Transcript 2 - 京都大学大学院理学研究科附属天文台

「宇宙天気サマースクール」
2008年8月28日（木） 山梨県清里高原 清泉寮
太陽活動変動の地球気候への影響
余田 成男
（京都大学大学院理学研究科）
０．はじめに： 地球、気候に関する基礎知識
空間スケール： 薄い大気
 (鉛直)/(水平) ～ 10km/10000km = 0.001
 スケールレンジ： 107m ～ 10-9m
Gore (2006) “An inconvenient truth”
時間スケール： 地球大気の進化
 地球システムの変遷： 水の存在、生命の誕生、・・・
 ４６億年 ～ 3.5x1018s
Wayne (2000; p.672)
太陽・惑星・衛星の大気の組成比
Wayne (2000; p.2)
大気の温室効果
greenhouse gases:
H2O, CO2, CH4, …
IPCC (2007; FAQ 1.3, Fig. 1)
１．研究の歴史、今日的状況
太陽活動変動の気候影響に関する研究のさきがけ
1923
1896
Max.
and
min. of
the, 2(20),
lake337-344
level of Lake Victoria
 Brooks
(1923)
Geophysical
Memoirs
“Variations in the levels of the Central African Lakes Victoria and Albert”
Rainfall deviations in Uganda
Monthly sunspot numbers
1922
 小倉（1984） 「一般気象学」 （初版）
 1900年から1974年におけるアフリカのヴィクトリア湖とナイヴァシャ湖の月
平均水位の変動 （縦軸の単位は m）
Vincent et al., (1979; Climatic Change, 2(2), 175-189)
1900
1970
過去には
 太陽活動変動の気候影響に関する研究への「偏見」
 観測データに対する制約： 局所性、観測期間、 ・・・
 ヴィクトリア湖の例
 因果関係： ブラックボックス or 「風が吹いたら桶屋が儲かる」
最近の状況： 新たな動機付け
 高品質データの蓄積
 衛星観測データ： 全球分布
 新たな地質学的データ： 長期間データの高精度試料分析
 コンピュータの飛躍的発展
 気候モデルの精緻化
 データ解析手法の高度化
 地球温暖化と関連した興味の増加
 人為的影響 分離 自然変動 （太陽活動、火山噴火、・・・）
地球温暖化研究のなかで
 Meehl et al. (2003, J.Climate, 16, 426-444) “Solar and GHG
forcing and climate response in the 20th century”
NCAR PCM (CCM3+LSM+POM)
(a) Radiative forcing
from the coupled model
for each experiment
(b) Global annual mean
surface air temperature
- early 20th century:
solar+GHG+sulfate
- late 20th century:
GHG+sulfates
 IPCC Assessment Report 4 (2007)
 global average radiative forcing estimates
Level of
Scientific
Understanding
IPCC (2007; Fig. SPM.2)
要約： 太陽活動のどのような変動が気候に影響するか
1) 太陽放射の変動
2) 太陽風の変動
3) 太陽風変動(2)による対流圏に届く銀河宇宙線の変動
1) 太陽放射の変動
 太陽放射照度（Solar Irradiance)
 周期性
 太陽の自転： 27-日周期
 「太陽周期」： 11年周期
 より長期の変動： 例えば、マウンダー極小期
 大気の放射収支への直接的影響
 成層圏・中間圏の温度、オゾンの変動
 地表の気候変動（気温、海面温度）への影響 ？
 雲のないところで直接的に ？
 成層圏‐対流圏の力学的結合による（増幅）下方影響 ？
 地球流体力学の挑戦
2) 太陽風の変動
 高エネルギー電子降下 （Energetic Electron Precipitation: EEP)
の変動
 中間圏での NOx 生成
 成層圏での NOx 収支や他の物質収支に影響 ?
 例えば、成層圏オゾン
 太陽放射変動と同様の周期性
3) 対流圏に届く銀河宇宙線の変動
 銀河宇宙線 (Galactic Cosmic Ray: GCR) フラックス
 太陽風変動と逆相関
 Svensmark and Friis-Christensen (1997, J.Atmos.Sol.Terr.
Phys., 59, 1225-) “Variation of cosmic ray flux and global cloud
coverage–A missing link in solar-climate relationships”
 雲凝結核 (Cloud Condensation Nuclei; CCN) への影響 ?
 Laut (2003; JASTP, 65, 801-) “Solar activity and terrestrial
climate: an analysis of some purported correlations”
 purported： うわさのある
２．太陽活動の変動
太陽放射の変動
 Lean (1997,
Annual Rev.
Astron.
Astrophys., 35,
33-67)
“The
sun's variable
radiation and its
relevance for
earth”
 http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarCo
nstant
 全太陽輝度 (Total Solar Irradiance, TSI) の時系列： 1978年～2007年
11年周期変動の変動幅の波長依存性
 Matthes et al. (2003, Papers in Met. And Geophys., 54, 71-)
 紫外線領域での太陽輝度変動の見積り
 （波長） < 175 nm： 50% 以上
 （波長） > 400 nm： 0.1% 以下
Dada from Lean et al. (1997)
太陽放射が大気に吸収される高度の波長依存性（左）と
大気の層状構造（右）
熱圏
80km
50km
中間圏
成層圏
15km
対流圏
温度
密度
Lean et al. (1997)
太陽風の変動、銀河宇宙線の変動
 Christiansen, Haigh and Lundstedt (2007) “Influence of Solar
Activity Cycles on Earth’s Climate”
http://www.spacecenter.dk/research/sun-climate/Projects/isac 131pp.
------ TSI
------ 10.7cmRF
------ solar wind
Bz
３．観測された太陽活動変動との相関
11年周期変動と関連する電離層の変動
 Lean (1997)
F2層臨界振動数
それより高振動数では
電離層での反射なし
11年周期変動と関連する成層圏の変動
 Labitzke and van Loon (1999) “The Stratosphere”
 波長10.7cm太陽電波と年平均 30-hPa 等圧面高度場との相関
30 hPa 高度 （30N, 150W）
陰影部：
統計的有意性 99%以上
太陽活動変動
1960
Cor.～0.75
1995
3年移動平均
 Shibata and Deushi (2008, Annales Geophysicae, 26, 1299-)
 ERA40 全球解析データ （1980年～2001年）による重回帰分析
11年周期変動と関連する対流圏、海洋の変動
 White, Lean, Cayan, and Dettinger (1997)
 海洋観測データ
Bathythermograph
Temperature data;
30S--60N area-veraged
1960
1990
UKMO Global Ice and Sea
Surface Temperature data;
40S--60N area-averaged
: El Nino
Solar irradiance anomalies
reconstructed from
calculations of sunspot
darkening (sunspot areas
and disk positions) 1874～
 Marsh and Svensmark (2003)
“Galactic cosmic ray and El Nino-Southern Oscillation trends in
International Satellite Cloud Climatology Project D2 low-cloud
properties”
------ low altitude cloud cover (ISCCP data) corrected
------ GCR flux (Neutron count monitors in low magnetic latitudes)
 Laut (2003), Damon and Laut (2004)

