Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
39) Dhakal, S.: Global carbon budget and challenges for making low carbon society− why Asia matters?. International Symposium on Challenge 25 Beyond Borders?: Promoting a Low Carbon Society, Kobe, Japan, January 2010.

40) Dhakal, S.: Low carbon cities: flexing the urbanization-energy-carbon nexus. UNU-IAS Seminar Series on Low Carbon Cities: Flexing the Urbanization-Energy-Carbon Nexus, Yokohama, Japan, February 2010.

41) Dhakal, S.: Energy and transport considerations for low carbon cities. Panel Meeting: Consensus Panel on Low Carbon, Pretoria, South Africa, October 2010.

42) Dhakal, S.: Global CO $ _{2} $ source-sink dynamics and Hindu Kush Himalayan region. ICIMOD Authors’ Workshop on the HKH regional Climate Change, Kathmandu, Nepal, August 2011.

43) Dhakal, S.: Urban $ CO_{2} $ emissions: current understandings and unresolved questions. Tyndall Center Annual Assembly, New Castle, UK, September 2011.

44) Dhakal, S.: Cities and carbon mitigation: needs for consumption perspectives. LCS-RNet 3rd Annual Meeting, Paris, France, October 2011.

45) Dhakal, S.: Urban energy use and $ CO_{2} $ emissions: current understandings and unresolved questions. Workshop on the Role of Human Settlements, Infrastructures, and Spatial Planning for Climate Change Mitigation, Oslo, Norway, October 2011.

46) Dhakal, S.: Role of cities and urban energy in climate policy. ISAP 2011: Third International Forum for Sustainable Asia and the Pacific, Tokyo, Japan, December 2011.

47) Dhakal, S.: Cities GHG emissions, inventorying and comparisons: needs for going beyond the current approaches. Pathways towards a low carbon city, Durban, South Africa, December 2011.

48) Dhakal, S.: Best practices for energy saving and $ CO_{2} $ reduction within a city-level framework. The CGP-SSRC Policy Forum Public Symposium, Tokyo, Japan, February 2012.

49) Dhakal, S.: Creating sustainable cities: in a rapidly urbanizing world. Plant Under Pressure, London, UK, March 2012.

## （3） 出願特許

なし

## （４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

1) Asia Energy Environment Modeling Forum 3rd Annual Workshop (2007年5月30-31日, Beijing University, China)

2) UNFCCC COP13 Side-Event: Carbon Management in Cities: Gaps in Policy Discussions and Scientific Understanding（2007年12月6日，Grand Hyatt Hotel，Indonesia，参加者100名）

3) International Symposium on Urban Energy and Carbon Management: Challenges for Science and Policy (2008年2月4日, AIT Center, Thailand, 参加者45名)

4) International Workshop on Urban Energy and Carbon Modeling (2008年2月5-6日, AIT Center,
Thailand，参加者35名）

5) International Symposium “Realizing Low Carbon Cities: Bridging Science and Policy” (2008年2月16日，メルパルク名古屋，日本，参加者200名)

6) International Workshop “Towards Low Carbon Cities: Understanding and Analyzing Urban Energy and Carbon” （2008年2月17日-18日，名古屋大学，日本，参加者80名）

7) 国際シンポジウム「都市とカーボンマネージメント: 科学と政策の連携強化に向けて」(2009年11月16日，東京国際フォーラム，日本，参加者150名)

8) International Workshop on Urban Energy and Carbon Modeling in Rapidly Urbanizing World (2011年3月10日-11日，IIASA，Austria，参加者20名)

9) International Workshop on Water-Energy-Carbon nexus: Drivers, footprints, and implications (2012年3月1日-2日，東京ガーデンパレス，日本，参加者30名)

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) Malaysia’s New Straight Times（2008年2月24日、マレーシア（日曜版）、日本における環境問題全般について）

2) The Nation（2008年2月5日、タイ、前述(4)-3のシンポジウムについて）

3) 成果の記者発表（2009年11月18日、筑波研究学園都市記者会・環境省記者クラブに配布）

4) 成果の記者発表（2010年11月18日、筑波研究学園都市記者会・環境省記者クラブに配布）

5) 成果の記者発表（2011年12月1日、筑波研究学園都市記者会・環境省記者クラブに配布）

## (6) その他

なし

### 8 \. 引用文献

1) Dhakal, S. (2009): Urban energy use and carbon emissions from cities in China and policy implications. Energy Policy, 37, 4208-4219.

2) Li, L., C. Chen, S. Xie, C. Huang, Z. Cheng, H. Wang, H. Huang, J. Lu and S. Dhakal (2010) Energy demand and carbon emissions under different development scenarios for Shanghai, China. Energy Policy, 38(9), 4797-4807.

3) Kennedy C., A. Ramaswami, S. Carney and S. Dhakal (2011) Greenhouse gas emission baselines for global cities and metropolitan regions. Cities and Climate Change An Urgent Agenda, The world Bank.

4) Parshall L., K. Gurney, S. Hammer, D. Mendoza, Y. Zhou and S. Geethakumar (2010) Modeling energy consumption and CO $ _{2} $ emissions at the urban scale: methodological challenges and insights from the united states. Energy Policy, 38(9), 4765-4782.

5) World Energy Outlook 2007 (2007) International Energy Agency.

6) World Urbanization Prospects: The 2007 Revision (2007) United Nations Population, Population Division of the Department of Economic and Social Affairs.

