環境研究総合推進費による研究（地球環境研究）

２．地球の温暖化現象解明に関する研究

〔担当者〕

〔目　的〕
　地球の温暖化，あるいは，人間活動による気候変動が，人間活動に起因する温室効果気体の放出量の増加によって引き起こされることが予測されている。温暖化現象は，地表気温上昇のみならず，降水量変動，海氷，陸氷の減少，海面上昇，生態系の破壊などの現象が，同時に引き起こされる可能性を含む。
　温暖化現象解明研究は
（１）温室効果気体の研究
（２）大気成分変化でもたらされる気候変動の研究
（３）気候変動フィードバックの研究
のような大分類カテゴリーに分けられ，温暖化対策に必要な科学的知識を与えることを目的とするものである。温室効果気体の大気濃度が人為的，あるいは，自然的要因によって変動し，それが気候変動と密接に関係しているという事実は，既に認められているものである。従って，そのような温室効果気体の大気濃度を規定する広義の地球物質循環全般の解明研究が，温暖化現象解明研究の範囲と認めることができる。
　地球環境研究総合推進費では，このような温暖化現象解明研究のうち，我が国がアジア・太平洋地域にあることを踏まえたフィールド研究，グローバルスケールの現象解明に対する知見を与える研究，グローバルスケールのモデリングを行う研究に重点をおいて課題が設定されている。

〔内　容〕
　大気成分変化でもたらされる気候変動の研究にあたるものが課題（１）の「気候・物質循環モデルによる気候変動の定量的評価に関する研究」であり，その手法は，グローバルスケールのモデル化である。精密な気候モデルの開発と気候システムの諸過程を解明する研究を行った。
　気候変動フィードバックの研究にあたるものが課題（２）の「西シベリアにおける温室効果気体の収支推定と将来予測に関する研究」である。アジア地域でのフィールド観測による物質循環プロセス研究でもある。シベリア地域の自然湿地，凍土地帯，天然ガス田等からのメタン発生量，タイガの森林の炭素貯留量，陸上植生の自然変動などの調査観測と，物質輸送モデリング，リモートセンシングの手法を用いた気候変動応答予測研究を行った。
　主たる温室効果気体である二酸化炭素循環過程の研究として，その大気・海洋間移動プロセスを扱う研究が課題（３）の「北太平洋の海洋表層過程による二酸化炭素の吸収と生物生産に関する研究」であり，地球環境研究モニタリングと連携して，生産性の高い北太平洋高緯度海域での，二酸化炭素の交換過程を解析する研究を行った。我が国として重要な太平洋地域研究にあたる。
　温室効果気体研究として反応性がある温室効果気体を扱う研究が課題（４）の「地球温暖化に係わる対流圏オゾンと大気微量成分の変動プロセスに関する研究」である。ここでは，温室効果気体である対流圏オゾンの観測研究，その大気中濃度を制御する因子である大気微量成分を含む対流圏化学反応解明研究を行った。

〔成　果〕
（１）気候・物質循環モデルによる気候変動の定量的評価に関する研究
　地球温暖化に伴う気候変動の気候モデルによる予測が，影響評価・対策に十分に活かせるものとなるには，気候変動評価の不確定性の幅を明らかにするとともに，東アジア・日本といった地域スケールでの気候変動の評価を行う必要がある。また地球環境変動の研究の推進のためには，現在の気候モデルに欠けている物質循環や生態系との相互作用を取り入れて総合化した気候モデルを開発する必要がある。そこで本研究課題では，１）人為起源エアロゾル，雲，地表水文過程などによってもたらされる気候変動の不確定性を明らかにすること　２）全球気候モデルの結果を，森林生態系など各種地表面の影響を取り入れつつ，地域スケールでの気候変動評価に翻訳すること　３）気候変動と対流圏物質循環，森林生態系間の相互作用を含めた総合的なモデルの基礎を確立することという３点を主な目的とする。
