Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
(a) U200 change JJA (21 MME)

(b) CHI200 change JJA (21MME)

(c) Thickness 500–200hPa change JJA (21MME)

図(9)-5 21 モデル平均による夏季(6,7,8 月平均)の、(a)200hPa 東西風(m/s)、(b)200hPa 速度ポテンシャル(106m²s⁻¹)、(c)500-200hPa 層厚(gpm)。等値線は、現在気候値。陰影は将来変化。(a)および(b)図中のドットは、21 モデル中 16 モデルが同じ符号の将来変化を予測していることを示す。こうした領域では、両側符号検定において危険率5%で有意な差があると判断される。(c)図では、全域で有意なので、ドットは表示していない。ここでは、層厚データを利用できるモデルの数が21 個であったことから、他の要素も21 モデルの平均とした。

たが、図(9)-5(a)からは、その傾向がアジアジェット全体にも当てはまることを示している。速度ポテンシャルの将来変化からは、現在気候では対流活動が活発な西太平洋における鉛直循環が有意に弱くなっており、アジアモンスーンシステム全体の循環が弱まることが示唆される。これまでUeda(2006)ら $ ^{15)} $ によって指摘されてきた将来気候におけるウォーカー循環の弱化、モンスーン循環の弱化といったこととも整合的である。図(9)-5(c)では、チベット高気圧が弱まる将来変化が示されており、その北縁を流れているアジアジェット全体の南偏との関係が示唆される。Rodwel and Hoskins(1996) $ ^{12)} $ に示されたように、チベット高気圧の形成には西太平洋の上層発散が関与していることが示されていることから、西太平洋の鉛直循環の弱化が、上層のチベット高気圧形成に向けた発散風強制を減らし、チベット高気圧の弱化と北への張り出しが弱まることが、アジアジェットの南偏へ影響しているのではないかと考えられる。

先行研究では、エルニーニョ現象に似た熱帯の大気応答に対する、太平洋高気圧の西への張り出しおよび日本への水蒸気フラックス流入の増加が、梅雨末期の雨量の増加に寄与していることが指摘されており $ ^{67} $ 、本調査は、こうした効果に加わるものとして、アジアジェットの南下が前
線帯を南で強めている可能性を示した。

今後、さらに調査を続け、より詳細な梅雨変化のメカニズムを解明していくとともに、わが国の気候を特徴づける他の現象についても、本研究のような手法が有効であるのか検討を進めてゆく必要がある。

## （５）冬の将来変化

図(9)-6(右)には、観測に見られる1月の200hPa流線関数の東西非対称成分を示す。東アジア域に長波の深いトラフが位置しており、日本の冬の気候の形成にもおおきな役割を果たしていることが分かる。図(9)-6(左)に示したように、CMIP3マルチモデル

図(9)-6 23 モデルによる MME、および JRA-25 による 200hPa の流線関数。縦軸は緯度、横軸は経度。帯状平均を差し引いた残差を東西非対称成分と定義し、図示されている。単位は、 $ 10^{6}m^{2}s^{-1} $ 。

ル平均では、このトラフをはじめ、北半球冬季のプラネタリ規模の高気圧・低気圧性循環の構造は非常によく再現されていたため、この節では、メトリックによるモデルの選抜は行わないこととする。こうした北半球冬季の東西非対称な気候場の形成には、熱帯・中高緯度の非断熱過熱強制、地形からの強制、中高緯度の高周波擾乱からのフィードバックなどが関与していると考えられている。Held et al. (2002) $ ^{4)} $ では、北半球冬季の東西非対称な循環の成り立ちに関して、これらの効果が与える影響が個別に検討されており、そのうち、熱帯域の非断熱加熱に強制された波が中高緯度へも影響を与えることが示されている。その一部は、日本付近に定在する長波のトラフの形成にも寄与していると考えられる。

図(9)-7(左列)にCMIP3モデル群の全モデル平均による1月の大気循環場の将来変化を示す。対流圈上層(250hPa)の速度ポテンシャルの将来変化(図(9)-7上段左)によると、インドネシア付近を中心に収束偏差が見られる。この領域は現在気候の大規模発散域と重なるため、その発散の弱化に対応する。先行研究で指摘されているように(たとえばKnutson and Manabe 1995 $ ^{9} $ )、成層安定化とともに対流圈中層の上昇流が弱まるモデルが多く、非発散の関係と整合するように上層の発散の弱化が現れていると考えられる。一方、太平洋熱帯域東部においては、逆に大規模収束が弱化するような変化が見られる。

対流圈上層の東西非対称流線関数（帯状平均からの残差の流線関数）の将来変化(図(9)-7中段左)では、亜熱帯域を見ると、おおむね30°Nに沿った格好で、正と負の将来変化が連なるcircumglobal teleconnection（CGT；Branstator，2002²）に似た波列状のパターンが目立つが、熱帯域に注目すると、海洋大陸をはさんで南北に低気圧性循環偏差が見られる。気候場に形成されている南北両半球の高気圧性循環を、おのおの弱める方向の変化となる。太平洋熱帯域東部では、高気圧性応答の対が見られる。これら流線関数の偏差の中心は、太平洋熱帯域西部および東部に見られた速度ポテンシャル偏差の北西/南西側に位置するため、それぞれの位置での鉛直循環弱化に対
Future change of LBM χ250

