Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
(1981-2000年平均)的な分布と、その降水特性とを解析した。モデルの再現性は衛星観測データ(TRMM PR2A25・GPCPの降水量データ、CERESの地表放射フラックスデータなど)、地上観測データ(APHRODITEの降水量データ、Hadley Centerの海面水温(SST)やCRU-UEAの地表気温データ)、再解析データ(NCEP, JRA25, ERA40, MERRA, JRA55)と比較して調べた。モデル再現性を決める要因を明らかにするために、気候モデルの降水を計算する降水パラメタリゼーションの特性解析、モデルの分解能の議論、水・熱収支解析などを行った。

3) 過去100年の海水温変化の解析を行い、最も顕著な海水温上昇が見られたのは、黒潮などの中緯度・亜熱帯の強い暖流域であり、水深の浅い東シナ海でも観測されていることを示した。CMIP3やCMIP5による温暖化予測でも見込まれる顕著な水温上昇が日本付近の降水に与える影響を評価するため、対流性降水の組織化や季節性に現在気候における水温分布が与える影響をデータ解析や3段階にネストした領域大気モデル実験から調査した。また、領域大気モデル実験にて全球気候モデル予測から得られた水温上昇分を与えた実験も行い、温暖化に伴う水温上昇が顕著な降水イベントに与え得る影響評価を実施した。さらに、黒潮など暖流の強化に寄与する亜熱帯高気圧の強化の可能性についても、CMIP3実験の結果に基づき考察した。

## (2) アジア域気候とこれに関連する陸面・海面状態の将来変化の研究

世界各国の気候モデルCMIP5モデルによるアジア降水量再現性の精度向上を確認した上で、温暖化に伴うモンスーン降水の変化について、日本を含むアジアモンスーン域の特徴を定量的に明らかにした。さらに、地球温暖化に伴う東アジアの大気循環の将来変化について解析しメカニズムを明らかにした。また、熱帯太平洋などの海面水温やユーラシア大陸などの陸上気温、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解析し、その重要性を明らかにした。この研究課題で主として解析した対象は、CMIP5に参加した大気海洋、大循環モデル(AOGCM)であるが、解析条件により研究毎にモデルを選択している。必要に応じてCMIP3モデルとの比較も行い、その解析結果を比較し信頼性を確認している。さらに、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理論的に調査するため、帯状平均場の周りに線形化した数値モデル実験を行った。

## (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

アジアモンスーン地域の夏季・冬季平均気象要素について、年々変動の空間パターン類似性の指標となるTaylorダイアグラムを用いてCMIP3およびCMIP5モデル群（各24モデル）の現在気候再現性を評価した。また、寒候期の寒気吹き出し強度の指標として、日別気温差から気温低下強度（daily cooling intensity; DCI）を定義し、月別に算出した。DCIの地理的分布やその季節変化の現在気候再現性と将来変化の特徴やモデル間の分散などを評価した。

## (4) 熱帯域現象が東アジアの降水活動に与える影響の解明とその将来変化の研究

熱帯域現象が東アジアの降水に与える影響の解明とその将来変化に関して、CMIP5マルチ気候モデルにおける再現性を評価し、再現性の良いモデルを用いて構造の評価や将来変化を調査すると共に、CMIP3モデルとの比較を行った。まず、熱帯域における顕著な季節内変動現象としてマッデン・ジュリアン振動（MJO:数千kmの積乱雲の集団が地球スケールの東西循環を伴い赤道上を東進する現象で、多くの気候モデルでは未だ再現が困難）に着目し、熱帯域現象の理解に重要な三次元大気場や海面水温の日別値が得られるCMIP5モデルを用いて、観測との比較から現象の再現性を評価した。再現性の良いモデルを抽出することで、MJOの内部構造の再現性や、中緯度東アジア域の温帯低気圧活動への影響、将来気候での変動等を調査した。台風に関しては、発生頻度分布を良く再現するモデルを用いて、将来気候における発生頻度等をCMIP3モデルの結果と比較した。

## (5) 対流圏—成層圏循環場とアジア気候の将来変化に関する研究

地点観測データ、衛星観測データ、自身による気候モデル実験とCMIP5モデルの20世紀再現実験と将来予測実験のデータ解析を組み合わせて研究を行った。得られた現象が温暖化に伴うものかどうかを検証する為、温暖化の影響が無いコントロール実験のデータも解析した。力学場・放射場の変化と対応した対流圏一成層圏大規模循環場の平均場と擾乱の相互作用の特徴を記述可能な方程式系を導出し、気候モデル実験で得られたデータ解析に応用した。
### 4. 結果及び考察

## (1) アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の解明とその将来変化についての研究

最新のCMIP5マルチモデルデータと最新の観測データを利用し、1)初夏の日本付近における降水特性と大規模場構造の再現性評価と将来変化の推定、2)東アジア気候に遠隔影響を及ぼす熱帯域とユーラシア大陸上の降水過程の気候モデル再現性の評価、3)日本近海の季節的・長期的な温暖化や海流の長期変動が、雲・降水系・低気圧活動に及ぼす影響の評価についての研究を実施し、以下の成果が得られた。a)衛星観測降雨レーダデータと大規模場を表現する気象データとを組み合わせた解析により、日本付近の梅雨降雨帯の南側では背の高い対流雲が強い雨を降らせ、北側の層状性降雨と顕著に特性が異なることがわかった。同時に、大規模場の状況から梅雨前線の位置を特定することができることが確認できた。1-b)CMIP5実験結果の比較解析から梅雨降雨帯とアジア上空ジェットとの位置関係をよく再現するモデルでは、将来、アジアジェットは南偏傾向を示した。海水温上昇と水蒸気量増加による大気不安定化と相俟って、台湾から日本南岸にかけて将来の降水量の増加が予想される。

