Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
S-5 地球温暖化に関わ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

(4) 中緯度大気海洋系10年スケール変動の再現性とその将来変化に関する研究

北海道大学大学院

地球環境科学研究院 地球圈科学部門大気海洋物理学分野 谷本陽一

<研究協力者>

大学共同利用機関法人人間文化研究機構 総合地球環境学研究所 大島和裕

北海道大学大学院 環境科学院地球圈科学専攻 岡田靖子

平成19～23年度累計予算額：48,112千円

（うち、平成23年度予算額：9,408千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 北太平洋における中緯度大気海洋系10年スケール変動の再現性とその将来変化を明らかにするため、第3次結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP3）マルチ気候モデルによる20世紀再現実験と中程度の温室効果ガス排出シナリオ（A1B）に基づく温暖化実験を用いて解析を行った。北太平洋において主要な海面水温（SST）の長期自然変動である太平洋10年スケール変動（PDO）について、PDOの空間構造に基づくメトリックを算出して再現性を評価した。24のCMIP3モデルのうちPDOメトリックの高いモデルは、中部北太平洋域と中東部熱帯太平洋域でのSST10年スケール変動に見られる熱帯-中高緯度結合の特徴をよく再現し、熱帯太平洋域のSSTの10年スケール変動（decadal-ENSO）に伴う大気応答は熱帯太平洋域、北太平洋域共に観測される特徴と一致していた。一方、PDOメトリックの低いモデルはこれらの特徴と一致しなかった。これらの結果から、気候モデルにおける現実的なPDOパターンの再現には、熱帯-中高緯度間結合の再現が1つの鍵であると言える。温暖化した21世紀のPDOは、現在観測されている時空間特性から大きく変化せず、温暖化に伴うSST上昇トレンドに重なった長期変動として現れることが示唆された。北太平洋域の21世紀100年間の海面気圧（SLP）トレンドは、いくつかのモデルがアリューシャン低気圧（AL）の強化を予測し、他のいくつかのモデルがALの北上を予測する。このようにALの応答がモデル間で大きく異なるため、SLPトレンドの予測は北太平洋域で高い不確実性を持つ。この21世紀100年間のSLPトレンドの不確実性には、温室効果ガス増加に対する応答がモデル毎に異なることに起因するモデル不確実性と、モデル内部で自励的に生じる大気海洋系の内部変動の両者が寄与し、21世紀前半50年間のSLPトレンドの不確実性には内部変動が大きく寄与することがわかった。さらに、モデル毎のALの応答の違いと関連した海面熱フラックスと北太平洋亜熱帯循環系の変化は、SSTトレンドの地域分布に影響を与えることが明らかになった。

[キーワード] 北太平洋、長期自然変動、大気・海洋平均場、不確実性、CMIP3マルチ気候モデル
### 1. はじめに

気候モデルにおける長期自然変動の再現性の評価と将来変化の解析は、人為起源変化と自然変動を識別し、地球温暖化に伴う気候変化を検出するために重要である。北太平洋の海面水温（SST）場にみられる主要な長期自然変動である太平洋10年スケール変動（Pacific Decadal Oscillation、PDO）は、東アジアの気候変動にとって重要な役割を担う自然変動現象の1つであり、環太平洋域の気温や降水量、海洋生態系の変動と関係していることが報告されている（Mantua and Hare, 2002 $ ^{4} $ ）など）。CMIP3マルチ気候モデルによる20世紀再現実験（20C3Mシミュレーション）を用いてPDOの再現性を議論したOverland and Wang(2007) $ ^{5} $ は、PDOに伴うSST偏差の空間構造と振幅に基づいて再現性を調べたが、再現性の違いの要因については述べていない。PDOのメカニズムの全貌は未解明であるものの、これまでいくつかの仮説が挙げられている。その有力な1つとして、エルニーニョ・南方振動（El Niño Southern Oscillation、ENSO）の長期変動（decadal-ENSO）に励起される大気の遠隔作用による影響が指摘されている（Alexander et al. 2002 $ ^{1} $ ）など）。このテレコネクションを介して、中部北太平洋域と中東部熱帯太平洋域のSST変動は負相関の関係を示す（図(4)-1a、以下では、このSST変動の関係を熱帯-中高緯度間結合とする。

21世紀の将来気候を解明する上で、PDOのような長期自然変動だけでなく、地球温暖化に伴う大気・海洋の平均場の変化が地域・海域的にどのように異なるかを明らかにすることも重要である。これらの地域的変化は、PDOの場合と同様に、東アジアを含む環太平洋域の気候変化のみならず、同海域の海洋生態系の将来変化にも影響すると考えられる。北太平洋域の海面気圧（SLP）の将来変化を調べた先行研究（Hori and Ueda, 2006 $ ^{3} $ ）など）はマルチモデルアンサンプル平均場でアリューシャン低気圧（AL）が北上する結果を示したが、Yamaguchi and Noda(2006) $ ^{8} $ は北太平洋域のSLP変化の地域分布はモデル毎に様々であると指摘している。この結果は、北太平洋域のSLPの将来予測にある程度の不確実性があることを示唆する。これらのSLP変化の不確実性の要因として、温室効果ガス増加に対する応答がモデル毎に異なることに起因するモデル不確実性と、モデル内部で自励的に生じる大気海洋系の内部変動による不確実性の2つの要因が挙げられる（Deser et al. 2011 $ ^{2} $ ）など）。

観測データに基づく先行研究から、SLP変化の地域分布の違いは大気海洋相互作用を通してSST変化の地域分布と密接に関わっていると考えられる。上述のように、温暖化した21世紀の北太平洋域のSSTの長期自然変動に関しては、最近のいくつかの先行研究（Overland and Wang, 2007 $ ^{5} $ ）など）があるが、SSTの平均場の将来変化に関しては、熱帯太平洋域を対象とした研究が多く（Xie et al. 2010 $ ^{7} $ ）など）、北太平洋を対象とした研究はあまり行われていない。

