Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
6）江守正多：「生き物絶滅」最悪シナリオ回避できるか。（インタビュー）AERA，2008年3月31日号，48，朝日新聞社.

[テレビ]

1）江守正多：NHK BS1 きょうの世界（スタジオ生出演），2007年11月12日放送.

2）江守正多：NHK教育 サイエンスZERO（録画放送），2007年12月22日放送.

3）塩竈秀夫：テレビ東京ケンちゃんの晩めし前，2008年2月28日放送.

## (6) その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

1) Shiogama, H., N. Hanasaki, Y. Masutomi, T. Nagashima, T. Ogura, K. Takahashi, Y. Hijioka, T. Takemura, T. Nozawa, S. Emori (2010): Emission scenario dependencies in climate change assessments of the hydrological cycle. Clim. Change, 99 (1-2), 321-329.

2) Mitchell, J.F.B., Johns, T.C., Eagles, M., Ingram, W.J., Davis, R.A. (1999): Towards the construction of climate change scenarios. Clim Change 41:547–581.

3) Ito A., Oikawa T. (2002): A simulation model of the carbon cycle in land ecosystems (Sim-CYCLE): A description based on dry-matter production theory and plot-scale validation. Ecological Modelling, 151, 147-179.
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

1. 総合的気候変動シナリオの構築と伝達に関する研究

(2) マルチ気候モデル解析による近未来気候変動の確率的予測

（独）海洋研究開発機構 地球環境変動領域 James D. Annan·Julia C. Hargreaves

<研究協力者>

（独）海洋研究開発機構 地球環境変動領域 Das Lalu・Jonathan D. Day

（独）国立環境研究所 地球環境研究センター 阿部学・塩竈秀夫・横島徳太

平成19～23年度累計予算額：63,583千円

（うち、平成23年度予算額：12,203千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 本研究では様々な方法で気候モデルの性能評価を行った。最新のモデルの将来予測性能を直接評価することは難しいが、1987年に用いられた古い世代のモデルが有意な予測性能を持つことを明らかにした。このため、より先進的な最新のモデルは、より高い性能を持つことが期待できる。また、我々は順位頻度分布法を利用することにより、気候モデルアンサンブルの信頼性を評価するための手法を開発した。この手法を利用することにより、1つのモデルから作られたアンサンブルは比較的信頼性が低い一方で、世界の気候研究機関によって開発された複数のモデルから作られたアンサンブルはより信頼性があることが分かった。これらは全球的な気候場の評価の結果だが、さらに一歩進み、より小さな空間スケールにおける気候モデルの性能を評価したところ、ここでは特に北極域での現象に注目したが、すべてのモデルが、これまでに観測されている海水の急激な現象を再現することができなかった。これにより、気候モデルは細かい現象をすべて再現するのには限界があることが分かった。

[キーワード] 気候モデル、信頼性評価、将来気候予測

### 1. はじめに

気候変化予測を妥当なものにするための重要な問題は、予測に用いる気候モデルの信頼性である。これまでの研究では、気候モデルを評価する手法に関する明確な合意は得られておらず、最新世代の気候モデルは現実的な不確実性の幅をカバーしていないかもしれないことが、議論されている。このため、気候モデルを評価する手法を確立することは非常に優先度の高い課題である。同時に、過去の温度に関する観測データの精度、特に都市化の影響が含まれているデータに関しては、様々な検討がなされてきた。将来気候に関する科学的な知見の信頼性が確かでない場合、気候変化に関わる政策について社会が合意をすることは、非常に難しい。このため、気候モデルの性能評価を行うことは、非常に重要な課題である。

### 2. 研究開発目的
研究の第一の目的は、気候モデルの信頼性を理解するための手法を開発し、この手法を気候変動に関する政府間パネル（IPCC）による第4次評価報告書で用いられた、第3期結合モデル国際比較プロジェクト（CMIP3）で作成された最新世代の気候モデルに適応することである。本研究では全球規模の空間スケールだけでなく、より小さな領域スケールでのモデルの性能評価を行った。さらに、前世紀の気温観測において都市化が及ぼす影響についても調べた。

### 3. 研究開発方法

我々は気候モデルを評価するための様々な種類の手法を開発した。ここでは主要な成果として得られた5つの研究（引用文献1）-5）における開発手法について説明する。

## （１）過去に行われた将来気候予測の検証

モデル予測の性能評価に関する解析は、気象予報については数多くなされている。この一方で、検証のためのデータが十分でないために、気候モデルによる数10年先の将来予測の評価はこれまでほとんど行われていない。しかしながら、初期の気候モデルよってなされた将来予測は、実際に観測された観測データと比較することにより、評価を行うことができる。Hargreavesらは、1980年代に行われた将来気候予測が、実際に起こった気候変化をよく予測していたことを示した $ ^{1} $ 。IPCCは第4次評価報告書において、不確実性の推定と確率的な記述に関してベイズ理論を利用することを推奨しているが、この論文ではまさにこの方法によって不確実性の解析がなされた。

