの自然変動など、 気候システムの不安

大気組成や気候とどう関係したのか？

定性や変動性に関する研究も重要である。

Q5: 過去の北極における数年～数百年スケールの自はじめに
地球大気の CO2 濃度は時代により大きく異なり、 約す役割が注目されている。この役割を明らかにするうえで、

5500 万年前には 800 ppm 以上の高値であった（表 1）。

過去の北極域の環境を復元し、 CO2 濃度や日射量と環温室効果により地球表面気温は高く、 北極海の水温は境条件の関係を明らかにしてゆくことは、 重要なアプロー

18℃以上、 亜熱帯性シダ類の繁茂した時代もあった。

チになりうる。

さらに時代が下り、 鮮新世では CO2 濃度は 330 ppm

古環境研究は、 過去の気候、 環境を復元し、 その以上あり、 カナダ北極諸島に巨木の森林が広がってい変動メカニズムを明らかにすることを目的としている。 海た。 12.5 万年前の最終間氷期や 1 万年前の前期完新底、 陸上、 氷床に含まれる物質を様々な手法により分世には高い夏季日射を反映して北極域のツンドラは消失

析し、 年代を与え、 環境変遷を間接的に復元、 解釈すし、 タイガ林が北極海に面して広がっていた。 他方、 繰る （ボックス 1 参照）。 また、 メカニズムを明らかにするたり返し起きた氷期には、 北極域の広い範囲で氷床が成めのコンピューターシミュレーション （数値モデリング） も長し、 北極海は棚氷と海氷に覆われた。 CO2 濃度や日進展してきた。 古環境研究は、 過去の現象に関する知射量の違いは地球全体の気候に影響を及ぼしたと考え見を与えるだけでなく、 気候モデルの検証や高度化なられるが、 北極域の変化はどこよりも大きかった。

ど、 将来予測に関する意義も大きい。 とりわけ、 氷床や

現在、 北極域の温暖化が進行中である。 北極域に植生、 炭素循環など、 変動の時間スケールが数年からは温度変化に対して敏感な海氷、 凍土、 ツンドラ植生

数万年までと極めて幅が広い要素の変動を復元し、 そなどが広範囲にひろがり、 その気候変化の増幅に果たのメカニズムを理解することは、 たかだか 100 年程度を

表 1 北極古環境復元の温暖期ターゲット

73

対象とした現在気候の研究では不可能である。 そのた

暖化やその影響の理解を深めるには、 過去に起こっため、 気候科学が社会的要請に応えるためにも、 古環境

温暖期の理解を深めることが重要である （表 1）。 例え

研究は重要である。 こうした北極域での古環境研究のば、 大気中 CO2 濃度が現在より有意に高く氷床が存在進展には、 1990 年代に始まった地球圏－生物圏国際しなかった時代や、 北極気温や氷床が周期的に大きく

協同研究計画 （IGBP） 傘下の古環境変遷研究計画

変動した氷期−間氷期サイクルの中の間氷期がある。 ま（PAGES） による推進力が寄与している。 日本においた、 氷期や退氷期における氷床変動や突然の気候変ても、 PAGES の設立当初から日本学術会議 IGBP 分動などは、 将来起こりうる気候システムの不安定性の発科会 PAGES 小委員会により大きな貢献を行ってきた。

現に関する知見を与えるため、 これらの時代も重要であ

また、 多くの国際研究プロジェクトに国内のコミュニティやる。 最近の 1000 年間にも温暖期があり、 年々から数十個人が貢献してきた （アイスコア掘削研究、 北極海海底

年スケールの気候や温室効果気体の復元に加え、 太掘削、 古気候モデル比較など）。

陽活動や火山活動の復元、 全球気候モデルによる再現

北極域における気候変動や気候感度の特徴につい実験も活発に行われるようになってきた。

て、 古気候データとモデリングの両面による研究が進めしかし、 定量的かつ空間的に密な古環境復元や、 古られており、 IPCC 評価報告書でも多くの紙面が割かれ

環境データとモデルとの連携には、 まだ課題も多く残さている。 過去数千万年の間には、 現在より明らかに高れている。 以下では、 北極古環境に関する主要な問い温であった時代や、 気候モデルの検証に利用できるイを挙げ、 研究の現状と課題を整理する。

ベントは豊富にある。 とりわけ、 今後加速しうる北極の温Q1: 過去の北極温暖化増幅は現在とどれほど異なり、 その要因は何か？
については、 データとモデルの双方に課題があることがa. 研究の重要性と現状
数千万年間をさかのぼって長期的な気候の変遷をみわかってきた。 データについては、 代理指標から海水面ると、 大気中 CO2 濃度の高い時代には気温や海水温

温度への較正曲線を季節によって変更する必要性が指が高く、 CO2 濃度が低下するにつれて氷床が出現し発摘されている。 一方、 モデルについては、 極域の雲の放達してきたことが分かる。 北半球氷床の拡大とともに、 夏射過程や、 海洋による熱輸送過程の妥当性を精査するの日射量の変動にともなう氷期−間氷期サイクルが発現必要がある。 また、 陸上植生についてもデータとモデルし、 その振幅が拡大してきた。 この間の気候変動の要の整合性を精査する必要がある。

因は様々であるが、 現在までに得られているデータから、

過去 100 万年間の氷期－間氷期サイクルの中の間氷

いずれの場合にも極域気温増幅が存在していたことが期は、 グリーンランド以外の北半球氷床が消失した時期分かっている （図 22）。

である。 最近 5 回の間氷期の中には、 現在より温暖か

ロモノソフ海 嶺で 2004 年に行われ、 日本も参加しつ 10 ～ 20m も海面が高い時期もあったが、 CO2 濃度

た北極海掘削計画 86 により、 北極点近傍において過は 280 ± 10 ppm 程度と同程度であり、 放射強制の主去 5500 万年前に遡る記録が得られた （Moran et al.,

な違いは軌道要素の変動による日射の分布の違いによ2006）。 堆積物の有機化合物の分析により、 北極海のる。

水温が 5500 万年前の暁新世 ・ 始新世境界前後では例えば、 最終間氷期における北半球の夏至の日射量18℃であり、 温室効果気体が短時間に放出された境界は 126,000 年前に最大となったが、 その値は完新世の温暖極大期では 24℃に達したことが示された。 この約最大値より 1 割程度も大きかった。 この時期には、 特に

5000 万年前の始新世前期温暖期と、 約 350 万年前の北半球陸域で現在より気温が高く、 森林が北上し、 海

鮮新世中期温暖期の 2 つの時代では、 日本を含む 5

面が現在より 5 ～ 10 m 高かった （氷床が縮小していた）

つ以上の研究グループによって、 モデルとデータの比較ことを示す証拠が見つかってきた。 また、 中部北極海がが行われた。 その結果、 低緯度では、 モデルはデータ

季節海氷域であった証拠があり、 夏季気温が現在よりもに比べて気温を過大評価し、 極域では逆に過小評価し高かったと推察される。 日本が掘削と解析に参加した最ていることがわかってきた。 特に、 極域における不一致

新の国際氷床コア掘削プロジェクト （NEEM 計画） の北極海掘削計画 ： Arctic Coring Expedition （ACEX）

成果によると、 グリーンランド内陸北西部の年平均気温8674

図 22 始新世 （Eocene）、 鮮新世 （Pliocene）、 最終氷期最盛期 （LGM） の気温 （SAT） と水温分布 （SST） のデータ モデル比較 （IPCC AR5 Box 5.1, Fig. 1, Comparison of data and multi-model mean (MMM) simulations, for four periods oftime, showing (a) sea surface temperature (SST) anomalies, (b) zonally averaged SST anomalies, (c) zonally averaged global(green) and land (grey) surface air temperature (SAT) anomalies and (d) land SAT anomalies. The time periods are 2081–
2100 for the Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 (top row), Last Glacial Maximum (LGM, second row), midPliocene Warm Period (MPWP, third row) and Early Eocene Climatic Optimum (EECO, bottom row).）は現在より 8 ±4 ℃も高かったと推定されている（NEEM

動が氷床コア同位体による気温復元に考慮されていない

project members, 2013）。

点などが挙げられている。

最終間氷期について、 日本を含む 16 の気候モデル

現在の間氷期 （完新世） における北極域は、 大陸が参加した国際データ－モデル比較プロジェクトが行わ

氷床が最後まで残った北米大陸の一部地域を除いて前れ （IPCC AR5 の図 10.9）、 日射と大気組成などの時期に暖かかった。 これは、 夏季日射量が現在より大き間変化を考慮した実験も 7 つのモデルにより行われた。

く、海氷などの雪氷圏に影響したためであると考えられる。

その結果、 海面水温にはデータとモデルの結果に有意過去 2000 年間の北半球の気候変動は、 西暦 950 ～な差がないが、 12 月～ 2 月の陸上気温には有意な差1250 年頃の中世温暖期と、 1450 ～ 1850 年頃の小氷があるため、 気候モデルの結果は高緯度の陸上におけ期で特徴づけられ、 北極域の変動幅は北半球平均とる年平均気温の復元データを大幅に下回っていることが比較して顕著に大きかった。 過去 2000 年については、明らかになった。 このようなデータとモデルの食い違いの温室効果気体や太陽放射、 火山といった主な放射強制要因として、 モデルの雲や海氷、 植生などのプロセスの力が時間的に密に復元されている。 それらを入力デー

表現が不十分な点や、 海氷の縮小による水蒸気源の移タとして、 大循環モデルによる時間発展型の数値実験が75

可能になっており、 日本も参加中の古気候モデル比較プ

床表面過程と言った素過程の精査と気候モデルへの反ロジェクトが国際的に推進されている。 北半球平均気温映である。 これらのデータとモデル双方の改良と時代毎においては、 気候モデルの結果は、 復元データの不確の比較を繰り返して行くことが不可欠である。

実性の範囲に入っているが、 北極域におけるモデル間

放射強制力と気候の関係を示す古気候データを解釈

やデータとモデル間の整合性は低い。 また、 放射強制する際には、 氷床を初めとする雪氷圏や植生による気温力や気候復元データの不確実性も大きいため、 北極にへのフィードバックを考慮することが、 不可欠である。 温

おける気候感度を強く制約することは現時点では難しく、暖化に対する氷床や植生の反応は、 数百年、 数千年

今後の大きな課題とされている。

と長期に及び、 その北極気温増幅や全球平均気温への影響も長期間持続する。 このような長時間スケールのb. 今後の研究

フィードバックも含めた （CO2 濃度増加に対する） 温度

堆積物やアイスコアにより、 過去の気温や水温の復元

変化は、 「地球システム気候感度」 と呼ばれ、 短い時が進められてきており、 気候モデルによる再現実験も増間スケールの気候フィードバックのみを考慮した 「気候加してきている。 しかし、 代理指標データから温度に換感度」87 より大きな値を取る （図 21）。 気候モデルと古気算する過程で生じる誤差や、 気候モデルにおいては氷候データの比較に基づく研究によると、 地球システム気

床 ・ 気候間の相互作用を考慮しないなど、 発展途上の

候感度が気候感度の 2 倍に達する時期もあり、 その値段階にある。 また、 古気候情報を用いた気候感度の推は気候状態によって異なる （PALEOSENSE Project

定研究は存在するが、 北極に着目した研究例は少ない。

Members, 2012)。 今後、 長期の古気候情報を将来予

極域気温増幅や、 氷床による海水準変化について定量

測に定量的に役立てる際には、 地球システム全体を考的復元と要因分析を行うため、 古環境 （温室効果気体、慮にいれた気候モデリングと古気候指標による統合的研

エアロゾル、氷床、海洋海氷等） に関する代理指標デー究が必要である。 特に、気候モデルのパラメータや構造、タの取得と、 地球システムモデリングによる古環境再現

境界条件など全ての不確実性を考慮したモデル再現性

実験との連携が不可欠である。

の評価が重要となる。 そのためには、 過去の境界条件

これまで多くの古気候時代断面について、 データとモの精緻な把握や、 多くの時代を対象として気候モデルにデルの比較を行ってきており、 それらを通じて見えて来た

よる再現実験、 そのための計算資源の確保が不可欠で課題が多々ある。 データについての課題は、 代理指標ある。 多点かつ長期にわたる試料の取得 （氷床 ・ 氷河から温度への較正曲線の季節依存性や気候依存性のコア、 孔温度、 海底堆積物、 凍土試料など） や、 プロ

考慮をしつつ、 新生代の北極海海底コアやグリーンラン

キシ ・ 分析手法開発、 それらを駆使した大量かつ高分

ド氷床コアのデータ不足期のサンプル取得と分析増強で解能のデータ取得、 プロキシデータ同化による解釈などある。 一方、 モデルについての課題は、 特に極域の雲が必要である。 また、 古環境と現在をつなげるために、－エアロゾルの放射過程や、 海洋－海氷による熱輸送

西暦 2000 年代以降をカバーする環北極古環境アーカ

過程や成層形成過程の妥当性、 そして植生や陸面／氷イブの取得も必要である。

Q2: 過去のグリーンランド及び大陸の氷床はどう変動し、 その要因は何か？ 気候変動との関係と海面水位への寄与は？
a. 研究の重要性と現状異なるヒステリシス構造を解明し、 モデルで再現するこ(1) 氷床変動メカニズムと将来予測とが極めて重要であると分かった (Abe-Ouchi et al.,

氷床の盛衰は、 海水準や大気 ・ 海洋循環等の変化

2013)。 また、 氷床の応答時間スケールは非常に長いを通じて地球環境に大きな影響を与える （テーマ 4 参

ため、 過去の気候変化が数百年以上にわたって影響を照）。 気候変化に対する氷床の応答は、 気温上昇と低及ぼす懸念がある。 実際、 国際モデル比較 SeaRISE

下について異なる 「しきい値」 があり、 それらを超える（Bindschadler et al., 2013） か ら、 過 去 13 万年 のと大きく形状や体積が変化するヒステリシス構造を示す。

87

気候感度 : 海洋表層や雲、 水蒸気の変化など、 全体の応答が数十年程度で完結するフィードバックのみを考慮した温度変化。 通常は、 CO2 濃度を 2 倍にしたときの地球平均地
上気温変化を指す。

氷期－間氷期サイクルの数値シミュレーションから、 温暖化による急激な氷床後退の推定には、 氷床ごとに76気候変動への氷床応答の履歴の考慮の有無が、 今後

構造、 氷河運搬物質による堆積地形などが存在するこ

100 年の氷床体積変化の推定に 40% もの違いを生むとが分かっている。 ロモノソフ海嶺とチュクチ海周辺での可能性が示された。

調査により、 氷塊が大陸から中部北極海に広がってい将来の氷床変化を正確に制約するには、 過去実際にたことや、 東シベリア海の大陸棚上に氷床が存在した可起こった氷床変動の様相や駆動要因を明らかにし、 モ

能性も指摘されているが、 証拠は断片的である。 これら

デルによる再現を高度化することを通じて、 外部強制力の氷床分布を気候－氷床モデルにより再現し、 氷床変に対する氷床応答の不確定性を低減することが重要で動プロセスの理解につなげようとする研究が盛んに進めある。 特に、 過去から将来を通じて、 氷床の消滅をもたられつつある。

らす気候や CO2 濃度のしきい値を正確に把握することが不可欠であり、 そのためにはヒステリシス構造の把握に(3) 過去のグリーンランド氷床
約 300 万年前に始まったグリーンランド氷床の拡大とつながる古気候の数値実験とデータが今後必要である。

CO2 との関係や、氷期－間氷期における北半球氷床 （北(2) 過去の氷床分布の復元

米やユーラシア西部、 グリーンランドの氷床） の軌道要

陸上や海底に残された地形 ・ 地質学的証拠 （氷河素や CO2 に対する応答について調べられつつある。 特

浸食地形など） や、 氷床の痕跡の調査から、 過去のに、 現在より海面が 5 ～ 10m 高かった 12.5 万年前の氷床の縁辺位置と年代を特定することで、 氷床の拡大

最終間氷期や、 2 万年前の最終氷期最盛期から現在に範囲を復元できる。 氷床が縮小していた間氷期についかけての氷床融解の時代は、 氷床分布や体積、 変動ては、 海底堆積物コアと陸上地質分布との対応関係に要因となる気候状態を復元するための記録が比較的多く

基づいて氷床分布を推定できる。氷床体積の復元には、得られ、 気候－氷床結合モデルによる再現も始まってい世界各地の相対海面高度データから氷河性地殻均衡

る。

モデル

88

日本も参加したグリーンランドのアイスコア掘削 ・ 解析を用いてインバース法によって求める方法が主流である （テーマ 11 参照）。

や、 南部の海底堆積物コアの解析によれば、 最終間

また、 北極海では、 氷期の海面低下により大陸棚が氷期の NEEM 地点 （図 23 の”NE”） の気温は、 現

露出し氷床で覆われていた時期もあり、 水深 1000 m ま

在より 8 ± 4℃も高く表面融解が多発していたが、 氷床での海底に、 過去の氷山による侵食痕や氷河性の線状

縮小量は海面換算でたかだか約 2m 以下と見積もられ

図 23 最新の氷床モデルで計算された最終間氷期のグリーンランド氷床の分布 (IPCC AR5,
Figure 5.16, Simulated GIS elevation at the Last Interglacial (LIG) in transient (Q, R, S) andconstant-forcing experiments (B).)
氷河性地殻均衡モデル ： Glacial Isostatic Adjustment（GIA） モデル
88

77

た （NEEM community members, 2013）。 氷床モデである。

ルによる再現はモデル間の相違が大きく （図 23）、 それらの優劣を判定するためのデータも不足している。 一方、(2) 地形地質調査を軸とした氷床分布の復元

約 40 万年前の間氷期には、 夏の日射は弱かったにもか

過去の間氷期の海底堆積物と陸上地質との対応関

かわらず海面が現在より 10 ～ 20m 高く、 グリーンランド

係を、 氷床が存在したと考えられる地域 （特にグリーン

氷床が大きく後退し植生が存在したことが、 アイスコア解ランド） の大陸棚において、 多点で精査する必要があ析から示唆されている。 モデルでの再現は成功しておらる。 陸上に残された氷床縮小の痕跡を調査し、 氷床末ず、 氷床後退の要因は謎である。

端位置や氷床底環境、 隆起海浜地形などを広域かつ最終氷期のグリーンランド氷床は大陸棚まで拡大した

詳細に復元する必要がある。 最近では、 衛星観測によと考えられているが、 海底探査による証拠は南部の一部

る重力場の時間変化と GIA モデル計算による氷床変に限られており、 陸上の証拠も断片的である。 氷床後動が議論されており、 現在の氷床変動の成分との分離

退期の旧汀線高度データに大きな誤差が含まれているが課題である。 詳細な海水荷重の GIA モデル化には、可能性が示されており、 データとモデルで整合的な結果

海水準変動に対する地球回転変動の効果の導入、 地は得られていない。

球内部粘性構造の考慮、 測地データと氷床モデルの密接な連携が不可欠である。

b. 今後の研究

さらに、 長期の氷床縁位置と後退過程の復元には、

今後、 モデルとデータの連携により解決すべき問題とシベリアの大陸棚および大陸斜面での砕氷船による海しては、 下記が挙げられる。

底調査とマルチビーム地形データ解析が重要である。

・ 過去のグリーンランド氷床の拡大と後退、 しきい値

また、 氷河地形の形成時期を押さえるため、 海底堆積決定メカニズムの把握。

物コアを採取し層序対比を行う必要がある。 未だ知られ・ 約 100 万年前の北半球氷床の卓越周期の変化 (10ていない氷床範囲など北半球氷床発達史の新知見をも万年周期から ) の解明

たらし、 古気候モデリングの検証にとっても価値が高いで・ 北極海周辺の氷床はいつどのようなプロセスで存在

あろう。

したか。
・ 40 万年前の間氷期の海面はなぜ著しく高く、 グリー(3) アイスコア
グリーンランド氷床の変動史を明らかにしていくためにンランド氷床は大きく後退したか。
・ 氷期サイクル、 退氷期の北半球氷床およびグリーン

は、 選ばれた地点における深層掘削および多点におけ

ランド氷床の詳細再現、 しきい値把握。

る浅層掘削の両方が必要である。 特に、 大規模かつ速・ 氷期における氷山大規模流出イベントの発生条件とい流れを持つ北東部の氷流や、 最終間氷期から現在

周期、 規模の決定メカニズムの把握と再現。

にかけての連続気候記録、 氷床底部氷の解析による氷床被覆開始の年代同定などが重要であり、 日本としてもこれまで同様に今後の国際掘削計画への積極的参加が(1) 氷床－気候モデル

必要である。

過去の氷床の謎を解き明かすには、 日射や温室効果
気体といった外部強制力に対する気候と氷床の非定常

氷床と気温の変動をアイスコアから精度よく見積もるに応答を、 氷床−気候結合モデルによる数値実験で再現

は、 水同位体データの正確な解釈が欠かせず、 そのた

し、 データとの比較検証を通じてメカニズムを理解する必

めには氷床変動 ・ 流動変動の考慮が不可欠である。 同要がある。 モデルの高度化の課題は、 (1) 氷床と海洋と時に、 氷床変動の精度よい復元には、 復元される古環の相互作用、 (2) 底面プロセス、 (3) 大気－表面質量収境の情報が重要な要素であり、 お互いに依存している。

支プロセス、(4) 氷床－固体地球相互作用の高度化、(5)

同化手法等を用いてそれぞれの最適な再現を目指すこ

モデルの高解像度化などである。 また、 氷床モデルをとが今後重要である。 そのためにも、 グリーンランド氷床

他のモデル （大気、 海洋、 GIA、 植生等） と直接／間や環北極氷帽 ・ 氷河の多点における浅層 ・ 中層掘削を接に工夫して結合する必要がある。 古気候データを活か展開して行く必要がある。

した実験のため、 膨大な計算機資源と基盤整備が必要

78

Update 2018 10

グリーンランド深層氷床掘削プロジェクトをめぐる近年の状況
グリーンランド北西部で実施された NEEM（North Greenland Eemian Ice Drilling）計画では、水の酸素安定同位体比及び氷から抽出された気体の分析により、最終間氷期における気温、氷床高度、氷床
表面融解が明らかなった（NEEM community members, 2013）。この他、アイスコアの様々な分析が行われているが、ハロゲン成分による北極海の海氷復元（Spolaor et al., 2017）や、氷を昇華させエア
ロゾルを直接分析する手法による水溶性エアロゾルの化学形態の研究（Oyabu et al., 2015）、ブラック
カーボンやレボグルコサンによる森林火災の復元（Zennaro et al., 2014）など、新しい古環境プロキシを用いた研究の成果が続々と報告されている。NEEM の深層コアの全層にわたってアイスコア連続融解分析システムによる分析データも取得され、過去 13 万年の環境変動が高時間分解能で復元された（論文投稿中）。一方、掘削孔の観測データから、急激な気候変動に伴い数メートル～数十メートルの深さスケール
で激しく変わる不純物濃度の変動に連動して、掘削孔の変形速度が大きく異なることも明らかになった。
今後、掘削孔データの詳細な解析を行い、その結果を氷床モデルへ組み込むことで、氷床モデルを高度化できることが期待される（グレーベ他、2017）。
2008 年に NEEM で深層掘削が開始された後、グリーンランド氷床では、夏期に氷床内陸部が融解したり、海への流出が加速するなど、それまで予測されなかった大きな変化が生じている。グリーンランド氷床の変動は海水準だけでなく、海洋循環や気候の変動と密接な関係があるため、地球温暖化に伴う今後の変動が注目されている。しかし、海への流出を支配する氷床流動のメカニズムは未解明である。これを解明す
ることを第一の目的として、北東グリーンランド氷流の上流部で新たな国際深層掘削プロジェクト（TheEast Greenland Ice-core Project, EGRIP 計画）が開始された（http://eastgrip.org/）。従来の深層掘削地点とは異なり、EGRIP 地点では水平方向の流動速度が大きく（年間約 60m、Vellelonga et al., 2014）、アイス
コアの物理解析や掘削孔の観測により、氷の変形履歴や変形メカニズムに関する新たな知見が得られると期待される。
EGRIP 計画の第二の目的は、現在よりも温暖だった完新世
初期の表面質量収支や環境を詳細に復元することで、将来の温暖化に伴う表面質量収支変動や環境変動の予測精度の向上に貢献することができる。日本は EGRIP 計画に参加し、アイスコアの掘削や様々な解析、さらに氷床上での現地観測を実施している。
新たな深層掘削計画が実施されるたびに、新たな古環境プ
ロキシや分析法が開発され、過去の気候・環境変動に関する情報が格段に増えた。しかし、海氷のプロキシなど、まだ確立されていないプロキシも多く、発生源からの輸送過程や氷床に取り込まれる過程での変化が未解明のプロキシも多数ある。今後、新しいプロキシや分析法の開発を進め、
アイスコアの高時間分解能分析を実施するとともに、大気、
降雪、水蒸気、エアロゾルの観測や氷床表面付近での様々な物質の変化に関する観測なども推進する必要がある。また、様々な気候・環境変動の地域差からそのメカニズムを探ることができることが期待され、浅層掘削だけでなく深層掘削も多点で行う必要がある。
図 U-11 グリーンランド氷床の表面流速と最近の深層掘削地点（Vallelonga et al., 2014 を改変）

79

Q3: 過去の北極海の環境はどのようなものであったか。 とくに海氷と生物生産について
ロモノソフ海嶺で 2004 年に行われた深海底掘削

a. 研究の現状
北極の気候を理解するうえで、 海氷アルベド ・ フィード

IODP ACEX に よ り、 北 極 点 近 傍 に お いて 過 去

バックを評価することが重要であり、 このためには、 過去

5500 万年前に遡る海氷記録が得られた （図 24 にとりの海氷分布を正確に知ることが必要である。 過去の氷

まとめ、 Moran et al., 2006）。 IRD の出現 から、 海床の分布が過去の北半球の大気循環に及ぼす影響は、氷の形成は 4700 万年前前後に始まったことが明らかに

気候モデルにより検討が行われてきたが、 海氷が及ぼなった。 1600 万年前から 1300 万年前にかけて多年氷す影響については検討が少ない。 これは、 過去の海氷が形成された。 300 万年前以降の寒冷化に同調して、分布が詳細には明らかにされていないためである。 海氷

北太平洋、 北大西洋、 ノルウェー海では海氷が広がっ

プロキシをさらに洗練し、 多数の地点で冬季と夏季の海た。 12.5 万年前の最終間氷期では、 中部北極海でも氷縁の分布を復元することにより、 冬季と夏季の大気循

季節海氷域に生育する浮遊性有孔虫が見いだされた。

環を規定している海面上の条件を明らかにすることが必グリーンランド海岸の流木記録や、 カナダ北極諸島沿岸要である。

のホッキョククジラの骨化石、 北西航路の堆積物コア中海洋堆積物の漂流岩屑 （IRD）、 粒度分布、 酸化の IP25 から、 約 1 万年前の前期完新世は、 多年氷が鉄粒子、 微化石 （珪藻、 渦鞭毛藻、 底生有孔虫、 珪

現在よりも少なかったことが示唆された。 他方、 チュクチ質鞭毛藻）、 バイオマーカー （特に、 IP25）、 カルサイ

海では、 渦鞭毛藻シストの群集組成から、 前期完新世

ト酸素同位体比、 希ガス、 水銀同位体比から海氷の広で海氷が多いことが示され、 北極海内での海氷の消長がりを復元することが試みられている。 また、 北極海のが一様ではないことが示唆された。

沿岸の堆積物、 流木化石、 鯨化石、 貝化石、 波によ

北太平洋の代表的な季節海氷域であるオホーツク海

る侵食地形も海氷の分布に関する情報を提供する。 さやベーリング海の陸棚域は、 世界有数の高い生物生産らに、 陸上堆積物から得られる陸上植生に関する記録の海域として知られる。 完新世の初期から中期にかけや、 アイスコア記録から海氷分布を間接的に推測するこて、 ベーリング海とオホーツク海では円石藻が比較的多とも行われている。 アイスコアは、 高時間分解能の解析

く、 完新世の後期に珪藻が卓越するようになった。 このが可能であり、氷の酸素同位体比、ナトリウムイオン濃度、変化に伴い、 生物ポンプもダイナミックに変化したと推測

メタンスルフォン酸濃度、 ハロゲン濃度を用いた海氷プされる。 しかし、 その変化要因は不明である。
北極海の海氷の復元には、北極海掘削計画（ACEX）

ロキシが提案されている。

図 24 新生代における底生有孔虫酸素同位体組成の変化、 南北両半球の氷床の形成、 北極海海氷形成 （酸素同位体データは Zachos et al., 2001 より）。

80

が大きな役割を果たした。 この ACEX は日米が主導すキシで系統的にデータを取得する必要がある。 また、 分る国際統合掘削計画 （IODP） の一環として、 欧州コン

布を把握するには堆積物コア数が不足しており、 大陸斜ソーシアムが実施主体となり行われた。 2009 年には九面域から堆積速度の大きい地点を狙い、 海底コアを採

州大学の高橋孝三教授らにより IODP の一環でベーリン

取し、 年代を決め、 プロキシ記録を得る必要がある。 年

グ海の掘削が行われた。 他方、 北極海掘削に向けて、代決定には、 コア間対比が有用であるが、 海域ごとの層

IODP に対して日米欧の研究者が掘削提案を提出中で序を確立するため、 絨毯爆撃的にコアを採取し、 分析しあるが、 掘削に必要な事前情報が十分に得られていなてゆくことが重要である。 鮮新世については、 ACEX コ

いため、 提案は受理されていない。 北極海古海洋学研

アと偶然に鮮新世の地層が得られたコアについてしか情究は従来、 欧米の国々が推進してきたが、 近年は中国報がない。 ロモノソフ海嶺やメンデレーフ海嶺など鮮新と韓国が砕氷調査船による海底地形、 構造調査、 堆統が分布していそうな海域で数百メートルスケールの深積物コア採取を進めている。 我が国独自の調査としては

海掘削を行い、 鮮新世の層準を得ることが重要である。

2000 年代に 「みらい」 により海底地形、 堆積物調査

このような掘削は統合国際深海掘削計画 （IODP） のが行われた。 2010 年代に入ってからは、 韓国極地研一環として行われることが望ましいが、 計画の実現には、究所と北海道大学の研究者間の共同研究として砕氷調

有望な掘削地点の海底地形と海底構造の調査、 ピスト

査船 「アラオン」 を用いた調査が行われた。 今後も継ンコアの分析による予察的成果が不可欠である。

続的に北極海古海洋研究を進めてゆくためには我が国

過去の海氷分布には海氷プロキシを用いるが、 新たも砕氷調査船を建造し、 活用してゆくことが不可欠であなプロキシの開発、従来のプロキシの洗練が重要である。

る。

多数の地点で冬季と夏季の海氷縁の分布を復元することにより、 冬季と夏季の大気循環を規定している海面上

b. 今後の研究の条件を明らかにすることが期待される。

北極海における将来の海氷分布を予測するため、 現

アイスコアは、 海氷変動を高時間分解能で記録する

在よりも温暖な時代の海氷分布を復元することが急務でアーカイブであるため、 今後の活用が望まれる。 既存のある。 具体的には、 中世温暖期 （1000 年前）、 前期

プロキシ記録を再解釈し、 新規プロキシの開発とその適

完新世 （1 万年前）、 最終間氷期 （12.5 万年前）、 鮮用が必要である。 アイスコア記録から、 生物生産量の復新世 （350 万年前） が研究ターゲットとして挙げられる元を行うことができる可能性が指摘されており、 今後の研（表 1）。

究の進展が期待される。

海氷分布を復元するには、 海底堆積物コアを採取し、ユーラシア大陸北東部に面したチャクチ海、 東シベリ

海氷プロキシを用いて、 海氷の状態を復元する。 中世

ア海、 ラプテフ海などは、 1990 年代から 2000 年代に温暖期の海氷については、 ノルウェー海とカナダ北極諸かけて特に海氷減少に伴う沈降粒子フラックスの増えて島水路において海氷状況が復元されているが、 他地域いる海域であり、 今後の海氷激減に伴って生物生産のはまだであり、 海氷の分布を描くことができない。 空間

上昇が見込まれるホットスポットである。 過去に遡った気的に記録を拡大する必要がある。 堆積速度の速い縁辺

候と生物生産ならびに物質循環の関係性について明ら

海の窪地を狙い、 堆積物コアを採取し、 海氷プロキシ

かにすることが期待される。
さらに、 大気海洋海氷結合モデル ( テーマ B) を用を用いて海氷を復元してゆくことが必要である。
前期完新世については、 北極海のかなりの地点で渦いた各時代のシミュレーションを実施し、 古海洋データ

鞭毛藻化石を用いて海氷の復元が行われ （de Vernal（海氷や海洋生態系） の再現性を確認するとともに、 そet al., 2013）、 対象とする 4 時代のうち、 もっとも研究

れらの決定プロセスの理解を進めることが極めて重要でが進んでいる。 渦鞭毛藻以外のプロキシを用いて、 海ある。 各時代の海氷や生態系の再現実験には、 大気と氷復元の精密化を進めることが必要である。 最終間氷

海洋の両方を緻密に計算する必要があり多大な計算コス期については、 ノルウェー海と北極海大西洋セクターをトがかかるため、 まだ断片的にしか行われていない。 古

主に、 いくつかの海域で海氷復元が行われたが、 共通

気候データの解釈を将来予測に活かすためにも、 計算

プロキシを用いた系統的な分析が行われておらず、 地点

機資源と計算環境を整備し古気候実験を強力に進める間の比較を行うことが現時点ではできない。 共通のプロ必要がある。

81

Q4: 過去の北極陸域環境は現在とどれほど異なり、 大気組成や気候とどう関係したのか？
a. 研究の重要性と現状リードしている。

植生をはじめとした地表面状態 （陸域環境） の過去

数値実験による陸域古環境の再現は、 近年では植の状況とその変動は、 当時の気候状態を知る有力な手

生分布の変化による物理的 ・ 化学的フィードバックが導がかりになるうえ、 気候モデルの境界条件や検証材料と入された全球気候モデルを用いた実験が主流になってきして用いることで気候モデルの正確さを向上させるためにており、 古気候モデル間相互比較プロジェクト （PMIP）

も欠かせない。 しかし、 北極域で利用できる陸域古環でとりまとめを行っている。 図 25 に最終氷期最盛期 89

境の記録は、 温帯、 熱帯と比較して乏しく、 一部の湖沼における一例を示す。 モデル結果は、 観測と直接の比堆積物の解析結果以外は、 散点的な花粉記録や大型較ができないため、 過去の植生分布が確定できていな

植物遺体記録、 湖沼堆積物、 あるいは氷河地形からい場所も多く、 また、 “緑のサハラ” のように、 現在の得られる断片的 ・ 定性的な情報に留まっていた。 しかし

気候モデルでは再現できていない課題もある (PMIP、

近年、 永久凍土の地温プロファイル、 あるいは氷と有機

Joussaume et al.,1999)。 しかし、 植生フィードバック

物を多く含むエドマ層 （テーマ 12 参照） を利用した同を導入することで、 広域平均した気温変化を示す古環

位体分析、 マルチプロキシ分析などを用いた古環境復境指標の再現性が向上するなど、 気候形成における植元の可能性が見出されている。 永久凍土の消長は、 気

生変化の重要性が定量的にも示されつつある （O’ishi

候変動への正のフィードバックをもたらすと考えられている

and Abe-Ouchi, 2011）。 極域気温増幅の影響により、が、 永久凍土の規模や構成物質の含有量、 その変化

氷期－間氷期サイクル等の古気候変動に伴う北極域ののスピードはよく理解されておらず、 気候変動予測に大き陸域環境は大きく変化したはずであり、 その正確な復元な不確定性を与えている。 しかし、 永久凍土層を陸域とメカニズムの理解が地球気候を考える上で極めて重要

環境のアーカイブとして捉え、 凍土を取り巻く環境変化とである。

気候変動との関わりを理解する試みは始まったばかりである。

b. 今後の研究

アイスコアは北極域の情報をグローバルな情報と共にモデルによる過去の植生再現研究に関しては、 平衡保持しているため、 エアロゾルや温室効果気体など、 陸状態の植生だけでなく、 時間的な変遷についても検証

域に端を発した諸物質の変化を復元するのに優れ、 北対象として進めていく必要がある。 そのためには、 大気・極域の古環境を復元する良い制約情報を与える。 近年

海洋モデルと結合させるだけでなく、 炭素や窒素、 リン

は、 エアロゾルの金属同位体やブラックカーボン、 有機

や硫黄といった植生生育の制約条件となる元素の循環とエアロゾルなど、 測定可能な項目が増えてきているうえ、それらとの相互影響も加味した地球システムモデルを用

従来から計測されてきたメタンや水溶性エアロゾル等もい、 軌道要素や火山活動などを固定しない長期積分実

連続融解による高分解能解析が可能になってきた。 ア験を進めていく必要がある。 陸域環境のうち、植生分布、

イスコアのエアロゾルやガス分析研究では日本は世界を土壌水分、 地表面風速は、 ダストエアロゾル発生に寄与

図 25 動的植生モデルによる LGM および現在気候の植生分布再現実験の例 （Harrison and Prentice, 2003）。 左から 3 つはそれぞれ日本とフランスのモデルそして古環境観測データに基づいて推定された LGM における土地被覆タイプを示し、 右は現在気候における土地被覆タイプを示す。
最終氷期最盛期 ： Last Glacial Maximum （LGM ： 約
2 万年前）

8982

するため、 気候モデルにおけるこれらの再現性をアイス

存在する場所の多くは、 ヘリコプターやスノーモービル以

コアや海底コア等が示すダスト変化を制約条件として向外ではアクセスできなないため、 凍土掘削や路頭調査は上させることが期待されている (Lambert et al., 2013)。

強力なロジスティクス支援を必要とする。

ダストの主要な発生源は、 中低緯度の乾燥域であるが、メタンの生成と消滅は、 関与するプロセスが限定的で高緯度は極域増幅によって気候変動幅が大きいため、あるため、 モデルにおける炭素循環の制約条件として用過去と将来にどの程度のダスト発生源となり得るかも重いることができる見込みがある。 アイスコアから得られる要な問題である。 また、 永久凍土に関わるプロセスを地

メタン濃度を制約条件として、 特に高緯度における湿地球システムモデルに組み込む必要もある。

帯と植生、 土壌有機炭素の分布の再現性向上が期待

氷河 ・ 氷床による情報が得られない北東シベリアやアできる。 一方、 エアロゾルの同位体比は、 その起源や輸

ラスカ陸域では、 永久凍土による古環境復元を推進す

送過程を知る手がかりとなる。 例えば、 硫酸エアロゾルる必要がある。 エドマ氷には雪氷学的な手法を、 堆積の硫黄同位体比は、 石膏 ・ 火山 ・ 海洋生物などの起源

物にはバイオマーカーなどを利用して永久凍土堆積層や輸送過程によって値が異なり、 ダスト （シリカ鉱物なを分析する。 例えば、 地下氷の年代測定と水安定同位ど） のストロンチウム ・ ネオジウム同位体比はダストの起体比から、 更新世後期から完新世にかけての環境が復源となる大陸や地域で値が異なるため、 起源推定に有元されており （Meyer et al., 2010）、 これを時空間的に効である。 近年の分析技術の向上により、 従来より高時広げる必要がある。 永久凍土に関連した地形 （周氷河間分解能 ・ 高精度での同位体比データが得られつつあ地形） に基づく古環境復元は、 復元精度が低く時間分る。 また、 有機エアロゾルには起源が限定された化合物

解能が粗いことが問題であるが、 地域的な分布に関すが多いため、アイスコア分析から、森林火災や土壌ダスト、る制約条件を増やす上で有用であり、 今後再検討される生物、 人間活動を起源とするエアロゾルの変遷を、 分べきである。 また、 永久凍土の地温プロファイルに基づ離して復元できる可能性がある。 アイスコアに含まれる硫く地表面温度履歴の復元 （Pollack et al., 2003） は、酸イオン濃度と硫黄同位体比、 有機物組成とその炭素

古環境データの少ないシベリアなどで意義が大きい。 同

同位体比を組み合わせるなどのマルチプロキシ解析や、様に、 永久凍土の深さ情報からも過去の地表面温度復気体成分の同位体による放出源推定等もさらに進展の元に制約を与えることが可能と考えられる。 永久凍土が必要がある。

Q5: 過去の北極において、 数年～数百年スケールにおける自然変動の強度や時空間パターンは現在と異なっていたか？ そのメカニズムは何か？
北極振動 （AO） は、本来約 10 日程度の時間スケー

a. 研究の現状
現在、 北極域での大気循環の経年変動では AO がルを持つ大気循環の内部変動 （モード） であるが、 数卓越しているが （テーマ 5 参照）、 海氷輸送や太平洋

年～数十年といった長期的な変動も示す。 たとえば、から北極への暖水流入などには、 その他の変動モード

20 世紀末には数十年の冬のトレンドが見られ、 21 世紀の重要性も指摘されている （テーマ 1、 テーマ 2 参照）。

の将来予測では、 正の AO トレンドが見られる。 より長将来の気候を考える上で、 数年～数百年スケールの自期の変動特性を調べるために、 過去数百年にわたり代然変動を理解することは非常に重要であるが、 長期間

理指標を利用して復元を試みた研究がいくつかあり、 北にわたるその統計的特性や変動メカニズムはよくわかっ

大西洋に特化した北大西洋振動 （NAO） については比ていない。 その一つとして、 測器観測データの短さがあ較的多くの時系列データが復元されているものの、 北極る。 また、 観測データには温室効果気体の増加など人域全体の AO としての復元は数が限られている。

間活動による影響も含まれており、 原因の特定は複雑で気候モデルを用いた研究は、 最近千年を中心に実施ある。 過去数千年に遡る古気候復元や古気候モデリン

されている。 これは、 計算機資源の問題もあるが、 気グはこうした問題を克服する手段を提供し、 太陽活動や候モデルを駆動する太陽活動と火山噴火の外部強制力

火山噴火に対する応答を含めた自然変動の理解につな

データの不確実性が大きいことも原因として挙げられる。

がる。 その上で人間活動による影響を特定することによっ

IPCC 第 4 次評価報告書が出版された 2007 年には、て、 将来予測に役立つであろう。

比較的簡易な気候モデル （EMIC） が中心であったの

83

に対して、 第 5 次評価報告書では大気海洋結合大循

極域をカバーする多地点統合データセットを構築するこ環モデル （AOGCM） による結果が多く掲載され、 複とが重要である。

数モデルを用いた時空間変動パターンの解析も可能に

長期観測データが乏しい北極域においては、 アイスコなってきた。 その背景には、 国際プロジェクトである第 3

アから得られる古気候 ・ 古環境情報が非常に有用であ期古気候モデリング相互比較プロジェクト （PMIP3） がる。 グリーンランドでは、 これまでの氷期－間氷期サイク外部強制データを整備した上で実験設定を提案し、 第ルのような長期変動の復元を目的とした深層コア研究に

5 期結合モデル相互比較プロジェクト （CMIP5） がこ

加え、 数百年の環境復元を目的とした多点での浅層コアれを後押ししたことがあった。 日本の AOGCM も過去研究が、 米国やドイツを中心に行われている。 NAO と千 年 実 験に 参加し、 CMIP5/PMIP3 に計算結果 をその影響については、 グリーンランド、 カナダ、 スバール

提供 ・ 公開している （Sueyoshi et al., 2013）。 現在、バル諸島などでアイスコアの掘削と解析を進め、 数十年

PMIP4/CMIP6 の枠組みの下、 外部強制データの更規模の NAO の地域的パターンや原因を明らかにするこ

新が行われたところである （Jungclaus et al., 2017）。

とが重要である。

単一モデルを用いた研究では、 太陽活動と AO の関連

グリーンランドを除く環北極圏の氷河 ・ 氷帽について性や火山噴火と AO や太平洋十年規模変動 （PDO）

は、 ICAPP90 のもとで、 1990 年代～ 2000 年代初頭との関連性が既に示唆されている。 このような背景の下、に北極カナダ、 北極ロシア、 スバールバル諸島においてマルチ （複数） モデルの解析が本格的に始まっている。

日本を含む各国がアイスコア研究を行っていた。 2000

一方で、 北極域外を中心とする変動が北極域へ与える

年代以降に現れた急激な気候変動シグナルの復元、 分影響の重要性も指摘されている。 たとえば、 20 世紀前

析技術の発展によって測定可能になった新しい指標 （ブ半に北極域が比較的温暖であったことが知られているがラックカーボン、 微量金属、 有機物、 δ 17O など） によ（Yamanouchi, 2011）、 この要因として太平洋と大西洋る環境復元を念頭に、 環北極圏の氷河 ・ 氷帽での再の 10 年から数十年規模の変動パターンの位相の一致掘削が期待されている。 高緯度山岳地域 （カムチャツカ、が高緯度の陸上気温上昇を引き起こしたことが報告され

北米 （アラスカ、ユーコン、ブリティッシュコロンビア）、コーている （Tokinaga et al., 2017）。 今後はこうした北極

カサス、 モンゴル、 アルタイ） においては、 日本を含めて域外から北極域への影響についても整理していく必要

各国が散発的にアイスコア研究を行ってきた。 今後は、がある。

統合的なデータの理解、 国際的な協力体制による戦略

グリーンランドの気温変動が NAO に影響されることがが必要となろう。

知られており、 古気候の分野でも、 グリーランドアイスコ

アイスコア中で気温の指標として広く用いられている氷

アの酸素同位体比が NAO の指標とよく一致することがの酸素同位体比は、 地域的な気温のみならず、 水蒸気報告されている。 また、 日本を中心とした研究チームにの輸送経路や起源の温度などにも影響される。 水同位より、 数十年から百年規模のグリーンランドの気温変動体に代わる温度復元手法として、 アルゴンと窒素の同位が、 太陽活動によって引き起こされた NAO 様のパター体比に基づく物理的な手法が開発されてきた (Kobashi

ンによって北半球傾向からずれていたことが提案されてet al., 2013)。 この手法をさらに多くのコアに適応し、 地いる (Kobashi et al., 2013)。

域的な気候変動パターンを復元することが重要である。
気体解析による気温データを、 酸素同位体比データを

b. 今後の研究

同位体モデルによりデータ同化手法で解析する際の制

気温などの気候変数は、 全球的な気候変動と地域的約条件として用い、 北極域の気温や大気循環の変動性

な気候変動の両方の影響を受けるため、 大気循環の変を復元し考察を進める必要がある （Yoshimura et al.,

動など地域的な気候を復元するには、 空間パターンを2014）。 気候モデル研究の解釈において大きな制約に意識したうえで多地点から代理指標を取得することが望なっているものの一つに、 モデルの入力データとなる太陽

ましい。 これまで代理指標データの取得は、 主に北半

放射量や火山噴火エアロゾルの変動など、 外部強制の球中緯度に限られ、 北極域については十分に行われて不確実性が非常に大きいことが挙げられる。 最近の気こなかった。 PAGES の下で行われている過去 2000 年

ICA PP ： Ice-Core Circum A rctic Paleoclimate
Program
90を対象とした 2k プロジェクトなどに積極的に参加し、 北84

ボックス 1

古環境プロキシや年代推定手法の開発と解釈

古気候学者は、様々な古気候アーカイブから得られたプロキシ（代理指標）を用いて過去の気候を復元している。古気候アーカイブには、アイスコア、海底堆積物コア、湖底堆積物コア、石筍、レス
堆積物、サンゴ年輪、樹木年輪などがある。例えば、海底堆積物に含まれる底生有孔虫の酸素同位体
比は、陸上氷床体積のプロキシである。古気候アーカイブの年代測定も重要であり、堆積物の年層計数や、放射性元素の分析（半減期を利用）、過去の日射変動（天体計算で求まる）との対比など、様々な手法がある。
プロキシは古気候研究に中心的な役割を果たしているが、プロキシ記録は測定誤差とキャリブレー
ション誤差を伴い、誤差評価自体が困難な指標も多い。今後は、プロキシ解釈の高度化のため、これまで以上にモデルとの連携が重要となってくる。重要課題としては、①現在におけるプロキシ形成・保存過程の観測研究（水蒸気や降水の同位体、大気組成、エアロゾルなど）、②エアロゾル同位体比（硫黄、鉛等）による起源推定手法の開発、③新たな化学成分や気体成分、同位体比データを得るた
めの分析方法の開発、④高時間分解能の試料解析、⑤年代推定手法の開発、等が挙げられる。
以下では代表的なプロキシについて解説する。
a. アイスコアの古気候プロキシ
アイスコアの気温プロキシとして、水の酸素安定同位体比（δ18O）が広く用いられる。しかし、
δ18O は気温以外の要素（例：降雪量の季節性の変化）にも影響をうけるため、掘削孔温度や気体同位体比など別の手法によって校正する必要がある。つまり、δ18O による正確な気温推定には水循環システム全体の考慮を必要とする。最近では、酸素・水素同位体比と単純なモデルを用いて、アイス
コア掘削点と水蒸気の起源の温度を同時に推定する試みも行われている上（Uemura et al., 2012）、同位体を組み込んだ大循環モデルで計算された降水の同位体比が観測データと合うように循環場の時空間分布を修正する、データ同化手法も有力視されている（Yoshimura et al., 2014）。
アイスコア中のエアロゾルは、固体微粒子や液滴など多様な化学形態をしている。通常のアイスコ
ア分析では、氷を融解した溶液中のイオン濃度を測定するため、大気化学環境のプロキシとなる水溶性エアロゾルの化学形態が失われてしまう。近年、氷を昇華させエアロゾル粒子を直接分析する手法が開発され（Iizuka et al., 2012）、グリーンランド NEEM コアにも応用され始めた。重金属や有機物、ブラックカーボンの各濃度、エアロゾルの同位体比による起源や輸送過程の復元など、新しい手法も開発されている。アイスコアの気体分析からは CH4 や N2O の濃度復元が活発に行われ（NEEM
community members, 2013）、最近は同位体も分析されつつある。窒素や希ガスの濃度や同位体
比 か ら は 、 気 温 復 元 や 表 面 融 解 の 検 出 が 可 能 に な っ て き た （ Kobashi et al., 2013; NEEM
community members, 2013）。
これらのプロキシ研究の進展には、同位体モデルや輸送モデルの開発とともに、現在の北極域での水蒸気・降水・雪・エアロゾル等の観測や、諸物質の氷中への保存プロセスの理解、多点におけるア
イスコア掘削・分析など多面的な研究展開が必要である。日本においてもアイスコア連続融解システ
ムによる氷や気体の超高分解能分析が実用化しつつあるが、多数のコアについて多成分の分析を進めるため、さらなる開発が重要である。
b. 海底堆積物の海氷プロキシ
堆積物の海氷プロキシとしては、海洋堆積物の漂流岩屑（IRD）、酸化鉄粒子、微化石（珪藻、渦鞭毛藻、底生有孔虫、珪質鞭毛藻）、バイオマーカー（特に、IP25）がよく用いられる。IRD は海氷や氷山により運搬された堆積物のことで、砂（＞63μm）よりも大きい粒子を含むので、ふるいで＞63μm 粒子を分画し、その重さを量り、IRD 量とする場合が多い。酸化鉄粒子は北極海大陸棚に広く分布するが、場所によりその化学組成に特徴がある。酸化鉄粒子を磁石により選別し、その元素組成を分析することにより海氷の形成域を推測することが行われている。珪藻、渦鞭毛藻、珪質鞭毛藻などの植物プランクトンは海氷のないところで繁茂するので、その化石は季節的な海氷の消失を示す良い指標となりうる。底生有孔虫も海洋表層から沈降する有機物の多いところで繁殖するので、その化石は季節的な海氷の消失を示す指標である。IP25 は海氷下部に成長する微細藻類アイスアルジー（icealgae）に特徴的な脂質であり、その存在から海氷の融解が活発な海域を特定することができる。

洋結合モデルによる多数の実験と古気候データを活85
76

候シミュレーションでは、 複数のデータセットが用いられ

有意な気候応答シグナルを抽出するには、 多数の数値ているが、 計算機資源の制約により必ずしも網羅的に実実験が必要であり、 物理過程は共通にしつつ、 精緻な験が行われていない。 気候モデル応答と観測データの高解像度モデルと比較的計算機負荷の小さい中解像度

有意義な比較をするには、 外部強制データの精度向上

モデルの併用などに向けた整備も必要である （テーマが重要である。 火山強制力は、 南極の多数のアイスコ

B 参照）。 さらに、 数十年から数百年の変動に関しては、

アとグリーンランド NEEM コアを合わせた解析から、 精海洋深層 (AMOC、 北大西洋深層循環 ) が大きな役度を大幅に向上させたデータセットが発表され （Sigl et

割が果たすと考えられ、 国際的に研究が進められつつ

al., 2014）、 今後はさらなる定量的推定のためにグリーンある。 大気海洋結合モデルによる多数の実験と古気候

ランドのデータの拡充が待たれている。 また、 太陽活動

データを活かした研究が必要であり、 そのための計算環

や火山噴火は、 成層圏の応答を通して対流圏の気候に境の整備が不可欠である。

影響を与えることが多くの研究から示唆されている。 このこうした研究により、 過去において自然変動の強度やため、 成層圏を十分に解像するモデルでの実験が期待

空間パターンが現在とどのように異なっていたのか、 なぜされる。 さらに、この時代は比較的外部強制が弱いため、異なっていたのかを明らかにすることが期待される。

テーマ 7 ： 北極環境変化の社会への影響
要旨図る試みが必要である。

本テーマの学究的 Questions として以下の 5 つを示

海氷減少に伴い、 基本的には現在の季節海氷域が北極海に拡大するが、北極海全体が半閉鎖海域であり、す。
Q1: 地球温暖化も含めた気候変動による影響は如何

また、 流入する河川水、 深層や海底堆積物の影響があるので、 栄養塩分布などの変化は複雑であるし、 またに？
Q2: 地球温暖化に起因する陸域環境の変化による影酸性化が全海洋で最初に現れる。 北極海に適した水
産資源については、 資源量の管理にも留意すべきであ

響は如何に？
Q3: 地球温暖化に起因する海洋環境の変化による影り、 漁業や海獣狩猟に依存する住民には大きな影響が及ぶ。 北極海で航路を運航するには、 その安全確保に

響は如何に？
Q4: 太陽活動と北極超高層大気の影響は如何に？

ついて効果的な海氷予測が必須である。 座礁などの事

Q5: 北極圏人間社会の対応は如何に？

故による汚染に加えて、運航が生活基盤を変えるならば、北極域では前世紀から開発が進められて来たことに住民への影響に配慮した開発が求められる。

加えて、 ますます顕著になりつつある地球温暖化のため地震と津波に対する我が国の警報システムも例にあに、 海氷減少、 凍土融解から陸域植生や野生動物のげ、 北極圏に生活基盤を持つ住民社会に受け入れられ変化まで、 自然環境が急速に変化している。 今後、 経る環境問題への対処法を提示する。 先進国の環境問

年変動が大きくなるとの指摘もあり、 経験したことのない

題への取り組みをそのまま押し付ければ済むものではな

異常な気象に見舞われる可能性が高くなる。 気候と気く、 大多数を占める先住民との協働が重要である。 人象の変動は地域によって異なるので、 農業生産には栽

間社会への影響と対策について、 人文社会科学の知見培に適した品種を事前に選ぶことが有効となる。 森林火も含めた研究の方向性を示し、 国際関係、 国家、 地方

災も含めて陸域植生と野生動物が打撃を受け、 狩猟に自治体の各レベルでとるべき施策を提示する。 長期にわ

生活基盤を置いている住民にとって大きな問題となる。

たる方向性の基本は、 自然科学と人文社会科学の連携

太陽活動による撹乱は極域に比較的大きな通信障害なを北極域にも展開することであり、 環境研究コミュニティ

どの影響を及ぼす。 一方で、 温室効果気体の放出を低を越えた連携が必須である。

減する方策をとることによって、 環境と生活条件の保全をまえがき
本長期構想において、 現在までの環境変化と、 今世紀に予想される変化に関するほとんどの記述は、 自然科

86

学に基礎を置き、 地球温暖化の進行のメカニズムと影は打撃を受けるであろう。 そこに生息する野生動物にも響、 そして他の開発なども含めた人為的変化による生態影響が出て、 狩猟に生活基盤を置いている住民にとっ系への影響などに焦点を当てている。 テーマ 7 の独自て大きな問題である。

性は、 さらに人間社会への影響と対策について、 人文

北極海 （本構想ではシベリア陸棚域、 バレンツ海も社会科学の知見も含めた研究の方向性を示していること含む） とその隣接海域 （ベーリング海、 グリーンランド海である。 現地住民の生活への影響も注視しつつ、 悪影など） では、 進行しつつある海氷の減少に伴い、 海水

響 ・ 災害の低減方法としては、 異常気象、 森林火災、に含まれる栄養塩なども変わるであろう。 現在も進行し凍土融解、 野生動植物相の変化、 太陽活動を取り上ているように季節海氷域が北極海に拡大するが、 北極げる。 北極環境の変化が及ぼす産業活動への影響と海全体が半閉鎖海域であり、 また、 河川水の流入が海しては、 北極海を通る航路開通、 気候変化に伴う農業域に比べて多く、 深層や海底堆積物の影響があるので、と水産業の将来について、 可能性と問題点を指摘する

もっと複雑な変化も想定しておかねばならない。 さらに、

（図 26）。 さらに、 現在起きつつある、 あるいは将来起

海洋酸性化は低温海域から顕著になる。 その上で、 温きる可能性を持つ影響に関する情報の、 住民への有効暖化した北極海に適した水産資源もありうるので、 資源な伝達については、 地域住民との協働による取り組みが量の管理にも留意すべきである。 漁業や海獣狩猟に依必須であることを示す。 その上で、 国際関係、 国家、 地存する住民には大きな影響が及ぶであろう。 近年の生方自治体の各レベルでとるべき施策を提示している。

態保全学的観点からは、 人間活動が撹乱要因となるば社会が持つ関心に焦点を当てて、 予想される課題をかりでなく、 生物多様性の維持に活用できる可能性を持あげてみよう。 気候が変わると気温が昇降し降水量が変つ。 また、 生物多様性は文化的多様性と相互依存する

わるが、 その傾向は地域によって異なる。 農業生産は関係にあると指摘する意見もある。

気温と水資源に敏感であり、 栽培に適した品種を事前

海氷減少に伴い、 アジアと欧州を結ぶ北東航路を北に選んでおかなければならない。 ある傾向で継続する

極海で運航する時代が近づいている。 その安全確保に

気候変化に加えて、 経年変動が大きくなると、 陸域植生

ついて効果的な海氷予測が必須である。 もし漂流氷山との衝突や座礁などの事故が発生すると、 汚染が長引くであろう。 カナダ側を通る北西航路も合わせた北極航路については、 汚染に加えて、 運
航が生活基盤を変えることも予想されるので、 住民が受ける様々な影響にも配慮した開発が求められる。 地震と津波に対する我が国の警報シス
テムも例にあげ、 北極圏の先住民に受け入れられる環境問題への対処法を提示する。 先進国の環境問題への取り組みをそのまま押し付ければ済むものではなく、 先住民との協働が重要であることを示していく。

図 26 北極環境変化の人間社会への影響 （概念図）

Q1: 地球温暖化も含めた気候変動による影響は？
a. 異常気象が襲い近代化した都市化社会が大きな災害に見舞われ(1) 異常気象の状況ている。 この季節変動の拡大に付随し世界各地で大規

地球温暖化は地表面気温を上昇させるだけではなく、

模集中豪雨と水害、 豪雪さらに竜巻の多発など、 異常気象の季節変動に大きな変化をもたらすことが指摘され気象による大規模な自然災害が増加している。

ている （テーマ 1）。 すなわち夏季は世界各地で観測史上最高となる気温の大幅な上昇をもたらし、 熱中症によ(2) 社会への影響る人身災害や干害 ・ 高温障害による農業被害を引き起身近な例として、 2014 年 2 月には普段雪の少ない関こしている。 一方、 冬季には世界各地を未曾有の寒波

東地域に 30 ～ 80cm の積雪があり、 大雪警報が発令

87

され、 家屋の倒壊や交通網の寸断など大きな社会混乱

これらは、 いずれも頻繁に生ずる小さな気候変動にを経験した。 これは積雪の量的変動が地域により異なる

対応して築いてきた文明が、 ある閾値を超えた大きな変閾値を超えることによる災害発生である。 同年に同じよう動、 異常気象には対処しきれなかったか、 あるいは居な雪氷災害が北米大陸でも起こり、 最も近代化の進んだ住の移動を選択したことを教えてくれる。 環境決定論に航空路線でさえ壊滅的打撃を受けている。 また、 東シ

与する必要はないが、 環境の大きな変動が歴史の主要

ベリア内陸部では湿潤化による降雪量の増加がみられ、な担い手となったことを真摯に研究する必要がある。

中央アジア、 ヨーロッパでも寒波や大雪による災害が発

近年、 研究の進展しているアイスコアや花粉分析など生している。 このような寒冷化 ・ 大雪による災害は近年

多くの気候変動記録の解読分析結果と、 歴史的イベンの温暖化傾向のもと、 ヨーロッパ、 中央アジアを含め世トの詳細な対比研究が期待される。 すなわち、 人類の界各地で頻繁に起こっている。

営みは異常気象、 豪雨 ・ 干ばつ、 高温 ・ 低温、 豪雪 ・一方、 温暖化が進んで平均的には雪氷の減少が見

少雪などからどのような影響を受け、 それらに対処したのられるが、 積雪が減る場合でも、 それまでの環境に最か敗退したのか、 学問分野間の研究連携を進めること

適化を目指してきた社会は、 やはり災害を受けることとなによって、定量的に研究する必要がある。 この成果によっる。 例えば、 小麦は世界の主要食糧であるが、 北米でて、 北極および環北極域の将来の気候変動に対する社は冬小麦の被害が積雪の深さに依存している。 良質の会的対応力を検討する根拠が形成される。

断熱材である積雪が少ないと地中の冬小麦は凍害で枯一方、 現在まで極北環境に暮してきた先住民の気象れてしまう。 ある条件においては積雪 1cm あたり約 3 億に関わる在来知は、 人類の無形文化遺産として価値が米ドルの損益の増減があると言われている （Steppuhn,

あり、 これを収集 ・ 記録化するとともに、 将来の異常気

1981）。 また、 多くの都市では、 山地積雪や氷河の融象への対処の可能性を期し、 その自然科学的評価も行

雪水を水源として住民の生活や産業を維持している。 温う。

暖化に伴って大多数の氷河の縮小が報告されており、 特に内陸都市における近未来の深刻な水資源枯渇が心b. 森林火災配される。

(1) 森林火災の現状とその研究

多雪 ・ 少雪による災害を例としたが、 異常気象による

北方林 （タイガ） は北米とユーラシア大陸の北側に

災害には豪雨 ・ 干ばつ、 竜巻、 台風 ・ ハリケーン等の分布し、 世界の森林面積の約 1/3 （世界の陸地の約巨大化、 高潮等による人身災害、 農業 ・工業生産への10％） を占め、 陸地の炭素量の 30~40％を有してい

直接被害、 また、 社会インフラへの被害が世界各地でる。 ここでの森林火災は、 天然更新の一プロセスでもあ多発している。

り、 最大の攪乱要因で、 永久凍土や林床の有機物とも深い関連がある。 アラスカでの森林火災の近年の特徴(3) 今後の研究は、 雷により発生した森林火災の焼損面積を、 大きい順

科学的に将来の温暖化や気候変動の傾向を予測し、から並べた図 27 より把握できる。焼損面積が 6,500km2

そこで災害の起きる確率を推定すると共に、 災害に対しを越えるような大規模火災年は過去 58 年で 11 回観測て強靭な生活基盤を築くことが必要である。 そのためにさ れ、 1950、 1960、 1970、 1980 年 代 に は 10 年 には、 人類の歴史を顧みて、 古環境再現の手法を用いた

一回程度であったものが、 1990 年代頃からは年 3 回、分析も選択肢のひとつとして確保すべきである。 温暖化、

2000 年代は 4 回と頻発していることがわかる。 2004 と寒冷化の繰り返しの中、 歴史的転換と言われる事件は2005 年の焼損面積の合計約 46,000 km2 は、 アラス

異常気象の影響を抜きにしては語れないことが多い。 古カの森林面積の約 10％にも達する激しさである。 一方、

くは水を支配し繁栄を極めたメソポタミアのウル王国は、

シベリアの森林火災も、 開発に伴う人為火災が急増し、温暖乾燥化の波で滅亡し、 砂漠の廃墟となった。 中世

また、 極端気象現象によって増加している。

温暖期にヴァイキングの築いたグリーンランドやカナダ北

アラスカ中央部での森林火災と植生に関する研究で西の入植地あるいは野営地は、 小氷期の始まりの寒冷

は、 過去 1 万年での植生変化と火災挙動の分析がな化により海氷に閉ざされて交易が不可能となり放棄されされ、 気候変動に伴う過去の植生変化と火災挙動を基てしまった。

に、 近年の激しい森林火災は燃え方の限界を超えたと88

図 27 アラスカでの雷で発生した森林火災の 1956 年からの焼損面積 （大きい順）

しているものの、 火災は中世の温暖期 （MWP） と同様現象が起きることが危惧されており、 詳細な解析を進めに植生変化で収まる可能性を示唆した （Kelly et al.,

る必要がある。 また、 森林火災に伴う二酸化炭素やメタ

2013）。 しかし、 MWP と同様に近年の “燃え方の限界

ンの排出の詳細なモニタリングを進め、 温暖化の加速効を超えた” 原因は明確ではない。

果を明確にする事も重要である。
2004、 2005 年の焼損面積 2 万 km2 級の大規 模
森林火災を予測し対策を講じれば、 11 大火災以外の(2) 社会への影響
近年の急激な気候変動下で頻発する大規模森林火

平均年間焼損面積は約 2 千 km2 であるので、 約 1/10

災は、 植生の更新、 炭素循環、 永久凍土などに影響

程度に二酸化炭素などの排出を抑制できる可能性があを及ぼすばかりでなく、 二酸化炭素やメタンの排出にる。 大規模森林火災による大気汚染は、 計画的火災

よる温暖化の加速効果を持ち、 さらに熱火災雲 （pyro-（prescribed ﬁre、 燃料すなわち植生の蓄積量が増加

cumulus）の形成は火山の噴火と同様に煙に含まれる炭した森林などへの計画的な火入れ） による緩和が有効

素粒子による日傘効果、 そして雪や氷面への沈着によるであり、 衛星画像およびホットスポットデータを基にした

アルベド低下も考えられ、 地球規模での環境問題を抱予報も可能である。 また、 火災に強く関わるブロッキング

えている。 また、 各地域社会では、 火災への備えと大高気圧などによる極端現象の予報は難しいものの、 極

気汚染の軽減、 火災の影響評価、 住民への情報伝達

端現象の発生は風向きにより判断できる。 これらの情報など、広範囲な観点からの研究を推し進める必要がある。

伝達は、 アラスカ省庁間調整センター 91 を介することで可能である。 アラスカの火災研究は、 アラスカ火災科学共同体 92 が取り纏めを始めており、 最新の研究成果を(3) 今後の研究入手できる。