図(9)-7 CMIP3の23モデル平均による1月の将来変化（左列）および、別途線形大気モデル(LBM)でシミュレートされた熱帯の成層安定化の効果による将来変化（右列）、上から、250hPaの速度ポテンシャル（上段）、250hPaエディ（帯状平均からの残差の）流線関数（中段）、海面気圧（下段）。単位は、それぞれ10⁶m²s⁻¹、10⁶m²s⁻¹hPa。将来変化が正の領域に陰影。等値線は現在気候値を示す。

するMatsuno-Gill応答(Gill, 1980 $ ^{3} $ )が関与していると考えられる。中高緯度に着目すると、海洋大陸の北側を起源に、日本の南東海上、アリューシャン列島付近、北米、と大円に沿った波列状の将来変化が見られる。日本の南東の高気圧性偏差は、等価順圧な構造を持ち、後述するように海面気圧(SLP)の場にも現れている。

SLPの将来変化(図(9)-7下段左)では、海洋大陸を挟んで南北に高気圧性の変化が見られ、鉛直循環弱化にともなうMatsuno-Gillパターンと整合的である。日本の南東海上には高気圧性の変化が見られ、東アジアモンスーンの弱化 $ ^{6)} $ が示唆される。日本にとっては、西高東低の冬型の気圧勾配が緩む、暖冬側への変化となる。

上述したような北半球冬季の将来変化に関して、熱帯の鉛直循環弱化による寄与を調査する。調査には、Watanabe and Kimoto(2000) $ ^{16} $ で用いられた線形大気モデル(LBM)を利用する。LBMには、東西対称な基本場を設定し、それに対し、JRA-25から算出した現実的な非断熱加熱分布からどのような東西非対称循環が生じるのかに着目する。CMIP3の将来気候を基本場としたLBMのレスポンスから、現在気候を基本場としたレスポンスを差し引いたものを、東西非対称循環の将来変化とした。CMIP3将来気候では、現在気候より熱帯の成層の鉛直安定度が大きくなっている。与えた加熱は共通で、違いは基本場のみにあるため、得られた差は主に熱帯の成層安定化に起因する将来
変化への寄与と考えられる。図(9)-7右列は、線形大気モデルのシミュレーション結果をCMIP3の将来変化の図(図(9)-7左列)と同じ体裁で示す。これによると、熱帯の鉛直循環の弱化や、中高緯度のプラネタリ規模の波列のパターンなどが、CMIP3で予測される将来変化のパターンとよく整合していることが分かる。こうしたことから、熱帯の成層安定化がCMIP3の冬季北半球の東西非対称な将来変化の形成に寄与していることが分かる。一方で、日本の東海上の高気圧性変化、すなわち日本付近の西高東低の気圧配置の弱化のみに着目する場合、その振幅は十分には再現されていない。実験の設定をより詳細化し、中高緯度の循環場の変化や地表面の温度コントラストの変化など、他の要因を含めて、より理解を深めていく必要があると考える。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本研究ではマルチモデルによる予測データを用いて日本の季節進行の将来変化について調査を行った。はじめに、地球温暖化に伴って将来の日本の梅雨がなかなか明けず、不順な天候になる可能性があることを示した。このひとつの要因として、現在気候の再現性能の良いモデルに共通して亜熱帯ジェットの南側での強化を予測していることから、ジェット気流の南側への強化により、日本付近がジェット気流の影響を受ける時期が長くなることが、影響している可能性を指摘した。また、この調査にあたり、日本の夏季の季節進行の再現性を評価するためのメトリックとして、亜熱帯ジェットの位置の季節進行を表す指標を導入し、十分に有用であることを示した。このメトリックは今後、別の結合モデルの日本の夏の季節進行の再現性を評価する上でも役に立つものであると考えられる。また、本調査では温暖化にともなう熱帯の成層安定化の効果が、夏季および冬季ともに日本の気候へ影響を及ぼしうることを示した。これまで先行研究で蓄積されてきた知見に加えて、さらに温暖化の理解を進める上で有効な観点を得ることが出来たと考える。

## （２）環境政策への貢献

気象庁では、地球環境業務の一環として、地球温暖化にともなう将来の気候変化予測の結果を温暖化適応策に関係する行政機関や研究機関等に提供している。本研究から得られる知見は、今後気象庁が提供する地球温暖化、気候変化予測に係る情報としても活用し、地球温暖化に関する国民の認知や理解の促進に役立てるとともに、適応策の立案・推進に関わる機関に提供してゆく計画である。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない。
## <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) 平原翔二，萩谷聡，村井博一，及川義教，前田修平（2011）：温暖化による日本の冬の変化. 熱帯との関連．平成23年度「異常気象と長期変動」研究集会報告.

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 平原翔二，大野浩史，及川義教，前田修平：CMIP3にみられる温暖化時の日本の夏の季節進行の変化．日本気象学会2010年度秋季大会，京都，2010年10月.

2) 平原翔二，萩谷聡，村井博一，及川義教，前田修平：温暖化による日本の冬の変化 熱帯との関連 〜CMIP3を用いて〜．日本気象学会2011年度秋季大会，京都，2010年10月．

## （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

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) 気候変動に関する政府間パネル(2007)：第4次評価報告書.