## （２）日本域の地表気温変化における都市化の影響

IPCC 第4次評価報告では、気候システムにおいて温暖化が進行することは避けられないことであり、全球平均気温の上昇は1906年から2005年までの100年間で0.74℃であると記述している。これは都市化の影響を考慮しない場合の推定値である。一方、気温上昇の大きさは地域によって異なり、都市域では周囲の田舎域に比べて温暖化を過大評価しており、これが都市のヒートアイランド効果と呼ばれるものである。このため、気象観測ステーションから計算されるトレンドは、都市化の影響が増えることによって、気温上昇トレンドを過大評価する可能性がある。気温上昇の長期トレンドに対する都市化の影響を正確に推定することは非常に難しい問題であり、特に日本のように、人口が密集した、高度に発展した国においては、都市化に影響されていない気象ステーションを見つけることは非常に困難である。国スケールでの都市化バイアスは通常、都市として識別されたサイトと田舎として識別されたサイトの領域平均の差を用いて推定される。このため、都市サイトと田舎サイトを適切に区別することは非常に重要である。しかしながら、都市化の影響が完全に排除された「田舎域」を識別する確かな方法は、これまでの研究で提案されていない。

我々は、Das ら $ ^{2)} $ の研究において、この問題に取り組んだ。まず、「田舎域」ステーションを選ぶための様々な基準を試した。次に、日本周辺の海面水温（sea surface temperature，SST）と陸上の地表気温の関係について、前述の CMIP3 に提出された気候モデルアンサンブルと観測データについて調べた。これにより、我々が「田舎域」と識別した地点における、都市化による気温上昇トレンドの影響について調べた。
## （３）気候モデルの信頼性評価

Annan and Hargreaves $ ^{1)} $ では、CMIP3 で集められた、世界の気候研究機関によって開発された気候モデルのアンサンブルの信頼性を解釈するための枠組みを提案した。これまで気候科学分野において支配的であった枠組みは、理想的なアンサンブルとは観測（真実）が中心にあるべきだという考えであった。この論文では、観測とは「統計的に識別不能」であるアンサンブルが理想的なアンサンブルであるという、他の様々な科学分野において一般的な枠組みを導入した。後者の枠組みは、気候モデルアンサンブルの評価を行う上で新たな知見を与えるものであり、アンサンブルによって得られた結果の確率的な解釈をより容易に行うことができる。よく知られた順位頻度分布による解析を行うことによって、観測と統計的に識別不能かという観点から、CMIP3 アンサンブルを評価した。上記の引用文献 $ ^{1)} $ の研究に引き続き、Yokohata らの研究 $ ^{4)} $ では、CMIP3 のように複数のモデルからなるマルチモデルアンサンブル (multi-model ensembles, MMEs) に加えて、一つのモデルにおいて不確実パラメータを変化させることによって作成した単一モデルアンサンブル (single-model ensembles, SMEs) も含めた解析を行った。ここでは引用文献 $ ^{1)} $ の研究と同様に、観測がモデルアンサンブルの一つのメンバーとしてみなすことができるかという観点から、順位頻度分布による解析を行った。

## （４）北極域の海氷減少に関する気候モデル評価

近年の夏季（9月）における北極海水域の急激な減少は、科学的にも社会的にも非常に重要な研究課題である。CMIP3のそれぞれのモデルは、この海水減少を定性的には表現しているが、急激な減少トレンドを定量的に表現しているモデルはない。この原因として考えられる要素としては、観測されたデータに問題があるか、気候モデルが大きな年々変動をとらえられないことが考えられる。後者の問題は、海水の観測データが十分でないことなどから、これまで十分研究されてこなかった。

CMIP3 で用いられた 5 つのモデルによる、数 100 年のコントロール実験を用いる。コントロール実験とは気候モデルに与える外部境界条件を産業革命前に固定した実験である。この実験データを利用して、大西洋深層循環（AMOC）、大西洋数 10 年振動（AMO）および北極振動（AO）が海氷の年々変動に及ぼす影響について調べることにより、北極海水の減少トレンドにおける年々変動が及ぼす役割について検討する。コントロール実験を利用することにより、温室効果ガスの増加などの外部境界条件の変化が及ぼす影響を取り除くことができる。

様々な変数と海水域との相関係数を計算することにより、どのような内部変動が海水域の変動に影響を与えるかを調べる。英国気象局（HadCM3）と日本（MIROC3.2）のモデルを用いた予備的な調査により、すくなくとも500年程度のコントロール実験データが必要であることが分かった。このことは、期間の短い現実のデータを解析する際には大きな問題があることを意味する。3月と9月の海水域と気候モデルにおけるAMO/AOの最小二乗相関解析を行うことにより、1953-2010年と1979-2010年における、海水域とAMO/AOの関係について調べた。

## 4 ．結果及び考察

本研究では気候モデルの性能を評価するための新たな手法を開発し、全球スケールで評価を行
った場合、モデルの性能は十分高いことを示した。地域スケールでは、モデルの性能が十分でない領域が存在し、例えば北極海では近年の観測された海水の減少はモデルの予測よりも非常に早く、モデルがこのような現象を再現できないことが分かった。つまり、気候モデルにはまだ改善の余地が残されているということである。上記3節にあわせ、得られた研究成果を以下にまとめる。