c) 現実の55年データに見られる梅雨の長期変動に、太平洋十年規模変動の影響が大きいことがわかった。d) 東アジア気候に遠隔影響が大きい熱帯降雨分布の気候モデルバイアスについてCMIP3とCMIP5のマルチ気候モデルデータの比較により解析した。典型的なバイアスであるダブルITCZと海面水温冷舌バイアスとは、これまで双方とも海水温分布の再現性に帰着されることが多かったが、前者はモデルの積雲対流の表現方法に、後者は海洋モデルの再現性にと、別々の要因を持つことを初めて明らかにした。

e)東アジア気候に遠隔影響をもつユーラシア大陸の降水バイアスは、気候モデルの雲の過小評価とそれに伴う大陸規模の循環バイアスに帰着されることを解明した。

f) 水深の浅い東シナ海水温の季節変化が九州の豪雨発生に与える影響を調査するため、2012年7月の九州北部豪雨を対象にダウンスケールした領域モデル実験を実施した。また、CMIP5の全球温暖化予測から得られた気温と水温上昇分を与えた実験を行った。この結果、梅雨末期の九州の豪雨には東シナ海の夏季（7月）の季節的昇温が影響し、将来気候では6月の豪雨発生の可能性があることを示した。

g）日本東方海上の海洋前線帯において観測された顕著な暖水偏差を与えた大気大循環モデルによる予報実験により、北太平洋上で実際に観測された高気圧性循環偏差が従来にない高い有意性をもって再現された(Okajima et al. 2014; 成果論文)。この結果は、日本東方沖の亜寒帯海洋前線帯の南北変位の正しい表現が、冬季移動性高低気圧経路の表現に重要であることを示した。

h)東方海上の海洋前線帯における水温の10年規模変動が近年弱化傾向にあることを観測データから見出した（Miyasaka et al. 2014）。10年規模変動の長期変調が温室効果気体濃度を固定した気候モデルでも現れることも確認し、この長期変調が自然変動の揺らぎと解釈できた。

i) CMIP5による温暖化予測データの詳細な解析から、世界各地域での地表面蒸発量の変化の要因と季節変化を明らかした。

全サブ課題から参加する編集委員会を結成、課題全体の論文発表成果から数編を選択し、温暖化の影響を中高生レベルにわかりやすく噛み砕いて解説するための議論を重ね、小冊子を刊行した。

## (2) アジア域気候とこれに関連する陸面・海面状態の将来変化の研究

CMIP5のマルチモデルデータを用いて、1)モンスーン地域の降水変化に対する熱力学的効果と力学的効果についての定量的解析、2)海面水温や陸面温度と関連するアジア域降水量の将来変化についての解析、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、4)CMIP5モデルによる梅雨や降水強度の現在気候再現性の研究、5)冬季東アジアにおける大気循環の将来変化についての研究を実施した。

この結果、以下のことがわかった。1) 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。日本を含む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る。2) 降水量の将来変化予測は海洋大陸の東西やアフリカのサヘル域でモデル間の符号一致度が小さいが、前者は熱帯海上気温の将来変化と、後者は北半球の大陸高緯度の陸上気温の将来変化と関係している。3) 地球温暖化に伴う海洋循環の変化による日本東方など北太平洋西部の領域海面水位上昇は、全球平均海面水位上昇より大きい。4) 東アジアの月平均降水量や極端降水量の再現性は、CMIP5モデルがCMIP3モデルより精度が良く、また梅雨の北上傾向がより良く再現されている。5) 冬季（12～2月）東アジアにおける循環場の変化の解析と数値実験によれば、地球温暖化による熱帯域対流圏の成層安定化によってウォーカー循環が弱化し松野-ギル応答が弱まり、東アジアでは亜熱帯ジェットの位置が変化する。これによる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、日本付近
の冬型気圧配置が弱化して寒波が弱まる。

## (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

夏季・冬季平均場は、全般的にCMIP5の現在気候再現性が向上していた。しかし、両季節ともに多雨地域での降水の再現性が水平風の再現性に比べて低い。日本付近においては、南北風将来変化がCMIP5モデル間でも非常に大きな分散を示す。気温低下強度（DCI）も全体傾向としては再現性が向上していたが、高緯度域での低温バイアスに起因して一部地域で過大気味であった。特筆すべき結果として、初春期の東アジアにおいてDCIの強化が顕著に見られた。温暖化するにもかかわらず、日々の気温低下幅が大きく事を意味しており、温暖化の緩和策・適応策を考える際に重要な知見となる。

## (4) 熱帯域現象が東アジアの降水活動に与える影響の解明とその将来変化の研究

MJOの再現に関して、CMIP5モデルはCMIP3と比べて改善がみられているが、依然として系統的な誤差が残っている。個別の気象要素毎にMJOの構造を調べると、例えば降水の極大と海面水温の低下、下層の東西風と水蒸気変動との対応等で、現実の大気では成り立っていない関係がみられており、観測とモデルとの間には根本的な相違があることが示唆される。

