Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
硫酸塩の全球総量の増加は、専らアジア域での$\mathrm{SO}_{2}$の排出量増加を反映している。また、全球平均地上気温の変動をみると、1960年以降の硫酸塩増加は、昇温傾向を顕著に抑制していることがわかる。しかしながら、本計算の標準実験は観測にみられる1980年以降の昇温傾向を過小評価していることに注意が必要である。今回の実験では、エアロゾル・雲間接効果による冷却を強めに計算するようなモデル設定であったため、硫酸塩やその他のエアロゾルの冷却効果を過大評価している可能性がある。さらに、実験アンサンブルも十分でないため、より現実的なシミュレーションのために、モデル設定の再調整を行った後、アンサンブル数を増加させて実験を実施する必要がある。

硫酸塩濃度固定実験(Exp3)

図(1)-12 全球平均地上気温のアノマリ（上）と硫酸塩エアロゾルの全球総量（下）の時系列変化。左図は1850-2000年まで、右図は1960年から2000年までをそれぞれ示す。実験結果は、標準実験（Ctrl = Exp1）と1960年以降の硫酸塩前駆気体（SO2）エミッションを固定した実験（Exp3）について示す。観測（Obs）はNOAAによる長期地上観測の全球平均の気温偏差。

## 3 ）土地利用変化に伴う SOA 変動の影響

感度実験（Exp2）では，森林が農地など他の土地利用に改変されなかった場合を仮定して，テルペンとイソプレンのエミッションを1850年に固定し、標準実験（Exp1）との比較から、土地利用改変が二次有機エアロゾルの生成変動を介して与える気候影響を見積もった。二次有機エアロゾル（SOA）は、テルペンやイソプレンなどの植物起源揮発性有機化合物（BVOC）が大気中で化学過程を経て生成され、太陽放射の反射・散乱という直接効果、また雲凝結核としての間接効果を併せ持つので、SOAの減少は気候に対して正の影響（加熱効果）を持つと考えられる。標準実験と感度実験との差分から、アジア域においては、1850年から1950年の間ではインドからバングラディッシュに至る南西アジアにおいて、SOAの減少が顕著である。森林伐採によって1～2割SOAが減少していることがわかる（図(1)-13a；SOAの差分（コントロールラン - 感度実験）であり、寒色系ほど現実の大気ではSOAが減少したことを意味する）。また、SOAの減少にともなって、SOAの雲凝結核作用が減少するため、土地利用変化が大きいヨーロッパ周辺、アジア、北米において、
雲有効粒径の増大が確認される（図(1)-13b）。雲放射強制力（地上・短波）の差分については， $$ SOAの減少 $ \rightarrow $ 雲粒有効半径の増大 $ \rightarrow $ 雲の反射率の減少 $$ といったプロセスを通して，SOA減少の影響の大きい地域では雲放射強制力が増加する傾向にあることがわかる（図(1)-13d）。このようなSOA減少の雲間接効果を介した影響と直接効果の変動を合わせ、上述のような土地利用変化が顕著な地域では、全球平均地上気温は、おおむね正の変化（昇温）が見られる（図(1)-13c）。その他の地域にも気候フィードバックを通して影響を与えている可能性もある。

a) 土地利用变化に伴うSOA減少 b) 雲粒有効粒径の増加

c）地表気温変化率への影響

+0.5 -0.5 $ \mu $ m

d)雲放射強制力(SW)への影響

-0.015 0.015 °C yr $ ^{-1} $

-12 12 W m $ ^{-2} $

図(1)-13 土地利用変化に伴う SOA 変化とその雲・気温への影響（1940-1950 年について、標準実験と感度実験の年平均場の差分）。（a）SOA カラム量の減少、（b）雲頂での雲有効粒径への影響、（c）地上気温変化への影響、（d）雲放射強制力（短波）への影響。

また、特に SOA 変動とこれに伴う影響が大きいとみられる南アジア域（インド・バングラディシュ等）に着目し、雲変動や気温トレンドを検討した（図(1)-14）。SOA は土地利用変化により明確な減少傾向を示しており、これを反映して雲放射強制力に正の影響を与えている（SOA の雲・間接効果の減少による）。SOA 減少は地上気温傾向に対しては正の影響を与えており、上述の雲強制力への影響との相関も比較的高い。雲粒有効半径の傾向については、SOA の減少に明確に対応しており、1970 年にかけて増加している。