## 2 ．研究開発目的

本サブテーマでは、CMIP3マルチ気候モデルにおける（1）PDOの再現性とその将来変化について、（2）北太平洋域における大気・海洋の平均場の地域・海域的な将来変化とその不確実性の要因について、明らかにすることを目的とする。

（１）２０C3MシミュレーションにおけるPDOの再現性をメトリックとして定量化して評価し、CMIP3マルチ気候モデルでの熱帯－中高緯度間結合およびdecadal-ENSOに伴う大気応答を調べることで、モデル間の再現性の違いについて検討した。20C3Mシミュレーションと同じ解析手法を用いて、中程度の気候変動に関する政府間パネル(IPCC)温室効果ガス排出ナリオ（A1B）に基づく温暖化実
験（A1Bシミュレーション）の結果を解析することで、温暖化した21世紀のPDOの振る舞いを調べた。

（２）A1Bシミュレーションを用いて北太平洋域における21世紀100年間のSLPトレンドの地域分布を調べ、その不確実性について検討した。この不確実性の要因を評価するため、24のCMIP3モデルのうち3つ以上のアンサンブルメンバーを持つ10のモデルによるA1Bシミュレーションと産業革命前の条件で行われたコントロール実験（PICTLシミュレーション）を解析した。さらに、北太平洋のSLPトレンドとSSTトレンドとの地域分布の関係を大気海洋相互作用の視点から調べた。

## 3 ．研究開発方法

本研究の解析は、24のCMIP3気候モデルによる20C3MシミュレーションとA1Bシミュレーションの月平均データから北半球冬季（12－1月）平均を計算したデータを用いて行った。各シナリオ実験の解析期間は20世紀（1900～1999）と21世紀（2000～2099）の各100年間とした。また、簡略化のために、以下では24のCMIP3気候モデルをA-Xと示した。

PDOの解析では、20C3Mシミュレーションを用いて、モデルの各格子点における冬季平均SST偏差から線形トレンドを除去し、さらに10年スケールの変動を取り出すために5年の移動平均を施した。またPDO indexとdecadal-ENSO indexは中部北太平洋域と熱帯太平洋域の各領域で平均したSST偏差の時系列として定義した（図(4)-1a）。PDOの再現性の評価はTaylor（2001） $ ^{6)} $ に基づき、PDOに伴うSST偏差の空間構造が観測（図(4)-1b）とモデルとの間でどの程度一致するかを評価指標として、PDOパターンの空間相関とその標準偏差から計算されるPDOメトリックを算出した（Taylor 2001） $ ^{6)} $ 。

PDO index, SSTA regression, HadISST

図(4)-1 （a）PDO index（実線）、decadal-ENSO index（破線）の20世紀100年間（1900～1999）の時系列。2つのindexはそれぞれ中部北太平洋域と熱帯太平洋域のSSTの10年スケール変動を示す。2つのindexの相関係数は-0.53で99%の信頼限界で有意である。（b）PDO indexに対するSST偏差の回帰係数分布（PDOパターン）。実線と破線は、正と負の値を示す。点線の四角（北緯30－45度、東経150度－西経150度）は、PDO indexを計算した海域、実線の四角（北緯20－60度、東経140度－西経110度）はPDOメトリックを計算した領域。

トレンドの解析では、A1Bシミュレーションの冬季平均データから21世紀100年間の線形トレンドを計算した。24のCMIP3モデルを用いてSLPトレンドの全モデル平均とその分散を求め、マルチモデルアンサンブル平均とモデル間のばらつき度とした。トレンドの不確実性をもたらす要因を評価するため、3つ以上アンサンブルメンバーをもつ10のCMIP3モデルによるA1Bシミュレーションを用いた次の2つのグループ、（I）単一のアンサンブルメンバーを取り出したグループ、（II）3
つのアンサンブルメンバーの平均を求めたグループを定め、これらのグループのモデル間のばらつき度を比較した。さらに、各モデルのバックグラウンドとして見られる内部変動を評価するため、PICTLシミュレーションのモデル間のばらつき度についても調べた。また、AL強化を予測する4つのモデルとAL北上を予測する4つのモデルを選びコンポジット解析を行い、AL変化に伴う海洋の将来変化を調べた。

## 4 ．結果及び考察

## (1) 太平洋10年スケール変動（PDO）の再現性とその将来変化

## 1 ）PDOの現在気候再現性

PDO の再現性を評価するため、PDO index に対する SST 偏差の回帰係数分布（PDO パターン）の特徴を各モデルと観測（図(4)-2）とで比較した。観測とモデルの PDO パターンに対する空間相関係数は多くのモデルで有意な高い相関係数となる。一方、標準偏差の比はモデルによるばらつきが大きい。PDO メトリックの高いモデルと低いモデルを選び比較すると、PDO メトリックの高いモデルは、中部北太平洋域と中東部熱帯太平洋域での SST10 年スケール変動に見られる熱帯－中高緯度間結合の特徴（図(4)-1a、b）を良く再現し、また decadal-ENSO に伴う SST、外向き長波放射（OLR）、SLP 偏差に関しても観測と同じ特徴をもっていた。それに対して、PDO メトリックが低いモデルは、これらの特徴をうまく再現できていなかった。したがって、CMIP3 気候モデルにおける PDO の現実的な再現には、decadal-ENSO に伴う SST 変動とそれによって励起される大気のテレコネクションパターンが現実的に再現され、その結果として観測と同様の熱帯－中高緯度間結合が再現できることが必要であることがわかった。

図4-2 PDOの再現性に関する

Taylor diagram。角度方向にモデルと観測のPDOパターンの空間相関係数、半径方向にその標準偏差の比を示す。点線の等値線はPDOメトリックの値を示す。REFは観測と一致する点である。24のCMIP3モデルはA-Xと示した。

