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えげ、北極環境を構成する諸要素の間のフィードバックをうる今世紀の環境変化であり、社会の関心が高いので、解明する。生態系の変化から地球温暖化へのフィードバ

それに関わるテーマをあげる。鍵となるプロセスを取り上ックにも注目する。

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

熱蓄積と海氷アルベドが北極域増幅に与える役割につが働く結果、他の地域より急激な気温上昇になる。「北いて述べた。Q4 は、北極温暖化増幅において最も不極温暖化増幅」として知られている現象である。しかし、確定性が高いと考えられる雲とエアロゾルがもつ定量的個々の要素からの定量的な寄与や、物理過程に関する役割について考察した。最後に、全体のまとめとして北理 解は 未だ 不 十 分で ある 。 そ こで 、以 下の 5 つの極温暖化増幅はなぜ起こっているのか、その予測と不Questions に関してそれらの重要性と現状、及び今後確実性はどれほどか、北極域における放射強制力とフの長期研究戦略を提案した。

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・鉛直熱輸送

い、定量的評価の研究の現状と課題を考察した。それは、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Q3： 季節変動をもつ海洋の熱蓄積と海氷アルベドの行った。
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

するのか？

デラーの協力のみならず、モデル検証に用いるデータ

Q1 は大気循環に関する記述で、中緯度からの熱輸の計画的取得が必要である。我が国の貢献として、超送の影響と超高層大気の役割に分け、下層から上層の高層から海氷に至る衛星観測の拡充を図るため、セン大気における水平・鉛直熱輸送が北極気温増幅にどう

サ開発と衛星打ち上げを継続するよう担当機関に働き影響するかという点について考察した。Q2 は陸域積かける。もうひとつの鍵となる海洋の現場観測について

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

う積雪、凍土、氷床の変化と土壌、植生が大気におよぼ

い。

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フ本的原因は、温室効果気体の増加による温暖化であるィードバックを示したものである。各矢印の大きさに関すと考えられるが、北極域では中低緯度域に比べ、気温る現在の我々の知見は、それほど正確なものではなく、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。中心にあるている（北極温暖化増幅）。しかし、北極域での温暖化「温暖化」が進行すると、海氷の減少、雪氷の融解、大増幅のメカニズムは単純ではなく大気、海洋、雪氷、陸気循環の変化、雲やエアロゾルの変化などが起こり、高9図3
北極域各要素間の潜在的フィードバック効果

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

めに、図 3 に示した各要素やそれらの間で起こっている

果気体の排出が進む。しかし、一方で海氷が減少し開現象を理解することが強く求められている。そこで本章

水面が拡大すると海洋から大気への水蒸気の供給によでは代表的な構成要素である大気、海洋、陸域におけって雲量が増加し、海氷の更なる融解を変化させる効る Question として、大気中の熱輸送、陸域・氷床の水果もある。このような様々なフィードバック効果の結果、循環変化と植生変化、海氷と海洋について考察し、さら北極域では温暖化は増幅されているということが、観測に最も不確定性の大きな雲とエアロゾルの各フィードバ

や数値モデルによる研究から分かってきたが、個々のック・プロセス、そして、それらのまとめとして北極温暖化

要素からの定量的な寄与や、物理過程に関する理解は増幅はなぜ起こっているのかという Question を設定し、未だ不十分である。

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？
Q1a: 中緯度からの熱輸送の影響起こっている。現実の北極気候変化は、気候変動に関(1) 研究の現状する政府間パネル（IPCC）報告書で報告されている多地球温暖化の中、北極域には多くの変化が現れてい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る。衛星観測による継続的なデータが存在するここ 30れる。

年間で、北極海を覆う海氷面積、積雪域面積は大きく

北極域の温暖化とその増幅については、海氷面積の減少し、北極圏の広範囲で、地上気温、地温、海洋上減少によるアイス・アルベド・フィードバック14の効果や極層の水温も昇温傾向を示している。さらに、北極圏陸域

向きエネルギー輸送の増加、ブラックカーボンに伴うアを覆っている永久凍土の融解による温室効果気体であ

ルベドの変化などさまざまな要因が提唱されている

るメタンの放出、北極海に注ぐ河川流量の増加、グリー（Graversen et al., 2008 など）。この中で極向きエネル

ンランド氷床の融解、氷河・氷帽の縮小、積雪面積・期ギー輸送に関しては、Oort (1971)がレーウィンゾンデ

間の減少、北極上空のオゾン量の減少、大気中二酸化デ ー タ を 用 い て 季 節 変 動 を 、 Trenberth and

炭素増加による海洋酸性化の進行など様々な異変がStepaniak (2003)が再解析データを用いて、季節変

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。

10

動、年々変動を示すとともに乾燥静的エネルギー、潜さらに、北極域大西洋セクターは、大気・海洋におけ

熱、運動エネルギーの各成分の寄与を、定常成分と擾

る極域と中緯度域の熱・水循環の窓口として機能してお乱成分について示している。Hwang et al. (2011) はり、その変動は北大西洋振動（NAO）・北極振動（AO）

第 3 次結合モデル相互比較プロジェクト CMIP3 の複に代表される大気循環場の変動に強く支配されてい数モデル結果を用いて、極域の気温上昇に伴い北極る。一方、バレンツ海、カラ海の海氷変動は大気海洋間域で極向きエネルギー輸送が減少していることを示しての熱交換を通じて、大気の遠隔応答を介して極東の冬いる。現状では、エネルギー輸送（熱輸送）を直接取り