以上のように、本研究の実験から、土地利用変化に伴う SOA の減少は、1900～1960 年の昇温傾向に部分的に寄与していた可能性が示唆される。しかし、前述のように、今回の実験では、間接効果が比較的強く働くモデル設定であったため、SOA の変動影響についても過大評価している可能性もあり、さらに実験のアンサンブル数も十分であるとは言えない。今後は、より現実的な評価に向けて、モデル設定の見直しや追加実験を実施していく必要がある。
図(1)-14 南アジア域における、（上から）雲放射強制力（地上・短波）、SOA領域総量、地上気温、水雲雲頂の雲粒有効半径に対するSOA減少の影響（実験間差分）の時系列。なだらかな曲線は9年移動平均、黒の直線は線形回帰直線。下3枚の図の縦軸の[ ]の中のrはそれぞれの雲放射強制力との相関係数を示す。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本サブテーマ1では、各種エアロゾルの変動とその気候・アジアモンスーンへの影響について、科学的な解明が進められた。化学・エアロゾル気候モデルの枠組みにおいて、硝酸塩エアロゾル計算および植物起源の有機炭素エアロゾル計算について、精緻化が行われた。本研究では、過去の二次有機エアロゾル（SOA）の変動要因について、土地利用変化だけでなく、一次有機エアロゾル（POA）や大気化学場の変動の影響などを詳しく評価し、定量化した。これは、これまで議論が不十分であったSOAの変動過程を明らかにするものであり、エアロゾルの気候影響の理解にも大きく貢献する成果である。さらに、SOA変動も含め、各種エアロゾルの変動が及ぼす放射強制
カや気候影響をモデル実験により定量化し、特にアジア域においては、硫酸塩・硝酸塩の増加、および土地利用変化に伴うSOA減少が、過去の雲・地上気温の変化および傾向に対して重要な影響を及ぼしていた可能性を指摘・提示した。本サブテーマ1の成果は、本課題のメインテーマの一つであるエアロゾルのアジアモンスーン変動への影響評価に向けて、重要な示唆を与えるものであり、アジアモンスーン変動の実質的な理解および全球的な気候影響に関する定量的な理解・予測に大きく貢献する成果である。

## （２）環境政策への貢献

地球大気化学国際協同計画（IGAC）の国内委員会（日本学術会議・第3部）において、大気化学・エアロゾルと気候との相互作用研究に関する今後の見通しの検討に寄与するとともに、立ち上げに貢献したワーキンググループでの活動を行った。今後、本研究で得られた成果を、学術論文としてまとめてゆくとともに、積極的に広報し、さらに、IPCC第5次評価報告書などへ貢献することなどを通して、環境政策への貢献に努める。

## 6 ．国際共同研究等の状況

本研究で用いている化学モデル CHASER およびエアロゾルモデル SPRINTARS を用いて、大気汚染の半球規模長距離輸送に関するプロジェクト（HTAP）に参加した（http://aqm.jrc.it/HTAP/）。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

1) Saito, S., I. Nagao, and H. Kanzawa (2009): Characteristics of ambient $ C_{2}-C_{11} $ non-methane hydrocarbons in metropolitan Nagoya, Japan. Atmos. Environ., 43, 4384-4395. doi: 10.1016/j.atmosenv.2009.04.031.

2) 須藤健悟，高田久美子，竹村俊彦，神沢博，安成哲三（2010）：植生改変・エアロブル複合効果がアジアの気候に及ぼす影響の評価．低温科学，68，129-136.

3) Sudo, K. and Y. Ogihara (2012): Global modeling of Secondary Organic Aerosol in a chemistry coupled climate model. Earozoru Kenkyu, 27, 51-61.

<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）神沢博（2012）：地球温暖化の仕組み．「二つの温暖化－地球温暖化とヒートアイランド－」（甲斐憲次，編著）の第II部，第2章，成山堂書店，50-73.（2012年3月28日刊行）

## （2） 口頭発表（学会等）

1）須藤健悟，高田久美子，神沢博，安成哲三：アジア域における大気化学・エアロゾル・陸域植
生結合場の変動とその気候影響，日本地球惑星科学連合 2009 年大会，千葉幕張メッセ（幕張国際会議場），2009 年 5 月 21 日.

2) 高瀬健太郎，須藤健悟：衛星観測・化学輸送モデルによる全球対流圏 CO の解析，日本気象学会 2009 年度春季大会，つくば国際会議場，2009 年 5 月 25 日.

3) 関谷高志，須藤健悟：全球対流圏オゾン分布の変動要因：気象場の変動が及ぼす影響の解析，日本気象学会 2009 年度春季大会，つくば国際会議場，2009 年 5 月 25 日.

4) 須藤健悟：対流圈光化学場の過去再現シミュレーション，第14回大気化学討論会，2009年11月21日.

5) 須藤健悟：対流圏オゾン・メタンの過去再現シミュレーション：初期結果，日本気象学会2009年度秋季大会，アクロス福岡，2009年11月26日.

6) 高瀬健太郎，須藤健悟：バイオマスバーニングが対流圏 CO の全球分布に与える影響に関する解析，日本気象学会 2009 年度秋季大会，アクロス福岡，2009 年 11 月 26 日.

7) 詹博硯，須藤健悟：火山起源 S02 及び S04 の輸送経路および化学変化過程の再現，日本気象学会 2009 年度秋季大会，アクロス福岡，2009 年 11 月 26 日.

8) 関谷高志，須藤健悟：エルニーニョに伴う熱帯：亜熱帯対流圏オゾンの変動，日本気象学会2009年度秋季大会，アクロス福岡，2009年11月26日.

9) Sudo, K. K. Takata., T. Takemura, H. Kanzawa, and T. Yasunari: Aerosol changes associated with land use change in Asia and their impacts on climate, American Geophysical Union (AGU) 2009 Fall Meeting, San Francisco, 15 December 2009.

10) Sekiya, T. and K. Sudo: Meteorological impacts of El Niño on tropospheric ozone distribution during 1970–2006, American Geophysical Union (AGU) 2009 Fall Meeting, San Francisco, 15 December 2009.

11) Kanzawa, H., K. Sudo, K. Takata, T. Yasunari: Aerosol changes associated with land use change in Asia and their impacts on climate. Workshop on Development of Asian Mega-cities and Impacts on Regional Climate, Academia Sinica, Taipei, Taiwan, 21 January 2010.

