Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
(29) 佐藤尚毅，齊藤崇裕，城岡竜一：関東地方南部における冬季の降水量の経年変化．2011年度日本気象学会秋季大会，名古屋，2011年11月．

30) 佐藤尚毅，齊藤崇裕，城岡竜一：黒潮/黒潮続流域周辺における冬季の降水量の経年変化．第13回地球流体力学研究集会「地球流体における波動と対流現象の力学」，福岡，2011年12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) Flatau, M., P. Flatau, P. Phoebus, and P. P. Nuler (1997): The feedback between equatorial convection and local radiative and evaporative processes: The implications for intraseasonal oscillations. J. Atmos. Sci., 54, 2373–2386.

2) Kim, B. -M., G. -H. Lim, and K. -Y. Kim (2006): A new look at the mid latitude-MJO teleconnection in the northern hemisphere winter. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 132, 485-503.

3) Lin, J. -L., G. N. Kiladis, B. E. Mapes, K. M. Weickmann, K. R. Sperber, W. Y. Lin, M. C. Wheeler, S. D. Schubert, A. D. Genio, L. J. Donner, S. Emori, J. -F. Gueremy, F. Hourdin, Rasch, P. J., E. Roeckner, and J. F. Scinocca (2006): Tropical intraseasonal variability in 14 IPCC AR4 climate models. Part I: Convective signals. J. Climate, 19, 2665–2690.

4) Seiki, A., and Y. N. Takayabu, 2007: Westerly wind bursts and their relationship with Intraseasonal variations and ENSO. Part I: Statistics. Mon. Wea. Rev., 135, 3325-3345.

5) Taylor, K. E. (2001): Summarizing multiple aspects of model performance in a single diagram. J. Geophys. Res., 106, 7183–7192.6) Wheeler, M., and K. M. Weickmann (2001): Real-time monitoring and prediction of modes of coherent synoptic to intraseasonal tropical variability. Mon. Wea. Rev., 129, 2677–2694.
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

(7) 季節性気象現象とその放射フィードバックの再現性とその将来変化に関する研究

（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 河谷芳雄・二宮洸三

<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 野田彰

Understanding Climate Change group, Hadley Centre, Met Office（英国）對馬洋子

（独）国立環境研究所 地球環境研究センター 温暖化リスク評価研究室 横島徳太

平成 19 度～平成 23 年度累計予算額 45,819 千円

（うち、平成23年度予算額：5,510千円）

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)モデルによる20世紀再現実験の結果と観測データを比較して、メイコ・梅雨前線降水帯の出現緯度・降水量の20年平均場における再現性、年々変動の様相の再現性、梅雨期強雨の空間的時間的集中性の再現を解析した。20世紀再現実験で降雨帯が適切に再現されるのは6月のみである。21世紀における降水帯の年々変動、強雨の集中性の変化予測は不確実であり、モデルの高分解能化と適切な積雲スキムの採用が必要である。次に20世紀再現実験で再現された8月の太平洋高気圧に関する再現性を調べた。モデルのタイプは太平洋高気圧が西へ張り出す西方伸張型と、東へ後退する東方後退型のモデルに分けられる。西方伸張型モデルは東方後退型モデルに比べ、弱いインドモンスーンの西風、フィリピン東方の少ない降水量、太平洋高気圧西部での小さい年々及び月内変動という特徴が見られた。

季節変化における雲の放射フィードバックは殆どのモデルで太陽放射では正のフィードバックを示すが、太陽放射のフィードバックではモデルによって様々であった。また、モデルのカレンダー設定の違いにより大気上端での入射太陽光がモデル間で異なっていた。モデルによるアンサンブル（マルチモデルアンサンブル）と、1つのモデルにおいて不確実パラメータを変化させて作成したアンサンブル（物理アンサンブル）を用いて現在気候再現性を行った。

地球温暖化時の赤道準2年振動（QBO）の変化に関する研究を行った。重力波パラメタリゼーションを用いずともQBOが再現可能な気候モデルを長期積分し、将来の海面水温はCMIP3のマルチモデル平均結果を利用した。温暖化に伴ってQBOの周期は伸び、振幅は弱まり、位相が下部成層圏まで下り難くなることが判明した。更に二酸化炭素濃度と海面水温の効果を切り分けた理想実験を行ったところ、QBO変化に及ぼす海面水温と二酸化炭素濃度の比は約3:1であることが分かった。また、波動と平均場の相互作用のデータ解析で有用な3次元波フラックスを導いた。

[キーワード] 地球温暖化、CMIP3マルチ気候モデル、放射フィードバック、季節性現象、対流圈－成層圈大規模循環場
### 1. はじめに

本サブテーマでは、CMIP3マルチモデルの20世紀再現実験と将来予測実験のデータを用いて、季節性気象現象とその放射フィードバックの再現性、及びそれらの将来変化に関する研究を行っている。温暖化時に季節性現象がどのように変化するか明らかにすることは実社会と深く関連する為、科学的にも社会的にも重要である。本サブテーマでは、（1）夏季東アジア域の気候に影響を与える梅雨前線と太平洋高気圧の再現性及び将来変化、（2）気候感度・降水に影響を与える雲および放射場およびそのフィードバックのメトリックの開発・評価及びアンサンプル評価、（3）力学場・放射場の変化と対応した地球温暖化時の対流圏－成層圏大規模循環場の特徴及びそれらを記述可能な方程式系に着目し研究を遂行した。