最近の研究は、 アラスカの大規模森林火災の原因の一つに、 カナダ方面からの乾燥し比較的強い東寄りの風にあることを示した。 この背景には、 北極海の海氷のc. 農業生産急激な減少現象に伴い、 高緯度と低緯度の温度差が(1) 大気循環の変動小さくなって、 高緯度ジェット気流が弱まったことで、 アラ

北極環境の変化により農業生産可能地域の拡大がスカ上空での気圧の尾根とボーフォート海高気圧とが発

ア ラ ス カ 省 庁 間 調 整 セ ン タ ー ： Alaska Interagency
Coordination Center92
ア ラ ス カ 火 災 科 学 共 同 体 ： Alaska Fire Science
Consortium
91

達する現象が確認されている （テーマ 5 参照）。 今後もMWP に見られた植生変化による対応とは異なった火災

89期待されているが、 一方で、 気象条件の影響が懸念さ

積算気温と積算降水量に注目した。 冬季 （12 月から 2れている。 気象条件は気圧分布に大きく依存するので、月） にカナダの西海岸において、 極低温現象 93 （AOE）

大気科学で広く用いられている大気圧の主成分解析のが発生すると低温で乾燥した状態となり、 その年の収量結果を示す。 北半球 500hPa （高度約 5000m） の大は減ると思われる。 AOE の回数が多い年を約 30 年の気圧データに経験直交関数 (EOF) を用いて解析する

うち上から 5 年分とり、 500hPa の気圧場偏差の平均値と、 振幅の一番大きな第 1 主成分として北極振動が得を求めた（図 28）。同データの第 3 主成分と類似しており、られる （気圧場についてはテーマ 1 と 5 を参照）。 この

カナダ西海岸で北風が強まって低温乾燥状態が起きると成分は北半球の様々な地域で異常気象との関連が指摘

収量が減る可能性が示唆された。

されている （田中博、 2008）。 第 2 主成分以降も振幅の大きい方から順に定められ、 第 2 成分 （双極モード、(2) 農業生産への影響

テーマ 5 を参照） に次いで、 第 3 成分まで求めた。 一

気温、 降水量、 前年の収量に加えて、 第 3 主成分も方で、 カナダのプレーリー地域を選び、 春小麦の単位

説明変数に入れて収量の変動を見ると、 予測値が実際

面積あたりの収量について、 作付期から収穫期までのの収量に近づいた （図 29）。 第 3 主成分はある程度の

図 28 極低温現象が最も発生した上位 5 年の冬季の 500hPa 気圧場偏差の平均値 （左） と同データに対する経験直交関数の第 3 主成分の空間パターン （右）。 気圧場のデータについてはＥＣＭＷＦを使って解析を行なった。
ＥＣＭＷＦ (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), 500hPa geopotential height, 2012, available at
http://www.ecmwf.int/research/era/do/get/era-interim

図 29 カナダのプレーリー地域 （下左の赤色地） における春小麦の実測値と予測値
出典 Canadian Prairie Crop yield data (2012), Agricultural Division of Statistical Canada
9390

極低温現象 ： Arctic Outﬂow Event （AOE）

持続期間があるので、 収穫期の数ヶ月前に予測して作付半球の他の地域へも展開することで、 収穫の数か月前のけ品種の選択などに役立てることが可能である。

収量予測を行う仕組みを構築する必要がある。 ロシア極

現在交渉中の環太平洋戦略的経済連携協定 （TPP）

東アムール地区において北海道寒冷地農法が試行されにおいて、 遺伝子組み換え食品に対する世界的な安全ているが、 これらの地域において収量予測の情報提供

性意識の高まりにより、 遺伝子組み換え技術を使わないを行うことで、 北極域における農業生産の安定性に資す

穀物への需要が高まりつつあるが、 非遺伝子組み換えることが期待できる。 2014 年 3 月に開催された第 39 回

品種は生産性が落ちるだけでなく、 異常気象などへの国際食品 ・ 飲料展 （FOODEX Japan 2014） でのヒア対応力が弱まる可能性が指摘されている。 飼料用大豆

リングによると、 オーストラリアにおけるアーモンドの 2013については、 除草剤への耐性をもたせるため、 その多く

年秋から 2014 年春にかけての収穫量は多いことが期が遺伝子組み換えになってしまっており、 非遺伝子組み待されている一方で、 カリフォルニア州の収穫量は少ない

換えを選択することは難しい状況になっている。

傾向にある。 北半球と南半球の顕著な農業生産の違いについても言及することで研究の対象と幅が広がると考え(3) 今後の研究ている。

カナダのプレーリー地域で確立しつつある手法を、 北

Q2: 地球温暖化に起因する陸域環境の変化による影響は？
a. 凍土融解と炭素放出とは、 それだけ見ると好影響のように思える。 しかし、 融(1) 凍土融解によって何が起きるか解水による水没や逆に土壌の乾燥化が起きることもあり、一概に良いこととは言えない。

凍土が融解しつつあることは確信を持って語られているし （テーマ 4、 12 参照）、 メタンと二酸化炭素が大気もしメタンと二酸化炭素が、 凍土融解に影響を受けるに放出される傾向は確かめられている （テーマ 3 参照）。

土壌から放出していくと仮定すると、 何らかの措置をする

しかし、 その結果、 どの温室効果気体がどの程度放出

ことによって放出を抑えることができれば、 REDD+94 のされるかについては十分に確認されていない。 融解した

一例として、 放出を抑えると同時に炭素クレジットを獲得

凍土からの流水がさらに融解を進めて湖沼を拡大し、 まできる。 インドネシアでは統合的泥炭地管理を行う提案

た、 ツンドラとタイガの土壌面においてもフラックスを部分を出しており、 決して夢物語ではない （SATREPS プロ

的に計測すると、 メタンが大気に出ている。 凍土融解はジェクト）。 ただし、 措置をとらない場合ととった場合の放ある地域では土壌水分を極度に増やして、 森林劣化に出量をモニタリングし、 定量的な推定が求められる。

つながり二酸化炭素吸収を減らす。 凍土融解が乾燥化を招く場合は、 土壌から二酸化炭素が発生するはずで(3) 今後の研究ある。 二酸化炭素を放出する顕著なものは森林火災で

REDD+ 獲得を実現するための研究として遂行すべある。 大気中の濃度を継続して計測すると、 メタンが増きは、 メタンと二酸化炭素の放出を定量的に測定し、 そ加しており、 また、 二酸化炭素の放出も植生の活性化れを低減する方策を提案することである。 凍土融解によによる吸収を半分程度打ち消すと推定されている。

る水環境の変化を打ち消すことにより、 温室効果気体の陸域の凍土だけでなく、 大陸棚海底下にある凍土層放出を低減する技術的開発を提言する。 火災による森に含まれるメタンハイドレードも、 気化することによって大林の更新では、 過剰な森林火災を防ぐことができれば、気に放出するであろう。 どのくらいの量が存在するのか、それへの取り組みについても炭素放出削減量に換算す

どの程度の速度で放出するようになるのかについては、ることは可能である。

大きな謎と言わざるをえない。

温室効果気体の放出低減に向けた社会の取り組みを可能にする施策の提言はできるであろう。 しかし、 科学(2) 社会に与える影響

的 ・工学的知見に基づいた提案を一方的に住民へ提示

まず凍土融解そのものが与える物理的な影響として、しても、 実行に移せるものではない。 生活基盤を奪われ建物の損壊、 ガスパイプラインとオイルパイプラインの損

REDD+ ： Reducing Emissions from Deforestation
and Degradation

94

傷がある。 耕作可能な面積が拡大し、 期間も延びるこ91

つつある住民にとって、 さらに生活様式を変更する必要

オオカミなどによる捕食、 移動してきた野生トナカイによが出る場合があろうし、 さらに開発に同調することしか選る食物競合や連れ去りなど、 多様な問題が生じている。

択肢がない状況に置いて、 提案に賛同させることは避け

つまり、 極北に暮らし伝統的にトナカイ遊牧 ・ 狩猟 ・ 漁るべきある。 炭素クレジットを糧に、 従来の生活基盤を労を生業としてきた北方先住民は、 狩猟コスト増と遊牧コ保持することも選択に加えられれば、 住民の合意を得る

スト増という二重の負荷を受け、 結果として気候変動は伝一助となるであろう。 その際にも、 一方的な提案の押し統的生活から都市生活への社会構造転換を加速してい

付けではなく、 価値観の違いは認識しつつも、 先住民ると考えられる。

の知見を活かすことが不可欠であり、 それに続いて先住

これらの問題への社会的対処は、 現状では狩猟期民と近年の移住者の間に互助が生まれる。 人文社会科

間の延長や有害駆除の推進、 ハイテク機器の導入、 伝

学研究の取り組みとしては、 経済的影響を記録し、 支統的生活への経済的補助など対症療法的であり、 その援のあり方を分析する社会政策論からのアプローチが求結果、 生物多様性保全や資源動物の持続的利用というめられる。

点で、 問題は今後より深刻化すると予想される。

b. 植生変化 ・ 野生動物 ・ 家畜

(3) 今後の研究(1) 植生と野生動物 ・ 家畜にみられる変化

温暖化による北極圏の変容は、 そこに国土を持たな

温暖化やそれに伴う水循環の変化 （乾燥化や湿潤

いわが国にも様々な形で影響を及ぼし、 そして、 その変化、 降雪 ・ 降水量の変化など） は、 生物に対して基本容の責任の一端はわが国にもある。 北極域の生物研究

的に寒冷適応種の分布域縮小と南方種の北方 ・ 高標に参加する日本人研究者はまだ少ないが、 わが国が秀高域への進出を促し、 それらに直接 ・ 間接の生物間相でた分野での技術協力や教育支援など、 国際的な責互作用 （捕食や競合など） や多様なフィードバックが加任を果たしうる場面は多々ある。 今後は 「研究推進体

わることで、 群集 ・ 生態系 ・ 景観レベルの複雑な変化

制」 でも述べられている北極国と非北極国との連携や、を生むと考えられる ( テーマ 8Q1、 Q2 参照 )。 そして実現地国の研究者や政策担当者との協働を基本とし、 生際にもすでに、 温暖化や林野火災、 土地利用変化等

物生態と管理政策の両面から研究を進める必要がある。

が主要因と考えられる植生変化が進み、 その直接 ・ 間

具体的には、 小型発信機や環境 DNA 等の高度技術

接の影響が個別の種の行動や生態、 さらには生態系のを用いた生物多様性モニタリング、 具体的な生態 ・ 生活

構造や機能に変化をもたらしつつあると考えられる (Post

史研究とリモートセンシング情報を組み合わせたハビタッ

et al., 2013 ほか、 テーマ 8Q3、 ボックス 4、 ボックス 5

ト評価 （テーマ 8Q3） などの応用生態学的研究に加え、を参照 )。

被害実態の迅速診断体制や順応的管理概念の導入による保護と利用 （保護区・ 猟区等） の一体的管理など(2) 社会への影響の社会科学的側面の研究が不可欠だろう。

上記のような極域の野生生物の行動、 個体数、 分布

また、 渡り鳥や大型哺乳類 （トナカイなど） は、 異な域の変化は、 先住民にとって伝統的な狩猟 ・ 漁労 ・ 採る地域生態系 （ビオトープ） 間を物質的 ・ 機能的につ集活動 （直接的資源利用） のコストを増加させ、 ときになぐ役割を担っており、 極域における個体数や種構成不可能にさえしている。 北極圏における定着氷の離岸がの変動は、 日本をはじめ遠く離れた中継地 ・ 越冬地の先住民による伝統的海獣猟や漁労を困難にすることは生態系や社会 ・ 生態系サービスに影響を及ぼす。 そのよく知られるが、 陸上の狩猟活動においても気候変動のため、 多国間での共同管理体制構築を前提とした移動影響は顕著になっている。 特に、 内陸部で主要蛋白源

性動物の生息実態・機能の解明の、 保護管理体制 （法となる野生獣類や家畜 （ウシ、 ウマ、 家畜トナカイなど）

制度等） の比較 ・ 提言、 人獣共通伝染病対策など、 国については、 氷雨や氷板形成による大量死、 増加した

際共同研究は特に重要である。

Q3: 地球温暖化に起因する海洋環境の変化による影響
a. 海氷減少、 水産業進出、 生態系劣化

北極海へのクジラを含む温暖種の移入、 外洋表層と(1) 海氷減少の海洋生態系への影響

海底近くの間で物質循環に重要な役割を持つ生物ポン

92

プの変化、 サケなどの大型魚類の生物量や分布の変化

氷面積の減少が、 どのように基礎生産、 植物プランクトが観測されている （テーマ 9 参照）。 特に、 夏季の海ン群集組成 （多様性） の変化に影響をあたえるようにな

Update 2018 11

中央北極海における無規制公海漁業防止協定草案に合意
2017 年 11 月 28-30 日にかけて、北極沿岸 5 か国（カナダ、デンマーク、ノルウェー、ロシア、米国）と漁業 4 大国（日本、中国、韓国、アイスランド）と EU（欧州連合）の代表がワシントン D.C. にて交渉を行い、中央北極海における無規制公海漁業防止協定（Agreement to Prevent Unregulated High
Seas Fisheries in the Central Arctic Ocean）の基本文書に合意した。同協定は、これから調印、そして、発効手続きが行われる。同協定が発効すれば、約 280 万平方キロメートルに該当する北極海の中央公海部分（図 U-12）における無規制な商業漁業が事実上禁止されることとなる。
これまで北極海の中央部分における商業漁業は存在しておらず、漁業資源が存在するかどうかについても科学的に解明されていない。こうした中で、今回の協定が成立したのは、温暖化に伴う近年の北極海海氷の著しい減少と、それによって見込まれる周辺漁業資源の北上に対して、予防原則の観点から先手を打つという考えが働いたものである。
同協定の政府間交渉は、2015 年 7 月に北極海沿岸 5 か国が 2015 年 7 月に「中央北極海における無規制公海漁業の防止に関する宣言」で合意して以降、米オバマ政権の強い働きかけにより、同 5 か国に漁業大国を含めて進められてきた。政府間交渉に並行する形で、中央北極海漁業資源科学者委員会も立ち上げられ、政府間交渉の科学的知見を提供してきた。
今回の協定合意案での目玉は、科学研究モニタリング共同作業部会を設置し、同作業部会が中央北極海の生態系の理解の向上、とくに漁業資源を監督するという任務が与えられたことである。これは、国際法の観点から見て、将来、中央北極海における地域的漁業委員会の設立に道を開くものである。また、国際政治においても、この協定の成立は、ポスト冷戦期に成立した北極協調体制が再編されていく大きな転換
点の 1 つとなり得る出来事であり、極めて画期的である。

図 U-12中央北極海における公海域と EEZ 海域

93

るか、ボトムアップの視点からの研究もまだ不十分である。

たが、 その実現のためには、 海氷状態の把握と将来予

一方、 トップダウンの視点から、 クジラ類、 サケなどの魚測、 氷海航行時に船体が受ける影響の把握、 効果的類などの生物量の増加などの影響についてもまだ解析な輸送計画の立案などが必要であり、 理学、 工学、 経は不十分である。

済学にまたがる分野横断的な連携が不可欠である （北川他、 2000; Yamaguchi, 2013）。

(2) 社会への影響もし北極航路が使われるようになれば、 輸送時間とコ水産業への影響は、 太平洋側と大西洋側ではその漁ストを削減できるばかりでなく、 輸送に伴う温室効果気

業形態により異なるものと思われる。 たとえば、 北極ダラ

体の排出量も減らすことが可能である。 その第一の条件

を水産物として扱うか扱わないかで、 北極海の魚類の生は、 海氷分布の予測手法を確立することである。 海氷

産量変動が水産業へ直接的に影響する場合 （大西洋）の分布、 氷厚、 融解度 （7 ～ 8 月）、 結氷開始 （9 ～と間接的に影響する場合 （太平洋） に分かれる。 しかし、

10 月） を総合的に把握し、 氷海航行支援システム （氷鍵種となる北極ダラ以外の、 スケトウダラやマダラなどの海ナビゲーション、 航行安全指標） を構築する計画がタラ類の生産量と分布は、 それらの輸入先への水産物

進行中である。

供給の面からも影響を考慮せねばならない。 そこには、生物学的な要素ばかりでなく経済学的な要素を加味し(2) 解決すべき点と社会に与える影響た漁業者の行動、 国際関係にも左右されている水産業

航路が航行可能であることに加え、 いくつかの解決の動向など複雑な系を理解していく必要がある。

すべき点がある。 海氷域が衰退すると波浪が発達する。
荒れた海象の寒冷域では海水飛沫が即座に結氷し、(3) 今後の研究

船舶に固着する。 着氷が増加すると、 大型船でもレー

地球温暖化が促進されることにより、 サケ属魚類の分

ダー等の航行支援機器に悪影響が出たり、 甲板作業性

布域が北極海へ拡大することが予測されている （テーマの低下、 荷役設備の支障等が起きる。 さらに、 漁船等

9 参照）。 サケ属魚類が、 海洋起源の栄養塩 （MDN）の小型船では、 重心が上がって転覆する危険性がある。

を陸域生態系へ大量に輸送することはよく知られている

海氷の移動を予測できないと、 リッジングによって極端に（ 例 え ば、 Kaeriyama et al., 2012; Koshino et al.,

厚くなった海氷が船体を損傷することもある。 また、 温2013） が、 北極海の環境変化に伴うその周辺海域と陸暖化により漂流氷山、 氷山片の数が増し、 とりわけ遠方

域生態系へのこのようなサケ属魚類による MDN 輸送メから発見することが難しい氷山片や海氷片との衝突の危カニズムが待たれる。 水産資源の北上によって、 北極険が増す。 たとえ人命救助を果たしても、 燃料流出によ

海と周辺域の利用は増加する傾向にある。 水産資源をる環境汚染は生態系に打撃を与え、 海産物に依存する

めぐる北極海域のグローバル化を分析すると共に、 北極住民に大きな影響を及ぼす。

圏沿岸部社会の生態 ・ 社会経済に及ぼす影響を総合

順調な航路利用が進んでいても、 それに伴う問題が的に評価する。 また、 海運、 エネルギー産業など水産起こりうる。 航路の途中には寄港地が必要となる。 航行業に影響を与える関連業界への提言も出せるように、 他する船は多くないが、 その経済効果によって住民の生活分野の専門家と協力していく。

様式は変わってしまうであろう。 これまでも頻繁に見られてきた開発に伴う問題が発生することになる。

b. 海氷減少、 北極航路、 海洋汚染の危険性(3) 今後の研究(1) 海氷減少と北極航路の実現性
今世紀に入ってからシベリア側は季節海氷域と呼ぶのまず安全航行を確保し、 経済的に成り立たせるためが相応しい状態が続いているが、 年によって開氷期間がに、 海氷諸量の予測を信頼できるものにする。 安全性

異なり （テーマ 2 参照）、北東航路 （北極海航路とも言う）には 1 週間スケールの短期予報、 経済性には数ヶ月にの貨物船航行が可能となる期間もそれに応じて決まる。

およぶ中期予報と 1 年から数十年の長期予測が有用でカナダ側は依然として厚い多年氷が存在し、 北西航路をある。 氷と船舶が接触した際の力学的影響、 船体着氷

現実的にするには革新的な手段が必要である。 北極海の影響と防止技術について研究を進める。 これらを基を貨物船の航路として利用することが現実味を帯びてき盤にして、 北極航路利用の可否判断および効率的利用

94

のための航行支援システムを作成する。 また、 タンカー、ている住民グループの間で、 お互いの意思疎通を図れ

砕氷船等新しい船種の着氷量予測に加えて、 北極海る関係を築くため、 人文社会科学に基づいた研究が必の豊富な水産資源を求めて今後増加が予想される漁船要である。 その成果が住民と開発側の相互理解を可能

等中小型船舶の安全性を確立し、 甲板作業の危険を払にするであろう。

拭するため、 総合的な船体着氷の予測モデルを構築す

航路の利用に関しては、 世界的物流システムの経済る。

地理学的評価を本格的に進めることが必要である。 同

寄港地の選択に際しては、 事故の可能性と環境影響時に、 国際法や関係諸国の法体系の分析を踏まえて北を住民に説明することが必要であるが、 科学的 ・工学的

極海のガバナンスのあり方を解明するアプローチが求め知見に基づいた説明を一方的に示しても、 同意を得るられる。

のは難しい。 様々な生活基盤、 言語、 伝統などを持っQ4: 太陽活動と北極超高層大気の影響参照）。

a. 太陽活動によって何が起きるか
地球の超高層大気で発生する多くの物理現象は、 太

b. 社会にどのような影響を与えるか

陽からのエネルギーの流出である太陽風 ・ 太陽放射の変化に起因する。 特に、 太陽から吹き出したプラズマ

図 30 に示すように、 太陽フレア等により加速された高（太陽風） は地球の磁気圏と相互作用し、 極域へのプラエネルギー粒子は、 地球大気の成層圏下部から対流

ズマおよび電磁エネルギーの流入が起こる。 この結果、圏において空気シャワーを生じさせ、 大量の放射線を生超高層大気において、 オーロラを伴う大電流、 大気の成する。 最大級の放射線は、 一度で航空機乗務員の膨張や擾乱、 さらに電波伝搬の環境変化などが起こる。

年間管理目標値の線量に匹敵する被曝をもたらすことがまた、 太陽系外から飛来する銀河宇宙線量も太陽活動ある。 このため、 航空機乗務員 ・ 乗客の健康被害を最によって変動するが、 宇宙線は、 大気を電離し、 雲生小化するための方策を検討する必要がある。

成を増加させるため地球の気候に影響を及ぼす可能性

太陽から放出されたプラズマと地球磁場との相互作用がある。 このように、 太陽に端を発した擾乱は、 地球大や極域におけるオーロラ活動により発生する地磁気変動

気に大きな影響をもたらすが、 この一連の物理過程を体は、 地上において誘導起電力を起こし、 送電線やパイ系的に理解するには未だ至っておらず、 また、 現象のプラインに誘導電流を生じさる。 これにより、 制御システ

発生を予測することも現段階では難しい （テーマ 10 をムの障害や、 金属腐食が促進される。 1989 年 3 月に

図 30 太陽活動が社会に与える影響の例 （地球電磁気学 ・ 地球
惑星圏科学の現状と将来、 2013 年の図を一部改編）

95発生した地磁気急変現象に伴って地上に誘導された電c. 今後の研究

流によって、 カナダ・ ケベック州の送電線網の変電所トラ

人類社会を支える重要な知識基盤整備事業の一つとンスに許容限度を超す電流が流れ、 600 万人に影響す

して、 極域超高層大気のモニタリング、 及び電離圏擾乱

る停電事故が起きたことは有名である。

現象の有効かつ確実な検出と予測につながる研究を工また、 近年、 人工衛星や有人宇宙船による宇宙利用

学分野と連携して進める。 特に、 人工衛星や、 地上かや、 GPS をはじめとする衛星測位の飛躍的普及により、らのレーダーや分光機器 ・ 電磁場計測機器による超高これらに対する超高層大気の影響の低減が必要とされ層大気の観測、 また、 太陽高エネルギー粒子の地球ている。 現在、 衛星測位の航空利用が国際的な方針と到達を正確に予測するモデルの開発、 磁気圏－電離圏

して進められている。 極めて高い安全性が要求される航－熱圏結合シミュレーションの高精度化、 リアルタイム化

空利用の分野においては、 電離圏擾乱の特性を適切を目指す必要がある。

に反映した安全確保のための技術開発が求められてい上記の内容については、 地球電磁気学 ・ 地球惑星る。 一方、 衛星通信を使って船舶の位置を把握する船圏科学の現状と将来 （地球電磁気学・地球惑星圏学会、

舶長距離識別追跡95

2013 年 1 月） の第 3 章に詳しくまとめられている。

システムにおいては、 太陽や超高層大気変動の影響を軽減するために、 光ファイバー網を用いるなどの対策が検討されている。

Q5: 北極圏人間社会の対応
a. 地震と津波の危機通報

から津波が到来するまでには、 地震の発生位置にも依(1) 地震 ・ 津波の状況と研究るが 10 数分の猶予がある場合が多く、 既存の地震観

太平洋プレートが沈み込むアラスカ州南部は過去から測システムを用いて津波警報が正しく発せられれば、 そ繰り返し大地震が発生し、 それに伴った津波が発生してれにより避難することで被害を最小限にすることは可能いる （例えば、 1964 年 3 月 28 日のアラスカ地震 （マグである。

ニチュード 9.2））。 また、 2002 年にはアラスカ内陸部の活断層を震源としたデナリ地震 （マグニチュード 7.9） も(3) 北極圏住民への提案発生している （Tsuboi et al., 2003）。 北極海沿岸では津波警報が発せられたときに、 それに基づいて住民

これまで大きな津波が発生した記録はないが、 2011 年

が避難を始めることができるためには、 日常的に津波災

東北地方太平洋沖地震のように、 従来大地震の発生が害の評価により住民に注意を喚起しておくことが必要で考えられていなかった地域でも地震とそれに伴う津波のある。 地震と津波についての知識を、 科学的な基礎の発生があり得ることがわかっている。 最近、 グリーンランない住民に受け入れられるように、 啓蒙活動が必要なこ

ド氷床の融解が急速に進みグリーランド下部のマントルとは、 日本における津波災害の歴史を見ても明らかであが隆起することで地殻に歪みがたまり、 数 100 年後にはる。 正しい科学的知識の基に、 地震が発生した場合に周辺で大地震を起こして津波が発生する可能性もある。

津波が起こる可能性があることを教育し、 海岸で揺れを感じた場合には、 また、 揺れを感じなくとも津波警報が発せられたら一刻も早く高い場所に逃げることを日常的(2) 我が国における地震 ・ 津波への対策に啓蒙しておくことが極めて重要である。

日本では、 沿岸域の災害を最小にするため、 地震発
生後直ちにその規模と位置から津波警報を発するため

さらに、 住民が受け入れやすい災害情報伝達の方法の津波予報システムが開発されている。 津波警報を迅を提示することも必要である。 そのためには、 地元自治

速かつ正確に発するには、 高精度の地震観測網と震源体などとの協力により、 津波高の想定、 避難場所の選決定システムの整備が必要であるが、 このようなシステム

定、 避難経路の確保を行うことから始める必要がある。

開発の技術は、 既存の地震観測網を用いた津波予報

これらの準備が整った後には、 実際に現地住民と共にシステムにも生かすことが可能である。 地震が発生して避難訓練を実施し、 避難が現実的な時間で終了するか

船舶長距離識別追跡 ： Long-Range Identiﬁcation andTracking of Ships （LRIT）などを確認することが必要である。 このような実際の訓練

95を定期的に実施し、 津波災害に対する意識を住民に持96

ち続けてもらうことが重要であり、 日本の災害研究者が住民族はそこに 「いる」 のではなく、 「なる」 ものであると持つ経験はこのような地域でも生かすことができると考えすらいえるのである。
世界におよそ 5000 の集団、 2.5 億～ 6 億の人口をられる。

抱え、 言語 ・ 文化 ・ 民族的に多様な集団を構成していb. 先住民社会と都市部における持続可能な社会システ

る先住民の経済は、 20 世紀初頭の民族学的調査によム構築

れば、 狩猟採集、 漁業、 トナカイ牧畜、 海獣狩猟によっ(1) 北極圏の人間社会とは？

て支えられ、 地域間をまたぐ交易が活発に行われていた

人類史と北極圏国家と先住民諸集団

ことが明らかになっている。

北極圏の人間社会を理解するためには、 北極海に近他方で、 北極圏人間社会を先住民社会として同定し接する諸国家、 すなわちカナダ、 デンマーク （グリーンてしまうことや、 「先住民」 と 「それ以外 （移住者など）」

ランドおよびフェロー諸島を含む）、 フィンランド、 アイスラ

といった具合に二分法で理解してしまうことには、 一定のンド、 ノルウェー、 ロシア、 スウェーデン、 米国だけでなく、留意が必要である。 なぜならば、 例えばグリーンランド

こうした諸国家に所属しながらも、 国境を超えた広がりをに定住する者はカラーリット （グリーンランド人） と呼ばれ持つ先住民諸集団との係わりをふまえる必要がある。 例

るが、 これは民族的呼称であるイヌイットやデンマーク系

えば、 アラスカ、 カナダ、 グリーンランド、 チュコトカに居住民などをも含む制度的呼称であり、 両者は対立的に住する先住民の権利保護を目的に、 1977 年に設立さ捉えられておらず、 むしろ調和的な関係を築いているとされたイヌイット環極北会議 （ICC） は、 国際連合 ・ 経済

えいえるからである （小澤 ・ 中丸 ・ 高橋 2016）。

社会理事会 （ECOSOC） から 「カテゴリーⅡ」 と呼ば国家にとって、 北極圏は資源埋蔵地であった。 ロシア

れる協議資格（1996 年からは特殊協議資格）を獲得し、やカナダが北極圏に進出するのは、 毛皮資源獲得のた「先住民族問題に関する常設フォーラム」 などの設置をめであったし、 19 世紀、 米国は捕鯨産業のためにベー通じて、 国連に一定の影響力を行使する存在となっていリング海においても活動を広げた。 先住民との関係は、る。 先住民が有する影響力は、「普遍性に対抗する 『差戦争、 交易、 服属という形、 もしくはその組み合わせの異』 を主張することができ、 かつ先住民という基盤を理パターンの中で展開した。 後述するように、 1950 年前

由としてその差異についての承認を受けることができる可

後から国家による定住化政策や国民化教育政策が本格

能性が大きい」 （窪田 2009） 点で、 さらには 「承認 （国化し、 近代国家の領土支配の確立が試みられた。

家が権利を認める）」 だけでなく、 「再生 （人間＝環境サイクル）」や「和解（協定など先住民族からの権利主張）」

科学研究と軍事基地
20 世紀中葉以降、 グリーンランド等の米軍基地やソなどをも包摂しつつ権利主張を行っていく上で、 無視しえないものとなっている。

連の核実験場ノーバヤゼムリャに象徴されるように北極先住民という存在を理解する際に、 ILO169 号条約

圏は高度に軍事化された空間だった。 1957-58 年の国「国家の中で独自な文化的社会的状況をもち、 それが自際地球観測年 （IGY） の成果である南極条約の理念と己の習慣や伝統、 法によって統御されている人々で、 国は対照的に、北極は科学領域でも冷戦体制下にあった。

家が植民地化、 侵略されたときからそこにいる人々」 とこの点で 20 世紀の北極圏人間社会は、 先住民 ・ 移住いう文言は、 しばしば参照されている。 しかし、 ここに内者 ・ 軍人・ 科学者による分断的構造という側面もあった。

在するのは 「先住性」 （①近代ヨーロッパ列強の 「新世また、 20 世紀以降の技術革新が航空機の性能を飛界」 進出過程、 ②居住域の原住者、 もしくは原居住域

躍的に向上させたことによって、 北極圏は次第に飛行経から強制移住させられた集団とその子孫）、 「被支配性」

路としての役割も担うようになった。 冷戦期においては、（独自の生活様式を享受できない植民地的／劣勢な社

米ソが最も接近する地理的海域であったことから、 戦略

会的 ・ 法的状況にある集団とその子孫）、 「歴史の共有」

ミサイルの飛行経路としても重要な場となった。 同時に（原住者の子孫と歴史的連続性がある）、 「自任」 （自ら北極圏は科学研究のための空間としても位置付けられ、先住民と認識する集団とその成員） などに規定された自多くの地質調査や海洋調査が執り行われた。 他方で、

己認識であることから、 先住民に客観的な定義は存在

こうした科学研究 （非軍事的要素） への強い関心は、しないとされる （スチュアート 2009）。 この限りでは、 先

軍事的必要性によって設置されていると思われがちな基97

地の存続理由にもなっていた。 例えば、 グリーンランド

先住民と環境問題
1987 年ソ連のゴルバチョフが北極圏の平和的利用をに置かれていたソンダーストローム （スナ・ストロムフィヨア）

唱え、 1989 年にはフィンランドの牽引で北極圏環境保航空基地はその好例であった。
米国がかつてグリーンランドに設置していたソンダースト

護を実現するために前記 8 カ国が集まり、 それが後の北ローム航空基地は、 米ソ冷戦構造のもとで安全保障上

極評議会 （AC） 形成 （1996 年） につながった。 従来、の重要な役割を果たしていた。 しかし、 冷戦の終焉に

国家主権に基づき排他的な統治の対象だった空間に、

よって軍事的な脅威の水準が下がり、 さらに強い財政制

先住民を含む北極圏住民の福祉、 持続的発展、 環境

約にさらされる中、米国はグローバルな基地再編を進め、保護に関与するための政府間協議を行う組織が形成さ

1992 年にはソンダーストロームからも撤退することとなっれた。

た。 一般に、 基地は軍事的な必要性から設置されるだ

北極評議会の決定は加盟国 8 カ国によってなされる

けでなく、 そこに付随する外交関係や地元の経済的利が、ほかに常時参加者として ICC など先住民組織（2018

益、 設置国や接受国の国内事情など、 さまざまな非軍

年 1 月現在 6 団体） の関与が保証されていることは重事的要素とも結びつくことがある。 ソンダーストロームは、要である。 先住民は、 単に 8 カ国の国民としてだけで極地に近いその地理的な特徴ゆえに、 科学研究の推はなく、 先住民組織として国家に準じる立場で協議に関進への寄与を期待されていた。 北極圏に対する科学的わることができる。 これは、 近年の国連等でみられる国見地からの米国の関心は、 軍事的な認識と同様に古い

際機関における意思決定制度を踏襲したものである。

が、 1980 年代にはレーガン政権のもとで北極圏の科学

また近年は、 西欧諸国や東／東南アジア諸国などが研究に対する関与は着実に制度化されていった。 米国

経済的利害から北極圏への関心を強めているが、 これ

国立科学財団 （NSF） は、 そうした中で北極研究を主らの国々やNGO の一部も、わが国のようにオブザーバー

導することとされた。

（陪席者） として承認され北極評議会に参加している。 こ

このような立場ゆえに、 ソンダーストローム撤退に際しの点で 21 世紀の北極圏人間社会は、 従来の構成集団て懸念を公にしたのは、 実は軍ではなく、 NSF を含むの統合と新たな参加者で構成されるようになっている。

米国の科学コミュニティであった。 NSF は基地撤退に伴う科学研究上の損失 （基地を通じた後方支援の弱体(2) 研究の現状化や研究経費の増加） を問題視し、 米国 ・ デンマーク

開発と健康問題

間の交渉経緯の開示や基地返還シナリオに基づく科学

北極圏人間社会の探究を従来行ってきたのは人文研究への影響の見積もり、 さらに研究や後方支援にか学で、 その主要課題は先住民の歴史と文化だった。 例

かる負担の国際的な分担を要求するようになった。 これ

えば、 北極 ・ グリーンランド研究の世界的拠点として名らは撤退計画そのものを覆すようなものではなかったが、高いデンマーク ・ コペンハーゲン大学のエスキモー学

少なくともそこに認められた科学研究上の価値が基地の（Eskimology）研究所は、こうしたトレンドを牽引してきた。

存在を正当化し、 一定の配慮を引き出すことにつながっ

現代的課題の一つは資源開発の影響である。 ソ連た。

崩壊後本格化した西シベリアの石油 ・ ガス開発と先住民

科学研究と基地という、 普段あまり意識されることのな

社会への影響分析からは、 先住民社会への否定的影

い二者の政治的な関係性が見られたのがグリーンランド

響が報告されている。 地域の意向の無視、 パイプラインであった。 今なお存続するチューレ空軍基地もまた、 軍による放牧地の分断、 廃棄物による環境劣化、 強制的

事的な必要性に基づいて運用されるのと同時に、 高緯移住などが発生しているからである。 一方で、 先住民の度極地や北極海を含む海洋環境の研究にユニークな

トナカイ牧畜が開発地区の食糧供給に寄与し、 活性化

機会を提供するものと理解されている。 もちろんそれだ

したという報告もある。 開発と伝統的生業が共存する可けでなく、 北極圏では軍事的、 非軍事的なものも含む

能性も示唆されている。 いずれにしても、 先住民をもっより多様な利害が錯綜する。 北極圏への関心が近年飛

ぱら 「被害者」 として理解する立場も正しいとはいえない。

躍的に高まる中、 政治学的な視座は、 こうした利害の構

一方、 中緯度 ・ 低緯度の環境汚染物質、 例えば水造を読み解く手がかりを提供するものとなる。

銀やポリ塩化ビフェニル類 （PCB） などが北極海に流入・滞留することで、 沿岸部の海に生きる哺乳類や魚類を主98食とする先住民社会の健康被害についても調査が進め制度化を促進させると同時に、 まずは人文 ・ 社会諸科

られている （岸上 2005）。 こうした物質は、 海水温が高学間の意思疎通を図り、 それを制度化させていくところ

いと蒸発するが、 寒冷地の場合は凝縮する性質があるにあるといえる。 次いで、 日本を含む東アジア世界とのリためである。

ンケージのなかで北極人間社会分析を実施することである。

アイデンティティと先住民運動
1950 年代～ 60 年代にかけて、 多くの北極圏先住内容

民社会で進行した、 近代化、 現代化政策は、 先住民① 先住民が北極海ガバナンスに与える影響の文化的アイデンティティを希薄にし、 国民化を進行させ

北極評議会のようなハイレベル政府間協議体においるとかつては見なされていた。 しかし、 1973 年には、 カて、 従来の国家間の意思決定だけではなく先住民によ

ナダ・ イヌイット協会、 カナダ・ インディアン協会などが、る権利主張がどのように組織化されるのか、 その政治的フィンランド、 ノルウェー、 スウェーデンのサーミ諸集団と主張や組織間連携、 さらには対国家政策が、 どのよう協議した上で、 「汎エスキモー」 の公式的体系を持ったに行われているのか国の領土保全と先住民の自己決定団体の創設が議論されるなど、 先住民運動の組織化が権の均衡をめぐる国際法的アプローチを含め先住民の見られるようになった。 特に近年、 先住民概念は地域 ・権利に対する承認 ・ 再生 ・ 和解の過程を分析する。

民族横断的となり、 国際社会の動態を理解する上で無② 北極圏多文化主義とアイデンティティ

視しえない変数の一つとなっている。 先住民組織は、資源開発や観光等に従事する人たちと先住民は、 相

国際政治のアクターとして理解する場面も出てきている。

互に社会的、 経済的、 文化的にも関わりを持ちながら一方で、 カムチャツカ半島のカムチャダール人形成に見生活している。 この点についての理解を深めるため、 文られるように、 移民の子孫が牽引するかたちで独自のアイ化混交現象とアイデンティティの再編過程を分析する。

デンティティを生み出す現象も発生している。 先に述べ

③ 文化遺産としての在来知と発展たカラーリットの呼称生成も含めて北極圏人間社会のエ

数千年の歴史的過程のなかで、 極北の自然環境にスニシティは動態的な過程にある。

暮らしてきた先住民の気象 ・ 生態等に関わる在来知は、人類の無形文化遺産として価値がある。 これを収集 ・

気候変動の影響記録化するとともに、 その価値を自然科学的評価も踏ま

自然資源への依存度が高い北極圏先住諸民族社会

え、 次世代に発展させる応用実践を行う。

に温暖化がどのような影響を与えるのか、 文理連携に④ 温暖化による環境変化と北極圏自然災害よる研究が近年進められている。 そこでは、 自然環境

温暖化は海氷の減少にとどまらず、 永久凍土を含むを人間との関係から切り離して対象化する科学だけでな

森林域にも作用している。 そこで発生する災害を類型化

く、 人間が自然環境と密接な係わりを持ち、 それに巻きし、 これに地域社会 ・ 都市がどのように対応しうるのか込まれる存在であることを前提とする在来知やその社会評価する。

的役割を解明しようとする動きが顕著である （檜山 ・ 藤⑤ 北極海航路開発と漁業資源開発の沿岸部社会へ

原 2015）。 また、 環境変化を吸収するレジリアンスの観の環境評価分析

点からの分析も行われている。 その一方で、 解氷による温暖化によって中低緯度地帯と北極圏を結ぶ海域の水面上昇や湿潤化による洪水増加が、 都市部 ・ 村落

利用は、 増加する傾向にある。 このことが、 北極圏沿岸部双方の浸水 ・ 浸食被害となっていることも判明している

部社会の生態、 社会経済に及ぼす影響を総合的に評（Symon et al., 2005）。

価する。
⑥ 東アジアとシベリア ・ 北極海の社会動態分析(3) 今後の研究

東アジア諸国は、 資源開発、 科学観測の観点で北方向性極問題に取り組んでおり、 同時に陸続きの東シベリアに北極圏人間社会研究において必要なのは、 これまでは、 中国、 韓国の移住者、 資本が導入されている。 この人文 ・ 社会科学系北極研究が、 主として国家ベース、れらを総合的にとらえることで、 北極圏人間社会と東ア

ディシプリンベースであったことをふまえつつ、 学問の脱 ・ジアの接合の地政学 ・ 社会経済的分析を行う。

99

⑦科学研究と基地 （国家安全保障）
軍事的必要性によって設置されていると思われがちな基地の存続理由には、 グリーンランドのソンダーストロー
ム航空基地の事例からも明らかなように、 科学研究の拠点としての意味合いもあった。 とかく人間＝環境関係に回収されてしまう文理連携プロジェクトの、 新たな一手として、 科学研究と基地という二者の政治的な関係を実証的に考察する。
方法
北極圏人間科学研究のための研究ネットワーク構築。
先住民中心の人文学、 国家中心の社会科学、 人間環
境に関わる自然科学の相互交流と相互理解を促進する場を構築する。 とりわけ、 人類学と法学分野で検討されてきた先住民概念とその社会的実態に関わる知見を土台に、共有可能な北極圏人間社会モデルを構築し、個々の分析を総合化する。

100

6 章 「生物多様性を中心とする環境変化を解き明かす」研究テーマ
生態系は地球温暖化に加え、さまざまな自然に起きる影響を記述し、その上に立って多様性の状態と変化を述

環境変化と開発による影響を受ける。生態系の仕組みとべる。

テーマ 8： 陸域生態系と生物多様性への影響
要旨
北極陸域生態系とその生物多様性は、地球温暖化

域の生物多様性は、地域の広大さから研究と現状把握などの強い人為的な影響にさらされ、いま重大な変化をはあまり進んでいないが、さらなる調査の拡大と調査結

遂げようとしている。熱帯や温帯など世界のその他の生果のネットワーク化、さらには、生物多様性を念頭に置

態系と比較しても、北極陸域における環境変化は特にいた環境変化への応答性についての研究などが必要と大きいため（IPCC 第五次評価報告書）、その影響につなる。生態系の変化は、そこに暮らす哺乳類、鳥類といいての知見を増進し整理することで、将来予測につなった動物の多様性にも多大な影響を及ぼす。また、広げることは急務である。にもかかわらず、北極陸域生態大な湿地に大量の有機炭素を蓄積する北極陸域生態系に関する研究は、他の生態系とくらべて特に遅れて系が全球の炭素循環に及ぼす影響も大きいため、これいるため、今後の重点的な推進が求められている。

らに関するフィールド研究と、適切な将来予測を行うた

テーマ 8 では、北極陸域生態系、その特に重要な構めに必須である生態系プロセスを明示的に再現するシ

成要素である生物多様性、さらに、これらの変化が地域

ミュレーションモデル研究が重要となる。
このテーマで取り上げる Questions は以下の 3 つであ社会や世界的な気候変動に及ぼす影響について考察する。北極陸域生態系は、気候変動のみならず外来種る。
Q1: 人為的な要因で起こる環境変動は北極陸域生態や農林業など人間の引き起こす深刻な変化に直面しており、これらを理解するためのフィールド観測や実験、系にどのような影響を及ぼすか？

そして、スポット的なフィールド研究を統合して、広域でQ2: 生物多様性はどのような影響を受けるか？

の将来予測を行うためのシミュレーション研究と、リモー

Q3: 北極陸域生態系の変化が動物や気候に与える影

トセンシング研究の必要性について言及する。北極陸

響はどうなるか？

まえがき
陸域生態系とその生物多様性は地球システムの重要

マ 7 参照）のみならず、物質循環の変動が引き起こす全な要素であり、ローカルには農林業の生産力と深く関係

球的な気候変動（テーマ 3 参照）を介してグローバルなし、グローバルには炭素循環などを通して全球の気候

人間社会に与える間接的な影響を考えるうえで欠かせへおよぼす影響も大きい。このように重要性の高い陸域ないバックグラウンドとなるものであり、われわれ日本人生態系であるが、近年、人間のくらしや活動が直接、まをふくむ人類すべてにとって重要性と緊急性が高い。

たは間接に与える影響が深刻化しているため、現状を本テーマの記述は、以下の 3 つの Questions に沿っ正しく把握し将来に備える必要がある。北極陸域におけてまとめられる。Q1 では、人為的な要因で起こる環境変る生態系と生物多様性に対する人間の影響は多岐に動の影響が北極陸域生態系に及ぼす影響について概及ぶ（図 31）。直接的なものとしては、北極域の人間活説する。Q2 では、そのなかでも特に生物多様性につい動（土地利用変化と農林業・狩猟・鉱工業など）が与えての理解と求められる研究や対策について論じる。Q3

る影響があるが、間接的なものとしては、気候変動が引では、陸域植生の変化が生態系の高次消費者である

き起こす環境の変化（気温の上昇・降水量の変化・凍土

動物に与える影響および植生変化による気候へのフィの融解や林野火災など）などがある。本テーマで検討すードバックについて述べ、本テーマから報告書全体へる内容は、北極域の人間社会への直接的な影響（テーのアウトプットとする。

1011

図 31 北極陸域生態系と生物多様性は、人間のくらしや活動と密接なかかわりを持っている。それは極域に暮らす人々だけの問題ではなく、気候変動を通して世界の人間社会との相互作用を持っている。

Q1: 人為的な要因で起こる環境変動は北極陸域生態系にどのような影響を及ぼすか？
a. 研究の重要性と現状げ、その影響の深刻さと現時点における科学的知見に

亜寒帯・寒帯の陸域生態系（以降、北極陸域生態系

ついて考察する。まず、温室効果気体の排出に由来すと呼ぶ）は、ほかの生態系と比較してさまざまな特徴をる気候変動は、気温や降水など北極陸域生態系が成持っている。きびしい環境制限（低温、積雪、短い夏季

立する基礎的な条件を大きく変化させつつある。また、など）に対応した、特有の生物種と生態系が特徴であ鉱山、油田、水力発電など北極陸域に埋蔵される資源る。気温などの環境の季節変化が特に激しいため、季の開発が行われる際には、大気、水質、土壌などの汚節的に群れで移動したり、一時的に北極陸域を利用す染が深刻な問題となっている。人間活動は意図するかる動物も数多い。また、北極陸域生態系は、森林である

しないにかかわらず多くの外来種の流入を招き、在来

タイガと、高木の存在しないツンドラというきわめて対照

種によって構成されていた生態系に影響を及ぼしてい的なふたつの生態系によって構成されているため、科る。気候変動によって南方生態系の種が侵入すること、学的な理解を得るために必要な情報は多岐にわたる。

たとえば森林限界の北上によるツンドラへの木本の侵

北極陸域生態系は、その特異さゆえに環境のわずかな入なども警戒されている。近年対策のめどが立ったとは変化にも敏感であり、また、気候変動は特に北極陸域

いえ、極域における影響が特に大きくなるオゾン層の破で激しくなると予想されていることから、生態系について

壊による、有害な紫外線量の増加がもたらす生態系へ理解しその知識を保全に活用するためにも、迅速かつの影響も考えられる。
気候変動を介した影響と人間活動の直接の影響の重点的な研究の推進が求められている。
地球温暖化をはじめとする人為的な環境変動は、北両方がかかわる問題もある。林野火災は北極陸域生態

極陸域生態系に強い影響を及ぼしており、それは今後系に甚大な影響を及ぼすが、その発生要因は多様なこ

さらに強まっていくと考えられている。人為的な環境変ともあり、メカニズムの総合的な解明はすすんでいな

動の要因は多岐に及ぶが、ここでは代表的なものを挙い。林野火災は落雷などの自然着火のみならず、人間

102
2

動に伴う流入という要因も考慮しなければならない。

活動が原因となることも多いことが、複雑性を高めているのも一因である。また、林野火災の深刻度は、気温、都市開発や農地開発にも注意が必要である。従来、

風速、土壌水分量などの物理条件によって大きく左右

北極陸域（特に、内陸部）は、人口密度が低く農業などされるため、気候変動の影響を含めた林野火災発生のの産業活動はあまり行われてこなかったのだが、温暖化

メカニズムの理解と将来予測が重要となる。さらに、林野によりその環境が産業活動に好適となることで、今後人火災が気候変動に与える影響は多岐におよび、現在の間活動が高まることも考えられる。スカンジナビア半島な

科学的知見では、それは総合的に温暖化を増幅するどで見られる泥炭地を人工的に水抜きすることによる農正のフィードバックになるか抑制する負のフィードバック

地化などの今後についても、注意が必要である。このよになるかすら分かっていない（図 32）。

うに北極陸域生態系の変化は多岐にわたり、その影響

森林を構成する樹木などの植物は生態系の基礎生は甚大であると思われるが、これらについて観測し、現産を担うものであり、植生の変化は動物相や微生物相状を把握し、そのすべてを総合して予測するシステムのへの影響をもたらす。植生の変化にも、気候変動を介

開発は遅々として進んでいない。そもそも生態系におけするものと森林伐採など直接の人間活動によるものがある生物プロセスは理論の一般化が難しいため、統合的る。これらは生物多様性のみならず、炭素蓄積など幅広

かつ広域に適用可能なモデルの開発はあまり進んでおい生態系サービスに影響を及ぼす。気候変動を介したらず、そのようなモデルの必要性がやっと論じられ始め動物への間接的な影響については Q3 で述べるが、直た段階にある（Purves 2013）。北極陸域では観測環境

接的な影響としては、森林伐採や道路・鉄道などの建の厳しさから、そのようなモデルの妥当性を裏付けるデ設による生息地分断化（habitat fragmentation）の影

ータ取得も他の地域に比べて困難であることが多く、モ響も無視してはならない。北極陸域生態系には大型ほ

デリングおよび観測研究の両面での強力な研究推進が乳類など広域を移動する動物が多く生息するため、生望まれている。

息地の総面積だけでなく、その形状にも注意を払う必要a.

があるためである。また、伝染病や虫害についても、気今後の研究
北極陸域生態系の変動の理解と生物多様性の保全

候変動がもたらす感染地域の拡大に加えて、人間の移図 32 気候変動と林野火災は複雑なフィードバックを形成している。+が正のフィードバック、-が負のフィード
バックを表している。気候変動によってどのていど林野火災の影響が増大するか、そして林野火災は気候変動を加速するか抑制するか、総合的な理解が求められている。

1033

図 33 環北極陸域における葉面積指数。（a）MODIS による観測データからの推定値。（b）陸域生態系モデル
によるシミュレーション（Ise and Sato 2008）。このように、植生のタイプとサイズの分布を適切に見積もる研究を推進することで、北極陸域生態系のメカニズムや生物多様性の理解が促進される。

のためには、まず植物・動物生理や環境変動への応答

い。これにより、鍵となる生物種（keystone species、鍵や適応など生態学的基礎研究が重要である。そのため種）、鍵となる生態系（hotspots）を見極め重点的な保にフィールドにおける継続的な観測が必要であると同時全を行ううえで、激変が予想される北極陸域生態系をよに、衛星リモートセンシングを活用した広域でのモニタリ

り効果的に保護することが可能になる。また、日本の研ングと、シミュレーションによるメカニズム再現と将来予究者としては、現地の研究者や研究機関と密接なコミュ

測が今後ますます重要となる。

ニケーションを保ち、互恵的な関係において研究をす

中長期的には、観測システムの一層の安定化、広域すめていくことが今後さらに求められる。国際的な枠組化、低コスト化、リアルタイム化が望まれる。そのため、みとして、IPBES96や CAFF97や GEO BON98などに積

定点観測カメラなど自動観測機器の活用やネットワーク

極的に協力することも必要である。

化に重点を置くべきであろう。フィールド観測によってリ

アラスカにおいて、2004 年に発生した北方林大規模

モートセンシングデータの解析を最適化することで、生森林火災後、2002 年に発生した大規模ツンドラ火災後

態学的変数をより高精度に推定することが可能となる。

の植生回復過程を調査し、北方林では遷移系列の変

また、図 33 が例示するように環北極陸域全域を対象と化が(Tsuyuzaki et al., 2009, 2014)、ツンドラでは落葉性したシミュレーションモデルの高精度化、および観測と低木等が増加すること(Narita et al. 2015)を明らかとしのデータ同化を行い、適切な将来予測研究の実施を進た）。今後、これらの結果を踏まえ、野外観測に加え火

めていくことが肝要である。これまでに行われたアラスカ

災実験等を組み合わせることで、火災の短期的・長期やヨーロッパの北極陸域生態系に関するシミュレーショ

的影響を明らかにする計画が立案されつつある。また、ンの先行研究をふまえ、環北極陸域全域での植物生理

衛星リモートセンシングと地上観測を対応させた広域で生態、個体群動態、群集動態、物質循環といった将来の高い精度での炭素収支の推定を行うことが必要であ予測に必要な各要素のモデル開発と改良を推進している。

かねばならない。
生物多様性の保全については、さまざまな生物種や

96

IPBES： Intergovernmental Platform on Biodiversity
and Ecosystem Services
97
CAFF： Conservation of Arctic Flora and Fauna
98
GEO BON： Group on Earth Observations –Biodiversity Observation Network

生態系を総合的、客観的に評価したうえで、それぞれの保全についての優先度、緊急度を示すことが望まし

104
4

Q2: 生物多様性はどのような影響を受けるか？
a. 研究の重要性と現状子繁殖する樹木とクローン繁殖する樹木、広葉樹と針生物多様性についての研究と情報の蓄積は、北極

葉樹、常緑樹と落葉樹という戦略であり、この意味にお陸域生態系の変化を把握し将来予測を行うために欠かいて北方林の多様性は高いといえる。しかし、北方林はせないものである（ボックス 2）。しかし、中低緯度地域の

地球上の全森林面積の約 1/3 を占めるにもかかわら生態系と比較して、北極陸域生態系の生物多様性に対ず、その生物多様性に関しては例外的に調査・研究のする関心は低く、調査も不足している。特に、現時点ですすんだ場所（植物生態学に関しては、シベリアのヤクの日本の研究者による研究は限定的であるが、今後のーツク周辺やカナダの BOREAS サイトなどの、いわゆ調査・研究の発展が切に望まれる分野である。以下にる「スーパーサイト」）を除いては詳しい調査・研究はほと研究の現状を具体的に述べ、それらを考慮して今後のんど行われていないのが現状である。

研究の方向性について議論する。

(2) 泥炭湿地について

北極陸域生態系の植物の種多様性に対する脅威として、絶滅危惧種と外来種の二つの問題がある。地域

亜寒帯から冷温帯に分布する泥炭湿地は、有機炭の絶滅危惧種を網羅的にまとめたレッドリストは各国、

素蓄積系として全球の炭素循環の中で重要な位置を占各地域で作成されつつあるが、具体的な保全策を考えめ、地球環境変動に大きなかかわりを有しているるためには、さらに国をまたぐより大きなスケールあるい（Clymo, 1983）。泥炭湿地は他の陸域生態系とは異なは小地域のより小さなスケールなど、多面的なリスト作成

る生物相を有し、生物多様性の観点からも重要な生態が必要である。外来種のリスト（ブラックリスト）作成はま系である。泥炭湿地生態系を個別に見ると、生態系がだ遅れているため、一刻も早いデータ統合がのぞまれ

陸域と水圏の境界に成立しているため、これら両者の環ている。

境特性を併せ持つと同時に、水環境の変動に伴う時空間的に変動性の高い多様な環境が形成されているため、生物多様性が高い（Mäkilä et al., 2001）。泥炭湿(1) 生物多様性について
北方林の種多様性は熱帯林や温帯林に比べ低い

地生態系における環境と生物多様性の関連を解析するが、その生態系の多様性は、熱帯林や温帯林に匹敵す

研究は、多くの湿地で行われているが、空間的な不均るほどの高さを持つと考えられる。北方林が存在する環質性が高い泥炭湿地生態系全域を網羅する研究や長境の特徴は低温と乾燥であるが、そのような環境下では期的な変動を解析した研究は、これまでほとんどなく、

光ストレス（光合成で利用できない光エネルギーが過剰

今後このような観点からの研究が必要である。

となり活性酸素が生成され、植物の組織に傷害を与え(3) 環境応答についてるようなストレス）が増幅され、植物の生存にとっては非
常に厳しい環境となる。このような環境で生存し繁殖す

北極陸域で予期される環境変化の影響を適切に評るため、植物は多様な戦略を用いている。すなわち、種価するには、生物の応答の多様性を検討する必要もあボックス 2生物多様性とは？

「生物多様性」とは、すべての生物（陸上生態系、海洋その他の水界生態系、これらが複合した生態系その他生息又は生育の場のいかんを問わない）の間の変異性をいうものとし、 ①種内の多様性、②種間の多様性、③生態系の多様性という 3 つの異なるレベルでの多様性を含む概念である（1992 年、リオデジャネイロ、「環
境と開発に関する国際連合会議」（地球サミット）における「生物の多様性に関する条約」）。種内の多様性とは、同一種の生物集団内における遺伝的多様性のことである。種間の多様性とは、どれだけ多くの生物種がいるか、といった種多様性のことである。そして、生態系の多様性とは、生態系におけるそれぞれの生物種の機能や相互作用などの多様性のことである。
「生物多様性」という言葉から多くの人がイメージするのは種多様性であるが、種多様性だけでなく、遺伝的多様性、生活史や適応の多様性なども考慮しなくてはならない。

105
5

る。気候変動に対する生態系の維持において、生態的をもたらすと考えられている（Cardinale 2012）。気候変応答の多様性の重要さが指摘されている（Elmqvist et動に対する脆弱性が高い生態系の特徴として、低資源

al., 2003; Mori et al., 2013）。気候変動や撹乱に対で種多様性の低い生態系が挙げられている。こういったする生態的応答の多様性が高いと、場所や生物種によ生態系では、種や機能特性の多様性のわずかな増減って多様な反応が生じるため、生態系が環境の変化をでも生態系へのインパクトは大きいと予想される。また、許容できる程度（resilience）は大きくなると考えられる。

北極域における気候変動の影響（たとえば気温上昇によって、気候変動に対する生態系や種に特異的な応答よる生育期間の延長）は、厳しい環境により定着が制限の評価が必要である。

されてきた異なる生活型の種や機能の新たな侵入を可能にする可能性があるため、今後のモニタリングが重要

b.

