地球環境研究総合推進費による研究

２．地球の温暖化現象解明に関する研究

〔研究成果〕
（１）シベリア凍土地帯における温暖化フィードバックの評価に関する研究
　シベリアの自然湿地からのメタン発生の総量推定を行うため，１９９４年はシベリア大低地の中央部であるハンティマンシスク，スルグート，南部のポロトニコボにおいて観測を行ったが，１９９５年は南部のポロトニコボで航空機と地上とで集中的な観測を行った。自然湿地は多様性の大きいメタンの発生源であるため，その総量を測定するには夜間に接地逆転層に蓄積するメタン量を測定する方法が有効であるという発想で，航空機による接地境界層の内部の濃度分布を小型航空機により詳細に測定した。また，季節変化，環境要素とのかかわりを明らかにするために，チャンバー法によるメタンフラックスの測定を長期にわたって行った。これらの結果を総合的に判断すると，地上での観測を衛星による植生分類により広域にスケールアップする方法が妥当と判断した。
　１９９５年度の観測結果ではメタンの発生量と地温との正の相関が見られたが，単純に地表面温度から発生量を推定することは不可能である。６月末から８月末までの２カ月の長期観測でも，メタン発生の開始から終了までの測定ができず，環境要因との関連を明らかにするデータも得られず，また，一年の総発生量を推定することができないことが分かった。このため，１９９７年度に長期に完全自動観測を電源や物資の補給のない場所で行うことを目標に機器開発を行った。
　メタン測定器として一般にＦＩＤガスクロマトグラフが使用されているが，窒素や水素などのガスと，かなりの電力が必要である。また，微妙な可動部分があるので長期に過酷な条件下で自動運転を行うことは困難である。そこで都市ガスの漏れを検出する目的で開発された可燃性ガスの検知センサーを利用できる可能性を検討した。その結果，除湿や温度の安定化などの工夫により必要な感度と安定性を発揮させることに成功した。また，バルブなどの省電力化など電力や物資の消費を抑えるための工夫を行い，太陽電池で稼働できるシステムを完成した。
〔発　表〕Ｋ-４３，Ｃ-２４，Ｆ-１，２，３１，ａ-１０９

（２）気候モデルによる気候変動評価に関する研究
　地球温暖化を含む気候変動を定量的に評価するためには，気候システムの力学とエネルギー・物質循環を表現する高精度の数値モデルが必要である。そのため本研究では，東京大学気候システム研究センター（ＣＣＳＲ）と共同でＣＣＳＲ／ＮＩＥＳ-大気大循環モデル（ＡＧＣＭ）の開発・改良を継続し，それを用いた気候システムの変動特性の解析を行っている。気候値を定量的に再現することを目標として，大気放射，雲，陸面等の各物理過程のパラメタリゼーションの改良を行った。
　１９７９年から１９８８年までの１０年間にわたって，毎月の海面水温の観測データを与えてＡＧＣＭを時間積分した。モデルはＣＣＳＲ／ＮＩＥＳＡＧＣＭ５．４のＴ２１（約６００ｋｍ格子），２０層のものを用いた。１０年間のシミュレーション結果を観測データと比較したところ，対流圏におけるさまざまな量の年々変動の大きさははおおむね観測データと等しいかやや小さい程度であることが判明した。シミュレーション結果と観測データの時系列データの間の相関係数を計算すると，低緯度域，特に下層８５０ｈＰａの風や大気上端赤外放射（ＯＬＲ）などの量の熱帯の東太平洋域での値は，相関係数０．７程度とかなり良い値を示した。国際比較のプロジェクトである大気モデル相互比較計画（ＡＭＩＰ）に参加している他のモデルとの比較の結果，他のモデルと遜色のない結果が得られていることが確認された。
　温暖化現象を正確に表現するためには，海面水温および海氷の量を評価することのできるモデル，すなわち，海洋のフィードバック，海氷量変化を含むモデルが必要である。本来は，深海までの海洋の力学と海氷を考慮した海洋大循環モデルと大気モデルとの結合モデル，すなわち，海洋大気結合気候モデルが有用である。ここではその前段階として，海洋混合層モデルを大気モデルと結合して実験を行った。大気中の二酸化炭素が現在の状態と，二倍にした場合とで，モデルを約４０年間積分し，その差から倍増時の平衡応答を評価した。地表気温の変化の地理的分布の比較から，年平均の地上気温上昇は４．３度となった。また，高緯度大陸上と南極周辺の海氷域での上昇が大きく，高緯度では地表付近，低緯度では圏界面（約２００ｈＰａ付近）付近での昇温が大きい傾向がみられた。
　雲の効果の予測には，第１に雲の短波・長波のトータルの放射強制力の符号，第２に雲量の変化の決定要因，第３に光学的特性を左右する雲の微物理を知らなければならない。しかしながら，現実の雲についてこれらの点は，十分に把握されていない。ここでは，ＩＳＣＣＰ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｌｏｕｄ Ｃｌｉｍａｔｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ)による複数衛星の可視赤外観測による雲データ，ＥＲＢＥ（Ｅａｒｔｈ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｂｕｄｇｅｔ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）による衛星からの大気上端の放射収支観測データ，軌道衛星ＮＯＡＡによる可視赤外輝度データ，および精密な放射１次元モデルを用いて，雲の放射強制力と光学的特性について全球的に求める手法を開発し，解析を試みた。ＩＳＣＣＰ月平均による最大雲量を持つ雲型分布に，ＥＲＢＥ観測による月平均雲放射強制力をベクトルで重ねて解析した。その結果，全球的には，雲は冷却効果を持つが，熱帯暖水塊域などいくつかの特定の地域で加熱方向に働いていることが示された。

