Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
熱力学的変化と力学的変化を定量的に議論するため、以下に示す線形化した水蒸気収支式を用いて各項を評価した。

$$ \delta P=\delta E+\delta T H+\delta D Y+\delta T E+R e s $$

$$ \delta T H=-\frac{1}{\rho_{w}g}\int_{0}^{\overline{{\mathsf{p}}_{s20}}}\nabla\cdot(\overline{{\boldsymbol{u}}}_{20}\left[\delta\overline{{q}}\right])\mathrm{d}p $$

$$ \delta D Y=-\frac{1}{\rho_{w}g}\int_{0}^{\overline{{\mathsf{p}}_{s20}}}\nabla\cdot\left(\left[\delta\overline{{\boldsymbol{u}}}\right]\overline{{q}}_{20}\right)\mathsf{d}p $$

$$ \delta T E=-\frac{1}{\rho_{w}g}\int_{0}^{\overline{{\mathbf{p}}_{s20}}}\nabla\cdot\delta\left(\overline{{\mathbf{u}^{^{\prime}}q^{^{\prime}}}}\right)\mathrm{d}p $$

$$ \delta(\cdot)=(\cdot)_{21}-(\cdot)_{20} $$

ここで、式(1)のδPは降水量変化、δEは蒸発量変化、δTHは水蒸気変化による項（熱力学的効果）、δDYは平均風の変化による項（力学的効果）、δTEは高周波擾乱の変化による項である。高周波擾乱は日平均値の月平均値からの差として定義した。添え字の20(21)は20(21)世紀の略で、現在（将来）気候を意味する。

図(2)-2 水蒸気収支式の各項の変化 $ \left(\mathrm{mm}\mathrm{day}^{-1}\right) $ 。(a) 熱力学的変化（δTH）、(b) 力学的変化（δDY）、(c) 高周波擾乱の変化（δTE）、(d) 蒸発の変化（δE）。その他は図(2)-1と同じ。

図(2)-2 に水蒸気収支式の各項の変化を示す。4つの項の中では、δ TH と δ DY の項が支配的である。δ TH は、モンスーン地域など、現在気候の対流圈下層収束域では正の符号である。この項は「wet-get-wetter 効果」(Held and Soden, 2006 $ ^{1} $ ) に相当する。一方 δ DY は、熱帯域では平均鉛直循環の弱化に伴い δ TH の効果を打ち消す作用をしている。このため、モンスーン地域では負の符号である。SST 昇温が周辺海域より大きい太平洋赤道域などでは、下層収束が強化されているため、δ DY は正の符号である。これは「warmer-get-wetter 効果」(Xie et al. 2010 $ ^{9} $ ) と呼ばれる。
次に、モンスーン地域を8つに区分し（図(2)-3）、地域ごとに水蒸気収支式の各項を評価した（図(2)-4）。δTHは全地域で正の符号である。中緯度に位置する東アジアモンスーン（EAS）は他よりも変化がやや小さいものの、この項の地域差は小さい。δDYは全地域で負の符号である。地域間の違いが大きく、北アメリカモンスーン地域（NAM）で最も大きく、アジアモンスーン地域（SAS，EAS，WNP）で小さい傾向が見られる。δEは全域で正の符号で、アジアやオーストラリアのモンスーン地域（SAS，EAS，WNP，AUS）でやや大きな値を示す。δTEの項はいずれの地域でも小さい。

図(2)-3 地域モンスーン領域の区分。観測（GPCP）の雨季と乾季の降水量差が $ 2.5 \, mm \, day^{-1} $ 以上の領域をモンスーン領域と定義した。

図(2)-4 地域モンスーン領域（図(2)-3）における水蒸気収支式の各項の変化。将来変化の符号が2/3以上のモデルで一致する場合に色塗り棒グラフで示す。

## 2 ）まとめと考察

CMIP5 モデルアンサンブル解析によれば、温暖化に伴うモンスーン地域の降水変化は、一様ではなく地域間の違いが大きい。アジアモンスーン地域では、他地域よりもモンスーン循環の弱化（力学的効果）による降水量へのマイナス効果が小さく、蒸発量が多い。このため、他地域よりも大きな降水増加が予測されている。同様の傾向は、CMIP3 モデルアンサンブルによる予測でも見られる（図略）。

アジアモンスーン地域における降水増加が他地域よりも大きい理由について、Wang et al. (2014) $ ^{10} $ は、①北半球は南半球よりも昇温が大きく、②ユーラシア大陸は周辺海域よりも昇温が大きいため、その結果、アジアモンスーン地域では下層収束が強化される、と考察している。そのほかに、チベット高原、ヒマラヤ山脈、ベンガル湾東岸の山脈群、などのローカルな地形効果がこれに寄与している可能性も考えられる。これらについて、数値モデル実験等を通して今後さらに詳しく調べる必要がある。
## （２）海面水温や陸面温度と関連するアジア域気候の将来変化についての解析

解析したモデル実験は、CMIP5の現在気候（1975-1999年）実験とRCP8.5シナリオの21世紀末（2075-2099年）実験であり、6-8月25年平均値を解析した。Mizuta et al. (2014) $ ^{11)} $ が用いた28個のCMIP5モデルのうち、標高値データが整備されていた24個のCMIP5モデルの現在気候の地上気温を2.5度×2.5度上に内挿し、さらに同一の標高値に換算して解析を行った。

図(2)-5(左)は、24個のCMIP5モデルによる夏季降水量将来変化値およびその符号一致度(%)を示す。アジア・太平洋域では降水量の増加を示し、北極域、東シベリア、インド北東部、日本南海上、西部太平洋の赤道域とフィリピン東海上で、符号一致度が高い。一方、地中海や南半球亜熱帯域では、降水量減少でモデルは一致する。しかし、アフリカ大陸から中央アジア、東南アジア、中国中部、海洋大陸では、一致度が小さい。図(2)-5(右)は、24個のCMIP5モデルによる夏季降水量将来変化値およびその標準偏差を示す。東南アジア、そして海洋大陸東西のインド洋上から西部太平洋にかけての地域や、アフリカでは北緯10度付近で将来変化の標準偏差が大きい。