2) Branstator, G. (2002): Circumglobal teleconnections, the jet stream waveguide, and the North Atlantic Oscillation. J. Climate, 15, 1893–1910.

3) Gill, A. E. (1980): Some simple solutions for heat induced tropical circulation, Q. J. R. Meteorol. Soc., 106, 447-462.

4) Held, Isaac M., M. Ting and H. Wang, 2002: Norther winter stationary waves: thory and modeling. J. Climate, 15, 2125-2144.

5) Hori, M. E., and H. Ueda (2006): Impact of global warming on the East Asian winter monsoon as revealed by nine coupled atmosphere-ocean GCMs. Geophys. Res. Lett., 33, L03713.

6) Inoue, T. and H. Ueda (2009): Evaluation for the Seasonal Evolution of the Summer Monsoon over the Asian and Western North Pacific Sector in the WCRP CMIP3 Multi-model Experiments. J. Meteor. Soc. Japan, 87, 539–560.

7) Kimoto, M. (2005): Simulated change of the east Asian circulation under global warming
scenario, Geophys. Res. Lett., 32, L16701. doi:10.1029/2005GL023383.

8) Kitoh and Uchiyama (2006): Changes in Onset and Withdrawal of the East Asian Summer Rainy Season by Multi-Model Global Warming Experiments. J. Mteor. Soc. Japan, 84, 247–258.

9) Knutson, T. R., S. Manabe (1995): Time-mean response over the tropical Pacific to increased CO $ _{2} $ in a coupled ocean-atmosphere model. J. Climate, 8, 2181-2199.

10) Kusunoki, S., J. Yoshimura, H. Yoshimura, A. Noda, K. Oouchi, and R. Mizuta (2006): Change of Baiu rain band in global warming projection by an atmospheric general circulation model with a 20-km grid size. J. Meteor. Soc. Japan, 84, 581-611.

11) Lu, J., G. Chen, and D. M. W. Frierson (2008): Response of the Zonal Mean Atmospheric Circulation to El Niño versus Global Warming. J. Climate, 21, 5835–5851.

12) Rodwell, M. J., and B. J. Hoskins (1996): Monsoons and dynamics of deserts. Q. J. Meteorol. Soc., 122, 1385–1404.

13) Sampe, T. and S.-P. Xie (2010): Large-Scale Dynamics of the Meiyu-Baiu Rainband: Environmental Forcing by the Westerly Jet. J. Climate, 23, 113-134.

14) Taylor, K. E. (2001): Summarizing multiple aspects of model performance in a single diagram. J. Geophys. Res., 106, 7183-7192.

15) Ueda, H., A. Iwai, K. Kuwako and M.E. Hori (2006): Impact of anthropogenic forcing on the Asian summer monsoon as simulated by 8 GCMs. Geophys. Res. Lett, 33, L06703, doi:10.1029/2005GL025336.

16) Watanabe, M. and M. Kimoto (2000): Atmosphere-ocean thermal coupling in the North Atlantic: A positive feedback. Quart. J. R. Met. Soc., 126, 3343-3369.
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

2. マルチ気候モデルにおける諸現象の再現性比較とその将来変化に関する研究

(10) 河川流域の水文循環の再現性とその将来変化に関する研究

京都大学防災研究所

水資源環境研究センター 水文環境システム研究領域

鈴木靖・佐藤嘉展・道広有理

平成22～23年度累計予算額：6,736千円

（うち、平成23年度予算額：3,250千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 第3期結合モデル国際比較プロジェクト (CMIP3) の実験結果について約80km四方である地域1次メッシュ単位に整理し、観測値や再解析値などの情報も統合した汎用的な気候変動情報データベースを構築した。このデータベースを用いることにより、国内の任意の地域において将来の気候変化を複数の気候モデルについて比較検証することが可能となった。将来の気候変化を現況の観測値に加味することで将来データを作成し、分布型流出モデルおよび地表面熱収支モデルを用いて我が国の代表的な9つの河川流域を対象に流出解析を行った。その結果、日本国内で評価した場合、気候モデルの出力値から算出した将来変化は、モデル間のばらつきの方が排出シナリオによる違いよりも大きかった。降水量の再現性については、総観規模の現象（アジアモンスーンや梅雨など）に応じて気候モデルを評価した現象メトリックとの間に関連性が認められ、降水現象について気候場の精確な予測が必要であることが示唆された。流域別にみると、気温の上昇幅は北に行くほど大きくなるため、蒸発散量の将来変化も北日本の流域で相対的に大きく増加する。量的に水収支に大きく影響するのは、将来の気温上昇により降雪から降雨に変化することと、融雪時期が早期化することであり、どの排出シナリオについても、積雪地域では春先の融雪量が大きく低下することが明らかとなった。河川流量については、北日本の流域で降雪量の減少により融雪量が低下することから、河川流量の季節変化が現在よりも平滑化されることが示唆された。南西日本の流域については、流量変化の絶対値は小さいものの夏季以外において流量が低下傾向にあり、渇水リスクが若干増加することがわかった。

[キーワード] CMIP3マルチ気候モデル、気候変化、流出解析、水文循環、気候変動情報データベース

### 1. はじめに

テーマ2の研究グループでは、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)第4次報告書において気候の将来予測に用いられたCMIP3マルチ気候モデルの20世紀再現実験結果を観測データに照らしながら比較解析することにより、様々な現象の再現性について、特にアジア域を対象とした指標（アジアメトリック）を作成している。本サブテーマでは、CMIP3マルチモデルの再現性評価結果およびアジアメトリックを用いて、河川流出過程における降水量増加と気温上昇の複合影響を明らかにした。
## 2 ．研究開発目的