季モンスーンの変動に影響を与えていることが明らかに扱った研究は少なく、北極域の現況を記述する多数のなりつつある。このような事実から、特に北極大西洋～

研究とは十分にリンクしているとは言えない。

ユーラシアセクターの水平・鉛直熱輸送を定量的に見積もることが、北極温暖化増幅を理解する上で重要と考(2) 今後の研究えられる。また、このような北極の急激な気候変動とその北極でなぜ温暖化が強化されるのか、また、その根

空間的非一様性に対して、エアロゾル－雲プロセスにと底にあるメカニズム、全球気候変動との関係を明らかにもなう放射強制力やフィードバックメカニズムの水平・鉛するためには、個別のプロセスの理解だけではなく、北直熱輸送への潜在的な寄与が考えられており、北極の極の気候システム全体がどのように働いているのか、そ気候変動という観点からの総合的な評価を行なっていくの中で大気によるエネルギー輸送に着目し、どのように必要がある。

関わっているかを理解する必要がある。そこで北極大気を 1 つのボックスととらえ、中緯度との間でどのように熱、

Q1b： 超高層大気の役割は何か

水蒸気、物質を交換しているのか、またそこにどのように(1) 研究の現状

大気力学が関わっているのかを理解することが重要で二酸化炭素増加に伴う下層大気の温暖化に対して、あると同時に、強い温暖化を引き起こすようなフィードバ

中層・超高層大気では寒冷化が起きているが、大気密ック・プロセスの同定とその理解が必須である。その中度の小さいこの領域では、この変化がより顕著に表れるで、（1）中緯度との熱、水蒸気、物質交換、（2）フィード

ことが知られている。二酸化炭素濃度増加に伴う中間

バック・プロセス、（3）中間圏、成層圏から境界層にいた圏の寒冷化や、メタンの増加に伴う中間圏界面付近でる北極大気における鉛直方向の結合という 3 点についの水蒸気の増加により、中間圏界面の夏季極域に発生て、包括的に研究を進めていく必要性がある。

する夜光雲の発生頻度は、近年増加傾向にあると報告

この急変している北極圏気候変化の根底にあるプロされている。さらに、従来は夜光雲がみられなかった中セスを解く鍵が、その変動・変化の時空間的特徴のなか緯度域でも観測報告がなされている。また、超高層大気にあると考えられる。特に 1990 年代に入って海氷面積

では、低軌道衛星の軌道データを用いた大気密度の経の減少、地上気温の上昇など、さまざまな変化が顕在

年変化から、超高層大気の寒冷化に伴う大気収縮によ化していることは周知の事実である。さらに、北半球寒り、大気密度が急激に減少しているとの報告もある。こ冷域において、現在進行中の温暖化と同様に急激な地のように、中間圏や超高層大気の寒冷化を定量的に理

上気温の昇温が 20 世紀前半、1920 年代～1940 年代

解することは、下層大気の温暖化の程度を理解することに起きていた事実は、海氷のアイス・アルベド・フィードにつながるといえる。下層大気環境を映し出す鏡としてバックに代表される急激な気候変化を引き起こすプロセの超高層大気の役割を認識し、中間圏や超高層大気

スが、北極圏気候システムに内在することを示唆する。

の中期・長期変動についても詳しく調べることが強く望また、北極圏における温暖化は空間的に非一様なパタまれる。しかし、夜光雲の観測、超高層大気の大気密度ーンを持つ傾向にあり、特に 20 世紀前半はユーラシアの観測共に、中期・長期的な変動を議論するためのデセクターの温暖化が明瞭であった。元来、北極海の他

ータの絶対量が不足しているため、不確定性も多く含まの海域に比べてバレンツ海から東シベリア沿岸にかけれている。

て海氷の季節・経年変動が大きく、中でもバレンツ海、

対流圏起源のプラネタリー波が成層圏に伝播し、成カラ海周辺は北半球でも最も大気海洋間の熱交換が大

層圏大気大循環を変化させ、それがさらに対流圏大気

きい海域の一つである。

大循環に影響を及ぼすことが明らかになりつつある11（例えば、Baldwin and Dunkerton, 1999）。また、中化炭素濃度増加に伴う成層圏の寒冷化によるものなの間圏や熱圏では、対流圏起源の各種大気波動が、東か、今後のオゾンホールの発生頻度は増加するのか、

西平均東西風や子午面循環の形成に大きく寄与していといったことはまだよく解っていないのが現状であるることが知られている。しかし、対流圏起源の各種波動（例えば、Manney et al., 2011）。

により引き起こされた中間圏や熱圏での大気大循環(2) 今後の研究が、逆に、大気上下結合過程を通じて、対流圏に影響を及ぼすかどうかについてはよく解っていない。温暖化

北極域での超高層大気と中層大気のグローバル観

により、対流圏での大気大循環は大きく変調することが測ネットワークの構築や、衛星観測が重要である。ま

知られているが、これに伴って、中層大気や超高層大

た、中緯度域の観測との比較や南極域での観測との比

気に鉛直伝播する大気波動も変調することが推測され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。温暖化による対流圏起源の大気波動の変調により、る。中層・超高層大気の寒冷化の影響をより定量的に中層大気の東西平均東西風や子午面循環がどの程度明らかにするには、大気大循環モデルによる数値シミュ影響を受けるのか、また、この変化がさらに対流圏に影レーションが不可欠である。そのためには、中層大気や響を及ぼす可能性はあるかどうかについては、ほとんど

