EarthSpacecraft: SatellitesProduced by: NASA/MODIS/USGS http://www.solarviews.com/browse/earth/bluemarblewest.jpg

気候変動と極端気象

地球温暖化の２１世紀はどうなる？ どうする？

余田 成男

（京都大学大学院理学研究科； yoden@kugi.kyoto-u.ac.jp）

令和元年度膳所高等学校生徒向け公開講座（後期） 地球環境学コース2019年10月4日（金） 京都大学理学部1号館563室

1/40

Swedish climate activist Greta Thunberg issues a stark warning on climate change at the United Nations on Sept. 23. © Reuters

https://asia.nikkei.com/Spotlight/Environment/How-dare-you-Transcript-of-Greta-Thunberg-s-UN-climate-speech

０． はじめに ー 地球・宇宙に関する基本的数字 ー

国際宇宙ステーションからの眺め Time Lapse View from Space, Fly Over | NASA, ISS

Time lapse sequences of photographs taken with a low-light camera by the crew of expeditions 28 & 29 onboard the International Space Station from August to October 2011.

https://www.youtube.com/watch?v=ls9yJTphLxg&t=5s

2/40

大きさ・距離のイメージ長さ （km） 比

大気の厚さ 100 7.18×10-5

ISSの高さ 350 2.51×10-4

地球の半径 6378 4.58×10-3

静止衛星軌道 35786 2.57×10-2

地球ー月間距離 384400 2.76×10-1

太陽の直径 1.39×106 1.00

地球-太陽間距離 1.50×108 1.07×102

一光年 9.46×1012 6.80×106

ケンタウルス座α星 3.99×1013 2.87×107

アンドロメダ銀河 2.18×1019 1.56×1013

宇宙のはて 1.30×1023 9.31×1016

大気の縦横比

～ (鉛直) / (水平)

～ 102 km / 104 km

＝ 0.01

http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/station/crew-7/html/iss007e16249.html 3/40

太陽・惑星・衛星の大気の組成比Wayne (2000; p.2 をもとに作図)

0 200 400 600 800 1000

SunVenusEarthMars

JupiterSaturnUranus

NeptuneTitan

H2HeCH4NH3CO2N2O2Ar

‰

太 陽

金 星

地 球

火 星

木 星

土 星

天王星

海王星

タイタン

(土星衛星)

4/40

Wayne (2000; p.672)

時間のイメージ時間（s） 比

1日 86400 1.00

1年 31556926 3.65×102

46億年 × 46億 1.68×1012

地球大気の進化

４６億年の歴史

原始太陽系円盤ガス：H2, He（地球型）惑星誕生

脱ガス原始惑星大気：H2O, CO2, N2海の形成：液体としてのH2O, CO2 の溶解

生命の進化：光合成 O2

地球の酸素・オゾン・生命の共進化 （）

5/40

Sept. 23, 2015 @ Norman, Oklahoma, US, © Shigeo Yoden 6/40

「地球温暖化の２１世紀はどうなる？ どうする？」

目 次

1. 地球温暖化の現状

２０世紀はどうだった？

もっと昔はどうだった？

2. 懸念される極端気象の現状と今後

集中豪雨はどうなる？

台風はどうなる？

熱波はどうなる？

北極海の氷はどうなる？

3. 将来予測の科学的根拠

先のことがなぜわかる？ （天気予報と気候予測の違いは？）

温暖化時代をどう生きる？ （不確実な予測に基づく判断をどうする？）

北極海の海氷Cecilia Bitz and Eduardo BlanchardAtmospheric Sciences, University of Washington

7/40

２０世紀はどうだった？

地上気温の経年変化

全球平均、一年平均した地上気温

年々変動

経年変化

ハイエイタス：地球温暖化停滞

IPCC (2013)

「最近30年の各10年間の世界平均地上気温は1850年以降のどの10年間よりも高温である」

１． 地球温暖化の現状

IPCC (2013; Fig. SPM.1a)https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/temp/an_wld.html 8/40

IPCC (2013; Fig. SPM.1b)

1901年から2012年の地上気温変化の分布図

陸上と海上

北半球と南半球

9/40

二酸化炭素（CO2）の増大

C.D.Keeling によるハワイでの観測

季節変化（１年周期）植物光合成

経年変化人為的影響

https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ 10/40

地球のエネルギー収支

地球に入るエネルギー と地球から出ていくエネルギー との釣合いで気候が決まっている

すなわち、太陽放射の地球による吸収（＝ 全太陽放射 ー 地球による反射）

と地球からの赤外線放射（熱放射）との釣合い

全太陽放射は ３４０Ｗ/ｍ2

約３割が反射 “表面”気温は、約－１７℃

EarthSpacecraft: SatellitesProduced by: NASA/MODIS/USGS http://www.solarviews.com/browse/earth/bluemarbleeast.jpg 11/40