今後の研究

である。

上に記述した生物多様性に関する研究の現状と問題

また、今後北極域で特に重大な影響をおよぼすこと

点を解決するための共通の基礎として、①散逸しがちなが懸念される、気候変動にともなう種の移入についての調査・研究結果と知見をデータベース化して公開するこ

生態系の応答を検証する必要があるだろう。それには、と、②現在はスポット的である調査・研究の広域化の2点

北方林への温帯の種の進出や、ツンドラでの樹木の繁が重要である。加えて、国内外における自然保護教育

殖など、劇的な生態系の変化をもたらす可能性のある事の積極的な推進も必要であろう。また、分類学的観点か

象がふくまれる。これらを理解するには、北極域に侵入らの学名の整理についても考える必要があるだろう（ボするポテンシャル種を抽出することや、種の侵入を想定

ックス3参照）。

した実験などにより生態系機能の変化を明らかにする必

気候変動に起因する生物境界線の移動の調査研究要がある。さらに、生物多様性の高い生態系の重要性は特筆すべきである。たとえば、温暖化によって北方林は認識されているが、生物多様性の低い生態系に特異がツンドラに進出することは生態系の大きな変化のみなな生態系機能やその重要性を示す必要もあるだろう。

らず、物質循環や地表面物理過程の激変をもたらすた

日本の研究者としては、北海道など日本にも存在す

め、温暖化予測研究への貢献は大きくなるだろう。このる亜寒帯の生態系をケーススタディとして研究することようなダイナミックで過渡的な変動を、時系列に沿ってにも、重点を置くべきである。北海道の高山帯は、千島

定量的に予測することが重要な課題である。

列島、カムチャツカ、サハリンなどとのかかわりが強く見気候変動に伴う生物多様性変化と生態系機能の応られることからも、国内の研究結果を広大な環北極域の答についても、今後の発展がもとめられる。地球規模で生態系を理解するためにもちいることも視野に入れるべ

急速に進行する気候変動は、生物群集構造を変化させきであろう。陸域生態系は、地域特異性が高いことが特るだけでなく群集がもたらす生態系機能にも影響するこ徴であるため極端な一般化には注意を払いつつ、例えとが懸念されている（Loreau et al., 2001）。近年、生物ば外来種の優占や侵入種管理についての日本での研多様性とその生態系機能の関係性についての研究が究蓄積を生かすことなどは、可能かもしれない。

進み、生物多様性の急速な消失は生態系機能の低下
ボックス 3

学名の不一致問題
国際協力による野外調査は進展しているが、いまだ国際的な「学名の不一致問題」が種多様性研究における課題である。植物種の分布に国境はないが、学名にはしばしば国境がある。同一種に対して国により異なる学名が使われることは頻繁にある。原因は、種認識が国・研究者により一致していない（クランパーとスプリッター）、タイプ
標本・新分類群記載文のデータベース化とデータ公表が不十分であることなどである。分類者以外の生態学者、環境学者なども理解できる国際的な「学名の共通化」が必要である。本来、学名はこのような目的のために考えられたはずだが、実際にはしばしばこのようには機能していない。このために古い文献、タイプを含めた標本情報の国際交流が必要である。GBIF などのネットワークを通した、各国の保有する学術標本の国際間での利用の促進が求められるであろう。

106
6

Q3: 北極陸域生態系の変化が動物や気候に与える影響はどうなるか？
な影響を与えるため（テーマ 7 参照）、北極陸域の生態

a. 研究の重要性と現状
北極陸域には厳しい環境に適応して独自の進化を遂

系－動物の相互関係を明らかにする必要がある。

げた様々な種が生息し、特異な生物相を形成している。

北極陸域生態系の植生変化は動物に影響を与える

例えば、北極陸域生態系の保全のシンボル種

だけでなく、炭素循環などのプロセスを介してグローバ（flagship species）となっているホッキョクグマやホッキョ

ルの気候にも影響を与えている（テーマ 3 と関連：大気

クギツネは、寒冷地に適した形態や生活史を進化させたへのフィードバック）。このようなフィードバックメカニズム種であり、年間を通して北極に生息することが可能であを明らかにするため、陸域生態系モデル（生態系におる。また、トナカイや水鳥は長距離の渡りという行動様式

ける炭素動態を扱う炭素循環モデルや、それに加えてにより、北極陸域生態系の短い夏に出現する豊かな餌

生態系を構成する植物機能タイプの時空間変化も予測

資源を利用し他種との競合を避け繁殖する。Q1 および可能な植生動態モデルなど）を気候モデルに組み込ん

2 で考察したように、北極陸域生態系では温暖化や林だ地球システムモデルがこれまでに開発され、予測に

野火災、土地利用変化等が主要因と考えられる植生変用いられている。しかし、主として物理学的な要因で説化が進んでいる。これらの要因は、直接的に、また、植明される陸面過程モデルと比較して、生物学的な要因

生変化を通して間接的に北極陸域生態系に生息する動と関連する炭素循環モデル、植生動態モデルは不確実物の多様性に大きな影響を及ぼしていると考えられる。

性が高いと言われている。温暖化は北極域で顕著であ

たとえば、ジャコウウシ、トナカイやホッキョクグマなどることがこれらのモデルにより予測されているが、温暖化の行動の不安定化や分布域の縮小が報告されているが生物多様性に関連する植物種や植生分布にどのよう（ボックス 4 参照）。また一方では、森林性の植食動物に影響し、さらにこれが陸域の炭素循環や水・エネルギ（リス類、シカ類など）や肉食動物（オオカミ、ヒグマなど）ー収支を介してどのように気候にフィードバックしていくの北上、極域で繁殖するガン・カモ・ハクチョウ類の個体のかという点については未解明な部分が大きい。

数増加や分布域拡大（ボックス 5 参照）、タイガでの病

また、北極陸域における永久凍土地帯では、閾値

害虫の大発生等も知られる（Post et al., 2013）。今後（0℃付近）で水の物理的特性(流動性や熱慣性など)がは、温暖化進行によるさらなる植生変化、競合や捕食大幅に変化する。このため、気候、凍土、積雪と深く結圧の増加、渡り・移動の時期と餌食物の消長や融雪のびついているこれら地域の植生が、気候変動にともなっタイミングのずれ、伝染病や外来種の拡大等が懸念さて急激に崩壊したり、不可逆的な状態へ遷移してしまうれる。このように北極陸域生態系は重大な変動にさらさことが危惧されているものの、そのメカニズム解明や数れているにもかかわらず、その程度や応答については

値計算による予測は不十分である。また、フィールドベ

未解明な部分が多い。動物の変化は人間社会に大きースの研究においても、北極陸域生態系の植生についボックス 4

トナカイの生息変化

数千kmの季節移動で知られるツンドラトナカイは、周極地域に広く分布するが、各地で個体数減少や分布域縮小が報告され、東シベリアでも著しく縮小していることがわかった（例：タイミル個体群約100万頭→数万頭）。そこで、衛星テレメトリ法で約20個体を追跡したところ、初冬の氷雨やROS（rain on snow）
による氷板形成、初春の河川解氷の早期化など、温暖化に起因する様々な行動阻害を受ける姿が浮かび上がった。これらの個体は、夏は温暖化の進行が最も遅いオレニョク川上流部（シベリア高地東端）に集合していたが、移動ルートや越冬場所は定まらず、そして新生仔の割合は30年前の半分以下に落ち込んでいた。エヴェン、エヴェンキなど先住民狩猟者の協力で実施されたこの日露共同研究は、サハ共和国政府による保護区・猟区の見直しにつながり、新たなモニタリング手法として東シベリア各地の自治体に採用さ
れている。

7
107

ては、バイオマスや物質循環レベルの研究に比して、生物相や生活史レベルの応答に関する研究が遅れており、気候変動への応答は未解明な点が多い。さらに、動物相から気候変動への正負のフィードバックについても未解明な点が多い。

b. 今後の研究
広域スケールで動物の生息状況の実態を把握するには、データベースの整備と、そのためのモニタリング
体制の構築が必要である（Q1、Q2、テーマ 7 Q2b と関連）。フィールド調査が困難な北極陸域生態系で効率

図 34

気候、植生、動物間の相互作用の概念図

的なモニタリングを行うためには、重点的に調査を行うべき種（指標種、鍵種）、生態系、地域の選定（Q1 と関物間（図 34－③）、動物－動物間（図 34－④）等の関連）や、現存するモニタリング地点・データ（例：CAFF係について未解明プロセスの抽出を行い、これらの関サイトや水鳥のモニタリングサイト）の一元化と調査空白係性を明らかにするためのフィールドベースの研究を数域の抽出、現地調査のみならず衛星追跡、航空機等に多く行っていく必要がある。

よる広域調査、人的ネットワークの構築（テーマ 7Q2b と大気へのフィードバック（図 34－①）を明らかにする

関連）、移動性動物の長期個体数トレンドの解析（ボックには、炭素動態モデルおよび植生動態モデルの高精

ス 4 参照）等が必要である。さらに、データベースを用い度化が必要である。例えば、モデルのパラメータを調整て、動物の広域的な分布と生息環境との関連性を分析するには、植生の観測データ（現地調査データや衛星する必要がある。例えば、統計学的手法で、気候・植生

画像データ）の取得とこれを用いたデータ同化手法の条件等を説明変数とし、動物の潜在的な生息適地を広開発が重要であり（Q1 と関連）、すでに成果が出始めて

域スケールで推定することが可能である。このように作いる（Arakida et al. 2017）。また、フィールドベースの成した生息適地図は新たな調査地の選定にも役立つ。

研究により、未解明プロセスの解明を進め、モデルの改また、例えば、植生動態モデルを用いたシミュレーショ

良を行っていく必要がある。生物相から気候変動へのンを行えば、温暖化シナリオ下での生息地変化を推定

正負のフィードバックの実態についても明らかにしていすることも可能であろう（Q1、テーマ 3 と関連）。ただし、く必要がある（例：トナカイの強い採食圧と積雪によるア

温暖化による生態系変化には未解明な点が多いため、ルベド変化、図 34－③①、昆虫の大発生による植生へ

文献調査による総合的なレビューを行い、気候－植生の影響、図 34－③）。

間（図 34－①）、気候－動物間（図 34－②）、植生－動108
8

テーマ 9： 海洋生態系と生物多様性への影響
要旨
北極海はその表面が海氷に広く覆われるため、海洋の移入を引き起こし、食物連鎖や競争関係を通じて物生物はその特殊な環境に適応して棲息・活動し、海氷質の輸送や種の多様性に影響することが懸念される。

を基盤とする独特の生態系を築いてきた。しかし、近年

一方で、種の多様性の変化が、生態系の生産力と分解の温暖化により海氷が急激に減少し、北極海氷生態系に与える影響も大きい。そのため、北極海氷生態系をの基盤が失われつつある。ここでは、北極海が季節海

取り巻く環境と、生態系における各プロセスとメカニズム

氷化することによる生態系と生物多様性の変化に焦点の定量的解明は、将来の北極海氷生態系と生物多様を当て、以下の 4 つの Questions を挙げ、長期的な研性への影響を評価する上で重要である。

究の展望を述べる。

しかし、これまでに明らかとなった事実の多くは、調査

Q1: 大気・陸域の物質は北極海の生態系・多様性に船が北極海を安全に航行できる夏季の開放水面域に大きな影響を与えるのか？

おける結果が中心であるため、時空間的に断片的であQ2: 北極海の生物は物質をどのように輸送・変質してる。さらに、海氷生態系は物理、化学、生物過程が複雑いるのか？

に関与しているため、ほとんど解明されていない部分も

Q3: 北極海の食物連鎖と生態系変化・多様性はどうある。そのため、砕氷船や係留系などを利用し、一年を関係しているか？

通じた広域の多角的観測を行うとともに、プロセス実験

Q4: 海洋酸性化と脱窒は北極海の生態系・多様性にや数値実験および他の分野と連携した学際的研究を実

どのような影響を及ぼすのか？

施することで、北極海の生態系と生物多様性への影響

北極海の劇的な物理・化学的環境変化は、北極海のを明らかにすることが、長期的な課題である。

生物生産を変えると同時に、生物の消失と新たな生物

まえがき
北極海に生息する海洋生物は、海氷、または海氷のる。その変化は、北極海氷生態系を構成していた生物

周辺の環境に適応し、海氷生態系と呼ばれる独特の生の消失と新規生物の移入を招き、北極における海洋生態系を作り出している。しかし、その特殊な生態系の基態系は大きく変化すると考えられる。また、それは同時盤となる海氷の減少や海洋酸性化など、北極海は観測に北極海における生物多様性が失われる（あるいは増史上経験したことのない急激な環境変化に直面してい加する）ことでもある。生物の多様性を保全することは、ボックス 5

水鳥のモニタリング

水鳥の多くは北極陸域生態系で繁殖し、低緯度地帯で越冬するため、世界的なモニタリングが行われ、個体数変動の実態が明らかにされてきている。日本でも環境省や NGO による長期モニタリングが行われてきており、その結果シギ・チドリ類の多くは個体数が減少してきていること、ガン・カモ・ハクチョウ類は種によって増減傾向が異なり、そのうち北極陸域生態系で繁殖する種のいくつかは、個体数が増加してきていることなどが明らかとなってきている。温暖化により、一時的には繁殖環境が向上する場合もあるが、長期的には植生変化、渡りのタイミングと餌食物の発生時期や融雪のタイミングのずれ、捕食者・病気・寄生者・競合種等の北上によって繁殖地の環境は大きな影響を受けると言われており（Ganter and Gaston,2013）、今後の個体数変動に注視していく必要がある。

1099生態系を保全し、人類の生存を支える観点からも重要れる海氷減少と海洋環境の変化に対して、北極生態系

99であるという考えから、1992 年に生物多様性条約 が締と生物多様性が今後どのように変化するのか、また、そ結された。北極海においては、第一期（2000～2010の変化の早さも不確実である（Conservation of Arctic

年）Census of Marine Life （CoML）のプロジェクトでFlora and Fauna (CAFF), 2017）。

ある Arctic Ocean Diversity（ArcOD）によって生物

ここでは、北極域における環境変化が北極の海洋生多様性に関する数多くの知見が集積された。ArcOD は態系と生物多様性に与える影響を評価するために、今7 千以上の種を目録に記載し、無脊椎動物と魚類の生後必要とされる研究内容を記す。なお、CBD で生物多息域が北方へ拡大していることや、冷水種に対する暖様性は、「生態系の多様性」、「種の多様性」、「遺伝子水種の割合の増加を報告した。また、緯度 50～70 度のの多様性」の 3 つが定義（テーマ 8 のボックス 2 参照）さ海域においては、生物多様性が増加することを予測しれているが、ここでは、主に「種の多様性」について記している（CoML, 2010）。しかし、今後も継続すると考えら

ている。

99

生物多様性条約： Convention on Biological Diversity
（CBD）

110
10

Q1: 陸域・大気の物質は北極海の生態系・多様性に大きな影響を与えるのか？
a. 研究の重要性と現状

生物・物理・化学過程の複雑さのため、定量的には明ら

北極海には、全球河川から海洋に供給される溶存有かになっていない。

機炭素の10％以上が流入しているが、そのほとんどが大気を経由した物質の輸送も、温暖化に伴ってその難分解性であり、北極生態系への影響は小さいと考え生態系への影響が変化するだろう。例えば、中・低緯度られていた。しかし、近年の研究により、バクテリアや光で放出される人為起源の汚染物質が、大気を通じて北酸化によって分解されやすい易分解性の溶存有機炭

極圏まで輸送されているが（AMAP, 2009）、海氷の有素が多く流入していることが明らかになるなど、陸起源

無は、これらの汚染物質の海洋生物への供給過程や海物質の流入による北極海の生態系、多様性への影響

水中での光反応などの変質過程を変える可能性があは 、 そ の 重 要性 が 改 め て 認 識 さ れ て い る （ 例 え ば 、る。大気由来の栄養塩の寄与も増加する可能性があ

McClelland et al., 2012）。光合成に必要な窒素やリる。微量栄養塩である鉄は、一般的に陸から離れると不ンなどの溶存無機栄養塩は、河川からの直接の流入量足しがちであるが、大気を経由して、沿岸から離れた海は少ないが、陸起源有機物の分解に由来する栄養塩

洋表層へと供給されている。温暖化に伴う陸上の雪氷類による海洋の一次生産へ与える影響は無視できなの消失による土壌面積の増加や嵐の増加などにより、い。また、氷床の融解による鉄などの微量金属等の流鉄の供給が増加する可能性がある。

入についても近年その重要性が指摘されている。したb. 今後の研究（図 35 参照）

がって、陸域から輸送される物質は、海洋、特に生物多様性の高い沿岸域のバクテリアや植物プランクトンの生

陸および大気起源物質による海洋生態系への影響

物量・多様性に影響を与える。さらに、これらを摂餌すると、温暖化に伴うその影響の変化を予測する研究が早動物プランクトンやより高次の生物にも影響を及ぼす可急に必要である。今後、永久凍土や氷床の融解などに能性がある。また、沿岸部の海底にいったん沈降堆積しよる陸域からの有機物流入量の増加、大気由来物質流た陸起源物質が、陸棚域から輸送された後、外洋の生入量の増加、水温上昇による微生物活性の増加、海氷物生産に利用されることも指摘されているが、関連する減少による光透過率の強化などが、海洋の低次生態系

大気由来物質図 35 陸や大気からの物質流入と海洋内部での各種プロセスが生物に与える影響を表した模式図。温暖化により、河川や大気、沿岸浸食、氷河融解などによる、栄養物質や汚染物質の海洋への流入が増加する一方、海洋内部でも、海洋酸性化や成層化、堆積物中での窒素栄養塩除去（脱窒：Q4 参照）の促進などが起き、海洋生物に様々な直接・間接的影響を及ぼすと予想される。赤い矢印は、栄養物質や汚染物質の出入りをあらわす。

111
11

への陸起源の炭素や栄養塩などの供給量を増やす可である。

能性がある。しかし同時に、陸起源有機物分解が増加

まず、河口域や沿岸侵食域、その他海域毎に生物のすることは海洋の酸性化を促進し、底生生物に負の影

存在種や量を明らかにし、陸起源物質の量や質との関響を与える（テーマ 3 およびテーマ 9、Q4 参照）。一方、係を調べることで、全体的な影響の傾向を把握すること

陸からの淡水流入量の増加は（テーマ 4 参照）、海洋表が重要である。さらに、陸起源物質の分解による栄養塩層の成層を強化し、表層の植物プランクトンへの栄養塩の再生や酸性化を通じた生態系への影響を明らかにす

供給を制限することで、生物量の低下や種の変遷など

るには、影響の顕著な海域を特定し、その海域においを引き起こす可能性がある。さらに、沿岸域の海水を低て物理・生物・化学の時系列観測を実施し、物質循環と密度化させるため、陸棚域から外洋への物質輸送の経

生物種・量の季節変化をとらえることが必要である。

路を変え、外洋での生物生産にも影響を及ぼす可能性

また、大気や陸を起源とする物質の添加実験により、がある。また、陸起源物質の流入量の増加により、海水

微生物、植物プランクトンの応答を調べ、今後の予測に中の光透過率が減少し、光合成を抑制するかもしれな

つなげることも重要である。さらに、大気・陸起源物質のい。このように、陸・大気起源物質は海洋の生態系、多流入量や質の変化は遠隔地での変化に由来するた様性に多面的かつ重要な影響を与えるため、その解明

め、これらによる生態系への影響を評価するには、海洋には沿岸域の集中観測、外洋域を含む広域観測、培学、気象学、雪氷学、生態学等による学際的研究が必

養および数値実験などの総合的な研究の展開が必要要である。

Q2: 北極海の生物は物質をどのように輸送・変質しているのか？
ば、Bluhm et al., 2011; Wassmann, 2011）。水中に

a. この研究の重要性と現状
生態系は海洋の物質を変換し輸送する役割を担って溶存する二酸化炭素と栄養塩は、多くが光合成によっいる。低次生物生産による物質は鉛直方向（下層）に輸て有機物へ変換される。陸棚域では、植物プランクトン

送され、低次生物自身の移流や高次捕食者への転送とアイスアルジーによって生産された多量の粒状有機により、水平方向に輸送されると考えられている。現状

物が動物プランクトンや底生動物などの低次消費者と、では、主に低次生物生産とその鉛直輸送の研究が限ら

魚類、鳥類から海棲哺乳類まで至る高次消費者の活発れた季節について行われているため、北極海の各海域

な生産活動を支えている。この海域は有光層に供給さにおける年間を通した生物と物質輸送の関係に対するれた硝酸塩のほとんどが生物に取り込まれ輸送される理解が未だ不十分である。また、動物プランクトンからため、夏季の海洋上層は基本的に窒素制限の状況に

魚類、鳥類への物質の輸送については、初夏に限定さなりやすい（Tremblay and Gagnon, 2009）。高次消れた知見である上、移動性の高い海棲哺乳類や海鳥の費者に消費されずに残った動植物プランクトンは、動物ような高次捕食者が、物質輸送に果たす役割も良くわ

プランクトン自身の移動や、死骸や糞粒・凝集体の重力

かっていない。種の多様性や生態系の多様性と物質輸沈降として下層に輸送され、一部は堆積物に埋没す

送との関係については現状把握が部分的であるため、る。北極海における微生物群集は、水柱や陸域から供今後も進行すると見られる北極海の様々な環境変化に給される有機物を分解して栄養塩を再生し、嫌気性環

対して、これまでに育まれてきた生態系がどのように応境では、脱窒を通じて物質循環の駆動に強く関与す

答し、生物相と海洋物質循環との相互作用がどのようにる。海盆域では、生物を介した物質鉛直輸送に次のよう変化するのか、予測と見解はまだ定まっていない状況な違いが見られる。シベリア河川水とともに供給されたにある。

栄養塩によって珪藻類の生産が比較的高いアムンゼ
ン・ナンセン海盆域では、海氷厚・面積の減少による光(1) 低次生態系を介した物質輸送

環境の改善によって珪藻類の生産と群体の海底への沈

北極海の水塊環境と低次生物の種多様性、物質循

降量が増加してきており、底生動物の重要な餌となっている（Boetius et al., 2013）。

環との関係は、海氷の少ない夏の時期を中心に、特にチャクチ海、ボーフォート海の沿岸、アムンゼン湾、ラプ

一方、高気圧性のボーフォート循環の影響下にある

テフ海などの陸棚域において知見が得られてきた（例えカナダ海盆では、ピコサイズの植物プランクトンを主体と112
12

した基礎生産がみられるが、珪藻類や円石藻類のようたが、これらの研究船は砕氷船ではないため観測できな粒状有機物の沈降バラストになる植物プランクトンとる北極海の海域や季節が限られている。これまでカナダ

それらを捕食する動物プランクトンが少ないため、海洋の Institute of Ocean Sciences （IOS）など海外研究

表層で生産された粒状有機物の大半が亜表層で分解機関との連携により砕氷船による海氷域での観測も行され、深層へはほとんど輸送されていない（Honjo et

われてきたが、今後も IOS や Arctic Net、Sentinelal., 2010）。しかし、今後の海氷減少に代表される環境

North など海外の研究組織と連携した観測を積極的に変化がカナダ海盆における生態系を介した物質輸送に進めていく必要がある。

どのように影響するのか、将来の環境を想定したプラン(2) 微生物群集が駆動する物質循環機構

クトン培養実験は進められているものの、まだよく分かっていない。物質循環に関するこれまでの研究の多くは、微生物群集が駆動する物質循環機構を明らかにす

植物プランクトンやアイスアルジー等の基礎生産者の働るには、微生物諸変数の時空間変化の定量的な記述

き（例えば、基礎生産量や栄養塩取り込み量等）に重点と、その要因の特定が重要である。近年の各国の精力が置かれており、物質循環をコントロールする動物プラ的な研究の展開により、北極海における微生物諸変数

ンクトンの働きに関しては、知見が著しく不足している

が、多様な有機炭素供給源（基礎生産、淡水、堆積物）（Wassmann, 1998）。

と物理環境（水塊分布、水温）を反映して時空間的に大規模に変化していることが明らかとなってきた（Uchimiya et al., 2011）。これらのことは、近年、北極(2) 魚類や鳥類による物質輸送
北極域では海鳥は海から繁殖地へと、羽毛、糞、卵

海で急激に進行する海洋環境変化の影響が、微生物や雛の死体などを通じて様々な物質を多量に運ぶこと

群集を介した物質循環へ鋭敏に波及する可能性を示はわかっている（Michelutti et al., 2009）。しかし、魚唆している。これらを踏まえ、今後取り組むべき課題とし類や鳥類による物質輸送への寄与についてはその詳て、（1）気候変化が微生物生態系に及ぼす影響の中・細な過程ならびに定量的理解はまだ十分ではない。さ長期的な評価、およびその海域間差異の解明、（2）今らに、夏季間様々な海鳥が北極海を利用し、また、冬季後さらに顕在化すると予想されるプロセスの微生物生態

間ポリニアにも多くの海鳥やカモ類が集まることが知ら

系への影響評価（例えば、海氷消失に伴う気象擾乱

れているが（Cooper et al., 2013）、この時期の海鳥のが、微生物生態系へ及ぼす影響の解明、（3）近年急速移動が物質循環にどういった役割を果たすのかよく分に技術革新が進む分子生物学的手法の導入による、

かっていない。

時空間変動解析の多角化、が挙げられる。

b. 今後の研究(3) サケ属魚類および海鳥を含む高次捕食者による(1) 低次生態系の物質循環における役割

海・陸域生態系への物質輸送

基礎生産者の動態把握のほか、動物プランクトンの海鳥・海棲哺乳類の移動をバイオロギング手法で追摂餌、排出や再生産等との関わりに着目したプロセス研

跡し、羽根を交換する（換羽、換毛）ため一定期間とどま

究 、 さ ら に は 、 Q3 に 後 述 す る 表 層 － 底 層 生 態 系

る海域やよく利用する海域を特定する。そのうえで換（pelagic-benthic coupling、ボックス 6）のように 3 次元

羽・換毛量や排泄物量の時空間変化を推定し、これら的なつながりも考慮することが重要である。そのために、による有機物供給量を推定する。さらに捕食量の空間

植物の生産が高くなる春季やその準備期間となる冬季変化を推定し、海鳥、海棲哺乳類が物質循環に果たすも含めて、砕氷観測船を用いたサンプリング、動物プラ役割を考察する。

ンクトン船上飼育実験、セディメントトラップをはじめとす

地球温暖化が促進されることにより、サケ属魚類の分る観測機器類の係留系実験等を組み合わせて、多角

布域が北極海へ拡大することが予測されている（例え的に研究を遂行する必要がある。また、一度に広範囲

ば 、 Kaeriyama, 2008; Kaeriyama et al., 2014;

を捉えることができる衛星観測や生態系モデルとの共Abdul-Aziz et al., 2011）。サケ属魚類が海洋起源の同研究も進めていく必要がある。これまで、国内からは

栄養塩（MDN）を陸域生態系へ大量に輸送することは

主に海洋研究開発機構の研究船「みらい」や北海道大よく知られている（例えば、Kaeriyama et al., 2012;

学「おしょろ丸」が太平洋側北極海の観測に貢献してきKoshino et al., 2013）が、北極海の環境変化に伴うそ113
13

よる MDN 輸送メカニズムの解明が待たれる（図 35）。

の周辺海域と陸域生態系へのこのようなサケ属魚類に

Q3: 北極海の食物連鎖と生態系変化・多様性はどう関係しているか？
a. この研究の重要性と現状による影響も懸念される。

温暖化・海氷減少により分布が北に拡大した動物がb. 今後の研究何種かいる。光環境の改善によって基礎生産は上昇傾向にある（Pabi et al., 2008）。海氷が減ると主たる食物

温暖化・海氷減少が低次生産・食物連鎖を通してどう連鎖が表層（生産）－底層（消費）生態系から表層（生生物の種多様性に影響するか、バイオロジカル・ホット産）－表層（消費）生態系（pelagic-pelagic coupling）

スポットに着目する必要があるだろう。生物の分布変化へと変化するとの予測がある（ボックス 6）。その結果ととプロセス研究を、海氷が存在する時期（冬季や春季）して、生物の種多様性への影響も懸念される。その影をふくめて実施し、より正確な現状把握、将来予想につ響は海鳥による陸への物質輸送やシロクマへの影響をなげる必要がある。

通じて陸上生態系にも及ぶだろう。

(1) 海洋構造変化と微生物・動植物プランクトン群集
および生産プロセス解明(1) 微生物・動植物プランクトンの分布・種組成・生海氷融解のタイミング、氷下および氷縁の植物プラン

産
植物プランクトン、微生物の分布と種組成の季節・空クトンブルーム（群集が一斉に増殖、生産を起こすさま）

間変化はこれらの種多様性ばかりでなく、消費者の種と動物プランクトンによる捕食、動物プランクトンの再生

多様性にも影響するだろう。北極海では冬、春季の海産や発育のタイミングといったプロセス研究により、温暖

氷下の生物生産も無視できないがその時期の調査は化・海氷減少が微生物を含む低次生産構造・多様性に少なく、微生物の情報はさらに少ない。動物プランクトン

影響するメカニズムを解明する必要がある。

の知見は大西洋側北極海で多く、太平洋側北極海でそのため、アイスアルジーをふくむ植物プランクトンのは少ない。温帯性動物プランクトンが北極圏に分布を拡

分布、組成、サイズ、優占種の変化をしらべ、テーマ 3

大し（Matsuno et al., 2011）、再生産しはじめたとするのアウトプットを利用し、海氷変化と植物プランクトン群報告もある（Buchholz et al., 2012）が、これが動物プ集の関係を明らかにする。動物プランクトン多様性の変ランクトン全体の種多様性にどう影響するかわかってい化や摂餌、再生産と発育タイミングの変化を、植物プラない。

ンクトン生産、サイズ組成の季節、空間変化および太平洋産種の輸送から説明する。これらプランクトン群集の(2) 低次から高次生物までを含むバイオロジカル・ホ

季節・空間変化と生物ポンプの担い手である生物起源

ットスポットの形成

沈降粒子の組成、形態、沈降フラックスの関係を明らか

生物生産が高くかつ高次捕食者群集へのエネルギにする。過去の調査点を参考に、海氷下を含み、通年

ー流が特異的に高い場所（「バイオロジカル・ホットスポのサンプリングを砕氷船および係留系より実施する。

ット」ボックス 7）がある。北極海ではその位置や動態は、
その時空間スケールも含め明確には把握されていな(2) バイオロジカル・ホットスポットと成立要因の理解い。鯨類を含む温暖種の移入、表層（生産）－底層（消プランクトンから高次生物（魚類、鳥類、哺乳類）、ベ費）生態系の維持に重要な生物ポンプ（海洋表層で植ントスも含め各栄養段階の分布と密度からバイオロジカ

物プランクトンにより生産された有機物を底生生物や深ル・ホットスポットを把握し、栄養塩供給量、生物生産層の生物に輸送する働き）の変化、大型魚類の生物量

量、消費量、食物連鎖長、種組成（種多様性）との関係

や分布の変化が、ホットスポットにおける食物連鎖などを調べる。物理海洋環境を独立変数としたハビタットモ

生態系の変化を介して、種多様性をどのように変化させデリングをおこなうとともに、食物網に関するデータをつるかは未知である。大気・河川輸送、油田開発による汚かった生態系モデリングにより、ホットスポットの成立要染（Mallory & Braune 2012）や輸送船が運ぶ移入種

因を解明する必要がある。重要な漁業資源となりうるサ

114
14

ケ属魚類については、環境収容力、成長、個体群動する研究を行う。これらにもとづき総合的にホットスポット

態、摂餌栄養生態学をもとにした分布とその変化に関成立メカニズムを理解する必要がある。

ボックス 6

表層̶底層生態系のカップリング
南東および北部ベーリング海における研究では、海氷の後退が遅い年には、春先に十分な太陽光の元で海氷縁において、光環境が良くなると同時に大型ケイ藻のブルーミングが起きる。大型動物プランクトンがこれを摂餌するが、水温が上がっていないのでその増殖は弱く、消費されなかった大型ケイ藻が沈降する。これが豊富な底棲生物類の生活を支え、さらにカレイやカジカなど大型捕食性魚類がこれらを捕食するという
底層食物連鎖へのエネルギー流が大きくなる。一方、温暖で海氷の後退が早い年には、後退時にはまだ太陽
光が弱くさらに冬の季節風によって表層がかき乱されるので、大型ケイ藻のブルーミングは起きない。季節が進んで海水温が上昇し成層化がはじまると、小型藻類のブルーミングが起きる。このとき水温は上昇しているので、これを食べる小型動物プランクトンの増殖が盛んになる。そのためケイ藻はほぼすべて食べ尽されてしまう。増殖した小型動物プランクトンは、そのまま表層性の魚類に食べられる。このように、寒冷期に海氷が多いと表層での生産が底層の食物連鎖に流れ、温暖期に海氷が減少すると表層での生産が表層の食物連鎖に流れるだろうという仮説がある（Grebmeier et al., 2006 など、図 36）。

図 36

ボックス 7

表層－低層生態系から表層－表層生態系への変化

バイオロジカル・ホットスポット

バイオロジカル・ホットスポット（Biological hotspots）とは、周辺海域と比較して低次生物生産力が高く、底生生物も豊富で、多くの海鳥類や海棲哺乳類が生息、または、集結するのが目撃される海域のことを指す。上記の低次生物とは、極域海洋の基礎生産者である植物プランク
トンやアイスアルジー、およびそれらを捕食してより高次の生物に対して物質を転送する等、重要な役割を担う動物プランクトンである。また、これら低次生物の生産力が、水柱中において高い結果、周辺海域と比較して一般的に底生生物も豊富である。これまでの研究結果より、北極圏海域のバフィン湾北部のノースウォータポリニア海域、アムンゼン湾のケープバサーストポリニ
ア海域等は、バイオロジル・ホットスポットであるとされている。

15
115

そのため、ハビタットモデルをつかって、海洋環境将

棲哺乳類の分布を船によるサンプリング、目視観測で来予測にもとづく各種の分布変化予測、さらに、温暖化調べる。海鳥、海棲哺乳類については装着型小型機器や輸送による温暖性種の移入、餌生物と大型鯨類の分によるトラッキングも併用する。餌分析（標本の目視・安布拡大によるボトムアップ、トップダウン効果、サケ属魚

定同位体比・脂肪酸組成など）から食物網を調べる。人類の孵化放流事業、汚染の潜在的影響など種間関係

為的影響監視の 1 つとして泥と生物の汚染物質測定をを考慮した予測を行う。底棲生物（ベントス）、海鳥、海行う。

Q4: 成層化、脱窒、および海洋酸性化は北極海の生態系・多様性にどのような影響を及ぼすのか？
a. この研究の重要性と現状（図 35 参照）持つ。深層からの栄養塩供給を弱める成層化は表層に全ての海洋生物の生産は、一部の海域を除くと表層分布する植物プランクトンによる光合成（基礎生産）を低の植物プランクトン生産に支えられていると言っても過下させ、生態系を不安定にする生物学的な影響力を持言ではない。北極海においては、その生産を制限する

つことになる。同時に、表層での基礎生産を担ってきた要因として、光や温度に加え、窒素栄養塩の不足があ

大型植物プランクトン（珪藻類）から、少ない栄養環境でげられる。温暖化と海氷融解により、光と温度の条件は増殖可能な小型の藻類（円石藻類、パルマ類等）に移好転すると考えられるため、今後の北極海の生物生産るという種の入れ替わりを促すであろう。

にとって、窒素栄養塩の供給がより重要な因子となるだ

また、温暖化による表層の成層化は、表層混合層のろう。窒素供給量を左右する過程として、大陸棚上で窒厚さを薄くするため、混合層内に分布する植物プランク

素栄養塩を除去する脱窒過程、混合による下層からのトンに対して、これまで以上の強光ストレスがかかると推栄養塩供給過程が挙げられる。これらの過程の変化に定できる。極域に分布する植物プランクトン光保護機構

より、北極海の生態系・多様性が大きな影響を受ける可に関する知見は少ないが、成層化の生物的影響は、極能性がある。

域や亜寒帯海域でより顕著に現れるであろう。

一方、人間活動により放出された二酸化炭素の一部(2) 脱窒の影響が海洋に溶け込むことにより、海水の二酸化炭素濃度の増加、水素イオン濃度の上昇（狭義の酸性化）、炭酸

窒素不足は、特に太平洋側の海域で顕著である。こカルシウム飽和度の低下が全球で進行している（Orr et

れは、ベーリング海からチャクチ海の大陸棚堆積物中al., 2005）。これらを総称して「海洋酸性化問題」としてで、硝酸塩や亜硝酸塩などの窒素栄養塩を不活性ガス

議論されている。海洋酸性化は、ほとんど全ての海洋生に変える「脱窒」と呼ばれる微生物の代謝が活発にお物の増殖や成長に何らかの影響を及ぼす可能性があき、海洋から窒素を除去しているからである。これらの海る。しかし、北極海に棲む生物に対する、海洋酸性化の域における脱窒は、全球海洋の窒素循環においても重影響について充分な研究が行われておらず、喫緊の課要な役割を担っている。水温上昇や底層への有機物フ題として認識されている（AMAP, 2013）。

ラックスの増加などにより、脱窒により除去される窒素が増え、海洋の一次生産を制限する可能性がある。しかし、定量的知見やその影響に関する見解が不足してい(1) 成層化の影響る。

高い生物生産を支えている生物群は、湧昇や冬季の鉛直混合による深層からの栄養塩供給を十分に受けて(3) 海洋酸性化の影響きた植物プランクトンである。彼らは現在までの栄養豊
かな海洋環境に適応した大型サイズの種（珪藻類）によ

海洋酸性化による炭酸カルシウム飽和度の低下は、り構成され、長い間独特の生態系を維持してきたと言わ

炭酸カルシウムの殻や骨格を作りにくくするため、例えれている。温暖化と陸からの淡水や海氷融解水によるば植物プランクトンの円石藻類、動物プランクトンの浮淡水化は、海洋の成層化を促進し、湧昇による深層か

遊性有孔虫、翼足類、貝類などへ負の影響を与えることが懸念されている。これらは北極海や亜寒帯域の生態

ら表層への栄養塩供給を妨げる物理・化学的な働きを116
16

系においても重要な生物であり、捕食者であるより高次

物の酸化還元状況、脱窒量、微生物のサンプリングなの生物、例えば魚類や鳥類や哺乳類などへの影響も危

どを総合的に行い、季節変化や経年変化を明らかにす惧される。炭酸カルシウムを作らない生物についても、ることができれば、今後の北極海の一次生産量変化の種によっては海洋酸性化が有利にも不利にも働くことな予測に大きく資することができるだろう。また、数値モデ

どが、室内実験や現場実験で明らかになってきたが、そルに脱窒量の変化を加え、海洋の生態系や多様性にの知見のほとんどは低中緯度域での研究結果に基づ与える影響を評価することが必要である。

いているため、北極生態系に対する海洋酸性化の影響

また、将来の酸性化が及ぼす海産生物への影響のは不明である。しかし、北極海はもともと酸性化を緩和

実験研究は、これまで中低緯度の生物で進んでいるする能力が低い海域であるため、酸性化の影響を受けが、北極域の動植物プランクトン群集や高次生態系へやすい。その上、水温の上昇や水温上昇にともなう中・の影響の実験研究は極めて少なく、わずかに一部の海

低緯度域の生物種の移入などの他のストレスが、酸性域や生物種、群集などに対して始まっているものの、ほ化と同時に進行することが予想される。

とんどの生物種については実験室での予測実験すら行われていない。北極海には広大な大陸棚が存在し、底b. 今後の研究

棲生物が生態系の中で重要な役割を果たしているた海洋の表層の動植物プランクトンの現存量と種組成

め、動植物プランクトンに加え、貝類をはじめとする多様の現状把握は、生態学的研究の常套手段であり、これな底棲生物に海洋酸性化が与える影響を調べることがまで多くの研究者により成果が発表されてきた。しかし、必要である。

その多くは大型の珪藻類やカイアシ類に対するものでそのためには、北極圏の多様な海域に生息する生物あり、酸性化の影響が懸念される円石藻類や浮遊性有と酸性化の実態の調査、鍵種を用いた室内実験や現場

孔虫、翼足類に関しては知見の充実がはかられていなにおける二酸化炭素の通気による酸性化シフト実験をい。将来の表層の成層化による下層からの栄養塩供給行わなければならない。北極沿岸国と協力した国際プ量の低下により植物プランクトンサイズが小型化するとロジェクトを進めることが必須である。北極海の酸性化いう予想のもとで、影響の深刻な海域において長期間は世界の他の海に先んじて深刻な状態に達しているたにわたって監視観測することにより、円石藻類および粒め、長期のモニタリングによって生態系や多様性の応答

子食性動物プランクトンの浮遊性有孔虫、翼足類の分を明らかにすることで、今後の他の海域における酸性化

布動態を十分把握することは、極域生物の多様性の特の影響を予測するための貴重な情報を提供できるだろ

色を明らかにする上で意義がある。また、成層化によっう。生態系予測モデルや、極域のプランクトンや生態系て表層混合層の厚さが薄くなることで、表層混合層内にに関する日本の知識は、海洋酸性化に対する北極生分布する植物プランクトンが強光にさらされる時間が長態系および多様性の変化の評価研究に大きく貢献でき

くなると考えられる。このことは、これまで弱い光に適応ると考えられる。

して来た極域のプランクトンの強光ストレスが増大することに繋がると予想できる。そのため、植物プランクトンの生産に対する直接的な酸性化実験とともに、光保護機構の研究も必要となってくる。
チャクチ海やベーリング海における現在の脱窒量の見積もりはなされてきたが、シベリア側の広大な大陸棚での脱窒量は不明である。さらに、今後の北極海における温暖化、陸起源や海洋生物由来の有機物沈降量の増加により、脱窒を行う微生物がどのように応答するかについての定量的見解はまだない。例えば、微生物の種類によって、水温上昇に対する脱窒量変化は異なることが知られている。各海域に海底モニタリング・プラ
ットフォームを設置し、有機物沈降量や水温変化、堆積

117
17

7 章 「北極環境研究の広範な重要課題」 研究テーマ
テーマ 10 ： 中層 ・ 超高層大気 ・ ジオスペース環境
要旨
ジオスペース （人間の活動領域の一部となる地球周

うな大規模変動を含む） を引き起こす。 また、 下層大気

辺の宇宙空間） からの電磁波の伝搬や荷電粒子の降りから発生した大気波動は、 全球的な子午面循環の駆動込みにより、 北極域の中層 ・ 超高層大気及び下層大気に貢献することが明らかとなっている。 しかし、 全球規が変動を受けることが、近年指摘されている。 なお、テー模で起こるこのような変化の全容は未解明である。 そのマ 10 の中では、 下層大気 （地表から高度約 10km ま

他に、 人類社会を支える重要な情報基盤整備事業の 1

での対流圏）、 中層大気 （高度約 10 ～ 100km の成層つとして、 極域中層 ・ 超高層大気のモニタリング、 電離

圏 ・ 中間圏 ・下部熱圏）、 超高層大気 （高度約 80 ～圏擾乱現象の有効かつ確実な検出と予測に繋がる研究

500 （～ 1000） km の上部中間圏 ・ 熱圏 ・ 電離圏） とが必要とされている。 今後数年の間には、 新しい飛翔定義する。 特に、 中層 ・ 超高層大気の微量成分変動の体観測や大型レーダー観測など、 中層 ・ 超高層大気お下方伝播とオゾン濃度への影響や、 北極振動の下方伝

よびジオスペース探査の充実が図られる予定である。 こ播に代表される成層圏－対流圏結合などの、 上層大気の機会を逃さず、 ジオスペースから中層 ・ 超高層大気、から下層大気への影響が、 最近多くの関心を集めてい下層大気への影響及び、 それらの相互作用を評価 ・ 予る。 一方、 下層大気で励起された大気波動が、 中層 ・測する研究体制を整備する必要がある。 これらの中層 ・超高層大気の熱的 ・ 力学的構造に大きな影響を与える

超高層大気 ・ ジオスペース環境が北極環境に及ぼす影ことも明らかになってきている。 また、 温室効果気体の響や、 相互の繋がり （プロセス） に関するキークエスチョ増大に伴う、 中層 ・ 超高層大気の寒冷化の顕著な進行

ンは、 以下の 4 つにまとめられる。
Q1 ： ジオスペースからの超高層大気や、 より下層の大を示唆する結果も出始めている。 これらの下層大気から
超高層大気までの間の様々な上下結合過程の理解は、気への影響は？

北極環境の全容を把握する上で重要であると考えられ

Q2 ： 超高層大気が下層 ・ 中層大気に与える影響は？

る。 しかし、 その定量的な影響評価はほとんど進んでいQ3 ：下層 ・ 中層大気変動が超高層大気に与える影響ない。

は？
Q4 ： 超高層大気を通した極域から中低緯度へのエネ

太陽風 ・ 磁気圏から極域に侵入した電磁 ・ 粒子エネ
ルギーは、 中低緯度の超高層大気の変動 （磁気嵐のよ

ルギー流入は？

まえがき
ジオスペース （Geospace） とは、 多くの人工衛星や、

オスペースから中層 ・ 超高層大気へ流入する領域である

国際宇宙ステーション、 惑星探査機などが飛翔する、ため、 その物理及び化学過程の詳細な理解が求められ人間の活動領域の一部となる地球周辺の宇宙空間を表ている。 また、 中層 ・ 超高層大気は、 下層大気で励起す用語である。 人間の手の届かない遠方の宇宙とは区された大気波動 101 によるエネルギーや運動量の輸送、別をして、 このジオスペースの環境をより深く理解するた

温室効果気体の増加等の様々な要因により、 短期的、めの研究や観測がなされてきている。

長期的な変動を示すことが明らかになりつつある。 これらの上方からと下方からの影響及び、 全大気圏の間の最近の研究によって、 太陽活動や地球周辺の宇宙空間の変化が、 地球の環境にも影響を与えていることが明らかにされつつある。 特に、 極域は太陽風や惑星間空
間磁場

100

101

大気波動： 種々の大気擾乱に伴い発生する大気の波動。
より局所的な大気重力波、グローバルな大気潮汐波、プラネタ
リー波などがあり、重力による大気の密度成層や、地球の自転に伴う角運動量の保存が復元力となり発生する。下層で発生した大気波動は、上方へ伝搬し、中間圏・熱圏領域では振幅が増大し砕波してエネルギー、運動量を放出することで、中層大気上部の子午面循環や東西風が駆動される。

の影響を受けやすく、 様々なエネルギーがジ

100

惑星間空間磁場 ： 太陽風に伴って太陽の磁場が惑星間
空間 （太陽系内の惑星軌道が存在する空間） に引き出されたもの。 太陽の自転により、 惑星間空間磁場の磁力線は太陽から螺旋状に広がっていく。

118

図 37

テーマ 10 の 4 つの Key Questions の関係

相互作用を理解することを目的とする 「大気上下結合過型レーダー観測など、中層・超高層大気を含むジオスペー

程」 の研究が、 北極環境研究においてひとつの重要なス探査の充実が、 日本を中心とした国際協力の枠組み

課題となっている。 太陽黒点の無い状態が 1 年以上継の中で図られる予定である。 この機会を逃さず、 ジオス

続するなどの、 近年報告されている太陽活動の様々な変ペースから中層 ・ 超高層大気 / 下層大気への影響、 さ

調は、 この大気上下結合過程を通じて北極環境に影響

らに、 それらの相互作用を評価、 予測する研究体制をを及ぼすことが懸念され、 分野を横断する融合的な研整備する必要がある。

究が求められている。

本テーマでは、 中層 ・ 超高層大気 ・ ジオスペース環

また、 ジオスペース環境の研究は、 測位衛星に代表境が北極環境に及ぼす影響や、相互の繋がり（プロセス）

されるような人類の宇宙利用の発展に伴い、 人工衛星を、4 つのキークエスチョンに分けて説明する。 まず、「Q1：の運用に必要な宇宙天気

102

予報の精度向上に活用さジオスペースからの超高層大気や、 より下層の大気へのれてきている。 それにより、北極域における （通信、電力、影響は？」 では、 「宇宙天気研究」 をキーワードとして、測位などの） 社会基盤に対するリスクを軽減させるため

太陽活動や地球周辺の宇宙空間の変化が地球環境にの実用科学としても重要になりつつある。 特に、 北極域与える影響を中心に記述する。 次に 「Q2: 超高層大気の国々 （例えば、 ノルウェー） においては、 ジオスペーが下層 ・ 中層大気に与える影響は？」 では、 大気微量

ス環境の変化がもたらす各種の宇宙天気現象が社会的成分の下方伝搬などを含む 「大気上下結合過程」 の研な関心事として認識されている。 具体的な社会的影響に究を具体的に説明する。 「Q3 ： 下層 ・ 中層大気変動がついては、 テーマ 7 「北極環境変化の社会への影響」

超高層大気に与える影響は？」 では、温暖化に伴う中層・の Q4 に記述する。

超高層大気の寒冷化を含む、 下層から上方への影響にこれらの太陽地球系分野の研究の多くは、 国際共同

ついてまとめる。 最後に 「Q4: 超高層大気を通した極域

研究プロジェクトとして、 日本が牽引する形で進められてから中低緯度へのエネルギー流入は？」 では、 緯度間きている。 今後数年の間には、 新しい飛翔体観測や大結合の研究の重要性を述べる。

102

宇宙天気 ： 人間の活動領域が宇宙空間に広がったことから、 人間生活に影響を与える天気を模して、 宇宙環境またはそこで起きる変動現象を宇宙天気と呼ぶ。 電磁場、 放射線
帯粒子、 宇宙線が主な宇宙天気の現象要素である。 宇宙天
気変動現象に伴うエネルギーは地球磁力線に沿って極域電離圏に入り込み、 超高層大気の熱構造や化学組成に影響を
与える。

119

Q1 ： ジオスペースからの超高層大気や、 より下層の大気への影響は？
る （例えば、 Shiota et al., 2012）。 特に、 極小期が通a. 研究の重要性と現状
太陽や銀河から飛来する高エネルギー粒子及び、 地常よりも長く続き、 また極大期にも黒点数があまり増えな

球磁場に捕捉されている放射線帯の高エネルギー粒子

いという状況は、 マウンダー極小期 104 と類似しており、は、 超高層大気に侵入し、 中間圏以下の高度帯の電離当時と同様の地球大気の寒冷化が起こるのではないかとを引き起こすなどの影響を与えることが知られている （例いう推測もある。 一方で、 マウンダー極小期の寒冷化は

え ば、 Rishbeth and Garriott, 1969）。 例 え ば、 大

太陽定数の変動だけでは説明できないため、 その要因

や太陽 粒子イベント （Solar Ener-として中層 ・ 超高層大気を介したメカニズムがいくつか提

getic Particles : SEP） 発生時には、 極域において中案されている。しかし、これらのプロセスの定量的検証は、

間圏 ・ 成層圏上部オゾンの減少等が起きていることが確

観測、 モデルのいずれの面からも未だに不十分な状況認されている （例えば、 Jackman et al., 2001）。 また、である。

規 模 な磁気嵐

103

近年、 放射線帯電子の降り込みによっても中間圏オゾンの減少が起こる可能性が示唆されている （Rozanov etb. 今後の研究

al., 2005）。 しかしながら、 これらのプロセスが中層大気

ジオスペースからの高エネルギー粒子による大気 （特に与える影響に関する定量的な評価は充分に行われてに、 極域） への影響を評価するために、 超高層大気のいない。 これらの高エネルギー粒子による空気シャワー

精密な観測と、 人工衛星や地上からのレーダー ・ 分光

は、 特に極域周りでの航空機高度で被ばくを引き起こす

機器 ・ 電磁場計測機器による磁気圏 ・ 電離圏の比較

ため、 この変動の予測と影響評価は宇宙天気研究でも観測が重要である。 特に、 2016 年 12 月に打ち上げら重要な課題である。

れたジオスペース探査衛星 「あらせ」 （ERG） による磁ジオスペースから地球大気に流入したエネルギーは、気圏におけるプラズマ環境の観測や、 国際共同の枠組

極域超高層大気に様々な変動を引き起こすが、 その過みによって 2021 年に観測開始を予定している北欧の程の理解はまだ不十分である （例えば、 Gray et al.,

EISCAT_3D レ ー ダ ー 計 画 （e.g., McCrea et al.,2010）。 高緯度域では、 オーロラ活動に伴って電離圏

2015） 等の新しい大型ネットワーク観測及び大型拠点

高度を流れる強い電流が地上において誘導電流を作り観測を有効に活用し、 原因と結果の両面から研究を進だし、 送電線網やパイプライン等に障害を起こす。 太

めることがポイントとなる。 また、太陽・太陽圏・ジオスペー

陽紫外線の急増に伴う熱圏大気膨張によって、 衛星のス科学コミュニティと超高層 ・ 中層大気科学コミュニティ

姿勢擾乱が発生し、 衛星が運用停止に陥った事例も報が密に連携して、 研究を進める体制を構築する必要もあ

告されている。 また、 電離圏における擾乱現象 （電離る。

圏嵐、 プラズマバブルなど） は、 近年利用が飛躍的に太陽からの電磁波および、 高エネルギー粒子が極域増大している衛星測位や、 それを利用した航空機航法の中層 ・ 超高層大気に及ぼす影響の定量的な評価とそシステムの精度と信頼性に大きな影響を与える。 特に、の変動予測のために、 紫外線やジオスペースの高エネ

極端宇宙天気現象と呼ばれる発生頻度が低いが規模ルギー粒子を入力とし、 各高度における影響の評価をが極端に大きい現象については、 観測事例が少なく定行うモデルの構築が必要である。 また、 極端宇宙現象

量的な評価は難しいものの、 その影響がきわめて大きいと呼ばれる発生頻度は低いが大規模な現象についてこと予想される。

は、 過去の事例解析による影響の評価、 また、 物理モ

さらに、 太陽活動の様々な変調が近年報告されていデルによる極端宇宙現象の再現と予測が重要となる。 このように、 人類社会を支える重要な情報基盤整備事業の 1 つとして、 極域中層 ・ 超高層大気のモニタリング、

103

磁気嵐 ： 太陽での大規模擾乱現象によって引き起こされるジ オスペース 最 大 の 擾 乱 現 象。 最 近 で は、 Geospacestorm （宇宙嵐、 ジオスペース嵐） とも呼ばれる。 このとき地球周辺の宇宙空間には大きな電流が流れ、 また、 宇宙放射線の量が増加する。 さらに、 電離圏、 熱圏等の地球大気へも著しい影響が起こり、 宇宙から地球へのエネルギー流入が急増する。

マウンダー極小期 ： 17 世紀後半に、 数十年にわたって太陽に黒点がほとんど現れなかった期間。 この期間、 太陽活
動は著しく弱く、 一方、 地球大気は寒冷化していたと考えられている。 このため、 太陽活動が地球の気候に影響を与えている可能性が示唆されている。

104

120

図 38
太陽 - 地球圏の領域とそこで発生する現象 （上図） と、 ジオスペース環
境の乱れが社会に与える影響 （下図）。 図は共に、 地球電磁気学 ・ 地
球惑星圏科学の現状と将来 （SGEPSS
学会、 2013 年 1 月） より抜粋。

電離圏擾乱現象の有効かつ確実な検出と予測につな

日本がリーダーを輩出するなどしてプロジェクトを牽引してがる研究を通信工学、 航空工学などの工学分野と連携いる。 また、 日本には太陽地球系科学の世界的な研究して進める必要があると考えられる。

拠点があり、 さらに北極を含む海外に観測拠点を展開

太陽地球系科学分野の研究者が中心となって推進し中である。 このような日本の優位性を活かし、 今後の太ている国際共同研究プロジェクト （CAWSES-II （2009

陽活動の変動に対して地球大気がどのような応答を示す～ 2013、 太陽地球系の気候と天気） や VarSITIのかを知るために、 太陽地球系科学分野からの積極的（2014 ～ 2018、太陽活動変動と地球への影響）） では、なアプローチが期待される。

105

VarSITI ： Variability of the Sun and Its Terrestrial
Impact （VarSITI、太陽活動変動とその地球への影響） は、
ICSU （国際科学会議） 傘下の国際組織 SCOSTEP （太陽地球系物理学科学委員会） が 2014-2018 年の 5 年間推進する太陽地球系科学に関する国際協同研究プログラム。
関 連 ホ ー ム ペ ー ジ ： http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/
varsiti/105

121

Q2: 超高層大気が下層 ・ 中層大気に与える影響は？
a. 研究の重要性と現状

圏大気にどのような影響を与えるかについても今後研究

下層から上層へ影響が及ぶという地球大気の基本的する必要がある。

な性質は、 高度と共に密度が減少する地球大気の成層関連して、 成層圏でのオゾン濃度の減少は地表紫外構造に由来している。 一方で、 北極振動の下方伝播に線量を増加させるため、 北極域在住の人々の生活にも代表される成層圏－対流圏結合など、 上層から下層へ影響を及ぼす可能性がある。 オゾン減少は、 成層圏にの 影 響 が 近 年 多 くの 関 心 を 集 めて い る （ 例 え ば、

おけるプラネタリー波の活動度と密接に関連しているた

Baldwin and Dunkerton, 1999）。 極域は、 太陽活

め、 対流圏―成層圏結合過程の枠組みの中で考えな動に伴う電離圏、 熱圏へのエネルギー注入があることかければならない事象である。 例えば、 2011 年の春にはら、 超高層大気から下層 ・ 中層大気への影響が現れや北極でもオゾンホールが発生したが、 今後も同様のオゾ

すい領域であると考えられる。 そのため、 上層から下層

ン減少が発生するかについての予測は不十分である （例への影響を示す観測事実を積み上げ、 数値モデルを用

えば、 Manney et al., 2011）。

いた研究を組み合わせることでそのメカニズムを明らかにしていくことは、 特に極域下層 ・ 中層大気の中長期時間

b. 今後の研究

スケールの変動を理解し、 予測するために必須である。

高緯度域における高エネルギー粒子降下に伴う大気高エネルギー降下粒子や太陽紫外線量に起因する

微量成分の変動を調べるには、 高緯度域での大型レー

一酸化窒素 （NO） などの大気微量成分の変動が下方ダーによる拠点観測や、 中層 ・ 超高層大気の大気組成、伝播し、 成層圏でのオゾン濃度などに影響を与えること

温度、風速などの測定が可能な各種測器による地上ネッが次第に明らかになりつつある （例えば、 Randall et

トワーク観測が重要である。特に、EISCAT_3D レーダー

al., 2007）。 しかし、 この超高層大気の変動を起源とすの様な大型の観測機器を用いた精密な観測や、 グロー

る成層圏オゾン濃度の変動が、 成層圏大気大循環、 ひバルな大気変動を調べるための地上多点観測ネットワー

いては対流圏大気大循環にどの程度影響を及ぼすかにクの拡充が、 定量的な理解を深める上で必須である。

ついての定量的な評価は未だに行われていない。 高エさらにこれらの地上観測と、 中層大気から熱圏 ・ 電離圏

ネルギー降下粒子や太陽紫外線量は、 太陽活動度と高度における大気、 プラズマの衛星観測とを組み合わせ

密接に関連している。 したがって、 太陽活動が大気微ることが、 個々の観測機器に由来する仮定を減らし、 本

量 成分の変化を 通じて成 層圏や対流圏の大気大 循

質の理解に到達するために必須となってくる。

106

環

超高層大気が下層 ・ 中層大気に与える影響を調べるにどの程度影響を及ぼしているかについての定量ためには、 数値モデルによる定量的理解が重要である。

的評価も今後の課題である。
一方で、 対流圏起源のプラネタリー波が成層圏に伝

また、 超高層大気が、 下層 ・ 中層大気のどの領域まで、搬し、 成層圏大気大循環を変化させ、 その変化がさらどの程度の影響を与えるのかを理解するためには、 熱に対流圏大気大循環に影響を及ぼすことが明らかになり

圏、 電離圏を含まないモデル、 中間圏以上を含まないつつある （Plumb and Semeniuk, 2003）。 しかしながモデル、 逆に熱圏、 電離圏までを含むモデルなど、 高ら、 対流圏起源の各種波動に伴う中間圏や熱圏での変度領域の異なる様々なモデルによる総合的な検証、 理動が、 大気上下結合過程を通じて対流圏にどのような影解が必要である。 モデルの高度領域の高高度化は世界響を及ぼすかについてはよく理解されていない。 また、的な流れであり、 国内でも対流圏から熱圏 ・ 電離圏を

前述の高エネルギー降下粒子等に起因する成層圏オゾ含むモデル（大気電離圏結合モデル：GAIA モデル）（例

ン変動が、 成層圏大気大循環の変化をもたらし、 対流

えば、 Jin et al., 2011） が開発されているが、 今後はその更なる高精度化が重要となる。 また、 オゾン減少を

106

大気大循環 ： 大気大循環とは、 地球規模の大気の流れのことである。 赤道域と極域間の受け取る太陽放射エネル
ギーの差により生じる温度差を解消するために起こる循環である。 加えて、 中層大気や超高層大気領域では、 鉛直方向に伝播する大気波動の影響によっても、 地球規模の循環が生じる。

はじめとする光化学過程を考慮するには、 対流圏から中間圏、 熱圏までを高度範囲とする光化学反応過程を含んだモデルを開発し、 かつその高精度化を行う必要がある。 日本の太陽地球系科学の研究コミュニティは、 下層

122図 39 太陽から地球電離圏 ・ 大気圏への影響。 地球電磁気学 ・ 地球惑星圏科学の現状と将来 （SGEPSS
学会、 2013 年） の図を一部改編。

大気と超高層大気の結合過程に大きな関心を持っておある状況である。

り、 前述の観測およびモデル研究を積極的に進めつつ

Q3: 下層 ・ 中層大気変動が超高層大気に与える影響は？
に重要であると言える。

a. 研究の重要性と現状
温室効果気体の増大に伴い対流圏では温暖化が進

北極域では 2000 年以降、 北極温暖化の増幅によっんでいるが、 中層 ・ 超高層大気では地上 ・ 衛星観測やて海面、 地表面気温の上昇が大きくなっている。 これはモデル計算などから寒冷化の進行を示す結果が得られ

北極振動指数 107 が負になった場合、 その空間パターている （例えば、 Roble and Dickinson, 1989; Lub-

ンを強化する可能性があり、 冬季には、 成層圏突然昇

ken et al., 2013）。 温暖化に伴う中層 ・ 超高層大気の温 108 に代表されるような擾乱の増加にも繋がる可能性

寒冷化は、 大気密度の小さいこの領域においてより顕がある （例えば、 Turner et al., 2007）。 また、 この成著に表れる。 例えば、 二酸化炭素の増大に伴う赤外放層圏突然昇温の兆候は、 成層圏での変動に先立って中射冷却の増加 （寒冷化） とメタンの増加に伴う中間圏界

間圏から下部熱圏の大気循環に顕著に現れることが、面付近での水蒸気の増加は、 北極域における極中間近年の観測 ・ 数値シミュレーションから明らかになりつつ

圏雲やこれに伴う中間圏の特 徴的なレーダーエコーある。 成層圏突然昇温による中層大気の変動は、 下層（PMSE、 MSE） の発生頻度増加や、 極域からより低い緯度への中間圏雲の発生領域の拡大 （図 40 参照）

AO index ： 北 半 球 （ 通 常 は 20 °N 以 北 ） 対 流 圏（1000hPa や 500hPa） 高度場の主成分分析から求めた第1 主成分ベクトルを、 指数を求めたい日や月の高度場に射影して得られる値。 正負の指数はそれぞれ北極域低圧部の強化 ・ 弱 化 を 表 す。 詳 し く は URL: http://www.cpc.ncep.
noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_ index/ao_
index.html 参照。
108
成層圏突然昇温 ： 冬季極域成層圏において、 短期間で急激に温度上昇が起こる現象。 北極域では非常にポピュラーな現象であるが、 南極域ではめったに発生しない。 世界気象機関（WMO） の定義では、 1 週間以内に 25K 以上温度が上昇し、 10hPa あるいはそれ以下の高度領域で帯状平均した温度が緯度 60 度より極側に向かって増大する現象を指す。
107をもたらしている可能性があり、 下層大気の温暖化の指標となりうると考えられている。 しかしながら、 中層 ・ 超高層大気分野では長期にわたって取得されているデータが極めて限られていることから、 数 10 年スケールの長期変動の研究はまさに始まったばかりの状態である。特に、人類活動の活発な北極域と、 その人類活動のほどんどない南極域との両極比較研究を実施することは、 温暖化に伴う寒冷化のプロセスを理解及び特定する上で非常123

図 40 超高層大気と地球温暖化や気候変動との関わり （左図。 地球電磁気学・地球惑星圏科学の現状と将来（SGEPSS 学会、2013 年 1 月）より）と、パリ上空で撮影された中間圏雲（右図。http://www.spaceweather.com/nlcs/gallery2009_page12.htm より。）

大気から伝搬してくる大気波動を変調し、低緯度の熱圏、続的に進めていくことが最も重要である。 北極域では経電離圏にも変動をもたらしていることが観測されている

度方向に拡がるネットワーク観測の充実が切望されてお（例えば、 Chau et al., 2012）。 これらの原因としては、り、 現在観測機器が設置されているアラスカ、 カナダ、

プラネタリー波、 大気重力波など全球規模で起こる大気

北欧の観測拠点を継続的に運用すると共に、 現行の波動の変動が考えられているが、 その全容は未解明のEISCAT レーダー、 SuperDARN レーダー、 AMISR

ままである。 このため、 気象学が対象とする下層大気かや、 今後運用を開始する EISCAT_3D レーダーなどのら超高層大気を含む全ての大気領域を結んだ地球大気

大型観測拠点との連携をさらに強めていくことが必須での全体像の理解という新たな視点での研究が必要となっある。 特に、 観測点が数少ないロシアとの連携をさらにてきている。 そのため、 中低緯度、 南極との連携に重強化することが必要と考えられる。 また、 観測方法の限点をおいた IS/MST レーダー国際キャンペーン観測をられる中層 ・ 超高層大気研究においては、 モデル計算

2016 年より日本が主導して実施してきている。

をさらに充実させていくことも重要である。

そのような研究を発展させることより、 例えば、 北極域研究の方向性としては、 大気領域間を結びつける重で頻発する成層圏突然昇温の発生を予測することも将

要なプロセスとして、 様々な大気波動を理解することがこ来可能になるものと期待される。

れまで以上に求められている。 下層大気で励起された大さらに、 近年の GPS 観測網の発達により、 地震後に気波動がどのように伝搬し、 どこで散逸するか、 また、発生した津波や台風、 ハリケーンなどによって励起され大気波動の散逸に伴って発生すると考えられる乱流や二た大気波動が電離圏にまで伝わり、 電離圏のプラズマ

次的に励起される大気波動の特性について、 全球規模

密度を変調することが明らかになってきた （Tsugawa etで理解する必要がある。 特に中層大気の乱流は、 上層

al., 2011）。 この結果は、 地表面 ・ 海面変動が超高層に位置する熱圏の構造にも強く影響する可能性があるこ

大気に影響を与え得ることを示すものであり、 ダイナミッとから、 重要な研究課題である。 また、 地球大気に満クに変動する地球の姿を映し出すとともに、 電離圏研究

ち満ちている大気波動がどのように電離圏プラズマの構が津波の到来予測など防災科学として発展する可能性

造を変調するか、 さらに、 どのように電離圏擾乱を誘起を新たに示している。

するかという点も今後解明を進めるべき課題である。 電
離圏擾乱の特性を理解し、 その発生を予測することは、
衛星測位や通信などの、 電離圏を伝播路とする電波を

b. 今後の研究利用する衛星測位や通信などの社会基盤にとっても大き地球温暖化に伴う中層 ・ 超高層大気変動は、 鉛直方向の大気温度構造の変化、 北極域での擾乱、 下層な意義を持つ。

からの大気波動伝搬の変調などを通して全球に影響を地球温暖化に伴う中層 ・ 超高層大気寒冷化のプロセ

及ぼす。 長期的なデータ取得が始まったばかりのこの領スを理解 ・ 特定し、 予測を行っていく上で、 特に南極昭域では、 まず地上 ・ 衛星観測、 モデル計算を今後も継和基地大型大気レーダー（PANSY）、ライダー、MF レー124ダー等の観測機器が充実している南極昭和基地と、 日を理解する上で、 中低緯度や南極との連携をさらに強め本の有する北極域の各拠点観測との継続的な連携およていく必要がある。 日本はそのような研究を進めるため

び、両極比較に重点をおいた研究が非常に重要である。

の基盤 （拠点及びネットワーク観測） を計画 ・ 整備しつ

また、 大気大循環の変動や全球規模の変動メカニズム

つあり、 研究の発展に対する国際的な期待が大きい。

Q4: 超高層大気を通した極域から中低緯度へのエネルギー流入は？
a. 研究の重要性と現状

ギー、 物質の中低緯度への伝搬過程の全体像を観測

太陽風から地球磁気圏を介して超高層大気へ侵入す

的に把握することは現状では難しく、 また、 モデル化にるプラズマや電磁場変動のエネルギーは、 地球の磁力

おいても電磁場変動と大気の力学変動を下層、 上層の線が集まる極域に主に侵入する。 この侵入したプラズマ・境界条件も含めて解くことは難しい （例えば、 Schunk

電磁エネルギーは、 ジュール加熱やローレンツ力を通じ

and Nagy, 2000）。

て超高層大気を加熱したり変動させる。 これらの力学変一方で、 下層大気において発生した大気波動は、 中

動は、 大気波動として中低緯度に伝搬していく。 また、

間圏界面付近で散逸して運動量を放出することにより、加熱に伴う大気組成の変化は物質輸送として中低緯度

全球的な子午面循環を駆動することが明らかになっていに広がっていく。 さらに、極域に侵入した電磁場変動は、

るが、 その効果の正確な定量化 （パラメータ化） が将来電離圏内をダクト伝搬する地磁気脈動や電離圏－地上予測の精度を上げるための課題になっている。 また、 この間をダクト伝搬する電場変動として低緯度に伝わる。

の運動量放出によって発生する二次的な波動や、 中間

これらの諸過程を通して、 太陽風、 磁気圏から極域に圏で散逸しなかった波動が熱圏に侵入し、 電離圏の変侵入した電磁エネルギーは、 中低緯度の超高層大気の動を地球規模で引き起こしていることが最近の研究から変動を引き起こしている。 その代表例として、 電離圏で明ら か に な って い る （ 例えば、 Vadas and Crowley,の電子密度が異常に増大、 減少する正相、 負相の電離2010）。 これらの過程は、 数時間スケールの大気重力圏嵐や、 電場の侵入によって誘起される赤道域の電離波から数日スケールのプラネタリー波まで、 広く発生して圏不安定などが挙げられる。 これらの現象は、 衛星－いることが分かってきている。 また、 これらのプロセスは

地上間の通信や GNSS 衛星を用いた測位に大きな影極域をその駆動源として、中低緯度にその影響が伝わっ響を与えるために重要である。 しかし、 これらのエネルていくことが知られている。 Q3 でも触れたように、 近年

図 41

超高層大気を通した極域から中低緯度へのエネルギー流入と関連現象の模式図

125

の観測では、 北極域成層圏で冬期に起こる突然昇温の大気光カメラ、GNSS 受信器群、ファブリ・ペロー干渉計、影響が、 北極上空だけでなく、 遠く離れた赤道域電離流星レーダー、 大型短波レーダー、 磁力計等を組み合

圏や南半球の中間圏に現れることが明らかになってい

わせ、 複数高度における電磁場変動と大気変動を同時る。 この原因として、 大気波動の伝搬と運動量輸送が有に多点で観測することが必要である。 また、 大気潮汐や力とされており、 その全容解明に向けて多くの研究者がプラネタリー波は経度方向に構造を持つため、 極域を中取り組んでいる。 また、 電離圏で頻繁に観測される伝心として経度方向にリング上に観測点を展開することも重搬性電離圏擾乱は、 下層大気やオーロラ帯からやって要である。 これらの地上からのリモートセンシング観測を、きた大気波動と、 電磁場変動に左右される電離圏のプ

電離圏高度の人工衛星による大気 ・ プラズマの直接観

ラズマ不安定の両者が成因と考えられており、 両者を切り測や広範囲をカバーできる人工衛星からの撮像観測と分 け る 研 究 が 必 要 で あ る （ 例 え ば、 Makela and組み合わせて、 グローバルな大気結合を測定することがOtsuka, 2012） 。

必須である。 日本の研究コミュニティは、 地上多点ネット
ワーク観測や拠点観測、 人工衛星観測の経験を豊富に

b. 今後の研究有しており、 将来の観測整備や拡張を通じて、 緯度間

大気変動と電磁場変動が複雑に絡み合った超高層結合の研究を、 国際協力の枠組みの中で中心となって大気における緯度間結合を理解していくためには、まず、推進する役割を担っている。

この領域を駆動する上で鍵となる極域と赤道域においてモデル開発においては、 地表面から熱圏、 電離圏ま大気の上下結合を計測する大型大気レーダーなどの拠でを統一して解くことができる大気電離圏結合モデルが、点観測と、 アジア、 アフリカ、 アメリカの主要な 3 つの子

日本で先導して開発されてきた （例えば、 Jin et al.,

午面において緯度方向に展開されている地上多点ネット

2011）。 しかし、 大気大循環の重要な駆動源である大ワーク観測を活用することが重要である。特に極域では、

気重力波を陽に 109 生成できる空間解像度は有しない。

プラズマ大気の複雑な時空間変動を観測するために、

また、 太陽風や磁気圏から侵入する電磁エネルギーと高時間分解能で 3 次元の観測が可能な EISCAT_3Dなどの大型レーダーによる拠点観測が必須になる。 また、
子午面方向の地上多点ネットワーク観測では、 高感度

109

モデリングの分野ではある過程 （変数の時間変化） をモデル方程式の中で直接、 明示的に書き表すことを 「陽に」 と表現することが多い。

Update 2018 12

大気電離圏結合モデル（GAIA）の性能評価 －地上磁場変化の再現性
近年、長期かつ稠密な観測網が存在する地上磁場観測と大気電離圏結合モデル（GAIA）から計算された磁場変動の比較が実施された結果、大気電離圏結合モデルはかなり現実的な地上磁場変動を再現していることが明らかになった。一方で、この比較研究は現在の GAIA が持つ問題点も明らかにしており、これからのモデル開発に重要な情報を与えている。

荷電粒子による中間圏、成層圏の変動：
太陽放射線や地球磁気圏の放射線帯粒子が中間圏、熱圏に降り込み電離を引き起こすことによって、HOx や NOx の増加およびそれに伴うオゾンの減少が起こる。太陽放射線に伴うオゾンの減少はよく知られているが、近年、放射線帯電子による中間圏オゾンの減少の可能性が指摘されるようになっており、
2016 年に打ち上げられたジオスペース探査衛星「あらせ」（ERG）による観測と、モデル計算両面からの定量的な評価が必要とされている。