## （１）夏季東アジア域の気候に影響を与える梅雨前線と太平洋高気圧の再現性及び将来変化

メイユ・梅雨前線は日本の気候に重要であるが、気候モデルでの再現性が難しい現象として知られている。CMIP3マルチモデルデータを用いて、20世紀再現実験における20年平均場における5,6,7月のメイユ・梅雨前線降水帯及び太平洋亜熱帯高気圧南縁の降水量極大ゾーンの出現緯度と降水量の再現精度を評価し、降雨帯・降水量のモデル間の差異について調べる。更に降水帯の年々変動、および強雨の空間的・時間的集中性の再現性を調べることで、21世紀における変化を実態的に議論可能かどうか判断する。続いて東アジアの気候と密接に関連している太平洋高気圧の変動を調べる。太平洋高気圧の勢力は春先から次第に勢力を強めながら日本付近まで張り出し、6月には太平洋高気圧北西縁に沿って日本南岸に梅雨前線が形成される。7－8月に掛けて高気圧の勢力は更に拡大し、梅雨前線を北方に押し上げ、高気圧に覆われた地域は高温となり盛夏をもたらす。また太平洋高気圧の西への張り出し方の違いは、猛暑・冷夏とも深く関連し、更に日本周辺の台風の進路とも関係する。太平洋高気圧西部は複合的な影響を受けながら時空間変動を起こす為、気候モデルでの適切な再現が難しい現象の1つである。また梅雨前線の再現性も太平洋高気圧の分布に強く影響を受けている。現実大気データの解析から、太平洋高気圧の時空間変動は6,7,8月で大きく異なる様相を示す事が分かっており（Kawatani et al. 2008）²）、モデルでの再現性が季節によりどう異なるかを調べる必要がある。

## （２）気候感度・降水に影響を与える雲および放射場およびそのフィードバックのメトリックの開発・評価及びアンサンブル評価

季節変化は観測データが得られる最大の気候変動であることから、季節変化における日射の緯度分布の変化および地球大気および雲の応答について、観測、客観解析データを用い、理解のための解析を行うこと、またモデルにおける再現性を検証した。放射フィードバックを観測、モデルについて求め、季節変化という気候変化におけるモデルの放射応答を評価することが必要である。特にそれらを簡便に評価できるような指標（メトリック）の開発は、モデル開発を行っている研究グループにとって有益である。気候予測の不確実性を推定するために、気候モデルによる数値実験のアンサンプルを作成する。1つのモデルによるアンサンプルの解析では、用いるモデルによって結果が変わる可能性がある為、マルチモデルアンサンプルの比較を行う。
## （３）力学場・放射場の変化と対応した地球温暖化時の対流圈－成層圈大規模循環場の特徴及びそれらを記述可能な方程式系

赤道域の成層圏には東風と西風が約2年周期で交代している、赤道準2年振動（QBO）と呼ばれる現象がある。QBOは対流圏の積雲対流活動によって生成された大気波動が成層圏まで伝わることによって引き起こされている。QBOは赤道域の成層圏で見られる現象だが、その影響は南北方向には北極－赤道－南極へ、高度方向には対流圏から成層圏、更に上空の中間圏（高度約50km～85km）へと、非常に広い範囲まで及んでおり、大気－海洋を含めた気候変動を考えるうえで重要な気象現象の1つである。ところで気候変動に関する政府間パネル(IPC)C第4次成果報告書には、温暖化に伴ってQBOがどのように変化するかを示した研究は無い。CMIP3モデルデータで再確認したところ、QBOを表現しているモデルは無く、また波動－平均流相互作用や、放射場・残差子午面循環の変化を調べるにはデータ出力間隔が粗い。温暖化時のQBOに関する知見は殆ど無い。さらに温暖化時のQBO変化に対して、海面水温の変化と二酸化炭素濃度の変化がそれぞれどの程度寄与しているのかも明らかにする必要がある。またQBO等波動－平均流相互作用や残差循環を調べる上で、基本場の東西方向の変化を考慮した3次元的な定式化が必要である。

### 2. 研究開発目的

## （１）梅雨前線と太平洋高気圧の再現性及びそれらの将来変化

CMIP3の予測実験データによるメイユ・梅雨前線降水帯（MFZ, BFZ）の21世紀予測可能性を評価する為に、まずCMIP3の20世紀再現実験におけるMFZ・BFZの再現に関する各モデルの性能評価を確認する。降水帯の緯度と降水量を評価対象として20年平均値についての多モデルアンサンプル平均（MEA）とそれからの標準偏差（STD）に基づいて評価する。次いで、これらの要素に関する年々変動と強雨の時間的・空間的集中性の再現精度を評価して、21世紀予測が実態的意味を持つか否かを検討する。また、CMIP3モデルにおける夏季太平洋高気圧の気候場の特徴（各々のモデルは現実大気における西方伸長年・東方後退年のどちらを再現しやすい傾向にあるのか）、およびそれらと月内変動との関連性を調べる。

## （２）気候感度・降水に影響を与える雲および放射場およびそのフィードバックのメトリックの開発・評価及びアンサンブル評価

テーマ2諸研究者が開発を行っているメトリックの雲・放射場リファレンスデータとして必要不可欠な衛星データを整備する。季節変化は観測データが得られる最大の気候変動であることから、季節変化における日射の緯度分布の変化および地球大気および雲の応答について、観測、客観解析データを用い、理解のための解析を行う。放射応答を議論するにあたり、諸モデルにおけるカレンダーの取り扱いの違いは太陽入射という放射強制の分布に影響を与える可能性がある。モデルカレンダーの取り扱いについて調査、それが太陽放射の季節変化に与える影響についても検証する。モデルにおける地球大気および雲の応答の再現性を検証する。放射フィードバックを観測、モデルについて求め、季節変化という気候変化におけるモデルの放射応答を評価する。さらに季節変動における雲放射場を解析、再現性を評価するメトリックを提案する。