（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
　地球規模炭素循環の重要なキープロセスの一つである海洋と大気のＣＯ_２交換量を決めている海洋表層のＣＯ_２が従来から計測されてきた。しかしながら，季節変化を完全にカバーする海洋表層ＣＯ_２分圧観測がないことが，その推定に不確実さを生じさせていた。最近この問題を解決する目的で，定期貨物船を用いる北太平洋域の海洋表層ＣＯ_２分圧の高頻度モニタリングが，地球環境研究センターで開始された。これは，全季節を完全にカバーする画期的な観測であり，従来困難であった冬の観測も可能となった。
　本研究課題は，冬季を含む観測値を用い北太平洋域のＣＯ_２交換・吸収量を高精度で求めることを目的とする。海水中ＣＯ_２分圧測定の正確化，二酸化炭素分圧と海洋観測項目のパラメータ化，パラメータ化の実測での検証，観測データから広域の分布を推定するデータ解析，同位体を利用した大気・海洋観測による海洋のＣＯ_２交換・吸収の解明，という５サブテーマからなる。国立環境研究所では３サブテーマを担当している。

1. 船上ＣＯ_２分圧測定装置の開発改良と測定法間誤差要因の解明
   　定期貨物船に設置している海洋表層二酸化炭素分圧測定装置に改良を加え，方法間誤差の低減を図った。バブリング方式気液平衡器に，バブリング空気のＣＯ_２濃度を水中ＣＯ_２分圧とほぼ等しく調整する装置を付加した。平衡空気の除湿装置の効率を高め，分光光度計での水の影響を極小とした。この結果，シャワー型平衡器による計測の結果との差が，おおむね２ｐｐｍ程度まで減少し，高い信頼度の測定が行えるようになった。
2. 高頻度観測データを利用した北太平洋域の海洋表層ＣＯ_２分圧の時空間分布のモデル化に関する研究
   　１９９５年からの２年間のデータ解析を行い，北太平洋高緯度海域における海水中ＣＯ_２分圧の季節変化を明らかにした。海域による違いはあるが，高緯度海域では，春季から夏季の生物生産が大きい時期に海水中ＣＯ_２分圧は低下し，ＣＯ_２吸収現象が見られる。しかしながら，冬季は高いＣＯ_２分圧が支配的になり，ＣＯ_２放出現象に変わる。 　この現象と海洋パラメータの関係を解析すると，冬季のＣＯ_２放出現象と表面海水の密度に相関があることが見られた。このことは，冬の冷却による鉛直混合が，ＣＯ_２分圧を高める原因であることが明らかになった。
3. 大気，海洋のＣＯ_２の同位体測定による炭素循環の解明に関する研究
   　大気中の二酸化炭素の収支を知るために，二酸化炭素の炭素及び酸素同位体比の観測を行った。大気は日本−オーストラリア航路，日本−カナダ航路上の太平洋上で定期的に採取した。同位体比の精密な測定のために，内部標準となるスタンダードを作成し，これを基準に測定値を規格化することによって，装置の履歴や装置自身が変わった場合でも，炭素の同位体比で０．０１‰程度の誤差に押さえることができることがわかった。この方法をサンプルの測定に適用し，炭素，酸素の同位体比の緯度分布を求めた。

（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ＣＯ_２，Ｎ_２Ｏ，ＣＦＣなどに代表される対流圏において非反応性の気体，ＣＨ_４，Ｏ_３，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（Ｏ_３）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Ｏ_３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Ｏ_３の減少に伴い下部成層圏Ｏ_３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Ｏ_３が変動する可能性がある。他方，光化学反応によるＯ_３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Ｏ_３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Ｏ_３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。

　国立環境研究所では以下の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
   　一酸化窒素滴定法によるＯ_３計の校正システムを構築し，順次既存（波照間・落石・隠岐）・新設（ヤーツク・イルクーツク）のＯ_３計の校正を行う。Ｏ_３観測網の一環としてヤクーツクに地上Ｏ_３の測定器を設置し測定を開始した。イルークーツク，チクシでの地上Ｏ_３測定の準備を行った。 　
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
   　対流圏光化学反応に重要な気相ラジカル反応の速度・機構を決定する。海洋上の有無・無機ハロゲン化合物の濃度測定を行い，その際のＯ_３濃度との相関を見た。海塩粒子上の化学反応を研究するための室内実験用装置を作成した。 　
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
   　物質循環モデルのためのＮＯｘ，ＶＯＣ，ＣＯ等の全球発生源データベースの構築を行った。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た。