１—１．陸域炭素循環モデル

a. 要約

人為的温室効果ガス排出による地球環境変動予測モデルを構築する上で、陸域生態系による炭素循環をシミュレートするモデルを構築し、当課題で構築する地球システム統合モデルに組み込み、温暖化予測を行うことが当サブグループの目標である。平成15年度は、(1)Sim-CYCLEのオフライン評価、(2)陸域モデルのAGCMへの組み込み、(3)統合モデル相互比較プロジェクト参加のためのモデル拡張の検討、の3点を行った。

b. 研究目的

現在の地球の炭素収支においては、人為的（化石燃料消費・土地利用変化等）に排出された二酸化炭素(1980年代で約7PgC/年)のうち、約半分が大気中に残留し、残り半分が海洋・陸域に吸収されている。陸域生態系は、グローバルな観点からも地球の炭素収支に重要な役割を果たしている。しかし、現在の炭素循環研究において、陸域生態系の炭素収支は未解決の問題が多く、さらに、温室効果ガス排出による将来の地球環境変動予測においても予測の不確定性を大きくする要因の一つと考えられている。地球システム統合モデルを用いたいくつかの研究を比較すると、将来の二酸化炭素濃度や気候変動予測は、モデル間によって大きく異なり(例えばFriedlingstein et al. 2003)、陸域生態系の地球環境変動に対する炭素収支の応答の違いが一つの大きな要因と考えられている。

本サブグループの目的は、(1)陸域生態系炭素循環をより高精度で推定するモデルを構築し、(2)当課題において構築される地球システム統合モデルに組み込むことである。

大気と陸域植生間の炭素収支としては、植物による光合成と植物と土壌生物による呼吸が主であるが、長期の生態系を再現するために、生態系内部における複雑多様な過程を考慮する必要がある。それらの生理生態学性質に関して解明されていることは少なく、一般的モデルの導出は困難であることから、経験的な部分を残しつつも誤差の少ないパラメタリゼーションを目指す必要がある。そのために、共生第3(陸域生態系)などの観測プロジェクトと連携を深めつつモデル化を進める。

地球システム統合モデルへの組み込みに当たっては、現在の大気―海洋結合大循環モデル(AOGCM)に対して、陸域炭素循環モデルを結合させることにより、気候と炭素循環の相互作用を考慮した、より信頼性の高いシミュレーションが可能となる。例えば、温暖化によって寒冷地での植生生長期間が伸び、植生がCO₂をより多く吸収し、CO₂濃度上昇を緩和する方向に働くこともあれば、温暖化によって、土壌有機物分解速度が加速し、CO₂濃度上昇を促進させることもある。こういった気候と炭素循環のリンクを考慮したシミュレーションが可能となる

c. 研究計画・方法・スケジュール

地球システム統合モデルの構築に際しては、個々のコンポーネントが十分に検証されている必要がある。モデルの検証については、(1)共生第3(陸域)の地上観測グループや、環境省総合研究推進費S1のフラックスグループなどによる大気―陸域間の水・熱・二酸化炭素交換の継続観測データを用いた小面積ベースの検証、(2)共生第3(陸域)の衛星観測グループなどによる広域的な植生活動の衛星観測データ(LAI,光合成有効放射の吸収率,植生の光合成生産量)とモデル推定値の比較、などを行う。

上記のモデルの検証と並行して、モデルのオフライン評価を行う。過去〜現在のグローバルスケールでの炭素収支を再現し、将来の二酸化炭素濃度・気候変動シナリオ条件下での陸域炭素循環の変動をシミュレートする。種々の温室効果ガス排出シナリオ条件下で再現された気候シナリオを用いて、現在の統合モデル研究における将来予測の不確定性の要因について、オフラインシミュレーションによる解明を進める