126

の電気的な結合過程も十分には含まれていない。 これ

長期かつ稠密な観測網が存在する地上磁場観測デー

らの物理過程を今後、 大気電離圏結合モデルに含めてタを活かすために、 地上磁場観測と熱圏電離圏モデリいく必要がある。 これらに加え、 上記の地上 ・ 衛星観

ングから計算された磁場変動の比較研究を実施する必測のデータをモデルに取り込むために、 データ同化の手要がある。

法を取り入れていくことも検討しなければならない。 また、

テーマ 11 ： 表層環境変動と固体地球の相互作用
Q4 ： 数千万年～数十億年といった時間スケールでの要旨
固体地球内部の熱対流活動により、 海洋底の拡大や

地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達

沈み込み等の大規模な地球表層活動が生じ、 新たな過程はどのように影響を与えたか？

海洋の形成や大陸の衝突等の現象を引き起こす。 この

一つ目の設問 Q1 は、 海氷下に存在し、 現在活動しような固体地球内部の熱対流活動に伴う、 地球表層のている中央海嶺の一つで、未だ研究が進んでいないガッ

海洋と大陸の配置変化は、 大気 ・ 海洋循環の変化をは

ケル海嶺の熱水系を対象とする。 この研究は、 ガッケル

じめ、 氷床の発達といった地球表層環境変動の転換を

海嶺熱水系の探査により、 その成因、 熱水系の生物相、もたらす大きな要因となる。 一方、 気候変動を原因とす

および海洋循環の影響等を明らかにするものである。

る地球表層における氷床と海水量の体積や地理的変動

二つ目の Q2 は、時間スケールで数万年、 空間スケー

は、 海水準の変動にとどまらず固体地球の変形も引きルで数千 km に及ぶ極域固有の現象で、 氷床荷重変起こし、 地殻の変動や地球内部のマントル流動を引き動に伴う現在の地殻変動現象に関する研究観測が対象起こす。 このように両者は、 様々な時間と空間スケールである。 この研究では、 グリーランド氷床やカナダ等ので相互に影響を与えていると考えられてきたが、 そのメカ

地域、 およびその周辺海域での、 地形地質および測地

ニズムはまだ十分に明らかにされておらず、 地球システム

学的調査を軸とし、 これにモデル計算を組み合わせるこを総合的に理解する上で必要不可欠な課題となっていとで、 氷床変動メカニズムの解明や地球内部の粘性構る。 特に、氷床荷重変動に伴う現在の地殻変動現象や、造を明らかにすることを目指している。

大陸の成長 ・ 離合集散といった数十億年スケールの現

三つ目の設問 Q3 は、 数億年スケールでの北極海形

象まで様々なスケールの相互作用が現れている北極域

成発達史の解明と、 これに伴う大気－氷床－海洋の相は、 この課題を理解する上で鍵となる重要なフィールドで互作用の変遷を対象としたものである。 大部分が海氷にある。 そこで、 本テーマでは、 様々な時間と空間スケールでの固体地球と表層環境変動の相互作用を理解するた
め、 今後実施すべき、 北極域での異なる時空間スケールを有する固体地球の変動に関する研究について以下の四
つの Questions を設けた。
Q1 ： 現在活動する北極海海嶺熱水系 と 海 洋 環 境 と の 相 互作 用
は？
Q2 ： 氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？
Q3 ： 北極海が形成されていく過程
で、 大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していっ
たか？

図 42

表層環境変動と固体地球の相互作用に関する重点研究課題

127覆われている北極海の海底は、 調査が困難な事から、の変動に関するもので、 北極域の大陸を中心とした地質

未調査の海域が多く残されている。 そのため、 固体地学的調査を軸とした地殻研究により、 30 ～ 40 億年とい球物理 ・ 地質学的調査等により北極海の海底拡大史をう時間スケールでの地球表層環境変動の解析を主眼と解明することに主眼を置き、 さらに、 堆積物採取によるするものである。 カナダ北極圏やグリーンランド西岸等に古環境、 古気候の復元、 北極海発達過程に伴う氷床は、 40 ～ 38 億年前の地球初期の記録を持つ地層が拡大時期の推定等、 北極海の発達史と大気－氷床－

分布しており、 主に地質学的調査により、 地球初期から海洋の相互作用の関連を明らかにする事を目指すもの

現在までの長い地質学的時間スケールでの地球環境である。

変動史の研究推進を提案している。

最後の設問 Q4 は、 数十億年スケールでの固体地球

まえがき
固体地球では、 大気、 海洋等の流体圏の変動にともケールの現象まで、 様々な時間、 空間での固体地球となう固体地球の表面の荷重変化により引き起こされる変

表層環境変動の相互作用を理解する上で絶好のフィー動や、 超大陸の形成や分裂といった変動等、 様々な時ルドである。 本テーマでは、 様々な時間と空間スケール

間 ・ 空間スケール変動が複合体的に生じている。 大陸

での固体地球と表層環境変動の相互作用を理解する上分裂による海洋の形成や超大陸の形成といった、 数億で不可欠であり、 今後北極域で重点的に展開していくべ

年から数十億年スケールの地球表層の大陸と海洋の配き、 異なる時空間スケールの固体地球の変動に関わる置の変化は、 海洋循環や大気循環等の転換をもたらし、四つの設問に対する研究観測の展望について、 以下に表層環境を大きく変動させた。 一方で、 氷床荷重変動記載する。 これらの四つの設問をもとに研究を推進し、に伴う固体地球の変動のように、 表層環境の変動に対結果を統合する事により、 様々な時間 ・ 空間スケールのする固体地球の応答現象も存在する。 北極域には、 プ

総和としての固体地球変動と表層環境変動との関係を

レート境界である中央海嶺での現在の活動から、 極域明らかにし、 地球システムにおける固体地球圏サブシス

固有の数万年スケールの氷床荷重変動に伴う地殻変動

テムと大気 ・ 海洋圏サブシステム等との相互作用の解明

現象から、 大陸の成長 ・ 離合集散といった数十億年スを目指す。

Q1: 現在活動する北極海海嶺熱水系と海洋環境との相互作用は？
a. 研究の重要性と現状

ガッケル海嶺では、 これまでにも観測船、 航空機、

中央海嶺や背弧拡大系は、 活動的な火山の連なり潜水艦等による調査がいくつか行われている。 2001 年であり、 これらに沿ってこれまでに多くの海底熱水系がに 実 施 さ れ た 米 国 と ドイ ツと の 共 同 計 画 で あ る発見されている。 海底熱水系は、地球内部のエネルギー

AMORE110 での観測船による調査の結果、 超低速拡や硫化水素、 メタン、 水素等の還元性ガスを放出する大であるガッケル海嶺の海嶺軸上に多数の熱水活動が場であり、 熱水鉱床の形成等、 地球の熱や物質の循環

高密度に分布している事が推定されている （Edmonds

を考える上で重要であり、 そこで噴出する熱水の化学組

et al., 2003、 図 44）。 一般には、 低速拡大の海嶺軸

成はその場の海底の岩石種や熱源等によって異なり、では、 マグマ活動も低く熱放出量も小さいと考えられておそれぞれ異なるタイプの生態系を支えていることが明らり、 同様の超低速拡大の海嶺軸である南西インド洋海かになっている。

嶺では、 ガッケル海嶺のような高密度の熱水活動は見つ

ガッケル海嶺は、 北極海のほぼ中央に位置する北米

かっておらず、 低速拡大である大西洋中央海嶺ですら、プレートとユーラシアプレートの境界を成す現在活動してこれほど高密度の熱水活動は確認されていない。 南西いる中央海嶺系の一つであり、 北極海の海氷下に存在インド洋海嶺や大西洋中央海嶺では、 断層が熱水活動し、調査の難しい地域である （図 43）。 ガッケル海嶺は、に大きく関与していると考えられているが、 ガッケル海嶺

超低速拡大 （<12 mm/ 年） に分類され、その拡大速度、の熱水活動はそれだけでは説明できず、 熱水系周辺の地理的な位置、 構造等から、 世界の中央海嶺系の中110でもユニークなエンドメンバーとされている。

128

AMORE ： Arctic Mid Ocean Ridge Expedition

岩石の種類にも関係している可能性が示
唆される （Michael et al., 2003）。 また、生物学的には、 高密度の熱水活動が存在する特異なガッケル海嶺の熱水系で、新しい化学合成生物群集の発見も期待されている。
2007 年 に は、 米 国 主 導 の も と、
AGAVE111 航海として、 スウェーデン、 ド
イツ、 日本の 4 ヶ国共同の AUV112 を利用したガッケル海嶺の熱水系調査が行われたが、 残念ながら熱水噴出孔を発見するに至ら なか った。 しかし、 85°
E の約4000m の非常に深い海 嶺軸周辺の調査から、 爆発的な火山活動を示唆するデータや （Sohn et al., 2008）、 低温域で生育する黄色のふわふわしたバクテリ
ア・ マットの存在等が明らかになっている（Shank et al., 2007）。 またその後、ガッ
ケル海嶺の南のモーンズ海嶺で初めてブラック ・ スモーカーを伴う熱水系が発見さ

図 43

北極海の海底地形図。 Jakobsson et al., （2008）に加筆。

れており、 さらに熱水系に伴う生物相が、これより南の大西洋中央海嶺の生物相とは異なる事が確認されている （Pedersen
et al., 2010）。 AMORE 航 海においては、 ガッケル海嶺で多数の熱水活動の高密度分布が推定されているだけであり、世界の海嶺系の中でもユニークなこの海
嶺の未だ実際に確認されていない熱水
噴出孔の分布と熱水活動の成因や、 それに伴う生物群集等を探るためには、 より詳
細な海嶺軸上の探査が必要である。 さらに、 ガッケル海嶺の熱水活動による熱フラックスの海洋循環への影響は、 熱水活動が高密度であると推定されているがスポット的な寄与であるので、 それほど大きくないと推定されるが、 これらも実際の観測データによる検証が必要である。
b. 今後の研究
ガッケル海嶺の熱水噴出孔の特定に
図 44 ガッケル海嶺で熱水活動が示唆される地域（Edmonds, et al., 2003）

AGAVE ： Arctic Gakkel Vents Expedition
AUV ： Autonomous Underwater Vehicle、 自律 型無
人潜水機

111

112

129

は、 ROV113 や AUV 等の海中ロボットを使用した調査域の存在とおおよその位置を推定し、 最終的に海底観が必要である。 ガッケル海嶺が海氷下に存在する事か

察、 調査を行うという方法で行う。 熱水活動の成因や、ら、 海中ロボットを使用するには、 砕氷船は必要不可欠

それに伴う生物群集等の探査では、 熱水噴出孔の特定であり、 海中ロボット探査には、 砕氷観測船による事前

後、ROV 等による熱水噴出孔およびその周辺の観察と、の船上での海底地形や海洋観測等が必須である。また、岩石や生物の観察を実施する。 さらに、 熱水活動の成海中ロボットによる海氷下の探査においては、 未だ実際因を探るには、 熱水噴出孔周辺の地震探査、 電磁気の探査事例も少ない事から仕様や運用形態等の検討も探査や地磁気探査等を実施し、 海底下の構造等を明必要である。 熱水噴出孔の特定は、 観測船による海底らかにする必要がある。 また、 熱水域の熱や物質フラッ

地形等の音響探査から調査対象範囲を絞り込み、 詳

クスの変動等の推定には、 熱水域の海洋物理 ・ 化学

細な物理 ・ 化学的計測により熱水の兆候を捉え、 熱水的調査の長期変動モニタリング計測も必要となる。

Q2: 氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？
a. 研究の重要性と現状の影響として、 グリーンランド氷床やカナダ北極群島の本 Question では、 数年から数万年スケールにおよ

氷河の急激な減少が報告されているが、 これらの氷床

ぶ氷床の変動が引き起こす固体地球の変形現象を対象

変動によっても固体地球の弾性的な変形が生じていることする。 氷床の荷重は地球表面に圧力として働く表面力とが明らかになってきた。

（表面荷重） の一つであり、氷床の変動は、氷床質量と、

氷 床変 動に伴 う地 球変 形 研 究 で 最 重 要 課 題は、

例えば氷床が融解し海中に流入した場合には海水の質

LGM 以降の氷床の分布の拡大縮小や増減の歴史 （氷量変化を伴い、 海水準の変化ももたらす。 これによって

床融解史） を明らかにすることである。 この氷床融解史

生じる表面荷重の変化は固体地球の変形を生じさせる。

が高精度で求められると、 氷床融解に伴う地球変形がこのような現象を氷河性地殻均衡

114（GIA） と呼び、海水準変動に与える影響についても精度よく求めることその様子は、 荷重変化の時間的 ・ 空間的スケールによができ、 現在進行中の地球温暖化に伴う海面上昇を予り異なる。 地球は、 短い時間スケールの荷重変化には、測する精度を向上させる上で重要な貢献となる。 過去か『弾性的』 に応答し、 数千年を超える時間スケールのら現在に至る固体地球の変形の大きさや分布が詳細に

荷重変化には 『粘性的』 に応答することが知られている。

わかれば、 それから逆に LGM 以降の氷床融解史を復本 Question で対象とする氷床変動は、 長いものは数元することが可能となることから、 氷床変動に伴う固体地

万年に及ぶ時間スケールの現象で、 空間スケールも数球の変形を調べるという本 Question の重要さをご理解

1000km に及ぶため、 固体地球に対してグローバルで、いただけると思う。

かつ粘性的な変形と弾性的な変形の両方をもたらす。

地形地質学的アプローチとしては、 貝化石やサンゴ

北極域における GIA 研究は主に、 地形地質調査、

礁の分布、 海浜地形や氷河地形地質調査、 海底堆積

測地観測、 数値モデル計算の 3 つのアプローチで進め物調査などによって、 過去の相対的海水準高度を明らられている。 これらは、 最終氷期終了後の地殻隆起、

かにすることで、 過去数万年にわたる海水量 （氷床量）

115（PGR） を対象としていの変化と地殻の隆起 ・ 沈降の歴史が推定されている。

る （例えば、 Peltier, 2004）。 PGR とは、 最終氷期最それをもとに、 地球の粘弾性変形を考慮した GIA モデ

盛期 116 （LGM） に北米や北欧を覆っていた大陸氷床

ルの計算値と比較することで、 過去の両極の氷床分布のほとんどが約 6 千年前に融解消滅し、 その後も継続変動が復元されている（例えば、Peltier, 2004）。 しかし、して地殻が浮力でゆっくり隆起しているという粘性的な変地域毎の氷床分布については、 まだ提案されている各形現象である。 また近年、 現在進行中の地球温暖化

モデル間の違いは大きい。 例えば、 約 1 万 4 千年前のすなわち、 後氷期地殻隆起

急激な気候変化に伴う氷床融解イベントに対する各氷ROV ： Remotely Operated Vehicle、 遠隔操作無人探査機
114
氷河性地殻均衡： Glacial Isostatic Adjustment （GIA）
115
後氷期地殻隆起 ： Post Glacial Rebound （PGR）
116
最 終 氷 期 最 盛 期 : Last Glacial Maximum （LGM）、
約 2 万年前
113

床の寄与については、 まだ決定的な結論は出ていない。
測地観測に関しては、 過去 100 年以上にわたる潮位観測から、 PGR が進行している地域での地殻の隆起が 平 均 潮 位 の下 降 と い う 形 で 観 測 さ れ （ 例 え ば、

130Barnett, 1984）、 スウェーデンでは長距離の水準路線

による観測値と様々なマントルの粘性構造を考慮した数において高さと重力の変化が測定されており （図 45）、

値モデル計算との比較研究より、 マントルの粘性率や分マントル粘性についての推定も行われている （例えば、布をより正確に推定することが可能になれば、 地球内部

Ekman and Mäkinen, 1996）。 Global Navigation

物理学の研究分野にも重要な貢献となりうる。

Satellite System （GNSS） などの宇宙測地技術によ極域の GIA 研究に対する日本のコミュニティの貢献とる地上観測が普及した 1990 年代後半になると、 極域のしては、 まず南極域では、 日本南極地域観測隊により数多くの点で宇宙測地技術を利用した地殻変動の連続

昭和基地および周辺露岩域において、 地殻変動観測

観測が行われるようになり、 現在では北米やグリーンラや重力測定、地形地質調査が組織的に実施されている。

ンドなどではかなりの高密度で GNSS による地殻変動

その結果、 昭和基 地および その周辺では現 在 2 ～のモニタリング観測が実施されている （例えば、 Sella

3mm/ 年の割合で地殻が隆起し、 それに相当する重力et al., 2007、 図 46）。 また、 2000 年代に入ると、 衛変化も生じていることや、 LGM を含む 4.5 万年前以降、

星重力ミッションや衛星高度計を利用した氷床量の変動

昭和基地近傍では氷床に覆われておらず、 北半球の氷観測が行われ、 PGR による変動量も推定されるようになった （Barletta and Bordoni, 2009）。 近年の衛星測地観測は高解像度、 高時間分解能での観測を可能にしたが、一方でマントルの粘性構造を反映した現象は、
その変動速度が遅く、 変位量が小さいという特徴がある
ため、 GIA に伴う地殻変動速度の正確な検出には、 現在の最先端の観測技術をもってしても 10 年程度の観測値の蓄積が必要である。 そして、 これらの観測値には上述のように、 過去の氷床変動に伴う地殻変動 （粘性的な変動） と現在の氷床変動に伴う地殻変動 （弾性的な変動） が含まれており、 氷床融解史の復元やマントル粘性率の推定には主に前者が必要であることから、 これらの分離も大きな課題の一つである。
マントルの粘性率は、 プレートテクトニクスに関連した
地球内部の動きを決める重要なパラメータであるが、 マ

図 45 1892 年～ 1991 年にかけて観測されたスカンジナビ
ア地方の後氷期隆起 （単位は mm） と重力測定線 （Ekman
and Mäkinen, 1996）。

ントルの粘弾性構造を現象に基づいて推定する方法は少ない。 高解像度、 高時間分解能の地上および衛星

図 46

GPS で観測された地殻変動。 （左） 上下方向、 （右） 水平方向 （Sella et al. 2007）。

131床拡大とは必ずしも同期していなかったことを明らかにして海底地形地質の調査や試料採取を行うとともに、 海ている。 一方、 北極域では、 組織的ではないものの、

底堆積物のコア採取技術の開発も進める必要がある。

ノルウェーのニーオルスンや、 アラスカにおいて地殻変動

次に測地観測であるが、 陸上での観測はすでにかな

観測や重力測定が実施されており、 ニーオルスンでは年りの高密度で行われており、 10 ～ 20 年先の方向性とし

間 5 ～ 7mm の隆起が観測されている。

ては、 海底での観測をめざすべきであろう。 そのためには、 北極域でも運用可能な海上 GPS と音響測距、 海

b. 今後の研究

底観測装置を組み合わせた海底地殻変動観測システム

本 Question に対する解明をさらに進めるためには、を開発導入し、 海底において 1cm の精度で地殻変動

観測空白域における観測研究を展開していくことが急務を検出できるようなネットワーク観測網の構築を推進すべである。 例えば、 これまで調査地域は主に陸上に限らきである。 さらに、 広域の氷床変動や地殻変動を求めれており、 海底はほとんど観測空白域として残っている。

るために、 これまで以上に、 衛星重力ミッションや衛星

当然のことながら、 変動は大陸棚などの海底でも起こっ

高度計、 合成開口レーダーなどの衛星測地データを活ており、 大陸棚の詳細な地形観測は、 氷床拡大域の用するべきであることは言うまでもない。

拘束に貢献することが期待される。 さらに氷床荷重域か

地球温暖化の将来予測の精度を上げるためには、 モ

ら離れた海底での地殻変動観測なども氷床モデルや粘デルの不確定性を低減させることが不可欠である。 この性構造を拘束する上でも重要である。

ためには、 さまざまな複雑性やプロセスを考慮したモデ

まず、 地形地質調査では、 観測空白域としての北部

ル開発も重要になる。 例えば、 地球内部の粘性率の水

グリーンランドやカナダ北極群島などの地域における現平不均質の影響や、 氷床流動モデルとの結合などを、

地地形調査や試料採取、 堆積物掘削といった従来から

現在のモデルに組み込んでいくことが挙げられる。また、この調査を行う必要がある。 特に、 グリーンランド沿岸部

れらのモデル構築のためには、 計算技術の開発や高解の過去の海水準高度データは、 量、 質ともに不足して像度のデータ解析手法の開発も必要となってくるだろう。

いる地域があり、 グリーンランド氷床融解史の復元の不観測 ・ 研究体制に関しては、 この分野での北極域の確定性の要因となっている。 このような観測を可能にする

観測は、 少数の研究者による個人ベースの研究や観測には、 砕氷船を基地として、 搭載ヘリコプターで対象となにとどまっており、 組織的な研究観測活動の取り組みがる地域の沿岸観測点まで移動可能とし、 現地調査の利必要である。 また、 モデル開発研究でも同様な状況で便性を図るとともに、 地上レーザースキャナーの利用なあり、 古気候モデル分野等の他分野との連携を進め、ど新たな地形調査技術の導入が不可欠である。 一方、携わる研究者の育成も含めて更なる枠組みの構築が急

大陸棚も含めた海底の調査では、 ROV や AUV を用いがれる。

Q3: 北極海が形成されていく過程で、 大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していったか？
a. 研究の重要性と現状

海底下の地質構造等については未だ不明点が多く残さ

海洋底の拡大と沈み込み、 それに伴う大陸の形成やれている。 北極海は、 ロモノソフ海嶺を境に、 ユーラシ

分裂といった、 地球内部の熱対流の活動により、 地球

ア海盆とアメラシア海盆の二つに大きく区分される。 ユー

表層の大陸と海洋の配置は変化し、 海洋循環や大気循

ラシア海盆は、 現在も続く北極海ガッケル海嶺の活動

環等の地球表層環境に大きな影響を与えている。 特に、により新生代に形成された海盆であり、 海底の年代同定

海洋底の形成は海洋循環を大きく変動させる要因となるに用いられる地磁気異常縞模様等からその発達史は比事から、 現在の深層循環の出発点となる北極海の海洋較的よくわかっている。 一方、 アメラシア海盆は、 中生底の発達史と古気候 ・ 古環境復元を組み合わせた研究

代以降に形成されたと考えられているが、 地磁気異常

は、 北極海形成過程における海洋循環の変動史や大縞模 様もカナダ海盆の一部で同定されているだけで陸氷床の発達史等を明らかにし、 大気－氷床－海洋の（Vogt et al., 1982）、 その発達史はほとんどわかってい相互作用の時間的変化の解明に大きく寄与する。 北極ない。 特に、アメラシア海盆内のアルファ海嶺、メンデレー

海は、海氷に覆われており、海底の調査が困難な事から、

フ海嶺の成因については、 1） 大陸起源で、 2） 過去の132

海底拡大軸、 3） プルーム起源、 または、 4） 沈み込み、海底堆積物への固定有機物を通した大気 CO2 濃度のなど未だ様々な説があり論争中の問題である。 これまで低下の方が、 新生代における全球的寒冷化の主原因での研究として、 数は少ないものの地震探査等が行われてあることを示唆する。 しかし、 北極海の発達過程と表層

おり、 アルファ海嶺は海洋地殻である事が示唆されてお

環境変動の関係、 特に温暖化ガスの吸収と有機物やハり （Jokat, 2003）、 一方、 メンデレーフ海嶺には大陸

イドレートとしての固定や、 海洋循環の変遷と大陸氷床地殻が含まれている可能性が示されている （Lebedeva-の発達史等との関係を解明するには、 北極海のテクトニ

Ivanova et al., 2006）。 その他にも、 重力データ等をクス研究とともに堆積物等を用いた詳細な古環境復元と用いた研究による、 アメラシア海盆下の構造を推定した研究も行われている（Alvey et al., 2008）。 し か し、未だ調査が少なく、 ユーラシア海盆を含む北極海の発達史の解明が望まれる。
一方、 2004 年にロモノソ フ海 嶺で実施された ACEX（Arctic Coring Expedition-IODP Leg 302）
（Backmanet al., 2006） では過去
5500 万年前に遡る記録が得られ、従来と異なり北半球高緯度も南極域と同調して始新世中期には寒冷化を開始したことが明ら か に な った
（Moran et al., 2006）。 このことは、
ドレーク海峡の成立などのテクトニッ
クなイベントによる地域的な気候変動よりも、 北極海の成立などによる

図 48

図 47 北極海の地磁気異常データのカラーイメージ(Verhoef et al., 1996 and Glebovsky et al., 1998)。

メンデレーフ海嶺付近の地震波速度構造 (Lebedeva-Ivanova, et al., 2006)。

133

発達史等を理解するために、 ユーラシア海盆においてその解析が必要とされる。

も堆積物採取を実施する。 最終的には、 北極海全体のテクトニクスと、 海洋循環の変遷や大陸氷床発達史

b. 今後の研究
北極海の発達史、 特に、 アメラシア海盆のテクトニク

等の古気候 ・ 古環境変動解析を組み合わせる事により、スを解明する鍵となるのは、 アルファおよびメンデレーフ

北極海形成過程に伴う大気－氷床－海洋の相互作用の海嶺である。 これらの成因等を明らかにするには、 これ

変遷を明らかにする。

らの海嶺とその周辺海域を対象とした、 地震探査を含

上記の観測等は、 国際的な IODP 等の北極海域でむ可能な限り広域の固体地球物理探査および岩石採取の将来の深海掘削計画へと繋がっていくものである。 北等の地質学的調査を実施することが重要である。 海洋

極海域の深海掘削では、 2004 年にロモノソフ海嶺で底形成前の地質構造の復元および整合性等の検証を実施された ACEX に、 日本人研究者が参加し大きな貢行うため、 この海域周辺の大陸地質構造等の把握も必献を果たしている。 しかし、 現在検討されている IODP要となる。 これらを基に、 アルファおよびメンデレーフ海等による北極海域での深海掘削計画に日本の研究コ

嶺、 およびその周辺海域の発達史およびその成因を明ミュニティは加わっていない状態である。 このような北極らかにし、 北極海全体のテクトニクスの解明を目指す。

海域での国際的な掘削計画への、 日本の参加および貢

また、 これらの発達過程に伴う表層環境変動を解明す

献が望まれるとともに、 北極海域での固体地球科学にるために、 堆積物採取による古環境、 古気候の復元を関する研究観測活動を活発にする事により、 日本の研行う。 加えて、 新生代以降の海洋循環等の変遷や氷床究コミュニティを育成していく事も必要である。

Q4: 数千万年～数十億年といった時間スケールでの地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達過程はどのように影響を与えたか？
ここ Q4 で掲げる研究テーマは、 上述の Q1 ～ Q3 でa. 研究の重要性と現状
数千万年～数十億年といった比較的長い地質学的時記載したような 「北極環境」 研究を主眼とするものでは

間スケールでの地球環境変動の解明は地球科学の大なく、むしろ 「北極域」 に分布する地質情報を用いて 「地きな研究テーマの一つである。 北極海の形成発達は今球史」 という時間スケールでの環境変動研究を目的とす

から約 1 ～ 2 億年前に遡り、 北極海の海洋底探査からるものである。

こうした時間スケールでの情報がこれまで得られている

こうした北極域に分布する地層の持つ重要性から、 こ（図 49）。

れまで多くの地質学的研究がおこなわれてきている。 しまた、 北極海周辺の大陸域には先カンブリア時代

かし、 アクセスの容易な他の地域と比較すると、 北極域（＞ 5 億年前） に遡る複雑な地殻発達の地質情報が記から得られている地質データはまだまだ質 ・ 量ともに十録されている。 大陸の地質情報と海洋域の地殻物理探分とは言い難い。 過去の大陸の地質対比や形成発達

査を組み合わせた解析によって、 北極海の形成プロセ過程についても、様々なモデルが提案されてきている （図スと北極域の大陸と海洋の配置 （古地理） の研究がこ51）。

れまですすめられてきている （図 50）。

上述したように、 これまでの研究の蓄積によって、 北

このように、 大陸域と海洋域の両方の情報を組み合わ

極域には様々な時代の地層が分布することが明らかにせて解析をおこなうことによってはじめて、 北極域の過去なっている。 その中でも特にカナダ北極圏の約 40 億年の海洋と大陸の発達過程の復元が可能となり、 また、前の地球最古の岩石 （アカスタ片麻岩） や、 グリーンラ

数千万年から数十億年という時間スケールでの環境変

ンド西岸イスア地域から見つかっている約 38 億年前の動を考察する上で基盤となる情報が得られる。

岩石の存在は、 北極域が地球初期から現在までの非常さらに北極域の重要性の一つは、 カナダ北極圏やグに長い地質学的時間スケールでの地球環境変動の研

リーンランド西岸などに見られる地球創生期の 40 ～ 38

究に適したフィールドであることを証左している。 また、億年前の地層の存在である （例えば、 Bowring et al.,北極域に分布する大陸地域には、 露出した深部地殻に1989; Nutman et al., 2007）。 こうした時間スケールで相当する高度の変成作用を受けた岩石や、 変成作用をは、「北極域」 という地理的制約はあまり意味を持たない。

ほとんど受けていない地殻浅所に由来する低変成度の

134

図 49

図 50

北極域の海洋底の地球物理および地質情報 （Seton et al., 2012）

北極域の過去 （750-250Ma） の大陸配置の変遷 （Vernikovsky et al., 2013）

岩石も分布する。 特に後者は、 こうした地球史の時間ス

体的には、 海洋底物理探査によって過去 1 ～ 2 億年前ケールでの地球の表層の環境復元に適した研究対象とに遡る海洋底の発達史を明らかにする。 近年の北極域なり得る。 すなわち、 北極域の地殻研究を通して 30 ～の夏季の海氷の減少によって観測船のアクセスできるエリ

40 億年という時間スケールでの地球表層環境変動の解アが広がるとともに、 無人探査船を用いた海中物理探査

析が可能である。 また、同時期の露出した深部地殻 （高などによっても新たな情報を得ることが可能である。また、

度変成岩） との対照研究によって、 地球表層環境変動

陸域の野外地質調査によって、 北極域の地殻を構成すと大陸地殻深部での現象との相互作用という視点でのる物質の岩石学的、 地球化学的、 年代学的研究によっ研究が推進可能である。

て、 地殻深部と表層地殻の地質学的時間スケールでの物質循環の解析が可能である。 また、 海洋域から得ら

b. 今後の研究れた海洋底の発達史を陸域の地質対比によって、 過去

ここで挙げた Question を解明するための方法として、の大陸配置のより高精度の復元をおこなうことが可能とな

陸上での地質調査と海洋域における地球物理探査による。 このような地質学的時間スケールでのプロセスを明らるデータを統合的に組み合わせることが必要である。 具

かにするには、 高い精度で年代決定をおこなう分析手

135

図 51

北大西洋域における過去の大陸配置の復元図 （Lorenz et al., 2012）

法や、 過去の環境変動の指標となるような同位体 （地う時間スケールでの特質を明らかにすることが可能とな

球化学的トレーサー） に着目した同位体分析を組み合わる。

せた解析が必須である。 国立極地研究所に導入されて研究の基礎データを得るための地質調査は、 特別ないる 2 台の二次イオン質量分析計はこうした物質科学的装置や事前準備などは特に必要なく、 機動的に現地調解析の柱となる。

査を実施することが可能である。 北極圏はアクセスならまた、 地殻構成物質の研究をベースに、 直接計測のびに設営面の困難さから、 南極とならんで野外調査デー

難しい氷床下の大陸地殻ヒートフローの見積りなどの解タの蓄積の乏しい地域となっている。 グリーンランドでの析も可能である （例えば、 Carson et al., 2014）。 氷床

地質調査や、 その地質延長と考えられるスコットランドや下の地殻情報は地球物理探査 （重力、 地磁気） によ

カナダ北極圏の地質研究などでは、 これまで日本の研る解析が不可欠である。 こうした物理情報と氷床縁辺に究コミュニティも少なからず貢献している。 今後も 5 ～ 10

露出する岩石の情報を組み合わせることで、 氷床下の地

年内のタイムスパンで機動的に野外調査隊を組織して、質を推定する試みがなされ得る。 また、 その際に、 岩さらに精力的に北極域での現地地質調査を含めた研究

石の地球化学的情報や熱源となりうる放射性元素含有に取り組む必要がある。 南極の調査で蓄積したノウハウ

量を精密に見積ることで、 氷床下地殻の熱流量の推定をベースとして北極域での機動的な現地地質調査をおこが可能と考えている。 このように、 地殻構造推定データ

なうことによって、 Question の解明に必要な基盤地質

を地球物理探査データの解析と密接にリンクさせること

データを取得する。

で、 北極域の固体地球圏の数千万年から数十億年といテーマ 12 ： 永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解
要旨
永久凍土は、 北半球陸地の約 1/4 という広範な面積能性や、 大気、 植生などとの複雑な熱と物質のフィードを占め、 その表層の融解による温室効果気体放出の可バックなどを通じて、 北極環境の変動を左右する主要な136

因子である。 一方で、 広範囲に分布する永久凍土の現プロセスを定量化し、 合わせて永久凍土を含む陸域シス

況に関して、 科学的な知見が不足しており、 変動の将来

テムのモデル化と挙動の把握、 北極システムの変動研

予測においては不確実性の幅が非常に大きい。 この理究へと国内外の知見を統合していく必要がある。
このテーマで取り上げる Questions は以下の 4 つで由は、 永久凍土の特性として、 空間的な不均一性が大
きく観測点の代表性が狭く限定されることと、 衛星からのある。
Q1 ： 北極圏の永久凍土はどのような広がりと深さを観測が困難であることが主に挙げられる。 そのため今後
は、 新たな凍土観測手法の開発および既存手法の改もって存在しているのか？
Q2 ： 永久凍土はどのような物質から構成され、 どの良と同時に、 国際連携も交えた現地観測の拡充と多点観測の実施が必要となる。 それによって、 永久凍土の分程度の不均一性があるか？
Q3 ： 永久凍土はどのような様態 ・ 規模で昇温 ・ 融解

布と、 構成物質の不均一性をより正確に把握するとともに、 永久凍土の地温変化や固定されている氷や有機炭

するのか？
Q4 ： 永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムはい

素の量や状態についても情報を増やしていくことが重要となる。 これら 「場」 の情報に基づいて凍土の状態変化

かなる構造と挙動の特性をもつのか？

まえがき
a. はじめに対象として多くの研究がなされ、 知見が蓄積されてきた永久凍土 （以下、 下線の用語は後出のボックス 8 の（例えば、 Harris et al., 2009 ； 松岡 ・ 池田、 2012）。

解説を参照のこと） は環北極陸域のほぼ全域に分布ししかし、 広域を対象として永久凍土の融解が水循環 ・ 植（図 52a）、 北半球の陸地面積に対する比では約 24%

生 ・ 気候や人間社会に及ぼす影響を定量的に予測するを占めるとされる （Brown, 1997）。 面積的に地球上最には、 永久凍土に関する基礎的な情報 （例えば、 物性

大規模の雪氷現象であるのみならず、 大気や植生などと値や貯留炭素量、地下氷などの空間的な分布情報） や、も複雑に熱と物質をやりとりしており、 北極環境の変動をフィードバックプロセスの理解 （例えば、 永久凍土変動

考える上で極めて重要な要素の一つである。 また、 地による植生変化と、 その結果生じる気候への影響など）

下氷の融解に伴う温室効果気体の放出や海底永久凍が、 現時点では不十分と言わざるをえない。 永久凍土

土の不安定化によるメタンハイドレート放出の将来気候は基本的に地表に存在しないため、 遠隔から非接触でへの影響など、 グローバルな影響も懸念されている。 温

観測する手法 （リモートセンシング） が確立されておらず、暖化の影響により不可逆性の強い変化が生じる可能性

直接的な観測にも掘削という労を伴う。 そのため、 広域が高いことも、 永久凍土の特徴である。 例えば、 サー

的な永久凍土の現状や変動を理解するための観測やモモカルストは、 永久凍土の融解に起因してローカルな水

ニタリング事例は限定されている。 他の雪氷要素 （海氷、循環や物質循環および生態系に連鎖的な変化をもたら

積雪、 氷河） に比較して、 永久凍土の空間分布や変動す。 東シベリアでは、 針葉樹林帯の地下に分布していたパターンの理解が大きく立ち遅れており、 温暖化に対す

含氷率の高い永久凍土が融解し、 地盤沈下を伴って凹る応答についての予測も不確実性の幅が大きくなってい地に湿地や湖沼が形成されている。 こうした変化には、る。

数十から数百年を要するが、 その過程でこれまで万年単

その一方で、 本報告書の中でも生態系の変化 （テー位の期間固定化されていた有機炭素が流動化する。 こマ 3）、 雪氷要素の変化に伴う水循環への影響 （テーマ

れら生態系 ・ 水文過程へのインパクトも地域社会的に大4）、 古環境復元情報源としての重要性 （テーマ 6） などきな問題となるが、 地盤沈下による建物 ・ パイプライン ・と深く関連し、 また、 永久凍土の融解が北極域の地域

道路 ・ 線路など社会基盤の損傷は既に顕在化している。

社会に与える影響についても言及される （テーマ 7） など、

北極海の沿岸や島嶼では、 波による海岸侵食が凍結

様々な研究テーマにおいて理解の進展が求められてい地盤の融解を伴って激化し、 移住を余儀なくされた地る。 地球環境変化の将来予測の中に永久凍土の影響

域社会も存在する。

を定量的に反映させる必要から、 国際的にもデータの集

これまで、 永久凍土の存在に起因する様々な現象、積を行う動きがあり、 観測データとモデルを連携させるプ問題については、 典型的、 特徴的ないくつかの地点を

ロジェクトも始まっている。 本テーマにおいては、広域（北

137

図 52
(a) 地温に基づく永久凍土分布図 （USGS
Professional Paper 1386-A に収録）。 IPA
Circum-Arctic Map (Brown et al., 1997)に基づき、 Dmitri Sergeev (UAF) が作図。
http://pubs.usgs.gov/pp/p1386a/gallery5fig03.html(b) 含氷率分布。 IPA Circum-Arctic Mapを改変。 石川 ・ 斉藤、 雪氷 (2006)(c) 永 久 凍 土 中 の 有 機 炭 素 量 の 分 布。
Tarnocaiet al. (2009)138極域） の永久凍土に関して理解が不十分である点を整ど長くなる。

理し、 今後生じうる変化と気候 ・ 環境への影響を明らか

シベリアに分布する地下数百メートルに達する厚い永にするために取り組むべき研究課題を挙げることとする。

久凍土には、 過去の数万年スケールでの気候変動の履歴が残されている。 これは、 地表面の温度変化は数千

b. 永久凍土の特徴的な性質から数万年の時間をかけて数百メートルの地温に影響を永久凍土の特徴的な性質は、 そこに含まれる水の動与えるからである。 その一方で、 浅い深度の永久凍土態によるものが多い。 例えば、 湿潤な地盤の透水性は温度には現在の気候環境が反映されるため、 永久凍土

凍結によって大きく低下するため、 永久凍土層は難透水

表層の平面的な分布境界は、 現在の気候条件に追随層として作用し、 その上の植生の生育環境を決定する。

してほぼ決定される。

また、 土壌間隙水の凍結 ・ 融解時に放出、 吸収される
潜熱の効果で、 永久凍土の地温変化は特に 0℃付近でd. 本テーマで取り上げる Key Questionsは抑制される傾向にある。 サーモカルストや、 凍上に伴永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解を進めるた

う地盤の沈下や上昇によるインフラへの被害については

め、 ここ 5 ～ 10 年で埋めるべきギャップ、 問われるべき

前述した通り、 地下氷の消長に起因する。 このように、課題として以下の 4 つを挙げる。
Q1 ： 北極圏の永久凍土はどのような広がりと深さを永久凍土変動とそれに起因する諸現象を理解するには、 地中水の動態 （量、 相） もあわせて評価していくこ

もって存在しているのか？

とが重要である。 Zhang et al. （1999） は、 北半球全Q2 ： 永久凍土はどのような物質から構成され、 どの体の地下 20m までに含まれる地下氷の総量を、 海水程度の不均一性があるか？

準面変動相当で 3 ～ 10cm と見積もっているが、 分布

Q3 ： 永久凍土はどのような様態 ・ 規模で昇温 ・ 融解の不均一性は非常に大きく、 推定値の信頼度は高くなするのか？

い （図 52 （b））。

Q4 ： 永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムはい

永久凍土中に含まれる有機炭素の動態も、 気候変動

かなる構造と挙動の特性をもつのか？

との関連で注目される。 これまでに全球規模での土壌

これらの課題は相互に密接な関連がある。 すなわちデータベースから、 永久凍土中に貯蔵されている有機炭

Q1 と Q2 で問題となるのは、 永久凍土とその上の活動

素 の 総 量 を、 Zimov et al. （2006） は 約 1,000Gt、層の温度 （Q1） あるいは構成物質 （Q2） の、 水平お

Tarnocai et al. （2009） は 1,700Gt と見積っている （図よび垂直方向の違いを、 これまでの見積もりよりも分解

52 （c））。 これらは陸上の有機炭素の約半分、 大気中

能を上げて評価することであり、 直接観測できない部分の炭素量の約 2 倍に相当する。 仮にこれら有機炭素をの推定の確度を向上させることである。 Q1 と Q2 への解含む永久凍土が全て融解すると、 この炭素が二酸化炭

答が、 Q3 で問題とする変化の空間的な規模、 あるいは素、 または、 メタンの形で大気中に温室効果気体として変化の早さ等の評価を左右する。活動層の変化（Q3（1））

放出され （Permafrost carbon feedback）、 温暖化をやサーモカルスト （Q3 （2）） といった比較的短い期間でさらに加速する可能性が指摘されている （Schuur et

発現しうる状態変化に注目する一方、 百年以上の時間ス

al., 2011）。 ただし、 このプロセスには数千から数万年ケールでの変化の履歴や今後の変動予測のための情を要し、 また、 現状では多くの仮定をおいた上で限られ報となり、 気候学的に重要な永久凍土深部の地温変化た現地調査結果に基づく算出であるため、 大きな推定（Q3 （3）） についても取り上げる。 Q4 では、 永久凍土

誤差を含む。

が植生、 積雪、 大気と持つ相互作用に注目し、 この凍土を含む気候 ・ 生態系システム自体の理解と挙動解明

c. 永久凍土の分布と変動の時間スケールが必要である点を強調する。

永久凍土の地温変動は、 近似的に地表面からの熱伝導に支配されると見なすことができ、 地表面温度の変動が減衰 ・ 遅延して伝播した結果としてほぼ説明できる（Lachenbruch and Marshall, 1986）。 そのため、 永
久凍土地温変化の応答時間は浅部で短く、 深くなるほ139

ボックス 8永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解

永久凍土： 連続した 2 年間以上 0℃
以下の温度状態にある土地（氷や有機物を含めた堆積物や岩盤）と定義される。永久凍土は気候変動や人為的な操作によって融解する可能性があり、字義通り“永久に”凍結している土地を意味しない。永久凍土の温度変化・消長を表現するために多年凍土という用語も提唱されている。永久凍土を含む地域としての永久凍土帯は高緯度地
域と高標高地域に分布し、後者は特に地形によって複雑な分布を持つ。図53 は高緯度地域の永久凍土の 3 次元
分布と、水平分布による区分を模式的に表している。地表面の面積に対しその何割を永久凍土が占めているかの割合によって連続的・不連続的・点在図 53 永久凍土の 3 次元的な広がり方と、連続的・不連続的・点在的永久凍土の区分を示す模式図（Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers）。
的永久凍土に区分する。
活動層： 永久凍土の表層部で夏期に融解し冬期に凍結することを繰り返形である。
す層。土壌水分の移動や植物活動、微生物活動の主
タリク： 永久凍土中の融解部。永久凍土に囲まれて要な場となる。
いるものの、通年融解したままである部分を指す。
サーモカルスト： 氷に富む永久凍土の融解により凹
エドマ層： 65～90%という高い体積含氷率を持ち、凸のある地形を形成するプロセス。融解による地盤
大量の有機炭素を貯留している永久凍土層。名称は沈下のほか、氷脈に沿った侵食や、沿岸や傾斜地でシベリア北東部の現地語に由来し、アイスコンプレの大規模な斜面崩壊をもたらす。サーモカルストにックスと呼ばれることもある。東シベリア北東部おより生じた凹地に形成される湖をサーモカルスト湖
よび中央部、またアラスカ北中部やカナダ北西部に（融解湖）と呼ぶ。シベリアのヤクーツク周辺に多分布し、数ｍから数十ｍ以上の層厚を持つ。
いアラスと呼ばれる凹地もサーモカルストによる地図 54 (a)シベリアにおけるエドマ層の分布。 (b)コリマ川岸の Duvannyi Yar サイトにおける侵食されるエドマ層の露頭（破線で囲んだ部分が氷体）。Vonk et al. (2013) による。

140

Q1: 北極圏の永久凍土はどのような広がりと深さをもって存在しているのか？
a. 研究の重要性と現状

それらの条件に規定されて分布の不均一性が高くなる。

分布は、 永久凍土の最も基本的な情報である。 先行研究をベースに国際永久凍土協会

117

そのようなばらつきの度合いは現状の広域分布図には情（IPA） によって報としては含まれていない。

永久凍土分布図がまとめられてきた （図 52 （a））。 現在

このような現状の理解では、 気候変動に応答した分布

も、 IPA が進める GTN-P118 という国際的な観測ネットの変化を検出することは困難である。 さらに観測点が限ワークの中で、 地温変化

119

および活動層厚の変化

120られるという条件が加わるため、 気温変化に応答し進行に関する観測結果が集約されつつある。 しかし、 永久する永久凍土分布の変化を、 気温以外の要因による分凍土が温度によって定義されるために、 以下の理由から

布の不均一さから分離して検出することは容易ではない。

現状では正確な分布は 「観測不能」 である。 ①直接観分布図に示された大掴みの理解から一歩進めて、 この測としては、 ボアホール （掘削孔） による地温の測定が不均一性を把握し、 その情報を含んだ形で凍土分布を唯一の手法であるが、 個々のデータの空間的な代表性

理解することが広域的な凍土の変化に関わるあらゆる議には限界がある。 ②特に凍土の深さについては、 十分論の出発点として重要である。

な深さのボアホールが限られるため、 垂直分布の推定精度は低くならざるを得ない。 ③衛星観測などの遠隔観

b. 今後の研究
より良い永久凍土の分布の把握のため、 以下の方向

測によって、 確定的な同定ができない。 これらの結果と性が考えられる ：して、 現在我々が知る永久凍土分布は、 地理上の広がりと深さの分布の両者について、 限られた観測点から内挿して推定したものである。

（1） 観測 ・ 検出技術の開発

一方で、 永久凍土の分布は、 大きな不均一性に特徴

新しい原理に基づく観測手法の新規開発、 あるいは付けられる。永久凍土の分布を模式的に表す図 53（ボッ

衛星データから永久凍土分布と相関の高い情報を抽出

クス 8） を見ると、 例えば湖や大きな河川の下ではタリクできるアルゴリズムの開発、 改良を検討する。 現状ではが形成され、 また、 分布の境界付近では様々な条件を地盤の構造を衛星データから明らかにすることに原理的反映して空間的に複雑な構造になることなどが示されてな困難があり、 何かしらのブレークスルーが必要であるいる。 現在の分布図で用いられる連続的 ・ 不連続的 ・が、 可能性の模索は常に必要である。

点在的永久凍土という区分は、 連続的な分布からまだら（2） 既存技術の改良 ・ 組み合わせ状、 島状の分布へと変化する凍土環境を表現することに一定レベルでは成功している。 しかし、 図中には区分境分布の変化の検出などを可能にするには、 既存の観界が線で記入されているが、 実際にどこに境界線を引く

測に関しても手法の改良が求められる。 これまでに行わべきかが、 永久凍土の分布比率を算出するための範囲

れ、 GTN-P に集約されてきたボアホールによる地温のの取り方で変わってしまう。 また、 永久凍土分布の連続

直接観測を継続 ・ 拡充するだけでなく、 例えば以下の性が悪くなるにしたがい、 活動層が場所によって非常に様な方向性での開発が考えられる。

厚かったり、 過去の寒冷期に形成され融解途上にある永久凍土（化石永久凍土）が深部に存在したりするため、（3） 衛星データの活用、 あるいは気候モデルと組み合

永久凍土境界の空間パターンは図のように複雑になる。

わせたデータ解析

同様に、 急峻な山岳地域の永久凍土は、 斜面方位や面的な情報を扱うために、 衛星データの活用は今後

積雪分布などによって地表面条件が大きく異なるため、必要である。 例えば地表面分類 ・ 地表の輝度温度 ・ 積
雪に関する情報を衛星から求め、 これらの組み合わせ

国際永久凍土協会 ： International Permafrost Association （IPA）
118
GTN-P ： Global Terrestrial Network for Permafrost
119
地温変化 ： Thermal State of Permafrost （TSP）
120
活動層厚の 変化 ： Circumpolar Active Layer Monitoring （CALM）
117

から凍土の状況を推定する。 また、 これらの情報を陸面モデルに入力することでモデル出力として地温分布を得ることも考えられる。

141

（4） 複数の観測手法を組み合わせた推定手法の開発

表現形式を準備し、 多様な表現を可能にする。

上記の衛星データに加えて、 物理探査データ、 地表
面温度観測など、 複数の指標となるデータを組み合わ（6） 不均一性の評価

せて永久凍土分布を推定する統合的な手法を開発す

地温、 活動層厚、 熱物性値、 積雪など、 地表面状る。

態には様々なレベルでの不均一性があると考えられるが、 測定点が一点ではその不均一性を評価できない。
前述した CALM （脚注 120） の観測サイトは活動層厚（5） 永久凍土分布の表現方法の改良
これまでの一価的な分布表現に加えて、 例えば想定に関して 100m × 100m といったグリッドを設定して多点しているグリッドサイズ以下のスケールの分布情報を確率観測を行っているが、 他の大半の観測点では一点ない分布関数的に取り扱う、 あるいは幅を持った分布境界をし限られた数点の観測にとどまっている。 簡易な観測手

定義するなど、 分布表現を改良する。 永久凍土分布を法であっても、 サイトごとに空間的な広がりを考慮した多モデル出力と対応させる時、 あるいは衛星観測から得ら

点観測を展開し、不均一性 （値のばらつき） を評価する。

れた物理量と対応させる時など、 必要に応じたデータのQ2: 永久凍土を構成する物質はどのような分布を持ち、 どの程度の不均一性があるか？
a. 研究の重要性と現状

数値モデルを用いた研究では、 永久凍土中の地下氷

永久凍土はその地中温度の状態で定義される一方、の分布や炭素循環を扱ったものはまだ少なく、 あっても母材 （土粒子、 基盤岩）、 水 （氷、 不凍水）、 有機炭

単純化されたものに限られる。 炭素循環モデルを含む素といった物質を様々な比率で含有する混合物でもあ地球システムモデルは既に存在するが、 永久凍土環境る。 これらの含有比は、 土壌の力学特性や熱物性を決を上記の目的に合うようにシミュレートするには、 計算を定し、 気温や降水といった外的因子とあわせて、 Q3 で最終間氷期から開始してその変化を追う必要がある。 高論じる永久凍土の状態変化を制御することになる。 一方度な気候モデルと結合してそのような長期間の実験を行で、 永久凍土の融解はこれらの物質を流動化させ、 地

うのは、 現状の計算機の能力とモデルの再現能力、 そ形の変容、 土壌の湿潤化、 温室効果気体の放出など

して境界条件となるデータ不足の面から、 実現は極めての形態で陸面や大気組成を介して気候へのフィードバッ

難しい。 現状では、 このような物質循環の解析においてクを持つ。 永久凍土を構成する物質群、 特に炭素と氷

地質 ・ 地形的制約条件の不均一性を考慮するには至っの含有比を解明することは北極圏陸面での炭素動態、ていない。

水循環過程およびその将来像を理解する上で必須であり、 グローバルな気候変動予測にも貢献する。

b． 今後の研究

このような問題意識は、 古くから様々な分野で共有さ現状では炭素と氷に限って見ても分布の情報は不足しれてきたにも関わらず、 広域を対象とした理解はあまり進ており、 存在量について推定の不確実性の幅を把握すんでいない。 先に示した有機物や地下氷の見積もり （図ることから始めなければならない。 母材についての情報

52 （b）、 （c）） には、 大きな不確実性が含まれているも、 かなり解像度が粗いのが現状である。 先行研究は（Zhang et al., 1999 ； Zimov et al., 2006 ； Tarnocai

限られた情報を駆使して氷や有機炭素の存在量を推定

et al., 2009）。 定量的なデータが決定的に足りないことしているが、 この情報はまだ不十分であることを確認し、がその要因である。 加えて、 これらの見積もりは、 総量それぞれの手法がどの程度の誤差を含むか定量的な議値であることにも留意が必要である。 これは、 永久凍土論が必要である。

が全て消失した際のポテンシャルとしての影響を評価す

今後の方向として観測の拡充と、 過去に得られた情報るには有益であるが、 実際の永久凍土の変動およびその集約によって推定精度を向上させることは、 地道だがの影響は時間的にも空間的にも多様になる。 このような必須である。 衛星データから得られる地表面区分を利相互作用動態の遷移過程 （Q3） を理解するには、 凍用した観測地点の選択など、 効率よく観測を展開してい土を構成する物質群の含有比とその分布を空間的な不く工夫が求められる。 また、 分布情報の表現の仕方に均一性も考慮して解明していく必要がある。

ついても改善の余地がある。 一般に、 永久凍土の温度

142

や構成物質の含有比は、 Q1 でも論じられたように空間

候によって一義的に決まるのではなく、 ローカルな地形 ・的に不均一性が高く、 スケールに依存するが、 観測で

水文 ・ 生態条件にも強く規制され、 大きなバリエーショ

得られている情報を失わないような表現方法が必要であンを持っている （例えば、Ishikawa et al., 2012） ため、る。 ある地点の地下氷の含有量には、 そこでの母材の説明変数 （状態値） と目的変数 （永久凍土組成） とを風化度、 気候、 地形、 植生などの現在の状態と、 過去比較検討しやすい。

の履歴が反映されている。 これらの情報を活かし、 地域

これまで様々な方法でなされてきた現地でのポイントごとに支配要因を見出すことができれば不確実性の幅を観測から、 多点観測への展開、 航空機や衛星観測に狭めることが期待できる。

よる広域評価へと、系統的かつシームレスなスケールアッ

一つの方向性として、サブグリッド （グリッドサイズ以下）

プへと繋げる観測デザインとモデルの精緻化、 汎用化がの地理的情報を含んだデータの作成が考えられる。 一

求められる。 さらに、 過去の履歴として氷期サイクルに伴般的なデータ表現では、各グリッド内での状態値 （地形、う数万年以上の時間スケールでの永久凍土発達過程の植生、 積雪、 気温、 土壌熱物性 ・ 粒度特性） を暗黙

理解も、並進していく必要がある （テーマ 3 の Q2、テーのうちに均一と仮定するが、 グリッド内での不均一性が

マ 6; テーマ 12 の Q4）。

顕著になる山岳域や不連続永久凍土帯などのデータが永久凍土中に貯留される炭素量の上限をおおまかに扱いづらい。 この問題に対し、 さらにグリッドを小さくして押さえる意味で、 炭素循環モデルを用いて、 永久凍土

いく微分的手法は現実的ではない。 そこでグリッドサイズ

中の炭素貯留量を推定するアプローチも有効であろう。

はそのままで、 グリッド内での各状態量の組み合わせに長い時間スケールの計算を行うため、 現状ではシンプル

より、 不均一性を含めた統計的表現 （確率分布、 分散、なモデルを用いた研究に限定されるが、 定量的な議論

最大、 最小など） として永久凍土の構成物質比を示すから得られる示唆はあると思われる。 ただし、 永久凍土

枠組みを構築することが望まれる。 これは世界的にもまの炭素循環を適正に表現したモデルの開発と、 妥当なだ十分に行われていないので、 以下のように日本が先行境界条件の与え方を工夫することが求められる。 将来的する可能性が大いにある。

には計算機能力の向上により、 気候モデル ・ 物質循環

現在進んでいる研究の一例として、 中緯度高山域やモデルを結合した地球システム結合モデルを用いたアプ

不連続永久凍土帯 （アラスカのフェアバンクス周辺、 西

ローチが可能になると期待できる。 観測データの蓄積にシベリア、 モンゴル ・ 日本の高山帯） では、 上述した永より、 複雑なモデルの性能を活かせるだけの情報をそれ

久凍土組成を表現する様々なアプローチを試行するのまでに手にしていることが望ましい。

に適している。 ここでは、 永久凍土の分布や組成が気Q3: 永久凍土はどのような様態 ・ 規模で昇温 ・ 融解するのか？
す。 これは、 活動層融解部の広がりが永久凍土地域に

a. 研究の重要性と現状
Q3 では、 生じうる永久凍土の状態変化として、 活動

おける植物の根系や土壌微生物などの生物活動の場で層の変化 （Q3 （1））、 サーモカルスト （Q3 （2））、 永久

あり、 地域の水文動態を規定するからである。 活動層の凍土の深度地温 （Q3 （3）） に分けて議論する。 なお、

変化は、最大融解深 （活動層厚） の変化だけではなく、Q3 （2） と Q3 （3） については、 永久凍土の近年の変地表面からの融解開始および凍結開始時期の変化とし化を考えるうえでも、 長い時間スケールの永久凍土発達て表れる。 温暖化による活動層の時間的な変化は、 融史を念頭に置く必要がある。 最近 1 万年間のような温暖解開始時が早まることと凍結開始時が遅くなることであな時期 （間氷期） をはさんで、 数万年間続く氷期というる。 さらに、 地表面熱 ・ 水収支の変化に伴って地中に寒冷期が繰り返し訪れた古環境のもと、 形成された永久入る熱量が増加し、 活動層厚が増加する。 こうした季節

凍土が現存するためである。

的な広がりの変化は、 長期平均的な温暖化が無い場合
でも、 降水の量、 タイミングや消雪時期の変化によっても（1） 活動層の変化たらされる場合がある。 活動層の動態は空間的な非一活動層融解部の時空間的な広がりの変化は、 比較様性が高いため、 変化傾向とその原因を捉えるために的短期間に地表面の生態系と水文過程に影響を及ぼは、 永久凍土上部を含んだ地表層の地温と土壌水分量

143

の変化を、 高い時空間密度で測定する必要があるが、永久凍土地帯において最終氷期に発達した永久凍土の

CALM のように空間分布の観測に特化した観測点を除融解が観察されており、 連続的永久凍土の南限が北上

くと、 スーパーサイト的な一点の観測でモニターされていしていると結論付けている。活動層厚の変化については、るのが現状である。

観測サイトによって増加傾向を示す場所がある一方、 明
確な変化傾向が見られないサイトも多い。
これら TSP および CALM の観測活動は、 サイト毎

（2） サーモカルスト
まえがきでも述べたように、 地形変化を伴う永久凍土に異なる研究グループ、 プロジェクトによって実施されての融解であるサーモカルストは、 地表面の生態系と水文

おり、 研究資金や人材確保の制限から長期的な観測例

環境を大きく変化させるため、 その現状と変化の把握がはまだ少ない。 モニタリング活動は、 ネットワーク内で標急務である。 特に、 以下に述べるエドマ層の安定性、準化されておらず、 研究組織によって測定の実施様式

空間的な分布および融解速度を評価することは重要ではさまざまである。 例えば、 永久凍土の変化に重要なある （Schirrmeister et al., 2013 など）。 東シベリア北影響を及ぼす要素である気温や積雪深は、 すべての観東部および北西部に分布するエドマ層は、 極端に多くの測サイトではモニタリングされてない。 また、 観測サイトは氷を含んだ （体積含氷率で 65 ～ 90%） 永久凍土層でアクセスがよくインフラが整っている地域に集中している。

あり、 有機炭素を大量に含有する堆積層である。 体積

GTN-P に携わる研究組織によって、 これまでに多くのの半分以上を氷が占め、 広い範囲に分布しているため、永久凍土モニタリングが実施されてきたが、 上記のようなエドマ層の融解は大規模なサーモカルストを引き起こす。

観測サイトによる実施様態の違いと偏った測定ポイントの

これは、 現間氷期の温暖な気候によって、 あるいは人分布のために、 永久凍土の変化速度に関する実測値に間活動による地表面攪乱や地球温暖化のために、 主に基づく広域的な評価は難しいのが現状である（Schaefer

氷期に蓄積され、 凍土中に固定されてきた大量の炭素

et al., 2012）。

が再び循環し始めることを意味しており、 そのインパクト

将来の永久凍土変化については、 数値計算による予を定量的に評価することは重要である。 しかしこうした永測がいくつかの研究グループによって報告されている。

久凍土層は遠隔地であることから、 地理的あるいは鉛図 55 は気候将来予測の結果を用いて、 永久凍土面積

直方向の分布状況とその変化の実態は詳しく理解されの 変化 を 求めたもので あ る （Slater and Lawrence,ていない。 サーモカルストを伴う永久凍土の変化は、 北

2013; IPCC AR5）。 太線がモデル平均を表し、 帯状

極域の変化と気候変動の予測に大きな不確定要素をもの部分がモデル間のバラつきを表す。 傾向は一致するもたらす原因となっている。

のの、 温室効果気体濃度のシナリオ （RCP） の違いまサーモカルストは活動層の深化や永久凍土の昇温だで含めると、 予測の不確実性の幅は非常に大きく、 今世

けでなく、 河川や波浪による側方侵食によっても引き起

紀末の永久凍土面積の予測値は、 2 割減からほぼ消失こされる。 すなわち、 先に述べた CALM や GTN-P のまでのバラつきがある。 同様に表 2 は、 社会経済シナ

プロトコルに従っていただけでは動態を十分に理解でき

リオ A1B に基づいて計算された西暦 2100 年までに起ない現象であり、 その意味で新たな観測体制を構築してこる地表面付近の永久凍土分布域の減少割合と、 活動いく必要がある。 （→テーマ A ： モニタリング）

層厚の増加量についてまとめたものである （Schaefer etal., 2012）。 それぞれのモデルによって陸面物理過程の（3） 永久凍土層における地温の変化表現が異なり、 二酸化炭素の増加による気温上昇予測

先に述べた国際的な観測ネットワーク GTN-P の中で、にも差があるため、 予測結果に大きな幅があることがこの

地温 変化 （TSP） および 活動層厚の変化 （CALM）

結果で も示されて い る （Koven et al., 2011; IPCC,に関する観測結果が集約されてきた。 北極地域におい2013）。

ては、 近年の温暖化傾向を反映して永久凍土の地温上
昇やタリクの形成が報告されている。 例えば、 Romano-b. 今後の研究

vsky et al. （2010） は、 ロシアの永久凍土について、永久凍土の状態の変化に関しては、 今のところ状況

地温年振幅がなくなる深度における地温が、 最近 20

把握が不十分で、 確固たる変化傾向が広域的に捉えら～ 30 年間の間に 0.5 ～ 2℃上昇し、 特に、 不連続的れているとは言い難い。 変化速度の決定要因としては、

144

図 55 今世紀末までの永久凍土面積予測 （Slater and Lawrence, 2013; IPCC AR5）。 CMIP5 で公開されている気候将来予測の結果を用いて、 バイアス補正された月平均気温と積雪量を入力として診断的に求めたもの。 代表的濃度パス （RCP シナリオ） によって色分けされており、 太線がモデル平均を、 帯がモ
デル間のバラつきを表す

表2
西暦 2100 年までの地表面付近の永久凍土分布域の減少率と活動層厚増加量の予測 (Schaefer et al., 2012)

影響の大きいものだけでも初期条件としての地温プロ（1） 現地モニタリングの強化

ファイル、 氷の存在量分布、 外部境界条件としての気温

活動層の地温変化のモニタリングは、 遷移層 （テー変化、 積雪変化、 地表面擾乱が挙げられるが、 気温

マ 4 ： 雪氷圏、 Q2 参照） と今後 100 年程度では融解変化以外では観測が不足している。 目下の課題は現状しない深い永久凍土層の上部を含む深度まで高密度に把握にあると考え、 以下に挙げる方針のもとモニタリング

行い、 活動層厚の変化に留まらず、 その融解期の季節研究を進めるとともに予測モデルの開発を通じて、 将来

的な広がりを捉える観測を増やす。 また、 永久凍土の予測につなげる必要がある。

変化を決定する微気象要素も併せて測定する観測デザ

145

インを確立する。 永久凍土の温度変化のモニタリングもが観測された研究の報告や、 地表面の凍結 ・ 融解情

含めて、 GTN-P の方針を推し進める形で研究を進める報を与えるプロダクツも提供されつつあり、 今後の活用がとともに、 観測様式の国際的な標準化を早急に進める

期待される。 こうした衛星データを効率よく利用できるよう必要がある。 アクセスとインフラ設備の制限に影響を受に、 現地観測デザインと実施期間は研究目的に対応しけないよう、 観測サポート体制強化と測定機器の開発をた衛星の運用期間と測定内容と併せるように設定するべ進め、 大規模なサーモカルストが予測される永久凍土地

きである。

域をカバーするように観測サイトを展開する。 サーモカル
ストによる地盤沈下 ・ 地形変化の現地測量観測例はほ（3） 永久凍土層を古環境復元に利用する

とんどなく、 早急な実施検討が望まれる。

過去の永久凍土変化の履歴は、 ある程度永久凍土
自体に保存されていることが分かってきた （テーマ 6 参（2） 衛星リモートセンシングによる永久凍土監視方法照）。 過去の変動を調べることで、 将来の永久凍土の変の確立化についても有用な情報が得られると考えられる。 永久

永久凍土の変化が主に地下部の現象で、 また、 対象

凍土帯の地表面上層部を活動層 / 永久凍土層という 2の空間的スケールがメートルオーダーであるため、 衛星層構造で捉える従来の認識から離れ、 活動層 / 遷移による広域的なモニタリング研究は困難である。 しかし、

層 / 永久凍土層という 3 層構造として捉え （テーマ 4、

サーモカルストに伴う地表面状態の変化は、 今後提供さQ2 参照）、 過去の活動層変化幅を把握する作業が必れる予定の高空間分解能の衛星プロダクツの利用を通じ要である。 さらに、 永久凍土の深層掘削を行う際には、て研究が大きく発展する可能性がある。 例えば、 衛星か

地温測定に加えて、 不攪乱のコア試料を採取し、 成分

らのレーダーによって、 永久凍土の融解による地盤沈下分析を行って古環境復元に利用できるようにする。

Q4: 永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムはいかなる構造と挙動の特性をもつのか？
出やアルベドの変化、 地下水の貯蓄や河川への栄養塩

a. 研究の重要性と現状
テーマ 3 （Q2、 Q3）、 テーマ 4 （Q2）、 また、 本テー

類 （無機炭素や窒素、 燐、 カリウムなど） の輸送の変

マの Q1 ～ Q3 ですでに指摘されているように、 永久凍

動を通して北極域以外の地域へも影響をおよぼすことが土、 季節凍土の動態 （つまり、 その生成、 成長、 維持、懸念される （テーマ 3 ： 物質循環、 テーマ 4 ： 水文）。

衰退） は、 その時の大気からはもとより積雪、 水文、 植

すなわち、 凍土を取巻く現象は、 凍土自体を一要素とし生、 地形といった周囲の環境条件から大きな影響を受て含む環境因子群が上記のような相互作用を持つ （すける （図 56、 Saito et al., 2013）。 例えば、 大気の温