7) World Energy Outlook 2008 (2008) International Energy Agency.
S-5 地球温暖化に係る政策支援と普及啓発のための気候変動シナリオに関する総合的研究

4. 統合システム解析による空間詳細な排出・土地利用変化シナリオの開発

(4) 気候変動シナリオの解析による空間詳細シナリオの整合性評価に関する研究

（独）海洋研究開発機構 地球環境変動領域 地球温暖化予測研究プログラム

$$ 地球システム統合モデリング研究チーム $$

<研究協力者>

$$ \begin{aligned}&( 独 )\ 海洋研究開発機構 \quad 地球環境変動領域 \\&\quad\quad\quad\quad 地球温暖化予測研究プログラム \quad 加藤悦史 \cdot 石原浩二 \end{aligned} $$

平成19年度～23年度累計予算額：83,966千円

（うち、平成23年度予算額：21,516千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 第5期結合モデル国際比較プロジェクト(CMIP5)実験の駆動データとして用いられる代表的濃度経路(Reference Concentration Pathways:RCPs)のうち、RCP6シナリオにおける植生火災によるエアロゾル排出および土地利用変化による炭素排出シナリオを作成し、アジア太平洋結合評価モデル(Asia-Pacific Integrated Model:AIM)のデータとして提出した。モデルによる植生火災排出推定および土地利用変化排出推定について、衛星由来の火災面積を用いた排出推定とブックキーピング法による過去土地利用変化排出推定を利用して検証を行った。また、すべてのRCPsシナリオについて、空間詳細土地利用変化シナリオと土地利用変化起源の炭素排出シナリオの間の整合性評価を行った。RCP2.6は、負の化石燃料排出達成に向けバイオマス作物生産による炭素の貯留と関連した農地増加シナリオとなっているが、陸域生態系モデルVISITを用いた正味の土地利用変化炭素排出推定を行ったところ、標準的な排出シナリオで想定された以上に間接的な土地利用変化由来の排出の増加を引き起こすことが明らかになった。一方、RCP4.5とRCP6.0では、耕作地と放牧地が2次的な自然植生へ転換することによって、CO₂吸収量が増加する結果が得られたが、この吸収量に関してCO₂施肥効果が大きな影響を持つことが明らかになった。また、RCPsシナリオ以降の新土地利用シナリオの開発に向けて、VISITおよび地球システムモデルMIROC-ESMによる温暖化の効果を含めた土地利用変化によるの炭素排出への影響を評価した。さらに、土地利用変化シナリオによる気候への影響を、MIROC-ESMを用い生物地球物理学的要因と生物地球化学的要因に切り分け評価した。新土地利用シナリオ開発に向けた取り組みとして、温暖化の効果を含めた作物生産性変化の評価手法の検討を行った。温暖化予測実験データ公開サーバー環境移行に伴い、国際的なデータ配布を担う公開サーバーでのユーティリティ関連ソフトウェアを移植した。

[キーワード] 土地利用変化シナリオ、土地利用変化炭素排出、Representative Concentration Pathways（RCPs）、植生火災、地球システムモデル
### 1. はじめに

気候変動に関する政府間パネル第5次評価報告書(IPCC AR5)に向けた次世代の気候変動予測シナリオの構築が急務となっている。国際的な長期気候変動予測研究の議論において、これまで十分には取り扱われてこなかった自然システムと社会システムを統合して解析するアプローチが重要視されている。IPCC AR5に向けた統合的な気候変動シナリオ解析枠組みとして、パラレルアプローチに従った研究が進みつつある(Moss et al. 2010) $ ^{6} $ 。パラレルアプローチの第一段階として、気候モデルへの入力データとなる、将来の安定化時放射強制力を4種類に設定した排出・濃度・土地利用変化に関する代表的濃度経路(Representative Concentration Pathways: RCPs)シナリオの構築が、統合評価モデル(Integrated Assessment Models: IAMs)グループによって進められ、平成21年度にデータ公開がなされた。それに引き続き、RCPs濃度・排出シナリオに基づく温暖化予測実験がなされ、第5期結合モデル相互比較プロジェクト(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5: CMIP5)のデータアーカイブに、世界各気候研究機関による気候モデルグループによる計算結果が提出されている。同時に、新たな社会経済シナリオと叙述的なストーリーラインの作成および緩和・適応に向けた影響評価研究による整合的な気候変動シナリオの統合化が現在進みつつある。

本研究課題における本サブ課題では、このIPCC AR5でのパラレルアプローチに準ずる形で、新シナリオ統合化に向けたシナリオの整合性解析に先立ち、初めに気候モデルへの入力に向けた空間詳細な排出シナリオ開発を行った。具体的には、アジア太平洋結合評価モデル(Asia-Pacific Integrated Model:AIM)が作成するRCP6シナリオの排出シナリオの中で、社会・経済モデルによる排出を補完する形で、土地利用変化およびCO₂濃度パスと整合的な、陸域生態系からの空間詳細な排出シナリオの構築を進めることとした。この陸域排出シナリオ作成において、過去から将来にわたり整合的な排出データの作成を行うため、陸域生態系モデルによる植生火災排出と土地利用変化排出の推定に関するモデルの高度化と、過去排出推定の検証が必要となる。

RCPsシナリオはパラレルアプローチ初期における気候モデルへの入力シナリオという性質上、放射強制力の安定化に注目した簡易な前提をおいたシナリオであり、シナリオのCO₂濃度は簡易気候・炭素循環モデルによって推定されたものである。CMIP5実験のうち地球システムモデル(Earth System Model: ESM)を用いたRCPs実験では、この簡易モデルによって計算されたCO₂濃度シナリオに基づき、安定化のために将来の許容可能なCO₂排出量を推定する設定となっている。このため、濃度計算に使われた化石燃料由来と土地利用変化由来の炭素排出に関して、整合的な排出であるかどうかが各シナリオにおける許容排出量の評価において大きな影響を持つ。よって、本研究においてRCPsシナリオにおける空間詳細な土地利用変化と土地利用変化による炭素排出についての整合性評価を行うこととした。