12) 須藤健悟：全球メタン濃度の過去再現シミュレーション：気候変動の影響．日本気象学会2010年度春季大会，国立オリンピック記念青少年総合センター，東京，2010年5月25日.

13) Sudo, K., K. Takata, H. Kanzawa, T. Takemura, T. Yasunari: Simulation of aerosol changes in Asia with a chemistry-aerosol coupled climate model. JP

14) GU 2010 年度大会, Maukhari Chiba, Japan, 27 May 2010.

15) Sudo, K.: Modeling the climate impacts of global air pollution and short-lived climate forcers. International Workshop on “Impact of Asian Megacity Development on Local to Global Climate Change” (1st MOST-JST Project Meeting), Beijing Foreign Expert Hotel, Beijing, China, 10-12 October 2010.

16) Kanzawa, H., S. Saito, and I. Nagao: Non-methane hydrocarbons (NMHCs) in an urban atmosphere of Nagoya observed by a continuous measurement system. International Workshop on “Impact of Asian Megacity Development on Local to Global Climate Change” (1st MOST-JST Project Meeting), Beijing Foreign Expert Hotel, Beijing, China, 10-12
October 2010.

17) 須藤健悟, Patra Prabir, 伊藤昭彦: 化学気候モデルを用いた 1970–2008 年のメタン変動要因の解明, 大気化学討論会, 首都大学東京, 八王子, 2010 年 11 月 18 日.

18) Sudo, K.: Global air pollution and its interaction with climate. The 2nd Workshop on Climate and Environment between Nanjing University and Nagoya University, Nagoya University, 5-6 December 2010.

19) Sudo, K., P. Patra, A. Ito: Leveling-off of atmospheric methane caused by coupling of climate change and tropospheric chemistry. AGU 2010 Fall Meeting, San Francisco, 13-17 December 2010.

20) Sudo, K., T. Takemura, and H. Akimoto: Evaluating past changes in short-lived climate forcers and their climate impacts with a chemistry-aerosol coupled climate model, 3rd International Workshop on Atmospheric Modeling Research in East Asia, Chengdu, Sichuan Province, China, September 24-25, 2011.

21) Sudo, K., T. Takemura, and H. Akimoto: Evaluating past changes in atmospheric pollutants and their climate impacts with a chemistry-aerosol coupled climate model, The 8th International Conference on Acid Deposition, Acid Rain 2011, Beijing China, 16-18 June 2011.

22) Sudo, K., T. Takemura, and H. Akimoto: Modelling Short-Lived Climate Forcers: Climate Impacts and Interaction, 2011 International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) General Assembly, Melbourne Australia, 28 Jun-07 July 2011.

(23) 清水俊成，須藤健悟：硫酸塩生成におけるダストの影響：全球化学・エアロブル輸送モデルの改良と検証，日本気象学会 2011 年度秋季大会，名古屋大学，名古屋，2011 年 11 月 16 日-18 日.

(24) 須藤健悟，竹村俊彦，秋元肇：化学・エアロブル気候モデルを用いた短寿命気候影響物質（SLCFs）の放射強制力と気候応答の評価，第17回大気化学討論会，京都大学宇治キャンパス，京都，2011年10月18日-20日.

25) Sudo, K., H. Endo, K. Hara, K. Osada, and T. Takemura: Simulating black carbon at Syowa station, Antarctic: long-range transport from various source regions, JPGU 2011 年度大会, Maukhari, Chiba, Japan, 23 May 2011.

26) 須藤健悟，竹村俊彦，秋元肇：化学・エアロゾル気候モデルを用いた短寿命気候影響物質（SLCFs）の放射強制力の評価，日本気象学会2011年度春季大会，国立オリンピック記念青少年総合センター，東京，2011年5月18日-21日.

## （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）

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

1）神沢博：コーヒー一片手に温暖化を語ろうー長野で「気象サイエンスカフェ」． 話題提供者としての紹介およびインタビュー，信濃毎日新聞，2010年10月24日朝刊.

## （6） その他

下記の一般向け講演を行った。

1) 真鍋淑郎・神沢博：科学的好奇心の先にあるもの．エコラボトーク（対談），環 KWAN（名古屋大学大学院環境学研究科発行），Vol. 17（2009 autumn），6-9.（2009年10月）

2) 神沢博：大気の環境問題（1）：温暖化ガスの発生機構と温室効果． 飛騨インタープリターアカデミー環境学科，特定非営利活動法人飛騨自然学園，高山，2010年5月30日.

3) 神沢博：地球温暖化問題の科学的理解の現状. 長野地方気象台，長野，2010年10月22日.

4) 神沢博：なぜ地球は温暖化するのか—地球温暖化問題の科学的理解—.（話題提供） 気象サイエンスカフェ in 長野，日本気象学会中部支部・長野県気象予報士会・長野地方気象台共催，信州大学教育学部，長野，2010年10月23日.

5) 神沢博：大気の環境問題（1）：温暖化ガスの発生機構と温室効果． 飛騨インタープリターアカデミー環境学科，特定非営利活動法人飛騨自然学園，高山，2011年8月28日.

### 8 \. 引用文献

1) IPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, 996 pp.