地球温暖化により我が国の気温は上昇し、それに伴い降水量も変化することが予測されている。河川流域の降水量の増加は河川流出量を増加させる方向に寄与する。一方、気温の上昇は森林植生等からの蒸発散量を増加させるため、河川流出量を減少させる方向に寄与する。さらに温暖化に伴う降雪量の減少は、特に積雪地域において河川流量の季節変化に大きな影響を与える。これらの複合影響を加味した河川流出量の将来変化を調べることは、将来の日本の水資源量予測にかかわる重要な問題である。そこで本研究では、CMIP3マルチ気候モデルによる将来変化予測の成果を活用し、河川流出過程における降水量増加と気温上昇の複合影響を明らかにし、水文循環の複雑性をふまえた将来変化を明らかにすることを目的とした。

## 3 ．研究開発方法

## （１）CMIP3マルチ気候モデルデータを用いたデータベース開発

CMIP3マルチ気候モデルの実験結果について、降水量、気温、日射量、潜熱・顕熱フラックスなど、地上気象要素データを収集した。解像度の異なる気候モデルを統一的に扱うことと、全国任意の地域についての解析を可能とするため、実験結果を日本国内の地域1次メッシュ（緯度差40分、経度差1度、約80km四方）ごとに直近の4格子点の値を平均することで整理した。対象とした気候モデルはCMIP3の25モデルと気象研究所の高解像度全球大気モデルMRI-AGCMである。さらにアメダス観測値および再解析値JRA-25 $ ^{1)} $ についても現在気候再現性の検証データとして用意し、汎用的な気候変動情報データベースとして構築した（図(10)-1）。一般に、流域スケールの解析において解像度の粗い全球気候モデルの出力値を直接用いることは不適切であるが、本研究では1次メッシュごとに求めた月別の気候変化値（例えば降水量なら将来変化比率、気温なら将来変化量）を現状の観測値に加味することで、将来推定値として解析を行うことを提案した。

図(10)-1 WEBサイトにて一般公開している気候変動情報データベース。http://hes.dpri.kyoto-u.ac.jp/database/（2012年3月現在）
## （２）日本の主要流域を対象とした分布型流出モデルによる解析

我が国の代表的な9流域（北から石狩川、最上川、阿賀野川、利根川、木曽川、長良川、淀川、吉野川および筑後川）における河川流出量の将来変化を、分布型流出モデル（Hydro-BEAM: Hydrological river Basin Environment Assessment Model） $ ^{2)} $ を用いて解析した。国土数値情報をもとにした1kmメッシュのデータから作成した河道網と土地利用データを境界条件として与える。河川流出モデル内では、地表面熱収支モデルSVAT $ ^{3)} $ によって融雪量と蒸発散量が計算され、キネマティックウェーブモデルにより河川流出量が計算される。将来気候については、以下の手法によって気候変化分を観測値に加味することで推定した。

✓ データベースから月別、モデル別の気候変化量（降水量の倍率、気温の差分）を抽出

✓ アメダスと比較して現在気候の再現性の高いモデルを抽出

✓ 気候変化量を現在の観測値に補正して入力データとし、将来の河川流出量を計算

本手法は、全球気候モデル(GCM)の計算結果を直接用いずにその気候変化量を解析して観測値を補正するため、GCMの計算結果にバイアス補正やダウンスケーリングを施す必要がなく、これらの補正手法の違いによる不確実を取り除くことができること、入力データ準備のための計算量が少なく、数多くの気候モデルの予測結果を活用することが可能であること、が大きな特長である。気候モデルの再現性検証においては、アジアメトリック開発の基礎データである現象メトリックとの関連性についても調べた。気候変動予測の不確実性を検証するため、3種類（A1B、A2およびB1）の温室効果ガス排出量シナリオに対するCMIP3の出力値を入力データとして用いた。さらに高解像度な気候モデルとしてMRI-AGCMの出力値も利用して河川の流況解析を行った。

## 4 ．結果及び考察

## （１）データベースの開発とその応用

CMIP3の現在気候再現実験結果をアメダスや再解析値JRA-25 $ ^{1)} $ と比較すると、気象要素によっては季節変動を再現できていない気候モデルがみられた。そもそもCMIP3の25のモデルは水平解像度が約100～450kmであり、日本列島の表現すら不十分なものも少なくない。量的なずれの大小も各気候モデルでばらつきがあるが、季節変動が表現できていないものは日本国内を対象とした解析には不適切と考え、アメダスもしくは再解析値JRA-25と月平均値の相関係数が低い気候モデルを除外した。1次メッシュ単位でCMIP3のモデルをアンサンプル平均すると再現性の向上が認められた一方で、全球20kmの超高解像度モデルであるMRI-AGCM3.1S/3.2Sの再現性は相対的に良好であることが確認できた。降水量や気温の将来変化を求めたところ、CMIP3とMRI-AGCM3.1S/3.2Sは解像度の違いが大きいものの、アンサンプル平均すると類似した結果となることがわかった（図(10)-2）。なお、日本陸域における将来変化を再現性のよいCMIP3の気候モデルを用いて見積もった場合、降水量、降雪量、気温などに変化が見られる一方で、風速や海面気圧の変化はほとんどなかった。
図(10)-2 主要都市に該当する一次メッシュにおける現在、将来の各20年間を対象としたCMIP3（相関係数>0.6）およびMRI-AGCM3.1S/3.2Sのマルチモデルアンサンプル。左は年平均降水量のバイアス（現在気候／アメダス）、右は年平均降水量の100年後の将来変化（将来気候／現在気候）。

