2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

9 01（IPCC；気候モデル；海水；気候感度)

５．気候変化における北極と南極の応答と役割：過去と将来

阿部

彩子 ・斎

藤 冬 樹 ・吉森 正

和 ・小 室芳樹

大石龍太 ・渡部 雅 浩 ・大垣内 る

み ・高 橋邦夫

鈴木香寿恵 ・川村 賢 二 ・野 沢徹

１．はじめに局では矛盾のないものの，海氷の変化も氷床の変化も極域がどのような状態であるか，極冠（極の氷）を過小評価ぎみにあることがわかってきた．今われわれ有しているかは，惑星の環境や地球の気候変化を特徴の住んでいる世界にゆっくりと変化が起きており，現づける重要な指標である．現在の地球の両極では，分実として氷の拡大縮小の感度が高いことがわかってき

布はかなり異なるが，一年を通して海氷も氷床も存在た．様々な時間スケールの過去の気候のシミュレーする．将来，この氷が減少したり消失するほどの環境ションや数値実験を重ね，極域の気温変化を決めるプ

変化が本当に起こるのか，起きるとしたらいつ頃なのロセスの理解を深めた上で気候の将来予測をすることかについては，関心が高く，IPCC（気候変化に関すが重要であろう．

る政府間パネル）第５次報告書（AR5）の第１ワー
キンググループでも今まで以上に大きくとりあげられ

２．近年の極域の気候変化ることが予想される．最近報告されているいくつかの宇 宙 空 間 か ら の 観 測 に よ り，氷 の 存 在 の 範 囲

観測事実は，これまで以上に，氷の融解が進んでいる（extent）を知ることができる（ここで，格子データことを示している．一方，これまでのモデル計算は大の extent とは，海氷密接度が0.15以上の海氷を含む格子の面積合計である)．第１図に示すように，1970(連絡責任著者）東京大学大気海洋研究所．

年代以降，北極海の夏（９月）の海氷の範囲は，年々

abeouchi＠aori.u‑tokyo.ac.jp
海洋研究開発機構．の変動は経ながらも全体としては右肩下がりに減少し東京大学大気海洋研究所．
国立極地研究所．ている（Miller et al. 2010）．とくに2007年は９月の海氷面積の最小を記録し，北極海の半分ほどになっ

国立極地研究所／総合研究大学院大学極域科学専攻．

た．IPCC 第４次報告書（AR4;IPCC 2007）で用いた

国立環境研究所．

様々な気候モデルとそれによる将来予測の計算に比べⒸ 2013 日本気象学会て，かなり速いペースで海氷後退が進んでいることが2013年 11月

23

9 02

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

第１図

北極海の９月の海氷とその変化 (Miller et al. 2010)．写真は2007年９月の海氷とグリーンラン
ド氷床，赤，橙，緑の線は，1953年から2000年の９月の中央値，1979年から2000年の９月の中央値，2005年の９月の中央値をそれぞれ示す．

観測からわかってきた（第２図）．
衛星からは氷床の高度や質量の変化もとらえられるが，それに地上や飛行機の観測をあわせると，とくにける氷床質量収支の予測誤差の原因として，気温変化の過小評価と氷床モデルの力学プロセスの考慮の不足の両方が挙げられている．

最近の10年足らずにグリーンランド氷床で大きな変化が起きていることが明らかになった（第３図，Alley

３．極域温暖化の予測とメカニズムは？

．南極でもすこし小さ
et al. 2010;Rignot et al. 2011）

低緯度に比べて極域の気温変化がずっと大きいと予めだがやはり高度の減少などの観測結果が示されつつ想されている．そもそも，なぜ，極域の気温変化が大ある（Pritchard et al. 2009）．これらの観測は，大気きいか．Manabe らはPolar Amplification （極域海洋結合モデルの診断計算や氷床モデルを用いた予測気温増幅）として，アルベドフィードバックや下層大（Suzuki et al. 2005;Saito and Abe‑Ouchi 2005）を上気の役割で説明している（IPCC 1990）．一方，モデ回る速さで進んでいる．気温や降水量などの観測デー

ルは現実を説明しているのか．古気候データで示されタを用いたとしても説明できるのはせいぜい半分で，た大きな極域の気候感度をモデルでは十分表現できて残りは，底面滑りや海洋による融解などのプロセスのいないとされ，モデルの Polar Amplification のメカ重要性が指摘されている（van den Broeke et al.