## （１）過去に行われた将来気候予測の検証

Hargreaves らは、前述の3.（3）の方法を用いて、図(2)-1に示すように、1980年代に行われた予測を観測 $ ^{6)} $ と比較することにより、この予測が十分な精度を持っていることを示した。IPCC第4次評価報告書でなされた全球大循環モデル（General Circulation Model，GCM）の解析では、一般に「複数モデルからなるアンサンブルの分散が十分でない、すなわち不確実性を評価する上でアンサンブルのばらつきの大きさは十分でない」と考えられてきた。しかしながらこの見解は必ずしも自明ではなく、これを支持するに足る十分な根拠があるわけではない。これに関する解析は、以下の（3）節において議論される。大切なことは、将来の気候を予測する際に現在の科学的知見を最大限利用することで、不確実性の予測を行うことである。同時に、気候システムに関する様々な素過程を理解し、これをモデルに取り込むことにより、将来気候の予測は真実に近づくはずだろう。

図(2)-1 1988年に行われたHansenらによる将来の気候予測（青）と、観測データ（黒）。予測と観測の20年のトレンドはそれぞれ太線で表現。トレンドなしの帰無仮説を赤で表現した。

## （２）日本域の地表気温変化における都市化の影響

Das らの研究において、前世紀の日本における気温変化から都市化の影響を推定する非常に新しい2つの方法を用いることに成功した $ ^{2)} $ 。まず、我々は「田舎域」ステーションを選ぶための様々な基準を試し、地域人口の減少トレンドを1つの指標とすれば、方法によって結果が大きく変わらないことが分かった。次に、日本周辺のSSTと陸上の地表気温の関係を調べることにより、前述のCMIP3に提出された気候モデルアンサンブルでは、これらの間に非常に強い相関があることが分かった。図(2)-2に示すように、この関係を観測されたSSTデータに適応することにより、
我々が「田舎域」と識別した地点においては、都市化による気温上昇トレンドの影響がほとんど含まれないことが分かった。

Trend in ocean temperature over 20th Century

図(2)-2 世界の気候研究機関によって開発された19モデル（CMIP3）の日本の陸域と海洋域における20世紀温度上昇の線形トレンド（青）と、観測されたデータによって得られた20世紀の海面水温上昇トレンド（黒線、 $ x=0.8^{\circ}C/100 $ 年）。黒線上には、日本の陸域での気象ステーションで得られたデータをプロットし、それぞれ9の「メガシティー」の平均値（赤）、全ての「都市」の平均値（紫）、37「小都市」の平均値（黄色）、3つの異なる指標によって得られた「田舎域」の平均値（緑）、60ある全ての気象ステーションの平均値（黒）がプロットされている。

## （３）気候モデルの信頼性評価

Annan and Hargreaves $ ^{1)} $ において、よく知られた順位頻度分布による解析を行い、CMIP3 アンサンプルは、観測と統計的に識別不能かという観点からはよいアンサンプルであることが分かった。この結果は、「観測を中心として考えた場合には、CMIP3 アンサンプルの性能が良くない」という従来の研究成果とは、整合的ではない。このため、この研究で得られた結果は、CMIP3 アンサンプルを用いて確率的な予測を行うことに対して、初めて理論的な基礎を与え、同時に経験的にも支持されるものであることを示すことができた。

上記引用文献1）の研究に引き続き、Yokohataらの研究 $ ^{4)} $ では、CMIP3のように複数のモデルからなるMMEsに加えて、一つのモデルにおいて不確実パラメータを変化させることによって作成したSMEsも含めた解析を行った。この解析によると、我々が解析した様々な気候変数に関して、MMEsは概して信頼性が高く、むしろ分散が大きすぎる傾向があることが分かった。一方、SMEsでは、用いるモデルや変数によって信頼性が異なることが分かった。地表面気温やその歴史的なトレンド、あるいは降水量などは、SMEsにおいても信頼性が高い一方で、海面気圧や大気上端での晴天大気放射などは、信頼性が低く、モデルアンサンプルは十分な分散を持たなかった。この結果はSMEsにおいて普遍的な結果なのか、あるいは我々が用いたアンサンプルでのパラメータの選び方に依存しているかは、現時点ではあきらかにすることができないが、このよ
うにアンサンブルの分散が非常に小さいということは、将来予測を行う上で大きな問題である。このため、気候モデルアンサンブルを構築する際には、文献 $ ^{3)} $ ， $ ^{4)} $ で行ったような解析を行うことが重要である。

図(2)-3 様々な気候変数を用いた順位頻度分布の結果。大気海洋結合モデルによるCMIP3アンサンプル（CMIP3-AO）、大気混合層結合モデルによるアンサンプル（CMIP3-AS）、大気海洋結合モデルによるハドレーセンターのアンサンプル（HadCM3-AO）、大気海洋混合層結合モデルによるアンサンプル（HadSM3-AS）、日本グループのアンサンプル（MIROC-AS）、米国気象局によるアンサンプル（NCAR-A）。気候変数は、地表気温（赤実線）、20世紀の地表気温線形トレンド（赤破線）、降水量（青）、海面気圧（緑）、大気上端短波放射、雲放射強制力、晴天大気（黄色実線、点線、破線）、大気上端長波放射、雲放射強制力、晴天大気（水色実線、点線、破線）。