大気の温室効果

地表からの赤外放射の大部分は大気で吸収 大気を加熱

大気からの赤外放射は等方的、下向き赤外放射が余分に地表を加熱

地球温暖化の原因

温室効果気体の増加 大気の温室効果の増大 地上気温の上昇

大気の温室効果

503W/m2

340W/m2

12IPCC (2013; Fig. 2.11)

12/40

約－１７℃での熱放射

約＋１４℃での熱放射

ちょっと気分を変えて「キッチン実験」

実験１： 温室効果の基本過程 「可視光線は透過、赤外線は吸収」 を体験する

準備： フライパン、コンロ、透明ガラス

フライパンを熱して手をかざし、赤外線放射（～500K）を体感する

フライパンと手の間にガラス板を入れして、「赤外線放射の体感」がどう変わるかを体感する

透過・吸収の波長依存性を考察する– 基本的にガラスは可視光線を透過させている

– 赤外線は？

実験２： 定量的把握実験１で、それぞれの表面温度を実測する

準備： 赤外線放射温度計物体から放射される赤外線や可視光線の強度を測定して、物体の温度を測定する温度計

– これらの赤外線や可視光線といった熱放射は黒体放射によって生じ、 温度と放出エネルギーとの関係を表すシュテファン・ボルツマンの法則およびプランクの法則によって、物体の温度を算出することができるのを活用している(色温度)。 （http://ja.wikipedia.org/）

フライパンおよびガラス板の温度を放射温度計で測定する 13/40

IPCC (2013; Fig. 5.3)

～雪氷

400 ppm

[x1000 year]

～ 410 ppmもっと昔はどうだった？

過去８００,０００年では？

南極氷床コア

海洋底堆積層

ドームふじ @3810mBy Forestfarmer - This picture is created from Image: Antarctica satellite orthographic.jpg, CC 表示-継承 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1327102 14/40

昭和基地でのオーロラ （第４３次南極地域観測隊 吉識宗佳氏撮影） 15/40

２． 懸念される極端気象の現状と今後

IPCC (2013; Fig. SPM.2)

1951 – 2010

（IPCC AR5 WG I SPM p.23, 5-6行目）

集中豪雨はどうなる？

陸上での年降水量の変化の分布図

これまでの変化

中緯度の陸域と湿潤な熱帯域において、今世紀末までに極端な降水がより強く、より頻繁となる可能性が非常に高い 16/40

IPCC(2013; Fig. SPM.8)

平均年降水量の将来変化の分布図

RCP8.51986 - 2005 to 2081 - 2100

なぜ？

物理学の一般論

クラウジウス・クラペイロンの定理：飽和水蒸気量（空気１m3にふくむことのできる水蒸気の量）

は、気温が上がると大きくなる

温暖化による変化

飽和水蒸気量の増加 凝結熱エネルギーの総量が増加 湿潤対流（水蒸気の凝結熱が浮力源となる対流； 積乱雲）

の強化

積乱雲の組織化：線状降水帯、レインバンド、バックビルディング、・・・、台風、・・・

http://sekigin.jp/science/chem/chem_03_4_5.html

Credit: Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center (ISS017E013853) 17/40

台風はどうなる？

2081～2100 年の熱帯低気圧指標の変化率予測 （2000～2019年との比率, ％）

（IPCC 2013; Fig.TS26)http://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/ipcc/ar5/ipcc_ar5_wg1_ts_jpn.pdf

18/40

http://www.atmos.washington.edu/~houze/houze_files/HurricanePicture.htmlNASA: STS51I-44-0052 Hurricane Elena, Sep.1, 1985 https://eol.jsc.nasa.gov/SearchPhotos/ photo.pl?mission=STS51I&roll=44&frame=52

台風中心

成層圏気温低下

冷却

加熱

海面気温上昇

眼の壁雲

Emanuel (1986, JAS)