比較的再現性の良いモデルを用いた解析によると、MJOの中緯度温帯低気圧活動への影響に関しては、MJOがインド洋で活発な時に北太平洋域の温帯低気圧活動の強化がみられた。また、将来気候においては、MJOに伴う熱帯域降水が増加し、中緯度域の擾乱の活動度がさらに強化することが予想された。

台風発生頻度分布に関しても、現在気候における再現性の良いモデルと用いた解析を行い、フィリピン東海上のモンスーントラフが東に伸張することで、台風の主要発生域が東方へ拡大し、日本への台風接近数が減少する可能性があることが示された。この結果はCMIP3での予測とも基本的に整合していた。

## (5) 対流圏—成層圏循環場とアジア気候の将来変化に関する研究

東西風観測データを解析し、この60年間で下部成層圏のQBO振幅が30%程度減少している事を世界で初めて発見した。更に同じ解析手法を用いてCMIP5気候モデルデータについて、地球温暖化に伴うQBOと赤道域上昇流の変化を解析した。その結果、QBOを再現する事に成功している複数の気候モデル全てで、20世紀から21世紀にかけて、QBOが弱まり赤道上昇流が強まっている事が確認された。

気候変動に重要な役割を果たしている成層圏水蒸気の年々変動を、最新衛星観測と気候モデルを組み合わせて精査した。観測データから(1)上部成層圏で時間と共に下方伝播する水蒸気偏差の存在を初めて発見、(2)上部対流圏から下部成層圏にかけて上方伝播する成分が卓越することを示した。次に気候モデル実験を行い(1)と(2)のメカニズムを解明し、(2)に関してはQBO振幅と相関が高いことが分かった。

成層圏を全て含むハイトップモデルと含まないロートップモデルで、東西風の平均構造と年々変動成分を調べた。両者の間には東西風の平均場には統計的有意な差が見られなかったが、年々変動成分については、成層圏の有無が決定的であり、年々変動の大きさを考察するには成層圏を入れる事が必要不可欠であった。

力学場・放射場の変化と対応した対流圏一成層圏大規模循環場の平均場と擾乱の相互作用の特徴を記述可能な方程式系（GTEM）の導出に成功した。実際の大気大循環場のデータに適用したところ、理論的に予想されていた負の渦拡散を定量的に初めて見積もることが出来た。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

本課題「CMIP5マルチモデルを用いたアジア域気候の将来変化予測に関する研究」では、気候モデルの再現性に関して物理的解釈に重点を置いて研究を行った結果、3年間でNature論文を含む33本の査読付一流国際学術誌への掲載発表と、198件の学会等の口頭発表を達成し、この分野における科学的理解の発展に大きく貢献したといえる。また、3回の国際会議を主催して海外のエキスパートを招聘し、CMIP5相互比較によるアジア気候の将来変化研究についての研究情報交換を行ったことも科学的意義が大きい。

## 1 ) アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の解明とその将来変化についての研究

a) 最新の衛星観測データと大規模気象場とを組み合わせた解析により、前線南北での降水の3次元構造の顕著な違いを世界で初めて明らかにし(Yokoyama et al. 2014)、初夏の日本付近の降水に関する理解を深めた点で科学的意義が大きい。

b) 熱帯太平洋降水分布のダブルITCZと赤道域冷舌バイアスは、世界中の気候モデルに共通して見られる
重要な問題として知られているが、本研究によって世界で初めて、前者は主に大気モデルの積雲対流パラメタリゼーションに起因し、後者は海洋モデル依存性が高いという、バイアス要因が明確分離にされた(Hirota and Takayabu, 2013)点で科学的意義が大きい。さらにダブルITCZバイアスに関して、気候モデルによる感度実験も行い、物理プロセスの理解に基づいて具体的なモデルの改良方法も示した(Hirota et al. 2014)ことも科学的価値が高い。ユーラシア大陸上の降水バイアスも多くのモデルが共通して抱える問題であり、その発生メカニズムの解明は科学的価値が高い。

c) 九州北部豪雨の解析と数値実験結果は、東シナ海の水温の顕著な季節性が水蒸気供給による大気の不安定化を通じて豪雨に本質的に寄与し得ることを初めて明確に示し、科学的意義が高く、Scientific Reports誌掲載の成果論文(Manda et al. 2014)として記者発表した。

d) Okajima et al. 2014は、従来否定されてきた中緯度海洋変動が大規模大気循環に及ぼす影響を初めて明確に示した点で科学的価値が高い。また、東方海上の海洋前線帯における水温の10年規模変動期変調が自然変動の揺らぎと解釈できたことは、北太平洋域の気候状態の将来変化予測に不確実性をもたらす新たな要因を見出した。

e) Masunaga et al. (2015) は、全球大気モデルにおいても十分な水平解像度があり、水温前線を表現できる水温データを与えれば、日本の東方海上の複雑な水温分布の顕著で局所的な水温勾配が大気境界層のメソ構造や雲・降水系の形成に与える影響を表現できることを示し、科学的価値が高い。

f) 夏季の北極海沿岸ストームトラックの研究 (Nishii et al. 2015) は、温暖化の著しい北極海域への熱・水蒸気の輸送の再現性に、IPCCクラスの気候モデルではかなりの過小評価と不確実性があることを指摘し、シベリア域の陸面・植生などの表現の改善の必要性を促す価値がある。

## 2 )アジア域気候とこれに関連する陸面・海面状態の将来変化の研究

a) 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（カ学的効果）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。b) 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。c) 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)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。

