序章

最新の排出ギャップ報告書で、国連環境計画は、私たちがある程度知っていたものの、今まで信じようとしなかった冷酷で厳しい真実から始めています。

1.5°C への確実な道筋はありません。現在の誓約を実行しても、今世紀末までに気温上昇は 2.4 ～ 2.6°C に抑えられます。

これは、戦いが終わったという意味ではなく、私たちが運命づけられているという意味ではありません(私たちは一種の運命ですが) . ネットゼロの世界への体系的な移行を推進する一方で、気候変動の影響に対して社会を準備する必要もあります。

来るべきことに備えるための最初のステップは、来るべきことを把握することです。気候変動影響評価 (CCIA) は、その疑問に答えようとする活発な研究分野です。環境変化が人、コミュニティ、インフラ、生態系に及ぼすリスクを定量化するためのフレームワークです。典型的な CCIA プロジェクトには、次の 3 つの主要なステップがあります。

• 全球気候モデリング: 将来の世界の気候予測は?
• ダウンスケーリング: 地球規模の気候予測が与えられた場合、関心のある地域の物理的状態について何を推測できますか?
• 影響モデリング: 関心のある地域の推定気候予測が与えられた場合、目前のユース ケースにどのような影響がありますか?

気候予測

気候予測は、グローバル気候モデル (GCM)によってシミュレートされた、温室効果ガスの増加という特定の排出 シナリオに応じた、将来の数十年間の地球の気候システムの説明です。

気候予測 = 全球気候モデル + 排出シナリオ

これら 2 つの要因の組み合わせにより、将来の気候に関する多数の独自の予測が作成されます。最新の IPCC は、 Shared Socioeconomic Pathways (SSP)と呼ばれる 5 つの可能な排出シナリオと共に、約 100 の気候モデルを大量に収集しています。

以下のセクションでは、グローバル気候モデルから始めて、気候予測のこれら 2 つのコンポーネントを詳しく見ていきます。

全球気候モデル

気候モデルの最も基本的な原則は、地球システムと宇宙の間のエネルギー交換と、平均地表温度への影響をシミュレートすることです。

最初の気候モデルの 1 つは、1896 年に Svante Arrhenius によって単純な放射伝達原理とゼロ次元モデル (エネルギー保存のみを考慮したモデル) を組み合わせて開発されました。彼の研究は、二酸化炭素の人間の排出が地球を暖めることができることを示しました:

空気中の二酸化炭素の割合が 2 倍になると、地表の温度は 4 上昇します。

気候変動の考えられる原因 - アレニウス (1906)

はい、その年は1906年でした。

時間が経つにつれて、より多くのコンポーネントがシミュレーションに追加されました。現在、GCM は、大気、海洋、雪氷圏、および地表における物理的、化学的、および生物学的プロセスを表す非常に複雑な 3 次元数値システムです。多くの異なる気候変数をモデル化します。

(通常、影響研究で私たちが最も関心を持っているのは、大気表面の気候変数です: 気温、降水量、水蒸気です。)

GCM は、計算単位を表す個別のセル グリッドに地球を分割します。問題の規模を理解するために、100 キロメートルの空間解像度、つまり約 500,000 のグリッド ポイントを使用し、方程式に 100 の垂直レベルと 10 の物理変数を使用すると、5 億次元のモデルが生成されます。そして、それは1 つの timestepだけです。

科学者が地球規模でモデルを構築する必要があるのはなぜですか?