“Solar activity and terrestrial climate: an analysis of some purported
correlations” J.Atmos.Solar-Terr.Phys. 65 801-
Marsh and Svensmark (2000)
Updated by Kristjansson (2002)
“Low cloud properties
influenced by
cosmic rays”
Friis-Christensen
and Lassen (1991)
Science 254 698-
Same as (b) but smoothed
Precipitating Charged Particles の影響
 WMO Ozone Assessment 2006
(1) 銀河宇宙線 (GCRs)
 下部成層圏、上部対流圏で odd nitrogen や odd hydrogen を生成
(2) Solar Proton Events (SPEs)
 極域へのプロトンの降下
(3) 高エネルギーエレクトロン (energetic electrons)
 オーロラ帯、もっと低緯度
大気上端に到達するエネルギー
Haigh et al. (2005)
Total Solar Irradiance
1360 W/m2
TSI over Solar Cycle(0.1%)
1.36 W/m2
Solar Wind (103 eV)
～10-4 W/m2
PrecipitatingParticles(104 eV) ～10-5 W/m2
GalacticCosmicRays (108 eV)
～10-5 W/m2
Solar Proton Events と関連する成層圏の変動
 Randall et al. (2005)
 Scientific Assessment of Ozone
Depletion: 2006 収録
 北半球上部成層圏 （40 km）での
NO2 、O3 およびオゾン全量
 2003-4年の冬のイベント
 中間圏・熱圏でのNOXの生成
 成層圏NO2の増加  輸送
 成層圏O3の減少  化学反応
 ・・・
 数か月にわたる影響
地質学的データによる研究
 Verschuren et al. (2000) “Rainfall and drought in equatorial
east Africa During the past 1,100 years” Nature , 403 , 410
 Bond et al. (2001) “Persistent solar influence on north Atlantic
climate during the holocene” Science , 294 , 2130
 Neff et al. (2001) “Strong coherence between solar variability
and the monsoon in Oman between 9 and 6 kyr ago” Nature ,
411 , 290
 Burns et al. (2002) “A 780-year annually resolved record of
Indian Ocean monsoon precipitation from a speleothem from
south Oman” JGR, 107 , ArtNo.4434
 Fleitmann et al. (2003) “Holocene forcing of the Indian
monsoon recorded in a stalagmite from Southern Oman”
Science, 300 , 1737
 ・・・
 Bond et al. (2001) “Persistent solar influence on north Atlantic
climate during the holocene” Science, 294, 2130
Comparison of
10Be and 14C
records with
time series of
a drift-ice record
and stacked
marine records
“1500-yr cycle”
10,000 years
atmospheric D14C
(x0.1%; proxy for solar activity)
d18O(x0.1% VPDB) of Stalagmite H5
from a cave in Oman
 Neff et al. (2001) “Strong coherence between solar variability
and the monsoon in Oman between 9 and 6 kyr ago” Nature,
411, 290
1000 years
４．全球３次元数値モデルを用いた研究
数値天気予報モデル、大気大循環モデル、気候モデル
 Charney et al.(1950), Phillips (195X), Manabe & Bryan (1969)
計算機性能・技術の飛躍的発展
 計算速度、メモリーサイズの指数関数的な成長
ENIAC
The Earth Simulator
R&D Center
http://www.es.jamstec.go.jp/e
sc/jp/index.html
http://ei.cs.vt.edu/~history/E
NIAC.Richey.HTML
数値予報モデル
従属変数
 運動方程式（水平成分）  運動量保存則 v
：水平速度
Dv
Dt
+ f k ´ v = - Ñ pF + F
w ：鉛直p速度
 連続方程式  質量保存則
Ñ
p
×v +
¶w
¶p
= 0
F
：ジオポテンシャル
T
：温度
c
：比湿
 エネルギー方程式  エネルギー保存則
DT
Dt
-
RT
w=
cp p
Q
cp
離散化
 静力学平衡（＋状態方程式）
¶F
¶p
= -
RT
p
 水蒸気収支方程式
Dc
Dt
= Source - Sink
JMA (1996)
気候モデルの概観
 始まりは数値天気予報モデル （1950年～）
 物理法則に基づいて大気の将来をコンピュータで予測
 日々検証されてきた実用に耐えるモデル
 気候モデルへの改変
 より長い時間スケールでは変動するもの
 海洋、陸水、雪氷、陸面、植生、・・・
 それらの支配法則（方程式系）の構築
 気候システムのイラスト
 モデルの階層性
 簡単 ⇔ 複雑
 対象の階層性
 階層連結
 シームレスな予報
IPCC (2007; FAQ 1.2 Fig. 1)
TSI の11年周期変動と関連する成層圏の変動