## 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

温暖化により、時期・季節によっては現在気候よりも大きな気温急低下が生じる可能性を示した。ただし、気温低下幅の将来変化はモデル間で大きくばらつき、季節平均などの大気循環場の現在気候再現性とは関連性を見いだすことは困難であった。すなわち、ダウンスケーリング研究で利用する全球モデル選択のためには、季節平均気象要素の再現性だけでなく、短周期変動の再現性も含め、複数の指標を総合した評価基準で選択する必要があることを示した。

## 4 ) 熱帯域現象が東アジアの降水活動に与える影響の解明とその将来変化の研究

気候モデルによる再現が難しいとされてきた熱帯季節内変動現象に関し、再現性の評価により信頼性の高いモデルを抽出することで現象の解析を行い、不確実性の低い将来予測情報の抽出が可能となったことは、科学的意義が大きい。

## 5 )対流圏—成層圏循環場とアジア気候の将来変化に関する研究

地球温暖化の新たなシグナルが、成層圏のQBOという現象に既に現れていることを発見するとともに、大気微量成分を全球に運ぶ極めて重要なBDCの強化を観測データから世界で初めて立証し、気候モデル予測の正当性を示した点は、今後の温暖化予測研究にとっての科学的意義が大きく、Natureに掲載された(Kawatani and Hamilton, 203)。この知見は、オゾン層将来予測モデルを用いたオゾン層回復時期・程度に関する知見に定量的な示唆を与える可能性もあり、今後のモデル予測精度の向上や、IPCCの科学的知見の収集にも貢献する。大きな放射強制力を持つ故に、気候変動に重要な役割を果たす成層圏水蒸気の年々変動について、その実態を示しメカニズムの解明をしたことや、中高緯度で成層圏から対流圏まで伸び
る東西風の年々変動の再現性には成層圏を含む必要を示した科学的意義は大きい。また、新たなGTEM解析法により、現実的な波動と平均場の相互作用について、理論的に予想された負の渦拡散の効果を初めて定量的に取り扱うことが出来るようになったことの科学的意義も大きい。

## (2) 環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

1）気象庁は、サブ課題2の成果を「異常気象レポート2014」(2015年3月発行)に引用した。

2）2013年に発行されたIPCC AR5には、本課題メンバーによる学術論文17本（同グループによる推進費先行課題S-5-2の成果で本課題に継続している）が引用された。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

## 1 ）アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の解明とその将来変化についての研究

a）梅雨の雨の特徴は、数百km幅の降雨帯の中で顕著な南北差をもち、前線の南側では激しい積乱雲の雨が多い。ジェット気流などが気候変動に伴い僅かに南北移動すると、豪雨頻度など日本域の雨の様相に急激な変化をもたらす可能性を示唆するもので、防災面における温暖化対策策定の際に重要な知見を与えることが見込まれる。

b）本研究の同著者によるダブルITCZの要因についての論文の第一報（先行推進費）は将来予測のための気候モデルの重要な改良策を指摘し、IPCC AR5に引用された。今回はその物理的意味をより明確にした点で、気候モデル改良への指摘にさらに活用されることが見込まれる。

c) 九州北部豪雨の再現・感度実験は、浅い東シナ海の水温の顕著な季節性の寄与を初めて明確化し、今世紀半ば以降は東シナ海水温の顕著な上昇によって、将来こうした規模の豪雨が6月末にも起こり得る可能性を示唆し、かつ7月ならば現在よりも30%もの降水量増加が見込まれる可能性を示唆するもので、今後の防災・環境政策に役立つ重要な知見を与える。

d) 日本東方海上などの海洋前線帯の水温偏差は海洋循環の変動により形成・維持されるため、中高緯度では例外的に大気へ熱力学的強制を及ぼし得る。今回の大気大循環モデル実験の結果は季節予報の精度向上にも寄与し得る成果である。この研究成果の論文はIPCC AR5でも引用されている。

e）一般市民向け小冊子「暑いだけじゃない地球温暖化2:世界の気候モデルが予測する東アジアと日本の雨」は、本課題で発行された査読つき学術論文の成果から、地球温暖化に伴う身近な気象の変化についてのわかりやすい話題を選び、内容を噛み砕いて編集したものであり、国民に地球温暖化の効果を実感してもらうための活用が役立つと考えられる。

## 2 )アジア域気候とこれに関連する陸面・海面状態の将来変化の研究

本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は、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、a)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、b)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、c)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、d)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観測との絶対比較ではまだまだ不十分であり、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認められることから、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。

## 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

寒気吹き出し時の気温低下幅が、東アジアの初春期で特に強くなることを初めて示した。初春期での気温低下幅の強化は、単に気象要素の短周期変動性の変化にとどまらない。東アジアにおいては、a）黄砂の発生・輸送動態の変調をもたらす、b）温暖化した気候に適応した品種の農作物に対する低温障害を引き起こす、などの影響が考えられる。この知見はアジア域全体での温暖化適応策の多国間協議の場において特に重要な知見となると期待される。
## 4 ) 熱帯域現象が東アジアの降水活動に与える影響の解明とその将来変化の研究

熱帯インド洋から中部太平洋で発達する大規模な雲群（MJO：マッデン・ジュリアン振動）の発達は、日本を含む東アジア域における低気圧活動に大きく影響している。将来気候においては熱帯MJOによる中緯度への影響が強化するであろうことが示唆された。日本付近の将来気候変動予測においては、熱帯域現象の再現性や予測精度を向上させることが重要であるという知見を示している。