2) Hansen J, M. Sato, R. Ruedy, A. Lacis, and V. Oinas (2001): Trends of measured climate forcing agents. Proc. Natl. Acad. Sci., 98, 14778–14783, doi:10.1073/pnas.261553698.

3) Takemura T, T. Nozawa, S. Emori, T.Y. Nakajima, and T. Nakajima (2005): Simulation of climate response to aerosol direct and indirect effects with aerosol transport-radiation model, J. Geophys. Res., 110, doi:10.1029/2004JD005029.

4) Ramanathan V., C. Chung, D. Kim, T. Bettge, L. Buja, JT. Kiehl, WM. Washington, Q. Fu, DR. Sikka, and M. Wild (2005): Atmospheric brown clouds: impact on South Asian climate and hydrologic cycle. Proc. Natl. Acad. Sci., 102, 5326-5333, doi:10.1073/pnas.0500656102.

5) Lau K. M., M. K. Kim, and K. M. Kim (2006): Asian summer monsoon anomalies induced by aerosol direct forcing: the role of the Tibetan Plateau, Clim. Dynam., doi:10.1007/s00382-006-0114-z.

6) 須藤健悟，高田久美子，竹村俊彦，神沢博，安成哲三（2010）：植生改変・エアロブル複合効果がアジアの気候に及ぼす影響の評価，低温科学，68，129-136.

7) Sudo, K., M. Takahashi, J. Kurokawa, and H. Akimoto (2002a): CHASER: A global chemical model of the troposphere 1. Model description, J. Geophys. Res., 107, 10.1029/2001JD001113.

8) Sudo, K., M. Takahashi, and H. Akimoto (2002b): CHASER: A global chemical model of the
troposphere 2. Model results and evaluation, J. Geophys. Res., 107, 10.1029/2001JD001114.

9) Sudo, K., and H. Akimoto (2007): Global source attribution of tropospheric ozone: Long-range transport from various source regions, J. Geophys. Res., 112, D12302, doi:10.1029/2006JD007992.

10) Takemura, T., T. Nakajima, O. Dubovik, B.N. Holben, and S. Kinne (2002): Single-Scattering albedo and radiative forcing of various aerosol species with a global three-dimensional model, J. Clim., 15, 333-352.

11) Nenes, A, S.N. Pandis, and C. Pilinis (1998): ISORROPIA: A new thermodynamic equilibrium model for multiphase multicomponent inorganic aerosols, Aquat. Geoch., 4, 123-152.

12) Fountoukis, C. and A. Nenes (2007): ISORROPIA II: A computationally efficient aerosol thermodynamic equilibrium model for $ K^{+} $ , $ Ca^{2+} $ , $ Mg^{2+} $ , $ NH_{4}^{+} $ , $ Na^{+} $ , $ SO_{4}^{2-} $ , $ NO_{3}^{-} $ , $ Cl^{-} $ , $ H_{2}O $ Aerosols, Atmos. Chem. Phys., 7, 4639–4659.

13) Odum, J. R., T. Hoffmann, F. Bowman, D. Collins, R. C. Flagan, and J. H. Seinfeld (1996): Gas/Particle Partitioning and Secondary Organic Aerosol Yields, Environ. Sci. Technol., 30, 2580–2585.

14) Pankow, J. F. (1994a): An absorption model of gas/particle partitioning of organic compounds in the atmosphere, Atmos. Environ., Volume 28, Issue 2, Pages 185-188.

15) Pankow, J. F. (1994b): An absorption model of the gas/aerosol partitioning involved in the formation of secondary organic aerosol, Atmos. Environ., 28, 189-193.

16) Tsigaridis, K. and M. Kanakidou (2003): Global modelling of secondary organic aerosol in the troposphere: a sensitivity analysis, Atmos. Chem. Phys., 3, 1849–1869.

17) Artaxo, P., J. V. Martins, M. A. Yamasoe, A. S. Procopio, T. M. Pauliquevis, M. O. Andreae, P. Guyon, L. V. Gatti, and A. M. C. Leal (2002): Physical and chemical properties of aerosols in the wet and dry seasons in Rondonia, Amazonia, J. Geophys. Res., 107, 8081, doi:10.1029/2001JD000666.

18) Decesari, S. M., et al. (2006): Characterization of the organic composition of aerosols from Rondonia, Brazil, during the LBA-SMOCC 2002 experiment and its representation through model compounds, Atmos. Chem. Phys., 6, 375-402.

19) Heald C. L., et al. (2008): Predicted change in global secondary organic aerosol concentrations in response to future climate, emissions, and land use change, J. Geophys. Res., 113, D05211, doi:10.1029/2007JD009092.

20) Schultz, M. G., T. Pulles, R. Brand, M. van het Bolscher, and S. B. Dalsoren (2005): A global data set of anthropogenic CO, NOx, and NMVOC emissions for 1960–2000, in preparation.

21) Schultz, M. G., A. Heil, J. J. Hoelzemann, A. Spessa, K. Thonicke, J. G. Goldammer, A. C. Held, J. M. C. Pereira, and M. van het Bolscher (2008): Global wildland fire emissions from 1960 to 2000, Global Biogeochem. Cycles, 22, GB2002, doi:10.1029/2007GB003031
22) Ramankutty, N., and J.A. Foley (1999): Estimating historical changes in global land cover: croplands from 1700 to 1992. Global Biogeochem. Cycles, 13, 997-1027.