超高層大気を含む大気大循環モデルの高精度化が課わかっていないのが現状である。

題である。特に、中層・超高層大気が下層大気におよ

成層圏でのオゾン変動は、成層圏プラネタリー波のぼす影響を調べるには、数値モデルの上端高度を変更

活動度と密接に関連している。しかし、成層圏プラネタリ

したシミュレーションを各種実行し、比較解析することがー波は、温暖化に伴い大きく変化すると考えられてい大変有効である。また、地球温暖化に伴うオゾン減少をる。さらに、冬季から春季にかけてのオゾン破壊の光化

正確に予測するには、光化学反応過程を含んだ高精学反応過程は、関連する各種の大気微量成分濃度変度の化学気候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 の化や下部成層圏の温度などとも密接に関連しているた

Q3 も参照のこと

め、予測は非常に難しい。例えば、2011 年の春には、北極でもオゾンホールが発生したが、この現象が、二酸

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

かし、冬季の降水量自体は減っていないことから、春の(1) 研究の現状

融雪と流出が早まることが原因と考えられる。積雪域の地球温暖化の北極域増幅に関する陸上の雪氷、

アルベド・フィードバックが起こるのは日射が増える春で

凍 土 および氷 床 のフィードバック・プロセスについてあり、また水循環についても春の融雪が重要である。4は、まずそれぞれの要素が持つ特徴の把握、変化プ

月以降、北半球高緯度の融解域が高緯度側に急速にロセスの追跡、そして影響の理解と再現研究が進め北上する。融解の進行、含水率増加と積雪粒径の増加

られている。多点の観測データと衛星データによる連によるアルベド低下が起こることは衛星でも観測されて続・広域情報がもとになっており、積雪域の熱収支解いる。日射が最大になる 6 月には陸上の積雪域はほぼ

析から、雪氷のアルベド・フィードバックによって進む

消失しており、アイス・アルベド・フィードバックの舞台は春の融解促進とその後の地表や大気への熱の移動

北極海の海氷に移る。この時期の陸域では、融雪水のも解析やモデル計算が行われている。しかし、水循環

地中への浸透と河川への流出、また地温上昇が始まに関係 する融 解の開始や融 解水の動 きについてはる。近年の春の積雪面積の減少は積雪開始・終了の季不確定なものも多く、観測による熱伝導や融解水の節サイクルの変調、アルベドの影響時期のシフトを起こ

移動など基本プロセスの理解やモニター観測点の展すと予想できる。

開や維持が必要である。

永久凍土域では、地温上昇が観測されているものの

北半球高緯度では、春の積雪面積が減少しているこ

凍土の融解には至っていないと報告されている。季節とが報告されている (Derkson and Brown, 2012)。し融解を起こす永久凍土表層の活動層では夏季の気温12だけでなく、積雪が抑制する冬季の地表面冷却や、春蓄積に時間がかかるため、代表的な地域で早期に観測の融雪が促進する土壌水分量の増加にも影響を受けを開始することが望まれる。これら積雪や凍土の長期継る。冬季の温度条件と積雪による凍土融解促進につい

続観測に関しては、北極圏の各国や国際観測ネットワて観測が必要である。衛星 GRACE による重力観測かーク活動に依存するが、代表的な観測域における拠点

ら、北極圏陸域での質量減少が観測され、氷床や氷設置や集中観測などは国際的な提携活動として推進す

河・氷帽の縮小、永久凍土から融解水が流出しているとべきである。
積雪表面アルベド変化をもたらす不純物、微生物、推定されている。
グリーンランド氷床では、2012 年夏にはグリーンラン

粒径の観測では、多点サンプルの分析や、積雪ピット

ド氷床表面全域で融解が観測された。氷床表面の融雪やコアの分析による過去の変動研究が有効である。そ域や融解池の拡大、また、表面で繁殖する微生物は、のための精度の高い分析手法開発やモニター体制のいずれも表面のアルベドを低下させ、融解を促進する。

充実が必要とされる。不純物分布の地域性・時間変動

半球的な気温上昇だけでなく、氷床周辺のシノプティッが予想されるが、輸送・沈着過程についてモデルを用

クな気象による暖気流入や、水蒸気増加による大気放いた研究が望まれる。

射加熱などの融解促進プロセスも報告されている。氷床

グリーンランド氷床では、融解水がムーラン等を通じ表面での不純物による反射率低下には森林火災の影て氷床底面に流れ、氷床の底面滑りの加速により動的響も検出されている。周辺海域の水温上昇も氷床末端不安定性が増大し、さらに氷床質量減少を加速する可部の不安定性を増大させ、氷河後退を加速させると考能性がある。融解水の滞留や再凍結は周辺海域の海えられている。一方で氷床からの融解水は海洋循環に