また、気候モデルにおける将来気候実験では、台風発生に好都合な環境場であるフィリピン沖のモンスーン低压帯が東に伸張し、台風の主要発生域が東方へ拡大又は移動し、日本域への台風接近数が減少する可能性があることが示唆された。この成果は、IPCC AR5への貢献論文として地球温暖化関連政策に資するとともに、我が国における防災・環境政策にも重要な示唆を与える知見である。

## 5 )対流圏—成層圏循環場とアジア気候の将来変化に関する研究

地球温暖化による成層圏循環の応答を初めて観測から実証しNature誌に発表した。これは、政策者が地球温暖化の事実の下に政策を行うことをサポートする重要な証拠となる。更に温暖化影響の正確な把握には成層圏現象を正しく表現できる気候モデルの利用が必要不可欠なことを示した。これはオゾンホール回復のための政策にも重要である

### 6. 研究成果の主な発表状況

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1) T. MIYAMA, M. NONAKA, H. NAKAMURA and A. KUWANO-YOSHIDA: Tellus A, 64, 18962 (2012) "A striking early-summer event of a convective rainband persistent along the warm Kuroshio in the East China Sea"

2) S. YOKOI, C. TAKAHASHI, K. YASUNAGA, and R. SHIROOKA: SOLA, 8, 137–140 (2012) "Multi-model projection of tropical cyclone genesis frequency over the western North Pacific: CMIP5 results"

3) T. MIYAKAWA, S. YOKOI, N. HIROTA, S. HIRAHARA, T. INOUE and Y. N. TAKAYABU: J. Meteorol. Soc. Jpn., 91, 305–321 (2013)

“A summer Eastern Asian metric for CMIP3 climate models: an iterative selection method”

4) N. HIROTA and Y. N. TAKAYABU: Climate Dynamics, 41, 2909–2920 (2013)

“Reproducibility of precipitation distribution over the tropical oceans in CMIP5 multi-climate models compared to CMIP3”

5) N. OSHIMA, M. KOIKE, Y. KONDO, H. NAKAMURA, N. MOTEKI, H. MATSUI, N. TAKEGAWA and K. KITA: J. Geophys. Res., 118, 23, 13175–13198 (2013)

“Vertical transport mechanisms of black carbon over East Asia in spring during the A-FORCE aircraft campaign”

6) K. TAKAYA and H. NAKAMURA: J. Climate, 26, 23, 9445–9461 (2013)

“Interannual variability of the East Asian winter monsoon and related modulations of the planetary waves”

7) 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”

8) A. KITOH, H. ENDO, K. K. KUMAR, I. F. A. CAVALCANTI, P. GOSWAMI and T. ZHOU: J. Geophys. Res., 118.8, 3053–3065 (2013)

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

9) S. YOKOI and Y. N. TAKAYABU: J. Climate, 26, 973–987 (2013)

“Attribution of decadal variability in tropical cyclone passage frequency over the western North Pacific: A new approach emphasizing the genesis place of cyclones”

10) S. YOKOI, Y. N. TAKAYABU, and H. MURAKAMI: J. Climate, 26, 4096–4101 (2013)

“Attribution of projected future changes in tropical cyclone passage frequency over the western North Pacific”

11) K. YASUNAGA, T. NASUNO, H. MIURA, Y. N. TAKAYABU, and M. YOSHIZAKI: J. Meteorol. Soc. Jpn., 91A, 217–229 (2013)
“Afternoon precipitation peak simulated in an aqua-planet global non-hydrostatic model (aqua-planet-NICAM)”

12) T. MIYAKAWA, S. YOKOI, N. HIROTA, S. HIRAHARA, T. INOUE, and Y. N. TAKAYABU: J. Meteor. Soc. Japan, 91, 305–321 (2013)

“A summer Eastern Asian metric for CMIP3 climate models: an iterative selection method”

13) Y. KAWATANI and K. HAMILTON: Nature, 497, 478–481 (2013) "Weakened stratospheric Quasibiennial Oscillation driven by in

14) N. HIROTA, Y. N. TAKAYABU, M. WATANABE, M. KIMOTO and M. CHIKIRA: J. Climate, 27, 8707–8723 (2014)

“Roles of convective entrainment in spatial distributions and temporal variations of precipitation.”

15) C. YOKOYAMA, Y. N. TAKAYABU and S. KANADA: J. Climate, 27, 5872–5890 (2014)

“A contrast in precipitation characteristics across the Baiu front near Japan: Part I. TRMM PROBservation.”