なわち、システムを構成している）ということであり（Francis

度がある程度以上低くなければ凍土は形成されないが、et al., 2009）、 現在の凍土の状況を理解して今後の動一度成立した凍土は、 積雪や地表層上部の有機物層、態の予測を行うには、 凍土のみを考えるのでは十分でその上の植生層の断熱効果により、 大気の温暖化に対はなく、 総体をシステムとして捉えることが必要だというこしてある程度の頑健さを保つことができる （Shur andとを示している。

Jorgenson, 2007）。 一方で、 永久凍土の存在により地

永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムに関して、表層中の生物活動や水文過程は活動層 （季節融解層）

個々の要素間での相互作用やフィードバック （fb） につに限られ、 これは地上部の植生状況を左右する。 また、

いては、これまでの研究で認識されているものもある （例

表層付近の温度が低く保たれるため、 有機炭素の分解

えば、 積雪－放射 fb、 積雪－植生 （灌木） fb、 温室

は遅く泥炭として土壌中に堆積することで過去の有機炭

効果気体－気温 fb、 火災などの撹乱による地表層変化

素が保存される。

－積雪 ・ 水文 ・ 凍土間の相互作用、 降水量－森林 fb

しかし、 大気の温度上昇があるレベルを超えて持続しなど ： 図 56 参照）。 しかし、 システム総体として各要素たときには、鉛直方向および水平方向に凍土の縮退 （活間の相互作用の強さや向き、 システムとしての安定性とそ

動層厚の増加、 地下氷の融解など） が起こり、 地形、の範囲 （すなわち、 それぞれの要素がどのような条件の植生の変化など周囲の環境に対して影響を及ぼすとともときにどのような強さや向きの相互作用、 フィードバックをに、 土壌有機物の分解促進に伴う温室効果気体の放持つのか、 どのようなときに安定であり、 また、 その安定

146

図 56 北極陸域 （大気－積雪－水文－植生－地形） システムの概念図 （Saito et al. 2013 より）。 [1] 地表面－地下間の熱 ・ 水 ・ 物質移動、 [2]-[4] はそれぞれ積雪－凍土間、 積雪－水文間、 凍土－水文間での相互作用、 [5] 微地形のこれら 3 要素への影響、 [6] 生態系と物理系の連関を示す。 また、 陸域システムは大気（[A-L]）、 海洋 ([L-O])、 人間圏 (H-L) とも相互作用を持つ。 「O-A」 は大気－海洋の相互作用を示す。

性に関して閾値、 分岐が存在するのか）、 また、 タイム

環として、 観測とモデル研究の連携により陸域変動の気スケールによって卓越する fb の違いなど、 基礎的な動候へのインパクトの定量化を目指しており、 各プロジェクト態特性については検討、 理解が不十分である。

の間で相互に研究交流を行っている。

特に、 氷期－間氷期スケールに代表されるような大きb. 今後の研究

な時定数の現象については、 泥炭層などの有機炭素層の堆積、 保存、 分解など、 物質循環や温室効果気体

異なるタイムスケールにわたって、 相互作用、 フィード

収支と密接に関わっているものの、 これらの過程をシスバックによって結ばれた北極陸域のシステム （大気−積テム間の相互作用として一貫して取扱った研究は非常に雪−凍土−土壌−植生） は、 個々の要素を単体で見て限られ、 現段階ではその生成から衰退までを記述する

いるだけでは、 あるいは個々の要素間の相互作用を見にとどまるものが多い。

ているだけでは、 全体の動態の特性 （変動の大きさや各国の研究コミュニティにおいても、 同様の現状認識

影響の範囲、 また、 その原因） について知り得ず、 総を持っているようで、 ほぼ時を同じくして永久凍土に関し合的理解のためには動的システム解析 （力学系解析）

た多角的な研究プロジェクトがスタートしている。 欧州で的なアプローチが必要となる。 ただし、 対象とする時間・

は PAGE21 、 米国では、 RCN Permafrostがそ

空間規模に伴って主要となる要素 （及び要素間の相互れにあたり、 どちらも永久凍土環境の脆弱性 （vulnera-作用） の重みや範囲が変わるという意味で開放的で仮bility） を定量化することに目的をおく点で共通している。

説的なシステムであるため、 Q1 ～ Q3 で提議された観日本においても GRENE 北極気候変動研究事業の一測の充実、 表現の方法、 モデルの開発などの結果を十

121

122

分に利用するとともに、 それら観測やモデル構築 （数値PAGE21 ： Changing permafrost in the Arctic and
its Global Effects in the 21st Century
122
RCN Permafrost ： Vulnerability of Permafrost
Carbon Research Coordination Network
121

モデル、 プロセスモデル、 あるいは概念的理解のための数理モデルなど） を連関させて、 対象とするシステムの大きさと複雑さや時空間規模に関して段階的に、 適宜

147

最適な方法を模索しつつ把握を進めていく手順になる。
具体的な対象としては、 例えば以下のような現象及びタ
イムスケールが考えられよう。
・ 森林火災などの 「撹乱」 による変遷過程 （10 ～ 100年規模）。 大気条件 （積雪、気温など） と風景規模 （10㎞以下程度） の植生および地表層上層の変化や回復。
・ 中世温暖期、 小氷期、 「人為的温暖期」 での変動過
程 （～ 1000 年規模）。 気候の変動に伴う 「凍土－水文－植生」 の地域規模での共変動。
・ 最終氷期最盛期からの氷床後退、 海水準変動に伴う海岸線の前進 （海進）、 完新世の変化 （2 万年規模）。
大規模な気候変化 （温暖化） 下における、 「氷床後退－地表層露出－凍土成長－地表層形成 ・ 泥炭蓄積」
サイクルや 「海進－永久凍土の海没－海底永久凍土の形成 ・ 保存」 の北半球規模での変遷。
また、10 ～ 100 年規模の部分では陽には含めなかったが、 人間活動、 社会活動 （経済、 社会基盤の構築と維持、 農業） からの、 または、 それへの影響や、 （植生のみではなく） 広く動物も含む生物圏との相互作用についても同様のアプローチが必要である。 総体をシステ
ムとして捉える視野で考えるとき、 従来は異なる学問領域で取り扱われていた様々な因子が関連しているために、システムの同定や中心となる過程の抽出、 観測 ・ モデル化戦略の策定、 その実施など、 多分野にまたがった研究体制 （凍土学、 気候学、 土壌学、 地形学、 生態学、生物学、 数学、 情報学など） が必要となる。 現在、 欧州や米国で進む永久凍土変動研究についても、 現時点では「凍土－炭素」部分への着目が主ではあるものの、今後はこのようなシステム全体を見据えた方向性に進んでいく可能性は高い。 観測サイトやデータの共有、 モデ
ル比較や共通プロジェクトの参加など情報収集から共同研究に至るまで国際連携の一層の推進も重要となろう。

148

8 章 「環境研究のブレークスルーを可能にする手法の展開」 テーマ
先駆的なブレークスルー研究には、 観測とモデリングに研究を進めると共に、 研究基盤の必要性につなげる。

の手法の革新的な展開がきっかけとなる。 プロセス研究

北極圏の複 雑さとデータ取得の難しさによるハンディと相互啓発するモニタリング、 システムモデリング、 データ

キャップを乗り越え、 全球規模研究に貢献する。

同化が重要である。 現状のギャップを特定し、 効率的テーマ A ： 持続するシームレスなモニタリング
要旨
北極環境研究に関わるモニタリングは、 現場観測と人を用いた通年の海氷変動、 海洋生態系、 物質循環の工衛星をはじめとするリモートセンシングを両輪として行わ

モニタリング。 雪氷圏では、 グリーンランド氷床、 環北極れている。 北極域の環境変化は地球規模での影響が圏の山岳氷河の質量収支とそれに関わる諸量、 凍土の大きく重要であるが、 現場観測は北極圏の環境の厳し

掘削孔管理と融解に伴うサーモカルストや海岸浸食。 大さゆえに、 様々な分野で観測密度の小ささ、 空白域の気圏では、 気候に関わる大気微量成分、 雲 ・ 降水量の多さが指摘される。 人工衛星によるモニタリングは、 近高精度な長期観測とそれによる時空間変動の把握。 陸年の進展により従来はわからなかった情報の取得が可域圏では、 植生変動、 陸域生態系のモニタリングと熱 ・能になってきたものの、 現場観測が必要な項目も依然と

水 ・ 炭素フラックスを含む気象 ・ 水文観測を行う総合的して多い。 モニタリングで最も重要なことは、 代表性のあな観測点 （スーパーサイト） の整備と維持。 これらの課るデータを継続して集めることである。 そのためには国際題に関して、 現場観測、 リモートセンシングを両輪とする的な協力体制を敷くことが肝要である。 その中で日本もモニタリングが期待される。
ここでは、 海洋圏、 雪氷圏、 大気圏、 陸域圏に区分役割を果たし、 さらに独自性を発揮していくことが求めらしてモニタリング構想を述べる。

れる。
モニタリングの対象を、 便宜的に海洋圏、 雪氷圏、 大Q1 ： 海洋圏モニタリング

気圏、 陸域圏に分けると、 日本がこれから長期的に取りQ2 ： 雪氷圏モニタリング

組んでいくべき重点課題として、 それぞれ以下のようなもQ3 ： 大気圏モニタリングのが挙げられる。 海洋圏では、 衛星および自国砕氷船

Q4 ： 陸域圏モニタリング

まえがき
北方針葉樹林帯や凍土の変動などは数 10 年以上の連

長期的な高精度の観測の継続、 モニタリングが重要である。 対象とする現象を具体的に定めず、 モニタリング

続観測が必要になってくる。

を行うのは研究の動機として説得力を欠くとの意見もある

北極域において長期にわたりモニタリングが必要な項

が、 短期的な観測では観測された現象、 状況の普遍

目は、多岐にわたる。 そこで、 海洋圏、雪氷圏、 大気圏、性がわからない場合も多い。 10 年、 20 年にわたって陸域圏に分け、 各モニタリングについて、 まず、 国際的観測することによって、 はじめてその現象、 状況の位置

なネットワークの現状や問題点を述べる。 続いて、 今後づけが明確になってくる。 よく知られる大気中二酸化炭

必要なモニタリングについて、 詳しく述べる。 北極域、素濃度の増加についても、 1958 年にキーリングがハワイ

特に雪氷が関わるモニタリングについては、 雪氷圏に関で始めた精密な観測データが長期間蓄積されたことによする統合地球観測戦略 （IGOS-P Cryosphere） によっり、 科学的に議論できるようになった （Keeling et al.,て、 現 状 認 識と提言 が述べ られて い る （Key et al.,1976）。 近年の北極海氷の激減は、 30 年以上にわたっ

2007）。 これらもふまえ、 ここでは日本が取り組むべきモて行ってきた衛星観測によって、 定量的に明らかにされニタリングに関わる研究構想を記す。

たものである。 現象の変化の時間スケールが長いほど、
モニタリングを続けるべき時間も長くなるのは必然である。

149

海洋圏モニタリング
a. 衛星リモートセンシングによる海氷のモニタリング

まだ十分とは言えず、 推定に必要な積雪深や積雪や海人工衛星から観測される一番基本的な海氷の物理量

氷の密度など不確定な要素があるなど、 今後の改良のは、 氷量の水平分布 （密接度） である。 衛星による観余地が大きい。

測がはじまる以前は、 現地での情報を収集して海氷分

この他にも、 合成開口レーダーや高分解能の可視観布が 推定されてきたが、 人工衛星による 観測、 特に測衛星など多くの地球観測衛星が現在も観測を行って1970 年代から始まったマイクロ波放射計による観測は、いる。 これらの高解像度なデータは、 マイクロ波放射計

全球の海氷域の連続的なモニタリングを可能にした。 そでは捉えきれない氷盤の大きさ分布や細かいスケール

れにより、 北極域における海氷面積の減少の様子など

での海氷の力学的変形、 さらにそれらが広域規模の海が明ら か に な った （Comiso and Nishio, 2008） （ 図

氷変動に及ぼす影響を知る上できわめて有用であり、 今57）。 マイクロ波放射計の現在の主力は日本の AMSR

後さらに有用に活用してゆく必要がある。

シリーズである。 これは、 それまでの主力だった SSM/I

マイクロ波放射計について今後もっとも必要なのは、の約 2 倍の分解能を持つ世界最高性能のセンサであり、観測を継続し、 長期の安定したモニタリング体制を作る

海氷モニタリングのために広く利用されている。

ことである。 観測の維持を最優先とした上で、 高解像度

一方、 現在もっとも必要とされているのは海氷の厚さ化も期待される。 観測解像度が 1 から 2km 程度になのモニタリングである。 厚さ変化を伴う海氷の変動過程

れば、 沿岸の薄氷域 （沿岸ポリニヤ） や氷縁の海氷分は現在でもきちんと理解されておらず、 気候モデルの中布の詳細なモニタリング、変化の激しい海氷表面状態 （メでの海氷変動の表現も不十分なままである。 海氷変動

ルトポンドなど） の把握、 数十キロメートルスケールの渦の基本的な量である海氷域の熱収支や海氷生成融解など海氷変動に関わる細かい現象を全天候で観測する量の推定、 海氷の力学的変形が海氷の厚さ変化におよことが可能になり、 データの有用性を大幅に高めることがぼす影響の把握のためには、 海氷の厚さの空間分布とできる。 海氷厚測定のための高度計については、 現在

時間変化の観測が不可欠である。 そのための空間解像は直下しか測定できない海氷表面高を軌道と直交する

度は、 数十キロメートル以下であることが期待され、 時方向にも観測するなどして、 観測頻度を大幅に増やすこ

間間隔は数日、 可能であれば毎日の厚さ変化が把握でとが期待される。 そして、 気候変動への海氷の応答を把きることが望ましい。 現在、米国（NASA）や欧州（ESA）

握するには、 そのような観測を持続していくことが必要でではそれぞれレーザーとレーダーの高度計により、 海氷ある。 さらに、 高解像度画像等の既存のデータを有効の表面の高さを計測し厚さを推定している。 これらの観利用することは、 新しい観測を行うのと同等に意味のあ測が将来有用になると考えられるが、 精度や頻度の点でることである。 運用機関やフォーマットの異なるそれらの図 57

マイクロ波放射計によって観測された北半球の海氷域面積偏差の変化 （Comiso and Nishio, 2008 より）150

衛星データを統合する機関を作りデータセットを管理 ・

また、 定点を海氷激減域に設定し、 砕氷船越冬観測整備するとともに、 衛星データを利用する研究者 ・ 技術による大気－海氷－海洋の熱収支観測を実施する。 こ者を増やすことで、 衛星データを用いた北極域の研究

れらにより、 大気－海氷－海洋の熱収支過程におけるが急速に進展すると考えられる。

海氷運動、 海洋潮汐 （内部波）、 大気擾乱による熱輸送およびそれらの結氷 ・ 融解過程への寄与を定量的に

b. 海氷下の海洋のモニタリング

明らかにする。 また、 融解期には既存の耐氷船による気候システムを理解する上で、 大気－海洋間の熱収広域観測、無人観測ステーション （係留系、漂流ブイ等）

支を変化させる北極海の海氷変動メカニズムは、 解決の展開を行い、 開放水面における海洋表層の貯熱量、するべき喫緊の課題である。 これまで海氷激減は、 太海洋混合層の時間変化、 結氷前のプレコンディションを平洋水による海洋温暖化が著しい太平洋側北極海の明らかにする。 このように砕氷船と耐氷船の時間差観測

ノースウィンド海嶺付近で主に観測されてきた。 しかし現によって、 通年の大気－海氷－海洋間の熱収支に関す在では、 ノースウィンド海嶺付近だけでなく、 太平洋水る素過程を明らかにする。

が分布しない海域にまで季節海氷域化が進行している。
季節海氷域化の進行は、 海洋が大気と接する面積の増

c. 海洋生態系および物質循環のモニタリング

加とその期間の拡大を意味する。 その結果、 短波放射、

北極海における海洋生態系は、 低温と海氷環境に大気擾乱が海洋表層の流れや鉛直混合に、 そして海適応した種により構成される独特の生態系である。 1990

洋からの熱フラックスが大気場に変化をもたらしうる。 し年代より観測されている夏季の海氷の激減と水温上昇

たがって、 現在から今後の大気－海氷－海洋間の熱収は、 北極海生態系と、 それに深く関与する物質循環を

支は、 海氷がまだ現在のように薄くなく、 夏季の面積も大きく変化させる可能性が指摘されている。 また、 100

小さくなかった 1990 年代後半とは大きく異なることが予年スケールでの地球温暖化は海氷だけでなく、 陸域の想される。 つまり、 北極海の海氷変動と気候システムへ

凍土や氷床の融解を引き起こすため、 北極海への淡水の影響の将来予測を精度よく行うには、 融解期だけで流入を増加させ、 それに伴って物質循環と沿岸生態系はなく結氷期～冬季における大気境界層から海洋表層を大きく変化させるであろう。 したがって、 北極海を取り混合層の各物理素過程と、 それらの海氷変動に対する巻く生態系と物質循環を効率的にモニタリングし、 その寄与を定量的に明らかにすることが必須である。 これま

変化をいち早く明らかにすることは非常に重要な課題ででの日本の北極海観測は自国耐氷船か他国砕氷船にある。 しかし、 これまで北極海の生態系 ・ 物質循環研て行われてきたが、 それぞれに観測時期、 海域、 人員、究で明らかになった事実の多くは、 夏季の開放水面域

予算等の制約の中で実施してきたのが現状である。 一における観測データに基づくものである。 従って、 冬季

方、 海氷設置型漂流ブイによる観測が通年で展開されの生態系や物質循環に関してほとんど明らかにされておてきたが、 分厚い海氷にのみ設置することや観測域がらず、 海洋生態系 ・ 物質循環の変動 ・ 変化の過程を捉海氷移動に依存することから、 データ頻度の空間分布

えられていないのが現状である。 また、 観測はアクセスに偏りがあり、 一定期間で同一の海域を観測することがが比較的容易な沿岸域を中心とした一部海域に偏ってできない。 また、 係留系観測では、 多年氷を避けて観おり、 全域をカバーする研究はほとんどなされていない。

測をするように設計されるため、 海面～深度 50m 程度

北極海生態系と物質循環の全体像を把握し、 変化とまでは測器を設置できず、 流速以外は測定が困難であ

そのプロセスを明らかにするには、 地域的、 季節的差る。

異を考慮しなくてはならない。 単一国のみで複数地域か

そこで、 ここでは耐氷船や他国砕氷船で観測が困難

つ異なる季節の観測を行うことは、 物理的、 経済的にな 「結氷期～冬季の大気－海氷－海洋間の熱収支観

ほぼ不可能である。 日本はこれまでチャクチ海及びカナ測」 を自国砕氷船により実施することを提案する。 具体

ダ海盆域で、 「みらい」 や 「おしょろ丸」 を用いて数多く的には、 すでに季節海氷域化した太平洋側北極海のカの夏季観測を実施し、 生態系から物質循環変化を明ら

ナダ海盆～マカロフ海盆において、 砕氷船による現場

かにしてきた。 しかし、 北極海の生態系及び物質循環

観測 （氷上も含む）、有人観測ステーションの展開を行い、像を把握するには、より広い地域での観測が必要であり、結氷期の大気－海氷－海洋間熱収支を広域で捉える。

それには国際連携が必須である。 現在、 国際共同観151

測である DBO123 の観測を日本も担当して成果を上げている （Grebmeier et al., 2010）。 今後は、
ロシア、 カナダとも関係強化し、 ボーフォート海、
カナダ海盆、 チャクチ海、 東シベリア海観測を戦略的に行うことが重要である （図 58）。 国際連携のもと、 北極海においても、 例えば、 10 年に一度のスケールで行われる WOCE124 のような高精度かつ多項目の海洋モニタリング観測を実施することも重要であろう。 また、 データの効率
的 運 用 の た め に は World Data System（WDS） などの国際データ機関とも連携し、 積
極的なメタデータの集約と公開を行うことが必要不可欠である。
また、 これまで日本の北極海観測は夏季の開放水面域に限られてきた。 これだけでは物質循
環像と生態系変化の把握には不十分である。 国際連携の一環において日本もしかるべき場所（例

図 58

今後の海洋生態のモニタリングに必要な要素 （概念図）

えば、 観測の空白域であるカナダ海盆域やチャクチ海） において越冬観測が可能なような研究砕氷船

d. 海氷域の放射フラックスのモニタリング

を将来的には整備し、 季節変動を含めた物質循環及び北極域の熱収支において、 短波 ・ 長波放射フラック

生態系の観測を行うことが重要である。 また、 近年は係スは大変重要な役割を果たしている。 北緯 70 度以北

留系、 音響機器や水中グライダーといった遠隔観測技の北極域の大気全体の熱収支を、 大気上端における正術が急速に進歩しており、 アクセスが容易でない北極海

味短波 ・ 長波放射フラックス、 中緯度からの極域へ輸においてはこれらを最大限に活用すべきである。 中でも送される熱フラックス、 海氷の結氷などに伴う表面からの係留系は、 生物の通年観測には強力なツールであるた

熱フラックスの流入の総和として見積もると、 年間を通し

め、 国際連携のもと、 適切な海域に複数の係留系を設て絶対値として最も寄与するのは正味長波放射フラック

置することが必要不可欠である。 人工衛星データも生態スであり、 特に、 短波放射が消失する冬季においては系や物質変動を時空間的に把握するために、 重要な

正味長波放射フラックスが支配要因となる。 夏季におい

ツールである。 可能な限り高分解能な海氷、 雪氷、 海ては短波放射と長波放射は同程度の寄与があり、 ともに色の 長期モニタリングを行 う。 AMSR2 の後 継 機 や、

北極域の熱収支を考える上で要と言える。

Sentinel-3A ・ PACE （両者ともに打ち上げ予定） は、

一方、 海氷の成長、 融解に直接関わる地球表面に生態系関連パラメータの時空間変動の把握にとって非常おける熱収支に着目すると、 基本的には表面におけるに重要な観測基盤となることから、 多くの研究者が簡便

正味放射フラックスで生じた過不足分を、 乱流フラックスに利用できる体制が構築されることを強く希望する。

（顕熱フラックス＋潜熱フラックス） と雪や海氷を通してのさらに、 海洋生態系と物質循環の変化には陸上から

熱伝導フラックス、 あるいは、 表面の雪や海氷の融解の淡水及び物質供給が深く関与している。 大型哺乳類

潜熱とで補填するというバランスとなっており、 海氷の成から底生生物まで、 多くの生物が棲息する沿岸域は北長 ・ 融解量を知る上で短波 ・ 長波放射フラックスを正し

極海生態系のホットスポットと言える。 沿岸域の環境変

く 見 積 も る こ と の 重 要 性 が 伺 え る （Serreze et al.,化を知るためには、 学際的な連携を強化し、 河川から

2007）。 しかし、 極域ゆえに長期的なモニタリング観測

海洋までシームレスなモニタリング観測を展開する体制の困難さを伴い、 データは非常に限られている。 現在、を構築する必要がある。

WCRP125 傘下の BSRN126 の 一 環として北 極 域 では

123
124

DBO ： Distributed Biological Observatory
WOCE ： World Ocean Circulation Experiment

125
126

152

WCRP ： World Climate Research Programme
BSRN ： Baseline Surface Radiation Network1992 年以来、 比較的広域を覆うバロー （北緯 71 度）、を取るが、 変動に寄与するのは下向き長波放射フラック

ニーオルスン （同 79 度）、 ティクシ （同 72 度） の 3 箇

ス、 特に雲の有無が 70 W m － 2 以上もの差異を生み非所で放射フラックスの観測が実施されており、 その後ア

常に重要な要因であることが北極海表面熱収支観測プ

ラート （同 82 度）、 ケープ・ バラノバ （同 79 度） が加え

ロジェクト （SHEBA、 脚注 15 参照） 等の観測から指られているが、 今後はこれを継続および補強する観測

摘されている。 このように雲 （特に、下層に出現する層雲）体制が強く期待される。

は、 北極域の熱収支に重要な役割を果たしているため、また、 表面における正味長波放射フラックスは、 年間を通してマイナス値 （上向き、 － 20 ～－ 40 W m

短波 ・ 長波放射フラックスと併せて北極域での今後の－2）

長期モニタリングが必要と考えられる。

雪氷圏モニタリング
a. グリーンランド氷床上の気象 ・ 雪氷観測と雪氷中の必要がある。 また、 浅層コア掘削を様々な場所で行い、光吸収性エアロゾル ・ 雪氷微生物のモニタリング

季節変化を含む高時間分解能で、 過去における光吸収

グリーンランド氷床全体の質量収支は、 涵養量、 表

性不純物濃度及び雪氷微生物濃度変動を復元する必

面融解量、 カービング氷河からの流出量の結果として決要がある。

まり、 氷床表面高度が決まる。 氷床表面高度は近年、衛星からのレーザー高度計観測によって精度よく見積もb. 環北極圏の山岳氷河における質量収支および気象られるようになってきた。 また、 氷床の質量変化も重力の長期的観測場を測定する衛星から見積もることができるようなり、 近北極域の氷河の研究を進める上で、 質量収支変動の年における氷床質量減少の実体が明らかになってきた把握は重要なテーマの一つである。 北極域は、 近年の（Velicogna and Wahr, 2011）。 しかし、 氷河流動や温暖化傾向の影響が強く現れている地域であるにもか氷の流出については衛星観測が可能なものの、 氷河のかわらず、 世界の氷河と比較すると質量収支データのあ

内部構造については現地観測が必要であり、 また、 涵る氷河は少ない （Vaughan et al., 2013）。 今後、 衛星

養量や表面融解量の変化は現地観測に頼らざるを得な

画像等によるデータ、 現地観測による長期データの収集い。このため、氷床上に設置された自動気象観測装置（例が必要であり、各国と協力して進めていく必要がある（テーえば、 Steffen and Box, 2001） による観測が非常にマ 4 および次節 「グリーンランド氷床と周縁の氷河氷帽重要と言える。 また、 氷床内部における融解水の滞留における質量収支の継続的観測」 参照）。

や再凍結プロセスを明らかにし、 流出量を定量化するこ

今後、 日本が実施する方法として以下が考えられる。

とが重要である。 氷床全体の質量収支変動監視の精度①これまでに観測のない氷河で空白域を埋めるべく新たを上げるためには、 衛星観測の充実と共に現場観測おに観測を開始する、 ②わずかに過去のデータがある氷

よび自動気象観測装置の地点数を増やし、 空白域を埋河のモニタリングを再開する、 ③他国が実施しているモめる努力や長期の施設維持が必要である。 これらの観ニタリングに協力する。 以下に、北極域で氷河が存在し、測は、 表面質量収支を計算するための領域気候モデル

今後の観測が必要な主な国や地域 （カナダ、 アラスカ、の検証にとっても必要不可欠である。

ロシア） での現状と可能性について記述する。 アラスカ、

一方、 表面融解に最も重要な要素の一つとして雪氷

カナダは、 海水準変動への影響が大きい上、特にブルッ面のアルベドが挙げられる。 氷床表面のアルベドは、 涵

クス山脈等アクセスの悪い氷河で観測が欠落している。

養域では積雪粒径と雪に含まれる光吸収性エアロゾル

エルズミア島、 バフィン島等のカナダ北極域の島では、（ブ ラ ック カーボ ンやダスト） に依 存 し （Aoki et al.,

観測開始年が早いが、 質量収支の長期データは不足し2014）、 消耗域では裸氷域の拡大と雪氷微生物によるている。 ロシアは、 過去に質量収支観測のあった氷河

暗 色 化 に よって低下 する こ と が 明ら か に な って き た

でも長期データが欠落している。 また、 新たに観測が必（Shimada et al., 2016）。 このため、 涵養域における要とされている場所もある。 また、 気象データも旧ソ連

積雪中光吸収性不純物測定、 積雪断面観測による積時代には充実していたが、 近年は急激に少なくなった。

雪粒径測定、 消耗域における雪氷微生物サンプリング

質量収支観測と同時に、 質量収支を決定する気象要やクリオコナイト観測をアルベド観測と同期して実施する

素の 観 測を 行 う必 要が あ る。 気 象 観 測に関 しては、

153

NOAA などの整 備されたデータベースが利用できる。

d. 人工衛星による氷河氷床変動の長期的な観測

観測では低温な環境での測器の不具合が考えられるた

近年の衛星観測技術の発展によって、 末端位置や面め、 研究計画と同時に測器の開発や動作確認を行うこ

積分布といった基本的な情報に加えて、 様々な氷河変とが重要である。 観測効率を挙げるには北極域での気動観測が可能となっている。 具体的には、 ①可視やマ象観測に関するワークショップで議論するなど、 他国と協

イクロ波画像による氷河末端位置と面積の測定、 ②可視力して行うことが必要である。

画像の実体視や高度計データによる氷体積変化の測定（例えば、 Bolch et al., 2013）、 ③画像相関法や干渉

c. グリーンランド氷床と周縁の氷河氷帽における質量収合成開口レーダー （InSAR） による流動速度の測定 （例

支の継続的観測

えば、 Moon et al., 2012）、 ④重力測定による氷質量

氷河 ・ 氷床の質量変動において、 表面質量収支は変化の測定、 などが重要な観測として挙げられる。 今後最も重要な観測項目のひとつである （テーマ 4 参照）。

の北極域における氷河 ・ 氷床モニタリングでは、 これら

近年では、 人工衛星での観測が進歩しているものの、のデータと技術を活用し、 発展させることが重要である。

降雪量や融解量を衛星データから測定することは難し①に関しては、 より高い分解能の画像がより高い時間

い。 衛星観測で得られる標高変化の検証やメカニズム

分解能で入手できるようになった。 今後は、 氷河周縁部解明のためにも、 現地での質量収支測定が重要となる。

の自動抽出などの技術を使って、 より広い範囲で大量の質量収支をつかさどる降雪量と融解量は、 年々の気象画像を処理することが求められる。

条件によって大きく変化する。 したがって、 短期間、 ま②の手法は従来から存在する技術であるが、 高分解

たは隔年での観測では意味を成さず、 長期間にわたっ

能の画像が得られるようになって精度が上昇し、 その重て連続的に測定を行うことが重要である。 現在のところ、要性が増している。 可視画像の実体視による手法では、

グリーンランドにおける質量収支の連続データは限られコンピュータによる DEM 自動生成アルゴリズムの改良でているが、 組織だった取組として、 デンマークが主導すさらなる成果が期待できる。 また、 NASA の ICESat

る PROMICEに代表される高度計観測によって、 広域で正確なモニタ

127による観測ネットワークが挙げられる。

今後、 広大なグリーンランド氷床や、 広い範囲に分布

リングの継続が求められている。

する山岳氷河、 氷帽において質量収支データを増やす③に関しては、 流動が氷河変動に大きな役割を果たためには、 世界各国の協力が必要である。 日本が担当

すグリーンランドのカービング氷河末端部で、 これまでにする地域を設定してデータを提供することで、 世界の北大きな成果が挙がっている。 今後は次世代の人工衛星

極研究コミュニティに貢献することが重要である。 具体的や解析手法の進歩によって、 より高い時間 ・ 空間分解なモニタリング対象地としては、 GRENE プロジェクトで能での測定が期待できる。

観測を開始したグリーンランド北西部が挙げられる。 沿④は、 GRACE 衛星による過去 10 年の観測で可能

岸のカービング氷河から氷床内陸まで、 また、 独立したとなった新しい技術であり、 特に氷床質量変動に大きな氷帽を含めた多様なデータが集まりつつあり、 今後の継力を発揮している。 グリーンランド氷床のモニタリングは

続 と発 展 が 期 待 で きる （e.g. Tsutaki et al., 2016）。

もとより、 山岳氷河 ・ 氷帽スケールでの質量変化を広域

2012 年から同地域で継続する日本のモニタリング活動

で正確に監視するための解析技術開発が期待されていは、 グリーンランド沿岸における質量収支観測をまとめたる。 以上どの観測においても、 衛星搭載センサと解析

コミュニティー論文にも貢献している （Machguth et al.,

手法の両面で著しい技術革新が進んでいる。 新技術を2017）。 長期間にわたって質量収支を測定するには、利用するばかりでなく、 将来の衛星観測と技術改良にア

遠隔地で毎年のフィールドワークが必要であり、 人員とイデアを出して協力することで、 北極圏の氷河 ・ 氷床研

予算の継続的な確保が必要となる。 長期的な観測実現究に必要な衛星観測を発展させるよう努力すべきである。

のためには、 現地の協力者の養成も検討すべきであろ

衛星観測の整備やセンサ開発に関しては、 9 章の記述

う。

も参照のこと。

PROMICE ： Programme for Monitoring of theGreenland Ice Sheet

127

154

e. 人工衛星による雪氷分布、 雲分布、 雪氷微生物分ある。

布など雪氷の量的変化と積雪粒径 ・ アルベド等質的変

このことから、 アラスカ、 シベリアを中心とした連続 ・化の監視

不連続永久凍土地帯において、 現地観測と衛星データ

d.で述べた人工衛星を利用しての観測に加えて、 グを用いて、 現在のサーモカルストの分布の把握を行う必リーンランド氷床の消耗域では雪氷微生物で覆われた要がある。 サーモカルストは凍土の融解が（観察可能な）

暗色域 （Wientjes et al., 2007） が近年拡大している現象として現れるものであり、 このデータは将来的な変ことから、 この監視が重要である。 さらに、 表面が雪で動の掌握のための基礎データとなる。 地域ごとの凍土融覆われていたとしても、 その質的変化、 すなわち、 積雪

解の原因を掌握し、 局所的な周辺環境の変動を理解す

粒径や光吸収性不純物濃度といったアルベドに関係することにより、長期的な環境変動予測に資するものとなる。

る積雪物理量や温度、 アルベドそのものの変化を衛星で監視することは、 アルベド ・ フィードバックを解明し、 モ

g. 北極海の海岸浸食と地下氷の変動に関するモニタリ

デル開発及び将来予測を行うという視点から重要であングる。 このために可視 ・ 近赤外域のチャンネルを有する多北極海沿岸の地表面近くには多量の地下氷 （エドマ；

波長イメージャー衛星からそれら積雪物理量を高精度でテーマ 12 のボックス 8 参照） が存在する。 海岸浸食に抽出する技術開発が重要である （Hori et al., 2007）。

よって表土が流出し、 地下氷が露出することによって融また、 北極域における雲の存在は、 放射収支にとって解が開始、 進行するプロセスが現在も生じているが、 気

重要な要素であるため、 衛星による雲分布、 雲粒径、温上昇と海水準上昇はこのプロセスを加速すると予想さ高度、 厚さなどの情報を長期監視することが必要である。

れる。 このエドマ氷中にはメタンを多量に含むことが指摘されており （例えば、 Fukuda, 1993）、 また、 融解

f. 凍土の融解に伴うサーモカルストの分布の把握と長は永久凍土中に固定されていた炭素の放出をもたらすた期モニタリングめ、 温室効果気体の増加に寄与する可能性がある。 一永久凍土地帯においては、 凍土の融解によって地表方、 地下氷の融解は地表面の陥没を引き起こし、 建築面が陥没してサーモカルスト地形が形成される （サーモ物の崩落、 海岸線の後退など人間生活に直接の影響を

カルストの進行に関してはテーマ 12 を参照）。 このような与えている。 地域によっては、 コミュニティの全体移動を凍土の融解は、 気候変動と共に、 局所的に発生する林招いている例 （アラスカ州シシュマレフ） もある。 しかし、

野火災による植生の消失などの地表面状態の擾乱にエドマそのものの温度測定をした例はない。

よっても引き起こされ、 急激な永久凍土の活動層厚の増このような背景から、海岸浸食の進行と海岸線の変動、加を招き （Viereck et al., 2008）、 急激なサーモカルス

地下氷変動のモニタリングの重要性は高い。 そこで、 こトの形成と発達を引き起こす。 サーモカルストの形成は、れまでほとんど実施されていないエドマの温度測定をは周辺の水環境にも変化を生じる可能性があるため、 そのじめとする現地調査と合わせて、 航空機による空中写真

分布と変動を長期間にわたってモニタリングする必要がと人工衛星を用いて海岸線の変動を定期的にモニタリンボックス 9氷河質量収支の観測

氷河の質量収支の観測手法には、現地観測（質量収支、末端など）、衛星画像解析（質量変化、面積変化）等がある。正確に把握するには、現地観測により直接測定する方法が望ましいが、広域な氷河や遠隔地では、衛星画像等を用いた複合的な方法が有効である。なかでも GRACE 衛星の活用が期待されているが、小さな氷河や誤差が大きいと判断される場所では面積変化や標高変化から質量変化を抽出する ICESat や
ASTER などが活用できる。現地観測についても、直接観測に加えて末端位置の変化なども活用されることが期待される。末端位置の観測は世界の約 500 の氷河で行われている（Vaughan et al., 2013）。

155

グする必要がある。 特に、 地下氷の多く分布する地域に北極域で長期間維持可能な掘削孔を設置することが必おいて、 その進行速度を評価する必要がある。 なお、要である。 近年では観測ネットワークとして、 国際永久凍エドマ氷は古環境復元に利用できる可能性がある （テー土協会が主導する GTN-P128 が挙げられる （このネット

マ 6 を参照）。

ワークと測定値の変動に関してはテーマ 12 の Q3 の記
述も参照のこと）。 本プロジェクトにおいては、 現存のネッh. 掘削孔観測による凍土温度状態のモニタリング

トワークの空白地域を優先的に選択し、 観測地点とする。

地温は、 永久凍土環境の最も基本的な情報である。

目標とする追加観測点は 100 点とする。

掘削孔による深部までの地温観測は、 北極域の各国にこのような地域での掘削孔の設置 ・ 維持をするには、

おいて様々な目的で様々な深度に対して行われてきてい現地研究機関との協力関係は不可欠であり、 既存の協るが、 その維持環境は現在も利用可能なものから、 放力関係の維持発展、 新たな協力関係の構築が必須で棄され場所すら不明となったものまで様々である。 長期ある。 一例として、 アラスカ大学フェアバンクス校国際北にわたる温度測定が可能な掘削孔を設置して維持する

極圏研究センター （IARC） では、 長期にわたり日本とことは、 北極域における凍土の温度状態の長期モニタリの協力関係を築いている。 また、 IARC には日本人研ングを可能とし、 気候変動に対する凍土の応答を考察究者はもちろん、 カナダ、 ロシアの研究者も多く、 両国する上で重要となる。 また、 地温変動は、 測定深度がとの共同研究を行う上でも重要な位置を占めている。 こ

深いほど時間スケールの長い変動が （時間差を伴って）の IARC を拠点として掘削孔観測を準備、 設置、 維持

現れるため、 気候変動における人為影響を評価する上することは、 長期地温観測を可能とするうえで有効であでも深い掘削孔観測を維持することが重要となる。 このろう。

ような背景から、 アラスカ、 カナダ、 シベリアを中心とした大気圏モニタリング
スが存在する。 20 世紀初頭から気温の経年変化は観a. 重要性と現状
温室効果気体、 エアロゾルについて、 北極域で広域測されているものの、 その変動要因については、 海氷分

代表性のある長期連続モニタリングを実施しているのは、布やアイスコアデータなどと比較し、 検討されている （例アラスカ・バロー、 カナダ・アラート、 それにスバールバル・

えば、 Yamanouchi, 2011）。

ニーオルスンであり、 グローバルな観測網の一端として降水量の経年変化は地域により傾向が異なり、 単純輸送機構や発生源、 吸収源の推定に貢献している。 しな増加、 減少ではない。 現在の北極域に関する降水量

かし、 北極海に面して広大なシベリア沿岸にはその観測データは、 まばらな雨量計データに基づくものである。

点はなく、 偏った配置になっている。 さらに、 観測のほ

近年、 北極海にそそぐ大河川の水量は増加傾向にある

とんどが地上基地で行われている。 航空機などの飛翔といわれ、 流量の変化は降水量変化による可能性が高体を用いた観測は、 アラスカやスバールバル周辺で実施

い。 しかし、 降水量のデータは観測点密度の低さと降雪されたことはあるものの、 依然として対流圏中上部の観測の雨量計捕捉率の問題により、 流量増加を定量的に説データは非常に限られている。 温室効果気体モニタリン

明できない状況にある。 面的な降水量を知る上では人

グは、 特に高精度の観測を長期間継続することが求め

工衛星の活用が最も期待される。 これまで、 低緯度にられ、 国際的な協力で支えていく必要がある。

関しては TRMM により貴重なデータが取得されてきた。

気象現象や大気微量成分 （温室効果気体、 短寿命

一方、 中高緯度については、 これまで継続的な降水量

気体、 エアロゾル） の変化は、 とりまく環境の変化に応観測はなく、 2014 年に全球降水観測計画 （GPM） 主

答するだけではなく、 放射過程を介して、 気候に影響を衛星が打ち上げられ、 大いに期待されている。 しかし、及ぼす （短寿命気体については、 脚注 54 参照）。 北

降雪に関しては高精度の観測は難しいとされている。

極域は、 北極海のほとんどを占める海氷域、 莫大な生

温室効果気体 （CO2、 CH4、 N2O など） については、物生産量を有する海洋域、 広大な永久凍土帯や森林

年々の増加傾向、 増加率の経年変化が確認されており、帯が分布する陸域に区分され、 北極圏内にも工業地域
128が分布し、 大気微量成分のソース、 シンク両方のプロセ

156

GTN-P ： Global Terrestrial Network for Permafrost

図 59

大気微量成分のモニタリングの概略

b. 今後の研究

地球規模の人間活動の影響に加え、 湿地地帯からのCH4 放出の影響も示唆されている （例えば、 Morimoto
et al., 2006）。 エアロゾル中の nss-SO4

これまでの長期的な観測や研究の多くは、 観測拠点

2－

、ブラックカーでの地上近傍の観測や気象定常観測に基づいている。

ボン （BC） については、 80 年代以降の排出量の削減

北極域の環境の長期変動を検出し、 その過程を検証すにより、 年々の減少傾向が観測されているが、 一部のエ

るには、 各基本パラメータの長期観測に加え、 その時－アロゾル成分 （NO3 ） や散乱係数などについては、 減

空間変動とその実態を把握することが重要となる。 基本

少傾向は観測されない、 あるいは近年増加傾向が観測

パラメータとしては、 気温、 水蒸気量、 降水量、 温室効されていることから （Quinn et al., 2007）、 低中緯度域

果気体、 短寿命気体、 雲、エアロゾルなどが挙げられる。

からの長距離輸送の可能性も指摘されている （BC につ

これらの大気中での寿命は、 秒～年のスケールで大きくいては、 脚注 53 参照）。 放射収支に大きく影響を与え幅があるため、 注目する現象、 過程に応じて観測頻度

得る雲の分布とその経年変化については、 衛星データや計測分解能を変える必要がある。北極圏の環境変化、などから増加傾向が指摘されているが、 未だ不確実性

気候変動と大気中の物質動態の変化と関係を検討するが大きい （例えば、 Wang and Key, 2005） （エアロゾには、 数年～数十年スケールの変動を捉える必要があ

ルと雲の関係については、 脚注 57 参照）。 これらの経る、 また、 環境変化に伴う大気中の各成分のソース、 シ

年変化は、 北半球～全球規模の諸過程、 北極圏内のンクなどの短い時間スケールの素過程とその長期的な変人間活動や陸域、 海洋の環境変化などの複雑な要素化を捉えるためには、 長期的な変動だけではなく、 分～が相互に関係している。 長期にわたる北極域の環境変日～季節スケールの変化を議論していくことも重要であ化を検出するには、 気象、 大気微量成分の主要要素る。

の長期観測と観測体制維持が必須となる。 しかし、 現

観測拠点が非常に限られている地域 （北極海上やシ状では、 観測の制約、 困難さゆえに、 観測データの空

ベリア地域など） に、 気象観測拠点を設置し、 観測網

白時期、 空白地域が依然として多く存在している。 これとして長期的な運用を目指す。 特に、 上空における基本までに得られている科学的な知見だけでは、 北極域の的な気象要素 （気温、 水蒸気量など） の長期的な変環境変化の理解には遠く及んでいない。

動を把握するための高層気象観測網の整備と維持が望まれる。 降水量は水収支の基本となる量であり、 長期の157

時空間変動実態を把握する必要がある。 地上観測だけことは重要である。 また、 地上近傍のデータに加え、 航ではなく、 全球衛星降水レーダーデータの取得、 活用と、

空機観測や衛星観測データを活用し、 温室効果気体

データ同化技術を駆使し、 降水量データの高度化を行の三次元的時空間変動を把握する。

う。 これにはリモートセンシング、 レーダー、 データ同化

短寿命気体、 雲、 エアロゾルの観測は、 長期的な観などの専門家との協力関係を構築する必要がある。 地

測が行われている拠点に加え、 長期的な観測データが上観測に関しては、 冬季の降雪観測技術の向上を図る

得られていない地域 （北極海上、 シベリア域） にも観測とともに、 観測地点数の維持、 増加を目指す。

拠点を設け、 継続的な観測を維持することが望まれる。

温室効果気体については、 現在のモニタリング観測

短寿命気体、 雲やエアロゾルは時空間変動が激しいた体制を維持し、 新しい観測点を加えつつ、 長期的な濃め、 船舶、 航空機や飛翔体を使用した観測を定期的

度変化を捉える。 また、 温室効果気体の放出源 ・ 吸収に展開し、 各領域での雲、 エアロゾルの物理的 ・ 化学

消滅源に関する情報を持つ同位体比の高精度観測も、的特性 （光学特性、 数濃度、 粒径分布、 組成など）、引き続き維持 ・ 発展させる必要がある。 急激な北極圏

短寿命気体の時空間変動とそのトレンドを検証することも内での人間活動の拡大による放出量増加に加え、 北極

重要である。 さらに衛星データも使用し、 雲、 エアロゾ

環境変化に伴うフラックスの変化も予想されることから、

ルの分布の空間変動を追跡する。

陸域 ・ 海洋域での温室効果気体のフラックスを把握する

陸域圏モニタリング
a. 同一の衛星による数 10 年以上の地表面の連続観測の後方散乱強度が飽和しないため、 そのバイオマスの

現在、 広域の地表面観測の衛星としては、 NOAA

推定に威力を発揮し、 森林地上部バイオマスの推定研

衛星の AVHRR センサに代表される過去 30 年以上の究に応用されてきた。 今後も L バンドマイクロ波 SAR に

データの蓄積があり、 これらを用いた気候変動に伴う植よる長期にわたる観測が期待される。

生成長期間の伸長や植生量の変動に関する解析が進

衛星観測においては、 陸域モニタリングの観点、 長んでいる （鈴木、 2013）。 これらの衛星に関しては、 セ

期変動抽出の重要性の観点から、 最低でも 10 年以上

ンサの交替、 軌道ドリフトの問題や、 大気補正の問題なの長期観測を目指した衛星観測網の構築が重要であどもあり、 多くの不確実性があるとされている （鈴木、る。 例えば、 我が国で計画されている観測衛星につい2013）。 一方 で、 1998 年より 観 測が 続 け ら れて い るても、 後継機の計画を含めた長期観測の視点が重要でSPOT/VEGETATION データや、 2000 年以降観測ある。 更に 2002 年以降については地球の重力場を観が続けられている Terra/MODIS データに代表される測する衛星である GRACE により、 陸域貯水量 （Ter-

近年の中空間分解能衛星においては、 大気補正の高restrial Water Storage） が推定されるようになった。

精 度化や 観 測 波 長 帯 の 改 良な ど に よって、 NOAA

既に 10 年以上のデータ蓄積があり氷河、 凍土、 水分

AVHRR に比較して精度の高い観測、 アルベドの推定

状況の変化を把握できるようになり、 陸域圏モニタリングなどが可能になっている。 これらの観測データは約 10には貴重なデータとなっている （Suzuki et al. 2016）。

年～ 15 年程度の蓄積があり、 今後の観測が継続され近年においては、 衛星プロジェクトとしての地表面物ることにより、 植生量や植生活性度などの変動 ・ トレンド

理量プロダクトの構築に留まらず、 各研究グループレベ検出が可能となる。 さらには 2017 年度に打ち上げられルにおいても様々な物理量プロダクトを提供することが可た日本の GCOM-C1 衛星 SGLI センサも精度の高い能になってきている。 さらに、 複数の衛星観測データを

地表面観測が可能であり、 次期衛星を含めた継続的な組み合わせることによる物理量プロダクトについても個々観測が必要である。

の衛星の利点、 欠点を補完しながら、 より高精度のプロ

以上のような衛星搭載光学センサによる観測のほか、ダクトを構築できる可能性がある。 衛星観測に加えて、最近では ALOS PALSAR といった衛星搭載 L バンド

これらの物理量プロダクトを構築するための基盤作り、 衛

マイクロ波合成開口レーダー （SAR） による植生観測も

星開発プロジェクトに入らずともデータが構築、 提供でき盛んになってきた。 亜寒帯林は熱帯林と比べれば地上る環境作りも重要である。

部の材積量 （バイオマス） が格段に小さく、 SAR から

158

b. 気象、 フラックス、 植生フェノロジーの長期連続観測

出が試みられるようになってきた。 これらの長期観測に

これまでにも様々な気象観測点が展開されており、 そ

よって、 気候変動に伴う炭素収支などの変動が検出されれらを利用した広域のグリッドデータの整備もいくつかのるようになってきた （Ueyama et al., 2014）。 今後は、

研 究 機 関 で 進 め ら れて い る （ 例 : CRU デ ー タ や

現在の観測を継続することにより長期観測が可能となる

APHRODITE 降水量データセット）。 ただし、気象デー

観測サイトの数も増えることが予想され、 トレンド検出のタなどが多く利用できる地域は限られており、 例えば、 シ

信頼性を向上させる必要がある。 さらには、 変動の傾向

ベリアにおいては、 観測網が他の地域に比較して疎とが加速されるなど、 将来の気候変動によって、 大きな炭なっている。 これらの地域における気象観測網や観測素収支の変動が予想される地域において、 これらの変データの整備は重要である。

動を早期に検出するための観測網の整備が必要となる。

熱・水・炭素フラックスの地上タワーによる観測は、 熱・フラックス観測データのネットワーク化により、 機械学

水 ・ 炭素収支の時空間変動の最も直接的なモニタリング

習に よる広域 CO2 フラ ックスの 推 定 が可能に なった

項目である。 全球の水 ・ 熱 ・ 炭素フラックスを測定する（Ichii et al. 2017）。 これらは地上観測 ・ 衛星観測を目的で、 1990 年代から FLUXNET と呼ばれる地上観用いており、 観測データに基づいた推定結果を提供す

測 ネ ッ ト ワ ー ク が 展 開 さ れ て い る。 2015 年 にることから、 陸域 CO2 フラックスに対する新たなデータ

FLUXNET に登録されたサイトデータに統一的な前処セットとして期待されている。

理をしたデータセット 「FLUXNET2015」 が公開された。

植生フェノロジーについては、 魚眼レンズ付きカメラに現在、 世界で 700 地点以上が FLUXNET に登録さよる森林景観の定点写真撮影を行う PEN129 に代表されれており、 200 サイト以上のデータが公開されている。 しるような観測網が展開されつつあるが、 現状では観測サ

かし、 北極域ではアラスカと北欧にそれぞれ 10 地点弱、イトの数が非常に少ないことにより、 より広範囲における広大な面積を占めるシベリアには 5 地点ほどしか存在しサイトの展開が必要である。 また、 展葉などの時期の変ない。 北極域は地球の炭素循環、 熱収支にとって重要動に関するトレンド解析を実施することにより、 より多くのな地域であるにもかかわらず、 自然条件の厳しさ、 人口

サイトで変動のシグナルを検出することが重要である。 ま

密度の低さなどから観測点がまばらなのが現状である。

た、 衛星観測データと融合することによって、 広域のフェ

東シベリアのヤクーツク近郊にある観測サイトは、 1997

ノロジー情報へとスケールアップされることが強く期待さ

年に GAME 計画の一環として開始され、 日本、 ロシア、れる。

オランダの共同で維持されている数少ないサイトである（太田ほか、 2016）。 フラックスデータは、 陸面過程モデ

c. 生態系 ・ 毎木調査森林プロットの増加と 100 年間をルの検証に必要不可欠で、 その観点では気象、 雪氷、目指した長期維持

水文、 植生、 土壌の観測が同一地点で行われるいわゆ

気候の変化に伴い、 植生の変化の兆候が報告されてるスーパーサイト的な地上観測が重要である。 また、 水いる。 アラスカのノーススロープでは、 1950 年頃の写真

収支の重要な検証項目として、 観測点を含む流域の流を最近の写真と比べることで、 ツンドラに低木が増加して量観測も欠くことはできない。 陸面 ・ 植生環境の長期的いることが指摘されている （Tape et al., 2006）。 また、な変動には地温 ・ 土壌水分が強く影響していると考えら

全球植生動態モデルでは、 現在東シベリアに存在するれ、 これらの継続的な観測も重要である。 スーパーサイ

落葉樹林が 2300 年には消失し、 その代わりに常緑樹

トとなりうる観測点は北極域ではヤクーツク、 フェアバンク

林 の 分 布 域 が 北 上 してく る こ と が 予 測 さ れて い るスなど数えるほどしかないのが現状であり、 長期にわた（Kawamiya et al., 2012）。 このような、 10 年スケール、る総合的な観測地点の整備 ・ 維持が課題である （テーさらには 100 年スケールの植生の変化を捉えるには、

マ 4 も参照）。

各地の植生調査プロットで、 例えば、 樹種構成、 立木

フラックスの観測については、 これまでの研究では、の数、 その胸高直径と樹高などが数年間間隔で 100 年

季節変動から経年変動などの比較的短期の変動を検出

以上測定され続けることが期待される。 それには、 植生することに比重がおかれていたが、 近年においては 10

調査プロットが 100 年スケールで維持される人的な確固

年以上の観測期間を持つサイトが増えてきたことにより、10 年程度もしくはそれ以上の期間におけるトレンドの検

129

159

PEN ： Phenological Eyes Network

たる仕組みを作ることが必須となる。 さらに、 そういったて不足している状態である。 遷移帯の移行について、プロットが国内の JaLTER や国際的な iLTER といった同位体を含めた現地観測および衛星観測によって的確

長期生態系研究のネットワークに参加し、 調査データがに監視していく必要がある。

世界の資産として活かされることが望まれる。 衛星観測に対する地上検証サイトとしての役割も大きいだろう。

e. 蓄積炭素量 （バイオマス、 土壌有機物）
フラックスの計測と同時に炭素蓄積量のモニタリングもd. 植生遷移帯を中心とする植生状況の長期モニタリン

重要である。 特に、 土壌中に含まれる炭素量は、 将来

グの気候変動とともに放出が進む可能性が高く、 これが潜タイガとツンドラは植生状態の大きな違いにより、 地表

在的にどの程度の大きさの炭素放出となり得るかを推定

面のアルベド、 粗度、 土壌状態、 積雪 ・ 着雪の状態がするためにも、 現存量のより信頼性の高い見積もりが必

対照的であるほか、 主役となる温室効果気体がタイガで要である。 「雪氷圏モニタリング」 で指摘したように、 凍は二酸化炭素、 ツンドラではメタンという違いを見せる。

土の融解はメタンの放出などに強く関与している。 凍土

このため、 熱 ・ 水 ・ 炭素収支が異なり、 タイガとツンドラの変化は地域によって大きく異なるため、 きめの細かいの分布は気候に大きく影響を与える。 植生の状態、 水監視が求められる。 また、 メタンの放出は微地形による循環の解明などにとって、 水、 炭素、 窒素などの安定

土壌水分の違いの影響も受ける。 狭い地域内での空間同位体比の情報が大変有効である。 タイガ－ツンドラ遷的な相違も継続的に見ていく必要があり、 自動観測の移帯の移行は重要であるにもかかわらず、 情報が極めみならず、 現場に入っての長期的な観測も重要である。

テーマ B ： 複合分野をつなぐ地球システムモデリング
要旨
多様な過程が複雑に相互作用する北極域の理解のな取り組みとしては、 目的に応じたパラメータ化の使い分ためには、 複雑な系を複雑なままに扱える地球システム

けや、 モデル内である要素に生じた誤差が他の要素にモデルの活用が欠かせない。 ここでは、 大気、 海洋、

どう影響するかを評価することが挙げられる。

陸面の各領域別の視点と、 それらの領域が統合されたシステムモデルを形作る個々の領域にも課題がある。

システムモデルとしての視点の両方から、 モデルの現状と大気モデルでは、 雲のふるまいを陽に 130 表した高解像課題について議論した。 鍵となる Questions は以下の度非静力学モデル、 および雲をパラメータ化し通常の解通りである。

像度を持つ静力学モデルを、 雲データによって検証する

Q1 ： 地球システムモデルについて開発課題は何か？

ことを中心的課題とする。 海洋モデルでは、 北極海へ

Q2 ： 大気モデルについての開発課題は何か？

の水塊流入および鉛直混合などで変質する過程の改善

Q3 ： 海洋 ・ 海氷モデルについての開発課題は何か？

と生態系プロセスのパラメータ化、 海氷モデルでは、 氷Q4 ： 陸面 ・ 雪氷モデルについての開発課題は何か？

盤スケールの海氷力学 ・ 熱力学過程および海氷下の混システムモデルを用いた研究では、 扱う問題の継続時

合層過程の改善がそれぞれ中心的課題となる。 陸面モ

間に応じて異なった性質のモデルを用いると効率がよい。

デルでは、古環境指標を用いた検証、同化技術の導入、数年以下の問題を対象としたモデルでは、 緻密で信頼相互作用の再現の改良、 長期積分に向けたオフラインできる予測を実現することが重要である。 そのために、実験のための統合モデルの枠組みの整備が中心的課

領域モデルなどを用いた高解像度化に取り組むことが特題である。 以上のような取り組みを通じて、 地球システムに必要である。 より長い時間継続する問題のためのモデモデルが北極域の多様な学問領域を結びつける基盤とルでは、 古環境実験から将来予測まで様々な実験で安しての役割を果たしていくことが望ましい。

定した再現性を示せることが重要である。そのために、熱・水収支をよりよい再現や、 物質循環、 生態系、 氷床 ・
130

モデリングの分野ではある過程 （変数の時間変化） をモデル方程式の中で直接、 明示的に書き表すことを 「陽に」 と表現することが多い。

氷河、 植生などの幅広い素過程を高い精度で表現する
モデルの開発が特に望まれる。 どちらのモデルでも重要

160

まえがき
地球の気候系は、大気、海洋、陸面などで生じる様々いる。 ここでは、 北極域研究の視点から見た、 地球シな現象 （「素過程」） が相互作用する複雑系である。 特

ステムモデルの現状、 開発課題、 検証方法について述に北極域は、 地球上の他領域と比べて極めて複雑な系べる。

が形成されている。 極域以外の領域でも共通に存在す研究装置としての数値モデルは、 気候の研究に限らる大気、 海洋、 陸面、 各種生態系などの関わる素過程

ず地球科学全体において幅広く利用されている。 ここでに加えて、 雪氷 ・ 氷床過程も関わるからである。 複雑なは、 その中でも地球表層の気候学的な変動を知ることを北極域で生じるさまざまな現象を理解するには、 あるい

主な目的とした数値モデルについて述べる。 このようなモは急激に変動する北極域の将来の姿を不確実性までデルが対象とする素過程は、 主として大気 （対流圏と成含めて精緻に予測するには、 複雑な気候系を複雑なま層圏の物理、 化学、 物質循環）、 海洋 ・ 海氷 （海洋とまに扱うことのできる実験装置の開発と利用が必要であ

海氷の物理、化学、物質循環、生態系）、陸面・雪氷 （陸る。 しかし、 現実の空間でこのような装置を用意すること

氷、 積雪、 土壌、 河川、 植生、 生態系） といったいくはとても難しい。 その代わりとして使われるのが、 科学原

つかの領域に分布している。 ここでは、 まずこれらを統理と自然現象への洞察を基にして計算機の中に作られ合した 「地球システムモデル」 の現状と課題について述

た模型、 すなわち数値モデルである。 気候 ・ 環境系をべ （Q1）、 その後に大気、 海洋 ・ 海氷、 陸面 ・ 雪氷の再現するための数値モデルである 「地球システムモデル」

それぞれの領域についてより個別的に述べる（Q2 ～ 4）。

は、 気候や環境の研究で極めて重要な役割を果たして

Q1: 地球システムモデルについて開発課題は何か？
問題や現象がおよぶ時間の長さの大まかな目安のことを

a. 序論
ここでは、 数値モデルの中でも 「地球システムモデル」意味する。 ここでは以降、 時間スケール別のモデル毎の、 北極域研究の視点から見た開発課題を述べる。 一に現状と将来の開発課題を示し、 その後に不確実性の般に、 地球システムモデルとは 「炭素循環とそれに関連評価を中心にモデルの周縁の課題について述べる。

する 素 過 程を 含 む 結 合 モデル」 を指 す 言 葉であ る（IPCC AR5）が、ここでは 「複数の素過程を統合し」「全b. 数年以下の時間スケールにおける地球システムモデ

球を対象とする、 あるいは領域を対象としていても自然ルの課題な発展として全球を対象とできる」 モデルを指す言葉とこの時間スケールの問題には、 その時々に利用可能定義する。 したがって、 たとえば物理モデルに特化したな計算機資源で実現できる限りの高い解像度を持つモ話題もここで扱う。 単一の素過程のみを扱うモデルにつデルが適している。 解像度を高めることで、 傾斜の急な

いては、 本テーマの他節あるいは他テーマを参照された

地形、 渦や対流といった現象などをモデルで自然に表い。

現できるようになる。 また、 同種の実験を繰り返し行うこ地球システムモデルは計算機を利用するが、 モデルをとも有効な手法である。 ランダムな誤差と常に得られる結使って実験するために使える計算機の演算能力 （計算果を区別して、 より確実な将来予測をすることができる。

機資源） は有限である。 空間的に細かな現象まで厳密

モデルを用いて取り組む問題の例として、 北極域の季節に扱うようなモデル （「解像度が高い」 という） で数千年

～数年先までの予報や、 気象などの極端現象の発生にものシミュレーションはできないし、 数千年～数万年にどれほど人間活動の影響があるかを定量的に把握する

およぶ気候変動を知りたければ、 空間的には粗い表現試みが挙げられる。 特に、 北極域に特有の問題として、（「解像度が低い」という）で妥協するしかない。 そのため、近年の急激な海氷減少に伴い、 より多くの利用が期待さ

扱いたい現象や問題に適したモデルを選ぶ必要がある。

れる北極航路の航行可能性の予測が挙げられる。 もし

図 60 に、 ここで述べる代表的なモデルが扱う問題の時

1 年先までの航行を予測するなら、 大気変動の予測可間スケールと、 北極域に関わる主要な素過程の時間ス

能性を高める必要があり、 自然変動の振幅と位相を予ケールの対応を示した。 ここで 「時間スケール」 とは、測する試みに挑戦すべきである。 このためには、 観測

161

図 60 代表的なモデルの時間スケール （上部） と、 北極に関わる主要な素過程の持つ時間スケール。
モデルと素過程の時間スケールの一致が大きいほど、 そのモデルはその素過程を扱うのに適している。

データをモデルと統合するデータ同化の手法を用いてル RASM131 の開発および改良が進められている。 日（テーマ C 参照）、 モデルに整合する初期条件から予測本では北極域領域モデル開発の動きは無い。 ネスティ

計算を始めることも重要である。 さらに、 得られた予測をングについても、 大気モデルや海洋モデル単独での実海況予報などの形で社会的に活用するために、 工学的装はあるが、 システムモデルでの適用についてはごく初な手法との協働を進めることが望ましい。 また、 解像度期の段階である。 これらの開発研究にコミュニティとしての高いモデルの結果は観測と比較しやすい。 地形や空注力すべきである。

間構造が精密に表現されているので、 観測と空間的なシステムモデル内での個別の課題を以下に挙げる。

対応をつけやすいからである。 この意味で、 観測現場と北極航路予測に関連して、 氷縁域の力学過程を精緻に同じ目線に立った多様な研究のための基盤としても役に表現する海氷モデルの開発が促進されるべきである。 ま立つモデルである。

た、 物質循環、 生態系モデルを解像度の高いモデルに解像度の高いモデルは、 実験や結果解析に必要な組み込み、 局地的な現象とより広範囲の気候場に及ぼ

計算機資源量が大きい。 特に、 高い解像度が必要な

す影響の双方について理解することが求められる。 ただ問題では、 北極域のみに計算機資源を集中することをし、 計算機資源には制約があるため、 目的と必要な資考慮すべきである。 具体的には、 北極域のみを計算対源を考慮したモデル選択と、 それを可能にするための素象とする領域システムモデルや、 全球には相対的に低い過程の着脱が容易な構造を持つモデル開発が必要であ

解像度のモデルを使い、 北極域のみに高解像度のモデろう。

ルを埋め込むネスティング手法が有効である。 既に米国
では複数の研究機関が協働して、 基本構造として気象、
131

海洋、 海氷、 陸域水文の各素過程を含んだ領域モデ162

RASM ： Regional Arctic System Modelc. 十年～百年程度の時間スケールにおける地球システ

して理解を深めていくことが求められる。

ムモデルの課題

この時間スケールに用いるような比較的低解像度のシ

この時間スケールの問題を扱うモデルは、 近年及びステムモデルでは、 解像度不足で表現することが難しい

将来の北極域における気候変動を様々な側面から研究が、 果たす役割は重要、 という素過程が増えてくる。 たする際の主な選択肢となる。 一般に、 数年以下の時間

とえば熱 ・ 水収支の問題であれば、 大気の雲や海洋のスケールの問題を扱うモデルより解像度は低く、 また多く

渦 ・ 鉛直混合などが挙げられる。 それらの素過程の本の場合北極域だけでなく全球を同等に扱う。 実験装置

質的な役割を見抜き、 その効果をモデルに表現可能なとして見た場合、 数年以下の時間スケール向けのモデル

形で取り込むこと （「パラメタリゼーション」） も再現性向上に比べてより少ない計算機資源で使用できる。そのため、に欠かすことができない。 素過程のモデリングや b. で述

物質循環や生態系を含む多くの系の間での相互作用をべた高解像度モデリングなどとも密接な連携をとってパラ議論する際にも使いやすい。 さらに、 全球モデルとして

メタリゼーションの開発を促進する必要がある。

扱えば、 北極域と他の領域間の相互作用、 例えば北極

この時間スケールのモデルで考慮すべきもう一つ重要域での海氷や陸域の変化が日本の気候に与える影響なな要素として、 物質循環や生態系の変動とその気候変どの議論にも用いることができる。 具体的な問題例として

動への影響が挙げられる。 植生や生態系の気候変動

IPCC 評価報告書に代表される将来予測が挙げられる。

への応答を地球システムモデルで表現することが重要で日本においてはこれまでの IPCC 評価報告書に対して、ある。 林野火災の頻度変化とそれへの植生応答、 永久

2002 年 か ら の 「人・ 自然 ・ 地 球 共 生 プロ ジェクト」、凍土の融解などに伴う土壌条件の変化がもたらす土壌

2007 年からの 「21 世紀気候変動予測革新プログラム」

有機炭素の急速な分解と二酸化炭素やメタンの放出なを通じてそれぞれ第 4 次 ・ 第 5 次報告書に大きく貢献

どは、 北極域で顕著な現象として特に力を注ぐべきであした。 その中でこの時間スケールを扱う全球モデルが大る。 また、 炭素循環などにより引き起こされるフィードバッ

きな役割を果たした。 「気候変動リスク情報創生プログラ

クを表現するため、 光合成と呼吸によって地表面の炭素

ム」 （2012 年～ 2016 年度） などでも、 北極域を含む

収支をつかさどる陸面生態系プロセスモデルを発展させ全球モデルの開発が進められてきた。 しかし、 気候変ることで、 気候変動下における光合成量、 呼吸量 （炭動が他の領域以上に急速かつ大きい北極域を扱うモデ素フロー） および植物バイオマスおよび土壌有機炭素

ルとして見ると、 単に現状の再現ができるだけでは十分

量 （炭素ストック） を正確に見積もることが必要である。

ではない。 起こりうる様々な状況を安定して再現できるよ

このような植生の変動は、 アルベドなどを大きく変化させうに、 以下に述べるような点でモデル開発を継続しているという意味でも重要と言える。 日本では諸外国に比べ、かねばならない （モデルの再現性の評価については e.