気候予測の不確実性を推定するためには、気候モデルによる数値実験のアンサンブルを作成する必要がある。1つのアプローチがマルチモデルアンサンブル（MME）であり、これは異なるモデル
ル実験によって構成される。もう1つのアプローチが物理摂動アンサンブル（PPE）であり、これは1つのモデルにおける不確実パラメータを幅広く振って実験を行うことにより得られる。本研究ではアンサンブルによる不確実性について調べる。

## （３）力学場・放射場の変化と対応した地球温暖化時の対流圈－成層圈大規模循環場の特徴及びそれらを記述可能な方程式系

非定常重力波パラメタリゼーションを組み込まない気候モデルでQBOの再現に成功している研究グループは我々のグループを含め世界に数例しかない。今回、地球シミュレーターを用いて我々の気候モデルを長期間計算し、地球温暖化時のQBOの変化を世界に先駆けて明らかにすることを目的とする。更に3次元の波動-基本場の相互作用を一般的に取り扱える変換オイラー平均法を定式化し、QBO等の数値実験や観測などで得られた実際のデータへ適用する。

### 3. 研究開発方法

## （１）梅雨前線と太平洋高気圧の再現性及びそれらの将来変化

CMIP3の22モデル出力データと観測値（GPCP、CMAP）との比較によるモデル再現能力の評価をおこない、それに基づいて予測精度の検討を行う。再現性の評価は、メイユ・梅雨前線降水帯（MFZ, BFZ）の出現緯度と降水帯内降水量を対象とする。全モデルを比較するため水平解像度は全て2.5度×2.5度に統一した。20年平均場における評価に加え、年々変動及び強雨の空間的・時間的集中性についても評価する。同様な解析を21世紀予測実験についても行い、21世紀予測の可能性について論じた。多モデルアンサンブル平均（MEA）と、それからの標準偏差（STD）によって評価する。太平洋高気圧の月内変動を調べる為に、20世紀再現実験（20c3m）及び将来気候（SRES-A1Bシナリオ）共に東西風・南北風の日平均データや他の必要な物理量が全て整備されている16個のモデルデータを用いる。検証には同期間のヨーロッパ中期気象予報センターが提供している再解析データ（ERA-40）データを用いた。水平解像度は全て2.5度×2.5度に統一した。

## （２）季節変化における放射フィードバック及び不確実性を推定するためのアンサンブル解析、雲放射場およびそのフィードバックのメトリックの開発・評価

雲放射データ及び放射場について解析可能な観測データを入手、晴天放射の補正を行った後に気候値を作成、S5-2メトリック用リファレンスデータの仕様に基づいた解像度に変更した。CMIP3モデルデータ整備と共にモデルのカレンダー情報を収集した。月平均入射太陽光データについて、衛星観測とモデルデータについて各月気候値の比較を行った。

太陽放射の季節変化に関しては、大気上端での入射太陽光の各月気候値について、各モデルの軌道要素について調査を実施した。

次に現実大気およびモデルに於ける全球での放射フィードバックを求めた。現実大気については高解像度客観解析データERA40及び最新の衛星観測データCERESを用いた。方法はTsushima and Manabe（2001） $ ^{4)} $ に従い、各年の地表気温および大気上端での太陽放射及び地球放射の入射および反射、射出光について、全天および晴天でのフラックスデータから各月の気候値を作成した。これらの放射フラックスから太陽放射および地球放射における雲の放射強制力を求めた。

アンサンブル解析については、MMEではモデルパラメータの不確実性を考慮することができない
という欠点がある。一方これまでのPPEによる研究では、1つのモデルによるPPEの解析がなされてきたが、これは用いるモデルによって結果が変わる可能性がある。このため、異なるモデル（マルチモデル）によるPPEの比較を行った。

## （３）力学場・放射場の変化と対応した地球温暖化時の対流圈－成層圈大規模循環場の特徴及びそれらを記述可能な方程式系

非地形成重力波パラメタリゼーションを用いなくてもQBOをシミュレート可能で、且つ長期積分も可能である解像度の気候モデルを用いて90年間積分を行った。現在気候実験では、英国ハドレーセンターの海面水温と海水の気候値分布を境界条件として使用した。将来気候実験の海面水温はCMIP3モデルデータを活用した。また大気などの密度成層流体について良い近似で成り立つBoussinesq流体について、波動の時間・空間スケールよりも緩やかに変化する基本場を仮定（WKB近似）して、一般的な波動と基本場の相互作用を記述する運動方程式を導く。

## 4 ．結果及び考察

## （１）梅雨前線と太平洋高気圧の再現性及びそれらの将来変化

現在及び将来気候におけるメイユ・梅雨前線降水帯に関するモデル相互比較を行った。20世紀再現実験については20年平均場における降水帯のアンサンブル平均により6月の状態は妥当に再現されるが、季節遷移期の5および7月には妥当に再現されない。さらに降水帯の年々変動は多くのモデルで適切に再現されない。特に強雨の時間的空間的集中性を北緯30-35度、東経130-135度の領域について解析した。その再現性は極めて貧弱である。図(7)-1の縦軸は集中性のインデックスであり横軸は領域平均降水量である。記号は積雲スキムを示し、L、M、Hは低、中、高分解能モデルを示す。GPCPは観測データである。このように領域平均降水量、集中性の再現性はモデル間差異が非常に大きい。これはそもそも、日降水量の再現性がよくないからであり、遡れば、狭い降水帯に集中する今日の再現性が不十分なためである。なお、Arakawa-Shubert型（AS）スキムを用いた中・高分解能モデルの再現性は比較的に良好である。20年平均場の6月においてのみ再現性がみられているが、長期間平均場では短期間の再現性の不足が打ち消されているからである。信頼できる21世紀予測のためには、短期間についての再現性の向上が不可欠である。