また、土地利用変化は、陸域のCO $ _{2} $ 排出と吸収の変化を通して炭素循環への影響を及ぼすだけではなく、陸面の変化によりアルベド、潜熱顕熱の変化を通した物理的な要因によっても気候へ影響を及ぼす。過去の土地利用変化に対し、生物地球物理学的要因と生物地球化学的要因に切りわけるため、簡易な地球システムモデル(Earth System Models of Intermediate Complexity:EMICs)やESMによる研究が近年進みつつあるが、将来の気候変動への緩和を考慮したシナリオの開発にむけても、空間詳細な土地利用変化シナリオを通した気候への影響を評価する必要がある。

さらに、CMIP5実験による温暖化予測データの公開に関し、国際規約に基づいたデータ公開サー
バーの利用に向けた整備が喫緊の課題となっている。

### 2. 研究開発目的

## （１）RCPsデータベースに向けた、人為土地利用変化による炭素排出および植生火災によるエアロゾル排出シナリオ作成

本研究では、AIMによるRCP6.0シナリオ作成の中で、社会・経済活動による産業由来の人為起源排出を補完する形で、土地利用変化および植生火災を原因とするセクターの排出シナリオを作成することを目的とした。排出推定において、過去および現在の土地利用変化に由来する正味の炭素排出、植生火災によるエアロゾル排出について、陸域生態系モデルの高度化を行うことにより、衛星観測および他のモデル推定と整合的な排出推定および検証をめざす。このモデルを利用し、RCP6.0社会・経済シナリオによるCO₂排出シナリオと土地利用シナリオに沿った過去から将来にわたる整合的な排出推定と、それら排出量の感度分析を行う。

## （２）RCPsシナリオにおける土地利用変化シナリオと土地利用変化に由来する炭素排出シナリオの整合性評価

RCPシナリオでは、CMIP5実験の入力データとして温室効果ガス(GHG)およびエアロブルの排出・濃度データと共に、空間詳細な土地利用変化シナリオデータが提供されている。濃度駆動のCMIP5実験では、統合評価モデルによって作成された化石燃料起源CO₂排出シナリオと土地利用変化CO₂排出シナリオに基づいたCO₂濃度が駆動データとして利用される。しかし、ESMによる排出駆動のCMIP5実験では、空間詳細な土地利用変化シナリオデータを利用し、モデル内部で計算した土地利用変化CO₂排出と化石燃料起源CO₂排出に従った気候変動予測を行う。そのため、ESMによるシナリオ実験の結果を解釈するには、土地利用変化による排出を適切に評価する必要がある。本研究では、陸域生態系モデルを用い、RCPs土地利用変化シナリオデータとCO₂濃度データを用いた場合の植生からの土地利用変化排出を算出し、統合評価モデルによる排出シナリオの整合性を評価することを目的とした。また、CMIP5によるシナリオ実験だけでは、ESMによる土地利用変化由来の排出を評価することは不可能なため、地球システムモデルMIROC-ESMのRCPs実験に対し追加実験を行い、炭素循環-気候フィードバックを含んだ空間詳細な土地利用変化シナリオによる土地利用変化由来のCO₂排出を評価することを目的とした。

## （３）MIROC-ESMによる、土地利用変化シナリオによる気候への影響評価

RCPsシナリオでの空間詳細な土地利用変化シナリオの評価のため、地球システム統合モデルを利用し、土地利用変化による炭素循環の変化を通した生物地球化学的要因による気候への影響と、陸面過程の変化を通した生物地球物理学的要因による気候への影響評価を行い、将来の気候変動の緩和に向けた土地利用変化シナリオの検討を行う。

## （４）気候変動影響を考慮した陸域生産性評価の手法開発に向けた検討

RCPsシナリオは、気候変動の影響を考慮しない簡易な前提をおいたシナリオであり、IPCC AR5における最終的な気候シナリオに向けた整合的な新土地利用シナリオ作成が求められる。本研究において、気候変動影響を考慮した農業生産性の評価を行い、土地利用変化シナリオ高度化への
入力情報を提供するための手法を検討する。

## （５）温暖化予測データの利用環境整備とデータサポート

温暖化予測データはCMIP5および気候・予報メタデータ規約（Climate and Forecast Metadata Convention:CF-1.4）にて定義されている国際標準仕様のメタデータで管理されている。国内研究機関の温暖化予測データは21世紀気候変動予測革新プログラム（革新プログラム）から提供され、データ統合・解析システム（DIAS）で配信・管理される。DIASでは温暖化予測データだけでなく様々な手段で得られた観測データや再解析データなど、図(4)-1に示すような観測から利用までの一体連携を支援するシステムの開発を行っており、多様なデータの管理を行うためISO19115を拡張した独自仕様のメタデータによるデータ管理システムの開発が進められている。様々なデータの統合・解析に適したDIAS仕様のメタデータを作成するため、CMIP5/CF仕様のメタデータをDIAS仕様のメタデータへ変換するためのメタデータコンバーターを作成する。同時に、革新プログラムより提供される温暖化予測データのDIAS向けのメタデータを作成する。また、CMIP5での国際的に共通なデータ配信システムとDIAS独自のデータ統合・解析システムを同時に運用しているDIASの特性を生かして、DIASでの温暖化予測データ利用者に向け、国際的に共通のデータ利用サービスに付したデータ利用環境を提供する。

図(4)-1 観測から利用までの一体連携を支援するメタデータ管理システムの概要
### 3. 研究開発方法

（１）RCPsデータベースに向けた、人為土地利用変化によるCO₂排出および植生火災によるエアロゾル排出シナリオ作成

本研究における排出推定ツールとして、陸域生態系生物地球化学モデルVegetation Integrative Simulation Tool (VISIT)を用いた。このモデルはプロセスベースモデルであり、100年スケールでの陸域炭素収支を見積もることが可能である。また特徴として、光合成と呼吸による大気とのCO $ _{2} $ の交換を推定するだけでなく、土地利用変化、植生火災、植生による揮発性有機化合物(VOC)・メタン排出、土壌炭素エロージョンなど、主要要素以外の炭素収支を個々のコンポーネントの導入により推定可能としている。