図(2)-5（左）24個のCMIP5モデルrcp8.5実験による夏季（JJA）降水量将来変化値（mm/日）。24個のCMIP5モデル全球地上気温平均値で規格化。符号一致度(%)を色で示す。（右）標準偏差(mm/day)を色で示すほかは、左図と同じ。

アジアモンスーンに係わる降水分布の将来変化と2つの境界条件（陸面温度と海面水温）の将来変化との関係を、24個のCMIP5モデル実験の解析から調査した。実際の指数としては、陸面地上気温と海洋上気温の差、海洋上の上層下層の気温差の2つの指数の将来変化を使う。各モデルの将来変化値は、マルチモデル平均の全球地上気温将来変化値で規格化している。

図(2)-6は、（東経30-165度、南緯15度-北緯60度）の海洋上の上層下層気温差の将来変化（規格化後モデル平均値5.8度、標準偏差0.90度）を指数として、地上気温および降水量将来変化との相関係数と回帰係数（指数の標準偏差に対応した値）を示す。海洋上の上層下層の気温差の将来変化が大きいモデルは、熱帯海上気温の将来変化が高く、特にインド洋西部や西部赤道太平洋で大きい。このようなモデルでは、西部赤道太平洋で降水量が増加、インド洋東部から海洋大陸で降水量が減少する傾向が強い。

一方、図(2)-7には、（東経30-165度、南緯15度-北緯60度）の陸上気温と海上気温の差の将来変化（規格化後モデル平均値2.2度、標準偏差0.39度）を指数として、地上気温および降水量将来変化との相関係数と回帰係数（指数の標準偏差に対応した値）を示す。陸上気温と海上気温の差の将来変化が大きいモデルは、北半球大陸北部の地上気温将来変化が大きいモデルであり、こ
の場合はアフリカ大陸サヘル地方で降水量が増加する傾向が強い。

dss req_onto_dss(Upper-Lower) Normalized

dpr req_onto_dss(Upper-Lower) normalized

図(2)-6 （左）（東経30-165度、南緯15度-北緯60度）の海洋上の上層下層の気温差の将来変化を指数とした、地上気温将来変化の相関係数（カラー）と回帰係数（等値線：指数の標準偏差に対応した値）。（右）降水量であることを除いて左図と同じ。

dss req onto dss(Land-Ocean) Normalized

dpr req_onto_dss(Land-Ocean) normalized

図(2)-7 （左）（東経30-165度、南緯15度-北緯60度）の陸上気温と海上気温の差の将来変化を指数とした、地上気温将来変化の相関係数（カラー）と回帰係数（等値線：指数の標準偏差に対応した値）。（右）降水量であることを除いて左図と同じ。

降水量の将来変化は、海洋大陸東西のインド洋上から西部太平洋にかけての地域やアフリカの北緯10度付近の地域でモデル間の偏差が大きくかつ符号一致度が小さいが、前者の地域は熱帯海上気温の将来変化と、後者の地域は北半球大陸高緯度域の地上気温の将来変化と関係していることがわかった。今後は、熱帯や北半球大陸高緯度の地上気温の将来変化のモデル間の差異が、さらに具体的にどのように生じているのか調べる必要がある。

## （３）地球温暖化に伴う海洋循環の変化による北太平洋西部の水位将来変化についての解析

25個のCMIP5マルチモデルデータにおける20世紀再現実験（historical）及び将来変化予測実験（rcp8.5）の結果を使用した。解析には、1960-1999年（以下、20世紀）と2060-2099年（以下、21世紀）の各冬季平均を用い、将来変化はこれら2平均の差とした。

図(2)-8に、CMIP5における海面水位と海面気圧の将来変化（21世紀－20世紀）のマルチモデル平均場を示す。地球温暖化に伴い、日本の東方から南方の海域で相対的に水位が上昇し、北緯40-60度の亜寒帯循環系では相対的な水位は下降する（図(2)-8a）。このため、水位変化の南北差
は20cmに達する。このような水位変化の空間分布は、亜熱帯・亜寒帯循環系が強化し黒潮続流が強化（+北上）するためである。これらの将来変化は、アリューシャン低気圧及び中緯度偏西風の強化・北上が原因である（図(2)-8b）。

黒潮続流の緯度を150-165Eにおける海面高度の南北勾配が最大となる緯度で定義し、強度は30Nと45Nでの海面水位の南北差で定義すると、黒潮続流が強化するモデルと北上するモデルがあることがわかる（図略）。これは、CMIP3の16モデルでも確認できる。黒潮続流の強度変化はアリューシャン低気圧の気圧変化が大きいほど大きく、黒潮続流の緯度変化は偏西風の緯度変化に比例する（図略）。北太平洋西部における海面水位の将来変化のモデル間の違いは、アリューシャン低気圧に関係した北太平洋上の海上風の将来変化のモデル間の違いによって生じている。

図(2)-8 25モデルで平均した（a）領域海面水位変化と（b）海面気圧の将来変化（カラー）。海面水位は北太平洋平均からの相対値を表す。黒線：20世紀気候値、白線：モデル間標準偏差。単位は(a) cm、及び(b) hPa。

図(2)-9は、CMIP5の25モデルにおける黒潮続流の強度及び緯度の変化に回帰させた海面水位と海面気圧である。黒潮続流の強度変化は、熱帯太平洋の気圧（海面水温）変化と関係する（図(2)-9a,b）。黒潮続流の緯度変化は、全球高緯度域の気圧変化と関係がある（図(2)-9c,d）。このことは、大気循環場の将来変化がモデルによって異なることによって、その海洋応答として現れる海面水位にモデル間で違いが生じることを示唆する。