陸域統合モデルの構築に当たって、当グループでは、炭素循環を再現するSim-CYCLEモデル(Ito and Oikawa, 2002)と、熱・水循環を再現するMATSIROモデル(Takata et al., 2003)の双モデルを結合することで、最も効率よく達成される。大気―陸域の相互作用について、Sim-CYCLEによるLAIに基づいてMATSIROが熱・水交換と光合成速度を計算する。そのMATSIROによる光合成量に基づいて、Sim-CYLEが植生の各部への分配、呼吸や枯死による消費、土壌中での分解といった生態系内部の諸過程を計算する。つまりMATSIROは大気から陸域へのCO₂吸収、Sim-CYCLEは陸域からのCO₂放出を推定することで合計として正味の交換量を得るという相補的な関係にある。

次の段階として、陸域生態系の構造的変化を考慮するための拡張が行われる。当課題の陸域動態サブグループが開発する動的植生分布モデルとリンクすることで、生態系を構成する植物タイプ(常緑広葉樹、低木、草地など)の組成変化を考慮した、より現実に近い予測実験を行う。MATSIROとSim-CYCLE、植生動態モデルをリンクした陸域に関する統合的なモデルに収束させる。最終的に、水熱収支―炭素収支―植生構造の変化が気候システムに与える影響を導入した統合モデルによる予測実験が実施される。

d. 平成１５年度研究計画

本年度は、(1)Sim-CYCLEオフライン評価、(2)陸域モデルのAGCMへの組み込み、(3)統合モデル相互比較プロジェクト参加のためのモデル拡張の検討、の3点を行う。詳細は以下の通り。

陸域炭素循環の将来予測の不確定をもたらす要因については、モデル構造の不確定性、モデルパラメータの不確定性、将来の気候予測の不確定性、将来の温室効果ガス排出量の不確定性の4点が考えられる。モデルの構造の不確定性については、C4MIP(The Coupled Climate-Carbon Cycle Model Intercomparison Project:炭素循環−気候結合モデル相互比較プロジェクト)等で様々な研究機関で横断的に行われるとして、モデルパラメータの不確定性・将来の気候予測の不確定性・将来の温室効果ガス排出量の不確定性の3点について、Sim-CYCLEを用いて評価を行う。

炭素循環と気候の統合モデルを構築するために、CCSR/NIES GCM(含MATSIRO)とSim-CYCLEの結合を行う。昨年度の検討事項に則り、GCMに含まれるカプラーを介して、Sim-CYCLEとMATSIROを相互補間する形で、LAIや土壌水分・土壌気温などを介して、AGCMと陸域炭素循環の結合モデルを構築する。

統合モデル相互比較プロジェクトのプロトコルに沿って、モデルシミュレーションを行うための追加コンポーネントの検討を行う。具体的には、土地利用変化による炭素収支の表現、と、大気輸送モデルを用いた大気CO₂濃度の再現、が必要な追加コンポーネントと考えられる。

e. 平成１５年度研究成果

研究計画に則り、(1)Sim-CYCLEオフライン評価、(2)陸域モデルのAGCMへの組み込み、(3)統合モデル相互比較プロジェクト参加のためのモデル拡張の検討、の3点を行った。詳細を以下に示す。

昨年度に引き続き、陸域炭素循環モデルSim-CYCLEを用いて、人為的温室効果ガス排出シナリオ条件下における将来の陸域生態系炭素循環変動のシミュレーションを行った。現在の統合モデルにおけるシミュレーション研究において、陸域生態系の炭素収支は最も不確定性の高いコンポーネントであると考えられている。陸域炭素循環の将来予測の不確定をもたらす要因については、(1)モデル構造の不確定性、(2)モデルパラメータの不確定性、(3)将来の気候予測の不確定性、(4)将来の温室効果ガス排出量の不確定性の4点がある。モデルの構造の不確定性については、C4MIP等で様々な研究機関で横断的に行われる予定であるが、その他の3種はSim-CYCLEを用いた全球シミュレーションによって、それらの不確定性の大きさを見積もることが可能である。

