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2020年8月28日

エルニーニョ現象の緻密な再現が熱帯域の温暖化予測精度を向上させる
—赤道太平洋の海面下数百メートルの海流変動が鍵—

(筑波研究学園都市記者会、環境省記者クラブ、環境記者会同時配付)

令和2年8月28日(金)
国立研究開発法人国立環境研究所
地球環境研究センター 気候変動リスク評価研究室
特別研究員: 林 未知也
 

   国立研究開発法人国立環境研究所の林未知也特別研究員(前: 米国ハワイ大学マノア校)と米国ハワイ大学マノア校のFei-Fei Jin教授とMalte Stuecker助教の国際共同研究グループは,観測に基づくデータと多くの数値気候モデルによる実験結果を解析することにより,赤道太平洋の海面下数百メートルにある海流変動が気候モデルによる熱帯温暖化予測の不確実性を低減させる鍵の一つであることを明らかにしました.
   気候モデルは温室効果ガスによる長期的な温暖化予測に用いられる一方で,エルニーニョ現象注1のような自然変動に伴う短期的な気候予測にも活用されています.しかし,多くの気候モデルによるエルニーニョ現象に関わる諸過程や統計的特徴の再現性は十分ではないとされており,その要因や気候予測への影響の解明が待たれている状況です.本研究では,結合モデル相互比較計画注2に参加する多数の気候モデルによる実験結果の解析から,太平洋赤道潜流注3と呼ばれる海面下数百メートルの海流の変動を正確に表現することでエルニーニョ現象の再現性が向上することを明らかにしました.さらに,熱帯太平洋における温暖化予測に対してエルニーニョ現象の強さの将来変化がもたらす影響を見積もることに成功しました.このことは,熱帯域の温暖化そして地球規模の気候変動予測の不確実性を低減できる可能性を示しています.
   本研究の成果は,令和2年8月28日付けでSpringer Natureから刊行される国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました.
 

1. 研究内容

現状と課題

   エルニーニョ現象注1は,熱帯太平洋の貿易風や海水温度を年々大きく変化させ,世界中の天候に影響を与える自然現象の一つです.例えば,熱帯太平洋の海面気温が高く貿易風が通常より弱いエルニーニョ発生時には,日本では冷夏,アメリカ・カリフォルニア州では洪水が発生することが多く,またインド・東アジアで季節風の進行が妨げられると現地の米の生産などに悪影響を及ぼします.対照的に,通常よりも熱帯太平洋が冷たく貿易風が強いラニーニャ発生時には,エルニーニョ状態の時とは逆の異常天候が世界中で生じる傾向にあります.このような気候の自然変動は,生態系や漁業・農業をはじめとする人間社会の様々な側面に影響を与えています.世界各国が開発してきた最新の数値気候モデルは一般に,これらの熱帯気候の自然変動をうまく表現することができます.これらの気候モデルは,エルニーニョ現象のような自然変動の理解・予報や,温室効果ガス排出量の増加による長期的な地球温暖化予測などにも活用されており,現在も開発・改良が続けられています.

   人間活動に伴う温室効果ガス排出による地球温暖化の全球的な空間分布は,多くの気候モデルの間で整合性があるものの,熱帯太平洋の温暖化分布については気候モデルによって不一致があります.最も大きな違いが見られるのは,ガラパゴス諸島のような気候に敏感な生態系が存在する東部熱帯太平洋です.将来,東部熱帯太平洋において温暖化がどのくらい早く進行するのかは,現地の漁業や生態系だけでなく,世界中の将来の気候分布にも影響します.研究者たちは,熱帯太平洋の温暖化予測におけるモデルの不確実性を減らすために,これまで何十年にもわたって研究・調査を続けてきました.

   多くの気候モデルでは,エルニーニョ状態とラニーニャ状態が同程度の強さで現れる結果を示しています.しかし,自然界では,エルニーニョに伴う海面水温の昇温の方がラニーニャに伴う冷却よりも強い傾向にあります(図1を参照).つまり,ほとんどの気候モデルではエルニーニョとラニーニャは対称的なのに対して,実際の自然界では非対称的なので,再現性に課題が残されていました.この原因はまだ明らかでなく,気候モデルによる将来気候の予測に与える影響もわかっていません.

観測されたエルニーニョ現象の最盛期における海面水温変動の空間構造を表した図(クリックすると拡大表示)
図1: 観測されたエルニーニョ現象の最盛期における海面水温変動の空間構造.
東部太平洋の赤道付近が平常時よりも暖かい(エルニーニョ)状態と冷たい(ラニーニャ)状態を数年おきに繰り返します.エルニーニョ状態の方がより強くなることが観測されていますが,多くの気候モデルはこの特徴を再現できない問題を抱えています.図には米国NOAAの海面水温データ(OISSTv2)を使用.

研究成果

   国立研究開発法人国立環境研究所と米国ハワイ大学マノア校の国際研究チームは,観測に基づくデータと最新および過去の結合モデル相互比較計画(CMIP注2)に参加している多数の気候モデルの実験出力を分析しました.その結果,気候モデルがエルニーニョ現象に伴う海面下数百メートルの海流(太平洋赤道潜流注3)の変動をより正確に表現することで,再現されるエルニーニョ状態とラニーニャ状態の間の非対称的な特性が向上してより現実的となることを初めて明らかにしました.ただし,すべての気候モデルのうち3分の1ほどしか,太平洋赤道潜流の強さとそれに伴う海水温度の変動を現実的に再現できていないこともわかりました.