洋循環や結氷にも影響を与える。氷床の融解と流出をも影響を与えると予測され、影響を検出すべく氷床およ

定量的に捉え、大気と氷床と海洋の関わりを調べていく

び海洋の共同調査が試みられている。

ことが今後望まれる。

(2) 今後の研究

Q2b: 土壌・植生が大気におよぼす影響(1) 研究の現状と問題点

雪氷によるアルベド・フィードバックに関わる観測情報源として、衛星観測は重要な広域観測手法であり、アイ

一般に、植物は気温、降水量、日射量、大気の二酸

ス・アルベド・フィードバックの解析に重要な、降雪の確化炭素濃度などの外的な環境条件の影響を受けてそ認、積雪期間、アルベド変化の観測の情報取得が期待の分布が定まる。特に、北極域では気温による影響ができる。衛星による積雪被覆と融解域の把握には高精

最も支配的であり、比較的温暖な低緯度側には亜寒帯度の技術が開発されつつある。しかし、積雪水量の測林が、比較的寒冷な高緯度側にはツンドラ植生が形成

定について地域・時期ごとの精度確認や改良が必要でされている。過去の温暖な時代や寒冷な時代に、植生ある。（テーマ A 参照）の分布が当時の気候を反映して現在と異なっていたこ

積雪予測モデルについても、まず降水／降雪の予測とは地質学的証拠から知られている。現在進行している

精度の向上、次に融雪予測の不確定性を少なくするこ

温暖化に伴って起きていると考えられる植生分布の変とが望まれる。降水観測ミッション衛星 GPM の観測域化を正しく把握することが重要な課題となっている。

は北緯 65 度以南に限られるが、フェアバンクスやヤク

最近の過去 20 年程度の時間スケールでは、北半球ーツクなどこの観測域にある地上での降雪識別及び強高緯度の植生の増加トレンドが衛星観測から検出され度観測と合わせて、モデルによる降雪予測に必要な基ている（Tucker et al., 2001）。また、空間的なスケール

礎情報を得ることが期待される。また、北極海に至る大は異なるが、50 年程度の過去の写真風景と現在の同じ河川の上流域は GPM の観測域に含まれている。ただ場所を比較することで、北極域陸上での植生の増加はし、衛星による降雪量の推定誤差は大きいため、現地検出されており、温暖化に対応して陸域生態系が応答観測との較正は今後も重要である。

していると考えられる。植生の増加はアルベドの低下を水循環に関わる凍土融解、河川流量（氾濫）のモニタ

促し、太陽光の吸収を増加させることで、北極域の温暖リングには長期観測体制の整備が必要である。データ化を増幅するというメカニズムがモデルシミュレーション

13

によって示されている。また、北極域は積雪域でもある

つある。今後 20 年程度の時間スケールでは、これまでので、植生によるアルベド低下は春先の融雪を促進し、に観測された植生の変化傾向がより顕著になることが予

さらなる非線形な温暖化増幅が起きうる（O’ishi and

想される。既存のモニタリングを継続し今後期待される

Abe-Ouchi, 2011）。また、北極域で直接温暖化を増幅

20 年分の知見を加味して、さらに長期的な将来におけするわけではないが、温暖化による凍土層の融解による植生変化の推定と極域増幅への寄与の定量化を実ってこれまでに凍土層に蓄積されていた有機炭素の大現すべく、地上観測、衛星観測、モデル研究の 3 者が気中への放出が起きる可能性も指摘されている（テーマより緊密に協力する体制が必要である。協力の必要性

1Q2a およびテーマ 3 参照）。そのため、北極域全体では十数年以上前から言われており、研究者の地道な努の植生変化を精度よく把握することが重要である。

力によって前進してきている。だが、この問題について

しかし、地上観測点は限られており、モデル化されたは画期的な改善をもたらす名案が出ることは期待できプロセスがどの程度現実の北極域全体の植生変化を表ず、今後も努力を続けるのが最も近道と考えられる。衛現しているかは検証が困難であるため、今後どの程度星データを用いたモデル・データ同化や、広域の観測の植生変化と温暖化増幅が北極域全体で起こるかは不点整備とデータ統合によって、地上観測、衛星観測、モ確実性がある。また、永久凍土融解による植生変化と有デル 3 者の相互比較と検証が可能となれば、森林帯の機炭素放出も同様に推定は困難である。

北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来予測や、数百年先の森林分布の推定等の高精度(2) 今後の研究化に繋がる。このような協力体制の試みは既に始まって北極域の植生変化とその気候への影響に関連するおり、今後の発展が期待される。

個別のプロセスについては、定性的には明らかになりつ

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と把握することが必須となる。

して、他の地域に比べ温度上昇が高い理由は、アイス・広くなった開氷部から出た水蒸気によって秋季の降

アルベド・フィードバックだと言われてきた。その他、図 4

水量が増えるなら、積雪はアルベドを高めるが、その一を参照しながら、海洋に関係するプロセスの効果を解き方で海氷を通る熱伝導を減らすので、降雪および積雪

明かし、できるだけ定量化する方向性を提示する。

の融解と再結氷も考慮して、熱的効果を定量化する必要がある。夏季のメルトポンドがアルベドと熱伝導に及a. 研究の現状

ぼす効果は、水深が重要になるが、衛星データによる（1）海氷アルベドと表層海洋の役割を定量的に求め見積もりに依存することになろう。

る （テーマ 2 参照）

海氷が減少すると、融解・結氷の季節変動も大きくな

旧来より言われてきたことは、海氷のアルベドが海水る。SHEBA15で示されたように、融解による低塩分水がより高く、海氷が減少することで太陽放射が海洋により表層に留まる海域が多いものの、海氷域の縁辺や、陸多く吸収される現象である（Perovich et al., 2007）。し棚などの地形による湧昇が起きる一部海域では、鉛直