## （４）北極域の海水減少に関する気候モデル評価

AO 指標と海水域に関しては、観測および5つのうち3つのモデルで、有意な相関がみられなかった。さらに、仮に相関解析で有意な関係がみられるとしても、観測期間（58年）は十分な長さでないことが分かった。しかしながら気候モデルにおける海水域の表現が現実的でないために、海水域が大気におよぼす応答が現れず、このような結果が得られている可能性もある。また、従
来の研究と整合的に、AMO 指標と海水域は、5つのモデルで有意な相関がみられなかった。一方、1979-2010年において10.1%の海水減少が観測されているが、このうち0.5-3.1%はAMOの自然変動によってもたらされていることが分かった（図(2)-4）。しかしながら、モデルにおける自然変動だけでは、観測された海水の減少を説明できない。AMOCと海水域の相関は一つのモデルの9月をのぞいて、5モデルで整合的な結果が得られた。しかしながら、AMOCと海水域の相関を最大化する月はモデルによって異なっており、またAMOCは長期の観測データが存在しないことから、AMOCの自然変動が海水域減少に対して果たす役割に関しては議論することができない。

図(2)-4 1953-2010年の9月（a）と3月（b）における海氷域変化（ΔSIE）のうち、AMO指標によるもの。CMIP3アンサンブルから選んだ5つのモデルにおける海氷域変化とAMOの関係を利用した。不確実性を考慮した場合のΔSIEの幅を灰色で示した。図中のそれぞれの線は、異なる気候モデルの結果を示す。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義
本研究で得られた成果は国際的な研究の動向に大きな影響を与えた。下記7．（1）で示したように、国際的な査読誌に論文を掲載し、このうちいくつかの論文がIPCC第5次評価報告書において引用される予定である（第1次ドラフト）。主たる成果は、CMIP3アンサンブルを利用することに理論的な根拠を与えたことである。これまでの研究では、CMIP3アンサンブルは信頼性が低いという考えが理論的な根拠なく受け入れられてきたが、本研究の結果はこれを覆し、気候モデルの信頼性に根拠を与えるものである。

## （２）環境政策への貢献

我々の研究は、環境政策を発展させる際に、気候モデルを利用することを（少なくとも全球スケールの現象に関しては）支持するものである。しかしながら、本研究の結果は地域スケールの現象に関しては、気候モデルの性能が十分でないことを示した。例えば北極海の海水減少のような現象に関しては、気候モデルの結果がすぐに役立つものではないことを明らかにした。このため、気候モデルにおいて性能を高める必要がある点を明らかにすることにより、今後の重要なモデル開発の研究課題を提示することができた。

### 6. 国際共同研究等の状況

Forster らの研究 $ ^{7)} $ では、全球地表気温変化が及ぼす影響についての解析に関して、米国、英国、オーストラリアの研究者との国際共同研究を行った。またYokohataらの研究 $ ^{4)} $ では、英国、米国の研究グループの気候モデルアンサンブルの性能を、日本のグループの気候モデルアンサンブルの性能と比較することを通して、これらのグループとの共同研究を行った。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

1) Abe, M., H. Shiogama, J. C. Hargreaves, J. D. Annan, T. Nozawa and S. Emori (2009): Correlation between inter-model similarities in spatial pattern for present and projected future mean climate, SOLA, 5, 133-136, doi:10.2151/sola.2009-034.

2) Annan, J. D. (2010): Bayesian approaches to detection and attribution. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. vol. 1 (4) pp. 486-489.

3) Annan, J. D. and J. C. Hargreaves (2010): Reliability of the CMIP3 ensemble. Geophys. Res. Lett., vol. 37 (2) pp. L02703.

4) Annan, J. D. and J. C. Hargreaves (2011): On the generation and interpretation of probabilistic estimates of climate sensitivity. Climatic Change, vol. 104 (3-4) pp. 423-436.

5) Annan, J. D., J. C. Hargreaves and K. Tachiiri (2011): On the observational assessment of climate model performance. Geophys. Res. Lett. vol. 38 (24) pp. L24702.

6) Das L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves, S. Emori (2011): Centennial scale warming over Japan: are the rural stations really rural?. Atmosph. Sci. Lett. vol.12(4), pp. 362-367.
7) Das L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves, S. Emori (2012): Improvements over three generations of climate model simulations foreeastern India. Clim. Res. vol. 51 (3), pp. 201-216.

8) Foster, G., J. D. Annan, P. D. Jones, M. E. Mann, B. Mullan, J. Renwick, J. Salinger, G. A. Schmidt, and K. E. Trenberth (2010): Comment on “Influence of the Southern Oscillation on tropospheric temperature” by J. D. McLean, C. R. de Freitas, and R. M. Carter. J. Geophys. Res. vol. 115 (D9) pp. D09110.

9) Hargreaves, J. C. (2010): Skill and uncertainty in climate models. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, vol. 1, Issue 4, pp. 556-564.

10) Yokohata, T., J. D. Annan, M. Collins, C. S. Jackson, M. Tobis, M. J. Webb and J. C. Hargreaves (2011): Reliability of multi-model and structurally different single-model ensembles. Clim Dyn, DOI: 10.1007/s00382-011-1203-1.

## <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）> 特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 阿部学，塩竈秀夫，J. D. Annan，J. C. Hargreaves，野沢徹，江守正多：パーフェクトモデルテストによる気候変化予測と現在気候再現性の関係の評価とその応用．日本気象学会2008年秋季大会，仙台，2008年11月.

2) Abe, M., H. Shiogama, J.C. Hargreaves, J.D. Annan, T. Nozawa, S. Emori: Investigation of relations between inter-model similarities for present and projected future mean climate. European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 2009.