## （２）分布型流出モデルによる解析

日本国内で評価した場合、気候モデルの出力値から算出した将来変化は、モデル間のばらつきの方が排出シナリオによる違いよりも大きかった。気温は排出量に応じて上昇幅が異なるが、降水量については排出シナリオによる違いは小さく、総じて若干増加する傾向にあった。CMIP3とMRI-AGCMを比較した結果、モデルの高解像度化は日本国内の再現性向上に大きく寄与している一方で、両者のモデル群を平均して比較すると、気候値的な将来変化は概ね同程度であることが明らかとなった。降水量の再現性については、総観規模の現象（アジアモンスーンや梅雨など）に応じて気候モデルを評価した現象メトリックとの間に関連性が認められ、降水現象について気候場の精緻な予測が必要であることが示唆された。ただし、現象メトリックによる重み付けアンサンブルによる降水量の再現性の向上はわずかであった。一方、他の地上気象要素と現象メトリックの間に相関関係はみられなかった。

流域別の水収支では、排出シナリオに応じた気温上昇に伴う蒸発散量の増加が明らかとなった。気温の上昇幅は北に行くほど大きくなるため、蒸発散量の将来変化も北日本の流域で相対的に大きく増加する。流況変化によると、全国的に最大流量が増加し洪水リスクが高まると予測しているモデルが多い。北日本の流域においては、気温上昇により降雪から降雨に変化することが大きく影響し、図(10)-3に示すように、どの排出シナリオについても積雪地域では春先の融雪量が大きく低下することが明らかとなった。それに加えて、温暖化に伴って降雪が雨となって降雪量が減ること、および冬季の気温上昇により融雪量が増加することにより冬季（12～3月）の流量が将来著しく増加することから、河川流量の季節変化が現在よりも平滑化されることが示唆された。南西日本の流域については、月別の流量変化の絶対値は小さいものの夏季以外において流量が低下傾向にあり、将来の最小流量は現在よりも1～2割程度小さくなるため渇水リスクが若干増加することがわかった。
図(10)-3 CMIP3の複数の排出シナリオによる月別流量変化の将来予測。エラーバーはモデル間のばらつき（標準偏差）を示す。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本研究により、CMIP3のように比較的解像度の粗い全球気候モデルにおいても、マルチモデルアンサンプルを行うことで高解像度大気モデル（MRI-AGCM）と概ね類似した将来変化を得られることが示された。これらの情報は日本国内任意の地域の情報を格納したデータベースとして構築し、WEBサイトにおいて一般に公開しており、様々な分野における温暖化影響評価研究において有効に活用されることが期待される。データベースの結果を具体的な河川流域に適用し、複数の気候モデルや排出シナリオにおける出力値を用いて詳細な流出解析を行うことで気候モデルによる結果のばらつきを予測の不確実性として定量化し、河川流況を議論することが可能となった。

## （２）環境政策への貢献

本研究において構築したデータベースは、流出解析に限らず様々な分野で利用可能なものであり、WEBサイトを通じて一般公開することで利便性も高まっている。また、適応策を検討している省庁に対して本研究の内容を紹介しており、政策立案にむけた基礎資料としてデータベースが利用されることが期待される。

## 6 ．国際共同研究等の状況
特に記載すべき事項はない。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) Sato, Y., T. Kojiri, Y. Michihiro, Y. Suzuki, and E. Nakakita (2011): Analysis of extreme hydrological events in major river basins in Japan under climate change. Proc. 34th IAHR Congress, 710-717.

2）道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖（2011）：CMIP3マルチ気候モデルにおける日本陸域を対象とした地上気象要素の再現性・不確実性評価．水文・水資源学会誌，24，5，280-291.

3）道広有理，鈴木靖，佐藤嘉展（2011）：気候変動情報データベースの開発とその利用．土木学会論文集B2（海岸工学），67，2，I_1211-I_1215.

## <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）道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖（2010）：CMIP3マルチ気候モデルにおける日本の気候の再現性比較．京都大学防災研究所年報，第53号B，699-706.

2）道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖（2011）：気候変動情報データベースの構築とその活用手法．京都大学防災研究所年報，第54号B，747-755.

3) 佐藤嘉展，小尻利治，道広有理，鈴木靖（2011）：マルチ気候モデルと貯水池操作を考慮した分布型水文モデルの木曽三川流域への適用．京都大学防災研究所年報，第54号B，757-769.

4) Suzuki, Y. Y. Sato, and Y. Michihiro (2011): Global warming impact on hydrologic environment from climate change projections. Proc. Int. Seminar on Water Related Risk Management, Jakarta, Indonesia.

## （2） 口頭発表（学会等）

1）道広有理、佐藤嘉展、鈴木靖：日本陸域を対象としたCMIP3マルチ気候モデルの評価．水文・水資源学会2010年度研究発表会，東京，2010年9月.