簡単に言えば、地球の気候に影響を与える多くの基本的なメカニズムは、広大な空間スケール (数千キロメートルにわたるエルニーニョの影響) と時間スケール (数千年にわたる氷床プロセス) で動作します。

ただし、はるかに小さなスケールで機能する多くの重要なメカニズムもあります (たとえば、局所的な降水パターン)。

したがって、すべてのプロセスをシミュレートすることは不可能です。ここで、GCM 間の違いが生じます。どの物理的側面を強調し、どの粒度で行うかについては、さまざまな研究グループが別の選択をしています。地球の気候システムは信じられないほど複雑であるため、最適なモデルは 1 つではありません。したがって、IPCC レポートで行われているように、全体像を理解するにはできるだけ多くのモデルを収集して分析する必要があります。

一般に、GCM は、より大きなタイム スライスと地域の気候システムの状態をシミュレートするのに適しています。たとえば、特定の場所（単一のグリッド セル）または短期間（単一の嵐イベント）。ここでモデルのダウンスケーリングが登場しますが、そのトピックについては別の記事を予約します。

次に、気候予測の残りの部分である排出シナリオについて説明します。

排出シナリオ

排出シナリオは、社会経済、技術、人口統計、環境開発などの人為的活動のさまざまな仮説に基づいて、温室効果ガスの排出がどのように進化するかを説明します。

次に、各シナリオは、温室効果ガス濃度の同等の変化に変換されます。この情報は GCM の入力データとして使用され、その結果、その特定の仮想強制力に対する気候システムの物理的反応が生じます。

この強制力に依存する性質のため、気候モデルの結果は、予測（初期値問題）として解釈されるのではなく、特定のシナリオに基づく予測（境界値問題）として解釈されます。

前述のように、最新の IPCC レポートでは、Shared Socio-economic Pathways [3] (下図の SSP XY) から派生した 5 つの排出シナリオが採用されています。これらのシナリオは、緩和措置がほとんどまたはまったく行われない通常の世界 (SSP 5–8.5) から、積極的な緩和によって温暖化が 1.5°C 未満に抑えられる世界 (SSP 1– 1.9)。

これらの標準化されたシナリオを GCM の推進要因として使用することで、これらの将来の排出量に対するモデルの対応の比較が容易になりました。ここで、結合モデル相互比較プロジェクト(CMIP) [4] の出番です。これは、異なる研究グループの気候モデル実験を同じ強制シナリオにかけることによって比較するフレームワークです。CMIP データはオンラインで入手でき、多くの下流研究や影響評価プロジェクトで広く使用されています。

結論

この記事では、気候プロジェクトの 2 つの主な構成要素である地球気候モデルと排出シナリオについて説明します。

排出シナリオは GCM の強制条件を提供し、シミュレーションに基づいて将来の気候状態の予測を生成します。

最後に、歴史的な気候予測を通じて、1950 年以降、観測された世界平均気温の上昇は人間の影響によって引き起こされたと科学者が結論付けました。科学者が人間の活動を伴わない排出シナリオを採用した場合、GCM によって生成されたシミュレーションは、観測された気温の傾向を説明できませんでした。モデルに人為的な力を加えることによってのみ、彼らは歴史的な傾向を再現することができました.

参考文献

1. Trenberth、Kevin E.、および John T. Fasullo。「地球のエネルギーを追跡する: エルニーニョから地球温暖化まで」地球物理学の調査33.3 (2012): 413–426。
2. Alley, R., Berntsen, T., Bindoff, NL, Chen, Z., Chidthaisong, A., Friedlingstein, P., … & Zwiers, F. (2007). 気候変動 2007: 物理科学の基礎。気候変動に関する政府間パネルの第 4 回評価報告書に対する作業部会 I の寄稿。政策立案者向けの要約。IPCC 事務局、ジュネーブ、スイス。21p .
3. Riahi, K., Van Vuuren, DP, Kriegler, E., Edmonds, J., O'neill, BC, Fujimori, S., … & Tavoni, M. (2017). 共有される社会経済的経路と、そのエネルギー、土地利用、および温室効果ガス排出への影響: 概要。地球環境の変化, 42 , 153–168.
4. Eyring, V., Bony, S., Meehl, GA, Senior, CA, Stevens, B., Stouffer, RJ, & Taylor, KE (2016). 結合モデル相互比較プロジェクト フェーズ 6 (CMIP6) の実験計画と組織の概要。地球科学モデル開発、9 (5)、1937–1958。