3) Das, L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves, and S. Emori: AR4 Climate models evaluation: Effect of topography in a sub-regional/local scale. European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 2009.

4) Das, L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves, S. Emori: Assessment of climate model performance from three generations IPCC assessment reports, on the sub-regional scale. American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2009.

5) 横島徳太, J. D. Annan, J. C. Hargreaves, M. Collins, C. Jackson: 気候モデルアンサンプルの評価. 日本気象学会2010年春季大会, 東京, 2010年5月.

6) Annan, J. D. and J. C. Hargreaves: Understanding and Interpreting Climate Model Ensembles. American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2010.

7) Yokohata, T., J. D. Annan, J. C. Hargreaves, C. J. Jackson, M. Tobis, M. Collins: Reliability of multi-model and structurally different single-model ensembles. American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2010.
8) Annan, J. D. and J. C. Hargreaves: Understanding and Interpreting Climate Model Ensembles. European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 2011.

9) Das, L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves and S. Emori: Centennial scale warming over Japan: are the rural stations really rural?. European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 2011.

10）横島徳太，J. D. Annan，M. Collins，C. S. Jackson，M. Tobis，M. Webb，J. C. Hargreaves: 気候モデルアンサンプルの多様性と信頼性．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月.

11) Day, J., J.C. Hargreaves, J. D. Annan: Climate variability and Arctic sea ice extent in coupled climate models. American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2011.

12) Annan, J.D., J.C. Hargreaves : Ensemble performance, model independence and observational constraints (Invited). American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2011.

13) Yokohata, T., J. D. Annan, M. Collins, C. Jackson, M. Tobis, M. Webb, J. C. Hargreaves: Importance of structural diversity of climate model ensembles. American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, USA, December 2011.

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

1) International Workshop on Climate Risk Assessment（2008年2月12日－13日、横浜シェラトン、観客50名程度）

## （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) Annan J. D. and J. C. Hargreaves (2010): Reliability of the CMIP3 ensemble. Geophys. Res. Lett., vol. 37 (2) pp. L02703.

2) Das, L., J. D. Annan, J. C. Hargreaves and S. Emori (2011): Centennial scale warming over Japan: are the rural stations really rural?. Atmosph. Sci. Lett. Vol 12(4), pp. 362-367.

3) Hargreaves, J. C (2010): Skill and uncertainty in climate models. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, Vol 1, Issue 4, pp. 556-564.
4) Yokohata, T., J. D. Annan, M. Collins, C. S. Jackson, M. Tobis, M. J. Webb and J. C. Hargreaves (2011): Reliability of multi-model and structurally different single-model ensembles. Clim Dyn, pp. 1-18.

5) Day, J., J. D. Annan, and J. C. Hargreaves (2012): Sources of multi-decadal variability in Arctic sea-ice extent, submitted to GRL.

6) Hansen, J., I. Fung, A. Lacis, D. Rind, Lebedeff, R. Ruedy, G. Russell, and P. Stone (1988): Global climate changes as forecast by Goddard Institute for Space Studies three-dimensional model. J. Geophys. Res., 93, 9341-9364.

7) Foster, G., J. D. Annan, P. D. Jones, M. E. Mann, B. Mullan, J. Renwick, J. Salinger, G. A. Schmidt, and K. E. Trenberth (2010): Comment on “Influence of the Southern Oscillation on tropospheric temperature” by J. D. McLean, C. R. de Freitas, and R. M. Carter. J. Geophys. Res. vol. 115 (D9) pp. D09110.
## 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

1. 総合的気候変動シナリオの構築と伝達に関する研究

(3) 気候変動シナリオに基づく水文・水資源の未来像の描出

東京大学生産技術研究所

沖大幹

<研究協力者>

東京大学生産技術研究所

芳村 圭（H19～20のみ）

瀬戸心太（H20～21のみ）

木口雅司

平成19～23年度累計予算額：69,420千円

（うち、平成23年度予算額：14,820千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 本研究では、水文・水資源分野における全球規模・長期の確率的影響シナリオを構築するとともに、他課題や既存の知見も併せて用いて、当該分野の影響における気候未来像を描出することを目的とする。我々は、（1）温暖化・寒冷化の両側面からみた電力需要および健康に対する影響評価、（2）低水流量を用いた水力発電ポテンシャルの検討、（3）不確実性を考慮した水需要量の推定と水ストレスの表現手法の検討、について重点的に研究を実施した。（1）日本における電力需要と死亡率の推定を実施し、寒冷化と温暖化の両側面から見た影響評価を行い、日頃問題視されている温暖化が起こった場合でも好影響を与える項目があることや、寒冷化の影響が地域によって異なることが分かった。地球温暖化は気温上昇が問題なのではなく、急激な変動への適応力が問題となると考えられる。（2）水力発電に必要な流量の季節変動は温暖化に伴い大きくなり、低水流量が将来小さくなる地域では、年間流量が増加しても低水流量の減少により水力発電ポテンシャルは小さくなることが分かった。（3）水利用と人口増加が新たに高い水ストレスに曝される人口の増加に寄与しており、気候変動による寄与は小さく社会経済シナリオによる寄与が大きいといえることが分かった。水ストレスの表現手法の検討としては、21世紀終わり（SRESシナリオA1）には、人が住む多くの地域で水需要は10％以上増加するが、1年間に利用可能な水資源量も人が住む多くの地域で10％以上増加する。その一方で水需要の増大に対して水資源量が追い付かない地域に住む人口は4億人弱と推定され、供給量の増加分を有効利用して需要の増大に応えられるかどうかは、その国や地域の水の有効利用技術や水資源の最適な分配手法の開発、あるいは国や地域間の協力といった、我々人類の適応能力にかかっていることが示唆された。