SSTA in the North Pacific, 20c3m+A1B

図(4)-3 中部北太平洋域（図(4)-1aの点線四角）で平均したSST偏差の時系列。太線は観測の20世紀100年間の時系列、細線は24のCMIP3モデルの20C3MシミュレーションとA1Bシミュレーションをつなげた時系列を示す。

図(4)-4 20C3MシミュレーションのPDOメトリックとA1BシミュレーションのPDOメトリックとの散布図。実線は24のCMIP3モデル（相関係数は0.64）、破線は9つのモデル（丸付、相関係数は0.87による回帰直線を示す。
## 2 ）PDOの将来変化

24のCMIP気候モデルによる21世紀の中部北太平洋域のSST変動には、顕著な温暖化トレンドが現れ、これ加えて10年スケールの変動が20C3Mシミュレーションと同程度の振幅で見られた（図(4)-3）。この21世紀のSST10年スケール変動がもつ特徴を調べると、20C3MシミュレーションにおいてPDOメトリックの高いモデルは、21世紀のA1Bシミュレーションにおいても同じPDOパターンを示す傾向にあった（図(4)-4）。またこれらのモデルは、20C3Mシミュレーションと同様にA1Bシミュレーションにおいても観測と同じdecadal-ENSOに伴うSST、SLP、OLR偏差の特徴を示すのに対し、PDOメトリックの低いモデルでは観測で見られる特徴と一致しなかった。したがって、温暖化した21世紀のPDOの時空間特性は、現在観測されるPDOの特徴と変わらず、温暖化に伴うSST上昇トレンドに重なった長期変動として現れることが示唆される。

## （２）冬季北太平洋における大気循環変化の不確実性と海洋の将来変化

## 1 ）北太平洋域のSLPトレンドの地域分布とその不確実性

24のCMIP3モデルによる21世紀100年間のA1Bシミュレーションから算出したSLPトレンドのマルチモデルアンサンブル平均はベーリング海で負の極小、日本の東側から中部北太平洋にかけて正の値を示し、先行研究と同様にALの北上を示す（図(4)-5aの等値線）。北太平洋域のモデル間のばらつき度は、北東部で最大値を示し、その大きさはマルチモデルアンサンブル平均と同程度の大きさであり（図(4)-5aの陰影）、モデル毎の地域分布の違いは無視できない。同領域では30-40%のモデルが正のトレンド、他の30-40%のモデルが負のトレンドを予測する（図(4)-5b）。すなわち、北太平洋の北東部における大きなモデル間のばらつき度はSLPトレンドの符号の違いに起因する。よって、マルチモデルアンサンブル平均でみられたALの北上は必ずしも全てのモデルでの予測とは一致しない。それぞれのモデルのSLPトレンドの地域分布は様々であり、いくつかのモデルではALの強化を予測し、他のいくつかのモデルではALの北上を予測する。このようにALの応答はモデル間で大きく異なり、北太平洋域のSLPトレンドのモデル間のばらつき度は北半球で最大となる。

(a)

(b)

図(4)-5（a）24のCMIP3気候モデルによる21世紀100年間のSLPトレンドのマルチモデルアンサンブル平均（等値線；hPa/100yr）とモデル間のばらつき度（陰影；(hPa/100yr) $ ^{2} $ ）。(b)SLPトレンドの符号一致率（%）。黒（灰色）の等値線は，各グリッドで正のトレンドを示すモデル数の24モデルに対する割合を示す。

3つのアンサンブルメンバーをもつ10モデルのA1Bシミュレーションに対する解析では、北太平
洋域の21世紀100年間のSLPトレンドの不確実性に、モデル内部で生じる自然変動より、むしろモデル不確実性が大きく寄与していることが示唆された（図表は省略）。しかし、PICTLシミュレーションによって各モデルのバックグラウンドの内部変動を再評価した結果、A1Bシミュレーションによる内部変動の見積もりはアンサンブル数が十分でないために過小評価であることがわかった。この結果，北太平洋域の21世紀100年間のSLPトレンドの不確実性には内部変動とモデル不確実性の両者が寄与し、21世紀前半50年間の不確実性には内部変動が大きく寄与することがわかった。

図(4)-6 A1Bシミュレーションで（a-d）強い負のNPIトレンドの4つのモデルと（e-h）強い正のNPIトレンドの4つのモデルのコンポジット。（a, e）SST（陰影；℃/100yr）、SLP（等値線；hPa/100yr）および海上風（ベクトル； $ m\ s^{-1}/100yr $ ）トレンドの水平分布、および太平洋域（東経140度－西経160度）で東西平均した（b, f）SST、（c, g）SLP、（d, h）西風（ $ ms^{-1}/100yr $ ）トレンドの緯度分布。SSTトレンドは北太平洋域の領域平均を除去し、相対的な昇温の大きさを示す。（b-d, f-h）緯度分布の破線（上の目盛）は各変数のトレンド、太い（細い）実線（下の目盛）は現在気候（将来気候）の気候値を示す。