最後に、北太平洋西部の領域海面水位変化と、海面水位の将来変化の要因の一つである「海洋密度変化（主に海洋熱膨張）による全球平均海面水位変化」との比較を行った（15モデル）。図(2)-10aは、領域海面水位変化（図(2)-8a）に「海洋密度変化による全球平均海面水位変化」を加えたものである。北太平洋西部の領域海面水位変化は、海洋密度変化による全球平均海面水位上昇より最大30%高くなる（図(2)-10b）。一方、北緯40-60度の亜寒带循環系では海洋密度変化による全球平均海面水位上昇より約30%低くなる（図(2)-10b）。このように、北太平洋西部の海面水位の将来変化を評価する上で、領域海面水位変化を無視することはできない。

本研究では、日本東方を含む北太平洋西部の領域海面水位上昇が全球平均海面水位上昇より大きくなることが示された。しかしながら、CMIP5で使用された大気海洋結合モデルでは、海洋モデルの空間解像度が粗く、黒潮続流の再現性が十分とは言えない。また、我が国が直面すると考えられる沿岸の海面水位を陽に表現することはできない。今後は、日本沿岸における海面水位上
昇を予測するために、高解像度海洋モデルによる予測や統計的ダウンスケーリング手法の開発などを進める必要がある。

図(2)-9 CMIP5の25モデルにおける黒潮続流の強度変化に回帰させた（a）海面水位と（b）海面気圧、及び、黒潮続流の緯度変化に回帰させた（c）海面水位と（d）海面気圧、カラーは95％以上の有意水準を満たす領域を示す。単位は、(a) cm/10cm、(b) hPa/10cm、(c) cm/1°、及び(d) hPa/1°。

図(2)-10　(a) 15モデルで平均した海面水位の将来変化[領域海面水位変化＋海洋密度変化による全球平均海面水位変化]（カラー）。　単位はcm。（b）[領域海面水位変化]/[海洋密度変化による全球平均海面水位変化]×100（%）。

## （４）CMIP5モデルの梅雨や降水強度の現在気候再現性の研究

表(2)-1の31個のCMIP5モデルを解析対象とした。この中には、生物化学的循環や炭素循環を組込んだ地球システムモデル Earth System Model (ESM)も含む。対象期間は20世紀再現実験(historical)の1981年から2000年までの20年間である。CMIP3モデルでは15個のモデルを解
析対象とした。対象期間は CMIP5 モデルと同じ期間である。モデルの検証に用いた降水量の観測データは、定量的な精度評価には GPCP 1dd データを用いた。期間が 1997 年以降に限られるが、ある。降水量の観測値には不確実性があるので、GPCP 1dd 以外の様々な観測値を用いた。詳細は、Kusunoki and Arakawa (2015) $ ^{13} $ を参照してほしい。

## 1 ）月平均降水量の地理分布

CMIP5 モデルと CMIP3 モデルの精度を比べるため、各月の RMSE を MME と AVM について図示したものが図(2)-11である。上左側に印があれば、CMIP5 が CMIP3 より精度が良い。すべての月で、MME と AVM ともに CMIP5 が CMIP3 より精度が良い。A, B, C などの寒い季節は原点から近いところに印が位置しているところから、6～8 月の暖かい季節に比べ RMSE が小さく精度が良い。また、個々の月に注目すると MME（赤）の方が AVM（緑）より精度が良い傾向がある。

図(2)-11 CMIP5モデルとCMIP3モデルの月平均降水量分布のRMSEの比較、数字とアルファベットのABCは月を示す。赤はMME、緑はAVM。○は、ブートストラップ法による検定で、RMSEの違いが90％有意水準を超えていることを示す。

## 2 ）梅雨の季節進行

図(2)-12は梅雨の季節進行の観測値とモデルのMMEとを中国、韓国、日本付近で比較したものである。図(2)-12(a-i)の観測を見ると、どの地域も降雨帯の北上が顕著である。CMIP3モデル(m-o)では降水量が少ないだけでなく、梅雨の北上がほとんど再現できていない。CMIP5モデル(j-1)ではCMIP3モデルに比べ降水量が多くなっており、梅雨の北上傾向が若干再現されている。厳しく評価すると、CMIP5モデルでも梅雨の季節進行が再現できているとは言えない。

## 3 ）極端な降水現象

極端な降水現象の指標には様々な種類があるが、ここでは表(2)-2で定義した4つの指標SDII, R5d, PMAX, CDDを用いた。これらは通年の統計値である。図(2)-13は極端な降水指標の観測値とモデルのMMEとを比較したものである。SDIIについてみると、CMIP3モデル(i)は降水強度が足りない。CMIP5モデル(e)では日本付近、朝鮮半島などで降水強度が増加して、CMIP3モデルより観測値に近づいている。同様にR5d, PMAXでもCMIP5モデルで改善がみられるが、観測に比べると強度が足りない。早魭の指標であるCDDについては、CMIP3モデルCMIP5モデルともに中国大陸北部で乾燥日数が足りない。モデルではこの地域で弱い雨が降りすぎていると思われる。
図(2)-12 半旬平均降水量(mm/day)の時間-緯度断面、中国（110-120E，20-45N）。韓国（120-130E，20-45N）、日本（130-142E，20-45N）。期間は第20半旬（4月6-10日）から第46半旬（8月14-18日）。(a)観測値GPCP1ddによる中国。(b)(a)と同じだが韓国。(c)(a)と同じだが日本。(d-f)(a-c)と同じだがGPCP2.5格子データ。(g-i)(a-c)と同じだがCMAP2.5格子データ。(j-l)(a-c)と同じだがCMIP5 MME.(m-o)(a-c)