[キーワード] 気候変動シナリオ、水ストレス、水力発電ポテンシャル、低水流量、健康影響

### 1. はじめに

将来の気候変動及びその影響を予測することは、三つの点で重要である。第一に、気候安定化
ないしは気候変動緩和の目標設定における判断材料となること、第二に、気候変動緩和に向けて社会が取り組むための動機づけになること、第三に、気候変動に対して社会が適応策を講じる際の判断材料となることである。しかし、現時点では、国内外の各種意思決定主体や国民各層に対して、最大限利用可能な予測情報が十分に届いているとは言い難い状況にある。この状況を改善するため、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）などにおける国際的な議論によれば、不確実性の定量化等を通じて予測の信頼性を明らかにすること、および気候変動予測と影響評価の連携を密にすることが重要な課題となりつつあるが、国内の研究においてはこれらの点でいまだ十分な取り組みがなされていない。また、気候変動予測情報を各種意思決定主体や国民各層に効率的に伝達することは、政府が気候変動の緩和及び適応施策を推進する上で極めて重要である。

以上の問題意識から、本研究では、水文・水資源分野における全球規模・長期の確率的影響シナリオを構築するとともに、他課題や既存の知見を併せて用いて、当該分野の影響における気候未来像を描出することを目的とする。

### 2. 研究開発目的

## （１）温暖化・寒冷化の両側面からみた電力需要および健康に対する影響評価

温暖化影響評価の相対化のため、最終氷期（2.1万年前）シミュレーションを用いた影響評価を行う。寒冷化時に、健康影響の指標の一つとして、65歳以上の死亡率がどう変化するか、エネルギー需要の指標の一つとして、電力需要がどう変化するか、を日本の主要都市で調べ、水資源に関しては流出量が全球でどう変化し、各地の水ストレスがどのようになるかを検討した。

## （２）低水流量を用いた水力発電ポテンシャルの検討

電力は今後の経済発展を支えていく重要なファクターであり、電力供給の選択は社会経済的な影響を踏まえて行われるべきである。現在、世界における電力の供給は主に石炭が担っているが、68か国では総発電量の50％以上を水力に頼っており、そのうち22か国では総発電量の実に90％以上も依存している。さらに環境への配慮から再生可能エネルギーとして水力発電への期待は大きい。そこで水力発電ポテンシャルに対する気候変動影響評価を、気候モデルの不確実性を考慮して実施した。

## （３）不確実性を考慮した水需要量の推定と水ストレスの表現手法の検討

将来の地球温暖化による水文・水資源への影響を評価するために用いる降水量変化の予測は、気温変化の予測と並んで重要な要素であるにもかかわらず、その降水量がどれだけ変動するかについて大きな不確実性が存在する。また、一つの気候モデルを用いて気候変化を予測する際に用いる排出シナリオの不確実性や、そもそもモデルが持つ内部プロセスの不確実性も大きな要素である。そうした不確実性を考慮して、水資源アセスメントと気候変動による水資源への影響評価を行うことが目的である。

### 3. 研究開発方法

## （１）温暖化・寒冷化の両側面からみた電力需要および健康に対する影響評価

気候変動後の65歳以上の死亡率変化の推定のため、まず日最高気温と死亡率の相関の推定を実
施した。65歳以上の年齢階級は、外部環境に対する健康状態の感応度が高く、就労人口が少ないことによる暦や曜日による行動差の小さいことから、気温との関係を探るのに適している。自動車事故死亡数や経年変動を取り除いた補正死亡率を求め、さらに日最高気温を用いて回帰式を求めた。また既往研究より、外気温と死亡率との関係にタイムラグがあるとされており、東京のデータを用いて遅延相関解析を行った。温暖化・寒冷化時の日最高気温データは、排出に関する特別報告書(SRES)シナリオのA1BとB1におけるHadCM3モデルとECHAM5モデル、それと東大気候システム研究センター(CCSR)による寒冷化シミュレーションの結果に対して、現在気候データを用いてそれぞれバイアス補正を行って整備した。これらを用いて、温暖化時及び寒冷化時の死亡率を推定した。

気候変動時の電力需要変化の推定は、経年変化の補正を行った電灯合計、電力計、販売電力合計と、気温の相関を作成し、気候変動時の気温データから、実施した。

流出量と水ストレスの算出は、寒冷化シミュレーションから得られる流出と温暖化シミュレーションから得られる気温などの要素を用いて陸面過程モデルMATSIRO(Minimal Advanced Treatments of Surface Interaction and Runoff)を走らせて得られた流出を、河川モデルTRIPに入力し、流量を求めた。その流量と人口データを用いて、水ストレスを算出した。

