N I E S

地球環境変化予測のための地球システム統合モデルの開発（２）

“成層圏”化学グループ進捗報告

永島　達也秋吉英治、坂本圭、今村隆史（国立環境研究所）高橋正明（東大気候システム研究センター）河宮未知生、滝川雅之（地球環境フロンティア）

平成１８年度 RR2002課題１ , ２ ,４合同運営委員会平成 19年1 月 30日＠東大 CCSR（柏）

N I E S

CCSR/NIES 成層圏化学気候モデ

ル（ CCM）

陸域モデル海洋モデル

大気モデル

背景

エアロゾル（ SPRINTA

RS）

大気化学（ CHAS

ER）

気候（ CCSR/NIES

AGCM）

気候（ COCO ）

生物化学モデル

（MPZD-type）

気候（MATSI

RO）

生物化学モデル

（ Sim-CYCLE）

植生動的モデル

（ SEIB-DGVM）

地球システム統合モデルの構成 元々対流圏ベース成層圏化学の導入

モデル相互比較（ CCMVal）への参加

WMOオゾンレポートへの貢献を目的とした実験の実施統合モデルの参照データとして利用　→ K2の資源を

利用

N I E S

WMOオゾンレポート 2002 （前回）

① 南極の春季オゾン量はハロゲン負荷の減少に応じて 2010年頃には増加に転じる② 北極域の将来予想は難しいが、今後の北極オゾンホール出現には否定的な結果

9 ･ 10月南極オゾン全量の最小値　　　　　　　　 3 ･ 4月北極オゾン全量の最小値

Chapter 1: Controlled substances and other source gasesChapter 2: Very short-lived halogen and sulfur substancesChapter 3: Polar stratospheric ozone: Past and futureChapter 4: Global ozone: Past and futureChapter 5: Surface ultraviolet radiation: Past and future

N I E S

各モデルの検証と相互比較

次期WMOレポートに向けた実験の調整

① モデルによって将来予測実験の設定が異なる► Transient vs Time slice ► 外部強制データ（ SST、CO2、フロン）

② より多くのシナリオ実験・感度実験が必要③ 評価の対象が極域に限られている④ 2050年程度までの長期的な評価が不十分⑤ 強制に対するシグナルと内部変動の切り分けが困難

► モデルの内部変動の大きさを検証する必要⑥ ハロゲン負荷の将来見通しが大きくモデルに依存する

► モデルの輸送過程の検証が必要

WMOオゾンレポート 2002：問題点

CCMVal

N I E S

CCMVal• Chemistry-Climate Model Validation

activity for SPARC（ Stratospheric Processes And their Role in Climate）

• 化学気候モデルの相互比較・プロセス志向検証計画（GRIPS計画の後継）

• 19モデルが参加（米［5 ］、独［5 ］、英［3 ］、日［2 ］、加・仏・伊・瑞［1 ］）

【目的】力学、輸送、化学（含微物理）、放射に関する 17

種のキープロセスを選定し、それらを特徴付ける３１種の診断項目をCCM計算から求め、観測と比較して検証する

N I E S

力学：波動の強制に対する成層圏の応答

観測事実 :極域下部成層圏の晩冬～早春にかけての気温は、少し前の時期での下部成層圏熱フラックス（ v’T’）と良く相関するプロセス 診断項目 モデル変数 観測データ

波動強制に対する成層圏の応答

惑星波フラックス vs 極域気温

100hPaでの熱フラックス（ 1,2月）、 50ｈ Paの気温（ 3月） . それぞれ期間平均、経度平均

気象場再解析データ

モデルの診断（北極域） :観測、モデルそれぞれについて、下部成層圏の熱フラックスと気温の散布図を描き、傾きや値の範囲などを比較する

下部成層圏熱フラックス

下部成層圏熱フラックス

下部成層圏熱フラックス

下部成層圏気

温

下部成層圏気

温

下部成層圏気

温

N I E S

CCMVal• Chemistry-Climate Model Validation activity

for SPARC（ Stratospheric Processes And their Role in Climate）

• 化学気候モデルの相互比較・プロセス志向検証計画（GRIPS計画の後継）

• 19モデルが参加（米［5］、独［5］、英［3］、日［2］、加・仏・伊・瑞［1］）

【目的】力学、輸送、化学（含微物理）、放射に関する 17 種の

キープロセスを選定し、それらを特徴付ける３１種の診断項目をCCM計算から求め、観測と比較して検証する

次期WMOレポートに向けたCCM実験の調整をおこなう

N I E S

Section IChapter 1: Long-Lived Compounds (Cathy Clerbaux and Derek

Cunnold)Chapter 2: Very Short-Lived Halogenated Compounds (Kathy

Law and Bill Sturges)Section II

Chapter 3: Global Ozone: Past and Present (Martyn Chipperfield and Vitali Fioletov)

Chapter 4: Polar Ozone: Past and Present (Paul Newman and Markus Rex)

Section III Chapter 5: Climate-Ozone Connections (Mark Baldwin and

Martin Dameris)Chapter 6: The Ozone Layer in the 21st Century (Greg Bodeker

and Darryn Waugh)Chapter 7: Surface UV Radiation: Past, Present, and Future

　　　　　　　　　 (Alkis Bais and Daniel Lubin)Chapter 8: Projections and Impacts (John Daniel and Guus

Velders)