表 $ (2) $ -2 極端降水現象の指標

略号	名称	定義	单位
SDII	単純日降水量強度指標	総降水量／雨日数、雨日：降水量1mm以上の日	mm day $ ^{-1} $
R5d	最大5日降水量	年最大5日連続降水量	mm
PMAX	最大日降水量	年最大日降水量	mm
CDD	連続乾燥日	最大連続乾燥日、乾燥日：降水量1mm未満の日	day
図(2)-13 極端降水現象（表4）の分布。(a) SDII(mm/day)、観測値 GPCP1dd。(b) (a)と同じだがR5d(mm)。(c) (a)と同じだがPMAX(mm)。(d) (a)と同じだがCDD(day)。(e-h)(a-d)と同じだがCMIP5 MME。(i-l)(a-d)と同じだがCMIP3 MME。

## （５）冬季（１２～２月）東アジアにおける大気循環の将来変化についての研究

## 1 ）CMIP5マルチモデルによる循環場の将来変化

現在気候を20世紀末（1981～2100年）の平均、将来気候を21世紀末（2081～2100年；RCP4.5シナリオ）の平均とし、この将来気候と現在気候との差を将来変化として定義する。また、冬季は12～2月の平均として定義する。まず、CMIP5気候モデル群の中で、インド洋から西太平洋にかけての熱帯域における上層発散の再現性が良いと評価された27モデルを用いて、アジア域のジェット気流の将来変化を解析した。このとき、予測された変化がモデル間で共通して見られる傾向かどうかを確認すること（符号検定）で不確実性の評価を行った。

図(2)-14は、熱帯での循環場の再現性が良いCMIP5モデルのマルチモデル平均によって予測された、将来気候（RCP4.5シナリオ）における循環場の将来変化である。図(2)-14(d)に示される熱帯域の200hPa速度ポテンシャルでは、海洋大陸付近での上層発散の弱化が見られており、将来気候におけるウォーカー循環は弱まっていることがわかる。図(2)-14(a)に示される200hPa東西風速からは冬季の対流圏上層におけるジェット気流の将来変化を見ることができるが、ここからは、ユーラシア大陸や北太平洋などの広い範囲でジェット気流が現在よりも北側で強まる一方、インドシナ半島から南シナ海、台湾付近の一部地域では現在よりも南側で強まるという予測を多くのCMIP5気候モデルが示していることが把握できる。このジェット気流の変化は、図(2)-14(b)に示される上層の流線関数に見られる波列パターン（南シナ海付近で低気圧性、日本の南東海上で高気圧性、北太平洋では低気圧性）に対応している。図(2)-14(b)(c)から上層と下層の循環場の将来変化を見ると、まず、赤道付近の上層（下層）においては、上層発散が弱化する海洋大陸付近の北西及び南西の領域に、赤道を挟んでほぼ対称な低気圧性（高気圧性）の循環偏差が見られる。また、中緯度においては、上層下層ともに、日本の南東海上に高気圧性循環の変化、その北東のアリューシャン列島の南に低気圧性循環の変化という、低緯度から中緯度まで等価順圧な鉛直構造を持つ波列状のパターンが確認できる。
これら循環場の将来変化は、その波列パターンの構造から判断するに、海洋大陸付近での上層発散によって励起されている傾圧的な赤道ロスビー波と中高緯度に伝播する等価順圧な定常ロスビー波の将来変化を見ていると推察される。上層発散の変化と前述の循環場の変化の関連性を複数のCMIP5モデルから統計的に評価すると、水平発散の弱化量と波列パターンの振幅の変化量の間には線形的な比例関係が見られた（Harada et al. 2013） $ ^{12} $ 。つまり、CMIP5のマルチモデルデータ解析から、ウォーカー循環の弱化に応答して松野-ギル応答が弱まり亜熱帯ジェットの位置が変化することと、低緯度から高緯度へのロスビー波の伝播の変化によって日本付近の定在波が変化することが示唆された。

(a)

(b)

(c)

図(2)-14 CMIP5 モデルによる将来変化（冬平均）。27 モデルのアンサンブル平均。等値線は現在気候、カラーは将来変化を表し、斜線は符号検定において変化が 95% 信頼度で有意な領域である。（a）における + は、将来変化が正偏差の領域すなわちジェット気流が将来気候において蛇行してくる位置を示している。（b）(c) における H 及び L は、将来変化が高気圧性及び低気圧性であることを示している。

## 2 ）LBMを用いた循環場の将来変化のメカニズム解析

次に、熱帯域の上層発散の弱化と東アジアの定在波変化の関係についてさらに調査するため、帯状平均場の周りに線形化した傾圧モデル(LBM; Watanabe and Kimoto 2000 $ ^{14} $ )を用いた数値実験を行った。使用したLBMは、解像度T42L20のプリミティブモデルを基本場の周りに線形化したものである。基本場は、本調査で用いた27のCMIP5気候モデル平均による帯状平均場を使用した。このLBMに、熱力学方程式の時間変化項と力学的な温度変化項の残差の平均として求められる加熱強制を、熱帯（南緯30度～北緯30度）のみに与えて定常解を求めた。これは、地球温暖化による循環場の変化を、加熱強制に対する線形定常応答問題の枠組みで理解しようとする試みである。LBMに与える基本場と加熱強制の将来変化は、海洋大陸付近における成層の安定化と、熱帯域における加熱の東偏をそれぞれ示している（図(2)-15）。
(a) LBMの基本場(気温)

(b) LBMの強制(加熱)

図(2)-15 CMIP5 モデルによる LBM の基本場と加熱強制の将来変化（冬平均）。27 モデルのアンサンブル平均。等値線は現在気候、カラーは将来変化を表し、斜線は符号検定において変化が 95% 信頼度で有意な領域である。(a) 気温の将来変化。東西平均として示している。LBM には基本場として与える。(b) 加熱強制の将来変化。1000hPa から 100hPa までの鉛直平均を、東西平均からの偏差として示している。LBM には加熱強制として与える。

