気候 - 陸域炭素循環結合モデルの開発

加藤知道 （かとうともみち）

独立行政法人　海洋研究開発機構地球環境フロンティア研究センター生態系変動予測研究プログラム

共生 2 連絡会議 2006 年 6 月１ 9日

これまでの展開

AGCM(大気モデル )

MATSIRO(陸面の熱・水 )

Sim-CYCLE( 陸域炭素 )

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

Ts, Tg

LAI

E, H,τRad↑ NEPCO2a CO2a

2005 年度まで　　・モデル結合を完成　　　・ 20 世紀の炭素循環を再現

2006 年度　　・ 21 世紀の炭素循環の推定 　 ・ SEIB-DGVM の導入

20 世紀の全球炭素動態 1900 2000 2100

Coupled

Uncoupled

21 世紀の CO2 濃度動的植生モデル (SEIB-DGVM)

導入出力 ( 完了 )

出力

58

60

62

64

year

-4

-2

0

2

4

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

NPP

HR

NEP

NEP - LUC efflux

1900 1920 1940 1960 1980 2000

58

60

62

64

year

-4

-2

0

2

4

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

NPP

HR

NEP

NEP - LUC efflux

1900 1920 1940 1960 1980 2000

・ 21 世紀ランへむけた結合モデルの改良について

・ 20 世紀の気候 - 炭素循環の推定結果・投稿準備中の結果について、紹介します

・ 2005 年度 FRCGC 評価委員会の評価（ A だった）→ 　ほとんどが陸域モデルについての ( 厳しい ) コメン

ト→ 　６ /8 に北大地環研にて対応策を検討

本日の発表内容

・ Sim-CYCLE と MATSIRO 結合についての問題点・ Land use change データの導入に向けた取り組み( 仮 )

・ ECRP 陸域モデル G の北大での打ち合わせの内容

Schimel(1995)

地球の炭素収支

放出源化石燃料消費 &

セメント生産 5.5

土地利用変化　 1.1

吸収源

大気 3.2

海洋 2.0

陸域生態系？ 1.4

(1980-1989, PgC yr-1)

2190

750

目的：　 20 世紀の陸域炭素循環を再現してみる！！

20 世紀における陸域炭素フラックスの変化

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 )

・ NPP 、 HR ともに 5-7 ％程度上昇

・ NEP わずかだが正

　→陸域が炭素シンク

・ LUC を考慮すると、陸域はたびたび炭素ソース

　　　→ LUC の影響大

58

60

62

64

year

-4

-2

0

2

4

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

NPP

HR

NEP

NEP - LUC efflux

1900 1920 1940 1960 1980 2000

58

60

62

64

year

-4

-2

0

2

4

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

NPP

HR

NEP

NEP - LUC efflux

1900 1920 1940 1960 1980 2000

SST, CO2 コントロール実験

56

58

60

62

64

66

year

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

Normal

CO2-ctrl

1900 1920 1940 1960 1980 2000

SST-ctrl

a) NPP

56

58

60

62

64

66

Normal

CO2-ctrl

SST-ctrlb) HR

56

58

60

62

64

66

year

Ca

rbo

n f

lux

(P

g C

yr-

1 )

Normal

CO2-ctrl

1900 1920 1940 1960 1980 2000

SST-ctrl

a) NPP

56

58

60

62

64

66

Normal

CO2-ctrl

SST-ctrlb) HR

・ NPP について、 CO2-controlはほぼ一定だった

　→ NPP 上昇はCO2 の影響のみを受けている

・ HR について、 SST-controlは中間的な動き

　→ HR 上昇は CO2と SST 上昇の二つの影響を受けている

地表面付近 CO2 濃度 (ppmv; 1999 ）

1月 7月

全球の CO2濃度

320

340

360

380

ModelObservation

320

340

360

380

320

340

360

380

320

340

360

380

320

340

360

380

320

340

360

380

1975 1980 1985 1990 1995 2000

a) BRW (N71.3, W156.6)

b) CBA (N55.2, W162.7)

c) MLO (N19.5, W155.6)

f) SPO (S89.2, W24.8)

e) BHD (S41.4, W174.9)

d) SMO (S14.3, W170.6)

