過去から将来を読み解く
古気候モデリングによる挑戦
2015.7.7
1. 過去の地球で何が起きていた？
世界の気候は、絶えず変動を続けています。21世紀に入り、地球温暖化は進行し続け、2014年の世界年平均気温は観測開始以降1位を記録しました（気象庁）。進みゆく気候の変化を、気候モデルは正しく予測することができるのでしょうか。
近年の地球温暖化に限らず、過去の地球では大きな気候の変動が繰り返されてきました（図1）。南北両半球の高緯度に大きな大陸氷床が存在し、その量の多寡によって世界全体の気候が大きく変動していた、第四紀の気候変動を氷期・間氷期サイクルと呼びます。最も最近の氷期のピークは最終氷期極大期（Last Glacial Maximum; LGM）と呼ばれ、北半球高緯度は巨大な氷床に覆われていました。この時代には大陸規模での大気の温度勾配の変化により、アジアモン スーンも大きく変調していたと考えられています（Ueda et al. 2011）。一方、温暖な時代として、新第三紀の鮮新世中期温暖期、古第三紀の始新世前期温暖期などが挙げられ、気候変動に関する政府間パネル第5次評価報告書でも大きく取り上げられています（図1）。
このうち、330万年前から300万年前にかけての鮮新世中期温暖期は、大陸の配置が現在とほぼ同じでありながら、大気中の二酸化炭素濃度が現在（21世紀初頭）と同程度に高く、世界全体の気温が1〜2度程度高かったと考えられています。この時代、気候が現在とどのように違っていたのかを知ることができれば、将来、地球温暖化が進行したときに、何が起こるのかを知る手がかりが得られるかも知れません。また、今日、将来の気候がどのように変化するのかを調べるために使われている気候モデルを用いて、この時代の古気候をシミュレーションし、その再現性を検証することで、気候モデルによる将来の気候変化予測の信頼性を調べることができる可能性があります。
世界の気候は、絶えず変動を続けています。21世紀に入り、地球温暖化は進行し続け、2014年の世界年平均気温は観測開始以降1位を記録しました（気象庁）。進みゆく気候の変化を、気候モデルは正しく予測することができるのでしょうか。
近年の地球温暖化に限らず、過去の地球では大きな気候の変動が繰り返されてきました（図1）。南北両半球の高緯度に大きな大陸氷床が存在し、その量の多寡によって世界全体の気候が大きく変動していた、第四紀の気候変動を氷期・間氷期サイクルと呼びます。最も最近の氷期のピークは最終氷期極大期（Last Glacial Maximum; LGM）と呼ばれ、北半球高緯度は巨大な氷床に覆われていました。この時代には大陸規模での大気の温度勾配の変化により、アジアモン スーンも大きく変調していたと考えられています（Ueda et al. 2011）。一方、温暖な時代として、新第三紀の鮮新世中期温暖期、古第三紀の始新世前期温暖期などが挙げられ、気候変動に関する政府間パネル第5次評価報告書でも大きく取り上げられています（図1）。
このうち、330万年前から300万年前にかけての鮮新世中期温暖期は、大陸の配置が現在とほぼ同じでありながら、大気中の二酸化炭素濃度が現在（21世紀初頭）と同程度に高く、世界全体の気温が1〜2度程度高かったと考えられています。この時代、気候が現在とどのように違っていたのかを知ることができれば、将来、地球温暖化が進行したときに、何が起こるのかを知る手がかりが得られるかも知れません。また、今日、将来の気候がどのように変化するのかを調べるために使われている気候モデルを用いて、この時代の古気候をシミュレーションし、その再現性を検証することで、気候モデルによる将来の気候変化予測の信頼性を調べることができる可能性があります。
図1. 過去の気候変動および将来の気候変化予測。時系列図は世界の氷床量の変動を示唆する酸素同位体比の記録（Lisiecki and Raymo 2005）および大気中二酸化炭素濃度の復元結果（Masson-Delmotte et al. 2013）。平面図は地上気温と海面水温を現在と比較したもの（Masson-Delmotte et al. 2013）。
2. 過去の気候を再現する
過去の気候を復元・再現するには大変な手間がかかります。鮮新世中期温暖期の場合、当時の気候を知る鍵となる主な代替指標は、動物プランクトン、植物プランクトン、花粉、葉の化石です（図2）。海底深く掘り下げて採取される海底堆積物や、陸上の湖沼堆積物から得られるこれらのデータを一つ一つ精査し、この時代の期間に相当するものだけを世界中から集めることで、空間的な古気候データセットを作成することができます。データの存在しない領域の値は、統計的な関係や物理モデルによって補われますが、その値には大きな不確実性が含まれます。
このように作成された空間的な古気候の情報を、コンピュータを用いた気候モデルの実験設定（初期値、境界条件）に反映させ、数値積分を繰り返すことで、当時の3次元的な気候の再現を行うことができます。このとき、気候モデルは世界各国で独自に開発された複数種類のものが存在するため、気候モデルの性能や性質の違い、実験設定をどのように反映させるか（例えばモデルの中での陸上の植生の種類分けの方法など）の違い、などに起因した不確実性が生じます。
気候モデルによって再現された気候の情報を、何らかの手法によって当時の古気候代替指標と比較できる情報に変換する（例えば気候条件から当時の潜在自然植生を植物生理学的に推定する）ことによって、再現結果を代替指標データと比較することが可能になります。これは、検証不可能な将来の気候変化予測と違い、過去の再現結果は「検証が可能である」ことを意味しています。従って、気候モデルの再現性能をある程度評価することが可能です。