LBMを用いた数値実験の結果を図(2)-16に示す。LBMは線形モデルであるため、基本場及び加熱強制の変化に伴う応答の変化（図(2)-16(c)(f)）の要因を、基本場と加熱強制それぞれの変化に伴う応答の変化（基本場の変化；図(2)-16(a)(d)、加熱強制の変化；図(2)-16(b)(e)）として切り分けて評価することが可能となっている。実験結果を見ると、地球温暖化に伴う基本場の変化（熱帯域対流圏の成層安定化；図(2)-15(a)）が日本付近での大気循環の変化において支配的な要因である（図(2)-16(a)(d)）が、熱帯域における加熱強制の東偏（図(2)-15(b)）も一定の役割を果たしている（図(2)-16(b)(e)）ことがわかる。両者の効果を足し合わせると図(2)-16(c)(f)となり、変化量や位置にやや違いが見られるものの、海洋大陸上空での水平発散の弱化及びそれを起源とする波列パターン状の変化という、CMIP5による将来予測（図(2)-14(b)）において見られた特徴をある程度説明できていることがわかる。

なお、LBM実験における他の強制として、地形による強制と移動性擾乱による渦強制が存在するが、地形による強制の効果をLBM実験から算出して足し合わせると、線形定常応答のパターンは将来予測（図(2)-14(b)）により近づいたため、地形強制も定常波の変化に寄与していることが示唆された。

以上の解析から、地球温暖化に伴う熱帯循環の変化が冬季東アジアの定在波に与える影響としては、熱帯域対流圈の成層安定化が支配的に寄与しているものの、熱帯域における加熱強制の東偏や地形強制、移動性擾乱による渦強制の効果も一定の役割を果たしていることがわかった。
図(2)-16 成層安定化と加熱強制の変化による LBM 実験の将来変化（冬平均）。熱帯域対流圈の成層安定化の効果を表す実験（基本場は将来気候、強制は現在気候）、熱帯域加熱強制の東偏の効果を表す実験（基本場は現在気候、強制は将来気候）、両者の効果を表す実験（基本場と強制ともに将来気候）の応答をそれぞれ示している。等値線は現在気候、カラーは将来変化を表し、斜線は符号検定において変化が90%信頼度で有意な領域である。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

1）アジアモンスーン地域では、他地域よりもモンスーン循環の弱化（力学的効果）による降水量へのマイナス効果が小さく、蒸発量が多い。このため、他地域よりも水蒸気の増加の効果が現れやすく、大きな降水増加が予測されていることがわかった。

2）東アジアにおける月平均降水量や極端降水量の再現性はCMIP5がCMIP3より精度が良く。また梅雨の北上傾向がより良く再現されている。世界の気候モデルによる東アジアの降水量再現性は確実に再現していることが判明した。

3）日本の南東海上での高気圧性変化はアリューシャン低気圧の南側を弱める方向に寄与するため、地球温暖化に伴って日本付近の冬型気圧配置が弱化してユーラシア大陸を起源とする寒波が弱まるという将来像が示唆される。温暖化による熱帯対流圏の成層安定化が東アジアにおける冬の循環の変化に及ぼす影響については、Hori and Ueda(2006) $ ^{15} $ などの先行研究が存在するものの、数は少なく、これまで理解があまり進んでいなかった。そのため、本研究が果たした科学的意義は大きいと考えられる。

## （２）環境政策への貢献
## ＜行政が既に活用した成果＞

気象庁は，本研究の成果を「異常気象レポート2014」（2015年3月発行）に引用した。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

この研究で得られた地球温暖化に伴う気候の変化についての情報が、より具体的に国民や関係機関に伝えられることにより、日本社会の様々な分野での影響評価研究に基づく適応策の検討に貢献できる。具体的には、

1）日本を含むアジア域では世界各地域に比べて地球温暖化による大きな降水増加が予測されるため、大雨に対する備えと水の有効利用が必要であること、

2）地球温暖化に伴って日本付近の冬型気圧配置が弱化してユーラシア大陸を起源とする寒波が弱まるという将来像が理論的に明確になったこと、

3）日本付近では大気循環の変化に伴う海面水位変化が大きく、世界平均海面水位の将来変化値による議論のみでは不十分であること、

4）世界の気候モデルの降水量再現性は着実に向上しているが、日本を含むアジアではまだ不十分であり、陸面温度や海面水温の将来変化に伴う降水量変化の不確実性も確認できることから、今後も気候モデルの開発とこれを用いた温暖化予測研究が望まれること、である。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) M. HARADA, S. HIRAHARA, S. HAGIYA, H. MURAI, Y. OIKAWA and S. MAEDA: SOLA, 9, 94–97 (2013)

“Intensification of the South Side of the Asian Jet Stream during the Northern Winter in CMIP5 models”

2) A. KITOH, H. ENDO, K. K. KUMAR, I. F. A. CAVALCANTI, P. GOSWAMI and T. ZHOU: J. Geophys. Res., 118, 3053–3065 (2013)

“Monsoons in a changing world: a regional perspective in a global context”

3) H. ENDO and A. KITOH: Geophys. Res. Lett, 41, 1704-1710 (2014)

“Thermodynamic and dynamic effects on regional monsoon rainfall changes in a warmer climate”

4) M. HARADA, S. WAKAMATSU, S. HIRAHARA, H. MURAI, Y. OIKAWA and S. MAEDA: SOLA, 10, 180-184 (2014)

“Impacts of Slowed Tropical Circulation on Winter Stationary Waves in East Asia and the North Pacific”

5) R. MIZUTA, O. ARAKAWA, T. OSE, S. KUSUNOKI, H. ENDO and A. KITOH: SOLA, 10, 167–171 (2014)
“Classification of CMIP5 future climate responses by the tropical sea surface temperature changes”

6) S. KUSUNOKI and O. ARAKAWA: J. Climate, 28 (2015)

“Are CMIP5 models better than CMIP3 models in simulating precipitation over East Asia?” (accepted)

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない。

## くその他誌上発表（査読なし）>

1) 前田修平, 中村尚: 地球温暖化—そのメカニズムと不確実性, 日本気象学会地球環境問題委員会編 朝倉書店, 86-87 (2014)