かし、このフィードバックは直接には夏季に限られ、蓄積混合が増大することで、夏季の熱を下方に運ぶ効果もされた熱の一部が秋季に鉛直混合で下方に輸送され、考慮する必要がある。

開水部から大気へ放出される。海洋の蓄積熱で越年する割合の把握が重要である。また、海氷の体積が減るこ（2）大気との相互作用が持つ役割 （テーマ 2 参照）とで負の熱蓄積が前年より減少しているか、翌夏の開水

海氷減少は、秋季になると大気の総観規模擾乱と雲面が増えるかも鍵となる。大気への蓄積も定量化する必形成を促進することで、海洋から大気への熱輸送を強要はあるが、観測の難しい海洋中層と海氷厚の変化をめるが、同時に雲から下方への長波放射のため、大気

15

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。

14

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が海氷海洋に熱を供給することになる。この相互作用

まり結氷しないと北極海表層と混合しやすくなる。結氷は、正のフィードバックであるが、実際に進行しているこ量が減ったため塩分が低下し、鉛直混合が局所的に活とを確認すると共に、定量的な推定を試みる必要があ

発化した場合、大西洋水から表層への熱輸送も増大す

り、その成果に基づいて大気と海氷海洋との結合系がる。このプロセスが顕著になると、大西洋水の熱輸送の生み出す北極域増幅効果として見積もりを行うことが重一部を表層への熱の水平的輸送として考慮するべき系要である。

に変貌する可能性がある。
現在までは、表層から深層に及ぶ混合や海水移動は（3）隣接する海域からの流入が持つ役割 （テーマ 5

非常に弱いが、海氷が減少し水平方向の不均一性が参照）増大すると、部分的に鉛直混合や海水移動が起きる可能性がある。この場合、深層に貯熱される効果は 100 年

太平洋からは、ベーリング海峡を通じて夏季に高温海水が流入し、海氷を減少させる大きな熱的役割を果

スケールで継続する。

たしている。その結果として、アイス・アルベド・フィード

b. 今後の研究

バックにつながる。また、冬季混合層以深にも貯熱する分は越年し、春季夏季に海氷を融解する効果を持つ。

海氷が減少していく表層については、海氷厚の経年もし太平洋水の流入が温暖化によって増えるならば、こ変動、および大気、中層との熱交換のモニタリングが必のプロセスは北極域増幅に加えられる。特に、流入は須である。中層については、太平洋水、大西洋水の移動

大気変動のパターン（双極モード）に影響されるので、こと拡散、さらには、より深い層までおよぶ混合の長期にわのパターンが温暖化によって増幅するか否かが、北極たるモニタリングが重要である。特に、中深層流速パター

域増幅を見積もる際には鍵となる。

ンの変化を見るには、化学トレーサーの利用も考える。
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（4）中層・深層を含むプロセスの解明と役割の把握を高精度で押さえるには、衛星観測が有効である。

（テーマ 5 参照）

また、データ同化とエネルギー解析を利用して、北極大西洋から流入する高温高塩分の海水は、北極海

海表層と中深層との相互作用に関する重要プロセスを中層を巡回し一部が大西洋に戻る。バレンツ海で結氷特定することを試みる。

の影響を十分に受けると熱的効果は小さくなり、また、あ15

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ルの働きに関する観測的研究が強く求められている。

北極気候における雲とエアロゾルの役割は、きわめて雲の放射効果を規定するものとして、雲の相、すなわ

重要である。これまでの研究は、観測が不十分で、個々

ち、どういう粒子からなっているか、氷粒子や水滴の量、のプロセス研究が中心の定性的な理解であったため、

サイズ分布、鉛直分布、エアロゾルの生成、成長、除去

複雑に相互作用する研究課題の理解は充分に進んで過程、吸湿特性等を明らかにしなければならない。北極いない。中低緯度との関係、両極間の相違や極域独自域では、氷粒子と水滴が併存する混合相雲が多いと言の問題など、様々な分野の相互作用について、考えてわれている。雲相の問題とともに、雲そのものの存在、いく必要がある。雲は、放射効果を通じて気候形成に役

雲量を明らかにすることが求められている。これまでに割を果たす（Curry et al., 1996）。雲は、太陽放射を遮わかっていることとしては、衛星の観測から、春、夏の雲ることで地表面を冷却する方向に働き、また、大気から量は増加してきていることが示されている。

の長波放射を増加させることで地表面を加熱する方向

b. 今後の研究に働く。両者は相殺する方向ではあるが、極域では太陽の出ない季節が長いこと、雪氷面上であることから、地上観測では、従来は目視で雲を観測してきたが、前者より、後者がより支配的である。雲は、下向き長波

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の巨視的分布と微物理特性の把握により、長期的に定を持つ。エアロゾルの放射を通じた直接効果としては、量化した測定を行うことが必要である。スバールバル諸

北極域では散乱性のエアロゾルの冷却効果は雪氷面

島のニーオルスンに設置した雲レーダーは、北極での上ではあまり大きく寄与しないが、ブラックカーボン（黒雲観測の重要な手段で、国際的な活用も期待されてい色炭素エアロゾル）等の吸収性のエアロゾルの温める効る。また、衛星からの観測においても、従来の可視、赤