## 2 ）アリューシャン低気圧（AL）の変化に伴う海洋変化

ALの将来変化に伴う海洋表層の変化について調査した。AL強化を予測するモデルでは、偏西風の強化に伴って上向き海面熱フラックスが増加し、日本東岸から北太平洋中央部にかけての北太平洋中緯度において水温上昇が相対的に小さく予測される（図(4)-7a-d）。一方、AL北上を予測するモデルでは、偏西風の緯度帯の北上に伴い、北太平洋の亜熱帯循環系が北上し、海洋の循環境界付近の緯度帯で表層水温が上昇するため、北太平洋中緯度における水温上昇は周辺海域と比べて相対的に大きくなる（図(4)-7a-d）。したがって、モデル毎のアリューシャン低気圧の応答の違いと関連した海面熱フラックスと北太平洋亜熱帯循環系の変化は、海面水温トレンドの海域分布に影響を与えることが明らかになった。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本サブテーマでは、人為起源変化と長期自然変動の識別および近未来予測にとって重要な大気海洋系10年スケール変動について北太平洋域を対象として、CMIP3マルチ気候モデルにおける太平洋10年スケール変動（PDO）の再現性を評価し、PDOの現実的な再現にとって熱帯-中高緯度間結
合の再現が1つの鍵であることを明らかにした。また、温暖化しても21世紀のPDOの時空間特性は変わらないことが示唆された。さらに21世紀の将来気候を解明するためには、温暖化に伴う大気・海洋の平均場の将来変化についての地域・海域分布の違いを調べることが重要であるが、これまで北太平洋域を対象とした詳細な解析はほとんど行われてこなかった。そこで、CMIP3マルチ気候モデルによるA1BシミュレーションとPICTLシミュレーションの結果を解析し、SLPトレンドの地域差を調べた結果、北太平洋ではアリューシャン低気圧の将来予測がモデル間で大きく異なり、SLPトレンドの不確実性が高いことが明らかになった。さらに21世紀100年間のSLPトレンドの不確実性にはモデル不確実性と内部変動の両者が寄与している結果を得た。これらの解析結果は、北太平洋域の将来変化に関する温暖化予測実験の結果を解釈する上で重要な情報である。

## （２）環境政策への貢献

本サブテーマでは、マルチモデルの立場からPDOの再現性を調べることで長期自然変動予測に不可欠なモデル特性を提示してきた。PDOは北太平洋域における主要な大気海洋相互作用現象であり、大気と海洋の総合的な再現性評価の情報である。また、北太平洋におけるSLPトレンドの不確実性評価に関する結果は、内部変動が関わる近未来予測にとって有益な情報提供となる。IPCC第5次評価報告書(AR5)作業部会(working group) Iでは、30年程度の近未来予測を1つのターゲットにしている。今回我々が解析した北太平洋10年スケール変動のメカニズム解明は、30年程度の近未来予測の精度向上に貢献することが期待される。このような大気海洋結合系の長期変動は、様々な種類の魚の漁場の変化などにも大きく影響し、産業環境への政策的連携のために重要な情報となる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

IPCC AR5の本報告の4．（2）に関する研究は、温暖化研究の第一人者でありAR5の責任著者をつとめておられるXie教授（アメリカ合衆国ハワイ大学国際太平洋研究センター）と共同で実施した。本研究成果を、Xie教授との共著論文（査読あり；リストの8）として公表し、さらに、同論文をIPCC第5次報告書(AR5)第14章(Climate Phenomena and their Relevance for Future Regional Climate Change)への成果論文して提案した。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

1) Oshima, K. and Y. Tanimoto (2009): An evaluation of reproducibility of the Pacific Decadal Oscillation in the CMIP3 simulations. J. Meteor. Soc. Japan, 87, 4, 755-770. doi:10.2151/jmsj.87.755.

2）屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕（2009）：温暖化に伴う海面水温上昇が日本近海の蔵相サンゴの分布と健全とに及ぼす影響評価．日本サンゴ礁学会誌，11，131-140.

3) Tanimoto, Y., T. Kajitani, H. Okajima, and S.-P. Xie (2010): A peculiar feature of the seasonal migration of the South American rain band. J. Meteor. Soc. Japan, 79-90.
doi:10.2151/jmsj.2010-106.

4) Tanimoto, Y., T. Kanenari, H. Tokinaga, and S.-P. Xie (2011): Sea level pressure minimum along the Kuroshio and its extension. J. Climate, 24, 4419-4434. doi:10.1175/2011JCLI4062.1.

5) Yokoi, S., Y. N. Takayabu, K. Nishii, H. Nakamura, H. Endo, H. Ichikawa, T. Inoue, M. Kimoto, Y. Kosaka, T. Miyasaka, K. Oshima, N. Sato, Y. Tsushima, and M. Watanabe (2011): Application of cluster analysis to climate model performance metrics. J. Appl. Meteor. Climatol., 50, 1666–1675.

6) Nishii, K., T. Miyasaka, H. Nakamura, Y. Kosaka, S. Yokoi, Y. N. Takayabu, H. Endo, H. Ichikawa, T. Inoue, K. Oshima, N. Sato, and Y. Tsushima (2012): Relationship of the reproducibility of multiple variables among global climate models. J. Meteor. Soc. Japan, 90A, 87-100.

7) Oshima, K., Y. Tanimoto and S.-P. Xie (2012): Regional patterns of wintertime SLP change over the North Pacific and their uncertainty in CMIP3 multi-model projections. J. Meteor. Soc. Japan, 90A, 385-396.

8) Yara, Y., K. Oshima, M. Fujii, H. Yamano, Y. Yamanaka, and N. Okada (2012): Projection and uncertainty of the poleward range expansion of coral habitats in response to sea surface temperature warming: A multiple climate model study. Galaxea, 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) Oshima, K. and Y. Tanimoto: Pacific Decadal Oscillation in IPCC AR4 20th century climate simulations. EGU General Assembly 2008, Vienna, Austria, April 2008.

2) 大島和裕，谷本陽一：CMIP3における北太平洋10年規模変動の再現性．日本気象学会2008年春季大会，横浜，2008年5月．

3) 大島和裕，谷本陽一：CMIP3気候モデルにおける北太平洋10年規模変動の再現性と将来予測. CMIP3マルチ気候モデル比較に関する研究会、仙台、2008年11月.

4) 屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕：地球温暖化に伴う水温上昇が南西諸島近海のサンゴに及ぼす影響評価．日本サンゴ礁学会第11回大会，静岡，2008年11月．

5) 大島和裕，谷本陽一：CMIP3気候モデルにおける北太平洋10年規模変動の再現性と将来予測. 日本気象学会2008年秋季大会，仙台，2008年11月.

6) Yara, Y., M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, H. Yamano, and K. Oshima: Projected effects
of global warming on coral reefs in seas close to Japan. Japan-France Workshop on Responses of Marine Ecosystems to Ocean Acidification and Changes in Environmental Conditions, Tokyo, December 2008.