「地球温暖化に伴う冬季天候の変化」

2) 前田修平, 中村尚: 地球温暖化ーそのメカニズムと不確実性, 日本気象学会地球環境問題委員会編 朝倉書店, 87-89 (2014)

「地球温暖化に伴う夏季の天候変化」

3) 安田珠幾・鈴木立郎・野崎太・三上正男:地球温暖化－そのメカニズムと不確実性，日本気象学会地球環境問題委員会編 朝倉書店，118-130（2014）

「海面水位上昇」

4) A. KITOH and H. ENDO: The Global Monsoon: Research and Forecast 3rd Edition (2015) "Monsoon Precipitation in a Future Warmer World" (submitted)

5) H. ENDO and A. KITOH: The Monsoons and Climate Change: observations and modeling, L.M.V. CARVALHO and C. JONES (eds.) Springer (2015)

“Projecting Changes of the Asian Summer Monsoon through the 21st Century” (submitted)

## （2） 口頭発表（学会等）

1) H. Endo, A. Kitoh, K. K. Kumar, I. F. A. Cavalcanti, P. Goswami and T. Zhou: AGU Fall meeting, San Francisco, USA, 2012

“Monsoons in a changing world: a regional perspective in a global context”

3) T. Yasuda and M. Sueyoshi: 3rd International Conference on Earth System Modelling, Hamburg, Germany, 2012

“The 20th century climatology and 21st century change in the North Pacific sea level pattern in CMIP3 and CMIP5 climate models”

4) M. Harada, S. Hirahara, H. Ohno, S. Hagiya, H. Murai, Y. Oikawa and S. Maeda: AGU Fall Meeting, San Francisco, U.S.A., 2012

“Future changes in seasonal development in East Asia: southward strengthening of the
jet stream in summer in CMIP3 and CMIP5 models"

5）遠藤洋和、鬼頭昭雄、荒川理：日本気象学会2012年度秋季大会（2012）「CMIP5マルチ気候モデルによるモンスーン降水の再現性と将来変化」

6) 尾瀬智昭、荒川 理：日本気象学会2012年度秋季大会（2012）「CMIP5モデルによる21世紀末降水量変化と海面水温変化」

7）楠昌司、荒川理：日本気象学会2012年度秋季大会（2012）「CMIP5モデルによる梅雨の再現性」

8) 安田珠幾：日本気象学会 2012 年度秋季大会（2012）

「西部熱帯太平洋における1990年代以降の海面水位上昇」

9) 安田珠幾：第10回環境研究シンポジウム（2012）

「地球温暖化に伴う北太平洋西部における海面水位変化」

10）原田昌、平原翔二、大野浩史、萩谷聡、村井博一、及川義教、前田修平：研究集会「週間及び1か月予報における顕著現象の予測可能性」（2012）

「CMIP5マルチ気候モデルを用いた日本付近の季節進行の将来変化予測」

11) H. Endo, A. Kitoh, K. K. Kumar, I. F. A. Cavalcanti, P. Goswami and T. Zhou: International Workshop on CMIP5 Model Intercomparison for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, Tsukuba, Japan, 2013

“Changes in global and regional monsoon rainfall projected by CMIP5 models”

12) S. Kusunoki and O. Arakawa: Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, Tsukuba, Japan, 2013

“Reproducibility of Precipitation over East Asia by CMIP5 models CMIP5, International Workshop on CMIP5 Model”

13) S. Kusunoki and O. Arakawa: Sixth China-Korea-Japan Joint Conference on Meteorology, Nanjin, China, 2013

“Reproducibility of precipitation over East Asia by CMIP5 model”

14) M. Harada, S. Hirahara, S. Yasui, H. Murai, Y. Oikawa, and S. Maeda: Fifth International Workshop on Monsoons (IWM-V), Macao, China, 2013

“Projected changes in winter stationary eddies over Asia in CMIP5 models”

16) M. Harada, S. Hirahara, S. Yasui, H. Murai, Y. Oikawa, and S. Maeda: AGU Fall Meeting, San Francisco, U.S.A., 2013

“Projected changes in winter stationary eddies over Asia in CMIP5 models”

17) M. Harada, S. Hirahara, S. Hagiya, H. Murai, Y. Oikawa and S. Maeda: International Workshop on CMIP5 Model Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, Tsukuba, Japan, 2013
18）安田珠幾：三重県気候変動適応セミナー（2013）「気候変動の現状と予測－海洋における変化」

19）安田珠幾：2013年度日本海洋学会春季大会（2013）

「日本沿岸水位の過去及び将来における変動と変化」

20）尾瀬智昭：日本気象学会2013年度春季大会（2013）

「21世紀末熱帯海面水温・降水量変化と中高緯度の海面気圧変化」

21）楠昌司、荒川理：日本気象学会2013年度春季大会（2013）「CMIP5モデルによる梅雨の再現性」

22）遠藤洋和、鬼頭昭雄：日本気象学会2013年度秋季大会（2013）

「温暖化気候下における地域モンスーン降水の変化 〜熱力学的効果と力学的効果〜」

23）遠藤洋和、吉田康平、鬼頭昭雄、荒川理：日本気象学会2014年度秋季大会（2014）「高解像度MRI-AGCMによるモンスーン降水の再現性」

24）安田珠幾：2013年度日本海洋学会秋季大会（2013）「北太平洋海面水位の将来変化予測」

25）安田珠幾、石井正好、足立恭将、行本誠史：日本気象学会2013年度秋季大会（2013）「MRI-CGCM3十年規模予測実験における北太平洋西部海面水位変化」

26）安田珠幾：研究会「長期予報と大気大循環」（2013）「日本沿岸水位の十年規模変動と長期変化傾向」

27）原田昌、前田修平、平原翔二、村井博一、及川義教、安井壯一郎：研究集会「異常気象と気候システム変動のメカニズムと予測可能性」（2013）

「地球温暖化による海洋大陸での上昇流弱化の日本付近の循環場への影響（冬）」

28）前田修平：研究集会「急発達する低気圧の実態・予測・災害軽減に関する研究集会」（2014）「2014/15エルニーニョか？」

29）原田昌、平原翔二、萩谷聡、村井博一、及川義教、前田修平：日本気象学会2013年度春季大会（2013）

「CMIP5モデルにおける冬季アジアジェットの将来変化」

30）原田昌、平原翔二、安井壯一郎、村井博一、及川義教、前田修平：日本気象学会2013年度秋季大会（2013）

「冬季東アジア域における定常波の将来変化～CMIP5モデルによる解析～」

31) S. Kusunoki and O. Arakawa: The 2nd International Workshop on CMIP5 Model Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, 13 January 2014, Tokyo, Japan.