こういった物質循環や生態系モデリングに対する重要性

で改めて述べる）。

の認識や開発の動きが相対的に不足している。 北極域

システムモデルで気候変動を表現するための重要な要研究にとって好ましくない。 地球システムモデルに直結し素の一つとして、 熱・水収支が挙げられる。 北極域では、た北極域物質循環、 生態系モデルの整備が望まれる。

海氷、 陸氷、 凍土、 積雪など海洋及び陸面の雪氷に関する過程が特に重要である。 これらの過程は、 アルd. 百年を超える時間スケールにおける地球システムモデ

ベド変化などを通じて熱 ・ 水収支に大きな影響を与え、ルの課題

十年程度の時間スケールを持った変動を引き起こす原

この時間スケールの問題を扱う際には、 c. で述べた因となる可能性がある。 ダストや微生物等による雪や氷

モデルと同様の構造をしているが、 より少ない計算機資のアルベド低下効果、 氷の上面での融解で生じた水たま

源で使うことのできるシステムモデルを用いる。 具体的にりによる熱力学的影響など、 現状のシステムモデルで十は、 解像度をさらに低くしたり、 各素過程をパラメタリゼー

分に表現されていない効果を取り入れることで、 気候変ションの利用も含めてより単純に表現したりする。 これに動予測の精度を高めることができる。 それとともに、 別々より、 長い期間に及ぶ実験ができるようになる。 問題のの要素モデルとして開発されてきたこれらの素過程に、例としては、 古気候シミュレーションや、 長い時間スケー

地球システムモデルの中で整合性をもたせることが重要ルを持つ氷床や深層海洋等の理解のための実験などがである。 海洋、 陸面など異なる分野の研究者間が協力ある。 また、 一つ一つの実験を少ない計算機資源でで163きる利点を生かして、 モデルの設定を変えて複数回実験

信頼性向上につながる。 そのためには、 海氷の分布、を行い結果への影響を見る研究 （「感度実験」） のような、植生分布の変化、 ダストや微生物の発生過程、 大気中

多くの実験を行いたい場合にも役にたつ。 以上のようなの各種微粒子の輸送、 大気中同位体比変化、 海水中用途に利用できるように、 この時間スケールの問題に用の同位体比や酸性度などの各種化学指標、 北極域近いられるモデルは、 多くの素過程モデルやパラメタリゼー

辺の深層水形成を含む海洋循環場といった様々な面でションを含みつつ、 それらを容易に着脱できるモデルとしのモデルの改良が不可欠である。 観測研究者との協力て開発することが望ましい。

も含め、 さまざまな分野の研究者が協力して取り組むことこの種のシステムモデル開発における一つの目標は、が望ましい。

これまで述べてきた物理、 物質循環、 生態系などで構成されているモデルに、 さらに氷床、 植生動態、 アイソ

e. モデルの周縁における課題 : 不確実性の評価とモニスタシーなどを加えた 「全部入り」 モデルの構築である。

タリングとの協力

他の地域と比較して関わる過程の多い北極域の研究に

これまで、 地球システムモデルの現状と開発課題につとって、 より多くの過程を含むモデルが使えることの意義

いて、 いくつかの時間スケールに分けて述べてきた。 一は非常に大きい。 また、 新たに加えられる過程の多くは方で、 モデルの計算結果を観測データと比較し、 結果

既にモデル中にある過程と比べて時間スケールや空間に含まれる誤差や科学的理解の不足 （不確実性） を検的な広がりの点で異なる。 限られた場所に存在しながら証し評価する取り組みもまた、 重要である。 ここでは、千年以上の時間スケールを持つ氷床モデル、 森林限界

地球システムモデルの北極域における不確実性の検証の北上など気候変動と相互作用する植生タイプやサイズに関して課題と提案を述べる。

の数十年から数百年スケールでの変化を扱う植生動態

地球システムモデルの不確実性を議論する際に重要モデルなどがその例である。 これらの特徴の異なる素過な点は、 システムモデルの不確実性は、 個々の素過程

程モデルの統合は、 それ自体が大きな科学的チャレン

モデルの不確実性を単に重ね合わせるだけでは理解でジでもある。 新たな素過程をシステムモデルに組み込む

きないということである。 多くの場合、 システムモデルを構取り組みに積極的に貢献するべきである。

成する個別の素過程モデルの不確実性は、 「正しい」このようにして構築されたシステムモデルでできることの境界条件の下で行われる実験により検証される。 しかし、例として、 陸域生態系特有の大規模な遷移、 たとえば

システムモデルに組み込まれた素過程モデルは、 他の温暖化によるツンドラへのタイガ林の進出や、 北極陸域

素過程からの誤差を含んだ情報で駆動され、 誤差を含に大量に蓄積されている泥炭などの土壌有機炭素のレんだ情報を他の素過程モデルへ伝える。 これらの誤差

ジームシフト （Ise et al., 2008） などの表現がある。 タイ

は、素過程間の相互作用によりしばしば増幅する。 逆に、ムラグの大きな過程を再現するモデルの開発が、 物質循

誤差が伝わっても伝播先に大きな影響を与えない場合

環を介した気候との相互作用を考えるうえで重要となる。

もある。 実際どのような相互作用が生じるかは、 個別の百年を超える時間スケールの実験結果を、 観測結果

素過程の研究だけでは明らかにならない。 このような特と直接比較して検証することは難しい。 百年を超える長さ

徴のあるシステムモデルの不確実性を減らすためには、の連続観測結果はほとんど存在しないからである。 その素過程ごとの理解とモデル開発を進めることで 「足をひっため、 特に古環境を再現する実験の結果検証は、 海底ぱる」 過程をなくす取り組みは当然必要である。 同時に、の堆積物や氷床から掘り出した試料中に存在する過去各素過程を統合したシステムモデルを全体として検証し、の環境のある側面を反映すると考えられる代替指標 （プ

各要素の相対的な誤差の大小や理解度の高低を知るこロキシ） のデータ、 あるいは、 それらから作成された気とも極めて重要である。

温や降水量等の復元データとの比較でなされることが多不確実性の評価 ・ 検証に取り組むための手法についい。 このような古気候学的データを取得できる様々な時ては、 既存のモデル比較プロジェクトが参考になるであ代について、 システムモデルで古環境の再現を試みるころう。 たとえば IPCC AR5 での予測研究を推進する母とは、 モデルの再現性向上にとって重要な取り組みであ体の一つでもある CMIP5132 や、 北極海モデルに特化る。 さらに、 代替指標データをモデル内で直接計算し

132

CMIP5 ： Coupled Model Intercomparison Project
phase 5 （Taylor et al., 2012）

比較できれば、 北極域を含めた地球システムモデルの164した相互比較プロジェクトAOMIP133 が挙げられる。また、いる、 あるいは不確実性が大きいと解釈される。 このよう日本のコミュニティとして積極的にこのような取り組みに参な手法は、 システムモデルの不確実性検証に役立つとと加し、 情報を発信すると共に他のシステムモデルとの比もに、 モニタリングに対し観測対象等の提案につながる

較を通じて自らのモデルの不確実性をよりよく理解するこという意味でも意義深い。

とも重要である。 さらにそれに加えて、 以下では 3 つの

三つ目は、 気候変動要因に対する地球システムモデ

点を指摘したい。

ル全体としての応答の評価方法を提案することである。

一つ目は、 北極域に特化したモニタリング、 評価基準

例えば、 気温について評価するなら、 エネルギー収支の必要性である。 システムモデルのように北極域全体やを評価の基準として、 個々の過程がどの程度寄与してい全球を対象とするモデルでは、 面的な広がりを持つ観

るかを比較できる （具体的な手法はテーマ 1 の Q5 を測からの情報が特に重要である。 北極域では、 観測の参照）。 こうした手法を考案して用いることで、 システムモ困難さなどにより観測データは他の地域に比べ不足してデルの中で各過程が果たす役割を相対的に評価できいる。 モニタリングが今後さらに充実することが期待される。 得られた評価をモデル間で比較したり、パラメタリゼー

る （モニタリングに関して詳しくはテーマ A を参照）。 一

ションと関連付けたりすることにより、 不確実性の幅を減方で、 モデル中のある過程の不確実性を評価するためらすことにも役立つと考えられる。 また、 データ同化と組に、 評 価基 準 を作成 することも求められ る。 前述のみ合わせると、現実の応答を理解する助けともなるだろう。

AOMIP の中で定義された、 北極海の陸棚縁に沿う海

ここまで、 地球システムモデルの不確実性に関する課流の強さの指標はその一例である。 また、 例えば海氷

題とそれへの取り組みの提案について述べた。 課題と場では、 広く使われる海氷存在域の面積だけでなく、提案の大部分はどの地域でも当てはまることだが、 北極

海氷流速場などをもとにした力学場の情報を集約できる域ではこれらに取り組むことが、 特に重要である。 北極基準が今後重要であろう。

域では、関係する過程が多く相互作用が複雑であること、二つ目は、 システムモデルの視点からの、 モデリングと北極域での近年の急速な変化に伴って社会からの様々モニタリングの相互啓発の提案である。モニタリングでは、な要請が寄せられていること、 他地域に比べて北極域

特定の素過程を直接測定することは困難である。 また、でのモデル誤差は大きいことが理由として挙げられる。

モデルでパラメタリゼーションを使う時には表現する過程

逆に言えば、 北極域に焦点を絞った地球システムモデ

がどの程度強く働くかを定めるが、 その強さの指標であルの開発と不確実性低減の課題に取り組んで得られるる 「パラメータ」 を直接観測することも難しい。 そこで以ものは、 単にモデルの北極域での再現性、 信頼性向上

下のような比較を試みる。 モデル側では、 システムモデにとどまらない。 全球での再現性、 信頼性の向上にもつルを用いた感度実験やデータ同化 （テーマ C を参照）

ながり、 また、 多様な学問領域を結びつけて社会に貢により、素過程の扱いやパラメータを変えることで変数（水献する道にも通じるだろう。 幸いにして、 我が国にはモデ

温、 塩分、 速度など） がどの程度の影響を受けるかを

ル、 観測ともに色々な分野に研究者が存在する。 多様調べる。 モニタリング側からは、 それらの量の観測精度な分野の多様な手法に通じた研究者が協力して、 地球の高低を示す。 この場合、 観測誤差と比較してモデル誤

システムモデルの開発と検証を継続的に行うことが望ま差が相対的に大きい部分でモデルの理解度が不足してれる。

Q2: 大気モデルについての開発課題は何か？
a. 研究の現状と課題

ルの非常に小さな雲の形成である。 数値モデルでは座

まず、 大気モデルの中で、 北極域に特有の問題に関

標軸方向のグリッドに分割した格子点において諸量を代する大気モデル開発の経緯を概観する。 モデル構築の表するのが通常であるが、 大気モデルでは水平方向の黎明期においては、 極域に関心を払うよりも、 全球に共フーリエ関数を用いモード展開を導入したスペクトルモデ

通したグリッドおよびプロセスのパラメータ化を使うことがルによって、 数値計算に起因する誤差を除く数値計算が始められた。 パラメータ化の代表的なものは、水平スケー

可能になった。 しかし、 従来の緯度経度格子系のグリッ

AOMIP ： Arctic Ocean Model Intercomparison Project （Proshutinsky and Kowalik, 2007）

ドモデルでは、 解像度を上げるに従って、 北極域では133

非常に小さい経度方向スケールを持つ現象まで解像す165

るために、 時間ステップを微小にする必要性が発生したは、 その領域に特有なパラメータ化を用いることも容易と（極問題）。 一方、 スペクトルモデルでは、 多数のモードなった。 近年増加している低気圧擾乱に注目し、 そのス間での計算機上の通信に多くの計算時間を費やすこと

トームトラック （通り道） を予測し、 実際の現象と比較 ・が障害となった。 高解像度大気モデリングとしては、 正検証する作業が進められている。

20 面体を基礎とした全球非静力学モデル

NICAM

北極圏では、通常、夏季に雲が多く、冬季には少ない。

に よってこの問 題を 解 決する方 法が 提 唱されて い る

春季、 秋季には、 開水面の有無によって雲量の多寡が（Satoh et al., 2008）。

変わり、 海面エネルギー ・ バランスも大きく影響される

134

もちろん、 ある地域の詳細な天気予報を目指す試み（テーマ 2 参照）。 全球大気モデル、 および、 それらのと同様に、 北極域を表す領域モデルを開発し、 それをモデルに観測データを同化した再解析データに基づいある経度において全球モデルにネスティングする方法もて、 雲分布の再現を検証した研究が特記され る （de試みられてきた。 MM5135 を用いた取り組み、 および、

Bore et al., 2014）。 データの多い夏季を選んでいるもそれを継承する WRFの利用がその例であり、 国際のの、 再現性の高い気温、 風に較べると、 雲分布と海的な共同研究によって進められてきた。 日本で開発され面エネルギー ・ バランスの再現は難しいことが示唆されている JMA-NHM

た。

136

137

や CReSS

138

等も極域の領域モ

デル研究として利用可能であろう。 領域モデルにおいて
b. 今後の方向性

全球非静力学モデル ： NICAM （Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model）
135
MM5 ： Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model136
WRF ： Weather Research and Forecasting Model
137
JMA-NHM ： Japan Meteorological Agency Nonhydrostatic Model
138
CReSS ： Cloud Resolving Storm Simulator
134

全球モデルから領域モデル、 従来型の粗い格子のモ
デル か ら高解 像 度 LES （Large Eddy Simulation、
乱流場を扱える数値計算手法） までの、 様々な階層の数値モデルを有効に利用して極域の気候再現性を向上させねばならない。 そのためには、 特に数値モデルで表Update 2018 13

大気モデル NICAM の展開
長期構想後、全球非静力学モデル NICAM を用いた北極域研究が進展している。NICAM により北極域の高解像度シミュレーションの全球的な視点から解析が可能になる。今後の国際研究プロジェクト等において、より有効な活用が予想される。
1．NICAM における北極域の雲解析。NICAM3.5km メッシュ実験結果を A-Train 衛星観測データと比較し、衛星シミュレータを用いて雲物理の観点から北極域の雲放射効果を調べた（Hashino et al.
2016）。
2．北極域を念頭においた高解像度大気海洋結合モデル NICAM-COCO の開発。ArCS の元で、2012
年 8 月に海氷の急減が観測された事例を対象に、北極低気圧の急発達、北極域の海氷の急激な減少のメカ
ニズムの要因を調査中である。この結果を通じて、NICAM-COCO・海氷モデルの改良を進める予定である。
3．NICAM-COCO を用いた北極域比較実験への参加。Arctic Cordex に関連して MoSAiC を対象にモデル比較実験に参加する予定である。
4．みらいによる極域観測 YOPP に合わせて NICAM 準実時間予測実験。YOPP 観測グループと連携し、NICAM 14km メッシュで 2017 年 8 月 22 日から 9 月 20 日の期間における予測実験を実施した。計算結果は http://nicamfcst.jamstec.go.jp/ に公開している。

166

現される極域の雲を適切に表すため、 観測による検証

NICAM は雲物理過程を陽に表す特徴も持っており、とモデル改良が必要である。 関与するプロセスは、 エア

非静力学過程を介した雲形成を再現することを期待して、ロゾル ・ 雲微物理過程、 境界層混合、 および放射過程

低中緯度域においては台風などの比較的小さい水平ス

であり、 精度の高い観測による検証とスキーム （数値モ

ケールの現象の研究に応用されている。 北極域への応

デルの諸量を求める計算機上の様々な計算方法） の改用に関しては、 北極低気圧の解析やストームトラックの検良が必要である。

証に着手したところであるが、 雲形成についても検証が物理現象の解明に関しては、 パラメータ化よりも現象有意義であると考えられる。

を陽に精度よく表すことが根本的解決である。 高解像度

全球モデルと再解析データに基づく複数メンバーを用の LES を用いて、 境界層乱流 （地表面近くの擾乱のいた客観的な検証を参考にすると、 異なるモデル表現多い流れ） を陽に解像するとともに、 ビン法などの雲微による数個のメンバーを集め、 同一の諸量についてそれ物理過程によって、 雲のより精緻な再現性をめざすべきらの結果を比較する作業を提唱する。 重要だが再現のである。 特に、 氷晶、 混相の雲物理を現実的に再現す難しい雲分布に焦点を当て、 このような相互比較をぜひることは挑戦的な課題である。 また、 混合層の高度、実施すべきである。 モデル構成に関しては、 領域モデ

雲底、 雲の厚さ等の現実的な表現には、 境界層過程とルを全球モデルにネスティングしたものと全球非静力学モ

雲微物理過程の改良はもちろん、 大規模場の再現性に

デルの両者をメンバーに含むこと、 力学に関しては非静も留意する必要がある。 広域の総観場 （高気圧 ・ 低気力学モデルと比較するため、 雲形成パラメータ化を持つ

圧スケール） と極域の雲や気象場との関係を理解する

静力学モデルもメンバーに含めることが必須であろう。 数には、 従来型の全球静力学大循環モデルだけでなく、個のモデルを使用する場合は、 数名の研究者あるいは領域モデル （WRF、 JMA-NHM 等） ・ 全球非静力学

いくつかの組織が共同研究の体制を組むことが必要で

モデル （NICAM 等） の利用が今後有用になるであろう。

ある。

Q3: 海洋 ・ 海氷モデルについての開発課題は何か？
実装されている海洋モデル （POP2140） は、 水平解像

a. 海洋モデルの現状と課題
大西洋水はフラム海峡とバレンツ海から北極海へ流度 1 度及び鉛直 60 層を持ち、 渦の効果は等密度層の入し、 フラム海峡分枝水とバレンツ海分枝水となり、 さら

厚さに応じた水温 ・ 塩分フラックス及び混合層渦のパラメにバレンツ海分枝水はバレンツ海での海面冷却によっ

タリゼーションによって表現している。

て高密度化し、 フラム海峡分枝水の下部に貫入する （図CCSM4 は、 北極海を特徴づける代表的な海洋構61）。 これらの水塊はシベリア陸棚斜面に沿う低気圧性造を再現しているが、 ボーフォート環流の位置と強度、（反時計回り） の境界流となり、 陸棚－海盆間の相互作

大西洋水層の水温極大水深、 フラム海峡からの流量 ・用を介して海盆域の成層構造に影響を与えている。 一

熱フラックス、 深層水温などの再現性に課題を残してい方、 ベーリング海峡から流入する太平洋水は、 シベリアる。 これらの要因の一部は、 水平解像度の低さと鉛直

陸棚水、 大西洋水、 海氷形成時に排出された高塩分混合による深層水供給の再現性不足である。 従って、水との相互作用を介して、 カナダ海盆内部の複雑な成水平解像度に関しては、 主要な海峡や海底地形をより層構造に寄与している。 また、 渦による混合層の再成

現実的に表現できるように水平解像度を部分的に高くす

層化や陸棚斜面域から海盆域への水塊輸送は、 海洋る、 あるいは海峡で観測されている流量 ・ 熱フラックス

上層及び海盆域の循環場を海洋モデルで再現する上でになるように地形を調整するなどの工夫が必要になる。

重要なプロセスである。

また、 鉛直混合に関しては、 CCSM4 で使用されている

はじめに、 気候研究に利用されている CCSM4139に

内部波の砕波に伴う深層での鉛直混合や深層密度流よる北極域の結果 （Jahn et al., 2012） を例に、 地球の効果を表現するパラメタリゼーションが北極海で妥当

システムモデルにおける北極海の再現性について現状をなものであるかを再考する必要がある。 さらに、観測デー述べる。 Jahn et al. （2012） で使用された CCSM4 にタによる定量的な議論が十分ではないため不確実では

139

CCSM4 ： Community Climate System Model, version 4

140

167

POP2 ： Parallel Ocean Program, version 2

図 61 北極海の表層循環像 （実線 : 明らかになっている流れ場、 破線 : 推定されている流れ場）。
黒色点線て示したベーリング海峡とフラム海峡を結ぶ鉛直断面を図 62 に示す。 地形は IBCAO より引用。

あるが、 以下に述べるプロセスの重要性も認識しておく

場合、 扱う栄養塩や生物種の数が問題となる。 生態系

必要がある。 大西洋水層から塩分躍層を横切って海氷プロセスを解く部分はよほど複雑な数式を使わない限り、に達する熱フラックス変動に対して、 風や潮汐による鉛計算負荷は高くないが、 水温 ・ 塩分と同様に栄養塩や直混合、 海盆周縁に沿う大西洋水の湧昇、 渦による鉛

生物種の数だけ移流 ・ 拡散過程を解く必要があり、 高直循環など （図 62） も重要であると指摘されているが、精度なスキームを使う場合には全体の計算時間に対してさらなる観測データの取得とプロセス研究による時空間占める割合が格段に増えるためである。 従って、 目的が変動の理解が不可欠である。 プロセス研究の詳細に関明確でない場合、 扱う栄養塩やプランクトン種の数をやしては、 テーマ 2 も参照のこと。 また、 北極海におけるたらと増やすのは数値計算上好ましくない。 また、 水温・中深層の定常場は、 グリーンランド海から溢れ出てくる

塩分には高精度スキームを適用して、 生態系変数には

深層水が中層から少量ながらも貫入してくる海水と混合し比較的計算負荷の低いスキームを適用するという妥協案てゆっくりと上昇することにより定常状態が保たれているとも選択肢の一つになる。 仮に地球システムモデルで計算考えられるが、 深層水が再現できない場合、 非常に小された海洋生態系変数が観測値と異なる場合、 そのバ

さい鉛直混合係数を使えばある程度は現実的な鉛直構

イアスが生態系プロセスの不確実性に起因するのか、 背造を保てるが、 得られる定常場は現実とは異なるものに

景物理場の再現性に起因するのかの判断が難しい。 日

なってしまう。 したがって、 モデルの中で深層水が形成さ本でも対象海域は異なるが、 別々の物理モデルと同一れることとその深層水がより上層の水と適切に混ざるようの生態系モデルを結合させて、 応答を比較するなどの試

な鉛直混合過程の表現が共に必要になる。 このようなみはされている。 このあたりの有効な評価手法を確立す

深層水の形成、 輸送プロセスは百年スケールの長期積

ることが求められる。 北極海の海氷減少が進むと、 海盆分を行う場合に特に重要になる。 北極海の中 ・ 深層の域でも生物生産が活発化することが予想されるが、 その流れに関しては、 テーマ 5 の Q2 も参照のこと。

場合には鉄制限過程と鉄を豊富に含む陸棚水の輸送プ

地球システムモデルに海洋生態系プロセスを導入する

ロセスを適切に表現する必要がある。 また、 海域間で

168

図 62

北極海の鉛直構造と海氷海洋プロセスの概念図 （テーマ 5 の図 18 も参照のこと）。

の差を議論するような段階になると、 脱窒や窒素固定も海氷減少トレンドを過小評価している。 この原因が海氷取り入れる必要が出てくるかもしれない。 このあたりは海モデルだけにあるとは言えないが、 将来の地球システム

洋単体モデルでも議論の真っ只中であり、 得られた知見

モデルにおいて考慮するべき海氷の力学 ・ 熱力学プロをベースにシステムモデルでどこまで計算すべきか要検セスについて考えてみる。 なお、 テーマ 2 （10 ～ 20 年

討事項である。 海洋生態系変数の妥当性評価は、 衛

後を見据えた戦略の d. 数値モデリング） でもいくつか言星から見積もられるクロロフィル濃度と現場観測に基づく及されているため、 ここでは 3 つの課題について述べる

栄養塩濃度を用いて行われることが多い。 ただし、 例えことにする。

ば、 海面情報から基礎生産の鉛直積算量を見積もる衛（1） 氷盤スケールで局所的に起こるリッジング・ラフティ

星アルゴリズムには亜表層クロロフィル極大などに関するング： 海氷厚の力学的な成長過程においては、 海氷同誤差が大きい。 一方、 栄養塩濃度についても広域で格士がぶつかり合って厚くなるリッジングと海氷同士が乗り子化されたデータは World Ocean Atlas くらいで、 これ重なって厚くなるラフティングが本質的であり、 海氷厚のは気候値なので年々変動などの議論には使えない。 す空間分布の形成、変動に重要なプロセスである。 しかし、

なわち、 物理変数に比べて観測データが圧倒的に不足

どれくらいの海氷がリッジングあるいはラフティングするかしていることが問題と言える。

は十分に観測されていないため、 10km 以下の氷盤ス
ケールでは重要な変形プロセスである厚い海氷の隙間における薄い海氷のリッジング、 ラフティング過程を表現

b. 海氷モデルの現状と課題するのは難しい課題である。

数年以下および十年～百年程度の時間スケールで変動する地球システムにおいては、 数日～数十年スケール（2） 海氷下の混合層過程 ： 海氷生成に伴って排出さの海氷変動に注目する必要がある。 現状では、 大気強れるブライン （高塩分水） は、 周囲の海水と混合しなが制 力 を与えて い る 海 氷 海 洋 結 合 モ デル （ 例 え ば、ら海洋表層の混合層深を変化させ、 それに伴って海洋

AOMIP141） は数十 km 以上の空間スケールでの海氷

亜表層から海面への熱輸送が起こると考えられる。また、

域面積の季節 ・ 経年変動をよく再現しているが、 大気を風による乱流混合や内部波の砕波によるプロセスも亜表結合している気候モデル （例えば、 CCSM4） は急激な層からの熱解放過程に寄与している。 したがって、 海氷
下の混合層深がどの程度変化し、 どれくらいの熱が海面

141

AOMIP: Arctic Ocean Model Intercomparison Project（海氷下面） に運ばれるかを定量的に把握することが海

169

図 63

AOMIP/FAMOS による取り組みを表した概念図。 Proshutinsky et al. (2011) の Fig.1 を引用。

c. 日本の研究コミュニティの貢献や役割と主要なプロ

氷の熱力学過程にとって重要である。
（3） 定着氷の効果 ： AOMIP のモデル結果は、 定

ジェクトとのかかわり着氷が存在する沿岸における海氷の再現性を改善する

日本では、 地球システムモデル （例えば、 MIROC-には、 定着氷の形成 ・ 成長過程のパラメタリゼーション

ESM142、 MPI-ESM1143） のベースとなる気候モデルとが必要であることを指摘している。 また、 定着氷の沿岸して、 東京大学大気海洋研究所 ・ 国立環境研究所 ・から沖への張り出し具合は、 北極航路を航行する船舶

海洋研究開発機構が共同で開発した MIROC と気象の安全性の観点からも極めて重要な情報であり、 航路

庁 ・ 気象研究所が開発した MRI-CGCM の二つが知ら予測の今後の課題として認識しておく必要がある。

れている。 この二つの気候モデルは、 世界気候研究計

以上のことは重要性が指摘されているものの、 観測

画 144 （WCRP） の結合モデル間相互比較プロジェクト

データによる定量的な議論が十分に行われていないた（CMIP145） に参加し、 IPCC 第五次評価報告書に関め、 さらなる精緻化が必要である。 まずは、 観測データ

わる地球温暖化の将来予測に貢献してきた。 今後は、とプロセスモデルを用いた研究を行い、 どのような物理過

最新の気候モデル （例えば、 MIROC5: Watanabe et

程でどの程度起こっているのかを定量的に理解すること

al., 2010） をベースとした地球システムモデルの開発にが必要である。 日本の実績が高く評価されている衛星観加えて、 海洋および海氷モデルの開発課題として取り上測の技術とデータを最大限利用すれば、 地球システム

げた個々のプロセス （テーマ 2 の 「10~20 年後を見据モデルに取り入れる新しいスキーム、 パラメタリゼーショ

えた戦略」 を参照のこと） を理解した上でモデルに実装ンの開発につながると期待される。 海氷の検証データとすることにより、 地球システムモデルによる予測の不確実

しては、 衛星観測による海氷密接度や海氷域面積が広性の幅を低減し、 CMIP6 および IPCC 第六次評価報

く利用されているが、海氷厚に関しては不十分である （例

告書に向けた研究において貢献することが重要である。

えば、 Jahn et al.、 2012）。 北極海の多年氷域が季節海氷域化しつつあることを考えると、 時空間的連続観測

MIROC-ESM: Model for Interdisciplinary Researchon Climate-Earth System Model
143
MPI-ESM1: Meteorological Research InstituteEarth System Model1
144
世界気候研究計画 ： World Climate Research Project（WCRP）
145
CMIP ： Coupled Model Intercomparison Project
142

による海氷厚データを充実させることも長期構想の重要な課題である。 また、 新たに比較すべき特性としては、
海氷変形率のスケール依存性も海氷場の再現性を調べる上で有用であると期待されている。

170

一方、 MIROC の海氷海洋コンポーネントを用いた研積を予測する国際的な取り組みであり、 日本からは衛星

究は、 北極海の海氷海洋結合モデルに特化したモデル

データを利用した海氷面積の予測結果が提供されてい間相互比較プロジェクト（AOMIP: 図 63、Q1 およびテーる。 観測データは地球システムモデルや気候モデルの

マ 2 も参照のこと） に貢献しており、 その後継である

改良 ・ 高精度化に必要不可欠なものであり、 日本の得FAMOS

意分野である衛星観測でこのようなプロジェクトに貢献す146

において も日本の役割がますます重要になってくるだろう。 さらに、 SEARCH

147の一環で行われることも重要になってくるだろう。

ている Sea Ice Outlook は春先にその年の夏の海氷面

Q4: 陸面 ・ 雪氷モデルについての開発課題は何か？
地球システムモデルのコンポーネントとしての陸面開発

こる温暖化の予測においても、 不確実性が低減されるにおいては、 1000 ～ 10000 年スケールの現象をより良ことが期待できる。 大気循環による輸送プロセスも最終く再現できるように改良を行うことで、 10 ～ 100 年スケー

的なダストの堆積物量に影響を与えているため、 同様にルの現象の不確実性低減につながる場合がある。特に、全球の大気循環検証にも貢献できると考えられる。 もちダストエアロゾルと大気メタン濃度が時代ごとに異なって

ろん、 ダストやメタンそのものは放射強制力を通じて気候いたことが古環境指標からの再構築により明らかになっに影響を与えるので、 それ自体の不確実性低減も将来てきており、 モデルの検証対象となる可能性がある。 ダ

予測にとって重要である。

ストエアロゾルの発生源は陸上の植生被覆、 土壌水分、陸面過程 ・ 雪氷モデルにおいては、 特に 10 年以上

風速から、 メタンの発生源は湿地帯分布と有機炭素貯の時間スケールでの凍土の消長過程を精度よく再現で留量から、 それぞれ表現可能である。 現在を対象としきることが重要である。 積雪は基本的に 1 年で消えるが、た観測はサンプル数が不足しているため、 陸域物理モ

凍土はわずかな熱の出入りにより消長が左右され、 さら

デル、 陸域生態系モデルで計算されるこれらの量を定にメモリーとして働くことで、 熱 ・ 土壌水分 ・ 植生に関し

量的に確認するのは困難である。 しかし、 間接的にでて長期的に影響するためである。 凍土への透水の表現はあるがダストやメタンなどの古環境指標を通じて陸域法などモデルの素過程の改良に加え、 透水や熱に関すモデルの再現性を確認できるため、 不確実性の低減がる土壌パラメータを全球でどのように合理的に与えるかが期待される。 同時に、 100 年程度の時間スケールで起大きな問題である。 土壌表面を被覆する植生や、 枯死物層の厚さも、凍土の動態に大きな影響を与えるため（Yi

FAMOS ： Forum for Arctic Ocean Modeling and
Observational Synthesis
147
SEARCH ： Study of Environmental Arctic Change
146

et al., 2007）、 植生変動も凍土消長の予測において重要な要素である。 永久凍土－大気－積雪－植生サブシ

Update 2018 14

ArCS に向けた海氷モデル改良の現況と方針
北極海航路に特化した高解像度（2.5 km）の海氷海洋結合モデルを用いた短期予測実験では、1 週間程
度先の海氷分布を氷縁誤差± 10 km 以内で予測するという試みが成果を挙げている。スケールの細かい
海氷および氷縁付近に発生する海洋渦に伴う海氷海洋相互作用が適切に表現されたことにより、中解像度モデルの結果よりも海氷面積の変動を高精度で再現できるようになった（De Silva et al., 2015）。また、
マイクロ波放射計で得られる海氷密接度と海氷漂流速度を中解像度モデルに同化させる実験によって現実的な海氷厚を再現する研究も進められている。今後は、データ同化による初期値化を適切に行なうことにより、海氷分布の再現・予測精度を高めることが必要である。高解像度モデルで適切に表現される海氷海
洋相互作用が大気モデルに与える影響を評価できれば、システムモデルを改良する方向性を示唆できる。

171

ステムの問題に関しては、テーマ 12 の Q4 を参照のこと。

特に、長期的な研究開発課題という視点から考えると、

氷床 ・ 氷河過程についてはテーマ 4 に記述があり、地球システムモデルとしての運用では、 氷床は長く連続

詳細はそちらに任せここではモデル開発課題に絞って記的に、 気候モデルは短く断続的に時間積分する非同期述する。 氷床過程は、 大気モデルや海洋モデルで通結合モデルの枠組みの整備を考えていかねばならない。

常固定させる 「地形」 を大きく変化させる、 という意味で当然膨大な計算資源が必要になるので、 技術的な工夫

特異な過程である。 氷床モデルと氷河モデルは、 究極は必須である。 過去、 現在、 将来の氷床変動を統一

的には同一のモデルと考えられるが、 典型的な課題や的にとらえるためには、 プロセスを精査した上で、 氷床 ・目的に応じてそれぞれ別の構成を取ることが多い。 氷河

気候非同期結合モデル開発も不可避の課題であると考は一つ一つは小さいが、 数が非常に多いため、 総和とえられる。 それに加えて、 大気 ・ 海洋 ・ 固体地球との相しての海水準への寄与が特に短い時間スケールで大きく互作用を適切に導入することが必要である。 大気との結なる。 そのため、 数多くの氷河変動を取り扱うための簡合では、 融解計算をする上で氷床 ・ 氷河ともに要求する略化やパラメータ手法の開発が求められる。 より正確な

水平分解能は高い。 現状の典型的な結合手法では大氷河変動予測や急激な変動メカニズムを解明するため

気モデルと氷床モデルの間に経験的な質量収支モデルには、 プロセスモデルの精緻化が重要な課題となる。 氷を導入しそのギャップを埋めているが、 今後はより物理

床モデル研究の課題は 100 年程度の時間スケールか的なモデルを利用し改良していくことが期待される。 海ら 10 万年程度まで多岐にわたる。 この内、 短い時間ス

洋からは棚氷の底面融解や氷山分離過程を通じて氷ケールの課題、 例えば地球温暖化に対する 100 年程

床 ・ 氷河流動に影響をおよぼすと考えられるが、 モデル

度グリーンランド氷床の変動を考える場合は、 特に、 現化手法はまだ不確定性が非常に大きく、 優先的に開発

在氷床の再現が重要であり、 底面すべり過程などを対していく必要がある象とした氷床モデルへの同化技術の導入が望まれる。

これまで、 氷床変動に関連する氷床モデルおよび気しかし、 特徴的な時間スケールが長いため、 モデルの

候 モ デル の 比 較 プ ロ ジ ェ ク ト に 多 く 関 わ って き た

検証のためには、 陸面モデルと同様に古気候など気候（Bindschadler, 2013; Sueyoshi, 2013 など）。 特に、条件が大きく異なる場合の再現等が重要であり、 長い時

PMIP3 の最終氷期最盛期実験では、 日本の氷床モデ

間スケールの変動の再現も重要である。 従来の大規模

ル古気候モデル研究者が境界条件の策定に中心的なな氷床モデルでは、 力学的に重要な、 局所的かつ流役割を果たしたことは特筆に値する。 今後も日本の氷床

動速度の大きい過程を十分に表現しきれなかったが、モデル ・ （古） 気候モデルのコミュニティのプレゼンスを局所的な流動の変化とその大規模な流動への影響など

示し、 モデル開発の最先端に食いこむことが重要な課を理解し、 長時間スケールの氷床変動再現への適用を題の一つである。

考えていくことが重要である。

テーマ C ： モニタリングとモデリングをつなぐデータ同化
要旨
データ同化技術を北極環境研究へ展開する方針にテムの長期モニタリングの重要性に対する認識の高まり関する現状調査と研究提言をまとめた。 現状調査におがある。 この背景を踏まえ、 現在及び近い将来に実現

いては、 北極圏諸国が整備を進めている大気－海氷－

可能と考えられる観測技術並びに観測網と数値モデル

海洋圏現業予報 ・ 再解析システムにおいて、 高度な同技術の適切な組み合わせにより、 実現可能な北極圏に化技術の浸透が着実に進んでいる事が確認された。 ま

おけるデータ同化研究案件を提案する。 長期にわたる

た、 これまで同化技術の適用が積極的には進められて方向性として、多圏システムのデータ同化に挑戦すること、いなかった氷床などの状態推定研究においても、 デー

そして現業面の目的である北極海況予報の実用化を目

タ同化技術の利用が既に始まっている事例が見出され指すことを提案する。 また、 日本の北極研究体制におた。 以上の状況を生み出している背景には、 観測技術

ける限られた研究資源の現状を踏まえ、 ここで提案されの向上並びに急激な気候変動を契機とする、 気候シスた北極圏データ同化研究実施へ至る適切な道筋につい172

ても考察を加えた。 データ同化研究関連文献を読み解説についても必要最低限まとめた。

くにあたり必要な用語並びにデータ同化技術に関する解まえがき
データ同化とは、 あるシステムの振る舞いを記述する

おいて、 日本はこの分野で著しく出遅れており、 重点課

モデルより得られた解と、 それに対応する実測値を融合

題として取り組む必要がある。

する事により、 利用価値の高い情報を生み出す技術のここでは、 北極圏の環境変動を取り巻く個々のプロセ総称である。 データ同化の目的は主に状態 （モデルパ

スを解明するための一つの手法として、 データ同化技術

ラメータ含む） 推定と時系列制御の二つに整理される。

の活用方法を提案する事を目的とする。 国際北極圏研

ここで状態推定技術とは、 あるシステムを構成する多変究コミュニティでは、 既にデータ同化技術の活用を念頭

数間の相関関係を利用し、 直接観測する事のできない、に、 数値モデルの改善と数値予報性能の向上並びに状

あるいは観測可能でも不確かさが大きい変数の状態を、

態 推 定 を目指した北 極 海集中観 測 プロジェクト （例

観測値データを付加情報として推定する技術である。 まWWRP-PPP ＊） （＊については後述） が存在し、 本長

た、 時系列制御技術は、 モデル変数の時間発展を、 観期構想においても観測とモデルコミュニティの橋渡しとな測値をガイダンスとして逐次的あるいは連続的に制御をる具体的研究提案を行う。 また、 従来データ同化技術行う技術である。 これら二つの技術は通常、 それぞれが積極的に使われてこなかった氷床や炭素循環などののデータ同化システムにおいて適切な組み合わせにより研究分野への同化技術の展開方法についても、 現況同時運用される。 例えば、天気予報システムにおいては、調査及び提案を行う。

大気循環モデルの初期値更新作業において状態推定

本稿は次の構成を持つ。 データ同化研究関連文章

技術を用いると同時に、 時系列制御技術により予報経には専門用語の使用頻度が高い傾向があるため、 まず、路の誤差成長の制御を行っている。

代表的データ同化技術である変分法＊とカルマンフィル

地球環境研究においてデータ同化技術は異なる研究

ター＊に関する概要をボックス内で説明する。 また、 同化

手法 （観測、 データ解析、 モデル、 理論） を組み合わ技術関連用語やプロジェクト名等に関する解説を表 3 にせて、 大気 ・ 海氷 ・ 海洋等の気候システムに生じる諸現まとめる。 本文中、 表 3 及びボックス 10 で注釈を加え象を理解するための強力なツールである。観測ネットワー

た用語の右肩にはアステリスク （＊） で印を付けた。 最クの最適化や再解析データの提供、 モデルパラメータの初に、 北極圏環境問題において実際にデータ同化技

推定などを通じて、 それぞれの手法へのフィードバックが術が使われている事例を解析し、 今後の方向性を述べ可能であり、 異なる研究手法を統合する上での基盤技る。次に、具体的なデータ同化研究提案を行う。最後に、術となる。 また、 モデル要素の拡張により、 物理場だけ

日本の北極圏環境科学コミュニティがデータ同化研究をでなく化学トレーサーや生物量などを扱うことで異なる分

進めるに当たり解決すべき問題を抽出し、 対策を提案す

野間を繋ぐためのツールとしても機能する。 北極研究にる。

北極圏におけるデータ同化研究の現状
北極圏におけるデータ同化技術は、 衛星及び氷上ブ

は、 主に北極圏における大気海氷海洋データ同化研究

イ搭載観測機器により比較的安定したデータ供給が得例及び関連する再解析並びに予報研究の現状についてられる大気対流圏及び海氷状態の推定及び予報におい述べる。 特に、 現業運用体制が進んでいる大気再解析て多く用いられており、 海氷の存在により定常モニタリンシステムと海氷海洋結合データ同化システムに関しては、グが難しい海洋については適用例が限られているのが具体例を挙げてより詳細な現状報告を行う。 また近年、現状である。 しかし、 近年の ITP ＊に代表される海氷下

衛星観測体制の整備によりモニタリングシステムの充実

設置型の観測機器の開発、改良（詳細はテーマ A 参照）

が著しい、 大気化学組成やグリーンランド氷床の状態推により、 多年氷及び季節海氷域において海洋上層の温定研究の動向についても報告する。

度塩分観測が可能となり、 海洋観測網の整備と共に海洋海氷データ同化システムの開発が進んでいる。 ここで173

a. 大気再解析

果となっている。 現業の気象センターに依存しない観測

各国 ・ 地域の気象現業組織が提供する全球大気再活動とデータ同化システムを併用できる日本の研究体制

解析データは、 数値モデルの計算結果と観測値をデー

は、国際的に見ても稀で、国際北極科学委員会 （IASC）

タ同化技術により融合させたものである。 しかし、 再解

大気作業部会でも注目され始めている。

析データには数多くの問題があることがわかっている。
例えば、 複数の全球再解析データセットと、 これら再解

b. 海洋海氷データ同化システム

析値を作成する際に使われていない北極海上空のラジ現時点でデータ同化技術を用いて海洋及び海氷の同オゾンデ観測値とを比較すると、 どの再解析データも観時解析値の作成を現業運用している代表例としては、 ノ測から有意な乖離を示す事が示されている （Jakobson

ルウェーのナンセン環境リモートセンシングセンターが開et al., 2012）。 特に、 地表付近の気温と水蒸気量の逆発したアンサンブル ・ カルマンフィルター＊による北大西転層の再現に問題がある事が見出されており、 大気モデ洋及び 北 極 海 の 領 域 海 洋 海 氷 結 合 同 化 シ ステム

ルの接地境界層スキームあるいは海氷上における大気

TOPAZ ＊と、 英国気象局 （UK Met Ofﬁce） が開発し下部境界条件に問題がある事が示唆される。 また、 他

た 最 適 内 挿 法＊ に よる 全 球 海 洋 海 氷 同 化 シ ステム

研究においても、 代表的全球再解析値の接海氷境界

FOAM ＊がある。 それぞれ用いる同化技術は異なるが、層データには、 風向及び風力に比べ温度及び湿度の共に海洋海氷結合モデルを基盤として開発され、 中 ・再現性が悪いという共通した傾向が見出されており、 そ

長期予報値ならび再解析データの作成を目的としていの原因の同定と関連する物理過程の改善が急務である。

る。 TOPAZ 及び FOAM の解析値及び予報値の日毎

北極圏でこれら再解析データが大きなバイアスあるい

更 新 デ ー タ は、 共 に 海 洋 デ ー タ ポ ー タ ル サ イ ト
MyOcean を通して公開されている。

は誤差を含む原因の一つは、 大気循環数値モデルに含まれる多くのパラメタリゼーションスキームが、 中低緯研究目的で海洋海氷結合データ同化システムを構築

度の観測データを参考に構成されているためだと考えら

し た 例 と し て は、 DAMOCLES ＊ プ ロ ジ ェ ク ト のれる。 この問題に対処するための一つの解は、 北極圏

NAOSIMDAS ＊及び ECCO2 ＊プロジェクトの北極海解に最適化された領域モデルを用いて再解析値を作成す析システムが挙げられる。 両システムとも 4 次元変分法

る事であり、その先駆けとしてオハイオ大学の研究グルーを採用しており、 本稿執筆段階で海洋及び海氷両モデ

プ は WRF を 北 極 大 気 再 現 に 最 適 化 し た Polar-

ルのアジョイントコード＊の開発に成功しているのは、 この

WRF ＊を元に、 領域 3 次元変分法データ同化システム

二つの同化システムのみである。 この他、 ワシントン大学

により北極圏大気再解析データASR＊を作成した。また、

では最適内挿法による北極海海氷海洋再解析システム

さらに地域を限定した試みとして、 Polar-WRF を元にしPIOMAS ＊が開発され、 準現業体制が構築されている。

た領域データ同化システム WRFDA ＊を用いて、 チャク

海洋海氷結合データ同化システムは、 海洋及び海氷観

チ海とボーフォート海上空に特化した大気再解析データ

測 デー タ を 同 時 に 同 化 で きる 強みが あ り、 例えば、

CBHAR ＊が作成されている。

NAOSIMDAS により作成された解析値は、 海氷観測＊

海洋分野に比して、大気分野では全球観測データセッ

データが海洋内部の状態推定に大きな影響を及ぼす可トを用いて、 大気再解析データを自前で作成できる環境能性を示しており興味深い。

が整い始めており、 特定の観測データを加えたり除いた

大気海氷海洋結合予報システムへ試験的に海氷同りする観測システム実験が北極海上でも行われ始めてい化システムが導入された例として、 カナダ環境省におけるる。 これまでに、 北極低気圧中心部の高層気象データ

領域大気海氷海洋結合予報システムへの最適内挿法

が低気圧の再現性に極めて役立つこと、 中緯度対流圏による海氷データ同化の組込み実験がある。 それに加上部の大気循環の再現性にも影響が及ぶ可能性がある

えて、 気象庁気象研究所が開発を進めている変分法海ことなどが、 海洋研究開発機構が開発した大気データ

洋同化システム上において、 オホーツク海におけるナッ

同化システム ALERA2 から示されている （Inoue et

ジング＊による海氷密接度同化実験 （碓氷他 2010） と、

al., 2013）。 その結果得られた、 海氷上に展開されていさらに、 海氷密接度データを IAU* により全球大気海る海面気圧計及び北極海上のラジオゾンデ観測の重要

氷 海洋 結 合 モデルに同化した研 究 （Toyoda et al.,性への知見は、 大気再解析分野で世界をリードする成2011） が挙げられる。 大気海氷海洋結合モデルを用い＊

174

たカナダ環境省の事例では、 海氷同化が大気並びにによる海氷密接度解析値は天気予報と同じ 1 日 4 回の海洋予報精度の向上に貢献する事が報告されており興頻度で作成され、 予報官によるアイスチャート作成作業

味深い。

への入力値や数値天気予報システムの大気下部境界条

海氷解析値に特化した現業システムを運用している代件として利用されている。 海洋観測データの不足を反映

表例としては、 カナダ環境省が開発した 3 次元変分法

して、 海洋循環場のデータ同化に特化した再解析デーに よる領 域 海氷解 析 ・ 予報システム RIPS があ る。

タ作成は事例が少なく、 例えば、 アラスカ大学においてRIPS は簡易化された海氷移動モデルのみを基に同化

ベーリング海－チャクチ海領域の気候値海洋循環状態

システムが開発されており、 従来予報官が手作業で行っの推定に 4 次元変分法データ同化技術を適用した例がていた海氷解析作業の自動化を目的としている。 RIPS

報告されている。

＊

ボックス 10

データ同化技術の解説

大気および海洋データ同化システムで現在主流となっている同化技術には、大きく分けて変分法とカルマンフィルターの二系統があり、ここではそれぞれの特徴を簡単に解説する。その技術詳細や代表的な応用例並びに他の同化技術に関する情報は、日本のデータ同化研究コミュニティにより編集された教科書（淡路他 2009）に詳しく書かれているので参照されたい。
a.変分法（アジョイント法）：4DVar/3DVar
モデルの挙動を決める変数（制御変数）の修正により、観測値とモデル出力値の距離を測る関数（評価関数）を最小化する。その結果得られた最適制御変数値から決められるモデル変数値を解析値と定義する。制御変数には初期値、境界値あるいはモデルパラメータを選ぶ場合が一般的であり、得られた解析値は1サイクルの同化期間中、モデルの支配法則を厳密に満たす事になる（図64a）。3次元空間を表す
モデルの場合は、支配法則に時間軸を含む場合を4次元変分法：4DVar、含まない場合を3次元変分法：
3DVar と呼ぶ。
b. カルマンフィルター：Kalman Filter
カルマンフィルターの特徴は、モデル支配法則が原則的に時間軸を含み、その支配法則及び境界デー
タの誤差について時間変化するモデル予報値の誤差共分散行列を陽に計算する事にある。モデルの予報
変数値と観測データを線形に足し合わすことにより最適解（解析値）が得られる。そのため解析（同化）時刻では、モデルの支配法則を満たさないが、4DVar に比べより観測値を追随した解析時系列値を得やすいという特徴がある。
（図 64b）。

図 64
4 次元変分法及びカルマンフィルターの模式図。赤丸は観測値。黒丸及び黒線は解
析値。

175

c. 海氷季節予報

大気－化学結合システムの理解に重要な役割を果たし

氷厚実測値データを用いたデータ同化技術による晩ており （Dameris and Jöckel 2013）、 物理モデルと化

春の初期海氷厚分布の修正が、 海洋海氷結合モデル

学モデルの同時データ同化システムの開発と再解析値による夏季後期における海氷分布予報精度の改善に貢の作成が、 目下の重要な開発及び研究テーマである。

献することが報告されている （Lindsay et al., 2012）。
同様の結論は、 他の予報実験においても確認されておe. 氷床の状態推定

り、 大気海氷海洋結合モデル CNRM-CM3.3 ＊の長期

この 10 年程で衛星観測より得られる氷床高度や氷移

積分データの解析からは、 晩春におけるサブ格子スケー

動速度データの整備が進み、 グリーンランド氷床のモニ

ルの海氷厚分布が、 夏季後期における海氷面積の予報

タリング状況は劇的に向上した。 氷床変動の定量的な可能性の向上に最も大きく貢献する事が見出されてい評価は、気候変動研究において重要な要素であるが、る。 その理由は、 積分値では同じ体積の氷で覆われて氷床底面境界条件に代表される直接観測が難しいパラいる格子点同士でも、 薄い氷で広く覆われている格子点

メータをどの様に推定するかが重要な課題である。 氷床よりも厚い氷が点在している格子点の方が、 夏季の融解のデータ同化研究は、 標準的な氷床力学モデル （例え期に海氷が完全に融解しない可能性が高くなるためであば、 SICOPOLIS ＊） のアジョイントモデルを用いた感度る。 こうした海氷を長時間存在させるメカニズムが有効な

解 析 及 び 双 子 実 験 ＊ か ら 始 ま り （Heimbach andらば、 海氷厚分布データによる初期値修正が海氷季節

Bugnion, 2009）、 現在は変分法およびカルマンフィル

予報の性能向上において、 重要な役割を果たすことがターを用いた実際の観測データによる外力並びにパラ期待できる。

メータ推定を行う段階に至っている。 氷床高度データを用いたグリーンランド氷床の状態推定を目的としたデータ
同化実験例からは、 過去 10 年程度の現実的な氷床高

d. 大気化学組成の推定
極域高層大気における成層圏オゾン観測の歴史は比度変動を再現するには、 氷床上部境界条件である表層較的古く、 北極圏においては、 ゾンデ観測データは過質 量 バ ラ ン ス 項 （SMB:surface mass balance） と、

去約 45 年の蓄積がある。 また、 衛星搭載センサによる氷床底面における抵抗係数の両方の修正が有効である

観測データも、 既に過去 35 年の蓄積がある。 これら長事が示されている。 先の感度実験より、 氷移動速度に期観測データの解析により、 冬季及び春季の北極圏オ対しては底面抵抗係数と底面地形の両方に強い感度がゾン層分布に活発な経年及び長期変動が見いだされてある事が見出されており、 高度データと速度データの同

おり、 Brewer-Dobson 循環に代表される大気循環場の時同化により、 より正確な氷床下部境界条件を推定で変動との関連が指摘されている。 オゾンに限らず各大気

きる事が期待される。 また、 氷床高度の時間変動の再圏の化学組成変動は、 動的に大気循環と結合している

現に重要であるとされた SMB は通常、 大気モデルの出事が理解されつつあり、 大気循環－化学組成変動を一

力値あるいは再解析値より見積もられるため、 領域大気

つの結合系として理解する動きが進んでいる。 このためモデルを用いたデータ同化システムにおいて SMB を推近年は、 対流圏並びに成層圏を含む大気循環モデルと定する研究も行われている。

化学輸送モデルを結合させた化学気候モデルが、 このデータ同化を北極環境研究に展開する方針
北極圏は、 その特殊な気候条件および地理条件によムのモニタリングに同化技術を利用する例をさらに発展さり、 気候システムのモニタリングが最も難しい地域の一つせると共に、 海洋生態系、 氷床及び陸域植生をも含むである。 「北極圏におけるデータ同化研究の現状」 で述

多圏気候システムのモニタリングへ、 データ同化技術のべたデータ同化技術の北極環境問題への応用例とその利用を拡張する方針を提示する。 また、 海氷面積の減

成功例は、 複数の観測データとモニタリング対象である

少に代表される急激な気候変動下において、 北極圏にシステムの支配法則との融合により、 この状況を打破でおける経済活動を円滑に進めるためには、 新しい要素

きる可能性を示している。 ここでは、「北極圏におけるデーを含む現業予報システムの整備が求められており、 天気

タ同化研究の現状」 で取り上げた大気海洋海氷システ

及び海況予報システムの構築についても提案する。

176

a. 海洋データ同化

統計的に推定すべき海洋循環場の解像度のオーダー

現行の海氷海洋結合北極海モデルが作り出す海洋を落として同化システムを組むことが有効である可能性が循環場及び海氷場は、 一般に観測値からの乖離が大きある。

く、 中緯度域に比べモデル間での分散が大きい事が物理環境の同化に一定の成果をあげた後は、 後述すAOMIP などにより明らかとなった。 従って、 精度の高る様に、 計画の進捗に応じて物質循環モデルや海洋生い北極海海洋再解析値を作成するには、 まずベースと態系モデルを順次結合させていく。 その後、再解析デー

なる海氷海洋結合モデルの改善が必須である。 モデル

タの提供、予測実験の初期値提供、 最適観測ネットワー

誤差を生み出す原因は複合的要因から成ると考えられる

クの提唱、 物質循環 ・ 海洋生態系の状態推定などの課ため、 本原稿執筆段階ですべての原因を網羅する事は題に順次取り組む。 物質循環 ・ 生態系モデル開発におできないが、 明らかな問題点とその対処方法を以下にいて、 日本は世界のトップレベルにあり、 この分野の研羅列する。 1． モデル解像度の不足。 2． 海氷下の温究者とデータ同化専門家との協働により、 多圏海洋デー

度塩分データの代表性。 3． 海氷－海洋熱フラックスに

タ同化研究の分野では、 将来大きな科学的成果が期含まれる誤差及びバイアス。 4． 外力データが含む誤差待できる。 トレーサー収支の整合性を前提とする物質循

及びバイアス。

環研究を行う場合には 4 次元変分法が適しているが、＊

1. に関しては計算機能力の継続的向上により解決さその際に問題となるのは強非線形問題への対応である。

れる可能性が高い。 2. の問題を解決するには、 海氷下非線形問題が生じやすいモデルパラメータの推定などにでも稼働及び情報通信が可能な Argo 型の漂流ブイのは補助的手段として遺伝的アルゴリズム＊やグリーン関数

全海盆展開が必須であり、 観測システムの発展と共に海法＊を併用することで対処する。

＊

洋－海氷データ同化研究が発展する事が望ましい （海氷下海洋観測システムに関してはテーマ A 参照）。 その

b. 海氷データ同化

際、 高解像度海氷－海洋結合モデルを用いた観測網

海氷データ同化の目的は、 大気モデルに対する下部

感度実験を通して、最適な観測網の提案を行う事はデー

境界条件の供与、 海洋モデルへの上部境界条件の供タ同化研究コミュニティの重要な役割である。 3. 及び 4.