## （２）低水流量を用いた水力発電ポテンシャルの検討

SRESシナリオ（A1B、A2、B1）に沿った複数の気候モデル（NCAR_CCSM3.0、CCSR_MIROC3.2、MRI_CGCM2.3.2、MPI_ECHAM5、UKMO_HadCM3）における流出の将来予測量をバイアス補正し、その流出から河川モデルTRIP2を用いて河川流量を算出する。一方、現在気候の河川流量は、全球土壌水分プロジェクト第二期(GSWP2)のマルチモデルアンサンブルによる流出とTRIP2を用いて算出する。算出された河川流量から理論的な水力発電ポテンシャルを求める。

さらに、低水流量の変化、特に減少は、水力発電の実施において大きな影響を与える。そこで、高水流量と低水流量の変化から、気候区ごとの影響を評価する。

## （３）不確実性を考慮した水需要量の推定と水ストレスの表現手法の検討

第三次結合モデル国際比較プロジェクト(CMIP3)の気候モデル結果データベースから取得した6つの気候モデル出力結果から、SRESシナリオA1B、A2、B1に沿った流出とGSWP2の流出を準備し、河川モデルTRIPを用いて河川流量を算出した。主要な水需要量として農業用水、工業用水、生活用水を統計的手法に基づき算出した。これらを用いて水ストレス指標（水需要量(W(生活用水(D)+工業用水(I)+農業用水(A)))/総水資源量(Q)）が求められた。本研究では、高い水ストレス状態とは、W/Q>0.4をいい、高い水ストレスに曝される人口を推定した。

さらに、人口、水需要量、総水資源量の変化による影響を明らかにするために、各要素を現在と一定にした場合の高い水ストレスに曝される人口を求め、上記との差からそれぞれの寄与率を算出した。

水ストレスの表現手法は、未来像の描出に大きく影響するため、新たな表現手法を検討した。

## 4 ．結果及び考察

（１）温暖化・寒冷化の両側面からみた電力需要および健康に対する影響評価
東京の65歳以上の男性データを用いた遅延相関解析の結果、最も決定係数の値が大きくなったのは、1～8日前までの7日間移動平均の日最高気温であった。65歳以上の死亡率と温度との相関はそれほど良くなかったが、遅延相関解析より、死亡率が気温以外の季節依存の要因ではなく気温の影響を受けていると考えられる。

推定された寒冷化時の死亡率については、解析を行った全都道府県で男女ともに死亡率が増加した。一方、温暖化時では男女ともに死亡率は減少した。現在の死亡率を基準に標準化すると、寒冷化時は男女とも2～10％増加し、温暖化時は男女とも2～6％減少した。北海道は暖房設備の充実のため寒冷化しても死亡率の変化は小さく、また温暖化しても年平均気温が至適温度に近づくため極小値に近づく。一方、沖縄は寒冷化によって死亡率の上昇が見られ、日本国内において地域差があることが明らかになった。

全球の年平均気温変化に対する全国の販売電力計の変化率は、日本全体では現在が最も少ないことが分かった。さらに寒冷化時の水資源量の変化が水ストレスへ与える影響について述べる。現在水ストレスの高いアフリカ北部では、水ストレスを受ける範囲が広がっている一方、同じく現在水ストレスの高い中東のうち、イランやアフリカスタン周辺では水ストレスは減少している。これは流出量の変化が大きく影響している。

以上、電力需要、流出量、死亡率における寒冷化の影響評価をまとめたのが図(3)-1である。この図から、急激な変化への適応力が重要であり、温暖化における気温上昇ばかりが問題なのではないということが言える。

図(3)-1 全球年平均気温変化に多雨する死亡率、電力需要、流出量の変化率。

## （２）低水流量を用いた水力発電ポテンシャルの検討

まず現在気候における水力発電ポテンシャルの分布を示し、現在の水力発電量との比から技術効率を求めた。その結果、欧州、北米大陸は55～70％と高い効率を示す一方、途上国を多く含むアジア、アフリカ、南米、オセアニアは5～25％にすぎない。これは、今後技術効率の向上を図ることで、水力発電量を大幅に増加させられることを示している。

将来気候における水力発電ポテンシャルは、世界全体で2050年には4%、2080年には10%の増加が示され、温暖化に伴う降水量の増加によるものと示唆される。一方、地域別では、水力発電ポテンシャルの変化は異なっている。増加するのは、北米のカナダ以北、アフリカ中部、南アジアから中国北部、シベリア、オーストラリア、減少するのは、北米大陸のアメリカ西岸、南米大陸の太平洋岸、ヨーロッパのスペイン周辺であった。すでに水力発電の効率化が進んでいる地域で水力発電ポテンシャルが減少した場合、強い影響を受けると考えられる。

水力発電の発電方法の特性から必要となる季節推移を考慮するため、月単位での評価を実施したところ、どの将来シナリオにおいても季節による河川流量の差が大きくなることが分かった。将来の極端に少ない河川流量（その流量を上回る日数が一年の95%である流量、以降Q95と呼ぶ）を調べた結果、多くの地域でQ95が小さくなることが分かった。このことは、年ベースでは流量が
足りていると判断されても低水流量が極端に小さくなることが増加することで、水力発電を行うことが可能な期間が減少することが示唆される。