23) Van Aardenne, J. A., F. J. Dentener, J. G. J. Olivier, C. G. M. Klein Goldewijk, and J. Lelieveld (2001): A High Resolution Dataset of Historical Anthropogenic Trace Gas Emissions for the Period 1890-1990. Global Biogeochem. Cycles, 15, 909-928.

24) Liousse, C. J. E. Penner, C. Chuang, J. J. Walton, H. Eddleman and H. Cachier (1996): A global three-dimensional model study of carbonaceous aerosols, J. Geophys. Res., 101, 19, 411–19, 432.

25) Lamarque, J.F., et al. (2010): Historical (1850–2000) gridded anthropogenic and biomass burning emissions of reactive gases and aerosols: Methodology and application, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 10, 4963–5019.
(2) 植生改変によるエアロゾル変動の気候影響評価

（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

全球水文气候过程研究チーム 高田 久美子・田中 克典・斉藤 和之・高橋 洋

<研究協力者>

（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

全球水文气候過程研究チーム

Kim Hyung Jin

平成21～23年度累計予算額：40,797千円（うち、平成23年度予算額：13,564千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 植生からの揮発性有機炭素(VOC)の発生速度について、1850～2000年の耕地化、気温、日射の歴史的な変化を考慮して算定した。その結果、耕地化を考慮すると植生起源VOCの発生速度は減少するが、気温の上昇によって増大する効果も無視できないことが明らかになった。イソプレンは耕地化による減少効果の方が大きかったが、モノテルペンは気温上昇による増大効果の方が大きかった。地域別に植生タイプごとのイソプレンとモノテルペンの発生速度の推移を詳細に調査し、イソプレンとモノテルペンの発生特性の違いによって、同じ耕地化に対して異なる推移を占めることが示された。こういった植生起源VOCの変化がアジアモンスーン域の気候に及ぼす影響を評価するために、まずモンスーンの変動特性と全球気候モデル(CGCM)による再現性を調査した。全球スケールでのモンスーンの年々変動はエルニーニョ(ENSO)と関係しており、その変動特性はこれまでのCGCMよりも本研究で用いるMIROC5でよく再現されていることが示された。MIROC5では熱帯中部太平洋の対流活動が強化し、大気と海洋の東西方向の相互作用によるBjerknesフィードバックがより現実的になって、ENSOの再現性が向上したと考えられる。植生起源VOCの発生速度の変化によるアジア域の気候への影響としては、VOCの増大に伴う2次有機エアロブル(SOA)の増大は春季に最大となり、それに伴って直接効果による冷却が見られたものの、その大きさは限定的であった。一方、モデルの内部変動を通して局地的な水循環への影響が見られ、降水の減少(増大)域でと硫酸エアロブルの増大(減少)という負の相関が確認された。また、エアロブル変化に伴う日降水量の頻度や強度の変化について5～6月を対象に調べたところ、SOAが増大した場合に、強い降水イベントが増大して弱い降水イベントが減少することが明らかになった。

[キーワード] 土地被覆・植生変化、揮発性有機炭素、エアロゾル、アジアモンスーン、全球気候モデル

### 1. はじめに

産業革命以降、人口の急激な増加とともに、自然植生から農耕地への転換がアジア、ヨーロッパ、北米などで大規模に行われてきた（Ramankutty and Foley, 1999 $ ^{1} $ ）。耕地化等の土地被覆改变が気候に及ぼす影響について、これまで、植生が大気に及ぼす影響については、主に熱水収支
や炭素収支の観点から調べられており、全球気候モデルによる植生改変の影響については、植生タイプや葉量の変化が地表面の熱水収支を変えることによる影響が調べられてきた（e.g., Feddema et al., 2005 $ ^{2} $ ）。歴史的な耕地化データを用いた全球モデルによる数値実験では、耕地化が著しいアジアモンスーン域で春季に地表面の乾燥化を引き起こし（Yamashima et al., 2011 $ ^{3} $ ）、夏季のアジアモンスーンを弱めてインドや中国南東部の夏季降水量を減少させることが指摘されている（Takata et al., 2009 $ ^{4} $ ）。

一方で、植物が揮発性有機炭素化合物(VOC)等の大気微量成分の吸収・放出にも寄与していることは、大気化学の分野で古くから知られていた。植生起源のVOCは、地球全体の放出量のうち約90％を占めているとされている（Kuhn et al., 2004 $ ^{5} $ ）。VOCは反応性が高く、光化学反应により炭素数の大きいカルボン酸やケトンなどの高沸点化合物を生成し、大気中における2次有機炭素エアロブル(SOA)生成の主要な原因の1つと考えられている（竹川ら, 1999 $ ^{6} $ ）。植生によるVOC放出速度は植生タイプと葉量、気温や日射(光合成有効放射, PAR)等に依存する(Guenther et al., 1995 $ ^{7} $ )ことが知られているが、産業革命以降、大規模な耕地化に加えて、年平均気温が地球規模で0.61±0.16度上昇したことから、VOCの放出速度が地球規模で変化していたと考えられており（Lathiere et al., 2005 $ ^{8} $ ）、SOAの時空間分布にも影響を及ぼす可能性が指摘されている（Tsigaridis et al., 2006 $ ^{9} $ ）。大気中のエアロブルは放射強制力と雲降水システムを介して気候システムに大きな影響を持つことから、植生改変とそれに伴うエアロブル変化が気候変動に大きな役割を果たす可能性があることが近年指摘されるようになった（Pielke et al., 2007 $ ^{10} $ ）。そこで本研究では、植生タイプ、葉量、気温、日射を考慮して産業革命以降の植生によるVOCの放出速度の時空間分布の変化を推定し、その結果を用いて全球気候モデルを用いた数値実験を行うことにより、産業革命以降の植生からのVOC発生量の変化が、エアロブルや雲降水システムの変化を通して気候に及ぼす影響について、特に雲降水システムの変動が顕著なアジアモンスーン域に重点を置いて、定量的に評価することを目指す。