モデルによる植生火災排出推定において、Thonicke et al. (2001) $ ^{13)} $ の方法による土壌水分と燃焼可能な植生由来の燃料量からグリッドごとの火災確率および火災期間を推定するスキームを用い火災面積推定を行った。また、人為的な植生火災発生として、熱帯、亜熱帯域の土地利用変化、および移動耕作による火災発生を導入した。モデル内において、RCPs土地利用変化データによる1次・2次植生から農地・牧草地への転換地での火災発生、および、潜在的に移動耕作がなされている地域における農地面積における回転率15年での火災発生を仮定し、植生火災焼失量を求めた。燃料の燃焼完全性(combustion completeness)と排出係数については、RCPsの基準年データ作成に用いられた値(Lamarque et al. 2010 $ ^{4)} $ )をパラメータとして使用した。

VISITの火災コンポーネントによる排出として、 $ CO_{2}\cdotCO\cdotCH_{4}\cdotNMHC $ （非メタン炭化水素）・OC（有機炭素）・BC（ブラックカーボン）等のRCPsで求められる温室効果ガスと各エアロブル排出量を、1ヶ月ごと、空間分解能30分のグリッドで計算した。また、これら推定値を、衛星観測に基づく火災排出推定データベースGFEDv2（Randerson et al. 2007 $ ^{9} $ ）と比較検討することにより、モデル内の火災発生確率から面積推定に関する地域化パラメータの改善を行った。

この火災モジュールを用い、2006-2100年でのRCP6社会・経済シナリオに従った植生火災による排出シナリオ作成を行った。排出シナリオ作成実験として、1901-2000年の過去再現実験に引き続き、RCP6のCO₂濃度シナリオと空間詳細な土地利用変化シナリオを駆動データとして用い、2001年から2100年のオフライン実験を行った。RCPsシナリオは気候変動シナリオ構築の第1段階として温暖化の効果を入れない簡易なシナリオであるため、2001年以降の気候条件として1990年代の気候値を用いた。また、植生のCO₂施肥効果を通した間接効果を避けるために、火災発生確率に対する土壌水分の変動影響に関して、CO₂施肥効果による土壌水分変動を考慮しない実験設定とした。このRCP6.0シナリオ作成実験と共に、AIMによるRCP6.0シナリオの参照シナリオとして作成されたなりゆき(BAU)シナリオの実験、またCO₂濃度に対する植生火災排出の影響をみるため、CO₂施肥効果を考慮しない実験およびCO₂施肥効果による火災発生確率に対する間接効果を含む実験を追加で行った。

土地利用変化による正味の $ CO_{2} $ 排出推定に関しても、シナリオ作成に先立ち、過去1901-2000年における本研究に用いたモデルによる推定での再現性の検証を行った。過去土地利用変化データとして、RCPsシナリオ作成プロセスにおいて構築されたニューハンプシャー大学による空間解像度0.5°の過去土地利用データ(Hurtt et al. 2009 $ ^{2)} $ )を用いた。VISITモデルグリッド内において、1次植生、2次植生、農地、牧草地、都市と分類された土地利用データおよび土地利用間の遷移データを用い、土地利用変化にともなう植生伐採による $ CO_{2} $ の排出量、農地・牧草地の放棄による植生
再成長を通したCO₂の吸収量を計算した。RCP6土地利用変化由来CO₂排出シナリオ作成においては、過去土地利用排出推定実験で検証を行ったモデルを利用し、植生火災排出推定実験と同様にVISITを用いた2006-2100年でのオフライン実験による推定を行った。空間詳細な土地利用変化データとして、RCP6社会・経済モデルによる広域な地域別土地利用割合データを本研究課題サブテーマ（1）がダウンスケーリングし遷移情報を付加したものを利用した。また、RCP6シナリオ作成と並行して、AIMによるBAUレファレンス土地利用・CO₂濃度シナリオを利用した場合での、土地利用変化由来のCO₂排出推定も同時に行った。これら陸域生態系排出シナリオを、AIMの社会・経済モデルへ戻すことにより、最終的なRCP6シナリオ作成を行い、RCPsデータベースに提出した(Masui et al. 2011 $ ^{5} $ )。

## （２）RCPsシナリオにおける土地利用変化シナリオと土地利用変化に由来するCO_{2}排出シナリオの整合性評価

土地利用シナリオデータとして、IAMs間の違いをハーモナイズしたRCPs土地利用変化データ(Hurtt et al. 2009 $ ^{2)} $ )を利用した。このデータは空間解像度0.5°グリッドで、1次土地、2次土地、農地、牧草地、都市の区分でグリッド内の土地利用割合およびそれらの土地利用の間の遷移を、過去データに引き続き、統合評価モデルによる各RCPsシナリオの2005年から2100年までの変化について整備したデータである。本研究で検証を行った陸域生態系モデルVISITを用い、各RCPsシナリオでの2006年から2100年までの土地利用変化による正味のCO $ _{2} $ 排出を推定した。また、CO $ _{2} $ 施肥効果が土地利用変化排出に及ぼす影響を評価するため、各シナリオについてCO $ _{2} $ 濃度を2001年のレベルに固定した実験を追加実験として行った。さらに、土地利用変化排出に対する温暖化影響の評価のため、MIROC-ESMによるRCPs濃度駆動実験と、排出駆動実験の温暖化予測結果を利用したVISITによりオフライン実験を行った。VISIT温暖化オフライン実験の気候フォーシングとして、

