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

数値天気予報と気候予測 － 不確実性を伴う予測

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）

京大ウィークス2019 地球熱学研究施設 講演会令和元年１０月２６日（土） 於 別府市男女共同参画センター あす・べっぷ

1/29

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

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

2/29

「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

3/29

https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/temp/an_wld.html

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

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」

4/29

１． 地球温暖化の現状

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

5/29

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/ 6/29

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、

太陽放射の全入射 （３４０Ｗ/ｍ2）

＝

地球による太陽放射の反射

+地球からの赤外線放射（熱放射）

全太陽放射（３４０Ｗ/ｍ2）のうち約３割が反射

“表面”気温は、約－１７℃： 現実との違い

EarthSpacecraft: SatellitesProduced by: NASA/MODIS/USGS http://www.solarviews.com/browse/earth/bluemarbleeast.jpg 7/29

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

8IPCC (2013; Fig. 2.11)

8/29

約－１７℃での熱放射

約＋１４℃での熱放射

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 9/29

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） 10/29

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 11/29

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) 12/29

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

13/29

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

14/29

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

15/29

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

16/29

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

17/29

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/

18/29

観測の今： MOSAiC 2019-2020The Multidisciplinary drifting Observatory

for the Study of Arctic ClimateYouTube: MOSAiC expedition leader Prof. Dr. Markus Rex https://www.youtube.com/watch?v=j-STIM9cvpw

https://www.bbc.com/news/science-environment-49941340

https://www.mosaic-expedition.org/

MARKUS REX ESTHER HORVATH

19/29

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) 20/29

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 21/29

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

実況の把握

将来の予測

予報情報提供数値予報による予想天気図

予測データ＋観測データ

数値天気予報モデル ・データ同化システム

22/29

数値天気予報モデル ・データ同化システム

約１０億の数字で地球全体の気象状態をあらわす：~ ５変数 x ２０００ （東西） x １０００ （南北） x １００ （鉛直）

物理法則にのっとり、ちょっと先（１０分先）を予測：Δx / Δt = F (x) dx/dt = F(x)短寿命現象も含めるため、ちょっと先まで

６ x ２４ x １０（＝１４４０）回繰り返して、１０日先の値を計算

１京 ＝ １０，０００ ，０００ ，０００ ，０００ ，０００

https://www.r-ccs.riken.jp/jp/k/

23/29

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) 24/29

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

25/29

火山噴火

人為的影響

、人為的影響

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 (RepresentativeConcentration Pathways)

全球平均地表気温の予測

IPCC(2013; Fig. SPM.8)

IPCC (2013; Fig. 8.5)

26/29

IPCC(2013; Fig.TS.9)温暖化予測の不確実性

自然内部変動の存在– 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

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

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

モデル検証の違い

数値天気予報モデルは、日々検証されてきたモデル

気候モデルは、限られた数の２０世紀気候変動再現実験

27/29

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、の予測との同異

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 28/29

29雲海 保月城跡より ©20XX-2019 林 時彦 氏

ご清聴有難うございました

29/29

30

https://www.tenkinoko.com/© 2019 「天気の子」製作委員会

地球・宇宙に関する基本的数字： 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