与、 そして海氷自身の短中期変動予測及び長期再解析の問題は外力誤差に起因するため、 前述の大気再解析

データ作成に、 大別される。 海氷予測性能及び再解析

データの精度向上と共にデータ同化技術による外力修

データの精度向上には、 ベースとなる数値モデルの性能正が効果的である。

改善と共に、 初期値並びに外力を含む境界条件の最適化が必要であり、 どちらの場合にもデータ同化技術が以上のプロセスを経て北極海海洋モデルの基本性能大きな役割を果たす事ができる。

及び海洋観測体制を向上させる間、海洋同化コミュニティ
は海洋再解析データの作成に必要な詳細技術の検討

現在海洋海氷結合モデルにおいて、 標準的に用いら及び実験を行う。 地形に捕捉された流れが卓越する北れ て い る Viscous-Plastic 型 モ デ ル 及 び Elastic-

極海内の詳細な循環を海洋モデルで再現するには、 渦

Viscous-Plastic 型モデルで用いられているレオロジーと複雑な海底地形の効果を表現することができる水平解関数は、 海氷密接度の高い海氷場の振る舞いを再現

像度が必要だが、 海洋観測網は近未来においてもそのする近似解として生み出されたため、 密接度が 90％を解像度に達する見込みは無い。 このため、 データ同化

割る氷縁域においては適切な近似ではない事が長い間のプロセスを逆問題と解釈した場合、 観測値により海洋指摘されてきた。 そのため、 氷縁域における海氷モデル

状態を決定する事が事実上不可能である事は明らかでには、 近年、 氷盤直径サイズ分布を変数とした氷盤間ある。 この状況において、 バロー渓谷周辺等これまでのの緩い衝突過程が取り入られ始めている。 このモデルに

観測事実より渦の働きが重要と認識されている海域にお含まれるパラメータには不確実性が含まれており、 観測

いて、渦を解像できる観測網を設置し、領域モデルをベー

値によるパラメータ調整がモデル精度の向上に大きく貢スとした同化システムを組むことは有効な方法であろう。

献すると期待される。 また、 大気海氷間及び海氷海洋

北極海全体の状態推定を行う場合は、 渦による運動量

間の運動量 ・ 熱フラックスの計算に用いられるパラメータ並びに塩分、 温度の輸送過程を何らかのパラメタリゼーの値や、 海氷内部応力に関係する海氷強度の値を最ションスキームにより取り扱うか、 EOF モード展開により適化することにより、 海氷の力学 ・ 熱力学プロセスが改177

善され、 ベースとなる海氷モデルのバイアスが低減し、の不足は、 気候条件ならびに地理的環境に起因してい予測性能の向上につながると期待される。

るため、 観測技術の向上のみでは直ちに改善される事

将来の海氷データ同化改善に、 最も威力を発揮するは期待できない。 この問題に対処するには、 全球あると期待される観測値は、 衛星搭載センサより見積もられいは領域大気－海氷－海洋結合データ同化システムにる海氷厚分布及び海氷密接度データであり、 今後現場

よる物理的整合性を持ったフラックス再解析データの作観測との比較実験を通してアルゴリズムの精細化が期待成が不可欠と考えられる。 大気モデル及び海洋海氷結

される （海氷の衛星観測に関する詳細は、 テーマ A 参合モデルの開発と、 そのデータ同化システムの開発に経照）。 日本の極域研究コミュニティは、 北極海並びに季

験を持つ日本の優位的立場を利用した研究プロジェクト

節海氷域を含む縁辺海（オホーツク海及びベーリング海）の創出が望まれる。

における現場観測等を通して、 海氷衛星データの解析

さらに、 長期にわたる方向性を示すと、 グリーンランド

アルゴリズム開発に定評がある。 この状況を活用し、デー

氷床の融解を予測することも重要な目的となる。 氷床上タ同化研究者と衛星データ解析研究者は積極的な協働面における積雪、 凍結、 融解による正味の蓄積には、作業を通して、 海氷の状態推定技術の発展に大きな貢大気モデルの改良を基礎として、 氷床高度データをモデ

献ができる可能性が高い。 さらに、 これら技術向上によ

ル検証に利用すると共に、 氷床モデルに同化する試みり得られた、 より正確な海氷初期値場は、 海氷短期及を提起する。ただし、底面抵抗が速度に対して非線形（速び季節予報精度の向上に貢献するものと考えられる。

度が高くなると抵抗の速度依存が低下） であり、 また、抵抗係数が融解によって極度に小さくなる性質に注意し

c. 大気海氷海洋氷床結合データ同化て、 データ同化手法を設計する必要がある。 氷床底面

北極圏の大気、 海氷、 海洋の状態を予測するには、の融解に加えて、 海洋に接する氷床の崩壊にも注目す

観測データと整合的な初期条件と境界条件を与えた数

べきであり、 海洋との相互作用に関するモデリングが途

値モデルを基盤とする、 北極圏を対象とした現業的デーについたばかりであるが、 氷床海洋結合モデルにおけるタ同化 ・ 短期予測システムを構築することが重要な研究

データ同化の新たな展開を目指すべきである。 これらの課題である。 基盤となるモデルには、 Polar-WRF によ結合モデルにデータ同化をどのように適用するか、 個別

り有効性が示された様に、 北極圏の大気海氷海洋結合の要素によってモデルの精度とデータ量が異なるので、物理過程に最適化された領域結合モデルを採用する。

解決すべき課題は多いものの、 挑戦に値する長期課題

この際、 極域物理過程に特化した諸パラメタリゼーション

である。

スキームの最適な選択と共に、 データ同化技術を用いてパラメータを観測データと整合するように調整する事も重d. 海洋低次生態系の状態推定

要な研究課題である。 短期予測性能の向上には初期

夏季海氷面積の急激な減少により、 海洋生態系バラ値の精度を上げる事が重要となるため、 カルマンフィル

ンスへのストレスが高まることが予想されるため、 早急なターが有効であると考えられる。 同化するデータは、 こ

モニタリング体制の確立および変動メカニズム解明が必れまでにモデル領域内で観測されている大気 ・ 海氷 ・要である （詳細は、 テーマ 9 参照）。 現場観測数が限

海洋の複合データとする。 どのようなデータが予測に最られる海洋低次生態系の状態を広くモニターするには、適であるかを見極めながら、 大気海氷海洋結合領域モ

海洋海氷生態系結合モデルを利用する必要がある。 北デルによる予測に最適な同化手法を確立する。

極海における生態系の応答は海氷場の季節変化に支

北極圏における大気－海氷－海洋間の運動量、 熱及配されるため、 その状態推定には、 物理背景場となる海び淡水フラックスの見積もりには大きな誤差が含まれる

氷縁後退のタイミングが観測と一致することが前提とな事が従来指摘されている （Bourassa et al., 2013）。 こる。 海氷条件をモデル結果に基づいて与える場合、 海

れら諸フラックスは、 海氷海洋結合モデルや大気モデル

氷海洋物理モデル自体の精度向上は不可欠だが、 目的の駆動に必要な上部並びに下部境界条件を決めるた

によっては海氷データ同化を活用することも 1 つのアプ

め、 そこに含まれるバイアスならびに誤差は、 これら数

ローチとなる。ただし、成層構造の季節変化が重要なケー値モデルの持つ現実再現性能や予報性能の低下に直スでは、 短波入射だけでなく、 海氷生成融解に伴う海結する。 誤差を生み出す原因の一つである観測データ

面淡水フラックスも正しく表現されている必要がある。 一178

般に、 海氷密接度をナッジング手法により同化すると、る。 植物プランクトンの最大光合成速度や半飽和定数

淡水フラックスに相当なバイアスを含んでしまう。 仮に海だけでなく、 海底堆積物からの栄養塩フラックス等も最

氷海洋の背景物理場が完璧でも、 生物変数の計算結適値推定の対象になり得る。 いずれにせよ、 得られた果は実装する生態系モデルの不確定性に依存する。 物

推定値が現実的に取り得る範囲内かの妥当性評価が行理モデル同様に生態系モデル自体の改良も進めつつ、われて初めて意味のある同化プロダクトとなる。

データ同化手法を活用して関連パラメータの最適値推定を行うことも高精度データの取得につながる。 日本でも

e. 北極圏炭素循環の状態推定

SeaWiFS のクロロフィルデータと World Ocean Atlas

開氷域の拡大に伴い、 北極海全体の炭素吸収量が（WOA） の栄養塩データを利用して、 低次海洋生態系

増加傾向にある事が、 観測結果より見いだされている。

モデル NEMURO の最適パラメータ値を全球で海域

また、 地上平均気温の上昇は高緯度帯における植物生

別に推定した例がある （Toyoda et al., 2013）。 このよう産量の増加を促しており、 既に一部の地域では森林限な現状を踏まえて、 海洋生態系モデルにデータ同化を界の北上が報告されている。 次の数十年間で北極圏の適用する場合に克服すべき課題を以下に記述する。

炭素循環サイクルが強まる事が予想され、 それに伴う気＊＊ま ず、 ベースモ デル の 再 現性 向上 が 挙 げら れ る。

候変動の背景原理を把握するためにも、 早急な炭素循

AOMIP で実施された北極海を対象とした生態系モデ環の監視体制の確立が求められる。 大気 ・ 海洋 ・ 海氷

ル間比較からは、 基礎生産量の計算結果に差異が生

結合システムの状態推定と同様に、 炭素循環を定量的じる要因として混合層深度がモデル間で一致していないに見積もるには、 データ同化技術を用いて、 限られた数ことが指摘されている （Popova et al., 2012）。 極域海の観測データと数値モデルの最適な融合が必須である

洋に特有なアイスアルジーを含めて主要なプランクトン種と考えられる。

や栄養塩コンポーネントは、 多くの北極海生態系モデル

大気－海洋間の二酸化炭素フラックスの見積もりにおで表現されているが、 海域間の差を議論するのに重要いて、 データ同化手法を用いた推定はある程度の成功

な脱窒、 窒素固定、 鉄制限などの要素が、 ベースとなるを既に納めている。 例えば、 Valsala and Maksyutov

海洋生態系モデルにまだ十分に組み込まれていない。

（2010） は有光層内における溶存無機炭素 148 （DIC）

これは、 北極海に限ったことではないため中低緯度海の時間変動モデルに対応する 4 次元変分法データ同化

洋を対象にしたモデル研究で得られつつある知見を参システムを構築し、 全球大気－海洋間の二酸化炭素フ

考に、 必要な要素を取り入れていく必要がある。 ベース

ラックスの時空間分布を、 海洋表層二酸化炭素分圧モデルのバイアス要因は多岐にわたるため、 詳細はテー（pCO2） データの同化より見積もった。 ここで、 背景移

マ B を参照のこと。

流場及び DIC フラックスのパラメタリゼーションに必要な

次に、 同化に用いるデータセットの妥当性が挙げられ

温度 ・ 塩分場には海洋再解析値を用い、 初期値を制る。 一般に同化に用いる観測データの取得可能期間は御変数とした。 この手法では支配方程式を DIC モデル

デ ー タ セ ッ ト 間 で 一 致 し な い こ と が 多 い。 例 え ばに一本化するために、 様々な単純化が行われており、 同

SeaWiFS のクロロフィル量は 1997 ～ 2010 年の時系

様な手法を北極海へ展開するには、 それぞれの仮定の列データとして得られるが、 WOA は気候値のみなので検証が必要である。 また、 北極海では pCO2 の現場観評価関数の与え方を変える必要がある。 また、 衛星クロ

測値の分布がチャクチ海やバレンツ海に代表される夏季

ロフィルデータは特に極域でバイアスが大きいことが知らの開氷域に限られるため、 観測データの代表性の問題れており、 同化する際には注意が必要である。 いずれを解決する必要がある。 現在、 ITP による pCO2 観測にせよ観測データの充実、 高精度化は、 同化プロダクトが試みられており、 近い将来、 海氷下における pCO2の有用性に直結するので、 観測サイドとの連携が不可欠の通年モニタリングが実現する可能性がある。

＊

である。

北極圏における大気－陸面の炭素フラックスの広域モ同化を行うにあたっては、 生態系モデルの変数やパラニタリングは、 衛星データと陸域炭素フラックスモデルのメータは物理モデルより格段に数が多いため、 限られた組み合わせにより既に実現されている （Kimbell et al.,

計算機資源を効率的に利用するために最適値推定す
148

べきパラメータの選択、 順位付けを行う作業が重要であ

179

溶存無機炭素 ： dissolved inorganic carbon （DIC）

2009）。 炭素フラックスモデルには、 生産効率モデル 149

変動を再現した。 植生の気候変動への応答の細かい（PEM） と呼ばれる診断モデルが用いられ、 大気中二空間分布まで予測する場合には、 やはり、 複数の種の酸化炭素の植生への取り込み量を衛星データで得られ衰退、 発生などをモデルで再現する必要があり、 多くのる種々の変数より推定する。 その結果、 得られた大気－パラメータを同時に最適化するための道筋を付ける必要

陸面間の炭素フラックスは、 フラックスタワーにおける現がある。

場観測値により検定され、 モデルに含まれるパラメータ

北海道、アラスカ、シベリアなどにおける現場調査から、の最適化が行われている。 PEM による炭素フラックス

多様な植生種の環境応答に関する統合的なデータベーの見積もりには、 衛星データと共に、 大気再解析データ

スが構築されており （テーマ 8 参照）、植生モデルにデーから供給される気象要素が入力値として必要になる。 陸タ同化技術を応用する環境は整いつつある。 まずは、域においても、 北極圏における大気再解析データには、

特定の植物種に関するモデルパラメータの最適化につい無視できない大きさの不確実性が含まれているために、て、 データ同化が有効であることを確認することから始め

その結果得られた炭素フラックスの精度も影響を受ける。

る。 そこで、 有効性が認められたならば、 多様な植物種

大気再解析データはフラックスタワーデータを入力値としと大気境界層の変動プロセスの最適化に特化した植生・て、 カルマンフィルター等のデータ同化技術により逐次

土壌 ・ 大気結合モデルに対するデータ同化に挑戦して修正できるため、 データ同化技術が PEM による大気－

いく。 この構想には、 観測網の充実化とデータセットの陸面炭素フラックス推定値の精度を向上させる可能性が整備、 植生モデルの適切な複雑さの調整、 および適切ある。

なパラメータ推定技術の選択が必要であるため、 現場
観測とモデル研究に精通した植生研究の専門家とデー
タ同化技術に精通した専門家との共同研究が必須であf. 北極圏陸域植生データ同化る。

北極圏では、 温暖化による気温上昇に伴って植生が活発になる場合もあるが、 凍土融解が土壌水分を減らして植生が衰退する所も見られる （テーマ 8 参照）。 その

g. 大気データ同化

結果として、 野生動物への影響に留まらず、 住民の生

北極海上の数値予報の進展は、 海氷減少に伴って活にも深刻な打撃が及ぶ （テーマ 7 参照）。 この様な気今後ニーズが高まると思われる。 これは、 北極航路上で候変動下における植生変動の地域的影響を評価するにの船舶の往来が増えるにつれて、 北極低気圧等の進路

は、 地形や土壌などの地域特性に依存する個別の植物

予報や海氷移流の予測が運航上の要となるからである。

種の分布変動まで予測することが求められている。 陸域

また、 極温暖化増幅下の中緯度における極端現象の頻

植生の生長と枯死は、 主に大気、 日照、 土壌水分など

発は、 社会的にもインパクトが大きい。 予測精度向上のに依存し、 最新の植生モデルではその依存関係は種毎

ためには、 データ同化技術を用いた数値予報におけるに異なる関数として記述されている。 これらの関数は、初期値改善に資する観測、 特にデータの取得場所や頻観測データに基づく経験則により構築されるため、 多く

度に関する予備調査が必要不可欠である。 ドイツは、の不確かなパラメータを含む。将来予測研究を行う場合、

特にこの活動に熱心で、 2012 年の海氷減少に大きく貢

このパラメータの不確実性をなるべく小さくする事が必要

献した北極低気圧に関して、 ドイツ砕氷船で取得したラである。

ジ オ ゾ ン デ デ ー タと日本 の デ ー タ 同 化 シ ス テム

データ同化技術で多くのパラメータの同時推定を行う

ALERA2 を用いた観測システム実験が進行中であり、場合、 観測データが不十分な状況では多数のパラメー

日本が当該分野の最前線で活躍し始めている。 この活

タが不定となる可能性が高くなる。 このため、 陸域植生

動は、 2018 ～ 2019 年に計画されている MOSAiC ＊データ同化研究の現状は、 パラメータの数を減らした生のパイロットスタディーとしても認識されており、 近未来の態系ボックスモデルにおいて、 正味の二酸化炭素交換、北極研究の根幹をなす分野であることは間違いない。

総一次生産、 日平均の総呼吸、 および炭素蓄積量の先行研究事例が示している北極圏における再現性にデータを同化することで、 ようやく広域植生総和の季節特化した北極圏領域大気モデルと対応する同化システムの開発は、 極域における観測網が整うに従い、 重要な

149

生産効率モデル ： production efﬁciency model （PEM）

課題となるであろう。 この場合、 領域モデルには全球大180気解析システムより境界条件を与え、 大気下部境界条る広域解析値が存在しない、 あるいはその利用が不可

件である海氷は大気海氷結合モデルとして同化システム

能な場合は、 広域解析システムを作成する事から始めに組み込む事が望ましい。 また、 Inoue et al, （2013）

る必要がある。 その際は、 ある一定時間内 （例 6 時間）が示した観測網解析が有効であることを、 海氷を含むで予報値を提供しなければならないという現業予報体制

観測網解析へと拡張し、 北極圏における大気状態推定

特有の時間制限を考慮し、 ナッジングや最適内挿法なに最適な観測システムに関する知見を得る事も重要な研

どの計算量が軽い同化手法を用いて広域解析システム

究課題である。

を構築する。 また、 北極航路域では、 沿岸域特有の定

近年の集中観測によるデータの蓄積が契機となり、 北着氷や低気圧発生に伴う波浪の影響についても認識し極大気下面境界層の構造に大きな影響を与える大気－ておく必要があり、 データの取得状況と合わせながら同

海氷界面フラックス評価におけるパラメタリゼーションス

化システムへの導入を準備しておくことも長期的に重要なキームが見直される動きがある。 例えば、 海氷域の表面課題と考えられる。

はリッジやフリーボードなどの影響を受けており、 主に密接度の関数として大気に対する粗度係数が異なる事がi. 北極海沿岸における波浪予報

近年取り上げられている。 また、 近年の温暖化傾向によ

海氷面積の減少と同時進行する低気圧現象の活発り面積が拡大している海氷面のメルトポンドが熱放射過化に伴い、 北極海沿岸地域では波浪現象の活発化が程に与える影響を考慮するため、 海氷面アルベドスキー

観測されている。 商業利用が進むと期待されている北極ムの見直しも進んでいる。 海氷面の物理状況の多くは、航路において、 正確な波浪情報が得られることは安全

衛星搭載センサによる観測が可能なため、 これら大気な航海を進めるために必須である。 波浪は氷縁分布を下面境界におけるパラメタリゼーションスキームの改良と決める重要な要因でもあるため、 その予測は氷縁域に共に、 データ同化システムによる粗度係数等パラメータ

おける海氷分布予測にも必要となる。 実際にノルウェーの最適化が大気循環モデルの性能向上に大きく貢献すの Mohn-Sverdrup Center ではこの動きにならったプ

ると期待される。

ロジェクト WIFAR ＊が進行中である。 また、 波浪に起因する海岸浸食が進む北極海沿岸に立地する集落に

h. 北極航路域における海氷及び表層海流短期予測

対し海岸線変遷の予測情報を提供するためにも、 現業

北極海の急激な海氷減少に伴い、 北極航路 （ロシ

波浪予報 ・ 予測システムの開発は必須である。 低中緯ア側の北東航路とカナダ側の北西航路） が利用され始度帯において、 データ同化システムによる波浪予報シスめている。 北極航路を通る船舶の安全運航を支援する

テムの運用は既に長い歴史があり、 北極海にこのシステには、 一週間程度先までの低気圧の経路、 波浪、 氷

ムを延長する事が必要と考えられる。

況を高精度に予測し、 それらの情報を船舶に提供する

日本では波浪研究に携わる海洋研究者が少なく、 波ことが必要である。 北極航路域の予測を高精度に行なう

浪データ同化研究についてはさらに経験が乏しいのがためには、 細かい空間スケールの海氷及び表層海流を現状である。 そのため、 北極海においてはまず日本の表現できる水平解像度が望まれる。 したがって、 データ研究機関による集中観測海域であるチャクチ海及びカ同化 ・ 短期予測システムのベースとなるモデルは、 北極

ナダ海盆沿岸等で、 モデル研究及びその観測データに

航路域に特化した高解像度の大気海氷海洋結合領域

よる検証を先行させ、 波浪予報のために必要な条件 （モモデルとし、 その境界条件として北極圏大気海氷海洋広デル精度、 初期値推定に必要な観測データセット等）

域モデルを用いた解析値を与えるために力学的ダウンスの精査を行う。 その後、 段階的にデータ同化技術に基ケーリング手法を採用することが望ましい。 境界値を与えづく予報システムの構築へと向かう必要がある。

北極圏データ同化研究の実現に向けた環境整備
前項において述べたデータ同化研究課題に取り掛り、どの様に整備するか、 また、 予想される技術課題にどの様に対応するかの 3 点に絞り議論する。

遂行するには、 日本国内の環境整備も重要な課題である。 ここでは特に、 限られた人的資源をいかに有効に活

データ同化研究の実績が非常に少ない日本の北極研用するか、 データ同化研究の基盤である観測データを究コミュニティは、 同化技術の開発を行っている拠点機181

関と緊密な連携を図りアドバイスを適時受け、 北極圏をは個別の研究機関、 研究者がその研究資産として管理対象としたモデルを同化システムへ実装していく必要があしている場合が多く、 これらを引き出してデータ同化に活る。 将来の様々な応用を視野に入れた場合、 複数の同用するための個別の関係構築が不可欠である。 この点化技術を並行的に実装していくことが望ましいが、 国内に留意し、 データ同化と観測コミュニティの相互連携のの人的資源の制約を考えると困難な課題である。 そこで、枠組みを構築する必要がある。

それぞれの応用課題ごとに適切な同化技術の絞り込み

データ同化研究共通の問題として、 観測データ誤差

を行い、人的資源を集中的に投入する必要がある。 また、（測器誤差と時空間代表性誤差） 評価がある。 同化シ

既に同化研究に実績を持つ大気及び海洋データ同化

ステムの挙動に大きな影響を与える要素にも関わらず、研究コミュニティが、 ワークショップやサマースクールの開同化される観測データの誤差評価が十分に行われてこ催を通して、 他分野への同化技術の普及を支援する事なかった。 この状況が残されたのは、 データの不確実も重要であろう。

性評価は当該データ毎に行う必要があり、 分野横断的

北極圏でのデータ同化に利用可能な観測データの種なメリットが乏しいためである。 しかし、 データの不確実類は多岐にわたるため、 これらの集積 ・ アーカイブ化を性評価はデータ同化の核をなす重要な技術課題であり、データ同化のためだけに行うのは現実的でない。 そこで、今後精力的に取り組む必要がある。 特に、 複数種類のデータの集積には既存のアーカイブシステムを利用し、観測量を同化する場合には、 それぞれの観測量の相対観測データの蓄積に対してデータ同化コミュニティ側から的な不確実性評価が重要となる。 実際の適用場面にお積極的に提言を行っていくという方策を採る。 具体的にいて難しいのは、 測器誤差よりも時空間代表性誤差のは、 蓄積すべきデータの種類、 記録形式、 利用のため評価なので、 観測データに対応するモデル出力値の検のインターフェイスの実装方法等について、 同化コミュニ定を通して、 代表性誤差の統計情報を提供できるような

ティ側の要請を明確に伝え、 観測コミュニティへ対しても観測計画の立案を積極的に提言していく必要がある。

積極的な参加を呼びかける。 一方で、 現場観測データ

Update 2018 15

大気海氷海洋結合システムのデータ同化研究に挑戦
海氷が部分的に覆っている海面は、風によって海氷分布が変わりやすく、また大気が海面を通して受ける熱輸送は海氷分布に依存するので、低気圧の発達などに影響を及ぼす。温暖化の進行によって、このよ
うな大気海洋相互作用は重要になりつつある。1 週間程度の海氷分布予測をする場合に、北極海では気象観測データが少ないので、精度を上げることが難しい。ラジオゾンデのデータを用いて大気の総観規模擾
乱を予測する試みが成果を上げており（Inoue et al., 2015）、天気予報の成功によって海氷分布の予測も向上することが示されている（Ono et al., 2016）。海洋・海氷モデルに対して、海氷密接度データを同化する際に海上気温を含めた修正を行うことで、熱力学的に整合した海氷分布を求めることができた（Toyoda et al., 2016）。また、最近の全球海洋再解析の相互比較プロジェクトにおいても、多くの再解析で海氷データが用いられている（Chevallier et al., 2017）ので、次の挑戦は大気海氷海洋結合システムに大気、海氷、海洋のデータを同化して、予報精度を高めることであろう。

182

表 3 用語解説集

183

184

185

9 章 研究基盤の整備
これまで記述した諸研究テーマの遂行には、様々なュニティーとして準備するのが適当と考える、いわゆる仕組みや設備が必要であり、各テーマで一定の記述が研究基盤に相当するものを整理した。

なされている。それらの中で、共通性が高く、国内のコミ

砕氷観測船
砕氷船に想定される利用目的は、物資輸送から海底極研究の推進のためには、現場データや試料を取得し資源探査に至るまで多岐にわたる。この節では、海洋ていくための砕氷船という観測基盤整備が最も重要な底の探査を含む極域大気海洋研究に根差した「研究専のである。

用砕氷船」とも呼ぶべき観測基盤の必要性について記

これまでの日本の北極海観測は、自国耐氷船か他国述する（本稿では便宜上、これを砕氷船と呼ぶ）。

砕氷船を利用して行われ、それぞれに観測時期、海全球気候システムを理解する上で、北極海の海氷変域、人員、予算等の制約の中で実施されてきた。特に、動メカニズムの解明は喫緊の課題であり、北極海氷の他国砕氷船の利用は、各国の政治的動向による自国将来予測の精度向上には不可欠である。これまで、海観測計画への干渉のリスクを常に保有するだけでなく、

氷激減は、海洋温暖化が著しい太平洋側北極海で主観測機材およびサンプルの輸送（輸出入）等の無視でに観測されてきたが、現在では北極海全域で季節海氷きない問題を持つ。これは特に、現場分析や実験等が域化が進行している。一般に、氷縁を含む季節海氷域

必要な化学および生物分野の研究にとっては、研究対では、大気－海洋間の熱交換、海氷や高密度水による象やデータ数を制限する大きな阻害要因となってきた。

物質の輸送、植物プランクトンによる生物生産などが活

一方で、砕氷船を擁する各国は既に観測研究体制を整発であり、河川水の流入による影響も受ける場合があえ、精力的に研究を実施している。このままでは、近年

り、物理的にも生物地球化学的にも興味深い現象が多の地球システム変化の理解に最も重要なエリアの研究く存在する。これらの現象のメカニズムを理解することな推進において、日本が大きな遅れを取る事になる。今く、海氷減少に伴う大気海洋循環や気候変動への影

後、日本独自の北極研究を発展させるためには、観測

響、物質循環や海洋生態系の応答を予測することは不期間・海域を柔軟に設定できる自国砕氷船を保有し、可能である。現場における諸現象の理解のためには、

自国砕氷船をプラットフォームとして現場観測（氷上も大気－海氷－海洋の熱収支や生態系および物質循環含む）、有人観測ステーション、無人観測（AUV 等）を、を視点としたプロセス研究が必須であり、全季節をカバ越冬も含めて季節を問わずに展開できる体制を整える

ーした現場におけるデータの取得が不可欠となる。さら必要がある。

に、温暖化が進行した北極海や氷床の状況を予測する

氷縁を含む季節海氷域での重点観測は他国の実績上では、現在と顕著に異なる気候状態における北極海を見てもあまりなされていない。北極海、南極海のみなの海氷分布や氷床末端位置を復元し、それらの変動メ

らず、季節海氷域であるオホーツク海、ベーリング海にカニズムを理解することが重要である。

おいて分野をまたいだ研究を数多く実施してきた日本

これを実施するには、北極海の海底地形の探査によには、独自の砕氷船運用による独創性のある観測研究

り、海底における侵食と堆積の状況を把握し、堆積物をを行うことで、さらなるプロセス解明を行う余地が多分に広範囲に採取することが不可欠である。加えて、より長ある。また、既存の耐氷船との併用は、海氷域、氷縁

期的な変動を理解するには、現在海洋底が拡大してい域、開水面域における結氷のプレコンディションを面的るガッケル海嶺等のテクトニクスおよび、北極海の形成に捉える観測や、通年の大気－海氷－海洋熱収支観

過程や地球内部構造等の解明が必要となり、堆積物等測を可能にする。また、IODP 等で実施に向けて議論さの古環境・古気候研究と合わせた、固体地球変動と表れている国際的な北極海研究掘削においても、事前調

層環境の相互作用とを理解する必要がある。つまり、北査や掘削研究等の面で、日本が大きな役割を担う事が186
5期待される事も、独自の砕氷船を保有する大きな意味

能かつ多数のセンサを搭載可能な AUV、試料採取もの一つとなる。砕氷船の保有が、日本の北極研究の可可能な ROV、長尺大口径ピストンコアラー、舷側からコ能性を飛躍的に広げることは明白である。自国砕氷船

アラーを投下するための大型クレーン、海底地形調査を持つことの各種観測活動における具体的な意義につに使用するマルチビーム測深器、地層探査に使用する

いて、表 4 にまとめた。

サブボトムプロファイラー、テクトニクスや地球内部構造

日本独自の砕氷船が建造された場合に想定される運推定に使用する重力計や磁力計等の設置が望まれる。

航海域としては、海氷が存在する北極海、南極海、オホ

また、ムーンプールからより長い堆積物採取を可能にすーツク海の全てが候補として挙げられる。ただ、現実にる海底鎮座型掘削装置による掘削が可能な事、および多年氷域を航行するにはそれに応じたスペックが必要

必要に応じて反射および屈折による地震探査装置等がである。我が国独自の北極研究を展開するには、砕氷搭載できる事等も望まれる。

船の運用目的はあくまで学術研究に特化したものでな

日本が砕氷観測船を保有することで、日本独自のミッければならないが、各種社会的要請にも柔軟に応じる

ション型の研究が実施可能になる。例えば、重点海域を運用体制の構築が必要であろう。さらに、砕氷船を継続設定した特定のプロセスの理解を狙った観測研究の実的に運航するための人員、設備、運航組織の構築など施が可能になる。また、プラットフォームを基にしたプロも視野に入れる必要がある。早ければ 2030 年代にはジェクトなどで、多分野（大気－海氷－海洋－古海洋－

北極海で夏季の海氷が消失することが予測されている

古気候－古環境－固体地球物理、生物－物理－化

が、冬も含めて通年で北極海に海氷が存在しなくなる学）の日本人研究者のさらなる極域研究への参画と学可能性は極めて低く、今後砕氷船の需要がなくなる状

際的な極域研究の発展が見込まれる。そして、国境にと況は考えにくい。単なる砕氷船ではなく「研究専用砕氷らわれない観測計画を国際協力のもとに提案可能にな船」として実体のある研究を行うには、ムーンプール、運る。既存の観測研究船と同様に、外国人の乗船希望者

航計画立案のための衛星データ受信システム、CTD 観を受け入れる体制を整えておけば、国際共同研究が促測システム・格納設備、A フレーム、多目的ケーブル搭進されると共に、世界と対等に研究を展開する事が可載ウィンチ、ラジオゾンデ自動放球装置、化学・生物・地能となる。観測研究者や観測技術者の教育のみなら

質各種分析・実験室（低温室含む）、同階層に実験室ず、航海士等の氷海操船技術向上も含めた、幅広い教等を持つ低・広・長の上方開放型観測舷、船上での機育効果も大いに期待される。

器整備機能を備えた工作室、海氷下を長期間航行可

表4

大気観測

海洋・海氷観測

生態系観測

固体地球・古環境・古気候調査

自国砕氷船を持つことの各種観測活動における具体的な意義

海氷上の高層気象観測による、中高緯度における天気予報の精度の向上
北極航路上の船舶運航の気象情報提供
MOSAiC 等の大型国際プロジェクト立ち上げのためのフラッグシップ
観測時期及び海域の選択に関する自由度（柔軟性）の飛躍的な向上
氷上通年観測の実施（冬季海氷域の観測の重要性）
海氷生成・融解期の物理・化学過程の現場観測の実現（氷上での越冬観測を含む）
海氷消失域との同期観測の実現（既存の耐氷船と連携）
海氷結合モデルの再現性の向上（航路予測にも不可欠）
表層から底層まで、氷の存在に影響されない生物観測の実現
通年の海洋生態系観測体制の確立（現状の各国砕氷船相乗り体制では不可能）
海洋生態系観測拠点の確立
過去の海氷分布・氷床分布の復元精度の向上
海底地形図の精度の向上
海氷下海底拡大軸上の熱水系の探査
北極海海底下内部構造の推定
古環境・古気候研究の進展と将来の大規模掘削へ向けた事前調査
北極海形成過程の推定

187
6

衛星観測
（89GHz で 3～5km）を 2 倍にするといった技術的革新

衛星は環境モニタリングだけでなく様々な目的で用いられており、また環境研究のために様々な衛星ミッシによる高解像度化とセンサの継続が望まれる。

ョンが実施されてきたし、近い将来にも計画されている。

さらに、氷の質量変動をモニタリングするには、日本

この節では、特に下部成層圏に関する衛星ミッションに独自のレーザー・レーダー高度計が必須である。現在、ついて記述する。

観 測 を 続 け て い る Cryosat-2 に 加 え て 、 米 国 は

気候変動の影響を鋭敏に受ける北極圏の環境変動

ICESat-2 を打ち上げ予定であるが、高度計の最大のは、海氷、積雪や氷河の減少から生態系の変動まで

欠点は空間方向にデータが粗であるために、氷質量の様々な時空間スケールで発生し、また、それらの変動が小規模変動を分解できないことにある。日本独自の高地球気候システムに影響を及ぼす。遠隔地かつアクセ度計と他国の高度計の協力による、シームレスかつ高スが困難で、事象の時空間スケールが大きい北極圏で解像度な合成高度データの取得は、氷河・氷床、海は、同時的、継続的に面的な観測を行える衛星観測網

氷、積雪の質量変動モニタリングを介して、地球規模でが有用であることは言うまでもない。また、現場観測のス

おきる水循環変動の研究に多いに寄与するものであ

ケールアップおよびバックアップ、モデリング研究との親る。加えて、氷河・氷床の変動監視には、光学・合成開和性の高さから、衛星観測網は今後の北極環境研究の口レーダー（SAR）の整備も不可欠である。たとえば、高発展的展開において必須の基盤である。加えて、地球

解 像 度 の 可 視 ス テ レ オ ペ ア 画 像 は 、 精 密 DEM

温暖化とその気候変動への影響に関する研究をリード（digital elevation mode)に基づいた氷体積の変動測してきた日本にとって、もはや責務といえる「地球環境の定に大きな成果が期待できる。したがって、

変動・変化を明らかにするための Climate Record ともALOS/PRISM 後継機の開発と打ち上げが急務であ呼ぶべき長期データの作成」に、衛星観測網は大いにる。また、光学センサ・SAR による氷流動速度の測定資するものである。以下には、北極の地球気候システム

は、氷河・氷床変動のモニタリングに必須である。

研究のみならず、Future Earth 計画が掲げる社会の2014 年に打ち上げられた ALOS-2 に搭載された

課題解決という面において、日本が貢献するべき衛星

PALSAR-2（L バンド SAR）は、他国の SAR 衛星とは観測網の基盤整備に関して詳述する。

異なるユニークなもので、氷河・氷床モニターにとっても日本は、これまでも衛星観測網において大きく貢献し極めて有用である。実際、ALOS/PALSAR は南極大ており、その代表例が AMSR シリーズである。世界最高

陸の流動速度分布の取得において主要な役割を果たの 性 能 を 誇 る 日 本 の マ イ ク ロ 波 放 射 計 （ AMSR 、しており、ALOS-2 データも世界の氷河研究者から期待

AMSR-E、AMSR2）は、米国の SMMR、SSMI シリー

されている。今後も国産衛星による高時空間解像度のズを引き継ぎ、北極圏における海氷・積雪・氷河氷床モ

データ取得が望まれる。また、250 m 解像度で高頻度

ニタリングを継続している。地球表面における“氷”の変に全球を観測可能な光学センサ（波長帯：可視～熱赤化のモニタリングは、氷そのものの特性（面積、体積、移外に 19 チャンネル）による積雪物理量やアルベドの測動速度）に関する研究だけでなく、地表面－大気間に定も、温暖化に伴い急変しつつある両極並びにヒマラヤ

おける熱収支・水収支変動や生態系変動の研究に必域の積雪涵養・消耗プロセスの解明に大変重要であ要不可欠である。現在、他国が新規マイクロ波放射計

る。2017 年度に日本が打ち上げた GCOM-C1/SGLIの開発を殆ど行っていない状況下で、その観測の継続

は、全球の積雪域の面的・質的な変動を観測し、数値において日本の役割は極めて大きい。また、SSMI シリ

気候モデルの陸面過程の改良に貢献するものと期待さーズに比して、AMSR シリーズは飛躍的に空間解像度れている。さらに、近年 GRACE 衛星によって大きな成を向上させ、極域研究に多大なるインパクトを与えてき果を挙げている衛星重力測定についても、国内での開た。極域の変動を精確に解析するには、より高い空間発検討を進めるべきであろう。

分解能が必要であり、また、北極航路の日単位モニタリ

北極圏の気候システム形成の解明には、地球放射収

ン グ を 行 う 上 で も 、 現 状 の AMSR2 の 空 間 解 像 度

支と水循環に大きく関与する雲の高精度の観測とエア

188
7

ロゾルの観測も重要となる。静止衛星を中心に利用するに実施した。

ISCCP や AQUA 衛星に搭載された MODIS センサ等

2019 年度に打ち上げ予定の日欧共同ミッションであ受動型衛星による観測が行われており、全球観測としてる EarthCARE 衛星は、 初のドップラー雲レーダー

は、気候モデルの検証と改良にも一定の成果を挙げて（CPR)と高分解能ライダー（ATLID)、多波長イメージャ

きた。しかし、極域においては地表面アルベドの問題等ー（MSI)、そして広帯域放射収支（BBR）の合計 4 つの受動型センサ特有の問題によって雲量等の巨視的なセンサを搭載する予定である。 EarthCARE の雲レー

物理量に対しても雲観測精度には限界があった。これ

ダーは、CloudSat よりレーダー反射因子で約 7dB のらの限界を克服するため、2006 年よりアメリカを中心と高感度化とドップラー機能を実現し、ATLID の高分解した雲レーダーを搭載した雲観測衛星 CloudSat と、ラ能ライダー機能と共に、雲微物理特性抽出や鉛直流やイダーを搭載した CALIPSO 衛星が観測を開始した。こ雲粒子落下速度等新たな物理量抽出へと道を拓くと期

れらの衛星は、他の Aqua 衛星等とともに、A-Train と待されている。この EarthCARE 衛星の重要な地上検いう同じ軌道上をわずかな時間のずれで観測するという証サイトとしても、国立極地研究所のニーオルスン基地

コンセプトで運用されており、このため複数の衛星を組

における地上観測網は重要な役割を担うと期待されてみ合わせて利用した解析を実施しやすいという特徴をいる。

持つ。CloudSat 衛星では 94GHz 帯の雲レーダーを搭

一方で、地球温暖化に伴う炭素循環・生態系変動の載しレーダー反射因子の観測が可能であり、雲と降水

モニタリングも欠かせない。これらのモニタリングは、米の鉛直分布を水平と鉛直方向にそれぞれ 1.1km、 鉛

国の MODIS、SPOT Vegetation や VIIRS に代表さ直 240m 毎にデータを提供する。CALIPSO に搭載される可視（近赤外・熱赤外）域センサで行われている。これたライダーは、可視と近赤外波長の 2 波長を持ち、可れらのセンサは、大気に関する特性（雲、エアロゾルな視波長では偏光特性も取得可能であり、水平と鉛直はど）も観測し、放射フラックスや放射強制力の研究に利下層と上層で異なるが、もっとも細かい場合では水平と用されるだけでなく、可視域センサの精度を決める重要

鉛直方向に、それぞれ 330m、30ｍ毎にデータが提供

なプロダクトである。上記の可視域センサにより、陸域でされている。 両方のセンサでは雲を観測することが可

は、葉面積指数（単位土地面積あたりに存在する緑葉能で、これらのデータ解析から、従来できなかった雲のの片面の総面積）の地理的分布と変化、春から秋まで

多重層の巨視的情報や、鉛直層ごとの氷か水の相状態の成長季（growing season）の推定が可能になり、炭に関する情報を得る事ができるようになった。また、

素循環の理解に重要な年間の生産量の把握ができる。

CloudSat と CALIPSO を複合利用することで、雲の放さらに、推定された植物の季節性などからは、各地域の射収支や水収支に対する影響評価の定量的な把握に植生の群系や植生機能型 150 の分布の推定も可能とな不可欠な、雲微物理特性を求めることが可能となった。

る。また、前述の ALOS に搭載された AVNIR-2 とCALIPSO のライダーに関しても、2 波長の後方散乱

PALSAR は森林伐採をはじめとする土地被覆変化の特性や偏光解消度から、エアロゾルの種類ごとの消散研究や炭素循環中のカーボンストックの一つである森係数を求めることが可能となっており、ライダーのアルベ

林バイオマスの推定研究を発展させてきた。同様に海ドによらない観測の特性を生かして、海陸両方で高精域でも、深度方向観測の制約はあるものの、可視域（海度のエアロゾル特性の抽出が可能となっている。これら

色）センサは生態系モニタリングに必須な「生物情報」をの衛星は極軌道であり、観測時刻は固定されている。こ

取得可能な唯一の衛星センサであり、クロロフィル a バのため日変化やより詳細な情報を得るためには、地上

イオマス・純一次生産量だけでなく、海洋植物プランクト

における能動型測器による雲とエアロゾル観測が重要とングループ組成151変動の研究に大きく寄与している。さなる。国立極地研究所は、ニーオルスンで、従来よりラらに、光学モデルの発達により、北極海において高濃イダー観測を実施してきたが、これに加えて、95GHz 帯度で存在し炭素プールの一つとして重要な有色溶存有のドップラー機能を有する雲レーダーを配備した観測を機物（CDOM）の推定と研究が発展してきた。しかし、2013 年度より開始した。GRENE プロジェクトでも、これ150

植生機能型： Plant Functional Type（PFT）
海洋植物プランクトングループ組成： Phytoplankton
Functional Types（PFTs）

らの地上観測を取り込んだ集中観測を 2014 年度夏季

151

189
8

現状では米国のセンサに依存しており、即時性、独自

同じ設計思想に基づく衛星観測が長期にわたり続くこと性で遅れをとっている。日本の北極研究におる分野間が必須である。また、以上に述べた地球観測衛星以外

連携体制の構築とその強化において、過去の ADEOSに、ARGOS に代表されるトラッキング・モニタリング衛シリーズで培った技術を活かし、日本独自の可視域−熱星やイリジウムなどの通信衛星は、北極における移動赤外センサを開発してモニタリングを継続することが必

体、ブイによる遠隔観測やリアルタイムな情報収集、発要である。日本では上述の GCOM-C1/ SGLI が打ち

信に必須の基盤である。しかし、その利用に際して、研上げられ、陸域・海洋（特に、沿岸域・氷縁域）における究者各人が契約手続きや高額な利用料等、様々なコス

生態系変動研究への寄与が期待される。

トを払っているのが現状である。今後は、それらの窓口

日本の北極研究では、すでに多岐にわたって衛星観を一本化することにより、経済的・時間的コスト削減を図

測を利用する土壌が醸成されており、今後は高感度・高ることが望まれる。また、このコスト削減は、

解像度・多波長といったセンサの高度化が望まれる。しRADARSAT など地球観測を目的とした商業衛星のデかし、統計的有意性を伴った議論を可能にするには、ータを購入する場合でも同様である。

航空機
航空機観測は地球科学の広い分野にわたり、きわめ

り、現在ドイツのアルフレッド・ウェゲナー極地海洋研究て有効な観測手段の一つである。特に、大気科学にお所が航続距離の長いバスラーターボ型の Polar-5 といては直接観測として、また、植生、氷厚、重力場、地Polar-6 の 2 機を所有し、春季の北極海において形等の研究分野では、上空からのリモートセンシング観

EM-BIRD による広域観測を実施している。
氷床の内部 3 次元構造、基盤地形は、氷床流動のメ測として、必要不可欠な観測手段である。
大気科学では、地上観測は固定点での観測であり、カニズムを探る上で重要な情報を提供することになる

船舶観測が平面的であるのに対して、航空機は 3 次元が、そのアイスレーダーによる電波探査は、人工衛星で的空間での観測が可能なことから、大気構造の立体的は無理で、航空機によらねばならない。

詳細観測に有利である。航空機観測といえば固定翼がまた、北極域での航空機による磁気・重力測定やレ主流であるが、回転翼いわゆるヘリコプターも含まれる。

ーザー測量といった、固体地球科学に関する観測は、

しかし、ヘリコプターは観測すべき大気場そのものを乱

ドイツをはじめカナダやデンマーク等の国々で実施されす可能性があることから遠隔観測に限られることが多い。

ている。これらの観測も、回転翼と固定翼航空機の両方

航空機を飛翔体の一つと考えた場合、他に、飛行船やで実施可能であり、今後は回転翼航空機を使用した高自由気球、係留気球を用いた観測も有効であり、それぞ

空間分解能のデータ取得が望まれる。さらに、北極圏れの用途に応じて使い分けられる。近年、グライダー（動はアクセスの困難さから、南極とならんで野外調査デー

力を持たない滑空機）の利用も進められている。

タの乏しい地域となっている事から、地形地質や測地等

航空機観測においても研究のためには最先端の装の現地調査を可能にする、回転翼航空機等の活用も期備が要求される。大気観測機器としては、微量気体、エ待される。

アロゾル、雲粒子等の直接測定機器やサンプリング手

欧米では大学や公立研究所等の研究機関が独自に法の開発、およびレーダー・ライダーを中心とする遠隔観測専用機を所有、運用することはごく一般的に行わ測定機器の開発、整備も強く望まれるとともに、空間的れているが、日本ではそのような状況には至らなかっに密な大気観測を可能にするようなドロップゾンデシス

た。かつて唯一、国立極地研究所が南極での運用のた

テム等の整備も重要である。その際、機器の小型・軽量

めに単発航空機を所有し大気観測にも用いられたが、化、省電力化は常に重要な課題である。

その運用もすでに終了して久しい。それ以外、日本の海氷観測機器については、曳航式の電磁誘導式氷研究機関による大気観測はすべて民間航空機を借用

厚計（EM-BIRD）による氷厚測定や 3 次元レーザースする形で実施されてきた。このことが、日本の航空機観

キャナーによるラフネス測定等が期待されている。これ

測が発展せず、欧米諸国に比して航空機用観測機器

らの装置は回転翼と固定翼の両方で運用が可能であの開発が著しく遅れたことの一因とも言われる。そのた190
9

め、今後日本でも独自に観測専用航空機を所有し運用

その近くに運用基地を設けることが必要になるであろう

する体制が強く望まれる。その際、観測に用いられる航北極域では、無人航空機の利用も有効であると思わ

空機は観測高度、速度、飛行距離によって使い分けられる。特に、極域で特徴的な混相雲を対象とする航空れる必要があるため、飛行性能の異なる複数機の運用

機観測では過冷却水滴の着氷により雲内飛行の危険も必要となるであろう。このような体制作りにおいては、性が増すことから、安全性の面からも無人航空機は極航空機観測の経験豊富な欧米諸国との国際協力も不めて有用である。近年、無人航空機は大気観測でも広可欠である。広い極域をカバーするには航空機ネットワ

くも用いられるようになってきており、日本でもそのノウハークが重要な役割を果たす。また、北極は日本から遠ウが蓄積されつつあることから、今後、この分野のさらな隔の地であるので、航空機の運用には北極圏あるいはる発展を期待したい。

海外の研究・観測拠点
a. はじめに(1) 観測拠点（Observation base）

北極域の環境は、気候に対し敏速に反応する要素

観測に関する共同研究を実施できる施設であり、以（例えば、植生、海氷、氷河）と緩慢に反応する要素（例

下の性格を持つ。

えば、永久凍土、氷床）が複雑に絡み合って成り立って① 2カ国（ないしそれ以上）が共同で形成し、協定をもいる。北極域環境の理解にはこれら諸要素の動態を個とに運営し、協定に基づき機材の持ち込み、試料・観測

別に長期観測するだけでなく、要素間での相互作用シ

資料・データの確保や持ち出しが可能である。

ステムを紐解くためのプロセス研究や、影響評価のため② 作業空間、現地管理者・研究者が配置され、現地滞の実験的観測も求められる。さらに、広域的な環境変化

在し研究・観測を実施する日本研究者等の研究・観測を理解していくための国際的な協力体制も構築していに協力する。

かねばならない。

観測拠点の種類としては、次の 2 種類に分類できる。

このような多様な観測活動は、北極域における環境（a）スーパーサイト（integrated site）：多様な分野から研究の一つの重要な基盤といえる。基盤構築にむけてなる持続的観測を実施することが可能で、一定の観測

日本の研究者コミュニティは、国際的な方向性や役割

基準に基づいて行う設備が揃っている拠点。衛星やモ分担を強く意識したうえで拠点を設立、整備し、持続的デルの較正や検証に有効なサイトとなる。人員の訓練もに維持していかねばならない。また、北極域における日含め、長期に維持管理する体制が必要。

本の観測は殆どの場合他国における活動であることか（b）レファレンスサイト（reference site）：特定分野の研ら、国際的な趨勢への対応に加え当事国の利益、意向究について、それらに適合した地点（地域）で一定の観も汲んで実施されることが重要である。

測基準に基づく持続的観測を行うサイト。長期に維持管

日本の研究者コミュニティはこれまでも、北極域にて理する体制が必要。

様々な観測活動を行い、そのための拠点を築いてき(2) 研究拠点（Research base）

た。しかし一方で、個々の研究者が関心をもつ事象に応じて、観測対象とされる空間・時間規模は渾然として

上記観測拠点の性格に加え、以下の性格を持つ。

いた。ここでは、これらをおもに運営体制や機能、時空① 現地国および日本の人材育成、相互の研究交流、間規模などの視点から整理、分類したうえで、近年の国共同解析の場である。

際的な協働観測の趨勢も踏まえつつ、今後の発展につ② 付近に観測拠点、広域観測網が存在する。

いて記述する。

(3) 広域観測① 移動観測（periodic observation）

b. 観測・研究施設の分類

特定の分野の要素に関して、特定地域、特定時期に繰

拠点を研究拠点と観測拠点とに分類した。加えて広り返し行う観測。主として長期にわたるものを指す。これ域を対象とした観測の機能、対象についても述べる。

191
10

には、陸域に関する観測のみならず、陸上の観測拠点

水文、雪氷等の陸上観測を行なっている中心的な場所を起点とした沿岸の海洋観測もある。

であり、そこを起点にして北極海沿岸や広域に観測点② 観測網（ネットワーク）（network observation）

を展開している。1997年以降タワー観測を実施し、現一定地域にて特定分野の観測を多数（一般的に 10 以

在ではオランダも関与し、GRENE でも新たな研究者が上か）地点で長期的に行う観測。観測形態としては、機参加している。WMO/GCW（全球雪氷圏観測計画）の器を設置し時間的に連続した自動観測や、マニュアル

initial reference site となっている上、INTERACT

観測など多様である。この例としては、凍土観測網や氷の地点にもなっている。ティクシ等、北極海沿岸に展開

河地震観測ネットワークが挙げられている。

する複数のフィールドステーションを共同利用する場合の拠点ともなる。

これら広域観測は、研究拠点ないし観測拠点をベー③ アラスカ・フェアバンクス

スにして実施するケースが多いと考えられる。IASOA

1997 年以来、JAXA および JAMSTEC が、フェアバ（国際北極大気観測システム）という北極圏全体のネット

ンクスのアラスカ大学・IARC を拠点に共同研究を実施

ワークもあることも指摘しておく。

してきた。現在、両日本機関の関わりは縮小方向にある

c. 観測拠点等の候補と運営

が、観測拠点・移動広域観測を含め人材育成などの実(1) 観測拠点・研究拠点候補

績が多い研究拠点の性格があり、今後も研究拠点とし

表 5 に観測拠点候補を研究分野別に整理するとともての性格を維持すべきであろう。

に、上記の拠点・観測の分類を行い、観測の現状を備

さらに、新しく利用が始まった地点として、カナダ北極考欄に記した。また、各拠点がどの研究テーマに関係

圏 の ケ ン ブ リ ッ ジ ベ イ の CHARS(Canadian Highする拠点であるかも示した。図 65 は、これらの位置を示

Arctic Research Station)、ロシアのセーベルナヤゼ

した地図で、四角で示した範囲は、遠い将来考えうる拡

ムリャのバラノバ基地などがあげられる。大気、ツンドラ、

張候補領域である。表 6 に分野別の観測項目等を示し

雪氷観測のほか、海洋への観測アクセス性が高い。

た。国際動向や期待される国際分担を考慮した上で、日本が進める重点プロジェクトによって、これら拠点の(2) 観測拠点等の運営

充実・発展の優先順位を決めることになろう。

研究拠点および観測拠点で長期的・大規模な拠点

これらの内、現在でも研究拠点に近い性格を有するは、国内のしかるべき中核機関がその基本部分を担当

地点、あるいは要望がある地点は、以下の拠点である。

し、それ以外は、各プロジェクトで対応するのが適当で① スバールバル・ニーオルスン他ある。

ノルウェー極地研究所が主催し、多くの国が参加する

また、陸域において近隣に他国、現地国の他の観測

国際共同観測基地であり、国立極地研究所が 1991 年

点がある場合には、日本が関係する研究拠点、観測拠

以来拠点を設置している。多分野の研究が行われた

点を中心に、ある広がりを持った国際レベルでの「特定が、現在は、温室効果気体モニタリング、雲・エアロゾル

観測地域」なる概念も必要である。

観測、雪氷サンプリング、ツンドラ生態系長期監視活

これら研究拠点、観測拠点は、以下に留意し運営す

動、環北極大気循環の定点観測点、超高層大気観測る必要がある。

などを実施している。国際共同活動の拠点として機能し1）研究の効率、利用者の便宜の点から同一機関が維ており、この拠点を維持・発展させることが、わが国の責持・運営に当たることが好ましい。

務を果たす上にもプレゼンスを高める上にも必須であろ

2）長期観測が重要であるため、基本運営費は競争的う。SIOS（スバールバル統合観測システム）により国際資金ではなく特定機関の運営交付金でまかない、安共同研究もこれから強化される予定であり、日本の基地定していることが望ましい。

機能拡充が重要なプレゼンスとなる。

3）観測拠点等での各分野の観測項目に基準を設けデ② 東シベリア・ヤクーツク

ータを高度化する必要がある。

JAMSTEC(海洋研究開発機構)、北海道大学、名古

4）各拠点で、研究者間の相互乗り入れがしやすいよう屋大学等が1990年以来、植生、凍土、温室効果気体、な仕組みにする。

192
11

表5

研究拠点等の現況と候補地

地域： ①：北極海域、②ユーラシア、③北米大陸、④：グリーンランド
現在の活動の有無： ○：日本活動あり ●：要望あり
拠点の種別： A：研究拠点、B-1：観測拠点（スーパーサイト）、B-2：観測拠点（レファレンス・サイト）、C：移動観測、D：ネットワーク
テーマ番号： 1～12、本文のテーマ番号に相当

図 65 観測地点等の位置

193
12

表6

観測拠点に必要な分野別の観測項目、設備と体制

データおよびサンプルのアーカイブシステム
a. 背景

おり、整備の優先度は高いと考えられる。デジタルデー

北極圏では温暖化によって様々な変化が起こっていタ、サンプルに共通して、自前でアーカイブのシステムる。これまでの研究で、北極海の海氷面積の減少、シベを持ってデータを管理し、研究者の相互利用を促進し、リア域での地温の上昇、永久凍土融解、河川流出量の新たな研究につながるようなシステムを持つことが研究

増加、積雪面積の減少等が明らかになってきた。また、の地力を高めることにつながると考えられる。

これらの変化に伴う生態系及び人間活動への影響も懸

b. データのアーカイブ

念されている。北極圏の環境変化の実態とそのメカニズ

日本のデータアーカイブとしては、現状を踏まえて特ムは、いまだ解明されていない部分も多くあり、実態把握および、メカニズムの解明が求められている。これまでに重要と思われる提言を以下に整理する。

の研究は、大気、海洋、陸域の分野ごとに独立に進めら(1) 安定なデータアーカイブれてきたが、北極圏は大気―海洋―陸面―雪氷からな

データアーカイブは当然のことであるが、安定なシスるシステムであり、それらのシステムはそれぞれ時間スケ

テムであることは最低限求められる条件である。ここでール、及び空間スケールの異なる現象を含む。これらの「安定」であるとは、データの冗長性が確保される（バッ異なる時空間スケールでの変動、および異なる分野のクアップがある）ことだけではなく、アーカイブが長期間変動が複雑に絡み合う北極圏の環境変動を明らかにすにわたって維持されることである。特に、研究プロジェク

るには、これら複数分野にまたがる観測データや研究結トの採否などに左右されないことは、データアーカイブ

果を集積した統合データセットを用いた、新たなプロセの信頼性を確保する上では重要であり、時限のある短スの理解、メカニズムの解明が求められている。データ

期のプロジェクトではなく、原則として恒久的な研究機

およびサンプルのアーカイブシステムの整備は、ほぼす関などによって維持されるべき性質のものである。

べての研究課題において重要な研究基盤と見做されて

194
13

(2) データアーカイブの利便性

作業をする必要がある。

データアーカイブシステムは、データの提供側と利用(5) データの公開・流通側の双方にとって可能な限り使いやすいシステムである必要がある。データアーカイブシステムは、データ提供

この数年、各データセンターでは、データセットの恒者以外の研究者から広く利用されるところに存在意義

久的なリンクを保証するために各データセットの DOI のがあり、利用側にとってデータの閲覧、アクセスが容易付与が進んでいる。DOI はデジタル化されたコンテンツであることが重要である。このために、検索サービスのを識別する文字列であり、データの流通性や活用度の充実とデータクイックルックの整備はアーカイブシステム

向上、かつ恒久的なリンクを保証するには、必要なものの生命線と呼べると考えられる。例えば、既に国立極地である。現在、日本では学術論文や図書など限られた研究所の北極域データアーカイブ（ADS）などでも試み

コンテンツにしか利用されていない。日本が主体としてられているように、データ登録・検索機能の開発及び最取得されたデータに関しても DOI を付与し、データの低限の解析を可能にするデータ閲覧システムの開発は流通を促進する必要がある。
また、データの記載と公開を目的とする学術雑誌が、有効であると考えられ、今後も開発が継続されることがメジャーな出版社から複数創刊されている。主なものと必要である。
データ提供側からは、データ提供の手間を減らし、提し て 、 Earth System Science Data （ EGU ） 、供を容易にすることが強く求められる。メタデータの充実

Geoscience Data Journal（Wiley）、Scientific Data

はこの点で相反する部分があるが、データアーカイブの（Nature）を挙げることができる。これらの媒体は観測さシステム側からのサポート体制を構築することでスムーれたデータの公開を促す効果を持つのみならず、デー

ズなデータ提供をしてもらえるよう、環境整備が必要でタレスキューのためにも有効であると考えられる。国内にある。

おいて欧文のデータジャーナルの創刊、あるいは既存
ジャーナルの拡充という形で同様の媒体を設置すること(3) データの柔軟性を検討するべきである。

極域環境科学は学際的な広がりを持ち、データの形(6) 国際連携式もおのずから多岐にわたる。近年の環境研究においては、人文・社会科学的なデータも重要性を増してお北極域には様々な地域や国々が存在し、北極域のり、既存のデジタルデータのフォーマットに限らず、多様環境を理解するうえではデータ利用の国際連携が必要

なデータ形式を受け入れられるような体制が望ましい。

となる。北極研究に関するデータベースは、北極圏国を

また、時間的あるいは空間的に高解像度のデータが取中心に各国が独自に運用してきており、様々なデータ得されるようになり、これまでと比べても非常にデータ量

セ ン タ ー や デ ー タ ポ ー タ ル が 存 在 す る （ NSIDC 、の多い観測データ、モデル出力などが取得されるように

CADIS、GCMD、GEO-Portal、GCW 等）。これを一なった。このような複雑多岐かつ多量のデータは、一般

つのシステムに集約することは現実的ではない。ただの研究者が取り扱うためには非常に労力を必要とし、利し、それぞれが連携することは極めて重要であり、メタデ

用性が低くなることが考えられる。今後データアーカイータの相互流通や、他のデータベースからの検索を可

ブは、複雑多岐かつ多量のデータを利便性よく使える

能にする機能を導入し、分散型のデータベースを国際システム構築を行うべきである。

連携で構築していくべきである。データマネージメントについては、現在 IASC（国際北極科学委員会）のデータ
マネージメント WG や SAON（持続可能な北極観測ネッ(4) データレスキューの促進
北極地域は世界的に見ても、データ整備が遅れていトワーク）で議論が始まったところであり、今後国際的なる地域であり、世界的には流通していないデータの収連携を積極的に進める必要がある。

集・管理をすることが必要である。また、これらの地域で(7) 北極域データセンターの必要性

緊急に実行が必要なデータレスキュー（紙等に書かれているデータで、適切に保管しないと地球上から失われ

データセットは、付随するメタデータによって管理されてしまう危険があるデータを電子媒体として保存する）ている。現在、情報技術の進歩・情報共通化の動きの195
14中で、このメタデータ format を統一する動きがあり、観属機関とは独立な機関として、新たな分析を可能にする

測データを国際的なデータセンターの下に収集、蓄積ための試料保管・配分システムを持つことが望ましいとする必要性は低くなりつつある。しかし、日本国内の研考えられる。この場合、可能であればサンプルを分割し究機関および大学の現場観測分野では、データセットて、一方を科学博物館等の機関で管理し、もう一方をサ構築、公開というデータマネージメントに重きが置かれンプル取得者が管理するなどの工夫が必要となる可能ずに、他国のデータセンターに依存しているのが現状性がある。言うまでもなく、このような独立機関・あるいはである。国内予算を用いて研究観測を行い取得したデ博物館などについても資金と人材の安定的な確保が必

ータは、貴重な成果であり、独自に公開し、国内研究者

要であり、10 年程度ではなく、さらに長期的な視点で考の利便性を高める必要がある。しかし、これらの現場観慮されるべきである。

測データを含めた個々の研究機関および大学が独自同時に重要となるのが、サンプルのメタデータであに行うには無理があるので、北極域環境研究の分野でる。取得される、または、取得されたサンプルに関してもは日本独自の統一的なデータセンターを持ち、データ

メタデータの作成を行い、十分な情報を公開しかつ情を公開することが必要である。また、上述のデータの公報へのアクセスを容易にすることによって、サンプルの開・流通、国際連携は北極環境研究を進める上で日本存在を研究者に知らしめ、分析及び研究を推進する必として統一的に進める必要があり、データセンターの機要がある。

能として組み込むべきである。

サンプルの種類・性質によって、必要とされるアーカ
イブのシステムは大きく異なるが、メタデータについて

c. サンプルのアーカイブシステム

は、データ形式に十分な柔軟性があれば、前述したデ

北極環境研究においては、サンプルの取得とその分ータシステムによって収集・公開可能と考えられる。デ析に基づく研究も多く含まれ、サンプルを長期間、安定ータセンターの役割として（数値的な観測データのみなにアーカイブできる仕組みは非常に重要である。これまらず）サンプル情報の収集・管理も考慮されるべきと考でに、あるいは今後取得されるサンプルは研究の資産えられる。

であり、これを継承し、継続的・長期的な研究を可能にすることの重要性を考慮すれば、各研究者の現在の所

人材育成
a. 日本における北極環境研究に関する人材育成の研究において現場観測、現地調査を実施するには、国

現状外における観測・フィールドワーク研究活動が必要とな

北極環境研究に限らず、日本国内における人材育る。日本人の学部生、大学院生の多くは、海外に出る

成は根本的な問題を抱えている。多くの博士後期課程

選択肢を取らないため、北極は遠い存在になっている修了者が雇用期限の付かない研究職に就くことができが、その障壁を低くする策を提案する。

ず、いくつものポストドクター職を渡り歩いており、そのb. 人材育成における国際的な活動

影響もあって、博士後期課程に進学を希望する学生数

北極環境研究に関しては、国際協力として次の 3 つは極端に減少してしまった。この現状を打開する方策まで示唆することを目指す。多様な進路に適合する人材の組織が活動を行っている。

を育成し、それを成長の糧にする産業に結びつける。

(1) APECS （ Association of Polar Early Career

自然科学だけでなく、人文社会科学の専門家を育成

Scientists）

し、特に双方からの統合したアプローチを可能にする育両極を対象とした研究を行っている学生および若手成方策を立てる必要がある。さらに、環境変化の影響を研究者が自ら運営する組織で、IASC、 SCAR など多受ける北極人間社会に関する知見の涵養も重要であ数の組織が資金を支援し、様々な活動を行っている。

る。また、日本は北極に領土を持たないので、北極環境

APECS に参画し活動に参加することは、研究者を目指196
15

す若手のキャリア形成に有効であると考えられる。

の後継事業として、海外の研究機関や大学での研究

JCAR は APECS の日本国内組織の立ち上げを支援活動を目的とした派遣制度を設ける。

し、準備を開始した。今後は APECS およびその国内組・北極域でのフィールドワークを支援する助成制度を設ける。

織への活動資金の支援を行なっていくべきである。

(2) 国際的な連携(2) 北極圏大学（University of the Arctic）

JCAR としては APECS の活動に協力すると共に、国

北極国を中心としてメンバー校、準メンバー校あわせて 130 校以上の大学のネットワークで、北極圏大学とし内の大学とともに北極圏大学、UNIS、その他の北極国てのコース（講義および実習）を多数提供している。日の大学との連携強化にも協力することによって交流をス

本国内では、北海道大学が 2011 年に準メンバー校としムーズに進める。さらに、IARC の利用も有効であると考て登録され、アラスカ大学などと連携して活動を開始しえられる。学生を派遣し滞在させる場合、安全確保は最ている。

重要課題であるが、IARC はその体制も整っている。また、英語圏であるためコミュニケーションが比較的容易である。

(3) UNIS（The University Centre in Svalbard）
スバールバル諸島のロングイヤービンにあり、国立極今後の取り組みには、ARCUS 152 の人材育成の取り

地研究所がオフィスを設けている。ノルウェーの大学連組みも参考になると考えられる。例えば、TREC153は学合が 1993 年に設置した世界最北の大学である。20 名校の先生を対象にフィールドやそこでの研究活動を体

近い専任教員がおり、学生はフィールド科学を体験でき

験してもらう取り組みで、日本においても実施できればる。世界中から 1 年に約 300 名近い学生がコースを選

研究活動を伝える有効な手段となろう。
我が国が率先して進めるべき国際的な取り組みのひ択しているが、我が国からは若干名である。

とつは、先住民の若手研究者を対象にした招へい制度を立ち上げて、人材育成に貢献することである。その成c. 人材育成に関する今後の検討課題
研究者の育成を目的にした支援体制に加えて、専門

果が、ひいては我が国の若手研究者を国外で育成する技術の伝授とリテラシーの確立についても提案をする。

国際連携に結実するであろう。もうひとつは、非北極

以下に述べる取り組みに対して、研究者や研究機関が国、特に東アジアの若手研究者を招へいすることによっ個別に実施するだけでなく、国内の大学の連携、およて、長期にわたる国際的な共同研究と国家間連携の基

び我が国と北極国の大学間の連携も必要であり、礎を築くことである。

JCAR がそれらの連携の橋渡しをして、我が国の北極(3) 専門技術の継承と発展

関係者全体としての取り組みを進めることで、より効果

大学も含めた研究機関では、効率的な人員の配置と的な人材育成を行う必要がある。

いう号令のもと、技術者が削減されてきた。しかし、先駆(1) 研究者の育成的な研究の展開を支える一翼は技術革新であり、北極国内の大学間、および我が国と北極国の大学間の連携を通し、以下のプログラムを実施する。

環境研究にはモデリング、観測手法、衛星データ解析、・インターン制度を設け、研究活動への大学院生・学部

化学分析、遺伝子解析などの高い技術能力と、新たな発展が必須である。予測モデルの開発と高度化、各種生の参加を可能にする。

パラメータの高精度分析、船舶観測の高度化、観測項

・サマースクール等を実施し、研究を開始した学部学

目の多様化など、技術を向上させる基盤を確保しなけ

生、大学院生の教育をコミュニティで実施する。

ればならない。継承と発展の最も基本的な条件は、技・キャリアパスの開発、紹介、実習によって、学位取得後術者の養成と雇用の確保である。また、技術者と研究者の進路選択肢を拡充する。
・人材バンクを作り、大学や知り合いの枠を超えて PI と152

ARCUS： Arctic Research Consortium of the UnitedStates153
TREC： Teachers and Researchers - Exploring and
Collaborating

学生をマッチングさせる。
・GRENE 若手研究者派遣支援事業の実施、およびそ

197
16

の隔壁を下げるには、多様な評価軸を提案していくことる理由である。学校教育に携わる会員と知識や情報をが有効であろう。

共有することで、北極環境研究の重要性と魅力を、若い技術の急速な発展に対し、異なる研究分野間の情報

世代に正確かつ効率的に伝えることができる。それに加交換が追いつかず、ある分野ですぐれた技術を利用でえ、市民向けの講演会、サイエンスカフェ等により、小・きないことも起こりうる。異分野間の連携が情報を迅速

中・高校生に最先端の研究の魅力を伝える活動にも尽に交換することに役立つ。異なる研究手法を使う専門家

力すべきである。北極環境研究の重要性を伝えるアウト間の連携、例えば現場観測とモデル計算の連携においリーチ活動を人材育成につなげ、北極環境研究に興味ても、双方をつなぐ研究者と技術者の育成に力を注がを持つ学生数を増やしていく。北極域は日本からは遠ねばならない。

い存在であるが、人が住む都市や町があり、フィールドを体験するプログラムを組むことが可能である。体験の(4) リテラシーの確立とアウトリーチ

機会を提供することによって、野外活動の経験を積んだ

小中学校の理科教育における地球環境の重視は、学生を育てることができる。

従来から強調されてきた。市民の理解力は情報公開の基礎であり、初等中等教育に携わる JCAR 会員を求め研究推進体制a. 整備の背景と目的る国際組織などが存在し、研究および事業の方向付け

北極環境研究は複雑化、大型化しているが、それを円や提言を行っている。日本における研究もそれらとは無滑にそして効率的に実施し、多くの成果創出が可能な体関係に存在しえない状況となっているため、国際組織制を構築することが重要になっている。そのためには、国への日本の意見のインプット、国際組織の方針への協内における研究推進の体制を整備する必要がある。

力など、日本が国際組織の動きに強く関与しなければ複雑化の意味は、科学的知見を必要とする社会分野

ならないことを意味している。

が、科学コミュニティのみならず産業、資源等にも広がさらにその一環として 2 カ国間の協力要請が多々来っていること、また、それに関係し諸政府機関が政策的ているのが現状であり、そのような枠組みに対応し、そな活動を活発化してきている、そして、国際的枠組みでれらを通じた研究実施を検討する機会が増えてきてい捉えざるをえないことが増えていることを指す。これは、る。また、ベルモントフォーラムのようにファンディングに多くの国での国際的な動向であり、国内ではそれらの関しても国際的枠組みが登場し始めており研究推進環

影響をも強く受け、変化している。このような北極域に関境は、一層複雑化している。

する状況は、南極地域の状況と異なり、この複雑化した

これらの国際的な動きに集団として迅速に適切に対状況の中で、しかも効率的・効果的な研究を推進するこ応するためにも、国内の体制を考えなければならない。

とが求められている。これは、科学的真理の探究を行う

c. 国内研究推進体制の在り方

場合でもコミュニティ以外との関わりが強く求められてい国内での体制は、これらを考慮し、以下の基本をもとることを意味し、これは新たなチャンスでもある。しかし、それを円滑に実施していくためには、研究における体に設計することが必要である。

制の見直しが必要となる。

・研究者が研究に必要な整備された共通の基盤をもとに、自由で斬新な発想により、新しい研究を実施でき

b. 国際動向る。そのためには、なるべく多くの研究基盤を共同利用

北極環境の研究は、北極国、非北極国が協力し推進できる体制を整えるべき。

することが必須となっている。科学者連合である国際北・国際的な枠組みと制約の中で、日本の研究者・機関

極科学委員会（IASC）を中心に、北極国政府が中心とが円滑に研究活動を行い、全体として国際的な分担をなった北極評議会（AC）およびその関連団体、そして全うできる。

WCRP や GEOSS など北極域を関心対象の一部とす

・国内における社会各層、他分野との交流、社会への198
17況などが大きく変化してきたことを考え、長期的視野に成果還元を十全に行うことができる。

立って今後の役割およびその在り方を検討する必要がd. 具体的な体制ある。

具体的には、以下の体制を強化することが望ましい。

e. 研究基盤の準備・開発・維持（1）中核機関を強化し、それを中心に、国内推進・実施
体制が進むよう整備する。そのために、中核機関内に

本章では、機器等の基盤の必要性、開発について記

主要機関、関連団体からなる推進委員会を設置し、そ述してきたが、北極域については、まだこれらが遅れてれが全体的な研究、ファンディング機関との協調、およいるのが現状である。寒冷地域であるということで南極び基盤整備などを推進する機能を果たすのが望まし域と類似しているが、周辺を陸域で囲まれた北極海でい。2013 年の学術会議に対する大型研究計画の提案の現象が重要であること、また、周辺部には広大な陸域の中で、中核機関が「北極域環境システム研究拠点」のがあり、またそれらが特定国の領土であることでいろい

設置をうたっているが、このような提案は歓迎される。

ろな制約を受けるという点で、南極とは大きく異なる。

（2）研究基盤（観測プラットフォーム、海外拠点、機器、本章では、数多くの提案が出されているが、当然資モデル、データ）を主要機関が分担し整備し、研究者・金が必要な事もあり、優先順位づけを行い、順次開発

研究グループに供するため、機関に基盤整備を割り当

し、実用に供していく必要がある。また、効率化の観点てる。このために、新たな組織を立ち上げることも視野から独自に開発するのが適当か、それとも海外の類似に入れるべきである。観測プラットフォーム、機器の一部品を確保し、早急に観測に供するのかも検討する必要やモデルの整備などは、全球の地球科学研究の状況とがある。
基盤の一つであるデータアーカイブは、国際的な課の兼ね合いを考慮する必要がある。
（3）基盤整備の要請に基づき、分野ごとの国内推進の題であり、日本のみならず世界的な研究の効率化という分担を決め、研究の効率化を図る必要がある。日本の観点からすると、早急に力を注ぐべき分野であり、今に地球科学研究推進の現状を鑑みると、船舶を活用し研もまして体制の整備が必要である。

究を行う海洋研究などと、主として他国の陸上で研究をすべての基盤については、その持続性を確保するこ行う陸域・雪氷研究を推進する担当機関は別機関が中とが重要であり、それぞれの担当機関を明確化する必心となるのが適当である。それ以外の分野についても主要がある。

たる担当機関を一定程度明確化し推進する必要があろ

f. 国際協力の促進

う。また、衛星観測は重要な研究手段でありながらも、

北極環境研究においては、過去にも増して国際協力

研究者が利用するにあたり不備な面が多々あるため、国内のデータ利活用の体制を改善する必要がある。

および、そのための日本の研究者と研究環境の国際化（4）北極域の環境変化は、相互作用の結果として発生が重要になってきたことを述べてきたが、上記の中核機しているので、システムとしての取り扱いが重要である。