7) Oshima, K. and Y. Tanimoto: An Evaluation in Reproducibility of Pacific Decadal Oscillation on the Simulations of CMIP3 Model. International Workshop on Global Change Projection: Modeling, Intercomparison, and Impact Assessment jointly with 2nd International Workshop on KAKUSHIN Program, 2009年2月.

8) 屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕：地球温暖化に伴う水温上昇がサンゴ分布に及ぼす影響評価．2009年度日本海洋学会春季大会，東京，2009年4月．

9) 大島和裕，谷本陽一：CMIP3気候モデルにおける北太平洋10年規模変動の将来予測．日本気象学会2009年春季大会，つくば，2009年5月．

10）屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕：地球温暖化に伴う水温上昇がサンゴ分布に及ぼす影響評価．日本地球惑星科学連合2009年大会，千葉，2009年5月．

11）屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕：地球温暖化に伴う水温上昇がサンゴ分布の北限に及ぼす影響評価とその不確実性．2009年度日本海洋学会秋季大会，京都，2009年9月.

12) Yara, Y., M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, H. Yamano, and K. Oshima: Projected effects of global warming on coral reefs in seas close to Japan, PICES 18th Annual Meeting, Korea, October 2009.

13）谷本陽一，梶谷卓志，岡島秀樹，大島和裕，謝尚平：大西洋赤道冷水舌が南アメリカ降水帯に与える影響：気候モデルにおける再現性．日本気象学会2009年度秋季大会，福岡，2009年11月.

14）屋良由美子，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉，大島和裕：地球温暖化に伴う水温上昇がサンゴ分布の北限に及ぼす影響評価とその不確実性．日本サンゴ礁学会第12回大会，沖縄，2009年11月．

15) Yara, Y., M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, H. Yamano, and K. Oshima: Projected effects of global warming on corals in seas close to Japan. 2010 Ocean Science Meeting, Oregon, February 2010.

16) Oshima, K. and Y. Tanimoto: Coherent spatial patterns of the decadal variation and warming trend in the North Pacific SST field in the CMIP3 simulations. 2nd International Workshop on Global Change Projection: Modeling, Intercomparison, and Impact Assessment jointly with 3rd International Workshop on KAKUSHIN Program, つくば, 2010年2月.

17) Yara, Y., M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, H. Yamano, and K. Oshima: Projected effects of global warming on corals in seas close to Japan. International Symposium on Climate Change Effects on Fish and Fisheries: Forecasting Impacts, Assessing Ecosystem Responses and Evaluating Management Strategies, 仙台, 2010年4月.

18）大島和裕，谷本陽一：北太平洋の水温場に見られる10年規模変動と温暖化トレンド：CMIP3マルチ気候モデルによる結果の解析．日本気象学会2010年春季大会，東京，2010年5月．

19）屋良由美子，大島和裕，藤井賢彦，山中康裕，岡田直資，山野博哉：地球温暖化に伴う海水
温上昇がサンゴ分布の北限に及ぼす影響評価とその不確実性．日本地球惑星科学連合2010年大会，つくば，2010年5月．

20) Yara, Y., K. Oshima, M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, and H. Yamano: Evaluating uncertainties in projected effects of global warming on corals in seas close to Japan. The Second Asia Pacific Coral Reef Symposium 2010, Thailand, June 2010.

21）大島和裕，谷本陽一：CMIP3マルチ気候モデルにおける環太平洋域の内部変動と温暖化トレンドの比較．日本気象学会2010年秋季大会，京都，2010年10月．

(22) Oshima, K., Y. Tanimoto, and S.-P. Xie: Regional differences of SLP and SST trend in the North Pacific based on CMIP3 multi-model projections. 2010 AGU fall meeting, San Francisco, December 2010.

(23) Yara, Y., M. Fujii, Y. Yamanaka, N. Okada, H. Yamano, and K. Oshima: Projected effects of global warming on corals in seas close to Japan (日本近海におけるサンゴへの地球温暖化の影響評価). 海洋酸性化に関するIPCC会合サイドイベント, 沖縄, 2011年1月.

24）大島和裕，谷本陽一，謝尚平：CMIP3マルチ気候モデルにおける冬季北太平洋の海面気圧トレンドにみられる地域差とその不確実性．日本気象学会2011年春季大会，東京，2011年5月．

25）末吉雅和，安田珠幾，大島和裕：CMIP3マルチモデルデータによるアリューシャン低気圧の再現性と将来変化の関係．日本気象学会2011年春季大会，東京，2011年5月．

26）大島和裕，末吉雅和，安田珠幾，岡田靖子，谷本陽一，謝尚平：CMIP3マルチ気候モデルを用いた北太平洋における大気・海洋の将来変化．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月.

27）末吉雅和，安田珠幾，大島和裕：地球温暖化に伴う日本付近の海面高度と海面気圧の将来変化．日本気象学会2011年秋季大会，名古屋，2011年11月.

28）末吉雅和，安田珠幾，大島和裕：地球温暖化に伴う日本付近の海面水位と海面気圧の将来変化．日本海洋学会2012年度春季大会，つくば，2012年3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) Alexander, M. A., I. Bladé, M. Newman, J. R. Lanzante, N. C. Lau, and J. D. Scott (2002):
The Atmospheric Bridge: The Influence of ENSO Teleconnections on Air-Sea Interaction over the Global Oceans. J. Climate, 15, 2205-2231.

2) Deser, C., A. S. Phillips, V. Bourdette, and H. Teng (2012): Uncertainty in climate change projections: The role of internal variability. Climate Dyn., 38, 527-546. doi:10.1007/s00382-010-0977-x.

3) 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. doi:10.1029/2005GL024961.

4) Mantua, N. J. and S. R. Hare (2002): The Pacific Decadal Oscillation. J. Oceanography, 58, 35-44.