歴史的に、モンスーンは各々の地域の季節風として地域特有の性質を持っているものと考えられ、地域特有の海陸配置や地形、また地域特有の気候フィードバック過程が発生・変動メカニズムにおいて支配的であると考えられてきた。そのことから、モンスーンの年々変動や数10年変動の研究は、地域的なスケールに着目して進められてきた。しかし、モンスーンの物理的な形成メカニズムは太陽放射の季節変化とそれに伴う海陸の熱的コントラストに対する強制応答であり、全球規模での基本的な変動システムの1つである。モンスーンは、気候システムの内部フィードバック過程であるエルニーニョ（ENSO）とも年々変動の時間スケールで相互作用しており、ENSOとともに放射・力学・熱力学など多くのプロセスが関係している。従って、全球スケールでの総合的なシステムとして捉えるべきである。

近年、地域モンスーンの間での相互関係についても認識され始めているが、全球スケールで海陸にまたがるスケールでの研究はまだ無い。また、衛星観測が始まる1979年以前は、全球モンスーン（GM）変動に関する知見は陸上に限られている。その結果、過去数10年間に限っても、全球スケールのモンスーン降水（GMP）がどのように変化してきたか、まだ殆ど解明されていない。本研究で、モンスーン地域を総合した全球モンスーンの変動傾向について調べることにより、大きなスケールでの長期変動をもたらしている人為起源の影響や、ENSOなどの年々変動に対して、モンスーンシステム全体がどのように変化したかを明らかにすることを目指す。
植生改変によるVOC変化が気候に及ぼす影響を定量的に評価するためには、全球気候モデルを用いるが、モンスーンやENSOの活動度には陸面での熱水収支が重要な役割を持っていると言われており（e.g. Yasunari, 1987 $ ^{11} $ ）、積雪の年々変動はアジアモンスーンの年々変動と密接に関係しているとされている（Morinaga et al., 2000 $ ^{12} $ ）。そこでは、融雪水の多寡による夏季の土壌水分の変動が海陸の温度コントラストに影響を及ぼしていると考えられている。また、アジアモンスーン域にはヒマラヤやチベット高原が含まれていて、土壌水分の凍結融解を含む土壌物理過程が下層大気に重要な影響を与えることも指摘されている（Saito et al., 2007 $ ^{13} $ ）。そこで本研究では、積雪過程や土壌物理過程の改良・高度化を行いつつ、全球モデルによる気候影響評価の基礎となるモデルの気候再現性について、モンスーンを中心に観測データや他のモデル結果と比較して検証する。季節変化を高精度で再現できると気候変動を高精度で再現できるとされている（e.g., Slingo, 2003 $ ^{14} $ ）ことから、季節変化によって駆動されているモンスーンの再現性や、内部変動であるENSOとモンスーンとの関係を検証することは、モデルの総合的な性能を示す上で有効な指標になると考えられる。

## 2 ．研究開発目的

本サブテーマでは、耕地化による土地被覆・植生改変とそれに伴う揮発性有機炭素（VOC）を起源とするエアロゾル発生量の変化を考慮して、全球気候モデルによる過去の気候再現実験を行い、アジア域の過去数10～100年の降水量等の観測データとも比較しながら、アジア域の気候に対する植生改変とエアロゾルの複合効果を定量的に評価することを目的とする。VOCの中では、モノテルペン類が2次有機エアロゾル(以下、SOA)の生成に最も寄与する（Chung and Seinfeld, 2002 $ ^{15} $ ）ほか、排出量が最も大きいイソプレンもSOA生成への寄与が見直されている（Claeys et al., 2004 $ ^{16} $ ）。ここでは、イソプレンとモノテルペンを対象として、これらの地球規模の年間放出量が1850年から2000年の土地改変および気候変動によって、どのように変化したのかを算定し、耕地化が進んだ地域とそれ以外の地域での放出量推移の特徴についても調査する。また、それらのVOCから生成されるSOA量を求め、その結果を全球気候モデルによる数値実験の入力データとして利用できるようにする。

本研究で用いる全球気候モデルは、東京大学・国立環境研究所・海洋研究開発機構で共同開発してきた全球気候モデルMIROC(Model for Interdisciplinary Research on Climate)の最新版MIROC5(Watanabe et al., 2010 $ ^{17} $ )とする。その陸面過程の高度化においては、積雪や土壌の熱伝導過程とそれらに付随するパラメータ（特に土壌、積雪層に関する熱的・水的物性値）、及び土壌の凍結・融解に関わる土壌物理過程を改良し、地表面付近の水文気候環境の気候値や年々変動に与える影響を調査する。