　サブテーマ「全球規模の気候変動におけるエアロゾル・水の効果の定量化に関する研究」では，全球規模の気候変動予測における不確実性を減少するため，ＣＣＳＲ／ＮＩＥＳ全球気候モデル（大気海洋結合大循環モデル）を用いた数値実験および現実データを用いた解析研究により，気候にもたらすエアロゾルと水の効果を調べる。１９９５年のＩＰＣＣ第２次レポートにおいても，これらの点についての研究の必要性が強く指摘されている。本年度の成果は，以下のとおりである。１）衛星データから得た雲の分布から地表面における雲の放射効果を推定するとともに，世界基準放射観測ネットワークに指定された観測点での高精度地上放射観測データを用い，太陽放射および赤外放射に対する雲とエアロゾルの放射効果の毎時の時系列を１年間を通じて求めた。２）ＣＣＳＲ／ＮＩＥＳ大気大循環モデルを基に開発した３次元エアロゾル輸送モデルを用いて，対流圏に存在する主要なエアロゾルと考えられている土壌性・硫酸塩・炭素性・海塩の４種類のエアロゾルの同一モデル内での３次元シミュレーションを行った。これにより，ＮＯＡＡ衛星のＡＶＨＲＲデータから推定されたエアロゾルの光学的 厚さや粒径指標の全球分布との比較が初めて可能になった。
　サブテーマ「エアロゾル生成モデルのためのＳＯ３生成・消滅過程に関する研究」では，硫酸エアロゾルの生成に重要な化学反応過程の研究を行う。対流圏のエアロゾルの中で最も重要なものは硫酸エアロゾルであり，その前駆体は化石燃料の燃焼によって放出されるＳＯ２に加えて，生物起源あるいは火山活動などによって放出される硫黄化合物（Ｈ２Ｓ，ＣＨ３ＳＨ，ＣＨ３ＳＣＨ３，ＣＨ３ＳＳＣＨ３，ＣＳ２，ＣＯＳ）の大気中での光酸化により生成するＳＯ２である。本年度は，１）前年度に非常に速い反応であることが判明したＳＯとパーオキシラジカルとの反応について，その反応速度定数の決定を行った。２）ＮＯｘ存在下でのＤＭＳ（ＣＨ３ＳＣＨ３）の光酸化反応によるＳＯ２の生成収率の温度依存性として室温及び５０℃で収率測定を行った。その結果，ＳＯ２の収率は温度の上昇に伴って増大することがわかった。測定された温度依存性はＤＭＳの光酸化の第一ステップであるＯＨラジカルの反応機構の温度依存性では説明ができず，光酸化プロセスで生成するＣＨ３ＳＯｘラジカル類の熱的安定性に強くかかわっているものと考えられる。
　サブテーマ「地域規模の気候変動評価に関する研究」では，地域スケールの気候変化の影響を高精度で評価するため，東アジア地域に焦点を当て，地域気候モデルの開発を行う。前年度の研究によりモデルの積雲対流過程，陸面過程に問題があることが示されたため，本年度はこれらの過程の改良を行った。モデルの積雲対流過程に様々な条件を加えて全球気候モデルによる実験を行い，対流圏中層の乾燥空気が亜熱帯海上の高気圧における対流の抑制に重要な役割を果たすことを示した。この条件を地域気候モデルの積雲対流過程に組み込むことにより，梅雨季の降水量の分布が著しく改善された。陸面過程については，植生，積雪，凍土，斜面流出などの効果を適切に取り込んだ陸面過程モデル（ＭＡＴＳＩＲＯ）を新たに構築した。このモデルに全球の大気状態の観測値を与えて積分することにより，現実的な水収支を再現できることを検証した。また，東アジア域のモンスーン気候において重要な役割を果たすと考えられるチベット高原を対象にして，地域気候モデルの適用性を検証した。
〔発　表〕Ｆ−３，４， ｆ−３〜６， ６３， ９７， ９８， １００， １０１
（２）西シベリアにおける温室効果気体の収支推定と将来予測に関する研究
　シベリアは，自然による温室効果気体の発生／吸収の規模が本来大きい。さらに，高緯度であるため温暖化による気温の上昇が強く現れる可能性が高いので，温暖化の影響は，自然の発生／吸収へのフィードバックのみならず，脆弱な生態系への影響もあり得る。そのため，温暖化を含む地球規模の環境問題における重要な研究対象である。
　メタン発生量の自動測定装置の開発により，西シベリアの大低地からのメタン発生については極めて質の高いデータを長期に得ることができた。メタン発生量は地温に対する直線関係にあり，その係数は場所によって異なることが明らかになった。また，二酸化炭素とメタンの発生量には，場所や地温によらず一定の直線関係にあることがわかった。このことは，衛星画像データによる地表面温度と植生指数とからメタンの発生量を推定できる可能性を示唆する。
