１.炭素循環モデル、炭素循環・気候変化結合モデル3 研究結果の詳細報告へ戻る | HOMEへ戻る |
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１—１．陸域炭素循環モデル担当機関：地球環境フロンティア研究センター
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18年度は、(1) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現、(2) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルの高度化の2点について作業を行った。 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, McGuire et al., 2001)、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・平成14〜16年度:陸域モデルの単体評価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。 ・平成14〜16年度：陸域統合モデルの構築と大気大循環モデルへの結合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-CYCLE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。 ・平成15年〜17年度：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国際的には、当プロジェクト以外にも統合モデルへの試みはいくつか存在する。その背景から、より総合的な評価を行うために、地球システム統合モデルの国際比較プロジェクト(Coupled Climate Carbon Cycle Model Intercomparison Project: C4MIP; 気候―炭素循環結合モデル相互比較プロジェクト)が平成15年度に提示された。現在、各研究機関が比較のためのモデルシミュレーションを行っている。当課題でも、このプロジェクトに参加することが国際的な競争を行う上での必須条件と考え、取り組みを進める。第一段階として、20世紀のCO2濃度や土地利用変化データをモデルの入力として与え、陸域炭素循環モデルと大気大循環モデルの相互作用の評価を行うこととなっており、実験の手順書(プロトコル)も提示されている。この対応を行う。 ・平成16〜18年度次の段階として、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全球動的植生分布モデルSEIB-DGVMとリンクすることで、生態系を構成する植物機能タイプ(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ことを目指す。すなわち、MATSIROとSim-CYCLE、植生動態モデルをリンクした陸域炭素循環の統合的なモデルを構築し、水・熱収支―炭素収支―植生分布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の実施がなされる。 d. 平成１８年度研究計画本年度は、(1) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現、(2) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルの高度化の2点を行う。詳細は以下の通り。 (1) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現昨年度までに、気候―陸域炭素循環結合モデルのコードの整備やパラメータチューニングがほぼ完了し、長期的な(10−100年間の)炭素循環の推定精度の検証は終了した。そこで、今年度はさらに短期的な(1ヶ月−1年程度の)炭素循環と気候との相互作用を再現し、モデルの妥当性の検証を試みた。 (2) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルの高度化これまで開発してきた気候―陸域炭素循環結合モデルでは、陸域生態系炭素循環モデルSim-CYCLEと陸面の熱・水循環を扱う陸面過程モデルMATSIROとの結合において、一部モデル設定のすり合わせを行っていないために、Sim-CYCLEのいくつかの機能を大気モデルに直接反映することができなかった。そこで、今年度は、より現実的な全球シミュレーションのために、地下部における両モデルのデータ共有化と、MATSIROの土地被覆のモザイク化(多層化)をはかった。また、気候変化時に予想される植生分布の流動化を考慮するために、動的全球植生モデルSEIB-DGVM導入のためのモデル改良を開始した。 e. 平成１８年度研究成果研究計画に則り、(1) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現、(2) Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルの高度化の2点を行った。詳細を以下に示す。 e.1.Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現１． 実験概要 気候−陸域炭素循環結合モデル(Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCM)を用いて、20世紀後半の気候と陸域炭素動態との間の相互作用の関係を調べた。 海表面温度SST (Hadisst1.1)と大気放射過程にCO2濃度の年々変化を、Forcingデータとして与えた。また、我々のモデルでは、土地利用変化による炭素動態変化プロセス(Houghton et al., 1983)を導入しており、その入力値として、ウィスコンシン大学SAGEグループによって作成された、土地利用変化のデータを与えた。このデータは、0.5oの空間分解能で作成されていたが、モデルの分解能に合うように内挿し利用した。産業革命以前の条件下で陸域炭素プールの初期値を作成するために、1000年間のオフライン (すなわち、Sim-CYCLE単体) スピンナップランを、1875-1899年の25年間のモデル出力としての物理気候 を40回繰り返し与え行った。 