2) Sato, Y., Y. Michihiro, Y. Suzuki, and T. Kojiri: Changes in long-term water balance of major river basin in Japan due to climate change. International Interdisciplinary Conference on Predictions for Hydrology, Ecology and Water Resources Management, Czech Republic, Sep. 2010.

3) 佐藤嘉展，道広有理，鈴木靖，小尻利治，中北英一：AGCM20とCMIP3マルチ気候モデルを用いた日本の主要河川における流域災害予測．日本気象学会2010年度秋季大会，京都，2010年10月.

4) 道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖：流域スケールの解析に向けたCMIP3 マルチ気候モデルのデータ活用法について．日本気象学会2010年度秋季大会，京都，2010年10月．
5) 佐藤嘉展，小尻利治，道広有理，鈴木靖：マルチ気候モデルと貯水池操作を考慮した分布型流出モデルの木曽三川流域への適用. 京都大学防災研究所研究発表講演会，宇治，2011年2月.

6) 道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖：気候変動情報データベースの構築とその活用手法．京都大学防災研究所研究発表講演会，宇治，2011年2月.

7) Sato, Y., T. Kojiri, Y. Michihiro, and Y. Suzuki: Impact assessment of climate change on major river basins in Japan. 3rd International Workshop on Global Change Projection: Modeling, Intercomparison, and Impact Assessment, Tsukuba, March 2011.

8) 鈴木靖, 道広有理, 佐藤嘉展: CMIP3気候変動情報の活用－大気海洋間CO2フラックス評価－. 日本気象学会2011年度春季大会, 東京, 2011年5月.

9) 道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖：GCMおよび排出シナリオの違いによるCMIP3マルチ気候モデルの予測不確実性について．日本気象学会2011年度春季大会，2011年5月．

10) Sato, Y., T. Kojiri, Y. Michihiro, Y. Suzuki, and E. Nakakita: Analysis of extreme hydrological events analysis of major river basins in Japan under climate variability, 34th-IAHR World Congress, Brisbane, Australia, June 2011.

11) Suzuki, Y., Suzuki, Y., Sato, Y., and Y. Michihiro: Global warming impact on hydrologic environment from climate change projections. International Seminar on Water Related Risk Management, Jakarta, Indonesia, July 2011.

12）道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖：GCMによる月降水量変動幅および日降水量強度の将来変化．水文・水資源学会2011年度研究発表会，宇治，2011年8月.

13) Suzuki, Y., Y. Sato, and Y. Michihiro: Providing a quick way to get climate change information at a Japanese regional level. 5th Korea-Japan-China Joint Conference on Meteorology, Busan, Korea, Oct. 2011.

14）道広有理，鈴木靖，佐藤嘉展：気候変動情報データベースの開発とその利用．第58回海岸工学講演会，盛岡，2011年11月.

15）道広有理，佐藤嘉展，鈴木靖：CMIP3マルチ気候モデルを用いた現在気候再現性指標の関係性について．日本気象学会2011年度秋季大会，名古屋，2011年11月．

## （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

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) Onogi, K., J. Tsutsui, H. Koide, M. Sakamoto, S. Kobayashi, H. Hatsushika, T. Matsumoto, Yamazaki, N., H. Kamahori, K. Takahashi, S. Kadokura, K. Wada, K. Kato, R. Oyama, T. Osei, Mannoji, N. and R. Taira (2007): The JRA-25 reanalysis. J. Meteor. Soc. Japan, 85, 369-432.

2) Kojiri, T. (2006): Hydrological river basin assessment model (Hydro-BEAM). Watershed models eds. by V. P. Singh and D. K. Frevent, Taylor & Francis, CRC Press, Florida, 613-626.

3) Sato, Y., X. Y. Ma, J. Q. Xu, M. Matsuoka, H. X. Zheng, C. M. Liu and Y. Fukushima (2008): Analysis of long-term water balance in the source area of the Yellow River basin. Hydrological Processes, 22, 1618-1629.
# Evaluations of CMIP3 Model Performances for Various Phenomena in the Atmosphere and Oceans in the Present-Day Climate and in Future Projections

Principal Investigator: Yukari N. TAKAYABU

Institution: Atmosphere and Ocean Research Institute (AORI), the

University of Tokyo

Tel: +81-4-7136-4402 / Fax: +81-4-7136-4375

E-mail: yukari@aori.u-tokyo.ac.jp

Cooperated by: Research Center for Advanced Science and Technology/ The University of Tokyo, Meteorological Research Institute, Graduate School of Environmental Science/ Hokkaido University, Graduate School of Life and Environmental Sciences/ University of Tsukuba, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Graduate School of Environmental Studies/ Nagoya University, Hydrospheric Atmospheric Research Center/ Nagoya University, Japan Meteorological Agency, and Disaster Prevention Research Institute/ Kyoto University

## [Abstract]

Key Words: CMIP3, 20th-century reproducibility, Short-term phenomena, Global warming scenario run, Asian metric

In order to extract more reliable information about future changes in various atmospheric and oceanic short-term phenomena intimate to our everyday life, climate model performances are evaluated in terms of the reproducibility of various phenomena. Multi-climate model simulation data of the Coupled Model Intercomparison Project, phase 3 (CMIP3) collected for the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4) are analyzed in ten subgroups.

