古環境研究のための高階層数値実験（プロジェクト責任者：阿部彩子）平成23年度地球シミュレータ利用報告会 (7 February 2012, JAMSTEC横浜) 阿部彩子・吉森正和・大石龍太・Wing-Le Chan 東京大学大気海洋研究所鈴木香寿恵統計数理研究所 1 プロジェクトの概要 • 目的 – 将来予測に用いるモデルの信頼性の評価をする。 – 過去の気候変動メカニズムの解明を通して、過去、現在、将来の気候を統一的に理解する。 • 対象としている過去の時期 – 地球史上の温暖期（鮮新世・完新世・最終間氷期など） – 氷期・間氷期サイクル – 過去千年 • 使用するモデル – MIROC3/4： IPCC‐AR4版気候モデル（T42） – MIROC3：高解像度大気モデル（T106） – MIROC5：新物理過程を含む気候モデル（T85/T42） 2 MIROCモデル：updates after AR4（courtesy of M. Watanabe) MIROC3.2 (for AR4) Atmos. Dynamical core V. Coordinate Radiation Cloud MIROC5 (for AR5) Spectral+semi‐Lagrangian Spectral+semi‐Lagrangian (Lin & Rood 1996) (Lin & Rood 1996) Sigma 2‐stream DOM 37ch Eta (hybrid sigma‐p) 2‐stream DOM 111ch (Nakajima et al. 1986) (Sekiguchi et al. 2008) Diagnostic (LeTreut & Li 1991) + Simple water/ice partition Prognostic PDF (Watanabe et al. 2009) + Ice microphysics (Wilson & Ballard 1999) Turbulence Convection M‐Y Level 2.0 MYNN Level 2.5 (Mellor & Yamada 1982) (Nakanishi & Niino 2004) Prognostic AS‐type, but original (Pan & Randall 1998, Emori et al. scheme (Chikira & Sugiyama 2010) Prognostic A‐S + critical RH 2001) simplified SPRINTARS SPRINTARS + prognostic CCN (Takemura et al. 2002) (Takemura et al. 2009) Land/ River MATSIRO+fixed riv flow new MATSIRO+variable riv flow Ocean COCO3.4 COCO4.5 Sea‐ice Single‐category EVP Multi‐category EVP Aerosols MIROCモデル：（平衡）気候感度 Gregory plots for 4xCO2 N = F + α ∆T MIROC3med(T42) 2x=3.6K MIROC5 (T85) 2x=2.6K Watanabe SAT et al. (2010, JC) • MIROC3 was a ‘high-sensitivity model’ in CMIP3 SAT SAT • MIROC5 will likely be a ‘low-sensitivity model’Watanabe in CMIP5 et al. (2010, JC) • ENSO simulation is much improved in MIROC5 MIROC5 LGM実験の目的の1例：CO2増加に対する気候感度を過去の寒冷期（LGM）から推定する Paleo‐JUMP Total feedback parameter SW cloud feedback parameter (Crucifix 2006 + Yoshimori et al. 2011) MIROC5を用いたLGM実験海洋モデルグリッドにおける LGM地形ファイルの作成過程陸面モデルグリッドにおける LGM境界条件の例 1. 氷期の復元された氷床分布（PMIP3）と海面低下（116m）を考慮して、海洋グリッドにおいて海陸マスクを作成。閉鎖海ができてしまう場合には陸に変換。 2. 大気・海洋モデル間のフラックスの保存を考慮した中間ファイルを経由して、大気グリッドにおいて海陸比を決定。 3. 復元された氷床分布と海陸境界に整合するように陸面境界条件を整備（陸面タイプ、アルベド、LAI、河川網、湖、エアロゾル12種の放出関係など）。 4. 同様に、海洋、陸などの初期条件を整備。 5. 積分途中で全システムの水が非保存の問題が発覚したため、関連する境界条件を修正。 6. 約225年の積分までを終了。現在途中結果を診断中。 6 地球史上の温暖期：鮮新世中期（約300万年前） • 特徴1： CO2濃度が約400 ppm（産業革命前約280 ppm） • 特徴2：極域氷床が現在よりも縮小（約25mの海面上昇） • 目的：将来の温暖化の類型になるかも含めて気候形成に関する知見を得る • 方法：大気海洋結合モデルと大気モデル+復元された海面温度で数値実験 Continental ice Broadleaf evergreen forest Broadleaf decid. forest & woodland Mixed coniferous, broadleaf decid. forest Coniferous forest & woodland High lat. decid. forest & woodland C4 wooded grassland Shrubs & bare ground Tundra C3 grassland 7 鮮新世中期：長期積分の必要性 Global mean 2m air temperature In AGCM and AOGCM Global mean ocean temperature in AOGCM 一般に、第四紀以前の古気候復元データは時間分解能がそれほど高くなく、統合的復元プロジェクトでは、ある一定期間の平均的な古環境の描像を得ることを目的にしている。 →データと比較するためには、平衡状態に達する気候シミュレーションが必要鮮新世中期：復元データとの比較 Precipitation difference (Pliocene – Control) Proxy data (listed in Molnar and Cane, 2007) Less precipation in mid-Pliocene More precipitation in mid-Pliocene All estimates refer to annual averages except site no.15, NE China (summer) Good agreement where precipitation difference is large, eg northwest South America, north and east Africa, north India. Little agreement in western Australia. 鮮新世中期：要因の切り分け実験 -複数の実験の必要性とその成果Forcing from Pliocene vegetation Additional AOGCM experiment, using Pliocene biomes only. Pattern in zonal mean surface air temperature change is similar to the experiment with full Pliocene boundary conditions. Other BCs are responsible for 2-4oC increase at all latitudes. 過去千年(西暦850‐1850/2000)実験目的 • 外的強制（太陽活動など）による気候変動を気候システムの内部変動から区別し検出 • 気候の自然変動メカニズムの理解とそれをもとにした最近の気候（気温、氷河、海水準などの）変化の（人為起源などの）原因特定 • 短い観測データでは制限のある数十年から数百年の気候変動メカニズムの理解など MODEL Solar Volcano 1 MIROC3.2 BCL 2 MIROC4m (MIROC3.2.2) 3 MIROC4m GHG Orbital variation Land use LAI change Gao et al. PMIP3 (2008) Yes Not included Fixed DB09+C MIP5 Gao et al. PMIP3 (2008) Yes Not included Fixed DB09+C MIP5 Crowley (2008) Yes Not included Fixed PMIP3 4 Same as 2, but with different initial conditions（計算中） 5 Same as 3, but with different initial conditions（計算中） 6 Same as 2, but with solar forcing only（計算中） 7 Same as 4, but with solar forcing only（計算中） 11 北半球平均気温の復元データとの比較 Anomaly is taken from the average over 1500-1799. 11-yr Gaussian filter is applied. run1 850年の平衡状態から積分開始 Run1とrun2では太陽フォーシングが異なる。 run2 Run2とrun3では火山フォーシングが異なる。いくつかの噴火で違いが顕著に見られる。内部変動と区別するためには、最低2 つ以上のアンサンブルメンバーが必要。 run3 グリーンランドの気温変動に太陽活動との相関が見られた（図略）。 12 3つの千年実験（850‐1849）から継続した 20世紀再現実験 Anomaly is taken from the average over 1881-1910. No filter is applied. Use different initial conditions (start 1850 forcing from 1840) 13 MIROC3高解像度AGCMを用いた実験 • 動機：洞窟などの1地点から採取される古気候データは地域的な気候変動を表している可能性があり、特に地形などが複雑な地域ではモデル結果との比較が困難である。 • 目的：最終氷期サイクルについて、融け水流入に対するモデルの応答も含めて、詳細なシミュレーションにより、モデルの評価と気候変動メカニズムの理解に導く。 • 方法：既存の中解像度結合モデルを用いた実験結果から境界条件を作成し、高解像度大気モデルを走らせ、より有意義なモデル・データ比較を行う。 LGMにおける淡水流入実験(T42) (木村, 2007) 標準実験 (T106) 14 まとめと今後の予定 • IPCC‐AR5に向けて開発された新モデルMIROC5を用いて完新世（約6000年前）・最終間氷期（約13000年前）・最終氷期最盛期（約 21000年前、LGM）の再現実験を行い、現在も継続・診断中（本発表では前2つ略）。 • 新モデルでの古気候実験の経験がなかったため、特にLGMの境界条件の準備に手間取った。 • 地球史上の温暖期である鮮新世（約300万年前）のシミュレーション、要因切り分け実験、古環境データとの比較を行い、特に極域の気温変化に関する知見が得られた。 • 過去千年に関して、境界条件を変えた3つの実験を行った。北半球平均気温についてデータと比較し、北大西洋付近の気候変動について解析を行った（本発表では詳細な解析結果は略）。 • 上記実験の継続と高解像度AGCMを使用する実験により、計算機資源を消費する予定。 15 END 16