図(7)-1 集中性のインデックス。横軸は領域な平均降水量、縦軸が集中性を表す。記号は積雲スキムを示し、Arakawa-Shubert型（AS）、Mass-Flux型（MF）、対流調整型（MC）に対応する。L、M、Hは低、中、高分解能モデルを示す。GPCPは観測データである
次にCMIP3モデルにおける夏季太平洋高気圧の気候場の特徴及びそれらと月内変動（周期31日以下の変動）との関連性を調べた。図(7)-2にERA-40とCMIP3マルチモデル平均した、8月の850hPaにおける月平均高度場（影）および月内変動の気候値分布（コンター）を示す。マルチモデル平均でみた太平洋高気圧の気候値分布は、観測と類似した構造を示す。一方CMIP3マルチモデル平均で表現される月内変動擾乱は現実大気と比べ、西部太平洋上で明らかに小さい。モデル間の相違は特に北太平洋南西部で非常に大きく、太平洋高気圧が西へ張り出す西方伸張型と、東へ後退する東方後退型のモデルが存在していた。太平洋高気圧の東西変動を表す指標として、太平洋高気圧西部領域（東経123.75－151.25度，北緯16.25－31.25度）で平均した850hPa高度場について、各モデルのマルチモデル平均からの偏差を計算した。この指標が正の場合は西方伸長型、負の場合は東方後退型のモデルに相当し、それぞれ4つのモデルを選んでコンポジット解析を行った。その結果、西方伸張型モデルは東方後退型モデルに比べ、インドモンスーンの西風が弱い、フィリピン東方の降水量が弱い領域の西側で海面水温が高いという特徴が見られた。またwarm pool付近での海面水温の東西勾配の再現性は、気候値太平洋高気圧の再現性と関連があることが分かった。図(7)-3に太平洋高気圧西部における年々変動と月内変動、東西変異と年々変動及び東西変異と月内変動の散布図を示す。月内変動が大きいほど、大きな年々変動を再現する傾向、大きな年々変動を再現するほど、気候値太平洋高気圧は東方後退型、大きな月内変動を再現するほど、気候値太平洋高気圧は東方後退型という関係が見られることが分かった。

(a) Z850 & submonthly UV ERA40 1979-1999

(b) Z850 & submonthly UV 20c3m 1979-1999

図(7)-2 850hPaにおける高度場(影)と水平風の月内変動(コンター)の気候値分布。(a)ERA-40、(b)CMIP3マルチモデル平均。高度場1480m以上の領域に20m間隔で影。

図(7)-3 太平洋高気圧西部における(a)年々変動と月内変動、(b)東西変異と年々変動、(c)東西変異と月内変動の散布図。アルファベットは各モデル、☆は客観解析データの値を示す。
（２）季節変化における放射フィードバック及び不確実性を推定するためのアンサンブル解析、雲放射場およびそのフィードバックのメトリックの開発・評価

雲放射データを整備し、Yokoi et al. (2011) $ ^{5)} $ によるメトリックのクラスター解析による独立性の評価の研究に用いられた。Nishii et al. (2011) $ ^{3)} $ の多変量解析による諸物理量の再現性能の相関の研究にも使われた。更にIchikawa et al. (2011) $ ^{1)} $ の低緯度帯の雲放射解析研究にも用いられた。

各国モデルの太陽定数計算の現状を把握するために、12のモデルについて、太陽軌道要素、具体的には離心率、黄道傾斜、近日点値についての調査を行い、表(7)-1にまとめた。またデータより1年の日数を調べた。軌道要素の値、1年の日数ともにモデル間でばらついていることが分かった。気候モデルで軌道要素、カレンダーを変化させ、影響を見積もった。軌道要素及びカレンダーの違いは、全球平均日射にはほとんど影響を与えないが、60度以上極域に領域を特定した場合、太陽放射には $ 10Wm^{-2} $ 程度までカレンダーの影響によるみかけの値の違いが見られる可能性が考えられる。

表(7)-1 IPCC-AR4 モデルで用いられている基本太陽軌道要素と1年の日数

IPCC-AR4 モデルで用いられている基本太陽軌道要素と1年の日数
モデル	離心率 1980年から 1999年	黄道傾斜 1980年から 1999年	近日点 1980年から 1999年	1年の日数	太陽定数 (Wm^{-2})
CCCMA	No reply yet	365
GFDL	0.01671	23°.439	102°.931	365	~1366
GISS-E	0.0167	23°.44	102°.9	365	1366.3
GISS-OM	0.0167	23°.44	102°.92656	Gregorian	1367
IAP	0.016715	23°.441	102°.7	365	1367
INMCM	0.016715	23°.441	102°.7	365	1368.9
IPSL	0.016715	23°.441	102°.7	360	1365
MIROC	0.016724	23°.446	102°.04	Gregorian	1367
MPI ECHAM-5	0.016717	23°.43945	102°.593437	Gregorian	1367
MRI	Complex equation for declination	365
NCAR_CCSM	0.0167772	23°.44107	102°.7242	365	1367
NCAR_PCM	As NCAR	365	1367
UKMO	0.01671022	23°.4392911	102°.94719	360	1365
CSIRO	0.016724	23°.446	102°.04	365	1367.4
ECHO-G	0.016715	23°.441	102°.7	360	1365
Meteo. Fr, ARPEGE	0.016704	23°.4393°	102°.9382	Gregorian	1370
A. Berger 1978	0.01671308	23°.4394674	102°.647	Gregorian	1367
ISCCP FD	0.016710	23°.442	103°.628	Gregorian	1367
(1980)

