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地球環境変化予測のための
地球システム統合モデルの開発
松野太郎
地球環境フロンティア研究センター
海洋研究開発機構
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
「地球システム統合モデル」の構造
成層圏への拡張
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
大気海洋結合炭素循環モデルによ
る温暖化実験
地表面気温→4度上昇
温暖化と炭素循環の相互作用なし
CO2濃度将来予測
土壌炭素の分解が促進されることによるフィードバック
130ppm
温暖化と炭素循環の相互作用あり
地表からのCO2フラックス
（2100年）
[ugC/m2/s]
（温暖化と炭素循環との相互作用があるときとないときとの差）
海表面二酸化炭素分圧(2100年）
（温暖化と炭素循環との相互作用があるときとないときとの差）
要因別に分解
温塩全 ア合
度分炭 ル計
酸カ
リ
度
C4MIP参加→IPCCへの貢献
(Coupled Climate - Carbon Cycle Model Intercomparison Project)
IPSL-CM4-LOOP
IPSL-CM2C
Bern-CC
Friedlingstein et al. (2005, JC, in press)
プレスリリース
地表気温とCO2の年々変動
Obs. (Keeling et al., 1989)
-> time lag: 1yr
Model
-> time lag: 2yr
土地利用変化（LUC）による炭素放出量
110
90
latitude
80
放出量
多い
70
60
50
40
30
全球100年間総量
49.2 Pg C
20
莫大な量
10
0
longitude
100年間の積算量(1900-1999)
Carbon emission (Mg C ha -1)
100
全球炭素フラックス (Pg C yr-1)
20世紀における陸域炭素フラックスの変化
・NPP、HRともに10％
程度上昇
NPP
・NEPはほぼ正
HR
→陸域が炭素シンク
NEP
NEP - LUC efflux
・LUCを考慮すると、
陸域はたびたび炭素
ソース
→LUCの影響大
year
全球積算 NPP(純一次生産), HR(従属栄養生物呼吸),
NEP(生態系純生産) and NEP-LUCefflux(土地利用
変化による放出)
大気CO2濃度の年々変化
Table. 全球炭素収支
(1980-1989; PgC/yr)
化石燃料
本研究
Total
実測値
陸域
海洋
全球平均大気CO2濃度
(ppmv; 1959-1999）
Houghton (2003)
化石燃料
+5.39
+5.40
海洋
-2.16
-1.70
陸域生態系
-0.53
-2.40
土地利用変化
+0.56
+2.00
Total
+3.26
+3.30
・Totalは実測値によく一致
・陸域は大気CO2に中立的な振舞
・しかし、その内訳は文献値と異なる
→ 文献値が過大評価の可能性
開発中の DGVMの特長
木本については個体ベースで扱う
空間的に明示的な林分の中で
木本個体は光を巡り競争を行う
これらの特長により、気候変動に伴う植生変動の速度を適切に予測できる。
相観のシミュレーション結果（＠熊本県）
１年後
３０年後
Preliminary result
１００年後
温帯性
常緑針葉樹
更地から開始
針広混合林
広葉樹の優占林
温帯性
常緑広葉樹
モデル出力例１
自然植生
(現在の気候条件におけ
る植生分布)
SEIB-DGVMの出力
主な問題点： (1) 熱帯と温帯では、森林帯が乾燥域にまで分布してしまう
(2) 寒帯では、常緑林の分布を過小に評価してしまう
モデル出力例２ (NPPの分布)
１７種のモデルの平均値(IGBP)
0
100
200
300
400
500
600
SEIB-DGVMの出力
700
800
900
1000
(g C / m2 / year)
他モデルとの比較：全体的な分布パターンは一致するも
のの、SEIB-DGVMは、寒帯域でより大きな値を、乾燥域
ではより小さな値を出力した。
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
大気化学モデル (CHASER)
取り扱い化学種：53 種
(ozone, NOx, etc.）
高度約 20 km までの化
学反応を扱う
 成層圏へ拡張予定
化学モデルによるIPCC-AR4実験：モデルアンサンブルの中での位置づけ
 対流圏オゾンの放射強制力分布
Gauss et al. [2005]
Future Simulation of O3/ CH4/ Aerosols on ES
Temporal Evolution : Ozone Strato./Tropo. Exchange （TgO3/yr)
Temporal Evolution : Tropospheric Ozone Burden (TgO3)
CHASER の成層圏・中間圏への拡張
+ CHASER 成層圏化学： [T42L80: surface~80km]
統合モデルに組み込み済み