そこで、SRESシナリオA1Bにおける日単位の大気海洋結合モデルMIROC(Model for Interdisciplinary Research on Climate)を用いた河川流量を求めた結果、多くの河川で乾季の流量の減少と雨季の流量の増加が見られた。現在気候と比較すると（図(3)-2）、北半球の雪が支配的な高緯度地域を除いて高水流量は増加し、低水流量は減少した。また異なる気候区分と流域面積における違いを解析した結果、流量の極端現象は小さい流域面積を持つ河川の方がよりシビアであることが示された。また高水流量も低水流量も冷帯や寒帯では両方とも増加するが、熱帯と温帯では低水流量が減少し、高水流量は増加あるいは変化しないことが明らかになった。

図(3)-2 将来（2071～2100年の平均）における極端な流量の現在（1971～2000年の平均）に対する変化量。単位は%。（左）高水流量（その流量を上回る日数が一年の5%である流量、Q05）、（右）低水流量（Q95）。

## （３）不確実性を考慮した水需要量の推定と水ストレスの表現手法の検討

既往研究より、社会に大きな影響を与える昇温量は2℃である、と言われていたが、実際には各社会経済シナリオの昇温量に大きく依存しており、社会経済的影響の差が最も大きく寄与していることが示された。また、新たに高い水ストレスに曝される人口の分布から、インドや中国といったアジア地域やサハラ周縁部において、水資源がひっ迫し変動成分が大きいことが示された。またシナリオ間の差も大きい。

次に全球スケールで人口、水需要量、総水資源量の寄与率を算出し、横軸を現在からの昇温量として示した。各シナリオとも気候変動による寄与は小さく、新たに高い水ストレスに曝される人口を抑制する。一方、水需要量と人口増加はこの新たに高い水ストレスに曝される人口を増加させることが明らかになった。

水ストレスの表現手法を検討した結果（表(3)-1）、21世紀終わり（SRES シナリオ A1）には、人が住む多くの地域で水需要は10％以上増加するが、温暖化に伴って利用可能な水資源量も人が住む多くの地域で10％以上増加する。一方、需要の拡大に対して供給の増加が少ない地域に住む人口は4億人弱と推定され、このことから供給量の増加分を有効に利用して需要の増大に応えられるか

表(3)-1 21世紀終わり（2071～2100年平均）における水需要、供給の増減の影響を受ける人口（SRESシナリオA1）。

需要	0.43	5.13	347	1,360	6,470
20%	0	0	0.002	0.15	0.12
10%	0	0	0.03	1.45	0.64
-10%	0	0	0	0.04	0.24
-20%	0	0	0.21	20.8	6.73

(单位:百万人)
どうかは、その国や地域の水の有効利用技術（節水・貯留技術など）や水資源の最適な分配手法の開発、あるいは国や地域間の協力といった、我々の適応能力にかかっていることが示唆された。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本研究によって得られた成果は、次のような科学的意義が挙げられる。（1）温暖化と寒冷化の両側面からみた電力需要および健康に対する影響評価による結果は、気候変動の大きな問題点は社会の適応が間に合わないことであることを示し、地球温暖化は気温上昇が問題の本質ではなく、急激な変化への人間を含むシステムの適応力の問題であることを示唆した。（2）低水流量を用いた水力発電ポテンシャルの検討による結果は、これまでの年流量ではなく日流量を用いる必要性を示唆した。年流量が増加しても低水流量の減少と高水流量の増加が見られ、水力発電の運用面に支障をきた才可能性を示すことができた。（3）不確実性を考慮した水需要量の推定と水ストレスの表現手法の検討による結果は、IPCCの第5次評価報告書(AR5)に向けた新しいシミュレーション結果を用いたマルチモデルによる水資源量の推定および複数の将来シナリオを用いた水利用セクターごとの水利用量が推定された。また、これらを用いた水ストレスの表現手法の検討結果から、高い水ストレスは偏在しており、供給量の増加分を有効に利用して需要の増大に応えられるかどうかは、その国や地域の水の有効利用技術（節水・貯留技術など）や水資源の最適な分配方法の開発、あるいは国や地域間の協力といった、我々人類の適応能力にかかっていることが示された。

## （２）環境政策への貢献

「水に関する有識者・実務者検討会」において、水に関する各分野の専門有識者と水行政の各部門実務者により、今後の水と衛生分野における国際的な取り組みがいかにあるべきか、についてまとめられた報告書（2007年12月）作成に貢献した。

外務省の気候変動分野における開発協力を推進するにあたって先進国、開発途上国、国際機関等が共有すべき目標、理念およびそれぞれの立場において実施に移すべき行動について検討するための「環境・気候変動分野の開発協力に係る有識者会議」において、「気候変動分野における開発協力の基本的考え方 — “Cool Earth” 実現に向けた有識者パネルの提言—」（2008年3月）作成に貢献した。

さらに、100回以上の「気候変動と水」の普及講演を行い、我々の研究成果の広報と普及に努めた。

## 6 ．国際共同研究等の状況

1980年代の終わりよりタイをはじめとする東南アジア諸国との間に研究活動を通じた連携した活動を行ってきた。2009年度よりカセサート大学を相手国研究代表者としタイ気象局と王立灌溉局を共同研究者とした、地球規模課題対応国際科学技術協力事業「気候変動に対する水分野の適応策立案・実施支援システムの構築」を、沖大幹教授が研究代表者として主導している。タイ国内でもすでに政府が気候変動に関する報告書を作成するなど関心が高まって来ているにもかかわらず、観測モニタリングや温暖化の影響評価などいまだ十分になされていない。そこで、気候変