5) Overland, J. E. and M. Wang (2007): Future climate of the North Pacific Ocean, Eos Trans. AGU, 88, 178, 182.

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

7) Xie, S.-P., C. Deser, G. A. Vecchi, J. Ma, H. Teng, and A. T. Wittenberg (2010): Global Warming Pattern Formation: Sea Surface Temperature and Rainfall. J. Climate, 23, 966–986.

8) Yamaguchi, K. and A. Noda (2006): Global Warming Patterns over the North Pacific: ENSO versus AO. J. Meteor. Soc. Japan, 84, 221-241.
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

(5) アジアモンスーンのモデル再現性と温暖化時の変化予測に関する研究

筑波大学 生命環境系 植田宏昭

<研究協力者>

筑波大学 生命環境系 井上知栄

平成19～23年度累計予算額：48,395千円

（うち、平成23年度予算額：10,054千円）

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) マルチ気候モデルにおける、夏季アジアモンスーンの季節進行の再現性について、観測データと照合することにより検証を行った。アジアモンスーンの広域的な特徴は、多くのモデルで概ね良く再現されているが、東アジアや西部北太平洋における対流圈下層風や北太平洋高気圧の位置などについては、モデル間で再現性の差異が確認された。この他、アジアモンスーンの気候場や季節進行などについて、各モデルの再現性に関する指標（メトリック）を作成し、定量的に明らかにした。このメトリックに基づく加重マルチモデル平均より、アジアモンスーン地域における対流圈下層西風の開始時期の将来変化を調べた結果、排出に関する特別報告書 (SRES)-A1Bシナリオでは21世紀末において、南シナ海周辺における西風の開始が20世紀末に比べ5～10日前後遅くなると予測された。温暖化時において、インド付近上空の対流圈上層における南北気温勾配の季節的反転の時期が遅れることが、南シナ海周辺における下層の西風開始の遅れと関係している。また、西部北太平洋における7月中・下旬の急激な対流活発化（対流ジャンプ）と、日本の梅雨明けとの関係に着目し、温暖化時の梅雨明けの遅れに関する物理過程を調べた。現在気候と将来気候の比較の結果、温暖化時の西部北太平洋における対流活発化域は現在より南東に位置し、対流ジャンプの発生が遅れることが確認された。また大気大循環モデルを用いた感度実験により、温暖化時における海面水温の昇温パターンの特徴が、対流ジャンプの位置の変化や発生時期の遅れをもたらし、日本の梅雨明けの遅れにとって重要な要因であることが示唆された。この他、エルニーニョー南方振動（ENSO）の気候場とその遷移過程との関係について解析を行い、中西部赤道太平洋の降水量の空間分布やその季節変化の再現性の向上が、ENSOの遷移プロセスにおいて重要であることを示唆する結果が得られた。

[キーワード] CMIP3マルチ気候モデル、アジアモンスーン、季節進行、梅雨明け、ENSO

### 1. はじめに

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、気候の将来予測には世界気候研究計画(World Climate Research Programme, WCRP)の第3期結合モデル国際比較プロジェクト(Coupled Model Intercomparison Project phase 3, CMIP3)に参加した20以上のマルチ気候モデルの計算
結果が用いられ、21世紀以降の気候の将来像が描出された。夏季アジアモンスーンに関しては、温暖化に伴いインド洋北部において夏季に卓越する対流圈下層の西風が弱化する一方で、降水量は増加することが、CMIP3マルチ気候モデルのアンサンブル平均において予測されており、その理由として、大気中の水蒸気量の増加に伴う降水量増加の影響が、モンスーン循環の弱化の影響を上回るためであることが示されている（Ueda et al. 2006 $ ^{5} $ ）。しかしこれらの気候モデルにおいて、アジアモンスーンに関する大気海洋諸現象の再現性の程度は個々のモデルにより異なっており、全モデルを単純に平均した予測では、信頼性に問題が残る。より信頼性の高い温暖化予測情報を提示するためには、着目する現象ごとに個々のモデルの再現性を評価した上で予測を行うことが重要である。アジアモンスーン地域は人口が集中し、また災害に対して脆弱であることから、降水量などの水資源に関して精度の高い将来予測が望まれている地域である。アジアモンスーンの季節進行の将来変化についてはKitoh and Uchiyama（2006） $ ^{1} $ などで示されているが、その物理過程については十分解明されておらず、その詳細な解析が期待されている。

本研究では、夏季アジア・西部北太平洋の気候平均場や季節進行について、CMIP3マルチ気候モデルにおける現在気候再現性を評価し、再現性の違いをもたらす要因についての考察を行った。また、現在気候再現性を評価した結果を基にして、加重マルチモデルアンサンプル平均による温暖化後のアジアモンスーン季節進行の将来変化について調べ、変化をもたらす物理過程について調べた。

### 2. 研究開発目的

観測に基づく現実データと、マルチ気候モデルとの比較解析から、アジアモンスーンの水・エネルギー循環について、気候モデル診断・相互比較プログラム（PCMDI）に集約された複数の結合モデル実験（CMIP3マルチ気候モデル）の再現性を評価する指標（メトリック）を作成するための切り口を開拓する。夏季アジアモンスーンの段階的な季節進行など、アジアモンスーンにとって重要と思われる諸現象が、モデルの中でどのように再現されているかという観点からメトリックを求め、再現性の違いをもたらす原因を解析する。これにより、アジアモンスーンに関係した諸現象の理解を深め、さらにそれら諸現象の発生メカニズムを踏まえた上で、アジアモンスーン地域における、より信頼性の高い温暖化予測情報を提示する。