果は増幅されて現れる。エアロゾルは、雲核、雲形成、外のパッシプな観測を極域雪氷圏に用いるのは困難が氷晶核としての効果など雲を通じた間接効果による気多かった。新しいライダーや雲レーダーによるアクティブ

候影響をはじめ、雪氷面アルベドの変化に寄与するなな観測の導入、そして航空機や係留気球などによる直ど、様々な影響をもち、それらの定量的な理解が必要で接観測での検証、アクティブとパッシブを併用した観測ある。

手法を確立する必要がある。その一つとして、わが国の北極域では、雲の存在の不確定性ゆえに、その影響

宇宙航空研究開発機構 JAXA が、欧州宇宙機関 ESAは計り知れない。特に雲の鉛直構造についての精度あと協力して 2016 年に打ち上げ予定の EarthCARE 衛

る観測がなされていない。北極域では、海氷との関わり

星16の利用が期待される。これらの結果を、気候モデル

でも雲は重要である。雲の存在が、海氷の成長・融解ににおける雲の再現の高精度化に反映させていくことが影響するし、また、海氷の有無が雲の状態や存在に影重要である。

響するという、雲と海氷の相互作用が考えられる。雲の近年の海氷減少に伴う雲の変化が注目される。衛星

フィードバックは極域気候モデルにおいて、最も不確実

観測からは、海氷域面積が減少したことに伴い、実際にな要素の一つである。雲の核となるエアロゾルは、自雲量が増加していることが示され（Liu et al., 2012）、開然・人為起源による生成・輸送過程、光吸収過程、雲凝水面からの蒸発によって雲が増加し、夏季以外では、

結過程など極域変動の異なったスケール間での統合的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理解が必要である。例えば、ブラックカーボンに関する

う正のフィードバックが働くとも考えられる。そのため、雲分布形態、輸送過程、湿性沈着過程の評価、気候変動－放射と海氷(海面)の相互作用の理解が、北極域の気への寄与の評価は、大気のみならず、海洋や雪氷との候変動の予測に重要てある。これらのエアロゾル・雲の相互作用においても重要である。従って、雲とエアロゾ変化に伴う気候変化を統合的に理解するには、気候モ

16EarthCARE 衛星： Earth Cloud, Aerosol and Radiation 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。

16

デルが不可欠である。エアロゾルと水雲の相互作用をるように努力すべきである。その前提として、氷晶核とな

17

陽に 表現した気候モデルの研究はこれまでに進展がるポテンシャルを持っているダストやブラックカーボンのあったが、極域は氷雲の比率が非常に高く、現状の世極域での分布を、定量的に気候モデルで再現する必要

界の主要な気候モデルすべてにおいて、エアロゾルとがある。この観点から、極域でのグリッドサイズが低中緯

氷晶核の相互作用の表現は未だに不十分である。今度と大きく異なってしまう Gaussian 格子のモデルでは後新たに得られる観測データを参照しながら、より適切なく、全球一様格子のモデルを用いることも有効な計画

なエアロゾル・氷晶相互作用を気候モデルで表現できである（テーマ B 参照）。

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

ついても、特に将来予測を行う気候モデルにおいて十北極域の気候変動を理解し予測するには、人間活動分考慮されていないのが現状である（Q1～Q2 参照）。

による二酸化炭素の排出やエアロゾルの放出などを通北極域の雲フィードバックもまた、非常に不確実性が大した放射強制力がどのように変化し、気候システムがそきい（Q4 参照）。当然、これらの相互作用についてもよく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

わかっていない。

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

気候モデル実験においては、個々の物理プロセスのかが鍵となる。Q1～Q4 にあるように、北極温暖化増幅

北極温暖化増幅への寄与が系統的に調べられてきた。

のメカニズムについて、さまざまなプロセスの寄与が指マルチモデルについてはエネルギー収支に基づく比較

摘されている。プロセス間の相互作用を理解し、個々の的簡易な解析が、少数のモデルについては詳細な解寄与を系統的かつ定量的に調べることが全体の理解に析が行われてきた（Yoshimori et al., 2014）。その結とって重要である。

果、北極域のフィードバック・プロセスは強い季節性を持ち、夏の海氷減少によるアルベド・フィードバックを通b. 研究の現状

じて海洋表層に吸収された太陽放射エネルギーが秋か

これまでの研究では、考慮あるいは十分定量化されら冬にかけて放出され、また、下層雲の温室効果によりていない放射強制力やフィードバック・プロセスがある。

北極域の温暖化が増幅されることが示されている。した

たとえば、不確実性の大きい放射強制力の代表例としがって、海洋の熱吸収プロセス、大気海洋の熱交換をて光吸収性エアロゾルが挙げられる。ブラックカーボン

決める対流圏下層の逆転層や安定度、下層雲の応答等光吸収性エアロゾルが雪氷面に沈着するとアルベド特性などが重要であることが示唆されている。しかし、い低下が起こり、雪氷面温度の上昇や雪氷融解が加速さずれの研究も理想的なシナリオ下でのモデル実験結果れる正のフィードバック効果が働く。アルベド低下量はであり、観測との直接的な比較がなされていない。