シミュレーションの条件を以下に記述する。全球計算は、空間分解能を0.5°として、Olsonの現存植生分布、NCEP/NCAR再解析気候データを長期平均(1961-1998年)した気象場、1900年当時の大気CO₂濃度を設定し、陸域炭素循環の定常状態を求めた。次に、2000年までの観測された大気CO₂濃度・気候場(CRUデータセット)と、将来の温室効果ガス排出シナリオ条件(SRES-A2,B2)下での将来のCO₂濃度(2000〜2100年)を用いて、大気海洋結合大循環モデルによる気候予測シナリオをSim-CYCLEに入力し、陸域炭素収支を介したフィードバックの無い条件下でモデル実験を行った。使用した気候シナリオは、CCSR/NIES、HadCM3、CCCmaの3種を用い、温室効果ガス排出シナリオには、SRES-A2,B2を用いた。気候変動を考慮しない場合を含めて、計8種類のシミュレーションを行った。

結果の一例を図1に示す。1900年以降2000年までは、バイオマス・土壌炭素ともに徐々に炭素を蓄積する。2000年以降は、温室効果ガス排出シナリオや大気大循環モデルの種類によって、大きく応答が異なっている。例えば、CCCmaによる気候シナリオを用いた場合は、SREA-A2,B2の条件下では、少なくとも2000年のレベルよりは炭素貯蔵量が増加している。一方で、HadCM3や、CCSR/NIESの気候シナリオを用いた場合では、2000年以降一時的に土壌炭素量が増加するケースもあるが、結果的には、2100年の時点では、2000年の土壌有機物量を下回る結果が得られた。特にCCSR/NIESによる気候シナリオを用いた場合には、他の2ケースに比較して大きな土壌炭素量の減少が見られた。

着目すべきは、温室効果ガス排出シナリオの違いによる炭素収支の違いに比較して、気候モデルの違いによる炭素収支の違いが明らかに大きいことである。SRES-A2とB2では、2100年時点のCO₂濃度で847ppmv,621ppmvと両者に大きな違いがあるにも関わらず、気候モデルによる気候応答の違いが陸域生態系に与える影響が温室効果ガス排出シナリオの違いを上回る。これらのほとんどが気候モデルの温度変化の違いによるものであった。このことは、統合モデルを構築する際に、大気大循環モデルによる気候予測の不確定性が陸域炭素循環に与える影響が大きく、統合モデルの信頼性を向上させるために、大気海洋結合モデルの信頼性も重要となることを示している。

現状の問題点として、(1)土壌のモデルが比較的短期の分解タイムスケールしか考慮していないこと、(2)窒素循環を考慮していないこと、が挙げられる。(1)については、現在のSim-CYCLEの土壌有機物は2種の分解のタイムスケールによって区別されており、それぞれ数年、数十年の分解のタイムスケールを持つ。実際には、より難分解性の土壌が存在する。これらのプールを考慮することで、より長期のタイムスケールに対応したモデルとなる。(2)については、長期のタイムスケールの植生成長においては、窒素の制限が効いてくる可能性がある。特に将来のCO₂濃度上昇による肥沃化の結果、植生が成長すると考えられる一方で、窒素が制約となり現在シミュレートされているほどの炭素吸収(植生成長)は望めない、との研究もある(Hungate et al., 2003)。一方、窒素循環については、プロセスやパラメータが十分に分かっていないため、モデルの組み込みには慎重に取り組まなければならない。

図１：Sim-CYCLEオフライン実験の結果。2種類の温室効果ガス排出シナリオ(SRES-A2,B2)条件下における3種類の大気大循環モデルを用いた気候変動予測(CCCma,Hadley,CCSR/NIES)を用い、計6種類の結果を示した。黒い矢印は、温室効果ガス排出シナリオによる土壌炭素貯蔵量の違い(約50PgC)、赤い矢印は、気候モデルによる土壌炭素貯蔵量の違い(約200PgC)を示す。