なぜ？

温暖化による変化

気温上昇 飽和水蒸気量の増加 湿潤対流の強化 積乱雲の組織化

海面温度上昇 蒸発量の増加 台風への水蒸気補給量の増加

物理学の一般論

カルノーの熱機関：

海面気温上昇 ＋ 成層圏気温低下 湿潤対流（台風）の下端（熱源）・上端（冷源）の温度差拡大 熱機関としての効率が増加 台風のエネルギー増大

19/40

閑話休題飛行機から撮影された台風２１号の目の中の映像

2017年10月21日午後、沖縄南海上（坪木和久・名大教授提供） ©2017 The Sankei Shimbun & SANKEI DIGITAL

Courtesy of Professor H. Yamada of University of Ryukyus

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63500428

Courtesy of Prof. H. Yamada of U. of Ryukyus

20/40

http://himawari8.nict.go.jp/himawari8-movie.htm

熱波はどうなる？今年の夏（6月・7月）、ヨーロッパの熱波 （）

日最低気温・日最高気温の発生確率のこれまでの変化（↓）

https://www.bbc.com/news/world-europe-48780685

https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/ipcc/ar5/ipcc_ar5_wg1_faq2.2_jpn.pdf

http://www.atmos.washington.edu/~houze/houze_files/HurricanePicture.html1986 - 2005 to 2081 - 2100

IPCC(2013; Fig. SPM.8)

平均地表気温の将来変化分布図

RCP8.5

21/40

熱波： 広い範囲に４～５日またはそれ以上にわたって、顕著な高温をもたらす現象

なぜ？

温暖化による変化（どこでも）

気温上昇 ＋ 水蒸気量（温室効果気体）の増加

大陸規模の流れ場の特徴：

ジェット気流の蛇行 （右上） 高気圧・低気圧・高気圧・・・の波列パターン 高温・低温・高温・・・の波列パターン （右下）

振幅の増大 高気圧の強化 下降流域での断熱圧縮 温度上昇

波列の停滞 同じ場所がずっと高温（低温）

Ragonea et al (2018, PNAS)extreme heat waves in climate models

22/40

北極海の氷はどうなる？衛星観測 （先週２０日）

これまで４０年では （↓）

１０年あたり１０．６％の割合で減少

http://nsidc.org/arcticseaicenews/

http://nsidc.org/arcticseaicenews/

23/40

観測の今： MOSAiCThe Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of

Arctic ClimateYouTube: MOSAiC expedition leader Prof. Dr. Markus Rex

https://www.youtube.com/watch?v=j-STIM9cvpwhttps://www.mosaic-expedition.org/

https://www.bbc.com/news/science-environment-49760460 24/40

２１世紀温暖化予測実験

全球平均地表気温（）

北極域は１０℃以上上昇

北半球海氷（９月）

なぜ？

（極域の）温暖化 海氷融解 太陽放射反射の減少 太陽放射吸収の増加 さらに温暖化 海氷融解 （正のフィードバック） IPCC(2013; Fig. SPM.8) 25/40

https://www.awi.de/en/about-us/service/press/press-release/this-evening-sees-the-start-of-mosaic-the-greatest-arctic-research-expedition-of-all-time.html 26/40

３． 将来予測の科学的根拠

先のことがなぜわかる？

数値天気予報のあらまし： １日～３か月先の数値天気予報は初期値問題初期値問題の簡単例： 質点の放物運動

– 運動方程式：

– 初期値： 初期位置と初速度

– 解（質点の軌跡） 速度を時間積分

数値天気予報の流れ

観測

データ収集・処理・解析 大気の実況把握

数値予報モデルによる将来予測 予想天気図

気象情報作成・提供 27/40

各種観測データ WMOデータ収集システム GTS

Enomoto (2012) 28/40

実況の把握

将来の予測

気象情報作成・提供

予測データ＋観測データ

データ同化システム

数値予報モデル・

http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-1.html

数値予報による予想天気図 29/40

数値予報モデル（支配方程式）

運動方程式（水平成分） 運動量保存則

静力学平衡（＋状態方程式）

連続方程式 質量保存則

熱力学方程式 エネルギー保存則

＋ 水蒸気収支方程式水蒸気、雲、雨、雪、霰、雹、の間の相変化を記述

30/40

偏微分方程式系を時間・空間について離散化

未知変数の値を有限の格子点のみで与える

約１０億次元の連立「差分」方程式系（～ ５ x ２０００ x １０００ x １００）

初期値問題としてコンピュータで数値的に時間積分

現在の状態 約１０億個の数値データ

１０分先の値を計算： Δx / Δt = F (x )６ x ２４ x １０（＝１４４０）回繰り返して、１０日先の値を計算

将来の天気図を作成

サンプル

http://www.jma.go.jp/jp/metcht/suuchi.html

天気予報の作成31/40

予報精度の向上

ヨーロッパ中期予報センターの３～１０日予報

数値予報モデルの性能向上高分解能化、微物理過程の精緻化、アンサンブル予報化、・・・

初期値データの品質向上新観測データ（特に衛星観測）の活用、データ同化の向上、・・・

数値天気予報が外れる訳

① モデルが不完全

② たとえモデルが完全でも、大気運動が「カオス」 Lorenz (1963、JAS)