ニズムの検証や議論が盛んだ（Davies et al. 2009;2009;Holland et al. 2009）．大気海洋結合モデルにお．
Moran et al. 2006;M asson‑Delmotte et al. 2006）

24〝天気" 60．11．

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

9 03

ルベドなどの相対的役割を調べることができる（Bony et al. 2006）．第４
図では，極域では短波のアルベドフィードバックと同じくらい下層の温暖化による成層の変化（lapse ratefeedback）が 大 き い こ とが定量的にみてとれる（Yoshimori et al. 2009）．
大気海洋結合システムで予測される地上気温の上昇の仕方は，大気中のプロセスだけ で な く 海 洋 が 熱 をどう吸収（ uptake）し て再 分 配 す る か や，海 氷 の再現性によって変わる．北極海氷 の 再 現 性 は 日 本 から CM IP5に 提 出 さ れ て
IPCC AR5で用 い ら れ た
M IROC5や， CM IP3に 提出されて IPCC AR4に用いら れ た M IROC3.2の 高 解
第２図

20世紀から21世紀の北極海の海氷 extent の変化の観測（赤線）と各種モデル結果（Stroeve et al. 2007に観測を延長加筆）．

像 度 版（3hi）の 再 現 性 が同 じ く ら い 良 い．ま た
MIROC3.2の 中 解 像 度 版

モデルを検証するため，この数十年でも現実大気の（3med）と高解像度版（3hi）では気候感度を決める

気温の長期間の空間時間データをカバーして温暖化構

大気のフィードバックは同程度であるが，大気海洋結造を検出することは重要である．この数十年多くの合での温暖化実験でのふるまいは大きく異なり高解像データで北極の気温の上昇傾向が北半球平均より顕著

度版3hi が温度上昇や海氷後退が最も激しかった（第になりつつある．気温上昇はとくに秋から冬にかけて

５図，第６図）．これは，解像度の違い以外に，20世大きく，海氷の変化と連動していることが異なるデー

紀の海氷の再現性や海洋の成層構造を決める拡散係数タセット（NCEP と JRA）で示された（Serreze etの違いなどが原因である（Yokohata et al. 2008）．とal. 2009）．実はその変化が ERA40では対流圏中層かくに，現在気候のバイアス問題は大気海洋結合モデリ

ら 始 まって い る と 報 告 さ れ た が（Graversen et al.

ングでは深刻である．多くのモデルで，北極域では海2008），ERA40から ERA‑Interim へとデータ 精 度 が氷を過大評価し（第２図），反対に南極域では海氷を向上すると，下層が先に大きく暖まることや，それが過小評価して温暖バイアスがでやすいことが知られて海氷の後退する領域や時季によく一致することが確認いる（Trenberth and Fasullo 2010）．海洋の成層をされた（Grant et al. 2008;Bitz and Fu 2008;Serreze

決めるプロセス及び渦拡散に代わる表現への依存性

et al. 2009;Screen and Simmonds 2010）．極域の境界や，極域の雲の表現（Ogura et al. 2008），氷床表面層（Boe et al. 2009）や渦熱輸送などの（モデルではで強く放射冷却を受けて吹く斜面下降流（カタバ風）表現が十分でない）プロセスの役割なども指摘されての影響によるポリニア 及 び 雲 の 表 現 や 海 氷 の 表 現いる（Kug et al. 2010）．全球の大気放射解析を定量（Ogura et al. 2004;Komuro and Hasumi 2007）な的に行うことで，気温増幅に関しての水蒸気，雲，アど，いろいろな問題が考えられ，今後研究することが2013年 11月