Atm

osp

her

ic C

O2 c

on

cen

trat

ion

(p

pm

v)

Year

地上観測点における CO2 濃度変化の検証

・季節変化が北方では大きく、南方では小さい傾向は一致

・年々変化はかなり近い動き

→ グリッドサイズ等を考慮すると、それなりに精度は高い

全球平均大気 CO2 濃度 (ppmv; 1959-1999 ）

本研究 Houghton (2003)

化石燃料 +5.4 +5.4

海洋 -2.2 -1.7

陸域生態系 -0.5 -2.4

土地利用変化 +0.6 +2.0

Total +3.3 +3.3

Table. 全球炭素収支 (1980-1989; PgC/yr)

・ 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

輸送モデルによる大気 CO2 濃度の年々変化

310

320

330

340

350

360

370

year

CO

2 濃

度 (

pp

mv)

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

観測値 (0.25*spo+0.75*mlo)

モデル推定値

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

NPP a

nom

aly

-2

-1

0

1

2

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

CO

2 c

on

cen

trat

ion

(p

pm

v)

Year

CO2 anomaly

Temp. anomalyT

emp

eratu

re (oC

)

Car

bo

n f

lux

(Pg

C y

r-1)

a)

b)

NCB

HR

NPP

気候・炭素動態アノマリーの年々変化 ・ CO2 アノマリーは

温度アノマリーから1-2 年遅れてピークがくる

　→ Keeling らの　　　　　観測と一致

・温度アノマリーとHR の動きは近い

・ CO2 アノマリーの変化速度は NCB の動きと近い

　→陸域が短期的な　　 CO2 変動を起こす

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

-40 -30 -20 -10 0 10

R(C

O2f

ull_

NP

P)

Co

rrel

atio

n c

oef

fici

ent

Lagged months from CO2 anomaly

Temperature anomaly

NiNO3

HR

NCB

NPP

a)

b)

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

CO2 アノマリーに対する気候・炭素動態アノマリー変化の先行

CO2 アノマリーから 18-21 ヶ月前に、相関係数のピークがくる

まとめ

・本研究で開発した結合モデルは、 20 世紀中の炭素循環をうまく再現することができ、その推定精度は高いと考えられる

・ 20 世紀中の NPP 、 HR ともに 5-7 ％程度上昇し、差し引きの NEP はわずかに正だった。

・土地利用変化による炭素の放出の影響は大きい。

・ 20 世紀中の気候変化において、陸域生態系は大気CO2 に対して、長期にはほぼ中立的で影響を及ぼしていないが、短期には主たる変動要因であった。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

・ SEIB-DGVM の導入・ 21 世紀の炭素循環の推定

土地利用変化・植生分布の変化が

炭素循環と気候に及ぼす影響を調べる　

→ 　アルベド変化・蒸発散量変化

→ 　 MATSIRO とのさらなる融合が必要

→ 　これまで各モデルで並列的に扱ってきた

　　　　　　陸面のアルベド・水収支・蒸散量推定を

　　　　　　　　　　　　　　　統一する必要がある。

今年度の計画

21 世紀ランへむけた結合モデルの改良について

AGCM

MATSIRO Sim-CYCLE

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

Ts, Tg

LAI

E, H,τRad↑

NEP

CO2 transport

CO2a CO2a

WaterBalance

Photo-synthesis

Water Balance

Photo-synthesis

現在

Wg

最終形AGCM

MATSIRO Sim-CYCLE

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

ua, va, Ta, qa, Ps, Prec, Rad↓

Ts, Tg

LAI

E, H,τRad↑

NEP

CO2 transport

CO2a CO2a

WaterBalance

Photo-synthesis

Photo-synthesis

Wg

gc

MATSIRO と Sim-CYCLE の親和性を高める

2m

4m

1m

0.25m0.05m0mMATSIRO

2.7m

0.6m

0.3m

0mSim-CYCLE

～

Rooting depth

12

3

4

5

1

21.5m

3m

0.5m

SEIB-DGVM

1

2

3

0m

PFT typeによって決定

地温・土壌水分

0-0.1m

0.1-2m 0.5-1.5m

0-0.5m

1.5-3m

～鉛直構造について～

重み付け内挿

・各モデルの鉛直構造は変更しない

・地温だけでなく土壌水分も MATSIRO からもらうようにする

MATSIRO と Sim-CYCLE の親和性を高める～水平構造について～

MATSIRO Sim-CYCLE

PFTs: 14 types

融合させる必要があることPFTs: 20 types

・アルベド

・気孔コンダクタンス

・植生変化への対応

Land use change データの導入に向けた取り組み (仮 )