衛星観測およびモデルから季節変化に伴うフィードバックについて調査した。観測によると、雲の放射フィードバックは太陽放射、地球放射どちらに対しても値が小さく、符号としては太陽放射については正、地球放射については負である。一方モデルの放射フィードバックは正味の放射については、全天放射、晴天放射、雲放射強制力の全てにおいて、おおむね観測と一致する。しかし日射の反射、地球放射に分けてみると、雲放射強制力フィードバックでモデルと観測のバイアス及びばらつきが顕著である。日射の反射について数は多くないが一部のモデルで非常に大
きな雲の反射の強まりが見られる。地球放射に関しては、ほとんどのモデルで雲の温室効果の強まりが見られる。

マルチモデルと観測データとの比較によると、太陽放射においてはモデルの雲の放射フィードバックは正のフィードバックを示すモデル、負のフィードバックを示すモデルがあり、大きくばらついていることが分かった。地球放射においては、モデルの雲の放射フィードバックはほとんどのモデルにおいて正の値を持つ傾向があることが分かった。またモデルにおける観測の放射フィードバックの再現性と空間分布再現性の関連を調べたところ、季節変化における雲のフィードバックが地球放射でほとんどのモデルで正のバイアスを示す点について、モデルの再現性が熱帯降水帯（亜熱帯高気圧）の分布の再現性と関連する傾向が見られた。

次にアンサンブルを用いた現在気候再現性の評価について述べる。気候予測の不確実性を推定するためには、気候モデルによる数値実験のアンサンブルを作成する必要がある。1つのアプローチがマルチモデルアンサンブル（MME）であり、これは異なるモデル実験によって構成される。もう1つのアプローチが物理摂動アンサンブル（PPE）であり、これは1つのモデルにおける不確実パラメータを幅広く振って実験を行うことにより得られる。MMEではモデルパラメータの不確実性を考慮することができないという欠点がある。一方これまでのPPEによる研究では、1つのモデルによるPPEの解析がなされてきたが、これは用いるモデルによって結果が変わる可能性がある。このため、異なるモデル（マルチモデル）によるPPEの比較を行うことが重要である。

本研究では、日本（MIROC3.2）と英国（HadSM3）のモデルによるPPEの結果を比較した。その結果、1）モデルアンサンブル平均の気候感度（二酸化炭素倍増時の気温変化）の違いは、低層雲フィードバック強度の違いによって生じること（図(7)-2）、2）両モデルの低層雲フィードバックの違いは初期（二酸化炭素倍増前）の雲量の違いによって決まっていること、3）アンサンブル内の気候感度のばらつきを決めるメカニズムは両モデルで大きく異なることが分かった。これらの結果は、単一モデルによるPPEはモデル予測の不確実性を完全にはカバーできないことを示唆する。更にマルチモデルおよび物理摂動アンサンブルの信頼性について調べたところ、PPEよりもMMEのほうが、より信頼性のおけるアンサンブルであることが分かった。

## （３）力学場・放射場の変化と対応した地球温暖化時の対流圈－成層圈大規模循環場の特徴及びそれらを記述可能な方程式系

帯状平均した赤道上の東西風の時間－高度断面図を図(7)-4に示す。(a)が現在気候、(b)が二酸化炭素である。現在気候に比べ将来気候では、西風と東風が交互に入れ替わる周期が長くなっている。また西風・東風の強度も弱くなっている。更にQBOの高度が、下まで伸びにくくなっている様子も分かる。このように、地球温暖化に伴ってQBOが顕著に変化することが明らかになった。帯状平均東西風の緯度－高度分布を見ると、温暖化に伴う帯状平均温度場の変化と対応して、上部対流圈から成層圏に掛けて中緯度西風ジェットが強化され、且つ風速0 ms^{-1} ラインが赤道寄りになる。この背景東西風の変化が、中緯度ロスビー波および山岳起源重力波による東風加速領域の位置を変え、結果として赤道から中緯度へ向かう残差子午面循環を強化させる。CMIP3マルチモデル平均にも見られるように、本実験でも温暖化時に赤道上の平均降水量は増加した。対流加熱の時間変動成分も大きくなり、重力波がより多く励起され、上部対流圈から下部成層圏では、重力波に伴う運動量フラックスは10-15%増加していた。しかしながら下部成層圏での波動に伴う運動量
フラックスの変化を調べると、QBO加速に効く領域では殆ど増加していなかった。温暖化に伴って波動励起と赤道上昇流は共に増えるが、QBOが存在する高度では赤道上昇流の効果が上回っていた。また循環場と残差循環の研究に関して、Boussinesq流体、WKB近似の下で、一般的な3次元変換Euler（transformed Eulerian mean; TEMと略記）運動方程式系を導いた。

図(7)-4 赤道上における帯状平均東西風の時間－高度断面図。赤色が西風、青色が東風。(a)現在気候、(b)二酸化炭素倍増時

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

狭いゾーンに集中するメイユ・梅雨前線降水帯の気候モデルによる再現と予測は現在でも不十分である。これまで主として、長期間平均場における再現性が検討されてきたが、本研究では降水帯の実態に踏み込んだ検討をおこなった。梅雨最盛期（安定期）の6月の長期間平均場における降水帯は比較的妥当に再現されるが、季節遷移期の5および7月の再現性は低い。またその年々変動、強雨の集中性の再現性は貧弱である。信頼性の高い再現性、予測可能性を得るためには、平均場においての評価に加え、短期間変動、集中性に踏み込んだ評価が必要であることを示した点において科学的意義がある。