Shindell et al. (1999) “Solar cycle variability, ozone, and
climate” Science, 284, 305
12・1・2月平均した30-hPa 高度場の solar minimum と maximum の差
 NASA/GISS GCM runs
 オゾンは内部変数

 Matthes et al. (2003) “SPARC/GRIPS Solar Experiments
Intercomparison Project” JGR
Assumed ozone variations (solar Max – Min)
calculated off-line with 2D model
 applied to GCM background ozone climatology
 used for solar induced ozone changes between max-min
+3%
+3%
Annual Mean
data from Haigh (1994)
Annual mean temperature
differences [K]:
20-yr mean Max exp. – Min.exp.
(Matthes et al., 2003)
観測結果との比較
 Matthes et al. (2003)
 衛星観測による年平均気温の太陽活動極大期平均と極小期平均の差
 SSU; 1979-1997
 熱帯下部成層圏の極大値が不一致
+0.8 K
+0.25 K
WMO (1999)

熱帯下部成層圏の極大値を説明する力学的仮説

Kodera and Kuroda (2002)
惑星波と平均帯状流の
相互作用による下方影響

solar Max:
larger Ty and U
smaller F
smaller divF ( + anomaly)
smaller v* and w*
larger T in the equatorial
lower stratosphere
初冬のアノマリー
QBOと太陽活動１１年周期変動との交互作用としての
冬季極域成層圏対流圏循環変動に関する数値実験
？
伊藤耕介
京都大学理学研究科
地球惑星科学専攻気象学研究室
修士論文発表会
2008/02/13
* =2.4 K, φc=5N)と
太陽活動極大期実験(⊿Tmax
太陽活動極小期実験との
東西平均時間平均温度[T ]の差とその有意性
E:2.4K5N － E:min
W:2.4K5N － W:min
夏極
赤道
冬極
・線のコンターは極小期実験からの
温度偏差(0.5 K間隔)
・色は右表で示されるような有意性
赤道
夏極
有意性
冬極
＋
95%
80%
ー
95%
80%
５．おわりに
過去には
 太陽活動気候影響研究に対する「偏見」
 観測精度
 観測データ数（領域）の制約
 観測期間の制約
最近では
 高品質データの蓄積
 先端技術を駆使した観測、大アンサンブル平均
 全球をカバーする人工衛星観測
 高精度高時間分解能な地質学的試料分析
 時代の要請
 地球温暖化と関連した興味の増加
 コンピュータの飛躍的発展が新時代を切り拓く
 気候モデルの精緻化
 データ解析手法の高度化
References
 Influence of solar activity cycles on Earth's climate (ISAC)
 A project of European Space Agency (ESA)
Christiansen, Haigh, and Lundstedt
 http://www.isac-esa.org/
 Summary report (April 2007)
 http://www.spacecenter.dk/research/sun-climate/Projects/isac
 Gray, Haigh and Harrison (2005)
 “A Review of the Influence of Solar Changes on the Earth’s Climate”
 Hadley Centre technical note 62
 http://www.metoffice.gov.uk/research/hadleycentre/pubs/HCTN/H
CTN_62.pdf
終