　前年度までの研究で，ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲデータから求めた植生指数と地表面温度を用いれば，湿原域を森林や草地など他の土地被覆タイプから区別できることを明らかにした。本年度は，この方法が西シベリア湿原の他の地点でも一般的に使用可能かどうかを確かめるために，前年度のテストエリア（東経８３°，北緯５７°）よりも北の二つのサイト−（東経８０°，北緯６２°）及び（東経７２°，北緯６５°）−で解析を行った。その結果，植生指数と表面温度の二つの指数は，これら二つのサイトにおいても湿原域の抽出に有効であることが確かめられた。
　メタンの発生量はメタン生成細菌の活性と強い相関が予想される。メタンの生成と酸化の速度を各深度で測定することが，ネットのフラックスの変動を理解する上で重要である。本観測では湿原植生の各代表地点で深度方向の酸化還元電位を測定し，溶存メタン・溶存酸素およびメタン生成活性との関係を明らかにするとともに物理化学的環境要因を明らかにした。また，メタン生成細菌の深度分布を蛍光顕微鏡観察法にて測定しその概容を把握したが，未だその精度には改善の余地があるため，手法の検討を行いたい。
　シベリアの永久凍土地帯に成立している針葉樹林帯では，夏季の土壌の融解期間と融解深度が高木の成長を制限する重要な要因のひとつである。北緯６４度のカラマツ林で調査を行った結果，長期にわたって山火事を経験していない林分の融解深が３０〜５０ｃｍにとどまるのに対し，山火事により地表面のコケ，地衣，植物遺体の層が消失してカラマツの若木が旺盛に成長している場所の融解深は１００〜１５０ｃｍに達することを見いだした。
〔発　表〕Ｃ−２０，２１， ２３， ２４， ｃ−１５， ｇ−２７〜３０
（３）北太平洋の海洋表層過程による二酸化炭素の吸収と生物生産に関する研究
　海水／大気の二酸化炭素濃度（分圧）差と気象要素からは，海域の二酸化炭素吸収量が算定できる。この研究課題では，海洋表層の二酸化炭素分圧測定法の標準化と観測データのデータベース化のために，測定方法の高度化，観測データのモデル化の方法論とその応用，さらには，同位体地球化学的手法による大気・海洋・陸域生態系間の二酸化炭素交換収支推定に関する研究を進めた。
　サブテーマ「海洋表層二酸化炭素分圧測定の高度化に関する研究」では，海水中二酸化炭素分圧測定の正確さを高めるために，測定装置間の比較実験を行った。水産庁水産工学研究所の大型室内海水プールを用いて，開発したタンデム方式平衡器と定期貨物船で長期運転したバブル方式平衡器を同時運転し，その間の偏差を求めた。その結果，バブル方式平衡器が０．８％低い測定値を与えることが明らかになった。結果を用いて，定期貨物船での運転結果を詳細に検討した。日加航路定期貨物船では１９９５〜１９９７年度の３年間，バブル方式とシャワー方式の同時運転を，１９９８年度はタンデム方式とシャワー方式の同時運転を行った。実験で得た補正係数を用いると，１９９７年度と１９９８年度の２年間にわたって，バブルもしくはタンデム方式とシャワー方式間に偏差は見られなかった。このことは，補正係数の確からしさ及び複数方式の測定装置が適切に運転されていたことを示す。しかし，１９９５〜１９９６年度の船上測定は，方式間偏差が見られ，測定の不確かさの程度が大きい。
　サブテーマ「高頻度観測データを利用した北太平洋域の海洋表層二酸化炭素分圧の時空間分布のモデル化に関する研究」では，本研究所地球環境研究センターで行っている定期貨物船による北太平洋高緯度域の二酸化炭素分圧観測データを解析した。二酸化炭素フガシティ（ｆＣＯ２）の季節関数と，海域の生物生産の関係を検討した。高緯度北太平洋では，春から夏にかけて栄養塩（硝酸，リン酸，ケイ素）の濃度が低下するが，秋から冬にかけては鉛直混合のために増加する。ｆＣＯ２を温度補正して，測定地点の平均水温時に換算すると，硝酸濃度変化と極めてよい直線関係を示した。春から夏にかけては，生物生産で海水のｆＣＯ２が低下する。ただし，夏の水温上昇はｆＣＯ２を上昇させるので，夏の生物生産が続いてもｆＣＯ２は必ずしも低下しない。しかしながら，温度補正したｆＣＯ２と硝酸の関係が直線的であり，なおかつその比が植物体のＣ／Ｎ比に近いということから，高緯度太平洋ではｆＣＯ２変化が主として生物生産で支配され，ガス交換や水平移流項の影響が小さいことがわかった。また，アラスカ湾，ベーリング海，西部北太平洋という海域間で比較した生物生産の大きさの違 いも明らかになった。