第一に光吸収性エアロゾル濃度に依存するが、同じエ

温暖化予測の不確かさを低減するための一つの方アロゾル濃度でも、積雪粒径が大きいほどアルベド低下法として、マルチモデルにおいて現在気候の再現性の量は大きくなる。グリーンランドの氷床コア解析から、産良し悪しと、将来予測のばらつきの間に関係性を見つ

業革命以降のブラックカーボン濃度が復元されていて、け、観測データにより将来予測幅を制約する方法があ1900 年代前半にピークが記録され、その後、1800 年る。よく知られたものに、現在の季節変化を利用して、観代のレベルまで低下したことが知られている。温暖化に測された春のアルベド・フィードバックの大きさから、将伴う積雪粒径の増加や消耗域の拡大は、光吸収性エア

来の北極域陸上のアルベド・フィードバックの大きさを推

ロゾルや雪氷微生物によるアルベド低下をもたらし、正定した例がある(Hall and Qu, 2006)。同様に、気候モのフィードバックを加速させると考えられる。

デルの信頼性や将来予測を評価するには、遠い過去

植生分布の変化や成層圏以高の大気変動の影響にに実際に起きた北極温暖化増幅を利用する方法も考え

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。

17

られるが、これについてはテーマ 6 の Q1 で言及する。

し、その応答特性の不確かさを観測データを利用して低減するには、地球システムモデルの開発・精緻化・利c. 今後の研究用が不可欠である。

すでに、光吸収性エアロゾル濃度や積雪粒径の関数

地球システムモデルについてはテーマ B で主に言及として変化する「積雪アルベド物理的モデル」を組み込するが、将来予測ではこうしたモデルが中心的役割をんだ地球システムモデルによる気候予測や感度実験が果たすであろう。テーマ 6 で言及するように、過去に起始まっている。例えば、光吸収性エアロゾルの輸送・沈きた北極温暖化増幅を利用して気候システム応答を制着過程と積雪アルベドの物理的モデルを組み込んだ地

約するには、考えられうる全ての要素が入った地球シス

球システムモデルによる春季亜寒帯における数値実験

テムモデルが有効である。また、Q1 で述べたように成層では、大気中における炭素質エアロゾルによる地表面

圏以高の効果を考慮するには、成層圏における十分な

日射量の低下効果、暗化（dimming）は、それらエアロ

解像度やモデル上端の高度化も検討していく必要があ

ゾル沈着による積雪アルベド低下効果、暗色化る。上下層大気から雲放射や海氷から海洋成層まで、（darkening）よりも小さいと見積もられている。このよう大気海洋を統合したエネルギ―収支プロセスを総合的なモデル開発を今後も進める必要がある。さらに、現在に検証し、現在の恒常的なバイアスを抑えた（データ同ではまだ考慮されていない雪氷微生物によるアルベド化に頼らない）自立した地球システムモデルの確立が低下効果も現地観測に基づきモデル化し、それによる究極的には不可欠である。

フィードバックを見積もる必要がある。
数値モデルにおける極域の海氷や雲の季節変化な
ど、基礎的な再現性向上の課題が残されている。地表
面でのエネルギー収支と雲の効果の定量化が課題であり、観測とモデルの連携による評価が必須である。また、Q3 で触れたように、海氷減少と大気の総観規模擾
乱、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である。さらに、海氷減少のほか低緯度からの熱・水の輸送量変化の効果も含め、雲変化の要因を検証することが重要である。
現実に起きている北極温暖化増幅を理解するには、個々のプロセスの寄与を気候モデル実験だけでなく、データ同化された再解析データにおいて特定することが有効と考えられる。また、データ同化された結合モデ
ルを高度化し、北極温暖化増幅研究への適用が長期の発展として重要である。さらに、日々の現象と定量化された相対的寄与（たとえば、総観規模擾乱による雲形
成と雲の放射効果が北極温暖化増幅で果たす役割）を結び付けて、一連の物理プロセスをシステム応答の中で理解することが重要である。その基礎となる個々の要
素を理解するには、当然、長期に継続した観測データの果たす役割が非常に大きい。
植生分布の変化やそれにともなう鉱物性ダスト放出の変化、その他の光吸収エアロゾルの効果など今後大きく変化していくであろう要素は少なくない。こうしたこれまであまり考慮されてこなかった要素やプロセスを導入

18

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

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/

20150330

北極環境研究の長期構想
目次

巻頭言 ................................................................................................................................................................. i
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 ............................................................................................................................... 75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 ........................ 9

テーマ 1： 地球温暖化の北極域増幅 ..................................................................................................9Q1：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？10
Q2：陸域積雪・凍土・植生・氷床の役割は重要か？................................................................ 12
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？ ............................... 14
Q4：雲とエアロゾルがもつ役割を定量化できるか？................................................................ 16
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？ ............. 17
テーマ 2： 海氷減少のメカニズムと影響 .........................................................................................19
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？....................................... 20
Q2：海氷の熱的減少はどのように進むのか？ .......................................................................... 21
Q3：海氷減少が雲や低気圧に及ぼす影響は？ .......................................................................... 23
Q4：海氷減少が海洋内部に及ぼす影響は？ .............................................................................. 23
10～20 年後を見据えた戦略 ...................................................................................................... 24
テーマ 3： 物質循環と生態系変化 ....................................................................................................30
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？ ............................... 31
Q2：陸域生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか? .......................................................... 34
Q3：陸から海への物質輸送の定量的解明には何が必要か? ....................................................... 36
Q4：海洋生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか? .......................................................... 38
テーマ 4： 氷床・氷河、凍土、降積雪、水循環 ..............................................................................42
Q1：氷床・氷河の変化は加速するか？ ..................................................................................... 42
Q2：永久凍土の変化は気候変動とどう連鎖するのか？ ............................................................ 46
Q3：北極域の降積雪はどう変化しているか？ .......................................................................... 48
Q4：環北極陸域の水文過程はどう変化するか？ ....................................................................... 50
テーマ 5： 北極・全球相互作用........................................................................................................53
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？....................... 54
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？ ................................................. 56ii