過去の気候を復元・再現するには大変な手間がかかります。鮮新世中期温暖期の場合、当時の気候を知る鍵となる主な代替指標は、動物プランクトン、植物プランクトン、花粉、葉の化石です（図2）。海底深く掘り下げて採取される海底堆積物や、陸上の湖沼堆積物から得られるこれらのデータを一つ一つ精査し、この時代の期間に相当するものだけを世界中から集めることで、空間的な古気候データセットを作成することができます。データの存在しない領域の値は、統計的な関係や物理モデルによって補われますが、その値には大きな不確実性が含まれます。
このように作成された空間的な古気候の情報を、コンピュータを用いた気候モデルの実験設定（初期値、境界条件）に反映させ、数値積分を繰り返すことで、当時の3次元的な気候の再現を行うことができます。このとき、気候モデルは世界各国で独自に開発された複数種類のものが存在するため、気候モデルの性能や性質の違い、実験設定をどのように反映させるか（例えばモデルの中での陸上の植生の種類分けの方法など）の違い、などに起因した不確実性が生じます。
気候モデルによって再現された気候の情報を、何らかの手法によって当時の古気候代替指標と比較できる情報に変換する（例えば気候条件から当時の潜在自然植生を植物生理学的に推定する）ことによって、再現結果を代替指標データと比較することが可能になります。これは、検証不可能な将来の気候変化予測と違い、過去の再現結果は「検証が可能である」ことを意味しています。従って、気候モデルの再現性能をある程度評価することが可能です。
図2. 古気候の代替指標と古気候モデリングとの関係。モデルシミュレーションの結果を代替指標と比較する（データ・モデル比較）ことで、気候モデルによる再現結果の検証が可能になります。図は鮮新世中期の気候復元の例。それぞれSohl et al. (2009)、Salzmann et al. (2008)、Dowsett et al. (2013)、Haywood et al. (2010)より。
3. 鮮新世中期のデータ・モデル比較
鮮新世中期の空間的な古気候復元と古気候シミュレーションは、国際相互比較プロジェクトPlioMIPの枠組みのもとで実施されました。筑波大学生命環境科学研究科は気象庁気象研究所と共同研究を実施し、気象研究所気候モデルを用いてPlioMIP相互比較実験に参加しました（詳細はPlioMIPホームページ参照）。PlioMIPは日本を含む7ヶ国の研究機関が参加し、その結果を相互に比較するとともに、データ・モデル比較を実施することで、当時の気候の謎を解き明かすとともに、将来の気候変化予測に用いられている世界中の気候モデルが持つ問題点を洗い出すことを目指しました。その結果は多数の研究論文にまとめられています（下記参照）。
2013年にNature Climate Changeから出版された論文（Salzmann et al. 2013）では、潜在自然植生モデルBIOME4を活用して、気候モデルによる気候の再現結果を当時の花粉などのデータと比較し、陸上の気温の再現性を検証しました。その結果、気候モデルの間で大きな再現結果のばらつきが認められるにも関わらず、古気候代替指標が示す気温は、その範囲外に存在する ケースがある（特に北半球中高緯度）ことがわかりました。その原因を検証した結果、気候モデルの境界条件として設定している陸面の植生分布に問題がありそうなこと、また対象とする時期の設定によって結果が大きく左右されることがわかりました。現時点では、様々な不確実性が大きな状況であり、残念ながら当時の気候を完全に解明したり、気候モデルの問題点を抽出するには至っていません。しかしながら、今回の国際プロジェクトで明らかになった問題に協力して取り組むことで、大きな目標に一歩近づけるのではないかと考えています。筑波大学（植田・釜江研）では、今後も気象庁気象研究所、および世界各国の研究機関と協力しながら、この研究課題に取り組んでゆきます。
発表論文
参考文献、ウェブサイト
鮮新世中期の空間的な古気候復元と古気候シミュレーションは、国際相互比較プロジェクトPlioMIPの枠組みのもとで実施されました。筑波大学生命環境科学研究科は気象庁気象研究所と共同研究を実施し、気象研究所気候モデルを用いてPlioMIP相互比較実験に参加しました（詳細はPlioMIPホームページ参照）。PlioMIPは日本を含む7ヶ国の研究機関が参加し、その結果を相互に比較するとともに、データ・モデル比較を実施することで、当時の気候の謎を解き明かすとともに、将来の気候変化予測に用いられている世界中の気候モデルが持つ問題点を洗い出すことを目指しました。その結果は多数の研究論文にまとめられています（下記参照）。
2013年にNature Climate Changeから出版された論文（Salzmann et al. 2013）では、潜在自然植生モデルBIOME4を活用して、気候モデルによる気候の再現結果を当時の花粉などのデータと比較し、陸上の気温の再現性を検証しました。その結果、気候モデルの間で大きな再現結果のばらつきが認められるにも関わらず、古気候代替指標が示す気温は、その範囲外に存在する ケースがある（特に北半球中高緯度）ことがわかりました。その原因を検証した結果、気候モデルの境界条件として設定している陸面の植生分布に問題がありそうなこと、また対象とする時期の設定によって結果が大きく左右されることがわかりました。現時点では、様々な不確実性が大きな状況であり、残念ながら当時の気候を完全に解明したり、気候モデルの問題点を抽出するには至っていません。しかしながら、今回の国際プロジェクトで明らかになった問題に協力して取り組むことで、大きな目標に一歩近づけるのではないかと考えています。筑波大学（植田・釜江研）では、今後も気象庁気象研究所、および世界各国の研究機関と協力しながら、この研究課題に取り組んでゆきます。
発表論文