夏季太平洋高気圧西部の時空間変動の成因は多岐に渡り、モデルでの再現性が一般的に悪く、夏季日本域の天候予測が現状で難しいこととも関連している。マルチモデルにおける太平洋高気圧の再現性を示して議論した点は、今後の気候モデルの開発に役に立ち、科学的意義がある。メイコ・梅雨前線降水帯の将来予測は社会的にも科学的にも重要なテーマであるが、CMIP3データによる再現性は不充分であった。この問題についての現時点における不確実性と、更なる改良の必要性の指摘も重要であろう。また個々の研究者の科学的興味に基づいたメトリックについて、独
立性について理解が進んだことは、今後、個々の研究者が温暖化研究における自身の研究意義をより客観的に把握する上で意義がある。温暖化時のQBOの変化を詳細に記述したことは、世界に先駆けて行われたことで、科学的な意義が大きい。また一般的な3次元変換Euler運動方程式系を導かれたことは、理論的な意義も大きい。

各モデルにおけるカレンダー、日射の取り扱いについての情報は、気候モデルコミュニティにとって有用な情報である。またモデルは気候値レベルではある程度のチューニングが可能であるが、モデル大気の応答についてはチューニングされていない。季節変化という自然変動における地球大気および雲の応答について、観測、客観解析データを用い、モデルにおける再現性を検証したことは、モデルデータの信頼性を検証する上での新たな情報として、意義が大きい。雲放射強制カフィードバックは、観測から値が得られること、モデルの月平均の放射フラックステータがあれば求められるという点で、簡便な雲放射応答のメトリックである。各モデルコミュニティにおいてモデル開発時などに利用されることが期待される。またモデル結果の解釈について、アンサンプルを用いた不確実性を議論した点は意義がある。

## （２）環境政策への貢献

テーマ2の他のプロジェクトと共同して、成果の広報・普及に努めた。

### 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) Ninomiya, K., T. Suzuki, and T. Nishimura (2008): Differences between the intense precipitation associated with subsynoptic-scale Baiu frontal depression simulated by an AGCM and described in observational studies. J. Meteor. Soc. Japan, 86, 563–573.

2) Tsushima, Y., E. Raschke, S. Kinne, A. Abe-ouchi, S. Bakan, S. Emori, M. Giorgetta, G. Kopp, F. Saito, O. Timm, and M. Wild (2008): Key parameters for the inconsistencies of the incoming solar radiation boundary condition in global modeling. International Radiation Symposium, 585-588.

3) Kawatani, Y., K. Ninomiya, and T. Tokioka (2008): The North Pacific subtropical high characterized separately for June, July, and August: zonal displacement associated with submonthly variability. J. Meteor. Soc. Japan, 86, 4, 505-530.

4) Ninomiya, K. (2009): Characteristics of precipitation in the Meiyu-Baiu season in the CMIP3 20th Century climate simulations. J. Meteor. Soc. Japan, 87, 829-843.

5) Noda, A. (2010): A general three-dimensional transformed Eulerian mean formulation.

SOLA, 6, 85-88. doi:10.2151/sola.2010-022.

6) Ninomiya, K. (2011): Characteristics of the Meiyu and Baiu frontal precipitation zone
in the CMIP3 $ 20^{th} $ century simulation and 21st century projection. J. Meteor. Soc. Japan, 89, 151-159.

7) Kawatani, Y. and K. Ninomiya (2011): The North Pacific subtropical high in August in twentieth-century CMIP3 multimodel dataset. J. Meteor. Soc. Japan, 89, 375-386.

8) Kawatani, Y., K. Hamilton and S. Watanabe (2011): The Quasi-biennial oscillation in a double CO $ _{2} $ climate. J. Atmos. Sci., 68, 265-283.

9) Ninomiya, K. (2012): Year-to-year variations in the Meiyu and Baiu frontal precipitation zone in the CMIP3 20th century simulation. J. Meteo. Soc. Japan, 90A, 317-325.

10) Ninomiya, K. (2012): Characteristics of intense rainfalls over southwestern Japan in the CMIP3 20th century simulation and 21st century projection. J. Meteo. Soc. Japan, 90A, 327-338.

11) Kawatani, Y., K. Hamilton, and A. Noda (2012): The effects of changes in sea surface temperature and CO $ _{2} $ concentration on the quasi-biennial oscillation. J. Atmos. Sci., in press.

<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) 二宮洗三：梅雨前線帯および北太平洋亜熱帯高気圧周辺の6月降水分布に関するモデル相互比較．日本気象学会2008年度春季大会，横浜，2008年5月．

2) 對馬洋子，真鍋淑郎：季節変化における雲の放射フィードバックに関するモデル相互比較. 日本気象学会 2008 年度春季大会，横浜，2008 年 5 月.

3) Tsushima, Y. E. Raschke, S. Kinne, A. Abe-ouchi, S. Bakan, S. Emori, M. Giorgetta, G. Kopp, F. Saito, O. Timm, M. Wild: Key parameters for the inconsistencies of the incoming solar radiation boundary condition in global modeling. International Radiation Symposium, Foz du Iguazu, Brazil, August 2008.