17) A. LAINE, H. NAKAMURA, K. NISHII and T. MIYASAKA: Climate Dynamics, 42, 9–10, 2745–2761 (2014)

“A diagnostic study of future evaporation changes projected in CMIP5 climate models”

19) A. MANDA, H. NAKAMURA, N. ASANO, S. IIZUKA, T. MIYAMA, Q. MOTEKI, M. YOSHIOKA, K. NISHII and T. MIYASAKA: Scientific Reports 4, 5741, doi:10.1038/srep05741 (2014)

“Impacts of a warming marginal sea on torrential rainfall organized under the Asian summer monsoon”

20) N. SHI and H. NAKAMURA: Tellus A, 66, 22660 (2014)

“Multi-decadal modulations in the Aleutian–Icelandic Low seesaw and the axial symmetry of the Arctic Oscillation signature, as revealed in the 20th century reanalysis”

21) 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”

22) 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”

23) 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"

24) T. OGATA and H. UEDA and T. INOUE and M. HAYASAKI and A. YOSHIDA and S. WATANABE and M. KIRA and M. OOSHIRO and A. KUMAI: J. Meteor. Soc. Japan, 92, 207–225 (2014)

“Projected future changes in the Asian Monsoon: A comparison of CMIP3 and CMIP5 model Results”

25) C. TAKAHASHI and R. SHIROOKA: J. Geophys. Res., 119, 10663–10683 (2014)

“Storm track activity over the North Pacific associated with the Madden–Julian Oscillation under ENSO conditions during boreal winter”

26) Y. KAWATANI, J. N. LEE and K. HAMILTON: J. Atmos. Sci., 71, 4072–4985, (2014) "Interannual variations of stratospheric water vapor in MLS observations and climate model simulations"

27) A. NODA: J. Meteor. Soc. Japan, 92, 411–431, (2014)

“Generalized transformed Eulerian mean (GTEM) description for Boussinesq fluids”
28) K. NISHII, H. NAKAMURA and Y. J. ORSOLINI: Climate Dynamics, 44, 5–6, 1311–1327 (2015) "Arctic summer storm track in CMIP3/5 climate models"

29) R. MASUNAGA, H. NAKAMURA, T. MIYASAKA, K. NISHII and Y. TANIMOTO: J. Climate, 28, 5, 1764–1787 (2015)

“Separation of climatological imprints of the Kuroshio Extension and Oyashio fronts on the wintertime atmospheric boundary layer: Their sensitivity to SST resolution prescribed for atmospheric reanalysis”

#### 30 ) S. YOKOI: J. Climate, 28, 793–808 (2015)

“Multireanalysis comparison of variability in column water vapor and its analysis increment associated with Madden-Julian oscillation”

31) S. MINOBE, B. QIU, M. NONAKA and H. NAKAMURA: "Climate Changes: Multidecadal and Beyond", World Scientific (2015), in press

“Air-sea interaction over the western boundary currents in the western North Pacific”

32) H. NAKAMURA, K. NISHII, L. WANG, Y. J. ORSOLINI and K. TAKAYA: "Dynamics and Predictability of Large-Scale High-Impact Weather and Climate Events", J. Li, R. Swinbank, H. Volkert, R. Grotjahn, Eds., Cambridge University Press (2015), in press

“Cold-air outbreaks over East Asia associated with blocking highs: Mechanisms and their interaction with the polar stratosphere”

33) S. KUSUNOKI and O. ARAKAWA: J. Climate, (in press)

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

## く査読付論文に準ずる成果発表＞

1) H. NAKAMURA: Nature Geoscience, 5, 11, 768–769 (2012)

“Future oceans under pressure” (News and Views)

2）河谷芳雄：パリティ，丸善，29.04.44-48（2014）

“クローズアップ「成層圏に地球温暖化シグナルを発見！」”

## (2) 主な口頭発表 (学会等)

198件（リスト省略）

[サブ1=76件、サブ2=42件、サブ3=22件、サブ4=38件、サブ5=20件]

### 7. 研究者略壓

## 課題代表者:高藪緣

東京大学理学部卒業、東京大学大学院理学系研究科修士課程修了、博士（理学）、国立環境研究所主任研究員、現在、東京大学大気海洋研究所教授

## 研究分担者

1）中村尚

東北大学理学部卒業、ワシントン大学大気科学科博士課程修了、学術博士（Ph.D.）、東京大学大学院理学系研究科准教授、現在、東京大学先端科学技術研究センター教授

## 2 ）尾瀬智昭

山口大学文理学部卒業、九州大学大学院修士課程修了、理学博士、気象庁気候情報課、現在気象研究所気候研究部第二研究室長

## 3 ）植田 宏昭

筑波大学第一学群自然学類卒業、気象庁気象研究所気候研究部 研究官、現在、筑波大学生命環境系教授

## 4 ）城岡 竜一

気象大学校卒業、北海道大学大学院理学研究科博士課程修了、博士（理学）、農林水産省北海道農業試験場主任研究官、現在、海洋研究開発機構主任技術研究員

## 5 ）河谷芳雄

九州大学理学部卒業、東京大学大学院理学研究科博士課程修了、博士（理学）、現在、海洋研究開発機構統合的気候変動予測研究分野主任研究員
## 2 A-1201 CMIP5マルチモデルデータを用いたアジア域気候の将来変化予測に関する研究

## （１）アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の解明とその将来変化についての研究

東京大学 大気海洋研究所 高薮縁

東京大学 先端科学技術研究センター 中村尚・西井和晃

<研究協力者>

東京大学 大気海洋研究所 横山千恵

国立極地研究所 廣田渚郎

名古屋大学 地球水循環研究センター 金田幸恵(平成24年度)

東京大学 先端科学技術研究センター 宮坂貴文(平成24年度)

東京大学 先端科学技術研究センター Alexandre LAINE（平成24年度）

（平成27年3月末現在、国立極地研究所）

東京大学 先端科学技術研究センター 小坂 優（平成26年度）

長崎大学 水産環境学部 万田敦昌（平成25・26年度）

独立行政法人 海洋研究開発機構 美山 透（平成24年度）

平成24～26年度累計予算額：59,876千円（うち、平成26年度予算額：21,039千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