地域的な大気CO2濃度の季節変化の再現性を調べるために、大気輸送モデルを利用し、1959-1999年の間で全球の大気CO2濃度プロファイルを計算し、GLOBALVIEW-CO2ネットワーク(http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/globalview/co2/index.html)による地上観測値と比較した(図1)。 その結果、大気CO2濃度の季節変化の振幅は、北方では大きく、南方では小さいという点は観測と一致した。また、大気CO2濃度の年々の上昇速度は観測とかなり近い動きを見せ、結合モデルによる推定精度はある程度高いことを示した。しかしながら、一方で、南半球のCO2濃度の季節変化の位相が、観測データに対して数ヶ月ずれており、今後、より詳細な検証が必要であることがわかった。この南半球での不具合は、大気の南北輸送速度や、南半球・赤道付近の陸域生態系のフェノロジーなどを、うまく再現できていないことが原因である可能性が高いと推察される。
気候−陸域炭素循環結合モデルを用いて、20世紀後半の大気CO2濃度、気候と陸域炭素循環のアノマリー（通常の月変化データより、平均季節変化と平均年々変化を差し引いたあとの変動成分）の関係について調べた。それによると、CO2アノマリーの変化は、温度アノマリーの変化の1〜2年後に起こっていた(図2上)。このことは、Keelingらによる地上観測の結果(Keeling et al., 1989)と近いものであった。また、陸域炭素循環において、従属栄養生物呼吸(HR)アノマリーは温度アノマリーと同様の動きを見せ、純炭素収支(NCB)アノマリーの加速度の変化はCO2アノマリーの変化と近い動きを示した(図2下) 。
次に、それらCO2アノマリーに対してタイムラグを与えたときの各要素のアノマリーとの相関係数を調べた(図3)。その結果、温度、NiNO3インデックス(東部赤道太平洋領域(NiNO3: 5oN-5oS, 90oW-150oW)におけるSSTアノマリー）、HR、NPP、NCBの各要素は、それぞれ18、19、18、13、21ヶ月前に相関係数の極大・極小を持っていることがわかった。これらのことから、気候のアノマリーは、陸域コンポーネントを通して、全球炭素循環の短期変動に約1年半のタイムラグを持って、大きな影響を与えていることがわかった。
ｅ.２．Sim-CYCLE+MATSIRO+AGCMの結合モデルの高度化 1. 共生第３-陸域課題との情報交換：観測研究の概要 より現実的な将来予測シミュレーションを行うために、気候−陸域炭素循環結合モデルの機能を高度化するべく、モデル構造の一部を変更した。主な変更点は次の通りである。@-1. Sim-CYCLE内で利用する土壌水分データをMATSIROから取り入れるための一部コードの変更(図4)、@-2. グリッド内の土地利用変化が陸面の熱・水循環過程に与える影響をより現実的に表現するために、グリッド内に複数の土地被覆タイプを任意の割合を持って設定することのできるモザイク化機能を持つモザイクMATSIROの導入(図5)、A将来予測される植生分布の変化を考慮するために地球フロンティア佐藤氏らによって開発された動的全球植生モデルSEIB-DGVM (Sato et al., 2007)の導入である。これらのうち、@-1、@-2についてはすでに完了し、これらの機能を利用したシミュレーション実験を計画中である。また、Aについては、MATSIROと融合した形でのAGCMオプションとして導入を目指しており、現在は、新たなオプションの作成や、開発者の海洋研究開発機構・地球環境フロンティア研究センターの佐藤永氏との協力関係の元、SEIB-DGVM側のコードの大幅な変更を行っている。
f．考察今年度は、結合モデルの推定可能性を検証するために、20世紀後半において結合モデルによる短期的な気候-陸域炭素循環相互作用の再現を中心に行ってきた。その結果、開発した結合モデルは、気候と大気CO2濃度のアノマリーの関係を観測に近い形で表現することができ、モデルの推定精度は十分高いと考えられた。 また、Sim-CYCLE+MATSIRO結合部分の改良も行い、結合モデルの機能の高度化やSim-CYCLEとMATSIROの融合を促進した。さらに、植生分布変化の影響を取り入れるための動的植生分布モデルSEIB-DGVMの導入を開始した。 今後は、SEIB-DGVMの導入作業をさらに進め、改良したモデルを利用したより現実的な将来予測を行う予定である。 ｇ．引用文献Friedlingstein, P., J. L. Dufresne, P. Cox and P. Rayner (2003), How positive the feedback between climate change and the carbon cycle, Tellus 55B, 692-700.Houghton, R. A., J. E. Hobbie, J. M. Melillo, B. Moore, B. J. Peterson, G. R. Shaver, and G. M. Woodwell, (1983), Changes in the carbon content of terrestrial biota and soils between 1860 and 1980: A net release of CO2 to the atmosphere, Ecological Monographs., 53, 235-262. Ito, A., and T. Oikawa (2002), A simulation model of the carbon cycle in land ecosystems (Sim-CYCLE): A description based on dry-matter production theory and plot-scale validation, Ecological Modelling 151, 147-179. Keeling, C. D., R. B. Bacastow, A. F. Carter, S. C. Piper, T. P. Whorf, M. Heimann, W. G. Mook and H. Roeloffzen (1989), A three-dimensional model of atmospheric CO2 