統合モデルを構築するための第一段階として、炭素循環を表現するSim-CYCLEモデルを陸面の熱・水収支を扱うMATSIROとの結合を行った。MATSIROは既にAGCMに組み込まれているために、Sim-CYCLEとMATSIROを結合することで、自然とAGCMへの組み込みが完了する。現在のMATSIRO(含むAGCM)では、陸域の炭素循環については考慮されておらず、LAIなど植生パラメータについては固定値を与えている(図2)。

AGCMへの組み込み作業ついては、(1)Sim-CYCLEのFORTRANバージョンの構築、(2)SimCYCLEのMATSIRO-AGCMの取り込み、の2段階で作業を行った。(1)については、昨年度に引き続きソースコードの整備を行い、作業はほぼ完了している。

(2)のMATSIRO-AGCMの組み込みについては、モデル統合化領域の協力の下、進められた。AGCMにおけるカプラーを介して、AGCM-MATSIROとSim-CYCLEは結合された。双方のインタフェースとしては、AGCMでシミュレートされた気候条件を用いて、Sim-CYCLEでLAI、呼吸・土壌有機物等の炭素フラックスを計算する。計算されたLAIを用いてMATSIROでは光合成を計算するといった相互依存性を持つモデルを構築した(図2)。

図3に結果の一例を示す。現段階では数年間のシミュレーションが動作可能となっている。NEPについては、GCMの気候場の季節変動に伴って、陸域の炭素収支が妥当な季節変動を示している。また、GCMによって計算された風力場に地表面のCO₂収支を乗せた際、大気CO₂濃度の変動は、北半球では、夏に濃度が低下し冬に上昇するといった妥当な濃度季節変動を示した。

今後は、Sim-CYCLEとMATSIROについて、より親和性の高いモデルになるよう改善をする必要がある。主な改善点としては、平衡状態における結果検証、MATSIROとSim-CYCLEのモジュール統合に向けたすり合わせ、土地被覆タイプの一貫化(C3,C4,農耕地)、フェノロジーモデル、入出力ルーチン(境界条件、ヒストリ出力、リスタート出力)の整備、並列化・ベクトル化、といった作業が必要となる。

図2:Sim-CYCLEとMATSIRO-AGCMの結合概要

図3：Sim-CYCLEとMATSIRO-AGCM結合の初期結果。Sim-CYCLEを2000年スピンアップさせた後に統合ランを行った(最初の3年間の結果を示す)。左図はNEP,右図は大気CO₂濃度を示す。両図ともに横軸はシミュレーション開始からの日数を示す。

気候−炭素循環の相互作用は、気候変化に対して大きなフィードバックを与えるが、その大きさの不確定性は高い。世界中でのいくつかの研究機関が、炭素循環―気候の統合モデルの開発に動いており、そのような状況の中で、気候-炭素循環結合モデル相互比較プロジェクト(Coupled climate-carbon cycle model intercomparison project: C4MIP)が提示された。このプロジェクトは、共通の入力データ等の実験条件を、様々な独立モデルに用いることによって、気候-炭素循環システムの感度の範囲や各モデルの特性を把握することを目的とする。最終的には、20世紀と21世紀にわたって、気候-炭素循環システムにおける大気、陸域と海洋のコンポーネントを結合した気候変化の一組のシミュレーションを行うこととなる。

大気―海洋―陸域の統合モデルの相互比較に着手するための第一段階として、海洋の気候場・炭素フラックス・大気CO₂濃度を境界条件として用い、大気−陸域生物圏のみのサブモデルを用いて20世紀のみにおいてシミュレーションを行う。大気―海洋―陸域の統合モデル評価の際に、陸面―大気間の相互作用のメカニズムについての知見を与えるであろう。