　サブテーマ「大気，海洋の二酸化炭素の同位体測定による炭素循環の解明に関する研究」では，太平洋上の大気中二酸化炭素の炭素及び酸素の同位体比を測定し，そのトレンドを検討することによって，その動態の解析を行った。同位体比の測定精度は炭素で０．０１パーミル前後であった。二酸化炭素濃度の変動と同位体比の変動を比較した結果，季節変化による二酸化炭素の大きな濃度変化は植物の光合成や呼吸による同位体効果に合致していた。結果を陸域植物の同位体分別と海洋の同位体交換を表す簡単なモデルに入力して解析したところ，１９９７〜１９９８年にかけてのエルニーニョで，陸と海の吸収が大きく変化したことが推定された。
（４）地球温暖化に係わる対流圏オゾンと大気微量成分の変動プロセスに関する研究
　大気中微量成分の中にはＣＯ２，Ｎ２Ｏ，ＣＦＣなどに代表される対流圏において非反応性の気体，ＣＨ４，Ｏ３，ＮＯｘ，ＶＯＣ，ＤＭＳなどに代表される対流圏で反応する気体，さらにエアロゾルなどの微量物質がある。反応性微量気体の代表である対流圏オゾン（Ｏ３）は地球温暖化に対して将来大きなインパクトを与える可能性の高い気体として，今後の研究の重要性が１９９４年のＩＰＣＣ報告において指摘されている。
　対流圏Ｏ３には成層圏からの輸送混入によるものと，ＣＯ，ＮＯｘ，非メタン炭化水素など多くの短寿命の前駆体から生成する光化学反応起源のものがある。ＣＦＣによる上部成層圏Ｏ３の減少に伴い下部成層圏Ｏ３が増加し，また，温室効果により大気の大循環が変動し，成層圏・対流圏の混合の速度が変化する可能性が指摘されており，成層圏起源の対流圏Ｏ３が変動する可能性がある。他方，光化学反応によるＯ３生成は，その前駆体が北半球の化石燃料の消費や森林火災など人為的に放出されるので，主として北半球の中低緯度で生成する。これらの現象は多分に地域的・比較的短期的な現象であり，北半球では産業革命以来２５ｐｐｂの増加があり，南半球では増加がなく極域ではむしろ減少していると言われているが，その実態は十分把握されていない。
　本研究は対流圏Ｏ３の地域分布，高度分布，日変化，季節変動などの濃度測定とその解析，関連する他の微量成分の測定，化学反応，対流圏モデルなどにより成層圏および光化学起源の対流圏Ｏ３の実態を総合的に把握し，温室効果の精度向上および将来予測に貢献する。
　本研究所では以下の３つのサブテーマを担当して研究を行った。
　１）対流圏オゾン分布の地域特性，季節変動要因の解析に関する研究
　ノボシビルスク（北緯５５°，東経８２°）で１９９８年１１月から１９９９年３月の期間，航空機を用いたオゾン濃度の鉛直分布の定期観測を行い，オゾンの高度分布や各高度でのオゾン濃度の変動要因を解析した。Ｏ３観測網の一環として，モンゴルの奥地のモンディー，タイ，波照間等で地上Ｏ３を測定し，その季節変動を解析した。
　２）対流圏オゾン濃度変動にかかわる化学反応に関する研究
　地球温暖化による光化学オゾンへのフィードバックを調べるため，炭化水素／ＮＯｘ／空気＋ｈν系で炭化水素をいくつか変えて、光化学反応で生成するＯ３濃度の温度依存性を測定した。これに関連してオゾン生成にかかわる気相ラジカル反応の速度・機構の決定を行った。また，海洋上での低濃度オゾンの原因を明らかにするため，海洋上の有機・無機ハロゲン化合物の濃度測定を行い，さらに光化学オゾンに対するハロゲン分子の添加効果について調べた。
　３）対流圏物質循環モデルによる対流圏オゾンの分布と動態の解析に関する研究
　メソスケール気象モデルとのリンクを目的とした，化学反応スキームを含む対流圏物質循環モデルを確立し，１９８７年５月に観測された日本域の高濃度Ｏ３のモデルシミュレーションを行った。その要因として，成層圏起源のオゾンの沈降，及び，光化学反応によるオゾン生成の寄与率を各々見積もった。また成層圏からのオゾン沈降に関する時間スケールを，トラジェクトリー解析から見積もった。
〔発　表〕Ａ−３，Ｄ−４２， Ｆ−１７， ｄ−４３〜４５