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地球温暖化の原因を探る —“最適指紋法”による気候変化シグナルの検出と要因評価—

【環境問題基礎知識】

野沢 徹

はじめに

 今年初めに公表された気候変動に関する政府間パネル(IPCC)の第4次評価報告書によれば,過去100年間(1906~2005年)に観測された地球の平均気温は約0.74℃上昇しており,人間活動に伴う温室効果ガス(GHG)の増加がその主たる原因と言われています。ここでは,このように過去の気候変化シグナルを検出しその要因を評価する方法について解説します。

“最適指紋法”とは?

気温や降水量などの観測データから気候変化シグナルを検出し,その要因を評価する主要な方法の一つとして,“最適指紋法(optimal fingerprintingmethod)”と呼ばれる手法が用いられています。一般に,観測データには,GHGの増加や太陽からの放射エネルギーの変化など,さまざまな要因によりもたらされた変化だけでなく,自然界の長い時間の中で変動する“気候の揺らぎ*1”も含まれていますが,このような揺らぎを考慮しても,ある特定の要因によりもたらされた変化の痕跡(=指紋)が,観測データの中から有意に検出できるかどうかを,統計的に調べようというわけです。数学的には,多変量の線形重回帰分析と見なすことができ,観測された気候変化Yを,何かしらの変動要因i に対する気候応答Xiの足し合わせで説明できると仮定し,観測された気候変化Yを説明するのに最適な係数βi(数学的には回帰係数と呼びます)を推定します(図1参照)。個別の要因i に対する応答Xiは観測などから求めることができません(地球を使って仮想実験を行うことはできません)ので,気候モデル*2を用いた仮想実験(GHGの増加のみ考慮した実験,太陽からの放射エネルギーの変化のみ考慮した実験,など)から求めます。推定された係数βiがゼロよりも大きければ,観測された気候変化Yには,変動要因i に対する気候応答Xiが有意に検出され,観測された気候変化Yを説明するためには,ある要因i に対する応答Xiが不可欠であると言えます。また,ある要因i に対する応答Xiと推定された係数βiから,観測された気候変化Yに対して要因i がどの程度の割合で影響を及ぼしていたか,を推定することができます。

図1 最適指紋法の概念図。観測された気候変化Yを,何らかの変動要因i に対する気候応答Xiの足し合わせで説明できると仮定し,観測された気候変化Yを説明するのに最適な係数(回帰係数)βiを推定する。
図1 最適指紋法の概念図。観測された気候変化Yを,何らかの変動要因i に対する気候応答Xiの足し合わせで説明できると仮定し,観測された気候変化Yを説明するのに最適な係数(回帰係数)βiを推定する。

20世紀の温暖化は人間活動によりもたらされた

 具体例を示しましょう。図2は,20世紀に観測された地上気温の時空間変化を,GHG濃度の増加に対する応答,GHGを除く人為的な変動要因(主に人間活動に伴うエアロゾル*3の増加)に対する応答,自然的な変動要因(太陽からの放射エネルギーの変化および大規模火山噴火)に対する応答,の3要素の足し合わせで説明できると仮定した場合の回帰係数を示します。回帰係数はいずれも5~95%の信頼区間で正の値を示しており,20世紀に観測された地上気温の時空間変化には,これら3種類すべての応答のシグナルが有意に検出されることが分かります。この回帰係数βiと解析に用いた気候応答Xiから求めた,それぞれの変動要因によりもたらされた地上気温の経年変化を図3に示します。この図から,例えば,20世紀後半では,GHG濃度の増加による気温上昇(およそ1.2℃/50年)が人為起源エアロゾルの増加による気温低下(およそ-0.55℃/50年)および自然的な変動要因による気温変化( およそ-0.20℃/50年)を大きく上回っているため,著しい温暖化が観測されたことが分かります。

図2 20 世紀に観測された地上気温の時空間変化を,GHG濃度の増加に対する応答(*),GHGを除く人為的な変動要因に対する応答(◇),自然的な変動要因に対する応答(△)の3要素の足し合わせで説明できると仮定した場合の回帰係数。縦線は推定された回帰係数の5~95%の信頼区間を示す。
図2 20 世紀に観測された地上気温の時空間変化を,GHG濃度の増加に対する応答(*),GHGを除く人為的な変動要因に対する応答(◇),自然的な変動要因に対する応答(△)の3要素の足し合わせで説明できると仮定した場合の回帰係数。縦線は推定された回帰係数の5~95%の信頼区間を示す。
図3 推定された回帰係数とさまざまな変動要因に対する応答(時空間変動パターン)から求めた気温変化。陰影部分は5~95%の信頼区間を示す。
図3 推定された回帰係数とさまざまな変動要因に対する応答(時空間変動パターン)から求めた気温変化。陰影部分は5~95%の信頼区間を示す。

おわりに

 過去の気候変化シグナルを検出し,その要因を評価する主要な方法の一つである“最適指紋法”について,簡単に解説しました。気候モデルによる数値実験データと観測データとを統計的に比較・検討することにより,20世紀に観測された地上気温の変化が“気候の揺らぎ”だけでは説明できず,特に20世紀後半では,GHGの増加による温暖化が人為起源エアロゾルの増加による冷却効果を大きく上回っているため,著しい昇温傾向が観測されていることが示唆されます。ここで示した結果は,国立環境研究所が東京大学気候システム研究センターおよび海洋研究開発機構地球環境フロンティア研究センターと共同で開発した気候モデルを用いていますが,世界の他の気候モデルによるシミュレーション結果を用いてもほぼ同等の結果が得られており,人間活動に伴うGHGの増加により引き起こされる地球温暖化が,20世紀後半以降すでに始まっていることは,ほぼ間違いないと言えるでしょう。

 ここでは地上気温の解析結果を紹介しましたが,人間活動の影響は,海洋の温暖化や降水分布の変化,極端な高温・低温の発生頻度の変化,風の分布の変化など,気候のさまざまな側面に及んでいることが明らかになってきています。もちろん,これらの研究結果にも少なからぬ不確実性が残されていますが,近い将来,不確実性の幅が確実に低減され,より信頼度の高い情報が提供されることは間違いないでしょう。

 *1…気候システムの外部からの強制が一切なくても,大気や海洋,雪氷などが相互作用することにより生じる変動を指します。エルニーニョだけでなく,冷夏や暖冬などの年々変動も気候の揺らぎの一部と考えられます。

 *2…地球の気候の仕組みをコンピュータ上に再現するシミュレーションプログラムで,大気や海洋を水平,鉛直の格子に分割して表現します。基本的には流体力学などの物理法則に基づいていますが,雲や雨,放射など格子サイズよりも小さい気象現象は,観測結果から得た半経験的な方程式を当てはめて計算するしかなく,これがシミュレーション結果の不確実性を生む要因の一つとなります。

 *3…大気中に浮かんでいる微粒子のことを指し,西日本を中心として春先に観測される黄砂なども含まれます。主要な人為起源エアロゾルやそれらの前駆物質は,化石燃料の燃焼に伴い大気中に放出されます。

(のざわ とおる,大気圏環境研究領域
大気物理研究室長)

執筆者プロフィール

早いもので環境研に来て10年が経とうとしています。まったく無知であった地球温暖化についても少しは知識が増えた気がしますが,まだまだ氷山の一角に過ぎないことを痛感する日々です。