- Howell, F. W., A. M. Haywood, B. L. Otto-Bliesner, F. Bragg, W.-L. Chan, M. A. Chandler, C. Contoux, Y. Kamae, A. Abe-Ouchi, N. A. Rosenbloom, C. Stepanek, and Z. Zhang: Arctic sea ice in the PlioMIP ensemble: is model performance for modern climates a reliable guide to performance for the past or the future? Clim. Past, submitted, doi:10.5194/cpd-11-1263-2015. [Link]
- Dolan, A. M., S. J. Hunter, D. J. Hill, A. M. Haywood, S. J. Koenig, B. L. Otto-Bliesner, A. Abe-Ouchi, F. Bragg, W.-L. Chan, M. A. Chandler, C. Contoux, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, L. Sohl, C. Stepanek, H. Ueda, Q. Yan, and Z. Zhang, 2015: Using results from the PlioMIP ensemble to investigate the Greenland Ice Sheet during the mid-Pliocene warm period. Clim. Past, 11, 403-424. [Link]
- Hill, D. J., A. M. Haywood, D. J. Lunt, S. J. Hunter, F. J. Bragg, C. Contoux, C. Stepanek, L. Sohl, N. A. Rosenbloom, W-L. Chan, Y. Kamae, Z. Zhang, A. Abe-Ouchi, M. A. Chandler, A. Jost, G. Lohmann, B. L. Otto-Bliesner, G. Ramstein, and H. Ueda, 2014: Evaluating the dominant components of warming in Pliocene climate simulations. Clim. Past, 10, 79-90. [Link]
- Salzmann, U., A. M. Dolan, A. M. Haywood, W.-L. Chan, J. Voss, D. J. Hill, A. Abe-Ouchi, B. Otto-Bliesner, F. Bragg, M. A. Chandler, C. Contoux, H. J. Dowsett, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, S. J. Pickering, M. J. Pound, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, L. Sohl, C. Stepanek, H. Ueda, and Z. Zhang, 2013: Challenges in quantifying Pliocene terrestrial warming revealed by data-model discord. Nature Clim. Change, 3, 969-974. [Link]
- Zhang, R., Q. Yan, Z. S. Zhang, D. Jiang, B. L. Otto-Bliesner, A. M. Haywood, D. J. Hill, A. M. Dolan, C. Stepanek, G. Lohmann, C. Contoux, F. Bragg, W.-L. Chan, M. A. Chandler, A. Jost, Y. Kamae, A. Abe-Ouchi, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, L. Sohl, and H. Ueda, 2013: Mid-Pliocene East Asian monsoon climate simulated in the PlioMIP. Clim. Past, 9, 2085-2099. [Link]
- Zhang, Z.-S., K. H. Nisancioglu, M. A. Chandler, A. M. Haywood, B. L. Otto-Bliesner, G. Ramstein, C. Stepanek, A. Abe-Ouchi, W.-L. Chan, F. J. Bragg, C. Contoux, A. M. Dolan, D. J. Hill, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, N. A. Rosenbloom, L. E. Sohl, and H. Ueda, 2013: Mid-pliocene Atlantic Meridional Overturning Circulation not unlike modern. Clim. Past, 9, 1495-1504. [Link]