### 3. 研究開発方法

25個のCMIP3マルチ気候モデルの20世紀再現実験(20C3M)の出力結果のうち、月平均値および日平均値を用いて、1981～99年の19年平均を対象として現在気候再現性比較を行った。ただし、いくつかのモデルにおいては、風の日データの出力値が提供されていないため、利用可能なモデルの数は解析対象などにより異なる。現在気候再現性の検証に用いるための観測データとして、CPC（Climate Prediction Centers）Merged Analysis of Precipitation（CMAP）の降水量データ、40 year ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）Reanalysis（ERA-40）再解析データの大気場データ、アメリカ海洋大気庁(NOAA)Extended Reconstructed SST version 3の海面水温（SST）データを用いた。空間分布再現性のメトリックとしては、Taylor（2001） $ ^{4)} $ により提示されたスキルスコアを用いた。各モデルの出力結果は格子点間隔が統一されていないため、S-5-2内のデータ共有ワーキンググループにより整備された、緯度2.5°×経度2.5°に格子
点間隔を統一したデータセットを用いて比較を行った。この他、日本における梅雨明けの将来変化に対するSSTの昇温分布の影響を調べるため、気象研究所の大気海洋結合モデル（MRI-CGCM2.3.2）の大気大循環モデル（AGCM）部分を用い感度実験を行った。

## 4 ．結果及び考察

## （１）夏季アジア・西部北太平洋モンスーンの気候平均場と季節進行の現在気候再現性比較

## 1 ）夏季アジア・西部北太平洋モンスーンの気候平均場の再現性

アジアモンスーン地域における夏季の降水量・対流圏下層風・対流圏上層風の現在気候における空間分布再現性について、Taylorのスキルスコアを計算した。モデルごとの降水量のスコアと下層風のスコアには高い正の相関がみられ、下層風の空間分布再現性が高いモデルは降水量の再現性も高い傾向があることが確認された。また上層風と下層風および降水量の空間分布再現性にも高い正相関がみられ、夏季アジアモンスーンの降水量の空間分布再現性の良いモデルはモンスーン循環の空間パターンの再現性も概ね良い傾向にある。夏季（6～8月）平均における850 hPa東西風の境界を比較すると、再現性指標の低いモデルにおいては、観測に比べて西部北太平洋における西風の領域が日付変更線を越えて東まで広がり過ぎるものや、逆にベンガル湾付近までしか到達しないものが存在し、夏季に下層風が西風となる領域はモデルにより、大きく異なる。太平洋高気圧のリッジに相当する日本の南方海上の南東風と南西風の境界は、観測より北に位置するモデルが多い。

## 2 ）南シナ海および西部北太平洋における対流活動の段階的な東進の現在気候再現性

フィリピンおよびその周辺にあたる西部北太平洋モンスーン地域においては、5月半ばから7月半ばにかけて、ほぼ1カ月の間隔で段階的に対流活動が東進することが知られている（Ueda et al. 2009 $ ^{6} $ ）など）。この段階的な対流活動の東進のタイミングが再現されているかどうかを調べるため、南シナ海および西部北太平洋における対流活動と対流圈下層の西風域の東進の様子を比較した結果を図(5)-1に示す。降水域と下層西風域がそれぞれ東進する傾向は、ほぼすべてのモデルで再現されているが、その速度はモデルにより大きく異なる。降水域や西風領域が観測よりも東に拡大するモデルが多く存在し、いくつかのモデルでは日付変更線を越えたところまで降水域が広がる。このようなモデルでは、降水域の東進する傾向よりも、赤道付近の熱帯収束帯が徐々に北進する傾向がある。南シナ海および西部北太平洋における夏季モンスーンの段階的な東進は、1つの段階における対流活動の活発化が大気海洋相互作用を通して、次の段階の対流活発化に影響を与えることで生じるが、このような段階的な対流活発化を再現できていないモデルは、この領域における海洋性モンスーンの諸過程が十分に再現できていない可能性がある。

## （２）夏季アジアモンスーンの開始の再現性と下層西風開始日の将来変化

現在気候では、インド洋北部からチベット高原にかけての領域において、5月中旬頃に対流圏中上層の気温の南北傾度が逆転し、夏季アジアモンスーンの広域的な開始に相当する季節変化が生じる（Li and Yanai, 1996 $ ^{2)} $ ）。アジア大陸上空（0°～50°N、30°～140°Eの領域）の5月中旬における300 hPa気温の季節変化量（20C3Mの1981～99年の19年平均値）について、19個のCMIP3マルチ気候モデルにおけるTaylorのスキルスコアを計算した結果、再現性にある程度の差異が確認された。このスキルスコアに比例する値を重み付けの係数に用い、20C3M（1981～99年）と、SRES-A1B
図(5)-1 南シナ海および西部北太平洋における降水量（陰影）と対流圈下層（850 hPa）のモンスーン西風（矢印）の経度時間断面の比較。上から観測（0bs.）、個々の各モデル、18モデルのアンサンブル平均の結果で、個々のモデルにおいて、上段が5月16日～6月14日平均、中段が6月15日～7月14日平均、下段が7月15日～8月13日平均であり、陰影は15°～20° N平均において降水量5mm day $ ^{-1} $ となる領域、矢印は10°～15° N平均の850 hPaの東風領域と西風領域の境界の移動を表す。

シナリオの将来変化（2081～99年）の夏季モンスーン循環場の比較を行った。図(5)-2に850 hPaにおける西風開始日の変化分布を示す。特に4月後半や5月に西風が開始する、ベンガル湾南部から南シナ海の地域にかけて、5～10日以上遅くなる。これは降水量に基づく雨季開始日の将来変化に関する研究（Kitoh and Uchiyama, 2006 $ ^{1} $ ）とも整合的である。地球温暖化に伴う対流圈上層の気温変化量は、チベット高原上空より赤道付近の上昇の方が大きい（Ueda et al. 2006 $ ^{5} $ ）ことから、温暖化により熱帯収束帯でより降水が集中し、そこでの積雲対流による凝結熱加熱に伴って、対流圈上層では赤道付近の昇温がアジア大陸上空より大きくなるため、夏季アジアモンスーンの広域的な循環の成立が遅くなった可能性が考えられる。