LUC データを作っている場所・ IMAGE group (Bas Eickhout; RIVM/N

etherland)

・ SAGE group (Rammunkutty and Foley; Univ. Wisconsin)

・ NIES group ( 山形さんら ; NIES)

・ 21 世紀中の LUC における気候と炭素循環への影響を調べるために、将来の LUC のデータが必要になった。

・しかし、 IMAGE group はいつまでたってもデータをくれない。

・ NIES group のデータをもらうことを考える。

　　　　　　　→　環境研モデルの利用可能性

　　　　　　　→　 Jamstec 研究開発促進アワードとの関連

ECRP 陸域モデル G の北大での打ち合わせの内容(6/8)

○趣旨説明

○各人の成果概要と研究計画

○外部評価内容の検討

○グループとしての目標設定

○その他、コメント　発表者：伊藤、佐藤、稲冨、加藤

　参加者：甲山先生、山中先生、高田先生、　　　　　もう一人研究者、大学院生

評価委員会のコメント要約

・昨年度の評価結果を受け止め、全体の体制が見直され、研究陣の整備が進み、研究担当者の士気の向上、メンバー間での連携の強化など、効果的な組織運営になってきた。

・ 3次元放射伝達モデルなど陸域生態系モデルの開発に大きな進展があった。モデルのラインアップがそろい、全球モデルにつなぐ方向が見えて、 H17 年度に比べ格段の進歩がある。

・特に陸域生態系のモデルを全球の水・炭素収支などに結びつけるデータベースに関する戦略を立てる必要がある。

・この分野での日本唯一のチームとして、更なる人材確保に努めるべき。

研究プログラム 総合評価 研究成果 研究課題・目標設定 社会への還元・インパクト

生態系変動予測 Ａ Ａ A A

総評：

個別の点へのコメント１（厳しいコメント）1.モデルの検証が不十分　　　・ DGVM は、現在気候の植生分布を再現しただけで

　 　 　 　 　 　 　 　は 検証にはならない。　　　・各モデルの平均気候特性、気候変動特性、不確実性の幅

　 　 　 　に 関して、しっかり検証を行なうべき。

2. モデル間・研究者間の連携が不十分　　　・陸域は空間的非一様性が高いので、地域性に重点を置く　　　

　　とともに、それと全球モデルとの関係を明らかすべきだ。　 　 　 ・まだなんでもありの印象が強く、目標設定をもっと絞った　　　

　　ほうがよいのではないか。　 　 　 ・さまざまな試みがなされ成果を上げているが、全球モデル　　

　　に何が必要なのかの検討もするべき。　　　・モデルを応用性の高いものにしていくために、実データの　　

　　予測をモデルの改良にフィードバックする必要がある　 　 　 ・既存サイト等を使い、フィールド研究者との連携を確実に行う。　　　・プログラム間での更なる連携が期待される。

3.今後の発展の方向性　　・グローバルな気象変化の、人間の生活基盤への影響を評価するこ

　　　　　とが FRCGC全体の目的だとすると、生態系変動の影響評価、と　　　　　くに陸域生態系のグループの研究は、もっとも重要な部門と　　　　　考えるべきで、より強化すべきである。

　　・特に日本ではこのような研究グループがまったくないため、人材　　　　　の確保と育成に十分留意いただきたい。

4. アウトリーチ活動のススメ　　・国際的活動への積極参加が目立つ (C4MIP?)ことは評価できる。　　・論文業績もあがりつつあるが、研究成果のすべてが必ずしも出版