WMO オゾンレポート 2006の構成（予定）

6

第 5 章 成層圏オゾン変化と気候変化の関係？第 6 章 CCMによるオゾンの将来見通し

過去 25年程度の成層圏オゾン変動：モデル vs 観測

N I E S

CCMVal 推奨実験実験 期間 GHG フロン類 SST エアロゾ

ル 太陽活動 QBO BrOY

REF1

1980(60)

|2004

OBS OBS OBS OBS OBSOBS また

は

内部発生

成層圏オゾンの過去・現在再現実験

REF2

1980|

2025

OBSA1Bシナリオ

OBSAbシナリオ

IPCC実験から

OBS(1999

)固定値 内部発生可能

な場合のみ

成層圏オゾンの将来見通し実験

N I E S

CCSR/NIES成層圏 CCM

•分解能水平 ： T42（格子間隔約 280km）鉛直 ： 34層（地表～ 0.01hPa）

•化学系気相反応 ：Ox-HOx-NOx-ClOx-BrOx不均一反応： PSC (STS/NAT/ICE)上の反応

•重力波抵抗地形性 ：McFarlane (1987)非地形性 ：Hines (1997)

結果（１）

気候値、トレンド

N I E S

オゾン全量：季節変化

観測： TOMS (2000-2004)

① 大気の球面形状を考慮した光解離計算② BrOx 系化学反応③ 短波長（＜ 200nm）での光解離パラメタ化④ 液滴 PSC 上での不均一反応⑤ 水平分解能の向上（ 560km 300km）⑥ 非地形性 GWDの導入

JFMAMJJASOND

WMO2002 提出データ： T21 (90-99)

JFMAMJJASOND

REF1アンサンブル平均： T42 (2000-2004)

JFMAMJJASOND

90N

45N

Eq

45S

90S

全体的に 10 ～15DU（ 3~5%）程度の過

大評価が残る

CCSR/NIES

90N

Eq

90SCMAM

AMTRAC

E39C

GEOSCCM LMDZrepro MAECHAM4CHEM

MRI SOCOL ULAQ

UMETRAC UMSLIMCAT WACCM90N

Eq

90S

90N

Eq

90S

90N

Eq

90S

90N

Eq

90S

JFMAMJJASOND JFMAMJJASOND JFMAMJJASOND

1980-99平均オゾン全量のモデル間比較

観測

Eyring et al. (2006)

N I E S

オゾン全量：南極オゾンホールの水平構造

1980-1984平均

観測TOMS

モデルREF1EMN

2000-2004平均1990-1994平均波数１の構造が観測に比べて弱い

N I E S

オゾン全量：北半球での極小イベント

TOMS:1997年3 月 24日 REF1 ＃１： 1999年3 月 9 日

似たような水平構造を持ったオゾン極小領域は再現されるが、オゾン最小値は観測ほど小さくならない

N I E S

オゾン全量：経年変化← 全球年平均オゾン全量時系列

← 60N-90N, 3-4月平均（北極春）

← 60S-90S, 9-10月平均（南極春）

黒線：観測（ TOMS）　赤線：アンサンブル平均ピンクトーン：アンサンブル範囲　

絶対値： 10-15DUの過大評価トレンド：過小評価火山噴火のシグナルが強め

絶対値：過小評価傾向トレンド：過小評価傾向

絶対値：ほぼ観測の範囲トレンド：過小評価傾向

N I E S

下部成層圏気温：経年変化

REF1で計算された成層圏気温（ 30hPa）

210-1-2

結果（２）

太陽１１年周期変動に対応した熱帯下部成層圏オゾンの変動

坂本圭１・秋吉英治１・永島達也１・ L.B.Zhou1・高橋正明２

１国立環境研究所・２東京大学気候システム研究センター

N I E S

太陽活動に対応したオゾンの変動

Lee and Smith (2003)

太陽活動に対応したオゾンシグナル

SBUV SAGE

40‐50km 付近のピーク20‐25km 付近のピーク ←こちらに注目

N I E S

帯状平均オゾンの回帰係数（年平均）

太陽変動に伴う変化量は全体の2 ％程度中緯度中部成層圏、熱帯下部成層圏で値が大きい

)()()()()(3 tRtENSOtSOLARtQBOttO 太陽変動（ δ）定常成分（ α） [ppmv][ppmv]

60S　　　 30S EQ 30N 60N 60S　　　 30S EQ 30N 60N

30hPa

70hPa

N I E S

水平移流 鉛直移流

[ppbv/day]

化学生成

60S 30S EQ 30N 60N

35

10

305070

100 60S 30S EQ 30N 60N

35

10

305070

10060S 30S EQ 30N 60N

35

10

305070

100

中・上部成層圏 → 化学生成の影響が大きい　下部成層圏 → 鉛直移流の影響が大きい

帯状平均オゾンの収支

化学生成

p

O

y

Ov

t

O 333 **

N I E S

オゾン（ α ）

鉛直流（ δ ）×鉛直流（ α ）

オゾン（ δ ）

×

太陽変動に伴うオゾン分布×

基本場の鉛直流

基本場のオゾン鉛直勾配×

太陽変動に伴う鉛直流

N I E S

基本場のオゾン分布 × 太陽変動の鉛直流太陽変動のオゾン分布 × 基本場の鉛直流

［ ppbv/day］下部成層圏 →太陽変動に伴う鉛直流（循環場）の変化の影響が大きい

N I E Sまとめ

♥ CCSR/NIES 中層大気 CCMを用いて成層圏オゾンの 20 世紀後半再現実験と将来見通し実験を行った。この結果は CCMVal や次期WMOレポートにおいて使用される予定である

♥ オゾン全量は絶対値、季節進行とも他のモデルと同等以上に良く再現された → 他の量の検証はこれから

♥ 低緯度下部成層圏のオゾン量に観測に似た太陽11年周期同期成分が得られた。このオゾン変動は主に鉛直流速の太陽同期成分によって引起されている事が示された