“Reproducibility of precipitation over East Asia by CMIP5 models”

32) T. Ose : The 2nd International Workshop on CMIP5 Model Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, 13 January 2014

"Tropical sea surface temperature change patterns and East Asian climate under global warming"

33) S. Kusunoki and O. Arakawa: 7th International Scientific Conference on the Global Water and Energy Cycle, 16 July 2014
“Reproducibility of precipitation over East Asia by CMIP5 models”

34) T. Yasuda, M. Adachi, M. Ishii and S. Yukimoto: 2014 Ocean Sciences Meeting, Honolulu, U.S.A., 24–28 February, 2014

“Decadal prediction of sea level in the western midlatitude North Pacific”

35) T. Yasuda, M. Adachi, M. Ishii and S. Yukimoto: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS), Sapporo, Japan, 2014

“Decadal prediction of sea level in the western midlatitude North Pacific”

36) M. Harada, S. Hirahara, H. Murai, S. Yasui, Y. Oikawa and S. Maeda: The 2nd International Workshop on CMIP5 Model Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, Tokyo, Japan, 2014

“Future Changes in Winter Stationary Wave in East Asia and the North Pacific”

37) S. Wakamatsu, M. Harada, S. Hirahara, H. Murai, Y. Oikawa and S. Maeda: AGU Fall Meeting, San Francisco, U.S.A., 2014

“Future Changes in Winter Stationary Wave in East Asia and the North Pacific”

38）若松俊哉、原田昌、平原翔二、村井博一、石原幸司、及川義教、前田修平：日本気象学会2014年度秋季大会（2014）

「熱帯循環の変化が冬季東アジアの定在波に与える影響～線形傾圧モデルによるメカニズム解析～」

39) T. Ose: Asian monsoon Hydroclimate Review of MAHASRI and Beyond, Nagoya, 2015

"Present-day's Surface Air Temperature and Precipitation and their Future Changes in Asia Monsoon System in CMIP model"

40）仲江川敏之：日本気象学会2015年度春季大会（2015）（予定）「CMIP5実験における土壌水分の将来変化原因の統計推定（I）」

41）尾瀬智昭：日本気象学会2015年度春季大会（2015）（予定）「CMIP5モデルの陸上気温・降水の再現バイアスと将来予測」

42）楠昌司：日本気象学会2015年度春季大会（2015）（予定）

「温暖化で雨の降り方が変わるのは何年ころか？」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）「国民との科学・技術対話」の実施

特に記載すべき事項はない。

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない。

## (6) その他
特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

1) M. Held And B. J. Soden: J. Climate., 19, 5686-5699 (2006)

2) P.−C. Hsu, T. Li, J.−J. Luo, H. Murakami, A. Kitoh and M. ZHAO: Geophys. Res. Lett., 39, L06701 (2012)

3) A. Kitoh, H. Endo, K. Krishna Kumar, I. F. A. Cavalcanti, P. Goswami and T. Zhou: J. Geophys. Res. Atmos., 118, 3053-3065 (2013)

4) K.R. Sperber, H. Annamalai, I.-S. Kang, A. Kitoh, A. Moise, A.G. Turner, B. Wang and T. Zhou: Climate Dyn., 41, 2711–2744 (2012)

5) T. Ogata, H. Ueda, T. Inoue, M. Hayasaki, A. Yoshida, S. Watanabe, M. Kira, M. Ooshiro and A. Kumai: J. Meteor. Soc. Japan, 92, 207–225 (2014)

6) S. Kusunoki and O. Arakawa: Climate Dyn., 38, 2055–2072 (2012)

7) S. Hirahara, H. Ohno, Y. Oikawa And S. Maeda: J. Meteor. Soc. Japan, 90, 663–671 (2012)

8) H. Endo And A. Kitch: Geophys. Res. Lett., 41, 1704-1710, (2014)

9) S.−P. XIE, C. DESER, G. A. VECCHI, J. MA, H. TENG and A. T. WITTENBERG: J. Climate., 23, 966-986 (2010)

10) B. Wang, S.-Y. Yim, J.-Y. Lee, J. Liu and K.-J. Ha: Clim. Dyn., 42, 83-100 (2014)

11) R. Mizuta, O. Arakawa, T. Ose, S. Kusunoki, H. Endo and A. Kitoh: SOLA, 10, 167–171 (2014)

12) M. Harada, S. Hirahara, S. Hagiya, H. Murai, Y. Oikawa and S. Maeda: SOLA, 9, 94–97 (2013).