During the first half of this project (FY2007-2009), researches were performed in the following steps: 1) Phenomena-based reproducibility metrics were defined from observational data analyses. 2) Reproducibility metrics of various phenomena in the 20th Century Climate in Coupled Model (20C3M) runs were calculated for individual climate models and evaluated. 3) Reproducibility metrics of phenomena for 24 climate models were gathered and synthesized. 4) A strategy for producing the ‘Asian Model Performance Metrics’ which represents the reproducibility of various phenomena in the Asian region was designed. In the second half (FY2010-2011), emphases were placed on 1) future climate projections in terms of phenomena change, utilizing output data from various global warming scenario runs, based on phenomena performance metrics in the current climate, and 2) producing a prototype of the ‘East Asian Metric’ which represents multiple phenomena that affect the summer climate in the east Asia. In
In addition, 3) an educational leaflet in high school students' level, introducing this study, was published and widely distributed.

Primary results are obtained in following topics: (1) typhoon generation and tracks, (2) tropical rainfall distribution and its relation to convective parameterizations, (3) a prototype of the East Asian Metric, (4) characteristics of the Pacific-Japan (PJ) pattern and the Bonin High, (5) energetics of the Silkroad pattern, another factor controlling the Bonin High, (6) early-spring strong wind called ‘Haruchiban’, (7) daily temperature variations, (8) summertime northeasterly winds in Tohoku area called ‘Yamase’, (9) relationship between tropical rainfall and ENSO, (10) global ocean metric, (11) decadal variation of the sea surface temperature of the Pacific Ocean, (12) seasonal shift of Asian monsoon, (13) role of the tropical convective systems (Madden-Julian Oscillation and Westerly Wind Bursts) in proper reproduction of ENSO and teleconnection, (14) characteristics of Baiu and Meiyu front, (15) Pacific subtropical high, (16) Quasi-Biennial Oscillation of the equatorial stratospheric winds, (17) upper level clouds associated with atmospheric circulation, (18) role of the Asian Jet stream on variations of Baiu seasons, and (19) statistical downscaling on the river flow in the future climate.
課題名 B-1004 浅い閉鎖性水域の底質環境形成機構の解析と

底質制御技術の開発

課題代表者名 ___ 西村修（東北大学大學院工学研究科土木工学專攻環境生態工学研究室）

研究实施期间 平成22～24年度

累計予算額 42,834 千円（うち，平成24年度予算額：10,893 千円）

予算額は，間接経費を含む.

本研究のキーワード閉鎖性水域，底質汚濁，流動，巻き上げ，沈降，湖岸，緩傾斜化，

洪水制御，難分解性有機炭素，植生管理

## 研究体制

（１）底質制御技術の開発（東北大学大学院）

（２）底質形成機構（水の流動と底質の有機物含有率の関係）のモデリング（東北大学大学院）

（３）底質環境の長期連続モニタリングおよび底質環境形成機構の解析（東北大学大学院）

研究協力機関

立命館大学理工学部

## 研究概要

1. はじめに（研究背景等）

閉鎖性水域の富栄養化は水環境問題の中でも最も深刻である．わが国の湖沼の環境基準達成率はこの半世紀50%程度で推移しており，これまでの様々な富栄養化対策は悪化を防ぐ効果はもたらしたものの，改善に向けてさらなる対策が必要である．また，富栄養化は世界に共通する課題であり，中国など経済発展の著しい諸外国ではアオコ発生による利水障害が恒常化するなど問題が深刻化している．さらに，地球温暖化は富栄養化を加速度的に進行させることが予測されており，富栄養化対策の強化に向けた研究開発が必要とされている．

富栄養化は利水障害のみならず生物多様性を危機的状況に陥れている．特に富栄養化しやすい特性を有している浅い閉鎖性水域では，底質有機汚濁化，巻き上げによる水質汚濁が著しく，沈水植物や二枚貝類等底生動物の消滅をもたらしている．

研究代表者らが自然再生に取り組む伊豆沼・内沼も富栄養化によって水質ワーストランキングの上位に位置する湖沼であり，かつての泳げる・飲める水質を維持していた面影はない．また，冬鳥の渡来地として世界的にも極めて価値の高い自然環境を有し，飛来数は過去最高を記録しているものの，沈水植物は絶滅の危機に瀕し，かつて多数存在したイシガイ・ドブガイ等二枚貝類は激減し，性成熟に達していない幼貝は殆どみつからない状況にある．

ところで，富栄養化研究の中で水質汚濁に関する研究が充実している一方，底質汚濁に関する研究は不十分である．底泥からの栄養塩溶出モデルなど優れた研究がなされてきてはいるが，富栄養化モデルに対するサブモデルとしての位置づけにあり，底質汚濁の現象把握・機構解明に関する研究の余地は大きい．

特に，底質の有機汚濁化には流動（波・流れ）が密接に関わり，流動制御が底質の改善を通じて水質改善，生物多様性の改善というインパクト・レスポンスをもたらす可能性は高いものの，波・流れ共存場における巻き上げに関する研究は研究分担者である梅田らの霞ヶ浦における現地調査研究などに限られ，巻き上げと沈降のバランスの結果である底質形成に対して流動がどのように関わっているのかに関する知見はほとんどない．すなわち浅い閉鎖性水域の底質環境形成機構の解明とそれに基づく新たな底質制御技術の開発（導水による流動強化・底質改善，水位低下による流動強化・底質改善，垂直護岸の緩傾斜化による流動強化・底質改善など）を行っていく必要がある．