地球温暖化に伴う気候変動に対する的確な対策には、温暖化の影響に関する具体的な情報が必要である。国民生活への気候変化の影響は、天気現象（台風、低気圧、梅雨、豪雨、豪雪、干ばつ、熱波など）の変化を通してより顕在化する。また、2011年タイの洪水のように、アジアの様々な地域の気候変化も日本社会・経済に直接的な影響をもつ。第5期結合モデル相互比較計画(CMIP5)気候モデル実験が集約されIPCC第5次評価報告書（AR5）が発行されたが、アジア域気候の将来変化についての知見は不十分である。特に降水は、20世紀観測結果も将来変化も、地表面気温が全球で上昇傾向を示すのとは対照的に、増加・減少の地域差が複雑で、予測のばらつきも大きい。本研究は、最新のCMIP5マルチモデルデータと最新の観測データを利用し、アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の状態とその将来変化を解明する目的で行った。新たに得られた主な成果を以下に示す。1)日本付近の梅雨降雨帯の南側では背の高い対流雲が強い雨を降らせ、北側と降雨特性が異なる。2)梅雨降雨帯とアジア上空ジェットとの関係をよく再現するモデルでは、将来、アジアジェットは南偏傾向、海水温上昇と水蒸気量増加による大気不安定化と相俟って、台湾から日本南岸にかけて降水量の増加が予想される。3)現実の梅雨の長期変化には、太平洋十年規模変動の影響が大きい。4)東アジア気候に遠隔影響が大きい熱帯降雨分布の気候モデルバイアスについて、ダブルITCZと海面水温冷舌バイアスとは別要因に帰着される。5)ユーランア大陸の降水バイアスは気候モデルの雲の過小評価に帰着される。6)梅雨末期の九州の豪雨には東シナ海の夏季（7月）の季節的昇温が影響し、将来気候では早い季節（6月）の豪雨発生の可能性があ
る。7) 日本東方沖の亜寒帯海洋前線帯の南北変位の正しい表現は、冬季移動性高低気圧経路の表現に重要である。8) 世界各地域での地表面蒸発量の変化の要因と季節変化を明らかした。9) 課題全体の科学的成果から温暖化の影響をわかりやすく解説した小冊子を刊行。

## [キーワード]

CMIP5マルチ気候モデル、梅雨前線、降水変化、集中豪雨、海洋前線

### 1. はじめに

我が国は現在、東日本大震災からの復興、経済復興などの大きな課題を抱えている。また、タイの洪水の影響に代表されるように、日本の気候のみならずアジアの様々な地域の気候変化が日本社会・経済に直接的な影響をもつことが顕在化した。従って地球温暖化による気候変動に対してより一層的確な対策をとる必要がある。そのためには、今後の温暖化の進行に伴ってどのような現象が起こるかについて、できる限り具体的な情報が提供されなければならない。2013年に発行されたIPCC第5次評価報告書（AR5）のため、世界のより高度化した気候モデル実験結果が第5期結合モデル相互比較実験（CMIP5）の下に集約され公開されている。温暖化に関する国際的議論もCMIP5やAR5が新しい国際標準となった。

本研究課題は、最新のCMIP5マルチモデルデータと最新の観測データとを利用し、地球温暖化に伴って日本の四季およびアジア域の様々な気象がいかに変化するかを調査研究し、成果を分かりやすく発表することを目的として開始した。特に日本の社会生活に直接的な影響があるアジア域の雲・降水に関わる現象に焦点を当てた。また近年成層圏の状態が対流圏の現象に大きな影響を与え得るという事が知られているが、CMIP3時代のモデルでは成層圏の鉛直解像度が粗く研究対象とする事は難しかったため、CMIP5の一部で初めて可能になったこの問題の解析にも取り組んだ。図(1)-1に研究体制を示す。

図1-1 研究の基本的構想と体制。

本サブテーマ1は、「アジアの四季に強い降水をもたらす大規模気候場の仕組みとその将来変化について」を担当し、CMIP5マルチ気候モデル等の最新のデータを利用して調査研究を行った。この調査は、将来に向けた防災・減災のための環境政策の立案のために資する重要なものである。
以下の3つに大きくまとめた研究テーマの中でそれぞれ複数の重要な成果を得た。

（１）初夏の日本付近における降水特性と大規模場構造の再現性評価と将来変化の推定

（２）東アジア気候に遠隔影響を及ぼす熱帯域とコーラシア大陸上の降水過程の気候モデル再現性の評価

（３）日本近海の季節的・長期的な温暖化や海流の長期変動が、雲・降水系・低気圧活動に及ぼす影響の評価

また、本サブテーマ1のもうひとつの役割として、上記の課題全体について総括を行った。

（４）課題の総括として、一般向け小冊子の発行、および、各年度１回（計３回）アジア降水や温暖化研究の海外のエキスパートを招待した国際会議を主催した。

## 2 ．研究開発目的

## （１）初夏の日本付近における降水特性と大規模場構造の再現性評価と将来変化の推定

初夏の日本・東アジア域では梅雨前線に伴って多量の雨が降るため、将来の気候変化による梅雨前線降水の変化を知ることは重要である。先行研究において、梅雨明け直前に日本付近の大気下層に高い相当温位の空気が流入することに伴い、背の高い降水が増加することが示され