・光解離定数計算の改良（成層圏対応）
・ハロゲン系化学の導入（ClOx and BrOx）
based on the CCSR/NIES stratospheric chemistry GCM：
HCl, ClONO2, HOCl, Cl2, ClNO2, CCl4, CFC11, CFC12,
CFC113, HCFC22, CH3CCl3, CH3Cl
: (ex., Cl-species)
・オゾンホール化学の導入
PSCs上での不均一反応
[Nagashima et al, 2001/ Sessler et al, 1996]
・大気球面効果の取り扱い [Kurokawa et al., 2005]
・非地形性重力派 (FRCGC ES-model development)
: parameterization with high resolution simulations (T213L250)
・成層圏エアロゾルの導入 [Takigawa et al., 2003]
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
モデル上端の拡張
－帯状平均東西風－
12月－2月
6月－8月
観測
モデル
赤道上の帯状平均東西風
4年間で反転が3回 周期が短すぎる
引き続き チューニングが必要
計算の高速化
• 大気の分割を、緯度方向のMPI並列に加えて、
鉛直方向にノード内並列を併用(鉛直80層÷8)。
• 1ヶ月の積分にかかる時間を比較した。
• 成層圏化学過程を含まない現時点では、合計10
ノードを使用するのが、もっとも効率がよい。
大気
4
MPI並列
Hybrid並列 8
Hybrid並列 16
海洋
2
2
2
実行時間
2870 sec
1688 sec
1191 sec
比
100%
58%
41%
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
観測標高や面積など
よく再現している
観測標高分布
氷床モデル再現
1990 年からの標高差
at 3000
グリーンランド温暖化実験
MIROC mid → IcIES 20km (off line)
IPCC AR4 run の結果を氷床モデルに入力→海水準上昇への寄与
実験設定
グリーンランド氷床上の
夏平均気温
体積変化時系列
現在再現
定常解氷床分布
A1B Tfix
A1B Sfix
氷床気候双方向結合に向けて
オフライン実験で考慮していない効果
•アルベド低下→体積変化加速
•融解水の変化→海洋への淡水供給の変化→？
• オンライン結合モデルによる温暖化実験
– 倍増、4倍増、各シナリオ実験
– 温暖化安定化後の氷床の振る舞い
百年、数百年スケールの海水準上昇への氷床
の効果をより詳細に検討する
共生２ー地球システム統合モデルの開発
• ４つのサブテーマ
– 「全球炭素循環モデル開発」
• 陸域炭素循環モデル
• 海洋生物地球化学モデル
• 陸域生態系変動モデル
– 「大気組成・気候変化結合モデル開発」
• 温暖化・大気組成変化相互作用モデル
• 温暖化-雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
– 「寒冷圏モデル開発」
– 「気候物理コアモデル改良」
温暖化－雲・エアロゾル・放射
フィードバック精密評価
温暖化
H2O増加
雲の反射率
増加？
精密評価
上昇流変化
粒径変化
数密度変化
次世代大気大循環モデル
世界初の雲解像大気大循環モデル（ＮＩＣＡＭ）の開発に協力
水惑星条件での実験
ひまわり6号画像
3.5 km モデル
熱帯のスコールライン実験
全球120km格子
 全球12km格子
– 地球の半径の軽減
• e.g. R=6400km  640km
– 水平方向にストレッチ格子の使用
• 興味ある領域に格子を集める
– Schmidt 変換
» 等方性を保証する変換
全球12km格子
 局所的1.2km格子
Preliminary Results
wind shear
北緯3度での断面
青色：雲水量、赤色：雨水量
現在、デバッグの最終段階
計算コスト低減のためにビン数を減らしてテスト中
今後、ビン数をさらに増やして実験の予定
今年度成果のまとめ（１）
•現実的な成層圏循環の再現成功
•コード高速化作業完了
成層圏への拡張
大気化学モデル
•IPCC 向けプロジェクトに参加→モデル相互比
較解析に貢献
•成層圏化学過程の導入：着実に進行
動的植生モデル
•全球スケールでの実験完了→論文投稿
炭素循環モデル
•温暖化実験完了→有意な正のフィードバック（C4MIP、IPCCへの貢献）
•土地利用変化も含めた、２０世紀中の炭素収支計算→論文準備中
今年度成果のまとめ（２）
• 大気海洋－氷床結合モデルコード完成
• 温暖化による氷床融解に伴う海面上昇評価→従
来の評価と同程度
• 全球雲解像モデルへ詳細雲物理モデル導入中
• ワークショップ開催などを通じた広報、IPCC・LA
会議参加援助などの活動
来年度計画
• オゾンホール形成の化学過程導入
• 生態系－大気化学相互作用導入
• 全球統合モデルのパラメータ調整→２０世紀再現・
温暖化実験
• SEIB-DGVM改良、大気モデルへの組み込み
• 気候－氷床結合モデルによる長期積分（３００年
以上）
• NICAMへの雲微物理導入、現実地形での＋２K
実験