   エルニーニョ現象をより正しく再現する気候モデルを特定することは,東部熱帯太平洋の将来の温暖化不確実性を減らすために重要な役割を果たします.これらの気候モデルでは,エルニーニョ現象の強さの将来変化と,温室効果による熱帯の温暖化予測の空間構造との間に強い相関関係があることが明らかになりました(図2を参照).一般に東太平洋の赤道付近において温暖化は相対的に早く進行することが予測されていますが,エルニーニョ現象の将来的な強化を予測するモデルでは東部熱帯太平洋での温暖化はより早く進行します.これに対して,エルニーニョ現象の将来的な弱化を予測するモデルでは,東部熱帯太平洋の温暖化は抑制されます.このような関係が存在するということは,これらのモデルが気候に影響を及ぼす仕組みの一つを表現できていることを示しており,より信頼性の高いモデルだと言えます.この関係は,エルニーニョ現象に伴う太平洋赤道潜流の変動を正しく表現できない,全体の3分の2の気候モデルでは完全に消失してしまいます.

エルニーニョ現象をより正確に再現できる気候モデルによる地球温暖化予測を表した図(クリックすると拡大表示)
図2: エルニーニョ現象をより正確に再現できる気候モデルによる地球温暖化予測.
基本的に,東部太平洋の赤道付近において温暖化がより早く進行することが予測されます(上).エルニーニョ現象が将来強まる場合にその特徴はより明瞭になりますが(左下),逆に弱まると東部太平洋の温暖化の遅い進行が予測されます(右下).

今後の展望

   エルニーニョ現象を正確に再現することは,熱帯やそれを越えた地域での気候変動を予測する上で非常に重要です.気候モデルがエルニーニョ状態とラニーニャ状態の非対称的な特性を現実的に生成できるように,風と海洋の相互作用過程の系統誤差を低減させるためのさらなる研究が今後必要です.また,温室効果ガスによる地球温暖化に対応したエルニーニョ現象の強度変化の不確実性が高いことも,残された課題の一つです.今後さらにエルニーニョ現象のような地球気候の自然変動の理解を深めることにより,熱帯地域のみならず全球規模での将来の気候変動予測に伴う不確実性の低減につながることが期待されます.

2. 研究助成

   本研究はJSPS海外特別研究員制度201860671の助成を受けて林博士がハワイ大学マノア校大気科学科へ在籍中に主に実施されたものです.また,米国国立科学財団AGS-1813611と米国エネルギー省DE-SC0005110からの助成を受けました.

3. 発表論文

[タイトル]
Dynamics for El Niño-La Niña asymmetry constrain equatorial-Pacific warming pattern
[著者]
Michiya Hayashi (林 未知也), Fei-Fei Jin, and Malte F. Stuecker
[雑誌]
Nature Communications
[DOI]
10.1038/s41467-020-17983-y
[URL]
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17983-y【外部サイトに接続します】

4. 注釈

注1) エルニーニョ現象: 東太平洋の赤道付近の広い領域において海面水温が数年ごとに昇温と冷却を繰り返すことに特徴づけられる自然現象です.エルニーニョ現象に伴い地球規模の大気循環が変化するため,熱帯地域だけでなく日本を含む世界各国の天候の異常をもたらすことがあります.連動した大気の変動を含めてエルニーニョ・南方振動とも呼ばれ,太平洋の貿易風と海水温・海流の変動を伴って発達します.東部熱帯太平洋の海面水温が平常時よりも暖かい状態が続くことをエルニーニョ状態,冷たい状態が続くことをラニーニャ状態と呼びます.海面水温の変動は,エルニーニョ状態の方がラニーニャ状態よりも最盛期において強くなるという非対称的な特徴が観測されています(図1を参照).

注2) 結合モデル相互比較計画(CMIP): 気候変動に関する政府間パネル(IPCC)が2014年に刊行した第5次報告書や2022年に刊行される予定の第6次報告書などにおいて,気候に関わる研究に幅広く利用されている多数の気候モデル出力データが集約されています.世界各国の研究機関が各々の気候モデルを用いて実施した過去(1850年-現在)の気候再現実験および温室効果ガスの排出シナリオに基づく将来(現在-2100年以降)の予測実験などのデータを数多く取得することができます.

注3) 太平洋赤道潜流: 太平洋の赤道直近では平常時,水深およそ50-300 mにおいて1 m/sを超えるような強い東向きの海流があります.強いエルニーニョ状態ではその流れが止まってしまうことが,例えば1997年12月ごろに観測されました.多くの気候モデルは平常時のこの流れの強さを再現することはできるものの,その時間的な変動を適切に表現することは難しいのが現状です.

5. 問い合わせ先

[研究に関する問い合わせ]
国立研究開発法人国立環境研究所 地球環境研究センター
気候変動リスク評価研究室 特別研究員 林未知也

[報道に関する問い合わせ]
国立研究開発法人国立環境研究所 企画部広報室
kouhou0 (末尾に@nies.go.jpをつけてください)
029-850-2308