25

9 04

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告必要である．IPCC AR5に貢献するため CMIP5に提出 予 定 の M I R O C 5版
（Watanabe et al. 2010;
Komuro et al. 2012;本 稿の第６図）でも，20世紀再現では，北極の海氷の過大評価のため，北極の海氷の20世紀末から21世紀初頭の急激な縮退が表現できておらず，南極の海氷が夏にはほとんどないため当然その後 の 変 化 も 小 さ い（第 ５図，第 ６ 図）
．ま た，気 候
感度が以前よりずっと低め

第３図

衛星に搭載された重量計や高度計により観測されて見積もられたグリーンランド氷床の質量収支の変化（様々な色の四角）と，グリーンランド気温の変化（黒実線）．質量収支の変化は左側縦軸の海水準変化率（年間 mm で示す）に従い，四角は観測期間と観測誤差
範囲，色の違いは代表研究グループを示す（Alley et al. 2010）．グリーンランド気温の変化は右側縦軸に従う．

第４図

各種大気放射フィードバック効果の緯度分布：水蒸気（赤の破線），温度減率（緑の破線），雲（紺の点線），アルベド（青の一点鎖線），合計量（黒実線）．にでており，大方雲や対流の計算スキームを新しくしたことが効いていると考えられるが，南極の海氷が20世紀から過小評価されていることを見れば，海氷に関わる計算にも原因がありそうである．今後極域の再現性を改良するためパラメタ依存実験や解析を重ねることが必要である．
気候モデルのふるまいを全体として検証する際，通常は過去の気候のデータが用いられる．しかし，長期間の気候変化を考えたり古気候における極地の温暖化を解釈する上では，植生や氷床の効果，すなわち大気海洋以外のフィードバックプロセスを考える必要がある．この概念を表す言葉とし て，最 近，Earth system climate sensitivity（Hansen et al. 2008;Luntet al. 2010）が用いられている．たとえば，植生の変化によるさらなる温暖化（Oʼishi and Abe‑Ouchiて温暖化を極域で約20％増幅することや氷床の有無や2009;Oʼishi et al. 2009）が海氷フィードバックを通じ拡大縮小が極域の気温の圧倒的増幅効果になっている

26〝天気" 60．11．

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

第５図

9 05

気候モデルによる両極の月平均夏の海氷の密接度の再現．黒線は衛星観測（HadISST の密接度0.15）．
上から下へ M IROC のバージョン：５版，4h 版，3med 版，3hi 版．

2013年 11月

27

9 06

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告
(b)

(a)

(c)

(d)

第６図 M IROC5による20世紀再現実験の気温バイアス（a），及び M IROC3.2および５による20世紀再現 実 験 と21世 紀 予 測 実 験（速 報）に よ る 各 要 素 の 変 化（（b）：気 温，(c)：北 極 海 氷 extent,（d）：南極海氷 extent）．

こ と な ど，定 量 的 に 示 さ れ つ つ あ る（Ogura andset dependent. Nature, 455, E3‑E4.

Abe‑Ouchi 2001;Abe‑Ouchi et al. 2007）．いずれにBoe, J., A. Hall and X. Qu, 2009:Current GCM sʼ

しても，極域の温暖化メカニズムを理解して温暖化予

unrealistic negative feedback in the Arctic. J. Climate, 22, 4682‑4695.