- Dowsett, H. J., K. M. Foley, D. K. Stoll, M. A. Chandler, L. E. Sohl, M. Bentsen, B. L. Otto-Bliesner, F. J. Bragg, W.-L. Chan, C. Contoux, A. M. Dolan, A. M. Haywood, J. A. Jonas, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, K. H. Nisancioglu, A. Abe-Ouchi, G. Ramstein, C. R. Riesselman, M. M. Robinson, N. A. Rosenbloom, U. Salzmann, C. Stepanek, S. L. Strother, H. Ueda, Q. Yan, and Z. Zhang, 2013: Sea surface temperature of the mid-Piacenzian ocean: A data-model comparison. Scientific Reports, 3, 2013, doi:10.1038/srep02013. [Link]
- Haywood, A. M., D. J. Hill, A. M. Dolan, B. L. Otto-Bliesner, F. Bragg, W.-L. Chan, M. A. Chandler, C. Contoux, H. J. Dowsett, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, A. Abe-Ouchi, S. J. Pickering, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, U. Salzmann, L. Sohl, C. Stepanek, H. Ueda, Q. Yan, and Z. Zhang, 2013: Large-scale features of Pliocene climate: results from the Pliocene Model Intercomparison Project. Clim. Past, 9, 191-209. [Link]
- Kamae, Y., and H. Ueda, 2012: Mid-Pliocene global climate simulation with MRI-CGCM2.3: set-up and initial results of PlioMIP Experiments 1 and 2. Geosci. Model Dev., 5, 793-808. [Link]
- Kamae, Y., and H. Ueda, 2011: Evaluation of simulated climate in lower latitude regions during the mid-Pliocene warm period using paleovegetation data. SOLA, 7, 177-180, doi:10.2151/sola.2011-045. [Link]
- Kamae, Y., H. Ueda, and A. Kitoh, 2011: Hadley and Walker circulations in the mid-Pliocene warm period simulated by an atmospheric general circulation model. J. Meteor. Soc. Japan, 89, 475-493. [Link]
参考文献、ウェブサイト
- Haywood, A. M., et al. 2010: Pliocene Model Intercomparison Project (PlioMIP): experimental design and boundary conditions (Experiment 1). Geosci. Model Dev., 3, 227-242.
- 気象庁 世界の年平均気温 Link
- Lisiecki, L. E., and M. E. Raymo, 2005: A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic d 18O records. Paleoceanography, 20, PA1003, doi:10.1029/2004PA001071.
- Masson-Delmotte, V., et al. 2013: Information from Paleoclimate Archives. In:Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F. et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 383-464.
- PlioMIP2 Link
- Salzmann, U., A. M. Haywood, D. J. Lunt, P. J. Valdes, and D. J. Hill, 2008: A new global biome reconstruction and data-model comparison for the Middle Pliocene. Glob. Ecol. Biogeogr., 17, 432-447.
- Sohl, L. E., et al. 2009: PRISM3/GISS topographic reconstruction. U.S. Geological Survey Data Series, 419, 6 pp.
- Ueda, H., H. Kuroki, M. Ohba, and Y. Kamae, 2011: Seasonally asymmetric transition of the Asian monsoon in response to ice age boundary conditions. Clim. Dyn., 37, 2167-2179.