transport based on observed winds: 1. Analysis of observational data, Geophys Monogr 55, 165-236. McGuire, A. D., S. Sitch, J. S. Clein, R. Dargaville, G. Esser, J. Foley, M. Heimann, F. Joos, J. Kaplan, D. W. Kicklighter, R. A. Meier, J. M. Melillo, B. Moore III, I. C. Prentice, N. Ramankutty, T. Reichenau, A. Schloss, H. Tian, L. J. Williams and U. Wittenberg (2001), Carbon balance of the terrestrial biosphere in the twentieth century: Analysis of CO2, climate and land use effects with four process-based ecosystem models, Global Biogeochem. Cycles, 15, 183-206. Sato, H., A. Itoh and T. Kohyama (2007), SEIB-DGVM: A New Dynamic Global Vegetation Model using a Spatially Explicit Individual-Based Approach, Ecological Modelling, 200(3-4), 279-307. Takata K, S. Emori and T. Watanabe (2003), Development of the minimal advanced of the surface interaction and runoff, Global Planetary Change, 38, 209-222. ｈ．成果の発表<学会発表>Ito, A. (2006) Model simulations of carbon budget in terrestrial ecosystems from plot to global scales. International Symposium on Impacts of global change on vegetation and cycling of materials in ecosystems (Joint COE-GLP Symposium), Sapporo, Japan, 2007年2月20日. Kato, T. Carbon sequestration in East Asia: A mini-review of eddy flux measurement studies. International Workshop on Flux Estimation over Diverse Terrestrial Ecosystems in Asia - AsiaFlux Workshop2006 -, Chiang Mai, Thailand, 2006年11月29日. Kato, T., Ito, A. Historical influence by land ecosystem uptake and land use change emission on the global carbon budget and climate change in the 20th century. European Geosciences Union (EGU) General Assembly 2006, Vienna, Austria, 2006年4月5日. 伊藤昭彦. 観測からモデリングへの新たな流れ：地球生態学のデータ 利用に関する趣旨説明. 日本生態学会第５４回大会, 松山市, 2007年3月22日. 加藤知道. 東アジア陸域生態系における炭素固定能力-渦相関法によるフラックス観測結果のレビュー．日本生態学会第54回大会, 松山市, 2007年3月21日. 加藤知道. -シミュレーション研究における観測データの利用-.公開シンポジウム「陸域生態系観測の現在と未来-スケールの技術の壁を越えて-」．日本生態学会関東地区会第53回大会, 横浜市, 2007年2月18日. <論文発表> Hirota M., K. Kawada, Q. Hu, T. Kato, Y. Tang, W. Mo, G. Cao and S. Mariko (2007), Net primary productivity and spatial distribution of vegetation in an alpine wetland, Qinghai-Tibetan Plateau, Limnology, in press. Kato, T., Y. Tang, S. Gu, M. Hirota, M. Du, Y. Li, and X. Zhao (2006), Temperature and biomass influences on interannual changes in CO2 exchange in an alpine meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau, Global Change Biology, 12(7), 1285-1298. Hirota, M., Y. Tang, Q. Hu, S. Hirata, T. Kato, W. Mo, G. Cao and S. Mariko (2006), Carbon Dioxide Dynamics and Controls in a Deep-water Wetland on the Qinghai-Tibetan Plateau, Ecosystems, 9, 673-688. Kato, T. and M. Kamichika (2006), Determination of a crop coefficient for evapotranspiration in a sparse sorghum field, Irrigation and Drainage, 55(2), 165-175. 次のページ（1.2 海洋生物地球化学モデル） |