VOC変化がアジア域の気候に及ぼす影響を調べるに先立って、モンスーンやENSOの変動特性を調査し、モデルによる再現性を検証する。ENSOがモンスーンの年々変動に及ぼす影響については、領域スケールで調べられてきたが、各地域のモンスーンを統合して解釈するGMの観点での解析が近年提唱されている（Wang and Ding, 2006 $ ^{18} $ ）；Wang and Ding, 2008 $ ^{19} $ ）。さらに、Wang et al. (2011) $ ^{20} $ ではENSOと緊密に結びついたGMP（GMでの降水量）の年々変動を示唆している。また、より長い時間スケールの変動についても、GMPの年々変動と10年規模変動（または30年間のトレンド）の様相を明らかにすることは、（1）内部フィードバックプロセスがどの程度、全球スケールのモ
ンスーン変動を支配しているのか？（2）全球スケールのモンスーンに、最近数10年間で何らかのトレンドはあるのか？もしあるなら何がそれをもたらしているのか？（3）北半球の夏季モンスーンと南半球の夏季モンスーンの変動度に違いはあるのか？もしあるなら、何がそれをもたらしているのか？（4）GMの変化は全球の降水量の変化にどのような役割を持っているのか？といった科学的な疑問への示唆を得ることに繋がる。

ここでは、近年の全球解析データ（1979～2008年）を用いて、GMPの年々変動を調査するとともに、本研究で用いるMIROC5を全球観測データやIPCC第4次報告書(AR4)で用いられた全球気候モデル群(CMIP3)と比較しながら、モンスーン性の降水や循環場等を抽出し、気候値の再現性やモンスーンの年々変動とENSOによる海面水温(SST)変動との関係などを明らかにする。特に、AR4時のMIROC3では熱帯太平洋の平均状態は良く再現されているにもかかわらずENSOが非常に弱かったことが指摘されているが(Guilyardi et al., 2009 $ ^{21} $ )、MIROC5では年々ENSOの再現性が変動を含めて顕著に改善されたことが示されている(Watanabe et al., 2010 $ ^{17} $ )。このことはMIROC3とMIROC5では、ENSOとモンスーンの関係が本質的に異なることを示唆しているが、この点に留意して、Wang et al. (2011) $ ^{20} $ による診断方法を用いてモンスーン性の降水と循環の再現性を評価する。

植物起源のVOCが気候変動に与える影響を評価するに当たって、植生によるVOC放出速度の推定スキームによる違いをまず調査する。これまでは1990年代のVOC放出速度の推定スキーム(e.g., Guenther et al., 1995 $ ^{7} $ )が用いられてきたが、今後は改定スキーム(Guenther et al., 2006 $ ^{22} $ )が用いられるようになると予想される。これら2つの推定方法による違いが気候に及ぼす影響を定量的に評価することは、気候予測の信頼性向上に資すると考えられる。そこで、本研究では、植生によるVOC放出速度の2つの推定方法に基づいて、エアロブルの3次元輸送モデル（SPRINTARS, Takemura et al., 2005 $ ^{23} $ ）を結合したMIROC5による数値実験を行う。そして、植生によるVOC放出速度の違いによって、特にモンスーンアジアでの地域的な降水変化に着目した影響評価を行う。

### 3. 研究開発方法

## （１）産業革命以降のVOC放出速度の全球分布の推移

イソプレンとモノテルペン類の放出速度の推定にはMEGAN（Model of Emission of Gases and Aerosols from Nature; Guenther et al., 2006 $ ^{22} $ ）を用い、IPCC第5次報告書用の数値実験に準じた土地利用等のデータを用いて、産業革命以降の推移を算定する。MEGANではモノテルペン類を8種と想定しており、それぞれの放出量を算定した後、総合した値をモノテルペン放出量としている。MEGANのVOC放出速度（VOC）の推定式は

$$ V O C=\varepsilon\cdot\lambda_{L A I}\cdot\lambda_{a g e}\cdot\lambda_{L}\cdot\lambda_{T} $$

で、εは標準状態でのVOCの放出速度、λ_{i}は因子iによる効果で、LAIは葉面積指数、agelは葉齢、Lは光環境、Tは温度で、各々の効果λの積で表す。気候要素（L, T）には、MIROC5（Watanabe et al., 2010 $ ^{17} $ ）による20世紀再現実験（20C3M；IPCC-AR5に提出）における1850～2005年の気温と地表面短波放射の月平均データを使用した。合わせて、20C3Mで用いている1850～2005年の自然植生と農耕地の被覆率データ（Hurtt et al., 2006 $ ^{24} $ ）、衛星観測（MODIS）による1～12月の自然植生と農耕地の葉面積指数（LAI）の全球分布データ、自然植生の植生タイプの全球分布データ（Ramankutty and Foley（1999） $ ^{1} $ ）をMIROC5用に調整）を用いて、各年各月のグリッドごとにVOCを算定した。水平解像度は20C3Mと同じ東西256点×南北128点（T85）で、約1.4°×1.4°（約120km）となっている。
プレンとモノテルペン類の放出速度はグリッド内の自然植生地と農耕地についてそれぞれ求められ、グリッドの面積や陸地の占める割合を考慮して1格子点当たりの放出速度を算出する。図(2)-1は、産業革命から現在までに耕地化が比較的進んだ地域(A1-8)とそれ以外の地域(A9-11)を示している。次章では全球平均、およびそれぞれの地域について年間放出量の推移の特徴について解析した。