測を向上させるためには，古気候も含めた観測によるモデルの検証と，気候モデル改良と数値実験が不可欠である．

Bony, S. et al., 2006:How well do we understand andevaluate climate change feedback processes? J. Climate, 19, 3445‑3482.
Davies, A., A.E.S. Kemp and J. Pike, 2009:Late参考文

献Abe‑Ouchi, A., T. Segawa and F. Saito, 2007:Climaticconditions for modelling the Northern Hemisphere
ice sheets throughout the ice age cycle.Clim.Past,３,423‑438.
Alley, R.B. et al., 2010:History of the Greenland Ice
Sheet:paleoclimatic insights. Quat. Sci. Rev., 29,1728‑1756.
Bitz,C.M.and Q.Fu,2008:Arctic warming aloft is data

28

Cretaceous seasonal ocean variability from the Arctic. Nature, 460, 254‑258.
Grant, A.N., S. Bronnimann and L. Haimberger, 2008:
Recent Arctic warming vertical structure contested.
Nature, 455, E2‑E3.
Graversen, R.G., T. M auritsen, M . Tjernstrom, E.
Kallen and G.Svensson, 2008:Arctic warming aloft isdata set dependent ‑ Reply. Nature, 455, E4‑E5.
Hansen, J., M . Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Ber-〝天気" 60．11．

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

9 07

ner, V. Masson‑Delmotte, M . Pagani, M . Raymo, D.
L. Royer and J.C. Zachos, 2008:Target atmospheriction in a coupled ocean atmosphere model. J. Geophys. Res., 109, C04025, doi:10.1029/2003JC002022.

CO :Where should humanity aim ?Open Atmos. Sci.
J., ２, 217‑231.

Ogura, T., S. Emori, M .J. Webb, Y. Tsushima, T.
Yokohata, A. Abe‑Ouchi and M . Kimoto, 2008:

Holland, P.R., H.F.J. Corr, D.G. Vaughan, A.Jenkins
and P. Skvarca, 2009:Marine ice in Larsen Ice Shelf.

Towards understanding cloud response in atmo-Geophys. Res. Lett., 36, L11604, doi:10.1029/2009
GL038162.
IPCC, 1990:Climate Change:The IPCC ScientificAssessment. Report prepared for IPCC by Working
Group 1 (Houghton, J.T. et al. (eds.)). Cambridge
University Press, 365pp.
IPCC, 2007:Climate Change 2007:The physical Sciencespheric GCM s:The use of tendency diagnostics. J.
M eteor. Soc. Japan, 86, 69‑79.
Oʼishi,R.and A.Abe‑Ouchi, 2009:Influence of dynamicvegetation on climate change arising from increasing
CO . Clim. Dyn., 33, 645‑663.
Oʼishi, R., A. Abe‑Ouchi, I.C. Prentice and S. Sitch,
2009:Vegetation dynamics and plant CO responses as

Basis.Contribution of Working Group 1to the Fourth

positive feedbacks in a greenhouse world. Geophys.
Res. Lett., 36, L11706, doi:10.1029/2009GL038217.

Assessment Report of the Intergovernmental Panelon Climate Change (Solomon, S.D. et al. (eds.))

Pritchard,H.D.,R.J.Arthern,D.G.Vaughan and L.A.
Edwards, 2009:Extensive dynamic thinning on theCambridge University Press, 996pp.
Komuro, Y. and H.Hasumi, 2007:Effects of variabilityof sea ice transport through the Fram Strait on theintensity of the Atlantic deep circulation.Clim.Dyn.,29, 455‑467.
Komuro, Y. et al., 2012:Sea‑ice in twentieth‑century
simulations by new MIROC coupled models:A comparison between models with high resolution and withice thickness distribution.J.M eteor.Soc.Japan, 90A,
213‑232.