当サブグループでも、C4MIP参加へ向けての準備を進め、その実験仕様に対応するための検討を行ってきた。本報告書では、C4MIPの第一段階(Phase1)の仕様を概説し、当サブグループにおけるモデルの検討事項について詳説する。

C4MIPのプロトコルによれば、参加するための必要条件として、1)トレーサー(例えばCO₂)を輸送できること、2)土地利用変化による炭素収支を考慮できること、の2点を挙げている。結合されたAGCMと陸域生態系モデルに対して、海表面温度、大気CO₂濃度、土地利用変化(耕作地の変化)を境界条件として与え、モデルが駆動される。AGCMと陸域生態系モデルの相互作用については、この段階では、AGCMで計算された気候を陸域炭素循環モデルの入力として用いるのみで、陸域生態系の炭素収支が大気へ及ぼす影響は考慮しない(陸面変化が気候に与える影響(例えばアルベドや租度の変化)は考慮する)。すなわち、相互作用は熱･水収支に限られる。計算された陸域炭素収支については、AGCMでシミュレートされた風によって輸送され、化石燃料消費によるCO₂放出や大気―海洋のCO₂収支を含めた上で、各地点のCO₂濃度がシミュレートされる(図4)。

図4：C4MIPにおける実験概略。

このシミュレーションによって、陸域炭素収支や大気CO₂濃度、気候場が計算される。モデル間の相互比較を行うのみならず、本プロジェクトでは、観測データとの比較も可能となる。例えば、観測された気候場や大気CO₂濃度と比較は重要な項目となる。

このプロジェクトに対応するためには、我々のモデルでは、土地利用変化によるCO₂プロセスを導入することが必要となる。土地利用変化による炭素収支のモデル化に当たっては、ガイドライン(Grand Slam Protocol:基本的にはHoughton, 1983)が示され、このプロトコルに従えばよい。具体的には、入力データとして、各0.5度グリッド毎/各年毎に、耕作地の割合を格納したデータセット(例:図5)が準備されている。耕作地の割合が変化したグリッドを土地利用変化有とみなし、土地利用変化による炭素収支モデルを適用する。土地利用変化については、(1)自然植生→耕作地の転換、(2)耕作、(3)耕作地の放棄、の3つのステップで構成される。自然植生→耕作地への転換プロセスの概略について図5に示す。耕作地に変化したグリッドの植生バイオマスは、すべて取り除かれ、1,10,100年のタイムスケールで大気に戻るプールに分配される。また、一部は土壌炭素として蓄えられる。耕作地では既存のモデル(例えばSim-CYCLEの耕作地モデル)を用いて生産を行い、耕作地が放棄されると、自然植生が再成長することとなる。

現在はGrand Slam Protocolへ対応すべく、土地利用変化による炭素収支プロセスを取り組むためのモデル検討を終え、コーディング作業を進めているところである

図4：C4MIPにおける実験概略。

f.考察

平成15年度において予定した作業は、順調に進んだ。引き続き、次年度は細部調整に取り掛かる予定である。具体的には、(1)Sim-CYCLEのパラメタリゼーションの精度向上として、共生第3課題や環境省総合推進費S1などのフィールド観測データを用いたモデルの検証や、各種生態系プロセスの新たな地見の取り込み、衛星データ等との比較検証、などを行うこと、(2)Sim-CYCLEとMATSIRO−AGCMの親和性を高めるため、インタフェースの整備や統合されたモデルの検証を行うこと、(3)C4MIP対応のためのモデル開発(土地利用変化プロセスの組み込み、インタフェースの整備)とモデルシミュレーションを行うこと、の3点が必要となる。

今年度は、モデルの開発に重点を置いてプロジェクトを進めてきたが、次年度はモデル動作のための環境整備を早急に完了させ、実際の統合モデル/単体モデルの両者の実験を行う予定である。

g. 引用文献

ｈ．成果の発表