MIROC-ESM濃度駆動による各RCPsシナリオ実験での、T42ガウス格子の月別地上2m気温、降水量、地上2m相対比湿、下向き短波放射予測結果を水平解像度0.5°グリッドに内挿したものを用いた。同時に、MIROC-ESMにおいて、各RCPs実験に対応する土地利用を2005年に固定した実験を行い、これら実験間の陸域炭素フラックスの差を求めることにより、土地利用変化由来のCO₂排出量を求めた。MIROC-ESMの土地利用固定実験設定として、濃度駆動実験とともに排出駆動実験によるCO₂濃度予測結果を用いた実験も実施した。

## （３）MIROC-ESMによる、土地利用変化シナリオによる気候への影響評価

土地利用変化シナリオによる気候への影響を、生物地球物理学的要因と生物地球化学的要因に分離するため、MIROC-ESMによるCMIP5排出駆動RCPs実験に対応する、土地利用を2005年に固定した実験を行った。実験設定として、CO₂濃度をRCPs排出駆動実験の予測結果を利用した実験(L1A)とともに、化石燃料由来のCO₂排出シナリオとモデル内での過去土地利用に由来するCO₂排出によってモデル内でCO₂濃度を計算する設定による実験(L1B)の2タイプの実験設定で行った。また、CMIP5でのRCPsシナリオ排出駆動実験はRCP8.5でのみ設定されているため、RCP8.5以外でのシナリオについても、MIROC-ESMを用い排出駆動実験(L1C)を行った。L1CとL1Aの気候応答を比較することにより、土地利用変化による気候への生物地球物理学的要因の影響評価が可能となる。また、L1AとL1Bの気候応答を比較することにより、土地利用変化によるCO₂排出変化を通した気候への影響(生
物地球化学的要因)を評価することが可能となる。

## （４）気候変動影響を考慮した陸域生産性評価の手法開発に向けた検討

RCPs以降のパラレルアプローチ対応に向け、土地利用モデルに農地生産性の変化を再入力し、気候変動と整合的な新土地利用シナリオを作成することを最終目的として、気候変動予測結果を考慮した農地生産性の変化見積りを行う手法開発の検討を行った。農地における作物収量変動予測モデルのベースとして、土壌・水循環モデルSoil and Water Assessment Tool (SWAT)を用い、モデルからの作物コンポーネントの分離、およびモデル内の気候データの取扱いに関する手法の整備を行った。

SWATモデルのコード上から作物生産性に関与する部分のみを抽出するため、コールグラフを作成したのち作物コンポーネントの分離作業を行った。また、土地利用モデルへの入力条件として陸域全体に渡る気候変動による生産性変化の評価が必要であるため、入力条件である気候データについて、作物モデルと陸域生態系モデルVISIT間で整合性のあるデータを取り扱うための変更を行った。SWATは流域および圃場レベルで計算を行うモデルのため、全球0.5°空間解像度のグリッドを単位として作物コンポーネントを内部に組み込むルーチンを実装した。同時に、SWATモデル内での気象データの扱いを全球に拡張するため、SWAT I/Oシステムに1°グリッド水平解像度かつ1日時間解像度のダイレクトアクセスバイナリファイルの読み込み機能を追加実装した。また、CO₂濃度変化による作物成長の影響を評価するため、年ごとのCO₂濃度データの読み込みコードを追加した。

開発を行ったモデルの動作テストとして、RCPsシナリオを用いたCMIP5温暖化予測データ整備を行ったのち、単收推定実験を実施した。実験設定として、MIROC-ESMの濃度駆動RCP6実験による日別気候データ（地上2m日最大気温、地上2m日最小気温、日降水量、地上2m相対比湿、下向き短波放射、地上10m風速）と、シナリオのCO₂濃度変化を入力条件とし、2006年から2100年までのイネの単収を評価する全球シミュレーションを行った。

## （５）温暖化予測データの利用環境整備とデータサポート

## 1 ）メタデータコンバーターとDIASメタデータの作成

各国の研究機関で開発されている大気海洋結合モデルによる温暖化予測データの配信は、Earth System Grid Federation (ESGF)で開発されている分散共有型のデータ配布システムであるEarth System Grid (ESG)によって各国のデータ利用者に提供される。国内研究機関から提供される温暖化予測データは、CMIP5/CFで定義されたメタデータ仕様に基づいてClimate Model Output Rewriter Version 2 (CMOR2)を用いてCMIP5共通仕様のnetCDF形式のデータファイルとして作成され、DIASで運用されているESGの分散サーバー(ESG node)からClimate Data Analysis ToolのPCMDIのGatewayサーバーを通じて全世界の利用者へ配信されている。図(4)-2に示すようにDIASではESGと平行して独自のデータ統合・解析システムを開発しており、ESGとDIAS双方でのデータ管理を補完するためESGでデータ管理に用いられているCMIP5/CF仕様のメタデータをDIAS仕様のメタデータへ変換するためのメタデータコンバーターを作成し、国内研究機関から提供される温暖化予測データのDIASメタデータを作成する。
## 2 ）DIAS利用者向けデータ利用付加サービス