## （３）温暖化時の梅雨明けと広域SST昇温パターンとの関係

CMIP3マルチモデルにおける20C3M（1981～99年の19年平均値）における日本中西部の降水量の季節進行を観測データと比較し、その再現性を調べた。観測データでは日本中西部（30°～37.5°N、125°～145°Eで平均した領域、以下BAIU領域とする）において、7月中旬頃に梅雨明けに伴う降水量の減少が生じるが、CMIP3モデル群の中には、この時期に必ずしも降水量が減少しないモ
図(5)-2 19個のCMIP3モデルの加重平均に基づく、850 hPaの西風開始日の、20C3M（1981～99年）を基準としたSRES-A1Bシナリオ（2081～99年）の将来変化量。20C3Mにおいて、3～8月に西風が開始する（領域実線で囲んだ範囲）を比較対象とし、濃い陰影ほど変化量が大きく、斜線が入った（入っていない）グリッドは開始が早く（遅く）なる。黒（白）丸は3分の2以上のモデルで一致して西風開始日が早まる（遅れる）と予測しているグリッドを表す。

デルも存在する。BAIU領域で平均した、第25～49半旬（5～8月にほぼ相当）における、半旬降水量の季節変化パターンについて、CMAPの降水量を基準としてTaylorのスキルスコアを計算した。18個のうち5つのモデルは、梅雨季の6～7月に降水量のピークが現れず負相関となるなど、現在気候の再現性に大きなばらつきが存在することが確認された。

このスキルスコアに比例する値を重み付けの係数に用い、現在気候と将来変化の比較を行った。ただしCMAPとの相関係数が負となる5つのモデルについては、梅雨明け半旬を決定できなかったため除外し、13個のモデルの重みづけ平均を用いた。その結果、SRES-A1Bシナリオの21世紀末（2081～99年の平均）において、20C3Mにおける1981～99年の平均に比べ、BAIU領域の梅雨明けが10日程度遅れる。個々のモデルにおける同様の比較でも、全体の4分の3のモデルでBAIU領域の梅雨明け時における降水量の減少が遅れると予測された。2つの年代における梅雨明け時の大気循環場を比較した結果、西部北太平洋における対流活発化域は現在より南東方向ヘシフトし、対流ジャンプの発生が遅れる。温暖化時には赤道太平洋および北太平洋亜熱帯域において、海面水温が周囲の海域より上昇すると予測されている。このような温暖化時の海面水温の昇温パターンを与えた大気大循環モデルによる感度実験を行った結果、CMIP3モデルの加重マルチモデル平均と同様に、対流活発化域が南東ヘシフトし、BAIU領域の梅雨明けに伴う降水量減少が遅れる傾向が確認された。また、赤道太平洋に正偏差のピークが存在するエルニーニョ型のSST偏差を与えたAGCM実験においても同様の傾向が明瞭に現れ、北太平洋亜熱帯域のみにSST正偏差を与えた実験でも、弱いながら日本の梅雨明けが遅れる傾向が認められた。これらの結果を総合すると、図(5)-3の模式図に示すように、温暖化時の海面水温昇温パターンの空間的差異に伴う対流ジャンプの位置の変化や発生の遅れが、亜熱帯起源のテレコネクション（遠隔応答）を通して、温暖化時における日本の梅雨明けの遅れにとって重要な要因であると考えられる。
図(5)-3 温暖化時のSST昇温パターンと西部北太平洋の対流活動および日本の梅雨明けの変化を表す模式図。温暖化時には赤道中東部太平洋において昇温のピークが存在し、また北太平洋亜熱帯域中部においても比較的昇温量が大きい。このパターンが西部北太平洋の対流活発化の南東偏および対流ジャンプの遅れをもたらし、亜熱帯起源のテレコネクションを通して日本の梅雨明けが遅れると考えられる。

## （４）CMIP3マルチ気候モデルにおけるENSOの遷移の非対称性の再現性比較

現在気候の観測データに基づく研究では、エルニーニョは北半球冬季にピークを迎えた後すぐに衰退する傾向があるのに対し、ラニーニャは次の北半球冬季まで持続しやすい傾向があることが近年指摘されている（Ohba and Ueda, 2009 $ ^{3} $ ）。そこで、CMIP3マルチ気候モデルの20C3M実験（1900～99年）における、Niño 3.4指数（5° S～5° N、120°～170° Wの領域で平均した海面水温の平年力の偏差）の、北半球冬季（12～2月）と次の年の冬季とのラグ自己相関係数を、Niño 3.4指数の正負年で分けて計算した。その結果、上記のエルニーニョ年・ラニーニャ年の両方で観測と類似の傾向を示すモデルはあまり多くないことが確認された。

エルニーニョの遷移性を比較的良く再現する4つのモデルと、遷移性の再現が低い5つのモデルのそれぞれについてコンポジット解析を行った。その結果赤道上の冷舌（低海面水温域）が強く、西太平洋の降水が弱いモデルでは、エルニーニョ発生時に降水量偏差が観測に比べて西にシフトしている傾向が確認された。これらのモデルではエルニーニョの遷移プロセス（赤道風の減速と西太平洋振動子）が発動できないため、観測に比べてエルニーニョの遷移性が弱くなってしまうと考えられる。一方、ラニーニャの持続性を良く再現するモデルは、エルニーニョの遷移性の再現の良さと必ずしも一致していない。再現性の高い4モデルと低い4モデルについて、エルニーニョの遷移性と同様にコンポジット解析を行った。その結果、ラニーニャの持続性の再現には、赤道中西部太平洋上の降水量の季節変化の再現性が重要であることが分かった。降水量の気候値が北半球の冬から春にかけて減少するモデルでは、暖水ケルビン波の発生を介してラニーニャからエルニーニョへ遷移してしまう傾向が強いことが確認された。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

国内外20以上の気候モデルで計算された温暖化予測データに基づき、アジア・西部北太平洋地