　　　　　　　されていない。まだ努力の余地がある。　　・地域的な現実の問題に取り組むことによって社会へのインパクト

　　　　　が高まることが期待される。　　・外部へのインパクトを高める意味でも、 ECRPの存在意義につい

て　　　　の議論を関連学会やその他の場で、もたれることが望ましい。

個別の点へのコメント２（励ましのコメント）

グループ構成生態系変動予測研究プログラム（ ECRP ）

　陸域生態系モデルグループ（ GL ：和田英太郎）

　　 ・物質循環サブグループ（ SL ：伊藤昭彦）

　　　　　　ポスドク研究員：加藤知道、稲冨素子

→ 　 Sim-CYCLE の高度化

　　 ・植生動態サブグループ（ SL ：甲山隆司）

　　　　　　ポスドク研究員：佐藤永

→ 　 SEIB-DGVM の開発個々人の仕事をなるべく増やすことなく、個々人の仕事をなるべく増やすことなく、

コメントに対応する答えを探す！コメントに対応する答えを探す！

１．モデルの検証（データベースの利用）

GPPDI data (Zheng et al. 2003)

・全球スケール水＆炭素収支・環境変動への植生動態応答

問題点：　・観測とのスケールギャップ　・長期データの不足　・観測データの信頼性

2. モデル間・研究者間の連携

それなりの対応関係はすでにある！それなりの対応関係はすでにある！

Sim-CYCLESim-CYCLE のスケール間の関わりのスケール間の関わり

窒素循環機能

＋

植物動態

＋

プログラム内・間連携は十分か？

プログラム間：

　　・プログラム横断的に地球システムモデルを構築

　　・大気組成Ｇ研究者へバイオマス分布データを提供

　　・大気組成Ｇ研究者と N2O 収支について議論

プログラム内：

　　・海洋Ｇとはほとんど研究上の交流無し

　　・空間Ｇとリモセンデータのモデル利用に関して共　　　同研究が進められている

　　　　例：高精度の PAR データをモデルで利用

既存観測サイト・データとの比較

○岐阜高山サイト：土壌からの GHG 放出（稲富）

○中国青海草原サイト：土壌からの GHG 放出（加藤）、　　 PAR （小林）

○環境省Ｓ１：フラックス観測データ

○共生３：衛星観測データ

東アジアの　　　　 CO2フラックス

タワー

S-1 18 sitesAsiaflux 9 sitesCREST etc. 11 sites

Japan site total 38 sites+

Koflux, Chinaflux (~20 sites)

データ同化例：衛星データ利用

MODIS

LAI

LAI

Sim-CYCLE

葉面積指数（ LAI ）・モデル：炭素重から LAI へ変換（変換係数： SLA, 比葉面積＝植生ごとの固定値）・衛星（ MODIS ）：アルゴリズム・ナジング：衛星 LAI で置き換え・同化：衛星に合うよう SLA を較正

Data by P.J.Baruah (IIS, U.Tokyo)

SLA

比較

モデルの観測データへのリアルタイム利用：　　　　　　　　　　　　　　　火災延焼と炭素放出

の推定野外火災の予報システム（ JST-

SORST ）

モデル推定における不確実性の評価

空間分布・経年変動

3. 今後の発展の方向性

物質循環モデル・陸域生態系の炭素 -窒素 -水循環を統合的に扱う新モデル・アジア陸域における温室効果ガス収支マップの作成・国内外の観測サイトにおけるデータの積極的利用統合モデル・共生課題における陸域部分の完成（炭素循環 +植生動態）・ 20-21世紀における土地利用変化の気候的影響評価衛星データの利用・高精度 PAR、土地被覆データを用いた陸域炭素収支評価・ MODIS火災マップを用いた CO2 放出の評価 (JST-SORST)

4. アウトリーチ

提案：生態学会でのシンポジウム /自由集会

「地球環境問題と陸域生態系モデル：可能性と課題」温暖化をはじめとする地球環境問題は陸域生態系に深刻な影響を及ぼし、逆にその変化は気候変動へのフィードバック効果として作用する。このような相互作用を解析し予測する上で、モデル手法は不可欠なツールとなりつつある。特に最近数年間で顕著な研究の展開がみられたが、それが生態学にもたらす新たな可能性については十分に伝えられていない。一方、複雑多様な生態系を予測するモデル開発には課題も多く残されている。ここでは、国内の陸域生態系モデル研究の最新成果を報告し、今後の展開について議論を行いたい。