DIASでの温暖化予測データ利用者に向け、ESGで提供される国際的に共通のデータ利用サービスとは独立した独自のデータ利用サービスを提供する。ESGより配信される温暖化予測データはCMIP5/CFの仕様によりモデルの計算に使われているオリジナルのグリッドにてデータ配信することが求められている。国内外の研究機関で温暖化予測実験に用いられる大気海洋結合モデルの海洋モデルでは、計算リソースの効率的利用などを目的にTripolerグリッドやbipolerグリッドなどの非緯度経度グリッドで計算され、CMIP5/CF仕様に基づきモデルグリッド定義のままESGを通じデータが配信される場合がある。そこでLos Alamos National Laboratoryにて開発されているSpherical Coordinate Remapping and Interpolation Package (SCRIP)を用いたモデルグリッド変換ツールをDIASへインストールし、非緯度経度グリッドデータを観測データなどとの比較解析が容易な緯度経度グリッドデータへ変換できるようにすることで温暖化予測データ解析時の利便性を向上させる（図(4)-3）。また、CMIP5/CFでは、各研究機関の大気海洋結合モデル間のデータ相互比較を目的としているため、提供される変数や時間間隔が決められている。地球システム統合モデルのモデル出力データでは、統合システム解析による空間詳細な排出・土地利用変化シナリオの開発や温暖化予測データに基づいた影響評価研究を支援するためCMIP5/CFで規定されていないデータも出力しており、CMIP5/CFで規定されていないデータをDIASの利用者に対して別途提供し、影響評価分野などCMIP5以外のデータ利用者の研究支援をおこなう。

図(4)-2 ESGとDIASにおけるデータ利用環境とメタデータコンバーター
図(4)-3 温暖化予測データの簡易可視化とグリッド変換

## 4 ．結果及び考察

（１）RCPsデータベースに向けた、人為土地利用変化によるCO₂排出および植生火災によるエアロゾル排出シナリオ作成

GFEDv2データが利用可能な年に対応する過去気象データを用いたVISITによるシミュレーション(1997-2000年平均)において、全球植生火災面積は3.64±0.08(10⁶km², mean±1SD)、CO₂排出は8623±612(Tg CO₂)、BC排出は3.05±0.24(Tg BC)と推定された。GFEDv2ではそれぞれの値が3.52±0.16(10⁶km²)、9482±1930(Tg CO₂)、3.08±0.75(Tg BC)と推定されており、VISIT火災モデルへの人為火災の導入と地域パラメタライズを行ったことにより、衛星観測による火災面積および排出推定の誤差の幅において火災排出量を再現することが可能となった。

全球火災BC排出推定に関して、本モデルによる過去気象データによる1901年から2000年のシミュレーション結果10年平均推定値、Mouillot et al. (2006) $ ^{7)} $ に基づく1900年から1990年までの10年平均推定値の最大値と最小値、RCPsによる1900-2000年の10年平均値(Lamarque et al. 2010 $ ^{4)} $ )、RETROデータベース(Schultz et al. 2008 $ ^{10)} $ )による1960-1990年の10年平均値、および1997-2006年のGFEDv2での年推定値を図(4)-4に示した。RCP過去火災排出データは、最新の研究による火災履歴データ(Mouillot et al. 2006 $ ^{7} $ )、Schultz et al. 2008 $ ^{10)} $ )、および衛星観測にもとづくGFEDv2の結果から作成されている。20世紀における植生火災排出の傾向として、RCP過去火災履歴データ、VISITモデル推定とも、1980年以降に小程度の増加が見られるが、全体を通して急激な排出量の増
減はなかったことが示された(図(4)-4)。

図(4)-4 全球火災BC排出推定値。太実線が本研究による推定値。白丸による点線がRCPs作成グループによる過去排出推定値(Lamarque et al. 2010 $ ^{4} $ )。黒丸による細実線がRETROデータによる推定値(Schultz et al. 2008 $ ^{10} $ )。破線がMouillot et al. 2006 $ ^{7} $ による火災炭素排出量の最大値と最小値にもとづきBC排出量を推定した値。白三角による細実線がGFEDv2(Randerson et al. 2007 $ ^{9} $ )による推定値。

次に、GFEDv2における1997年から2000年までの火災排出空間分布と本研究によるBC排出推定を示す(図(4)-5a,b)。熱帯域での人為火災とGFEDv2推定と同様の全球を14地域に分けたパラメタリゼーションを利用することによって、空間的な排出推定を改善した。

1 a.

a b.

図(4)-5 a: GFEDv2による1997-2000年平均BC排出(mg BC m^{-2} year^{-1})空間分布。b: 本研究による同年平均BC排出推定。
RCP6シナリオ計算において、全球での年火災BC排出量は2100年において3.2 Tg BC yr $ ^{-1} $ まで上昇した(図(4)-6)。2100年における内訳として、草地における火災排出は1.7 Tg BC yr $ ^{-1} $ と、2005年から0.2 Tg BC yr $ ^{-1} $ 増加した。また森林火災については、2100年において1.5 Tg BC yr $ ^{-1} $ と、2005年排出量に比べ、約0.4 Tg BC yr $ ^{-1} $ 上昇し、森林域における火災の増加を示した。火災に関するCO $ _{2} $ 施肥効果に関しては、土壤水分の変化を通した間接的な効果により、より火災発生量が増加する可能性が明らかになった。

図(4)-6 RCP6シナリオ作成実験における2006-2100年平均BC排出推定

図(4)-7に、本モデルによる20世紀土地利用変化による正味CO₂フラックス推定を示す。同時に比較対象として、Ramankutty et al. (2007) $ ^{8)} $ 、Ito et al. (2008) $ ^{3)} $ およびHoughton (2008) $ ^{1)} $ によってまとめられた、異なった推定方法による土地利用変化起源CO₂排出推定の幅を示す。本研究での1901-2000年における全球平均推定値として1.11 Pg C yr⁻¹の正味土地利用変化CO₂排出が見積もられた。この値は、Houghton (2008) $ ^{1)} $ による排出推定1.16 Pg C y⁻¹と整合する推定値である。また、これまでの研究により、1960年以降の排出量推定値に関し大きな不確実性があると考えられるが、本研究による1990年代の排出は1.15 Pg C yr⁻¹と推定され、最新の研究による推定値と同等の見積りを得た(Strassmann et al. 2008 $ ^{12)} $ )、Ito et al. 2008 $ ^{3)} $ 、Shevliakova et al. 2009 $ ^{11)} $ 。この結果は、Houghton (2008) $ ^{1)} $ によるブックキーピング法による推定値が、20世紀後半の施肥効果の影響を考慮していないために過大になっている可能性を示している(Ito et al. 2008 $ ^{3)} $ )。
図(4)-7 さまざまなモデル・推定方法を用いた1920-2000年における過去土地利用変化による正味 $ CO_{2} $ 排出推定( $ Pg\ C\ year^{-1} $ )。太破線が本研究によるVISITを利用した排出推定値。