4) 二宮洸三: AGCM における梅雨前線小低気圧に伴う強雨分布: 観測との差違. 日本気象学会 2008 年度秋季大会, 仙台, 2008 年 11 月.

5) 二宮洸三：5～7月のメイユ・梅雨前線降水帯の再現性についてのモデル相互比較．日本気象学会2009年度春季大会，つくば，2009年5月．

6) 二宮洗三：21世紀における5～7月のメイコ・梅雨前線降水帯に関するモデル相互比較．日本気象学会2009年度秋季大会，福岡，2009年11月．

7) 河谷芳雄，二宮洸三：CMIP3 モデルにおける夏季太平洋高気圧の気候場および月内変動の再現性．日本気象学会 2009 年度秋季大会，福岡，2009 年 11 月．

8) 二宮洸三: 梅雨期日降水量強雨の再現性についての 20CCCM モデル相互比較. 日本気象学会 2010
年度春季大会，東京，2010年5月.

9) 二宮洸三：気候温暖化に伴う梅雨期日降水量強雨特性の変化についての20CCCMモデル相互比較．日本気象学会2010年度秋季大会，京都，2010年10月．

10）河谷芳雄，Kevin Hamilton，渡辺真吾：地球温暖化時の赤道準2年振動．日本気象学会2010年度秋季大会，京都，2010年10月.

11) Noda, A. and Y. Kawatani: A Generalized Transformed Eulerian Mean (TEM) Based on Non-neutral Waves in a Boussinesq Stratified Fluid. AGU Fall meeting, San Francisco, USA, December 2011.

12) Kawatani, Y., K. Hamilton and S. Watanabe: The Quasi-biennial oscillation in a double CO $ _{2} $ climate. AGU Chapman conference on atmospheric gravity waves and their effects on general circulation and Climate, Honolulu, USA, March 2011.

13）二宮洸三：メイユ・梅雨前線降水帯の年々変動に関するCMIP3-20世紀実験モデル相互比較.日本気象学会2011年春季大会，東京，2011年5月.

14）河谷芳雄，Kevin Hamilton，渡辺真吾：地球温暖化時の赤道準2年振動．地球惑星科学連合2011年度連合大会，幕張，2011年5月.

15) Kawatani, Y., K. Hamilton and S. Watanabe: The Quasi-biennial oscillation in a double CO $ _{2} $ climate. IUGG2011, Melbourne, Australia, July 2011.

16）河谷芳雄，Kevin Hamilton，野田彰：赤道準2年振動の将来変化に対する二酸化炭素濃度と海面水温の役割．第3回熱帯気象研究集会，京都，2011年9月.

17）二宮洸三：メイユ・梅雨前線降水帯の年々変動の相関に関するCMIP3-20世紀実験モデル相互比較．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月．

18）野田彰：非中立波動に基づいた一般的TEM --3 次元渦拡散テンソルの全成分の導出--．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月.

19）河谷芳雄，Kevin Hamilton，野田彰：赤道準2年振動の将来変化に対する二酸化炭素濃度と海面水温の役割．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月.

20) Noda, A. and Y. Kawatani: A Generalized Transformed Eulerian Mean (TEM) Based on Non-neutral Waves in a Boussinesq Stratified Fluid. American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, December 2011.

21）河谷芳雄，Kevin Hamilton，野田彰：赤道準2年振動の将来変化に対する二酸化炭素濃度と海面水温の役割，第12回地球流体力学研究集会，春日，2011年12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) Ichikawa, H., H. Masunaga, Y. Tsushima, H. Kanzawa (2012): Reproducibility by Climate Models of Cloud Radiative Forcing Associated with Tropical Convection. J. Climate, 25, 1247–1262.

2) Kawatani, Y., K. Ninomiya and T. Tokioka (2008): The North Pacific subtropical high characterized separately for June, July, and August: zonal displacement associated with submonthly variability. J. Meteor. Soc. Japan, 86, 4, 505-530.

3) Nishii, Y., T. Miyasaka, H. Nakamura, Y. Kosaka, S. Yokoi, Y. N. Takayabu, H. Endo, H. Ichikawa, T. INOUE, K. OSHIMA, N. SATO, Y. Tsushima (2012): Relationship of the Reproducibility of Multiple Variables among Global Climate Models. J. Meteor. Soc. Japan, 90A, 87-100.

4) Tsushima, Y., and S. Manabe (2001): Influence of cloud feedback on the annual variation of the global mean surface temperature. J. Geophys. Res., 106, 22635–22646.

5) Yokoi S, Y. N. Takayabu I, K. Nishii, H. Nakamura, H. Endo, H. Ichikawa, T. Inoue, M. Kimoto, Kosaka, Y., T. Miyasaka, K. Oshima, N. Sato, Y. Tsushima, M. Watanabe (2012): Application of cluster analysis to climate model performance metrics. J. App. Meteor. Clim. 1558-8432 10.1175/2011JAMC2643.1 JAMC2643.
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

(8) 衛星等による全球雲放射と降水観測に基づく気候モデル再現性とその将来変化

名古屋大学大学院

環境学研究科地球環境科学専攻 神沢 博

<研究協力者>

名古屋大学地球水循環研究センター

名古屋大学大学院環境学研究科地球環境科学専攻

增永 浩彦

市川 裕樹

平成19～23年度累計予算額：48,592千円

(うち、平成23年度予算額：9,405千円)