（Takayabu and Hikosaka, 2009 $ ^{1} $ ）、これが梅雨末期の集中豪雨の増加に対応することが示唆された。また、亜熱帯ジェットが梅雨前線の形成に影響することも指摘されている（Kodama 1993 $ ^{2} $ ，Sampe and Xie 2010 $ ^{3} $ ，Horinouchi 2014 $ ^{4} $ ）。しかし、梅雨前線の降水特性と大規模場との関係に注目した理解は、未だ不十分である。また梅雨の将来変化予測には気候モデルの利用が必要不可欠であるが、現在の標準的な気候モデルの空間解像度は水平方向に約100km程度と粗いため、気候モデルだけで降水特性の将来変化を議論するのは難しい。そこで、本研究では梅雨前線の降雨特性と気象大規模場の構造に注目し、衛星観測データおよび再解析データの解析で得られた知見も利用しながら、CMIP5マルチ気候モデル群データの再現性および将来変化について様々な観点から評価する。

そのために、まず梅雨前線の降雨特性の空間変化を調べる。梅雨前線は、亜熱帯大気と中緯度大気とが接する境界で生じる停滞前線であり、その南北で大気成層構造が大きく変化している。ここでは、降水特性の梅雨前線の南北での相違について、蓄積された衛星降雨レーダ観測データを用いて解析すると共に、CMIP5マルチ気候モデル群における梅雨前線付近の大規模環境場や降水の再現性を調べる。

次に、1958年以降の55年間以上にわたる気象情報を含む最新の気象庁55年長期再解析（JRA55）を用いて梅雨前線降水の最近の長期変化を調べ、CMIP5マルチ気候モデル群による将来予測結果と対比させて共通点や相違点に注目し、CMIP5マルチ気候モデル群による梅雨前線の将来変化について評価する。

さらに、衛星降雨データから解析された降水特性と大規模環境場との関係についての知見をもとにCMIP5モデルによる梅雨前線降水の再現性の評価方法を考案し、再現性のよいモデルによる初夏の日本付近の降水の将来変化についての水平分布を含めたより詳細な推定を行う。
## （２）東アジア気候に遠隔影響を及ぼす熱帯域とコーラシア大陸上の降水過程の気候モデル再現性の評価

日本を含む東アジアの気候には、熱帯域やユーラシア大陸からの遠隔影響があることが知られている(Hirota and Takahashi, 2012 $ ^{5} $ )、Takahashi et al. 2014 $ ^{6} $ （本課題サブ4成果））。例えば、エルニーニョの発生時には、フィリピン付近の熱帯降水活動は抑制され、対応する凝結加熱の減少は大気大循環に影響し、日本は冷夏になりやすくなる。また、ユーラシア大陸上の大気波動擾乱は、亜熱帯ジェットを蛇行させ、日本に異常気象に強く関わる。従って、日本付近の気候・気象を理解し、その将来変化を考えるうえで、熱帯域やユーラシア大陸上の降水過程を調べることは重要である。ここでは、CMIP5気候モデルによる熱帯域・ユーラシア大陸域における降水再現性を評価し、その再現性を決める要因を明らかにする。

## （３）日本近海の季節的・長期的な温暖化や海流の長期変動が、雲・降水系・低気圧活動に及ぼす影響の評価

日本近海では過去100年間の水温上昇が全海洋平均の2倍以上のペースで進んだ事実を、23年度終了の環境政策総合推進費S-5において見出した。その一方、長期的に見れば我が国の夏季において集中豪雨の発生も増加傾向にあるが、日本近海の著しい水温上昇が将来の集中豪雨の発生に与え得る影響については調査されていない。そこで、本サブテーマは日本近海の季節的・長期的な温暖化や海流の長期変動が、雲・降水系、さらには低気圧活動に及ぼす影響も評価する。より包括的な視点から見れば、将来の大気・海洋の温暖化に伴って、海面からの蒸発がどのような過程を通じていかに変化するかを把握することも、将来の水循環や降水予測の評価のために有意義である。

もう1つの重要な目的は、我が国の四季の天候状況に影響を与えうる北極域を含む中高緯度・亜熱帯の大気循環系の季節・経年変動について、気候モデルにおける現在気候再現実験からその再現性を検証し、それに基づき将来変化予測結果に対する各モデルの信頼性を評価し、その物理的・力学的解釈を与えることである。この際、日本近海の季節的・長期的な温暖化や海流の長期変動が、雲・降水系、さらには低気圧活動やジェット気流に及ぼす影響にも着目する。並行して、将来の大気・海洋の温暖化に伴って、海面からの蒸発が如何なる過程を通じて如何に変化するかを、CMIP5モデルの将来予測を基に評価を実施することを目指す。

## （４）課題の総括

課題全体の個々の研究を総括し、地球温暖化がアジア域気候に与える影響を一般市民および政策者にわかりやすく伝えることを目的とする。また、毎年度海外からの専門家を招聘し、国際WSを開いて研究情報の交換を行う。

### 3. 研究開発方法

## （１）初夏の日本付近における降水特性と大規模場構造の再現性評価と将来変化の推定

## 1 ）梅雨前線の降水特性と大規模場の南北構造の再現性および将来変化の評価

日本付近の梅雨前線に伴う降水の特性について、熱帯降雨観測（TRMM）衛星搭載の降水レーダ観測データ（PR2A25）、JRA-25/JCDAS再解析データ、GPCP降水データおよびCMIP5マルチ気候モデル