関や関係機関や諸省庁などは、以下の点に留意する

このため、研究分野間の情報交流を多くし学際的研究必要がある。

を通じて、現象に対して正確な理解に到達できるような（1）諸国際機関、諸外国、諸プロジェクトに関する情報

体制面での配慮が必要である。

の整備と流通の確保：日本語による情報流通、専門家（5）北極域の環境変化は、社会的影響が大きいことか

グループの形成を通じて適切な情報確保。

ら、社会への科学的知見の普及と理解の向上を促進す（2）相談窓口を設け、国際的な研究企画を個別に具体る体制の確保が必要である。国内の北極研究が一般向的に支援。

け・専門家向けにひと目でわかる場所（おそらくは Web（3）日本研究者にとって共通性の高い諸外国との協定・ページ）の整備・維持が必要。

協力方法の整備。

（6）北極環境研究コンソーシアム（JCAR）ができて 3 年（4）ハイレベル（2 カ国科学技術協定、AC、IASC）におが経つが、JCAR は北極環境研究推進に重要な役割

ける協力活動の推進。

を果たしてきた。短い期間でありながら中核機関・主要（5）研究者および研究環境の国際化に関する取り組み

機関の状況、国内および国際レベルでの研究推進状

の推進。

199
18

・研究者の早期からの企画会議等への参加支援。

のような国際的ファンディングなどは効果的と考えられ、・国際機関、プロジェクトなどの事務局への事務系、研2014 年段階で提示されている「自然と社会のテーマ」

究系人材の派遣。

のみならず、北極域自然現象に関する持続的観測を含（6）国際協力の促進の形として、ベルモントフォーラム

むことも重要と考えられる。

分野別研究機器等
CRD154分光法が広く用いられるようになってきた。この

a. 大気
北極域での大気観測の戦略として、長期的連続観測

方式は、エアロゾルの吸収特性の直接観測にも応用さ基盤としての地上観測体制の整備、人工衛星を用いた

れ、大気化学分野での利用が今後一層盛んになると思広域観測、船舶による洋上観測、航空機等による 3 次

われる。

元的構造の詳細観測などが考えられる。さらに、これら

雲粒子・エアロゾル粒子の直接観測は、航空機観測は相補的であることから、これらを組み合わせた総合的用プローブの開発によって大きく進展したが、それらのな観測形態が望まれる。

測器は地上観測用に改良されているものも多く、地上で

大 気 観 測 で 用 い ら れ る 機 器 は 遠 隔 測 定 （ remoteの長期連続観測に有効である。

sensing）と直接測定（in-situ measurement）に大別

温室効果気体や雲、エアロゾル、水蒸気等の大気成される。遠隔測定は、一般に電磁波（主に、紫外域～マ分による気候影響の研究では、精密な放射観測が基本

イクロ波領域）を利用した測定であり、観測対象からのとなる。そのため、BSRN 155 が放射観測の全球ネットワ

電磁波を一方的に受信（受光）する受動型（passive）測ークとして展開されている。BSRN で定められた測定基器と自ら電磁波を射出し観測対象からの反射波を受信

準は放射観測の世界標準に位置づけられるので、北極（受光）する能動型（active）測器とに分けられる。また、域での放射観測もこれに準ずることが望ましい。ただ直接測定では測定プローブや分析計を用いた現場観

し、放射観測のみならず、極地における大気観測は自測だけでなく、現場で採取したサンプルを実験室に持然条件の厳しさから、その精度を維持するには、現地でち帰り分析する場合もある。これらの様々な方法から観の観測機器の保守等に相当の努力を要する。

測対象や目的により最適の方法が取られる。

大気陸面間の水・熱・炭素交換のモニタリングでは、雲、エアロゾル、微量気体、降水（雪）等の大気成分

観測地点の充実化が必要である。これまで FLUXNET

や気温、湿度、風等の気象要素を観測対象とする地上と呼ばれる観測ネットワークが構築されているが、アジア設置型の大気観測システムを考えると、能動型・受動型(Asiaflux) 、 ア メ リ カ (Ameriflux) や ヨ ー ロ ッ パ

リモートセンシングと直接測定とを組み合わせたシステ(Euroflux)と比較して、極域での観測密度は極端に低ムが必要である。能動型測器はこれまでの電波領域のい（2013 年 4 月時点で日本・韓国が計 40 点に対し、シ周波数を用いたレーダーに加えて、可視域のレーザー

ベリアは計 3 点)。フラックスタワーによる観測データは現

光を利用したライダーが多く使用されるようになり、さら場の監視の他、大気モデルでは下部境界条件として利に多波長型、ドップラー方式、空間走査型の測器が、高用可能である。さらに、近年ではデータ同化手法による精度での物理量観測やその空間変動を知る上で極め大気モデルと観測の融合が試みられている。フラックスて有効であり、ドップラー雲レーダーと多波長偏光ライの空間的な観測密度の増加が極域における下層大気とダーの同期観測は今では雲物理放射研究には欠かせ

陸面の水・熱・炭素循環を理解する上で今後より重要とないツールとなっている。受動型測器は、遠隔測定によなっていくであろう。衛星観測にとって、観測から得られる物理量の定量化の高度化のためにはより広い波長領る物理量の検証は必要不可欠である。数少ない極地観

域をより高分解能で測定できる測器（可視、赤外、マイ測サイトは地上検証サイトとして重要な役割を果たす。

クロ波分光放射計）が必要である。

日平均気温、降水量や風速といった多くの陸面過程

二酸化炭素を含む温室効果気体の連続観測においモデルを駆動するために必要な気象状態量の観測デて、近年、微量気体の高感度精密測定の新技術として
154
155

200
19

CRD： cavity ring-down
BSRN： Baseline Surface Radiation Network

ータは、国内外の研究機関によって収集・整備されてい北欧に国際共同にて設置・運営されている大型レーる（例えば、シベリアでは、JAMSTEC による Baseline

ダーシステム（EISCAT レーダー)を用いて、下層・中Meteorological Data in Siberia)。今後温暖化の影響

層・超高層大気・電離圏・ジオスペース環境観測を実施が強く表れると考えられている極域のシグナルを捉えるする。EISCAT レーダーは、これまでに 30 年以上にわため、地点観測を継続していく必要がある。高品質の観たる観測を実施してきたが、現在、大幅なリニューアル測のためには機器の定期的な整備が不可欠である。特計画（EISCAT_3D 計画)が進められている。日本もこに、雨量計と温度計に不純物が混入していないか、まれ に 参 加 し 、 大 気 圏 ・ 電 離 圏 （ 高 度 約 1~30 km 、た、周辺環境が観測に適する場所であるかどうかにつ60~1000 km）変動のモニタリング・3D 立体観測を実施

いて半年に 1 度程度の頻度で見回りとメンテナンスが必する。日本独自の大型大気レーダーである MU レーダ

要である。

ー（日本・信楽）、赤道大気レーダー（インドネシア）、

雨量計による降水観測では、捕捉率を向上させる技

PANSY レーダー（南極・昭和基地）と EISCAT_3D レ

術の開発が必要であろう。極域では降水が雪として観ーダーとを加えたレーダーネットワークを構築・整備する測される頻度が高く、風によって降雪が雨量計に入らなことにより、地球環境研究のための極めて強力な研究基

い割合が大きい。正確な降水・降雪量把握のため、雨盤を得ることができる。

量計の改良や観測値を補正する統計手法の開発が望(2) 飛翔体観測、及び搭載機器開発

まれる。

2015 年度、内部磁気圏観測衛星 ERG の打ち上げ

b. 中層・超高層大気により、高エネルギー粒子観測、プラズマ波動観測等、
156(1) 欧州非干渉散乱レーダー（EISCAT レーダー）

地球周辺のジオスペース環境の詳細なモニタリングが

図 66
現在の EISCAT レーダーシステム(上図)と EISCAT_3D システムイメージ(左図)。
(http://eiscat.nipr.ac.jp/eiscat3d/)156

欧州非干渉散乱レーダー： European Incoherent
Scatter（EISCAT）レーダー201
20

図 67 内部磁気圏観測衛星 ERG(左図： http://www.jaxa.jp/projects/sat/erg/index_j.html) と国際宇宙ステーションからの大気光観測(右図： http://www.iss-imap.org/)

可能となる。このような宇宙空間からのジオスペース探測を継続的に実施し、次のステップとして複数衛星によ査計画は、各国で精力的に進められており、同じく内部

る同時複合観測を実現する必要がある。最新技術を導磁気圏を探査する Van Allen Probes（米国：2012 年

入した宇宙機搭載用機器、例えば、赤外・可視・紫外・打ち上げ)、Resonance （ロシア：2016 年打ち上げ)、

X 線撮像装置、加速度計、質量分析器、粒子計測器、VSX（米国：2016 年打ち上げ)、電離圏探査 Swarm

その他のプラズマ計測器などの独自開発により、種々（ヨーロッパ：2013 年打ち上げ)などがある。また、国際の衛星ミッションを実現する。ロケット・気球観測は、人

宇宙ステーション（ISS_KIBO モジュール）からの大気工衛星が飛翔できない領域（成層圏～下部熱圏）で必

光観測により、高度 100 km、250 km 付近の大気変動要不可欠である。地上、衛星観測と連携し、また、国際のイメージング観測が実施されている。今後も同様の観共同によるロケット実験（例えば、ノルウェーとの共同観

図68
68 北極域観測ネット―ワークを構成する機器群
北極域観測ネットワークを構成する機器群
図

202
21

測は古くからの実績がある）を実施する必要がある。

データを解析するための環境構築や解析手法の開発、(3) 広域多点観測のための機器整備

ソフトウェア開発を実施する。

北極域の大気重力波、プラネタリー波の中層・超高測は古くからの実績がある）を実施する必要がある。
層大気での性質・役割を理解するため、高度70～100

データを解析するための環境構築や解析手法の開発、
c. 雪氷(3) 広域多点観測のための機器整備
kmの風速・温度を計測するMF・流星レーダー、ライダ

ソフトウェア開発を実施する。
北極の雪氷研究においては、現場における観測や北極域の大気重力波、プラネタリー波の中層・超高ー、大気光分光観測装置の開発・整備が必須である。

試料採集が極めて重要である。それらの資試料は、観また、電離圏変動や地球周辺の高エネルギー粒子のc. 雪氷

加速・加熱過程の理解のため、HF・VHFレーダー、磁かにするためだけでなく、人工衛星による広域変動監

層大気での性質・役割を理解するため、高度70～100

測点における雪氷圏の諸変動やそのメカニズムを明ら

kmの風速・温度を計測するMF・流星レーダー、ライダ

北極の雪氷研究においては、現場における観測やー、大気光分光観測装置の開発・整備が必須である。

試料採集が極めて重要である。それらの資試料は、観また、電離圏変動や地球周辺の高エネルギー粒子の測点における雪氷圏の諸変動やそのメカニズムを明ら

力 計 、 GNSS ・ GPS 受 信 機 、 大 気 光 カ メ ラ 、視のための校正や、数値モデルへの入力・検証データ

VLF/ELF/ULF波動受信器の開発・整備が必須であ
加速・加熱過程の理解のため、HF・VHFレーダー、磁の提供といった点で大きな役割を示しており、長期的なかにするためだけでなく、人工衛星による広域変動監る。経度方向に伝搬・散逸する大気波動や、地球周辺
力 計 、 GNSS ・ GPS 受 信 機 、 大 気 光 カ メ ラ 、

継続が不可欠である。氷河内部や底面における諸物理
視のための校正や、数値モデルへの入力・検証データ

を経度方向に周回する高エネルギープラズマの全体像
VLF/ELF/ULF波動受信器の開発・整備が必須であ量や試料など、現場でしか得られない物も多い。
の提供といった点で大きな役割を示しており、長期的なる。経度方向に伝搬・散逸する大気波動や、地球周辺を捉えるため、北極を取り囲む観測ネットワークとしてこ継続が不可欠である。氷河内部や底面における諸物理(1) 氷床・氷河観測を経度方向に周回する高エネルギープラズマの全体像
れらの装置群を整備する。これらのシステムの構築・観量や試料など、現場でしか得られない物も多い。
氷床・氷河質量収支の観測や生物作用の影響評価を捉えるため、北極を取り囲む観測ネットワークとしてこ測とシステム維持のための国内外の共同研究体制を確(1)
氷床・氷河観測のためには、長期運用可能な観測地点の整備が必要
氷床・氷河質量収支の観測や生物作用の影響評価

れらの装置群を整備する。これらのシステムの構築・観である。具体的には、観測の拠点となる研究宿泊施設

測とシステム維持のための国内外の共同研究体制を確のためには、長期運用可能な観測地点の整備が必要立する。

である。具体的には、観測の拠点となる研究宿泊施設

立する。

の整備、野外観測に必要なスノーモービルや小型ボートなどの移動手段、自動気象測器や GPS 装置などの観(4) 拠点観測のための機器整備の整備、野外観測に必要なスノーモービルや小型ボー

宇宙や下層大気からのエネルギー流入が中層・超高測機材が必要となる。また、雪氷コアの掘削や氷床内

トなどの移動手段、自動気象測器や GPS 装置などの観(4) 拠点観測のための機器整備

層大気へ及ぼす影響を理解するため、EISCAT
レーダ
宇宙や下層大気からのエネルギー流入が中層・超高部のレーダー観測などは、固定された観測地点に留ま
測機材が必要となる。また、雪氷コアの掘削や氷床内ーサイトなど、高精度な測定が可能な大型装置が配備
層大気へ及ぼす影響を理解するため、EISCAT レーダ

らず機動的に広域で行う必要がある。そのための機器と部のレーダー観測などは、固定された観測地点に留まーサイトなど、高精度な測定が可能な大型装置が配備された観測拠点に、上述の観測機器群を集中的に整備らず機動的に広域で行う必要がある。そのための機器としては、航空機やヘリコプターを使ったアイスレーダー

された観測拠点に、上述の観測機器群を集中的に整備し、中層・超高層大気の総合的モニタリングを実施する

しては、航空機やヘリコプターを使ったアイスレーダー
やレーザー高度計、氷床内部の観測やサンプリング用

し、中層・超高層大気の総合的モニタリングを実施することも重要である。

やレーザー高度計、氷床内部の観測やサンプリング用の熱水掘削装置やアイスコア掘削装置、検層機器などことも重要である。

の熱水掘削装置やアイスコア掘削装置、検層機器などがある。それらの新規開発や既存の装置の更新も重要がある。それらの新規開発や既存の装置の更新も重要(5) 基盤観測とデータ解析・モデリング/シミュレーシである。氷河地震観測のためには、地震計や観測シス(5) 基盤観測とデータ解析・モデリング/シミュレーシである。氷河地震観測のためには、地震計や観測シス

ョンとの連携テムなどの機材が必要となる。上記のうち代表的な機器

ョンとの連携テムなどの機材が必要となる。上記のうち代表的な機器類を図 69 に示す。また、環境変動に関する代理指標

上述の衛星・地上観測とシミュレーション研究との連類を図 69 に示す。また、環境変動に関する代理指標

上述の衛星・地上観測とシミュレーション研究との連携も重要である。データ同化などの手法開発、モデル携も重要である。データ同化などの手法開発、モデル（テーマ66参照）の形成過程を理解するための現場観
参照）の形成過程を理解するための現場観（テーマの高分解能化、素過程のモデリング、大規模計算のたの高分解能化、素過程のモデリング、大規模計算のた測には、可搬型の水蒸気同位体やエアロゾル濃度など
測には、可搬型の水蒸気同位体やエアロゾル濃度など

めのモデルのチューニングを随時行う。さらに、膨大なめのモデルのチューニングを随時行う。さらに、膨大なの分析装置が不可欠である。それらの機器の開発や現の分析装置が不可欠である。それらの機器の開発や現

図 69 氷床・氷河観測で使用される主な機器
22
図 69 氷床・氷河観測で使用される主な機器

203
22

図 69 氷床・氷河観測で使用される主な機器

場観測・試料採集を継続的に実施できる体制（人員、組構造に対応した熱的パラメータ測定装置の改良が必要

織）の構築と維持も重要である。

である。

(2) 雪氷コア分析(4) 降水・積雪観測

過去の気候や雪氷圏の変動を復元するには、採集さ北極域の降水観測で最も重要なのは、冬季降水量

れた雪氷コアを実験室で分析する必要がある。分析項の高精度測定である。固体降水捕捉率のキャリブレー

目としては水同位体やエアロゾル、固体微粒子、気体

ションに利用される Double Fenced Inter comparison

成分等があり、それらを高時間分解能で分析するには、Reference（DFIR）の WMO 基準測定に加えて、重量測定機器や分析技術、分析体制を整備・維持する必要

式、光学式などの多様な冬季降水（降雪）センサの開発がある。従来から運用されている分析機器（質量分析と比較観測によって、観測精度の向上を進める必要が計、液体クロマトグラム、ガスクロマトグラム、粒子分析ある。降水レーダーを用いた水蒸気（雲）ならびに降雪

計、黒色炭素分析計等）に加えて、気体（温室効果気粒子の時空間変動観測を利用し、降水衛星データ

体、希ガス等）やエアロゾル（硫黄、カルシウム、ストロン（GPM/DPR およびその後継機データ）との比較によっ

チウム、鉛等）の高精度同位体比測定による起源・輸送て、空間的な降水観測精度の改良も重要である。積雪

経路の推定や、複数指標の組み合わせによる定量的なについては、地表の積雪被覆や積雪水量、雪質、積雪推定を可能にするための分析機器が必要となる。また、

不純物、北方林の樹冠着雪量や昇華量など、衛星光学

アイスコアの環境情報を高時間分解能で大量に取得すセンサおよびマイクロ波センサに対応したアルゴリズムる手法として、連続融解技術が実用化されているが、まの開発改良のための地上校正検証の観測技術の開発だ歴史が浅く今後の継続的な開発が重要である。レー

改良が必要である。

ザーの吸収や散乱等を応用した雪氷試料の分析や空気抽出など、連続融解と組み合わせた分析技術の革新(5) 陸域水文過程も継続する必要がある。

陸域水文過程の解明には、降水・積雪観測に加えて、土壌水分や蒸発散量、流出量の詳細な現場観測が(3) 永久凍土必要である。特に、今後の大きな変化が予想される季節

凍土を構成する氷の研究では、氷河・氷床研究と同進行に関して、雪解けの春季と積雪の秋季の観測が重様に長期運用可能な観測拠点、移動手段、基本データ要となる。蒸発散量の観測には水・熱フラックスのタワー

としての気象観測設備が必要である。特に深部の地温観測に加えて、植生の観測を同時に行う必要がある。土

観測においては時定数が長いため、観測拠点を長期

壌水分は、凍土融解深や地温とも関連しており、それら間安定に維持することは必須であり、また、活動層などの現場観測は簡単ではないが、多点観測などによる空浅部観測では空間的な広がりをカバーするために多点間的な把握が求められる。これらの観測と合わせてドッ展開を可能にする移動手段を備えるべきである。現状

プラーレーダー観測が行えると、雲・降水システムを含むの凍土掘削技術には改善の余地があり、新たに多点掘

ローカルな水循環の解明が期待できる。土壌水分量水

削を念頭に置いた、研究者が扱える規模で機動性の高循環トレーサーとして、水安定同位体のレーザー測定手

い凍土掘削システムや、船舶から海底・湖底に存在す法が開発利用されつつあるが、降水、降雪、土壌水、植る凍土を不攪乱で採取できるシステムの開発が必要で

物体内水、水蒸気などを一体として測定できる、野外サある。凍土氷融解のプロセス理解、凍土地温からの古ンプリングと分析手法の確立も必要である。

環境復元には、融点付近の温度測定精度を上げるための小数点第 2 位での精度をもつ地温センサとロギング

d. 陸域生態系・物質循環システムの開発や、不凍水量を現地測定するための観陸域生態系は、炭素・窒素・水などの循環に強い影測技術の開発などが必要になる。また、活動層内土壌響を及ぼすため、今後モニタリングに力を入れる必要がのアイスレンズ（再凍結した氷層）や有機質分布、土壌ある。大気の項に記載されているとおり、フラックスタワ

204
23

ー観測を充実させ、長期間にわたって安定した観測をると同時に、北極圏の変動は、大気・海洋循環や雪氷行えるような体制を整えることは重要であろう。また、人圏の変化等を通して、逆に全球的な気候システムに大工衛星を利用したリモートセンシング観測の充実に加きな影響をもたらすと考えられている。全球的な気候シ

え、陸域生態系を精密に観測するための次世代センサ

ステムを含む地球システムそのものを理解する上で、北157（ライダーや高精度ハイパースペクトルカメラ ）を搭載

極圏のシステムの解明は不可欠であり、その基礎となるした航空機による観測も望まれる。ライダー観測によっ

現場での観測データは必須となる。中でも、北極圏はて森林を構成する樹木の構造を把握できるようになるう

中央に広大な北極海を有する事から、海洋域での観測

え、高精度ハイパースペクトルカメラで分光反射画像情が要となり、海洋域での海底から大気にかけての鉛直報を分析することで、葉などの化学組成（葉緑素をはじ的かつ面的に広範囲な観測や、長期的なモニタリング

め、リグニンやセルロースなど）が分析可能となり、物質観測等の実施が必要である。また、北極海においても、循環にとどまらず、種構成に踏み込んだ生物多様性の中緯度や低緯度において観測船等により実施される観研究も可能になる。さらに、植生の変化とその季節性を測と、少なくとも同等程度の時間・空間変動を把握でき観測するため、インターバルカメラを環北極域に多数設る調査等が期待される。特に、地球システムを理解する

置しデータを蓄積するという大規模な機器網の整備も観点から、北極圏海洋域での通年観測による季節変化

提案する。

やより長期的な変動、大気―海氷―海洋モデルの精緻

また、広大かつ未踏の原野の広がる北極陸域におけ化等に必要なデータ取得が求められる。

る観測の効率を上げるため、以下の提案を行う。すでにしかし、北極海での観測は、海氷の存在により、未だ海洋の観測のための導入例のあるホバークラフトを陸域観測が立ち後れており、観測の空白域と言っても過言の観測にも利用することで、雪のために海との境界が不ではない。今後、北極海での観測を進展させるには、高明瞭な湖沼や湿地を経て内陸部へ広がるツンドラ域ない砕氷能力を有し、多岐にわたる観測が可能な砕氷観

どでの観測に威力を発揮するはずである。水面と湿地

測船は必須であるが、それとともに観測機器自体も海氷の入り組んだこのような地域では、徒歩、車両、船舶い域で観測可能な機器開発等が必要となる。以下では、ずれによるアクセスも困難なため、ホバークラフトを用い今後の北極海での海洋観測に向け、海氷域においてた観測をシベリア沿岸部などで構想すべきであろう。ま技術的な課題を有し、開発等が必要である観測機器等

た、遠隔地に設置された観測機器から日本へのデータに関して記載する。

転送機器の開発と導入が切に求められている。現在も(1) 船上観測機器

衛星を用いたデータ転送は行われているが、フラックス

ここでの船上観測機器は、船上に設置し航路上等

タワー観測データや画像データといった大容量の転送で、大気や海洋観測を実施する機器である。ほとんどのは普及していない。今後、遠隔地から大容量データを観測機器は、海氷域でも船上での観測である事から、転送するシステムと通信衛星のさらなる整備が進むこと

大きな障害がないと考えられる。しかし、音響を利用したによって、莫大な労力と旅行費用を要するデータ回収

観測機器は、船による音響ノイズは最小限に抑制するが飛躍的に容易になるであろう。データ転送に用いられ事は当然であるが、さらに海氷域での砕氷に伴う音響ノる通信衛星の整備は、動物の移動を追跡する動物生活イズ対策を考慮する必要がある。このような音響を利用史の研究や、陸域の研究のみならず大気・海洋などのした観測には、低周波領域の地層探査装置やマルチ観測の発展にも有効である。

ナロービーム測深機や、高周波超音波領域のマルチ周
波数音響プロファイラー等が挙げられる。周波数帯も広e. 海洋範囲であるが、砕氷に伴う音響ノイズの周波数特性の北極圏は、全球的な環境変動の影響が顕著に現れ

調査と、その対応を検討する必要がある。また、観測船の喫水が深ければ、ノイズ源から少しでも遠ざけられる

157

ハイパースペクトルカメラ: 人間の目や通常のデジタルカ
メラは、色の情報を赤・緑・青の三原色（波長）で取得している。
ハイパースペクトルカメラに搭載されたセンサーは、色の情報を数十種類もの波長に分けて取得することができるので、人間の目や通常のデジタルカメラではとらえられなかった、対象物の特性や情報が得られる。

205
24

事から、新たな観測船を建造する場合は、この点の検討も必要であると考えられる。

(2) 水中ロボット

にあたっては、海氷域では GPS による位置決め・衛星ROV や AUV といった水中ロボットの活躍が、海氷を介したデータ送受信が困難なため、海氷下での音響

下の探査では期待される。特に AUV は、外界の認識

ナビゲーションシステムやデータ伝送ネットワークの構や行動決定を自ら行う無索の無人海中探査機であり、築といった解決策を用意しておく必要がある。

158

159

海氷下での鉛直方向や広域の調査に適した探査機で(4) コアリング等ある。一方、ROV は、有索で潜水機の運動を制御する
無人潜水機であり、操作が船上から制御できる事から、

古環境・古気候研究のための堆積物採取に関して

詳細な海氷下や海底面の観察や、試料採取等を可能

は、通常のピストンやグラビティコアラーに加えて、60mとする。さらに ROV は、海氷域における係留系等の海以上の堆積物採取が可能なジャイアントコアラーや、海中敷設・回収や、AUV の非常時の回収等に利用可能

底鎮座型掘削装置の開発が期待される。特に、海底鎮であると考えられる。

座型掘削装置は、回転式の掘削装置であるので、堅い岩盤層等の掘削も可能となる。

水中ロボットの海氷域での運用にあたっては、船上での低温対策や音響ナビゲーションシステムを用いた潜(5) 海氷の観測機器

航体の位置決め、特に AUV は確実に回収可能な運用
形態等を検討する必要がある。北極海の平均深度は北極圏の気候システムを理解するにあたっては、大1,330m であるが、その中央部には水深約 4,000m の

気や海洋に加えて海氷特性の観測も重要である。特に深海平原が存在する事から、これらの水中ロボットの耐必要とされるのは、海氷の質量収支および形態のモニ

圧が 4,000m 以上であれば、ほとんどの海域が網羅可

タリングと考えられる。

能となる。一方で、水中ロボットは、可能な限り小型で扱

質量収支は、北極海海氷の激減が注目される今、現いやすいものが望まれる事から、耐圧、観測機器用の況を正しく把握する上で重要であり、北極海における熱ペイロードや投入するムーンプールの大きさ等のバラン

力学的な生成・融解量と北極海から流出する氷量を見スを考慮して開発を行う必要もある。

積もる必要がある。前者を正しく見積もるためには、現場気象観測と氷厚分布のデータが必要となる。このため、船舶搭載型の観測に加えて、できれば無人観測ブ(3) 係留系等の海中設置観測機器
海氷域定点での、超音波氷厚計（IPS）、超音波ドッ

イが望ましい。従来、北極海では国際北極ブイ計画でプラー式多層流向流速計や水温塩分深度計等を用い氷上に設置された機器により気象観測等が実施されてた、海氷の動態、変動や、海水の物理・化学的な変動きたが、氷量減少に伴い氷上設置ブイで北極海を広範を連続観測可能な係留系観測も必須である。また、海囲に覆うことが難しくなってきている。氷厚分布は航空

底下構造や堆積物－海水間の物質循環プロセス等を機観測や衛星データからある程度推定することとし、気推定するための海底地震計や海底圧力計、各種化学

象観測は海洋上に設置可能な耐久性があって強固なセンサ等による、海底敷設型機器による観測も期待されブイを製作することなどにより観測領域密度を保つ努力る。これらの機器やシステムも海氷下での観測に適したが必要であろう。一方、後者の見積もりには流出海域に開発が必要であり、特に連続観測を可能にするには、当たるフラム海峡に IPS などを設置して氷厚分布と漂ROV 等による機器の回収・設置を視野に入れるととも流速度を定量的に見積もることが必要である。

に、音響データ通信や、潮流発電や海中燃料電池等の海氷の形態については、北極海で季節海氷域の割適用も検討する必要がある。海中設置観測機器の電源合が増加している今、海氷の変形過程そのものが変化

問題は、極域特有の問題ではないが、回収・設置が難している可能性があり、数値海氷モデルで用いられていしい海氷域でこそ解決していくべき問題であろう。そのる物理過程を見直す必要がある。特に海氷表面の凹凸

他、物理・生物・化学センサを搭載した、ある深度帯から（リッジ）分布特性と融解期のメルトポンド分布特性が重海氷直下まで観測可能な、耐氷型プロファイリングフロ要であり、航空機搭載型の 2D レーザースキャナーおよートの開発も望まれる。プロファイリングフロートの開発

びビデオなどによる現場観測が期待される。

158
159

(6) その他（沿岸域での観測等）

ROV： Remotely Operated Vehicle
AUV： Autonomous Underwater Vehicle

206
25観測船での観測以外では、沿岸域での観測装置のるには、基盤となる組織独自の計算機の所有が望まし開発も必要である。沿岸域での係留観測では、冬季のい。大型計算機やデータサーバシステムの管理・運用、海氷の発達によりシステムが引き摺られないような構造

大気・海洋・陸面・氷床など各プロセスのモデルを結合しを検討する必要がある。また、紋別オホーツクタワーのた大規模モデルの開発、モデルの高効率実行に向けた

ような、冬季でも海氷下のサンプリングが可能な、より堅改良などには高度な専門知識が必要である。また、モデ

牢なプラットフォームの開発も重要である。さらに、海洋ルの入力、検証データとなる観測・客観解析データの整域での航空機を使用した電磁式の海氷厚測定や、地備のような支援業務を行う人材も必要である。コーディン

磁気・重力測定等も検討する必要がある。

グルール（プログラミングの方法）やデータ入出力フォー
マットの統一化、解析手法およびソフトウェアの開発など

f. 数値モデリングを主導するようなコーディネーターも求められる。基盤と急変する北極環境の総合的把握、全球気候におけなるべき組織には、高度な専門知識を持つ技術職だける北極域の役割や日本に及ぼす影響の解明、さらに北でなく、研究職と技術職の中間的な立場を担う人材が長極気候の将来予測のために、数値モデリングは欠かす

期的に雇用されることも重要である。

ことができない研究手段である。そのためには大規模計

このようなモデリング基盤組織が率先して国際的な研算資源や、モデルの入出力データおよび検証データを究計画への参画を行い、数値モデルを用いた各種感保管するための大容量ストレージが不可欠であり、さら度実験やアンサンブル実験の実行および管理を行うにそれらを合わせ持つ基盤的組織体制の構築が必要

他、北極海氷況予測などの現業的遂行が望まれる。

である。
組織体制はプロジェクトによる時限付きのものではな
く、長期的に維持されなければならない。現在 GRENE
北極気候変動分野において数値モデリング関連の研究が進行しているが、プロジェクト期間内にすべての目
的が達成できるわけではなく、より精緻なモデルの開発やそれを用いた研究を継続して推進する必要がある。
国際的には、季節～年々変動を対象とした北極域の予測可能性に関するプログラム（APPOSITE160）が立ち上がっているが、日本では組織的な対応をしておらず、個人の努力に頼らざるを得ない状況である。また、北極域を対象とした領域気候モデリングに関しても、米国ではNaval Postgraduate School などで開発が進められているものの、日本国内で具体的な動きはまだない。これらは基盤組織の欠如が大きな一因となっている。海外には大規模で継続性のあるモデリングセンター（ NCAR、ECMWF、 UKMO 等） やデー タ センタ ー（NSIDC 等）が研究基盤として存在する。同様のモデリ
ング研究基盤を日本も持たなければ、最先端研究において国際的に大きく立ち遅れる恐れがある。
計算資源については、国内の大学・研究機関にある
大型計算機を公募プロジェクトや有償で利用する方法も考えられるが、他の利用者との競合になるので十分な資源を確保することは難しい。安定的な計算資源を保証す
160

APPOSITE： Arctic Predictability and Prediction On
Seasonal to Inter-annual Timescales

207
26

10 章 長期にわたる方向性と取り組み体制のまとめ
本長期構想では、すでに取り組まれている研究計画

変化、及び、炭素や栄養塩等の輸送を海洋循環や渦とに留まるのではなく、10 年を越える時間スケールで挑戦

合わせてモニタリングする。最新の化学・生物センサとしていく方向性まで示唆している。研究の進展に役立

試料採取装置を物理センサと共に氷上キャンプやデーつ仮説を立てることや、先駆的な成果をあげるための体タ空白域に設置して通年観測を行い、物質輸送と生態制などを大胆に提案することも試みた。15 のテーマ及系変化の定量的理解を目指す。
「氷床・氷河、凍土、降積雪、水循環（テーマ 4）」でび基盤整備について簡潔に記述する。

は、氷床表面と総質量の衛星観測を格段に向上させ、「現在進行中の地球温暖化に伴う北極の急激な環現場データによって検証すると共に、氷床内部の情報

境変化を解き明かす」研究テーマ

を十分に集める。また、海洋との相互作用については、「地球温暖化の北極域増幅（テーマ 1）」では、北極海洋物理学専門家と連携する。永久凍土の観測体制

域を中心としたエネルギー輸送に焦点を当て、超高層、構築には国際連携が必須であり、テーマ 3 とも協力して雲・エアロゾル、積雪、海氷、そして海洋中層までの各スーパーサイトの運営を目指す。この取り組みは大気、要素間の相互作用を解明していく。そのための手段で陸面、土壌におよぶ水循環を広域で把握することにもある地球システムモデルを開発・利用するには、様々な貢献する。気象で日常的に行われている客観解析を、分野のモデラーの協力のみならず、モデル検証に用い陸域水循環にまで拡張する。

るデータの計画的取得が必要である。我が国の貢献と「北極・全球相互作用（テーマ 5）」が焦点を当てるのして、超高層から海氷に至る衛星観測の拡充を図るたは、地球温暖化の進行に伴い、自然変動として顕在化

め、センサ開発と衛星打ち上げを継続するよう担当機関する大気海氷海洋の経年変動がどう変わるかである。

に働きかける。もうひとつの鍵となる海洋の現場観測を

上は超高層大気との相互作用、下は弱化する北大西

定期的に繰り返す体制を維持しなければならない。

洋深層水形成まで、広範な対象について観測とモデリ「海氷減少のメカニズムと影響（テーマ 2）」では、海氷

ング、そしてデータ同化に基づく再解析を推し進める。

直下から海洋中層までを含めた海洋熱輸送、そして雲陸海分布に起因する大気・水循環の変化は、物質循環や低気圧を介した大気－海氷－海洋間相互作用につまで影響を及ぼし、海洋循環とのフィードバックを介していて、プロセスの理解と定量化を目指す。海氷自身の北極海にも影響が及ぶ。テーマ 4 から凍土の広域変化特性に関しては、表面融解水（メルトポンド）の形成過程に関する重要な情報を得る。

と氷盤同士の衝突過程を詳細に明らかにする。これらの「古環境から探る温暖化の将来（テーマ 6）」は、将来現場観測には砕氷船の運用が必須であり、天候に左右起こりうる温暖化や突然の気候変化の実態を過去の事されないマイクロ波衛星観測も欠かせない。また、個々例に求め、そのメカニズムにデータとモデルから迫る。

161の氷盤や高密度水沈降を陽に 扱える海氷海洋結合

極域特有のアイスコアや北極海海底コアの採取と解析モデルを構築し、北極航路に関する信頼性の高い情報に取り組み、新たな間接指標の開発や気候－氷床結合を船舶に提供できるようにする。

モデルによる長期数値実験に挑む。北極振動などの短「物質循環と生態系変化（テーマ 3）」で主眼を置いて周期変動の盛衰を見いだすことも重要である。様々ないるのは、これまで夏季に偏っていた大気、土壌、河川

時間スケールを含む氷床や海洋・海氷、陸域、大気等観測を通年かつ長期に継続して行うこと、陸域生態系の変動を復元し理解することで、過去の温暖化増幅をの点観測を衛星データなどによって拡げ、代表性のあ定量化し気候変動研究に貢献する。

る面データを得ることである。海洋については、生態系「北極環境変化の社会への影響（テーマ 7）」で挑戦に影響を与える海岸侵食や永久凍土融解などの環境するのは、自然科学と人文社会科学の連携を北極域にも展開することである。緊急事態における自然災害情

161

報、地球温暖化などによる災害の軽減、炭素クレジット

モデリングの分野ではある過程（変数の時間変化）をモデ
ル方程式の中で直接、明示的に書き表すことを「陽に」と表現することが多い。

の導入など、いずれも先住民・新移住者との協働に基208
27

づいて、国家や地方自治体に対する提言を用意するこ「永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解（テーマとを目指す。環境研究コミュニティを越えた連携が必須

12）」によって、凍土の広域的な現状に関する基礎情報である。

を確立することを目指す。特に、凍土の水平分布、厚さ
分布、活動層厚、凍土中の氷・炭素の含有量について「生物多様性を中心とする環境変化を解き明かす」

情報の解像度を上げる必要性があり、多地点でのデー

研究テーマ

タ取得を目指す。凍土の変化については、顕著な例と「陸域生態系と生物多様性への影響（テーマ 8）」でしてサーモカルストによる地盤沈下として現れており、森は、地球温暖化とその他の環境変化が生態系に与える

林火災による地表面変化など気温変化以外の要因にも影響を解明するため観測とモデリングを進め、その中で注意が必要である。永久凍土の情報収集には国際的なも自動観測機器の拡充によってできるだけ多くデータを観測ネットワークとの協力体制が必須である。

集める。寒冷域の種の多様性は比較的低いが、生態的応答の多様性は必ずしも低くないので、環境変化に対「環境研究のブレークスルーを可能にする手法の展する脆弱性を精査することが重要である。そのためには開」テーマ「持続するシームレスなモニタリング（テーマ A）」でスポット調査を広域化すると共に、北海道の生態系も利用して北極圏の生態系影響の研究を進める。

は、様々な環境変化を調査し解明するために、代表性「海洋生態系と生物多様性への影響（テーマ 9）」でのあるデータを継続して集めることが重要である。氷床は、海洋環境の変化による生態系への影響を究明するの内部構造、永久凍土の深部からは貴重なデータを得が、長期構想の軸は北極海が季節海氷化することに伴られる。永久凍土の掘削孔管理にも責任がある。データ

う生息域の北上にある。既存種のあるものは絶滅するこを集める手段として、海洋では砕氷船、係留系、遠隔操とが容易に想像でき、回復が不可能であることを深刻に作センサが必須である。陸域ではスーパーサイトにおい受け止めるべきである。海洋生態系の仕組みの解明にて、気象、雪氷、水文、植生、土壌のデータを集めること

酸性化の進行も合わせ、様々な影響をモニターするたが有効である。

め、砕氷観測船を十分に活用するよう努める。

「複合分野をつなぐ地球システムモデリング（テーマB）」で注目しているのは、地球環境を構成する要素を「北極環境研究の広範な重要課題」研究テーマ

含む地球システムモデルの構築と検証である。大気、海「ジオスペース環境（テーマ 10）」では、ジオスペース

氷・海洋、雪氷、陸域植生の各要素で、鍵となるプロセから降り込む高エネルギー粒子が北極域中層・超高層

ス、そして他の要素に及ぼす影響の精度は様々であ

大気に与える影響など、極域特有の大気上下結合過程

る。個別要素モデルにおいては、プロセスを陽に表現すの解明に取り組む。同時に、極域超高層大気と中低緯ることが基本となるが、結合モデルでは目的に応じてパ度域との緯度間結合にも着目する。これらの過程を観ラメータ化を使い分ける必要がある。ある要素のプロセ

測的に捉え、さらに宇宙天気などの予測研究に発展さスに含まれる誤差が他の要素にどう現れるかという感度せるためには、大型大気レーダーを中心とした拠点観実験結果を客観的に評価する。

測や地上多点ネットワーク観測、衛星観測、全大気圏「モニタリングとモデリングをつなぐデータ同化（テーマ C）」で目指すものは、多圏システムのデータ同化へ

モデルの開発体制を整える必要がある。
「表層環境変動と固体地球の相互作用（テーマ 11）」の挑戦である。その難しさは、それぞれの要素におけるでは、氷床融解と地殻隆起とマントル粘性率の相互関時間スケールの違い、数値モデルの完成度、不確定パ係を解明する。そのための野外地形地質調査と測地観

ラメータ数、データ量の違いにある。この壁を打ち破るた

測は、長期間を要する困難な課題であるが、将来のグ

めには、観測とモデルの両方面からの投資が必要であ

ローバルな海面変化を予測する上で、挑戦する意義はる。現業面の目的は、北極圏の天気予報の信頼向上、十分にある。また、地質学的・地球物理学的手法によさらに北極海況予報の実用化であるが、それには国際る、超大陸の形成・分裂等の固体地球内部に起因する的な連携体制が必要条件である。

変動と、表層環境変動との相互作用の解明は、地球の研究基盤の整備

進化過程の理解を進める上で大きな貢献となる。

20928

g. 研究体制（国内、国際）

a. 船舶
新たに研究用の砕氷船を建設し、その機能も従来の国立および独立行政法人の機関が構成するトップダ

ものより格段に高度化する。機器・設備で特記すべきもウン型の体制と、JCAR を例にするボトムアップ型の自のは、ムーンプール、化学・生物・地質各種実験室（低主組織が相互に支援しあう統合的体制を確立する。国温室含む）、海氷下を長期間航行可能かつ多数のセン

際的には、非北極圏国である日本の立場が正当に認めサを搭載可能な AUV、試料採取も可能な ROV、長尺

られるよう働きかけていく。

大口径ピストンコアラー、海底地形調査に使用するマルh. 機器（大気、超高層、雪氷、陸域、海洋）

チビーム測深器、地層探査に使用するサブボトムプロフ

超高層大気のモニタリングを広域に展開するためのァイラーである。

レーダーのネットワーク、雪氷ではエアロゾルなどの分

b. 衛星

析装置開発を継続する。陸域植生の観測には、樹木の氷河氷床・海氷・積雪の質量変動をモニターする合構成を捕らえられるハイパースペクトルカメラを運用す

成開口レーダーと、レーザー・レーダー高度計を組み合る。機器を展開するための移動装置として、海氷下からわせた観測システムを運用する。重力測定を行う衛星

効率的にデータを取得するため、水中ロボットの活用をの開発を進める。陸域と海洋の生態系をモニターする目指す。

可 視 光 セ ン サ を 2017 年 度 に 打 ち 上 げ ら れ た
GCOM-C1/SGLI に搭載し、さらに、この方針を継続す

i. 数値モデリング
大規模計算資源と大容量ストレージなどのハード面

るよう関係機関に働きかける。

に加えて、モデル開発とハードの運用などに専念する

c. 航空機

人員の確保が必須である。さらにデータ、ソースコード

北極観測のための機器開発を視野に入れ、航空機などの整備を担当する研究技術職員を配置する体制をを所有できるよう体制を整える。その一方で無人機を利つくる。

用して大気観測を行うことも追求する。

d. 拠点ネットワーク
スーパーサイトで多様なパラメータを継続して収集するため、スバールバル、東シベリア、アラスカにおいて二カ国間連携に基づく拠点を維持する。また、カナダの高緯度北極圏、ロシアの北極海沿岸などの観測設備の活用を探る。

e. データアーカイブ
データセンターの設立を目指し、国際的なデータベ
ースとの連携によって、さらに広範なアーカイブの利用を可能にする。

f. 人材育成
我が国の若手研究者育成を目的に、JCAR は国内の大学と北極国の大学の間で連携を構築する。インタ
ーン制度、サマースクール、キャリアパスの開発に加え、GRENE 若手研究者派遣支援事業の発展を目指す。先住民の若手研究者育成に貢献する。

210
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11 章 資料

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15

執筆者等一覧(本報告書全体版作成に携わった者、50 音順。所属は初版発行当時)

北極環境研究長期構想作成ワーキンググループ (2013 年 2 月～ )池 田 元 美(北海道大学)伊 勢 武 史(京都大学)

大 畑 哲 夫

(海洋研究開発機構／国立極地研究所)

川合美千代(東京海洋大学)

兒 玉 裕 二(国立極地研究所)

杉 山(北海道大学)慎

藤 井 理 行(総合研究大学院大学／国立極地研究所)

山 内(国立極地研究所／総合研究大学院大学)

恭

吉 田 龍 平(東北大学)

吉 森 正 和(北海道大学)渡 邉 英 嗣(海洋研究開発機構)

執筆者、査読者
1～4 章、10 章
北極環境研究長期構想作成ワーキンググループ
5～8 章
テーマ 1： 地球温暖化の北極域増幅代表 青 木 輝 夫
副代表 阿 部 彩 子 、榎 本 浩 之 、吉 森 正 和
青 木 一 真 (富山大学)
鈴 木 力 英青 木 輝 夫 (気象庁気象研究所)
須 股浩
阿 部 彩 子 (東京大学)
竹 村 俊 彦阿 部
学 (海洋研究開発機構)
冨 川 喜 弘池 田 元 美 (北海道大学)
羽 角 博 康石 井 正 好 (気象庁気象研究所)
廣 田 渚 郎藤 原均
猪 上淳 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
堀正 岳
榎 本 浩 之 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
本 田 明 治大 石 龍 太 (国立極地研究所／東京大学)
三 好 勉 信岡 本
創 (九州大学)
山 崎 孝 治小 川 泰 信 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
山 内
恭
小 端 拓 郎 (ベルン大学)芳 村圭
小 室 芳 樹 (海洋研究開発機構)
吉 森 正 和坂 野 井 和 代 (駒澤大学)
渡 部 雅 浩
佐 藤 正 樹 (東京大学)
塩 原 匡 貴 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
査読 藤 井 理 行 (総合研究大学院大学／国立極地研究所)

226
31(海洋研究開発機構)(アルフレッドウェゲナー研究所)(九州大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(東京大学)(国立極地研究所／東京大学)(成蹊大学)(海洋研究開発機構)(新潟大学)(九州大学)(国立極地研究所／北海道大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(東京大学)(北海道大学)(東京大学)

テーマ 2： 海氷減少のメカニズムと影響
代表 渡 邉 英 嗣
副代表 大 島 慶 一 郎
池 田 元 美 (北海道大学)
猪 上
淳 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
大 島 慶 一 郎 (北海道大学)
小 野
純 (国立極地研究所／東京大学)
川 口 悠 介 (ワシントン大学)
木 村 詞 明 (国立極地研究所／東京大学)
田 村 岳 史 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
豊 田 隆 寛 (気象庁気象研究所)

豊 田 威 信西 岡純
二 橋 創 平野 村 大 樹平 野 大 輔
溝 端 浩 平渡 邉 英 嗣(北海道大学)(北海道大学)(苫小牧工業高等専門学校)(北海道大学)(国立極地研究所)(東京海洋大学)(海洋研究開発機構)

永 田
俊
西 岡
純
西 野 茂 人原 田 尚 美朴昊 澤
早 坂 洋 史原 圭 一 郎
原 登 志 彦
平 譯
享
松浦陽次郎
松 岡
敦
森 下 智 陽
山 内
恭
渡 邊
豊

(東京大学)(北海道大学)(海洋研究開発機構)(海洋研究開発機構)(海洋研究開発機構)(北海道大学)(福岡大学)(北海道大学)(北海道大学)(森林総合研究所)(ラヴァル大学)(森林総合研究所)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)齋 藤 冬 樹末 吉 哲 雄杉浦幸之助
杉 山慎
鈴 木 和 良竹 内望
坪 井 誠 司朴
昊 澤平 沢 尚 彦藤 井 理 行的 場 澄 人
山 崎
剛
芳 村
圭

(海洋研究開発機構)(国立極地研究所／海洋研究開発機構)(富山大学)(北海道大学)(海洋研究開発機構)(千葉大学)(海洋研究開発機構)(海洋研究開発機構)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(総合研究大学院大学／国立極地研究所)(北海道大学)(東北大学)(東京大学)

査読 菊 地 隆 (海洋研究開発機構)
羽 角 博 康 (東京大学 )テーマ 3： 物質循環と生態系変化
代表 鈴 木 力 英
副代表 原 田 尚 美
青 木 周 司 (東北大学)
石 川
守 (北海道大学)
伊 勢 武 史 (京都大学)
内 田 雅 己 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
大 石 龍 太 (国立極地研究所／東京大学)
大 畑 哲 夫 (海洋研究開発機構／国立極地研究所)
川 合 美 千 代 (東京海洋大学)
久 万 健 志 (北海道大学)
小 島
覚 (北方生態環境研究学房)斉 藤 和 之 (海洋研究開発機構)
三 瓶
真 (広島大学)
杉 本 敦 子 (北海道大学)
鈴 木 力 英 (海洋研究開発機構)
知 北 和 久 (北海道大学)
査読 三 枝 信 子 (国立環境研究所 )佐 々 木 洋 (石巻専修大学 )テーマ 4：氷床・氷河、凍土、降積雪、水循環
代表 飯 島 慈 裕
副代表 杉 山慎
青 木 輝 夫 (気象庁気象研究所)
東 久 美 子 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
阿 部 彩 子 (東京大学)
飯 島 慈 裕 (海洋研究開発機構)
石 川
守 (北海道大学)
岩 花
剛 (アラスカ大学)
榎 本 浩 之 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
大 島 和 裕 (海洋研究開発機構)
太 田 岳 史 (名古屋大学)
大 畑 哲 夫 (海洋研究開発機構／国立極地研究所)
金 尾 政 紀 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
川 合 美 千 代 (東京海洋大学)
川 村 賢 二 (国立極地研究所／総合研究大学院大学／
海洋研究開発機構)
査読 高 橋 修 平 (北見工業大学)
檜 山 哲 哉 (名古屋大学)
テーマ 5： 北極・全球相互作用

227
32

代表 高 谷 康 太 郎
副代表 高 田 久 美 子
池 田 元 美 (北海道大学)
猪 上
淳 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
浮 田 甚 郎 (新潟大学)
小 川 泰 信 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
坂 野 井 和 代 (駒澤大学)
鈴 木 力 英 (海洋研究開発機構)
高 田 久 美 子 (国立極地研究所／国立環境研究所)
高 谷 康 太 郎 (京都産業大学)
立 花 義 裕 (三重大学)
田 中
博 (筑波大学)
冨 川 喜 弘 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
豊 田 隆 寛 (気象庁気象研究所)

中 村尚
羽 角 博 康廣 田 渚 郎藤 原均
堀正 岳
本 田 明 治溝 端 浩 平三 好 勉 信山 崎 孝 治吉 田 龍 平渡 部 雅 浩

(東京大学)(東京大学)(国立極地研究所／東京大学)(成蹊大学)(海洋研究開発機構)(新潟大学)(東京海洋大学)(九州大学)(国立極地研究所／北海道大学)(東北大学)(東京大学)

査読 市 井 和 仁 (海洋研究開発機構)
江 尻 省 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
川 村 隆 一 (九州大学)
菊 地 隆 (海洋研究開発機構)

テーマ 6：古環境から探る北極環境の将来
代表 川 村 賢 二
副代表 山 本 正 伸 、芳 村圭
東 久 美 子 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
阿 部 彩 子 (東京大学)
飯 塚 芳 徳 (北海道大学)
岩 花
剛 (アラスカ大学)
植 村
立 (琉球大学)
大 石 龍 太 (国立極地研究所／東京大学)
奥 野 淳 一 (国立極地研究所／海洋研究開発機構)
川 村 賢 二 (国立極地研究所／総合研究大学院大学／
海洋研究開発機構)
小 端 拓 郎 (ベルン大学)
齋 藤 冬 樹 (海洋研究開発機構)

末 吉 哲 雄菅 沼 悠 介関宰
原 田 尚 美藤 井 理 行的 場 澄 人三 浦 英 樹山 本 正 伸芳 村圭
吉 森 正 和(国立極地研究所／海洋研究開発機構)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(海洋研究開発機構)(総合研究大学院大学／国立極地研究所)(北海道大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(東京大学)(北海道大学)立 澤 史 郎
坪 井 誠 司早 坂 洋 史松村寛一郎
三 好 由 純山 口
一

(北海道大学)(海洋研究開発機構)(北海道大学)(関西学院大学)(名古屋大学)(東京大学)

査読 高 橋 孝 三 (北星学園大学)
堀 内 一 穂 (弘前大学)

テーマ 7： 北極環境変化の社会への影響
代表 池 田 元 美
副代表 高 倉 浩 樹
荒 木 田 葉 月 (理化学研究所)
池 田 元 美 (北海道大学)
大 塚 雄 一 (名古屋大学)
齋 藤 誠 一 (北海道大学)
佐 藤 篤 司 (防災科学技術研究所)
高 倉 浩 樹 (東北大学)
査読 岸 上 伸 啓 (国立民族学博物館)
北 川 弘 光 (海洋政策研究財団)

テーマ 8：陸域生態系と生物多様性への影響
代表 原 登 志 彦
副代表 伊 勢 武 史

22833

荒木田葉月伊 勢 武 史大 畑 哲 夫小 島覚
鈴 木 力 英
高 橋 英 樹立 澤 史 郎(理化学研究所)(京都大学)(海洋研究開発機構／国立極地研究所)(北方生態環境研究学房)(海洋研究開発機構)(北海道大学)(北海道大学)

露 崎 史 朗羽 島 知 洋
早 坂 洋 史原 登 志 彦原 口昭
吉 田 龍 平(北海道大学)(海洋研究開発機構)(北海道大学)(北海道大学)(北九州市立大学)(東北大学)

査読 藤 巻 裕 蔵 (帯広畜産大学)

テーマ 9：海洋生態系と生物多様性への影響
代表 平 譯 享
副代表 綿 貫 豊
飯 田 高 大 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
池 田 元 美 (北海道大学)
内 宮 万 里 央 (国立極地研究所／東京大学)
小野寺丈尚太郎 (海洋研究開発機構)
帰 山 雅 秀 (北海道大学)
川 合 美 千 代 (東京海洋大学)
齋 藤 誠 一 (北海道大学)

三 瓶

真 (広島大学)

服 部

寛 (東海大学)平 譯
享
松 野 孝 平
山 口
篤
綿 貫
豊

(北海道大学)(国立極地研究所／北海道大学)(北海道大学)(北海道大学)査読 原 田 尚 美 (海洋研究開発機構)
三 谷 曜 子 (北海道大学)

テーマ 10： ジオスペース環境
代表 小 川 泰 信
副代表 冨 川 喜 弘
野 澤 悟
大 塚 雄 一 (名古屋大学)
藤 田
小 川 泰 信 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
坂 野 井 和 代 (駒澤大学)
藤 原
塩 川 和 夫 (名古屋大学)
三 好 勉
冨 川 喜 弘 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
三 好 由
査読 中 村 卓 司 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
細 川 敬 祐 (電気通信大学)

テーマ 11： 表層環境変動と固体地球の相互作用
代表 野 木 義 史
副代表 三 浦 英 樹
奥 野 淳 一 (国立極地研究所／海洋研究開発機構)
川 村 賢 二 (国立極地研究所／総合研究大学院大学／
海洋研究開発機構)
菅 沼 悠 介 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
杉 山
慎 (北海道大学)
査読 沖 野 郷 子 (東京大学)
福 田 洋 一 (京都大学)

229
34

徳
茂
均
信
純

土井浩一郎
野 木 義 史藤 井 理 行外 田 智 千三 浦 英 樹(名古屋大学)(気象庁気象大学校)(成蹊大学)(九州大学)(名古屋大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(総合研究大学院大学／国立極地研究所)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)

テーマ 12：永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解
代表 末 吉 哲 雄
副代表 石 川 守
石 川
守 (北海道大学)
岩 花
剛 (アラスカ大学)
大 畑 哲 夫 (海洋研究開発機構／国立極地研究所)
斉 藤 和 之 (海洋研究開発機構)

末 吉 哲 雄 (国立極地研究所／海洋研究開発機構)
原 田 鉱 一 郎 (宮城大学)
藤 井 理 行 (総合研究大学院大学／国立極地研究所)

査読 池 田 敦 (筑波大学)
檜 山 哲 哉 (名古屋大学)

テーマ A： 持続するシームレスなモニタリング
代表 山 崎 剛
副代表 田 村 岳 史
青 木 輝 夫 (気象庁気象研究所)
飯 田 高 大 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
市 井 和 仁 (海洋研究開発機構)
大 島 慶 一 郎 (北海道大学)
木 村 詞 明 (国立極地研究所／東京大学)
紺 屋 恵 子 (海洋研究開発機構)
末 吉 哲 雄 (国立極地研究所／海洋研究開発機構)
杉 本 敦 子 (北海道大学)
杉 山
慎 (北海道大学)
鈴 木 力 英 (海洋研究開発機構)
査読 太 田 岳 史 (名古屋大学)

テーマ B： 複合分野をつなぐ地球システムモデリング代表 阿 部 彩 子
副代表 小 室 芳 樹
阿 部 彩 子 (東京大学)
池 田 元 美 (北海道大学)
伊 勢 武 史 (京都大学)
大 石 龍 太 (国立極地研究所／東京大学)
小 野
純 (国立極地研究所／東京大学)
小 室 芳 樹 (海洋研究開発機構)
査読 江 守 正 多 (国立環境研究所)
時 岡 達 志 (海洋研究開発機構)

田 村 岳 史豊 田 威 信二 橋 創 平原 圭 一 郎
原田鉱一郎
藤 井 理 行溝 端 浩 平森 本 真 司
山 崎
剛
山 内
恭

(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(苫小牧工業高等専門学校)(福岡大学)(宮城大学)(総合研究大学院大学／国立極地研究所)(東京海洋大学)(東北大学)(東北大学)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)

齋
佐
佐
山
吉
渡

(海洋研究開発機構)(海洋研究開発機構)(東京大学)(東北大学)(北海道大学)(海洋研究開発機構)

藤 冬
藤
藤 正
崎
森 正
邉 英

樹
永
樹
剛
和
嗣

テーマ C： モニタリングとモデリングをつなぐデータ同化
代表 若 松 剛
副代表 池 田 元 美
池 田 元 美 (北海道大学)
豊 田 隆 寛 (気象庁気象研究所)
猪 上
淳 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
若 松
剛 (海洋研究開発機構)
小 野
純 (国立極地研究所／東京大学)
渡 邉 英 嗣 (海洋研究開発機構)
須 股
浩 (アルフレッドウェゲナー研究所)
査読 石 井 正 好 (気象庁気象研究所)
中 野 英 之 (気象庁気象研究所)

230
35

9 章 研究基盤の整備
青 木 輝 夫 (気象庁気象研究所)
阿 部 彩 子 (東京大学)
飯 島 慈 裕 (海洋研究開発機構)
池 田 元 美 (北海道大学)
石 川
守 (北海道大学)
伊 勢 武 史 (京都大学)
大 畑 哲 夫 (海洋研究開発機構／国立極地研究所)
岡 本
創 (九州大学)
川 合 美 千 代 (東京海洋大学)
川 村 賢 二 (国立極地研究所／総合研究大学院大学／
海洋研究開発機構)
小 室 芳 樹 (海洋研究開発機構)
澤 柿 教 伸 (北海道大学)
塩 原 匡 貴 (国立極地研究所／総合研究大学院大学)
末 吉 哲 雄 (国立極地研究所／海洋研究開発機構)
杉 本 敦 子 (北海道大学)
杉 山
慎 (北海道大学)
鈴 木 力 英 (海洋研究開発機構)
舘 山 一 孝 (北見工業大学)

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36

谷 川 朋 範田 村 岳 史豊 田 威 信西 岡純
西 野 茂 人野 木 義 史野 村 大 樹平 譯享
藤 井 理 行藤 原均
古 屋 正 人堀雅 裕
溝 端 浩 平矢 吹 裕 伯山 内
恭山 本 正 伸吉 田 龍 平渡 邉 英 嗣(宇宙航空研究開発機構)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(北海道大学)(海洋研究開発機構)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(北海道大学)(総合研究大学院大学／国立極地研究所)(成蹊大学)(北海道大学)(宇宙航空研究開発機構)(東京海洋大学)(海洋研究開発機構／国立極地研究所)(国立極地研究所／総合研究大学院大学)(北海道大学)(東北大学)(海洋研究開発機構)

北極環境研究コンソーシアム 運営委員
第 1 期 (2011 年 5 月～2013 年 6 月、所属は任期中のもの)
青 木 輝 夫

(気象庁気象研究所)

杉 山

慎(北海道大学)

東 久 美 子(国立極地研究所)

田 中博(筑波大学)

阿 部 彩 子(東京大学)

中 坪 孝 之(広島大学)

五十嵐(リモート・センシング技術センター)

中 村 卓 司(国立極地研究所)

榎 本 浩 之(国立極地研究所)

野 沢(国立環境研究所)

大島慶一郎(北海道大学)羽 角 博 康(東京大学)

大 畑 哲 夫

(海洋研究開発機構)

檜 山 哲 哉

(総合地球環境学研究所)

神 田 啓 史(国立極地研究所)

福 田 正 己(福山市立大学)

菊 地(海洋研究開発機構)

松浦陽次郎(森林総合研究所)(北海道大学)矢 吹 裕 伯(海洋研究開発機構／国立極地研究所)

保隆

齊 藤 誠 一徹

島 田 浩 二(東京海洋大学)

山 口一(東京大学)

杉 本 敦 子

(北海道大学)山 内

恭(国立極地研究所)

中 村

尚(東京大学)

第 2 期 (2013 年 6 月～)

青 木 輝 夫

(気象庁気象研究所)

東 久 美 子(国立極地研究所)

野 沢

徹(岡山大学)

阿 部 彩 子(東京大学)

羽 角 博 康(東京大学)

榎 本 浩 之(国立極地研究所)

檜 山 哲 哉

(名古屋大学)

大 畑 哲 夫

(海洋研究開発機構／国立極地研究所)

深 町(北海道大学)齊 藤 誠 一(北海道大学)

福 田 正 己(福山市立大学)

島 田 浩 二(東京海洋大学)

堀(宇宙航空研究開発機構)

杉 本 敦 子

(北海道大学)松浦陽次郎(森林総合研究所)

杉 山

慎(北海道大学)矢 吹 裕 伯(海洋研究開発機構／国立極地研究所)

田 中

康
雅 裕

博

(筑波大学)

山 口一(東京大学)

中 坪 孝 之(広島大学)

山 内

恭(国立極地研究所)

中 村 卓 司(国立極地研究所)

23237

付属資料（2018 年 5 月現在）

北極研究推進の国際動向に関する資料

1．本資料の目的
本資料は世界における北極に関する学術研究の推進動向を把握し、研究企画・実施上の資料として関係者に役立てもらうことを目的としてまとめたものである。本資料の中には北極に関する学
術研究を行っている、あるいは学術推進などを行っている機関・組織、それから研究プログラム・プ
ロジェクト（これらはすべて項目と称する）に関する情報を網羅している。
2．掲載する項目
下記の一定の条件をもとに、掲載する項目の選定を行った。
(1) 自然科学・人文社会科学の分野に関係する動向を対象とした。
(2) 北極研究関係の文書に記載される頻度が高いものは含めた。
(3) 国別の項目について、取り上げる国は IASC 加盟国に限定した。
(4) 北極国の省庁の機関・組織は何らかの形で北極研究に関わっているが、主要なもののみを選択し掲載した。
(5) 大学等に関しては、北極研究に関するセンターの設置など特別な措置がなされている大学に限定した。
(6) 客観性を確保するため基本的に各項目の英文ホームページを参照し、記載する内容を選んだ。適当なホームページがない項目に関しては、掲載しなかったものもあった。
(7) すでに終了した過去の組織等、プログラム等でも重要と考えられるものは掲載した。
3．各項目の記載内容 （下記 A1～A5、B1～B22 の項目）
(1) 名称：英文名を記載。一般に通用していると考えられる日本語名がある場合には日本語名も記載。単なる和訳は載せていない。
(2) アクロニム（略称）：一般に通用しているアクロニムのみ掲載。
(3) 概要：概要としては「項目の性格」およびその「目的（任務）」を記した。「項目の性格」は、組織等に関しては、分類法が複雑であるため、原則として、該当項目の HP に掲載されている説明に従った。
(4) ホームページ：項目の公式ホームページを記載したが、その項目の情報を得る上で有益な他のホームページがあれば併せて記載した（参考と記載）。
4．項目の分類
項目は、便宜のため以下に分類した。
A1：国際機関および国際委員会・多国間組織
A2：国際学術組織（この組織も大規模集会は実施するが、学術雑誌出版等の活動も実施。）（1）

A3：国際研究プログラム：長期間にわたり実施されている学術研究を伴う事業。
A4：国際研究プロジェクト：期間を決め、特定の目的を達成するために行われている学術研究を伴う事業
A5：国際大規模集会
B1～B23：各国については最初に政府機関等が公表している政策・戦略文書等を記載。その後、各項目（組織・プロジェクト）を掲載してある。
5．参考となる資料
本調査でも以下の情報源を参照した。より詳細に知りたい場合には、参照していただきたい。
文献 1：USARC （2016）：Supporting Arctic Science: A Summary of the White House
Arctic Science Ministerial Meeting.
(https://www.arctic.gov/publications/other/supporting_arctic_science.html)
文献 2：UArctic member-profile.: (https://www.uarctic.org/member-profiles/)
文献 3：EU-Polar NET: ヨーロッパの極域研究の解説(http://www.eu-polarnet.eu/european-polar-science/)
文献 4：EU Arctic Information Centre(https://www.arcticinfo.eu/)
6. 補足情報
本調査は、北極環境研究コンソーシアム（JCAR）の「北極研究の長期構想」の改訂版に資料として添付することを目的として作業が行われたが、膨大な量であり、また必要な情報を確保するのに時間を要した関係上、改訂版の出版時点で未完成である。研究コミュニティー等にとっては、未完成版であっても有益と考えて掲載するものである。完成版は本年（2018 年）後半に JCAR のホームページで公開する予定であり、公開後はそちらを参照していただきたい。完成版では、各項目に関してより詳しい説明（活動内容、運営方法、など）を追加する予定である。
7．各項目の一覧
挿入：ファイル名：一覧（展開用）新分類・ナンバリング、一覧
8．アクロニム一覧
挿入：ファイル名：一覧（展開用）新分類・ナンバリング、アクロニム検索

情報提供者：大畑哲夫、川合美千代、高橋美野梨、山内恭、兒玉裕二、末吉哲雄

（2）

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（13）

2015 年 3 月 12 日 改訂版
2018 年 9 月 28 日 増補改訂版

北極環境研究の長期構想(Long-term Plan for Arctic Environmental Research)

北極環境研究コンソーシアム(JCAR, Japan Consortium for Arctic Environmental Research)

2014年9月 発行
2015年3月 改訂
2018年9月 増補改訂版

連絡先: 北極環境研究コンソーシアム事務局〒190-8518 東京都立川市緑町 10-3
国立極地研究所 内
E-mail: jcar-office@nipr.ac.jp
ホームページ http://www.jcar.org/