図(2)-1 産業革命以降、耕地化が進んだ地域（A1−A8）とそれ以外の地域（A9−A11）。地域ごとにイソプレン・モノテルペンの年間放出量を集計した。括弧内の数値は面積（×10^{7}km^{2}）を示す。

表(2)-1 植生タイプと単位面積あたりのイソプレンとモノテルペンの標準状態での放出速度（e）。イソプレンは $ mg\ m^{-1}\ h^{-1} $ 、モノテルペンは $ 0.01\ mg\ m^{-1}\ h^{-1} $ 。モノテルペンは8種の合計値。

INDEX	Surface type	標準状態での放出速度(e)
Isoprene	Monoterpene
-1	sea surface (mixed layer)	0	0
0	sea surface	0	0
1	continental ice	0	0
2	broadleaf evergreen forest	12.6	449.2
3	broadleaf deciduous forest & woodland	12.6	449.2
4	mixed coniferous & broadleaf deciduous forest & woodland	7.3	660.9
5	coniferous forest & woodland	2	872.6
6	high latitude deciduous forest & woodland	0.7	872.6
7	wooded C4 grassland	0.5	323.7
8	shrubs & bare ground	10.7	735.6
9	Tundra	0.5	323.7
10	Cultivation	0.5	323.7
11	Desert	0.09	323.7

植物タイプ毎のイソプレンとモノテルペン類の標準状態での放出速度（ε）は、それぞれGuenther et al. (2006) $ ^{22)} $ とSakulyanontvittaya et al. (2008) $ ^{25)} $ に従った(表(2)-1)。イソプレンのεは低緯度帯に分布する常緑性・落葉性広葉樹林が最大で、耕地が極端に小さな最小値とな
る。一方、モノテルペン類は、8種の種別によって異なるが、概ね高緯度帯に分布する寒帯林や乾燥地域の滻木で高い値をとり、耕地で最小値となる。ただし、最高と最低の差はイソプレンほど極端ではない。

耕地化と気象要素の変化がイソプレンやモノテルペンの年間放出量の推移に与える影響を分離して評価するために、耕地被覆率は1850年のまま、1850～2005年の気候条件を与えてVOC放出速度を算定する $ (VOC_{fix}) $ 。これと、耕地被覆率の経年変化を考慮して算定したVOC放出速度 $ (VOC_{all}) $ との比 $ \left(VOC_{fix}/VOC_{all}\right) $ を取ることにより、1850年を基準として耕地面积拡大の効果を算定する。気象要素の変化による影響は、 $ VOC_{fix} $ の1850年の値と年々の値の比 $ \left(VOC_{fix}(yr)/VOC_{all}\right) $ （1850）を取ることで同様に評価できる。また、日射と温度による影響は、光環境（L）と温度（T）による効果は関数 $ \lambda_{i} $ を用いて、1850年の値と年々の値の比 $ \left(\lambda_{L}(yr)/\lambda_{L}\right) $ （1850）， $ \lambda_{T}(yr)/\lambda_{T} $ （1850） $ \lambda_{T} $ によって評価した。

## （２）陸面過程の高度化

全球気候モデルMIROCの陸面過程（MATSIRO；Takata et al.，2004 $ ^{26} $ ）の高度化では、凍結・融解を含む土壤物理過程や積雪過程を改良する。土壤物理過程については、取得・収集した観測データに基づく土壤物性値の推定スキームの高度化や、1次元陸面モデルによる検証実験を行ったほか、スキームを高度化した時の大気へのインパクトについてGCMを用いた予備調査を行った。積雪過程については、モデル改良のための観測データを収集する。中緯度温帯域（日本付近）のみでなく、高緯度あるいは高標高での積雪の状況、即ち季節を通しての雪温プロファイルや積雪断面観測の調査結果を、収集または実地観測で取得し、モデル改良のための基礎データとする。

これまでのMATSIROでは、土壌全体の深さは4mまでで、土壌の熱力学的な凍結融解のみが導入されており、地中で凍結した氷の存在によって熱的な性質が影響を受けることや、土壌表層近くの有機層は考慮されていなかった。そこで、寒冷域（アラスカ等）や中緯度（日本国内）で行われた実地観測データを収集・取得し、1次元陸面モデルで計算された温度分布や水分分布と比較することによって土壌物性値を逆問題的に推定した。

表(2)-2 実験設定

実験	熱・水 parameterization	土壌層の 深さ	土壌有機層・熱	土壌有機層・水
C5s0	従来のもの	5層4 m	なし	なし
rCs0	凍結下の熱物性値 過程の改良、不凍 水の導入	5層4m	なし	なし
R6s1	6層14m	あり	小
rCsly	12層100 m	あり	大

GCMを用いた高度化の大気への影響調査では、深い永久凍土層を直接表現できるような厚い土壌層を加えたり、土壌の熱伝導率・熱容量を算定する関数において気相・固相(氷)を考慮するようにしたりしたほか、不凍水や表層有機層の導入も試みた(表(1)-2)。有機層は植生分布に対応して、北方林(タイガ)の場合は地表から20-25cm、ツンドラの場合は5-8cmに対して熱伝導率を小さく、保水性を大きくした効果を調べた。実験は大気大循環モデル(AGCM)に現在の気候値(1980～2000年)の海面水温、海氷分布を与え、スピンアップとして150年オフライン積分後、大気を結合して