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 本研究の目的は、主として衛星観測をもとにした観測データセットを用い、雲・降水・放射フラックスに関する気候モデルの再現性評価を行い、またその将来変化を議論することである。本研究では、モデルにより予測される雲・降水・放射フラックスに関する将来変化の不確実性が大きいと思われる熱帯・亜熱帯域を対象として解析を行い、以下のような結果を得た。(1) 力学場を介してのアンビル（鉄床雲）や巻雲を含めた上層雲の水平的広がりについて、複数の気候モデルの再現性を評価した結果、モデルは、全体として、対流圈上層の発散の中心位置付近での上層雲の分布の水平的広がりを、観測に比べて過小評価していることがわかった。(2) 大気の熱力学的指標により同定された、対流活動が著しく活発であり、強い下降流が生じづらいと考えられる海洋域を対象とし、雲の短波放射への影響（SWCRF）に対する長波放射への影響（LWCRF）の割合（R）と大規模大気循環場の指標としての大気中層の上昇流強度との関係について、複数の気候モデルの再現性を評価した結果、モデルは、全体として、上昇流が強い地域においてRを上手く再現する一方で、上昇流・下降流が弱い地域においてRを過小評価することが分かった。上昇流が強い地域における結果は、モデルが光学的に厚い上層雲の雲量を過大評価することに伴うLWCRFとSWCRFの誤差の相殺効果によりもたらされ、一方、上昇流・下降流が弱い地域における結果は、モデルが光学的に薄い上層雲の雲量を過小評価し、光学的に厚い下層雲の雲量を過大評価することに伴うLWCRFとSWCRFの誤差の相乘効果によりもたされることも分かった。(3) Rの二酸化炭素増加時の変化を調べた結果、複数のモデルで予測されるRの二酸化炭素増加時の変化は、上昇流が強い地域に比べ、上昇流・下降流が弱い地域において、ばらつきが大きく、それは、モデル間における中層雲量の変化の大小によりもたらされることがわかった。

[キーワード] 気候モデル、衛星観測、熱帯・亜熱帯、大規模大気循環、雲の放射影響

### 1. はじめに

地球の水循環および放射エネルギー収支を重要な過程として含む気候システムを理解し、その
将来を予測するうえで、雲量・降水量および放射フラックスの分布の時空間変動の実態や物理機構を探り、その観点から気候モデルの再現性を議論することは、不可欠である。とりわけ熱帯・亜熱帯域においては、多量の降水をもたらす深い積雲対流に伴い広がる雲が、地球放射収支と密接に関連することが指摘されている（例えば、Ramanathan and Collis, 1991 $ ^{8} $ ）；Lindzen et al. 2001 $ ^{7} $ ）。そのため、雲量・降水量および放射フラックスの時空間的変動をあわせて研究していく必要がある。また、地球の各地域で発生する雲の形態・降水特性および放射フラックスの特性は、力学的・熱力学的に規定される大規模な大気環境場に応じて大きく変化する。そのため、大規模な大気循環場とあわせた雲量・降水量および放射フラックスの変動機構の理解とそれの気候モデル再現性評価が、地球の気候システムの変動を理解し、さらに予測する上で重要である。

気候モデルによる雲と雲の放射影響（CRF）の将来変化予測には、大きな不確実性が存在する。世界の研究機関で開発された気候モデルのうち、24個の気候モデルが第3次結合モデル相互比較プロジェクト（WCRP/CMIP3 大気海洋結合大循環モデル（AOGCM）相互比較プロジェクト）に参加し、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第4次報告書（AR4）に活用された。それらのモデルの比較解析の結果、気候モデルで予測される雲とCRFの変動の仕方は、モデル間で大きくばらつくことが報告されている（Bony et al. 2006 $ ^{1} $ ）。特に、熱帯・亜熱帯域において、そのばらつきが大きいことも報告されている（Bony et al. 2006 $ ^{1} $ ）。より信頼性の高い将来予測を行うためにも、雲量・放射フラックスの時間的・空間的特徴について、詳細なモデルの再現性評価を行うとともに、モデル間で将来予測がばらつく理由を明らかにする必要がある。

## 2 ．研究開発目的

本研究では、GPCP 降水量、ISCCP 雲量および ERBE 放射フラックスといった主として衛星観測をもとにしたデータセットを用い、気候モデルによる現在気候の再現実験について、熱帯・亜熱帯域（30°S-30°N）の雲および放射フラックス分布の再現性を検証する。モデルの物理を検証するという観点から、とくに大気の循環場と雲・降水および放射場の関連を、観測・モデルのそれぞれで解析し、比較する。また、その検証結果を念頭に置いた上で、その将来変化を議論する。

本研究では、熱帯・亜熱帯域の中でも積雲対流活動が活発な地域に着目する。積雲対流活動が活発な地域では、雲の長波放射への影響（LWCRF）と短波放射への影響（SWCRF）が共に絶対値が大きく、ほぼ打ち消しあうように働くことが知られている（例えば Kiehl，1994 $ ^{5} $ ）など）。近年、Yuan et al.（2008） $ ^{12} $ は、海面水温（SST）が高い地域では、LWCRFとSWCRFの打ち消しあいが、大規模の大気循環場の違いにかかわらず観測されることを明らかにした。本研究では、Yuan et al.（2008） $ ^{12} $ の結果に基づき、大規模大気循環場と積雲対流活動に伴う雲およびCRFの関係性についてのモデルの再現性評価とその将来変化を主に議論する。

### 3. 研究開発方法

## （１）使用データ

本研究では、以下の3つのモデルデータセットを解析に用いる。

・WCRP/CMIP3 の成果物として PCMDI (Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison) に登録された複数の AOGCM 計算結果データ。

・雲のフィードバックに関するモデル相互比較プロジェクト(WCRP/CFMIP)の成果物として PCMDI