また、このモデルを用いて作成したRCP6シナリオでの土地利用変化CO₂排出は、20世紀後半の耕作放棄地による再成長の影響により、2000年から2020年ほどの間に大きく排出量が低下することがわかった。RCP6土地利用シナリオでは2020年から2030年、および2080年から2090年にわたり、牧草地の減少と2次植生の増加が同時に起こるため、これら土地利用変化がその後の土地利用変化によるCO₂吸収をさらに引き起こしている。このため、2100年での全球土地利用CO₂排出は0.18 Pg C yr⁻¹と2000年に比べ8割弱減少することがわかった。これら陸域からの植生火災起源エアロゾル排出および土地利用変化CO₂排出の結果はRCP6シナリオの一部としてhttp://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb/において平成21年度に公開となっている。

## （２）RCPsシナリオにおける土地利用変化シナリオと土地利用変化に由来する炭素排出シナリオの整合性評価

VISITを用いたRCP2.6, RCP4.5, RCP6, RCP8.5各シナリオのCO₂濃度と土地利用変化データを入力した気候変動を考慮しない排出推定において、2006-2100年の土地利用変化による積算炭素排出量は、それぞれ114 Pg C, -58 Pg C, 12 Pg C, 78 Pg Cであった。この値は、統合評価モデルによるRCPs標準の土地利用変化排出と比べ、それぞれ53 Pg C, -62 Pg C, 13 Pg C, 25 Pg Cの違いを示し、特にRCP2.6、RCP4.5において統合評価モデルによるシナリオとの乖離が見られた。また、その他の実験設定における各RCPsシナリオでの土地利用変化による年あたり炭素排出推定値と2006-2100年積算値も同様に図(4)-8に示す。VISITによるCO₂施肥効果に関する実験結果では、
RCP2.6以外のシナリオにおいてCO₂施肥効果により排出量が減少することがわかった。また、温暖化による排出への影響はシナリオごとに異なるが、RCP8.5で温暖化により排出が42Pg C増えることを除き、影響は小さいことが明らかになった。MIROC-ESMによる土地利用変化実験においては、RCP4.5とRCP6において、統合評価モデルの推定値に比べ大きく吸収する結果を示した。また、VISITによる温暖化を考慮した実験との比較では、MIROC-ESMはどのシナリオについてもより吸収側の結果を示した。MIROC-ESMにおいて土地利用変化により吸収量の結果を示した理由として、MIROC-ESMの植生モデルSEIB-DGVMの動的植生システムによって、木本植物が土地利用変化により分布を変えたことが挙げられる。

図(4)-8 各実験および統合評価モデルによるRCPsシナリオにおける年間土地利用変化由来の炭素排出推定と2006-2100年積算排出量。赤線はMIROC-ESMによる気候変化の影響を含む推定、オレンジ線はVISITによる気候変化の影響を含む推定を示す。それぞれ点線がMIROC-ESM排出駆動実験、実線がMIROC-ESM濃度駆動実験の気候とCO2濃度による実験を示す。青線は気候変化の影響を含まないVISITによる推定を示し、実線がRCPによるCO2濃度、点線が2000年のCO2濃度固定実験を示す。黒線はRCPによる土地利用変化排出シナリオ。

RCP2.6シナリオは最も放射強制力が小さいシナリオであるため、化石燃料由来のCO₂排出を減らすためにバイオエネルギーを利用したCO₂貯留(bio-energy with carbon capture and storage: BECCS)を利用した炭素削減シナリオとなっており、2005-2100年で160 Pg CのBECCSを行うシナリオである。本研究によって、RCP2.6の農地拡大とともにBECCSを意図した自然植生からバイオマス作物への土地利用変化により、間接的な炭素排出がシナリオの想定以上に増加する可能性が示された。また、RCP4.5シナリオは炭素税政策による農地、牧草地とも減少するシナリオとなっており、植生回復による炭素排出に対する緩和の効果がシナリオの想定以上に存在することを示した。
## （３）MIROC-ESMによる、土地利用変化シナリオによる気候への影響評価

図(4)-9に、MIROC-ESM排出駆動の各RCPsシナリオ実験における、土地利用変化シナリオによる地上2m気温への影響を示す。2006-2100年平均でみた、各RCPsシナリオの土地利用変化による生物地球物理学的要因を通した全球平均地表2m気温への影響は、RCP2.6、RCP4.5、RCP6、RCP8.5においてそれぞれ-0.03℃、-0.01℃、-0.06℃、-0.05℃であり、RCP4.5を除き有意な差を示した。生物地球化学的要因と通した影響については、各シナリオにおいてそれぞれ+0.07℃、-0.01℃、-0.02℃、+0.10℃であり、RCP2.6とRCP8.5において有意な差を示した。これら両要因を足した正味の土地利用変化影響はそれぞれ+0.04℃、-0.02℃、-0.08℃、+0.05℃であり、RCP4.5を除き有意な差を示した。これらの結果により、RCP2.6とRCP8.5のような農地・牧草地が拡大するシナリオにおいては、生物地球物理学的要因を通した低温化よりも、土地利用変化によるCO₂排出増を通した高温化が勝ることが明らかになった。また、植生回復が進むRCP6では、土地利用変化による生物地球物理学的要因を通した気温への影響は非常に複雑な空間分布を持つが、アフリカ南部および南アメリカ中低緯度における農地・牧草地の放棄による自然植生の増加により、地域的に大きな低温化の可能性も明らかになった。また、CO₂吸収を通した全球での低温化もみられ、効率的な土地利用変化シナリオにより、将来の温暖化の地域的および全球での緩和の可能性も示した。