13) S. Kusunoki and O. Arakawa: J. Climate, (accepted) (2015)

14) M. Watanabe and M. Kimoto: Quart. J. R. Met. Soc., 126, 3343–3369 (2000)

15) E. H. Hori and H. Ueda: Geophys. Res. Lett., 33, L03713 (2006).
（３）ダウンスケーリング研究のためのCMIP5マルチモデルにおけるアジアモンスーン気候再現性と将来変化の研究

筑波大学 生命環境系 植田宏昭

〈研究協力者〉

筑波大学 生命環境系 早崎将光（平成25～26年度）

平成24～26年度累計予算額：25,144千円（うち、平成26年度予算額：8,700千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

第3期および第5期結合モデル国際比較プロジェクト（phase 3 and 5 of the Coupled Model Intercomparison Project; CMIP3, CMIP5）の実験結果を用いて、アジア域における現在気候再現性の評価をおこなった。夏季・冬季の季節平均場は、広域アジアモンスーン地域全体で見る限りでは、CMIP5の方がCMIP3よりも現在気候再現性が向上していた。しかし、降水量の再現性は大気循環場の再現性と比べて低く、各季節の多雨地域において夏季では過小評価，冬季には過大評価をしていた。また、冬季の日本付近に限定すると、現在気候で再現性が良好であった循環場であっても、将来変化傾向がモデル間で大きく分散していた。

さらに、寒候期の寒気吹き出し強度の指標として、気温低下強度(Daily Cooling Intensity; DCI)についても現在気候再現性と将来変化傾向を評価した。季節平均場と同様、CMIP5の方が現在気候再現性は向上していたものの、観測値よりもDCIを過大評価していた。これは、最新の全球モデルであっても既知の問題として指摘されている、高緯度地域における低温バイアスに起因すると考えられる。DCIの将来変化傾向は、高緯度で正偏差（気温低下幅の縮小）、中緯度で負偏差（気温低下幅の拡大）がみられた。気温低下幅の拡大は、初春期の東アジアで特に大きく、多くのモデルが同様の変化傾向を示した。初春期は砂塵嵐の多発時期・農耕の開始時期に当たるため、温暖化時の気温低下幅の拡大は、砂塵嵐の多発や農作物の寒冷障害など、社会的インパクトの大きな影響を及ぼす可能性がある。

[キーワード]

アジアモンスーン、寒気吹き出し、低温バイアス

### 1. はじめに

日本を含むアジア域は、卓越風向や降水量が大きく季節変化する、いわゆるモンスーン気候に属している。ただし、一括りにモンスーン気候といっても、降水や風向などの短周期変動（ここでは数日程度の周期変動を指す）やその季節変化は、地域により大きく異なる。例えば暖候期のインドモンスーン地域の場合、インド洋からのモンスーン西風が卓越し、モンスーン期で年間降水の大部分がもたらされる。日本などの東アジアでは、モンスーン西風の下流部にあたる地域でメイユ・梅雨などの前線帯が形成され、その前線帯近傍でまとまった降水となる。さらに、季節
変化の視点では、熱帯西太平洋の季節変化に伴う海面水温上昇は、海洋大陸域での対流活発域の時空間不連続変化（対流ジャンプ）を生じ，さらにその遠隔応答として東アジアにおける梅雨前線の北上（梅雨明け）をもたらす（Ueda et al. 1995 $ ^{1} $ ）。

寒候期になると、インドモンスーン域では内陸部起源の北東風が卓越し、顕著な乾燥状態となる。東アジア、特に中緯度域では、ユーラシア大陸高緯度を起源とする寒気の吹き出しが卓越する。寒気の吹き出しに伴う強い北西季節風は、日本列島という地域規模では日本海側の悪天候・多降水（多降雪）と太平洋側での晴天・乾燥という顕著な空間コントラストをもたらす。また、黒潮・黒潮続流域などの海洋前線帯近傍では、地表面から下部対流圏において顕著な水平温度差（傾圧帯）を形成し、上層のジェット気流に沿って移動する上層渦と相互作用することで、低気圧の急発達がもたらされる。

近年の大気海洋結合モデル（ないし地球システムモデル）の改良・発展により、地域・季節ごとに特徴的なアジア気候の再現性が大きく向上したとされている（例えば Kitoh and Uchiyama, 2006 $ ^{2} $ ）。しかしながら、それら地域的なモデル性能・将来変化の評価は、個々の気候モデル開発グループにより実施されることが多いため、比較に用いる指標（メトリック）が異なる。したがって、世界に多数存在する気候モデルの性能評価は、できる限り均質な条件で計算されたものを、同一の計算手順で作成した共通指標で比較するのが望ましい。

全球気候モデルの継続的な改良発展と世界的な比較プロジェクト（CMIP3、CMIP5）の実施により、温暖化に伴う全球的な将来変化についての理解は大きく進歩した。一方で、温暖化に対する緩和策・適応策などの政治的・社会的観点からは、生活に密接に関連する地域スケール気候の将来変化に関する情報が必要とされている。地域スケール気候の将来変化を評価する方法の一つが、領域気候モデルを利用した力学的・統計的ダウンスケーリングである。このうち、力学的ダウンスケーリングで将来変化を見積もるには、全球気候モデルで得た将来気候場を領域気候モデルの境界条件として与える。できる限り信頼性の高い領域スケール気候の将来変化を評価するためには、この境界条件が高い信頼性をもつ必要がある。

## 2 ．研究開発目的

本サブグループの研究目的は、領域モデルに利用すべき全球気候モデルの性能評価を試みることである。具体的には、夏季・冬季モンスーン気候において鍵となる気象要素について、現在気候再現性と将来変化のモデル間のばらつきを評価した。第一段階としては夏季・冬季の季節平均場の再現性などを検討した。第二段階では、将来の昇温傾向が顕著な寒候期に特に着目し、寒候期の東アジアで卓越する寒気の吹き出しの活動動態の性能評価をおこなった。

## 3 ．研究開発方法

CMIP3およびCMIP5（両者とも24モデル）の現在気候実験の20世紀末（1981-2000年）の月平均値を用いて、夏季・冬季アジアモンスーンの現在気候再現性を調査した。気候再現性の評価指標には、空間変動パターン類似性の指標となる Taylor ダイアグラムを用いた（Taylor，2001 $ ^{3)} $ ）。評価対象としたのは、アジアモンスーン活動の指標として使われる基本的な気象要素（海面気圧、下層風、降水など）である。

また、日別値が利用可能なCMIP3およびCMIP5 モデル（それぞれ9,21モデル）について、日平