環境研究総合推進費による研究（地球環境研究）

〔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わけられ，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の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の研究にあたる。
　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。
　本年度は，全球規模の気候変動予測における不確実性を削減するため，ＣＣＳＲ／ＮＩＥＳ全球気候モデル（大気海洋結合モデル）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た。ＩＰＣＣの温室増加ガス・人為起源硫酸エアロゾルの増加シナリオに基づいた地球温暖化気候モデル数値実験を行い，エアロゾルの直接効果の評価に重点をおいて実験結果を解析した。ＣＣＳＲ／ＮＩＥＳ気候モデルの重要な特徴は，世界各国のモデルに比較して放射過程の取扱が高精度な点である。従来のモデルではエアロゾルの効果が地表面アルベドに換算されていた。本研究において，エアロゾルの効果を放射伝達方程式で解いた結果，従来の実験では，エアロゾルの直接放射効果が過大評価されている可能性が高いことが指摘された。モデル実験と平行して，観測データの解析を行い，衛星画像データから海上のエアロゾル全球分布の季節変化の導出を行って，人為起源エアロゾルの同定を行うとともに，エアロゾルの間接効果である雲の放射効果を解析する手法の開発を行った。また，硫酸エアロゾル生成に関し，ＳＯ２がＳＯから大気酸化反応によって生 成する化学過程の実験室研究を行い，その生成効率が非常に高くかつ生成速度が非常に速いことがわかった。
　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った。コロラド州立大学で開発された領域大気モデリングシステム（ＣＳＵ-ＲＡＭＳ）を基に，長期間の積分に耐えるように放射過程や境界条件の変更などいくつかの改良を行った。このモデルの性能を評価するために，１９９４年の１年間を例に現在の気候を再現する実験を行った。モデルは冬期の東アジア域の降水パターンをよく再現し，また日本各地域の年間の降水変化の特徴も比較的よく再現した。しかし，主に梅雨期の降水量の分布には問題があり，モデルの積雲対流過程を改善する必要があることが示された。
　対流圏内の物質輸送プロセスを詳細に記述可能な対流圏大気システムモデルとして，ＣＳＵ-ＲＡＭＳと結合されたオンライン輸送モデルを新たに開発してその評価を行った。モデルのテストは梅雨期を対象として行い，良好な結果が得られた。ＲＡＭＳは，気象客観解析データには含まれない鉛直風速，乱流エネルギー，雲・降水の詳細な時間・空間変化が得られることから，大気輸送・拡散への応用に重要であることが確認された。
〔発　表〕ｆ-１２，１６，２３，２５，２８〜３１，４３，５９〜６４

（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／吸収の規模が大きく，高緯度であるため温暖化が強く現れる可能性が高く，脆弱な生態系への影響が大きいと予想され，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。西シベリアには約３千ｋｍ２規模の世界最大規模の湿原があり，推進費による過去の研究でもメタンの大規模な発生源であることが明らかになっている。
　ＩＰＣＣ１９９５年報告では，「高い温度変化が予想される高緯度地帯でのメタンについては正のフィードバックの可能性もあるが，定量化研究は不足している」と評価されている。これまでにメタン発生量と地温との正の相関が観測されており，温暖化によるメタン発生量の増大が予想されているが，さらに，長期間の観測により定量的な予測を行うことが必要である。
　西シベリアの大低地からのメタン発生に関する研究においては，メタン発生量の自動測定装置を導入することにより，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，二酸化炭素の発生量との関係では，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。このことから，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が出てきた。
　メタンの発生量は水位と強い相関があることがわかっている。本観測でも酸化還元電位を測定し，溶存メタンとの関係を明らかにした。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。この視点で，酸素の溶解と植物によるメタンの輸送を止める実験を行い，溶存メタンの深度分布の変動を測定し，メタン生成速度の深度分布を推定した。メタン生成細菌の深度分布の測定は未だ成功していないが，溶存メタンの測定による結果と一致すると考えられ，その結果が待たれる。
　観測結果を広域化・通年化してグローバルな発生量を推定するために，メタン生成のモデル開発を行い，その道具立ては整った。特にメタン生成細菌の温度特性を平均気温で特徴づけることにより，広い緯度範囲に適用できる見通しが立った。
　航空機による大気のサンプリング分析でメタンの同位体比の季節変動を測定することにより，人為・自然の発生源の寄与を評価する試みは，サンプリングと分析の体制が整った段階にある。通年の観測を行うこと，高度による同位体比の違いを明らかにすることを目的としているので，少量のサンプルで高精度の測定を行う必要がある。本年度は目的とする測定精度を発揮する手法が確立したので，今後は観測データを蓄積し，その解析を行える段階に入った。
〔発　表〕Ｃ-３２，Ｆ-２１，２２，ａ-１１１，ｆ-１，２，ｇ-１８，１９

（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，測定装置間の差の実測を行った。水産庁水産工学研究所の大型室内海水プールを用いて，国内研究機関の測定装置を持ちよる相互比較実験を行った。合計１０式の測定装置を比較運転したところ，測定値は±２ｐｐｍ以内で一致した。結果から，バブル方式平衡器が系統的に低い測定値を与えることが判明し，表面張力の効果と考えられた。また，バブル方式を前段平衡器としミキサー方式を後段平衡器とするタンデム方式を考案し，良好な結果を得た。
　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，国立環境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。海水−大気の二酸化炭素フガシティ差（ΔｆＣＯ２）が緯度と季節の関数である前提をおいて海洋グリッドごとに結果を解析した。多くの海域で，年間１周期の調和関数成分が卓越していた。しかし，本州東方海域では年間２周期成分が強く，春と秋にΔｆＣＯ２が低下した。千島・カムチャッカ半島沖の西部亜寒帯循環海域とベーリング海では，春季の生物生産とともにΔｆＣＯ２が低下し，冬季の鉛直混合に伴いΔｆＣＯ２が上昇することがわかった。これに対し，東部北太平洋高緯度海域のアラスカ湾では，季節変動幅が小さく，年間を通してΔｆＣＯ２はゼロないしわずかにマイナスであった。北太平洋中央部中緯度域では，水温変動に伴う変化が卓越することがわかった。全季節を通した平均では，亜寒帯循環の北の縁辺では，年間を通した大気／海洋の正味の二酸化炭素移動は海洋が放出する方向であることがわかった。一方，それ以外の北 太平洋では，正味の二酸化炭素吸収があることが明らかになった。
　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。しかしこの関係からずれる点が北太平洋上の春に見受けられ，同位体比の変化量が小さく，海洋の吸収を現すものと考えられた。酸素同位体比は，炭素同位体比とは異なり，北緯４０度以北の夏に低くなる季節変化が観測された。
〔発　表〕ａ-９２〜１０１，１１３

（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で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。
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Ｏ３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(ヤクーツク・イルクーツク)のＯ３計の校正を行う。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
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Ｏ３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，ＮａＢｒ上の反応を研究しＢｒ２やＨＯＢｒの放出を測定した。
　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，１９８７年５月に国内６カ所で測定された対流圏Ｏ３の起源を解析した。
〔発　表〕Ｄ-３９，４０，Ｆ-１，４〜９，ｄ-３３，３８〜４３，ｆ-４〜１１，６９，７０，７６〜７８