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？ ........................................ 58
Q4：＜超高層大気の役割について> 極域超高層大気が下層大気・超高層大気全球変動に及ぼす影響は？ ............................................................................................................... 60
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？..................................................................................................... 61
テーマ 6： 古環境から探る北極環境の将来 .....................................................................................64
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？ ............................... 66
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？ ................................................................................... 68
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 ...... 70
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？ ... 72
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？ ........................................ 74【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................................................. 76
テーマ 7： 北極環境変化の社会への影響 .........................................................................................77
Q1：地球温暖化も含めた気候変動による影響は？ ................................................................... 78
Q2：地球温暖化に起因する陸域環境の変化による影響は？ ..................................................... 82
Q3：地球温暖化に起因する海洋環境の変化による影響 ............................................................ 83
Q4：太陽活動と北極超高層大気の影響 ..................................................................................... 85
Q5：北極圏人間社会の対応 ....................................................................................................... 86
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 ....................................................... 89

テーマ 8： 陸域生態系と生物多様性への影響 ..................................................................................89
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？ .......... 90
Q2：生物多様性はどのような影響を受けるか？ ....................................................................... 93【ボックス 2 】生物多様性とは？ ........................................................................................... 93【ボックス 3 】学名の不一致問題 ........................................................................................... 94
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？ ................................... 95【ボックス 4 】トナカイの生息変化 ........................................................................................ 95【ボックス 5 】水鳥のモニタリング ........................................................................................ 96
テーマ 9： 海洋生態系と生物多様性への影響 ..................................................................................97
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？ ..................... 98
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？ .......................................... 99
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？ ................................. 101【ボックス 6 】表層－底層生態系のカップリング ................................................................ 102【ボックス 7 】バイオロジカル・ホットスポット ................................................................ 102
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？ ................................................................................................................. 103
7章「北極環境研究の広範な重要課題」研究テーマ ............................................................................... 105

テーマ 10： ジオスペース環境 .......................................................................................................105
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？ ................................. 107

iii

Q2：超高層大気が下層・中層大気に与える影響は？.............................................................. 108
Q3：下層・中層大気変動が超高層大気に与える影響は？ ...................................................... 110
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？ ....................................... 112
テーマ 11： 表層環境変動と固体地球の相互作用 .......................................................................... 114
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？ ........................................ 115
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？ ............................................... 117
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？ ............................................................................................................. 119
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？ ........................................................... 121
テーマ 12： 永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ...................................................................124【ボックス 8 】永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ...................................................... 127
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？ ................... 128
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？ .... 129
Q3：永久凍土はどのような様態・規模で昇温・融解するのか？ ............................................ 130
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？ . 133
8章「環境研究のブレークスルーを可能にある手法の展開」テーマ ..................................................... 136

テーマ A： 持続するシームレスなモニタリング ...........................................................................136
海洋圏モニタリング ................................................................................................................. 137
雪氷圏モニタリング ................................................................................................................. 140【ボックス 9 】氷河質量収支の観測 ...................................................................................... 142
大気圏モニタリング ................................................................................................................. 143
陸域圏モニタリング ................................................................................................................. 145
テーマ B： 複合分野をつなぐ地球システムモデリング.................................................................148
Q1：地球システムモデルについて開発課題は何か？.............................................................. 149
Q2：大気モデルについての開発課題は何か？ ........................................................................ 153
Q3：海洋・海氷モデルについての開発課題は何か？.............................................................. 154
Q4：陸面・雪氷モデルについての開発課題は何か？.............................................................. 158
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 .........................................................160
北極圏におけるデータ同化研究の現状 .................................................................................... 161【ボックス 10 】データ同化技術の解説 ................................................................................ 162
データ同化を北極環境研究に展開する方針 ............................................................................. 164
北極圏データ同化研究の実現に向けた環境整備 ...................................................................... 169
9章

研究基盤の整備 ................................................................................................................................... 173

砕氷観測船 ............................................................................................................................... 173
衛星観測 ................................................................................................................................... 175
航空機 ...................................................................................................................................... 177
海外の研究・観測拠点 ............................................................................................................. 178
データおよびサンプルのアーカイブシステム.......................................................................... 181
人材育成 ................................................................................................................................... 183
研究推進体制............................................................................................................................ 185
iv

分野別研究機器等 .................................................................................................................... 187
10 章

長期にわたる方向性と取り組み体制のまとめ ................................................................................. 195

11 章

資料 ................................................................................................................................................... 198

引用文献 ................................................................................................................................... 198
執筆者等一覧............................................................................................................................ 209v