## 2 ．研究開発目的

本研究の目的は，浅い閉鎖性水域の底質制御技術の確立にある．このため，水域の流動が底質を支配するという仮説を立てて，浅い閉鎖性水域の砂地，泥地，沈水植物生育場，浮葉植物生育場など底質環境特性の異なる場を選定し，流動と水質・底質・底生生物のモニタリングを行い，それらの関係
を解析して統計モデルを構築する．また，流動場を三次元 $ k-\varepsilon $ モデルで計算し，乱流パラメータと底質の有機物含有率の関係を定式化し，底質の有機物含有率の予測可能なモデルを構築する．そして，導水，水位低下，垂直護岸の緩傾斜化，浮葉植物の刈り取りなどによる流動の変化がもたらす底質改善効果を予測し，実験的に検証する．

### 3. 研究開発の方法

## （１）底質制御技術の開発

浅い閉鎖性水域の底質制御技術の開発に向けて,以下の3つの底質制御に関わる項目について研究を行った.

## 1 ）底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルの構築

高等植物の維持管理には適切な知識および技術が必要であるが，水界において長期の生物分解により高等植物がどの程度まで分解するのか不明なところが多い．そこで，高等植物起源の有機物の水質および底質に及ぼす影響を検討するために，伊豆沼において優占化しているハスの分解実験を行った．次に閉鎖性水域において底質形成に影響を及ぼすと考えられる様々な人為的インパクトを整理し，動的平衡メカニズムに照らし合わせてインパクト・レスポンスモデルとしてまとめた．そして，浚渫や覆砂，および本研究で検討した人工洪水などの底質制御技術の有用性について定性的な評価を行った．

## 2 ）湖岸の緩傾斜化による底質有機炭素含有率の制御の可能性の検討

ここでは，サブテーマ3において把握された緩傾斜湖岸における振動流の発生，それによる流速超過確率の上昇について理論的に確認し，湖岸の緩傾斜化の底質制御技術としての有用性を評価するために，湖岸において風によって生じる底質の輸送現象に着目し，モデル化，現象の解明を試みた．

## 3 ）強風時の巻き上げ現象を利用した人工洪水による底質有機炭素の洗い出し効果の評価

ここでは，サブテーマ2において構築した底質巻き上げ現象のシミュレーションモデルを活用し，伊豆沼を対象として強風時に発生する巻き上げ現象の程度と年間発生回数を計算した．その結果をふまえて，巻き上げ発生時に人工洪水を起こし，懸濁する粒子中の難分解性有機炭素の排出量を計算した．一方，高等植物の生産する難分解性粒子態有機物に関して，ハスの分解実験の結果を利用して伊豆沼における1年間の発生量を推定した．そして，人工洪水による難分解性粒子態有機炭素の排出量と比較し，人工洪水による底質制御効果の評価を行った．

## （２）底質形成機構（水の流動と底質の有機物含有率の関係）のモデリング

本サブテーマでは，宮城県内に位置する富栄養化した浅い湖沼である伊豆沼における底質と水の濁りに関する現地観測を2010年および2011年に行い，強風イベント時の濁度変化を整理した．また，水理学的な解析に基づく底質巻上げモデルを用いた数値計算を行い，その結果について現地観測結果と比較検討した．

## （３）底質環境の長期連続モニタリングおよび底質環境形成機構の解析

## 1 ）水の流動と底質の有機炭素含有率の関係解析

伊豆沼の5地点でモニタリング調査を行った。Stn. Aは河川流入部，Stn. Bは北岸で人工護岸近傍，Stn. Cは南岸に位置し，自然護岸近傍で岸辺にはマコモの植生がみられる。また，Stn. 1は最西端でヨシに囲まれた地点，Stn. 6は植生の見られる人工護岸近傍で湖心方向には多くのハスが見られる地点である。この5地点について，2010年12月から2011年12月まで計9回，表層堆積土0～1cmについて柱状採泥器を用いてサンプリングし，元素分析装置により有機炭素含有率を測定し，底質中の有機物指標として解析に用いた。また，2010年12月と2011年9月に，同観測地点の堆積物表層から直上5cmの位置に電磁流速計を設置し，流速・流向を1ヶ月ずつ連続測定した。

さらに，2011年12月5日から12月21日まで，Stn.C近傍で岸沖方向に6つ観測地点を設け，底質有機炭素含有率と流速・流向をそれぞれ観測した．岸から2 mの地点をC-1（水深：0.34 m）とし，湖心方向に向かって6mずつ距離を置き，C-2，C-3，C-4，C-5，C-6（水深：0.76 m）とした．

## 2 ）脂肪酸と安定同位体比を用いた底質有機炭素の起源解析

2011年6月29と7月5日に伊豆沼の12地点から底質を採集した．7地点は沿岸域であり，残りの5地点は湖心部である．測定項目は，有機炭素含有率，炭素・窒素安定同位体比，脂肪酸組成そして脂肪酸の炭素安定同位体比を分析した．さらに底質の有機物起源として想定されるハスの葉，ヨシ，ヒシを採集し，脂肪酸組成および炭素・窒素安定同位体比を測定した．