図(4)-9 2006-2100年平均での各RCPs土地利用変化による地表2m気温の応答。上段のLC_{Ph}が生物地球物理学的要因の影響、中段のLC_{Ch}が生物地球化学的要因の影響、下段LC_{Net}が正味の影響を示す。カラーバーのスケールは-0.8℃から0.8℃の範囲を示す。

## （４）気候変動影響を考慮した陸域生産性評価の手法開発に向けた検討

本研究によって、SWATコードの全球計算に向けた拡張とともに、作物生産性評価おいて温暖化時の気候データの利用を可能とした。また、モデルのテスト環境として、MIROC-ESMによる濃度駆動RCP6シナリオ下での温暖化予測データ整備を行った。整備をしたデータは日別の最高気温、最低気温、降水量、相対比湿、地表面下向き短波放射、地表10m風速であり、これらをT42ガウス格
子から1°データへ内挿しバイナリデータを作成した。MIROC-ESMの濃度駆動RCP6実験の気候出力とCO₂濃度シナリオを与えた稲の生産性評価実験において、2086-2095年の全球平均での作物生産性は、2006-2015年平均に対し1.3倍に増加した。北半球の緯度帯別に見ると、北緯30°から北緯60°帯では1.74倍(図(4)-10右)、赤道から北緯30°帯では1.26倍(図(4)-10左)となり、中緯度から高緯度にかけての生産性増加が、RCP6における気候変動によってもたらされることが明らかなった。

本研究により、将来の気候変動予測実験の結果を利用し、プロセスベースモデルによる作物生産性の空間的な評価手法の開発を行った。これまでの統合評価モデルでは、過去統計情報を用いた仮定に基づいた作物生産性を利用し、将来土地利用シナリオの作成を行なってきたが、今後、気候変動を考慮した収量の変化を取り入れることが可能となった。ただし、本研究での作物生産性の評価は、肥料投入量については現在の値に固定して評価を行うなど、いぜん簡易な前提が含まれており、今後の研究において、社会・経済的な要因による農業技術・肥料・滙漑の変化を取り入れた評価を行うことが必要である。

図(4)-10 SWATモデルによる、MIROC-ESM濃度駆動RCP6実験での気候変動予測結果を利用した、イネの収量予測。左：北緯0-30°平均、右：北緯30-60°平均。

## （５）温暖化予測データの利用環境整備とデータサポート

メタデータコンバーターを用い、地球システム統合モデル (MIROC-ESM、MIROC-ESM-CHEM) や高解像度大気海洋結合モデル (MIROC4h) による21世紀予測シナリオ実験や20世紀再現シナリオ実験などから出力されたCMIP5/CFメタデータから、40万件あまりのDIASメタデータを作成した。CMIP5/CF規定外データを影響評価分野の研究者向けにDIASを通じ500GBあまり提供した。非緯度経度グリッドデータを解析の容易な緯度経度データへ変換するための環境整備を行った。温暖化予測データの簡易可視化ツールをインストールしてグリッド変換前後のデータ確認などを行えるようにした(図(4)-3)。
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

これまでの統合評価モデルにおいて重要視されていなかった、詳細な陸域生態系プロセスを導入した陸域排出シナリオを作成し、RCP6データとして国際的な気候変動予測研究コミュニティーに対しシナリオ提供をおこなった。RCPs土地利用変化排出シナリオの整合性評価を行い、地球システムモデルを用いた研究における、バイオエネルギー利用によるCO₂回収貯留(CCS)を通した土地利用変化影響の重要性を提唱した。気候変化に対する土地利用変化影響の評価を行うことにより、生物地球物理学的要因と生物地球化学的要因のシナリオごとの重要性の違いを示した。

## （２）環境政策への貢献

RCP2.6におけるバイオエネルギーを利用したCCSといった農地拡大シナリオやRCP4.5における政策的な森林拡大などによる陸域炭素循環への影響の評価、土地利用変化シナリオによる将来気候へ影響評価を行い、将来の持続可能な土地利用のあり方についての政策決定に向けた科学的知見を蓄積した。

## 6 ．国際共同研究等の状況

国際的な陸域モデル研究グループであるILAMB会議において、地球システムモデル研究における土地利用変化感度実験の重要性を発表し、その後のLUCID-CMIP5相互比較実験において、日本のモデルチームからの貢献を行った。この結果については、ドイツMax Planck Institute for Meteorology (MPI-M)のVictor Brovkin氏らと共同で、Planet Under Pressure 2012会議において発表を行った。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) Masui, T., K. Matsumoto, Y. Hijioka, T. Kinoshita, T. Nozawa, S. Ishiwatari, E. Kato, P. R. Shukla, Y. Yamagata and Mikiko Kainuma (2011): An emission pathway for stabilization at $ 6 \, Wm^{-2} $ radiative forcing. Climatic Change, 109, 59–76.

2) Kato, E. T. Kinoshita, A. Ito, M. Kawamiya and Y. Yamagata (2011): Evaluation of spatially explicit emission scenario of land-use change and biomass burning using a process-based biogeochemical model. Journal of Land Use Science, doi:10.1080/1747423X.2011.628705.

3) Hajima, T., T. Ise, K. Tachiiri, E. Kato, S. Watanabe, M. Kawamiya (2012): Climate change, allowable emission, and earth system response to representative concentration pathway scenarios. Journal of Meteorological Society Japan, 90, 417-434.

＜查読付論文に準ずる成果発表＞（「持続可能な社会・政策研究分野」の課題のみ記載可。）なし