margins of the Greenland and Antarctic ice sheets.
Nature, 461, 971‑975.
Rignot, E., I. Velicogna, M .R. van den Broeke, A.
M onaghan and J. Lenaerts, 2011:Acceleration of thecontribution of the Greenland and Antarctic icesheets to sea level rise. Geophys. Res. Lett., 38,L05503, doi:10.1029/2011GL046583.
Saito, F. and A. Abe‑Ouchi, 2005:Sensitivity of Greenland ice sheet simulation to the numerical procedure
employed for ice‑sheet dynamics. Ann. Glaciol., 42,Kug, J.‑S., D.‑H. Choi, F.‑F. Jin, W.‑T. Kwon andH.‑L. Ren, 2010:Role of synoptic eddy feedback onScreen,J.A.and I.Simmonds, 2010:The central role ofpolar climate responses to the anthropogenic forcing.
Geophys. Res. Lett., 37, L14704, doi:10.1029/2010

diminishing sea ice in recent Arctic temperatureamplification. Nature, 464, 1334‑1337.

GL043673.
Lunt, D.J., A.M . Haywood, G.A. Schmidt, U. Salzmann, P.J. Valdes and H.J. Dowsett, 2010:Earth

331‑336.

Serreze,M .C.,A .P.Barrett,J.C.Stroeve,D.N.Kindig
and M .M . Holland, 2009:The emergence of surface‑based Arctic amplification. Cryosphere, ３, 11‑19.

system sensitivity inferred from Pliocene modellingand data. Nature Geosci., ３, 60‑64.

Stroeve, J., M .M. Holland, W. M eier, T. Scambos andM . Serreze, 2007:Arctic sea ice decline:Faster than

Masson‑Delmotte,V.et al., 2006:Past and future polar

forecast.Geophys.Res.Lett., 34,L09501,doi:10.1029/
2007GL029703.

amplification of climate change:climate model intercomparisons and ice‑core constraints. Clim.Dyn., 26,513‑529.

Suzuki, T.,H.Hasumi,T.T.Sakamoto,T.Nishimura,A. Abe‑Ouchi, T. Segawa, N. Okada, A. Oka and S.

Miller,G.H.et al., 2010:Temperature and precipitation
history of the Arctic. Quat. Sci. Rev., 29, 1679‑1715.

Emori, 2005:Projection of future sea level and its
variability in a high‑resolution climate model:OceanMoran,K.et al.,2006:The Cenozoic palaeoenvironmentof the Arctic Ocean. Nature, 441, 601‑605.

processes and Greenland and Antarctic ice‑melt contributions. Geophys. Res. Lett., 32, L19706, doi:

Ogura, T. and A. Abe‑Ouchi, 2001:Influence of theAntarctic ice sheet on southern high latitude climate
during the Cenozoic:Albedo vs topography effect.
Geophys. Res. Lett., 28, 587‑590.

10.1029/2005GL023677.
Trenberth, K.E. and J.T. Fasullo, 2010:Simulation ofpresent‑day and twenty‑first‑century energy budgetsof the southern oceans. J. Climate, 23, 440‑454.

Ogura, T., A. Abe‑Ouchi and H. Hasumi, 2004:Effects

van den Broeke,M .,J.Bamber,J.Ettema,E.Rignot,E.

of sea ice dynamics on the Antarctic sea ice distribu-Schrama, W.J. van de Berg, E. van M eijgaard, I.

2013年 11月

29

9 08

2011年度春季大会シンポジウム「変動する地球気候の鍵―南極・北極―」の報告

Velicogna and B. Wouters, 2009:Partitioning recent
Greenland mass loss. Science, 326, 984‑986.

Yoshimori,M .,T.Yokohata and A.Abe‑Ouchi, 2009:AWatanabe,M.et al., 2010:Improved climate simulation
by M IROC5:Mean states, variability, and climatecomparison of climate feedback strength between
CO doubling and LGM experiments. J. Climate, 22,sensitivity. J. Climate, 23, 6312‑6335.

of‑the‑art climate models. Tellus A, 60, 946‑961.

3374‑3395.

Yokohata, T. et al., 2008:Comparison of equilibrium
and transient responses to CO increase in eight state‑30〝天気" 60．11．