カオス＝初期値に対する鋭敏な依存性初期値が完全に決まらなければ、予測には限界

予測可能性

高

予報精度

低

1981 2001 2017

北半球

南半球５日予報

７日予報

３日予報

１０日予報

Time Gleick (1987) 32/40

気候予測モデルのあらまし

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

気候予測モデルへの改変

より長い時間スケールでは変動するものを内部変数に

海洋、陸水、雪氷、陸面、植生、・・・気候システムの模式図 （）

変動を支配する法則（方程式系）の構築

外部条件の変化に対するシステムの応答問題

温室効果気体の増加

太陽活動の変動

火山噴火、・・・・・・IPCC (2007; FAQ 1.2 Fig. 1)

太陽活動の変動

温室効果気体の増加

33/40

火山噴火

人為的影響

、人為的影響

気候（＝時間平均状態）の予測

Lorenz方程式の例dx/dt = - 10x + 10y dy/dt = 28x - y - xzdz/dt = - 8z/3 + xy

気候＝有限時間の平均

外部（境界）条件の変化に対するシステムの応答応答

「質点の放物運動」の例（）では

が変化したらどうなるか？を考えることに相当

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lorenz_attractor_boxed.svg

34/40

IPCC(2013; Fig. SPM.8)

IPCC (2013; Fig. 8.5)

35/40

２１世紀温暖化予測実験

人間活動予測シナリオ：

代表的濃度経路RCP (Representative ConcentrationPathways)

全球平均地表気温の予測

IPCC(2013; Fig.TS.9)

温暖化予測の不確実性予測モデルの検証

気候モデルは、限られた数の２０世紀気候変動再現実験

数値天気予報モデルは、日々検証されてきたモデル

自然内部変動の存在

例えば、エルニーヨ・南方振動ENSO大気・気候システムの非線型性に起因

外部条件変化への応答との切り分けが困難

36/40

モデルが不完全

モデルの空間分解能

雲の効果、エアロゾルの効果がまだ良くわかっていない

IPCC(2013; Fig. 1.14)

上層雲

中層雲

下層雲

平衡

地表

温度

0.0 1.0雲 量Houghton (2002; p.89)

支配法則定式化の困難さ– 植生、海氷など、基本物理法則に依らない

日刊工業新聞 【電子版】植生分布くっきり 衛星「しきさい」初画像を公開－JAXA(2018/1/14 12:00)

https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00457797 37/40

主要な気候現象の時間空間スケールと気候モデルの信頼性・不確実性

時間スケ－ル

空間

スケ－

ル地球規模

領域規模

局所規模

火山噴火 気候 海洋酸性化 海面上昇 氷期-間氷期影響 相互作用 サイクル

人工気候改変 自然ＣＯ２埋積

大気 ＥＮＳＯ 海洋生態系変化季節内変動

深海応答

氷床融解領域的乾燥化

熱波

旱魃 クラスレート不安定

台風 氷棚安定性 永久凍土層

洪水

海氷融解

陸面生態系変化

山岳氷河融解

融解 解凍

気候モデルの信頼性

高中

限定的低

IPCC(2013; Fig.1.7を和訳) 38/40

温暖化時代をどう生きる？ （不確実な予測に基づく判断をどうする？） 不確実性を伴う予測と社会の関係

数値天気予報、 気候予測、 放射性物質拡散

それぞれの不確実性

不確実な情報の情報価値

「無謬性の科学」という範疇の外– 日食の予測との同異

確率的な扱い

事象の経験頻度– 台風、地震、巨大火山噴火、の予測の同異

科学と社会

信奉と懐疑– 科学的知識（リテラシー）の普及の大切さ

– 自分で考えること、参加型共同研究の可能性

適応と緩和– 受動か能動か EarthSpacecraft: SatellitesProduced by NASA/MODIS/USGS

http://www.solarviews.com/browse/earth/bluemarblewest.jpg 39/40

40雲海 保月城跡より ©20XX-2019 林 時彦 氏

終

40/40

Nikkei Asian Reviewhttps://asia.nikkei.com/Spotlight/Environment/How-dare-you-Transcript-of-Greta-Thunberg-s-UN-climate-speech (Sept. 25, 2019)

'How dare you’: Transcript ofGreta Thunberg's UN climatespeech.Teenage activist denounces 'empty words' and lack of concrete solutions

Swedish climate activist Greta Thunberg issues a stark warning on climate change at the United Nations on Sept. 23. © Reuters