北極振動による自然変動を除いた 人為的地球温暖化の定量化

平成

22

北極振動による自然変動を除いた 人為的地球温暖化の定量化

筑波大学生命環境学群地球学類 地球環境学主専攻

200710820

2011

2

目 次

要旨

iii

Abstract iv

図目次

v

1

1

2

3

3

4

3.1

. . . . 4

3.2

. . . . 4

4

6 4.1

. . . . 6

4.2

. . . . 6

4.3 AO

SAT

. . . . 6

5

7 5.1

. . . . 7

5.1.1

. . . . 7

5.1.2

SAT

. . . . 8

5.1.3 SAT

. . . . 9

5.1.4 EOF

SAT

. . . . 10

5.2 AO

SAT

. . . . 12

5.2.1 SAT

. . . . 12

5.2.2 AO

. . . . 13

6

14 7

16 8

18

19 Appendix 21 EOF

. . . . 21

EOF

. . . . 21

EOF

. . . . 23

ラグランジュの未定乗数法

. . . . 26

有効位置エネルギー

. . . . 27

有効位置エネルギーとは

. . . . 27

有効位置エネルギーの定義

. . . . 27

北極振動による自然変動を除いた 人為的地球温暖化の定量化

長門 祐太 要旨

近年,地球温暖化に伴う北半球中高緯度の気候変動が注目されている. 北半球の中 高緯度の大気大循環の長期変動を支配する要因として,北極振動

(Arctic Oscillation;

AO)

60

(Arctic Oscillation Index; AOI)

本研究では,近年の地球温暖化トレンドから

AO

1940-1970

AOI

を示している. 北半球において顕著な温暖化を示した

1970-1990

AOI

AOI

1990

AOI

1970-1990

AO

しかし本研究において,この

AO

キーワード

:

Estimation of Global Warming Trend without the Contributions from Decadal Variability of

the Arctic Oscillation

Yuta NAGATO Abstract

Climate change associated with recent global warming is most prominent in the Arctic and subarctic. The Arctic Oscillation (AO) is a dominant atmospheric phenomenon in the Northern Hemisphere characterized as opposing atmospheric pressure patterns between the middle and high latitudes. Decadal variability of surface temperature associated with the Arctic Oscillation Index (AOI) shows high correlation with recent global warming trend.

In this study, recent global warming trend is separated in contributions from increasing anthropogenic greenhouse gas and decadal variabilities by the AO.

It is found that the AO is an atmospheric eigenmode with zero eigenvalue, excited mostly by internal nonlinear dynamics. AO may thus be regarded as a natural variability which is basically unpredictable. According to our analysis, the global mean temperature decreased during 1940–1970 associated with the negative AOI. The global warming pattern in the Northern Hemisphere shows that the rapid warming during 1970–1990 contains a large fraction of natural variability due to the AO. Conversely, the period 1990–2010 indicates a clear negative trend AOI. The global warming seems to have ceased in response to the recent negative trend of the AOI. There is a considerable decadal variability of the global mean temperature associated with the natural variability due to the AO.

However, it is shown that the AO has large amplitude in local as EOF–1, but the AO is almost dynamically orthogonal to the global warming component for the global mean. The AO can be related to the decadal variability of the global mean temperature only through the feedback by climate sub-systems.

Key Wards: Arctic Oscillation, Global warming, Decadal variability

図 目 次

1 AO

SLP

. . . . 29

2 AO

SAT

. . . . 29

3

SAT

(HadCRUT3) . . . . . 30

4

30

60

SAT

(Had- CRUT3) . . . . 31

5

SAT

(NCEP/NCAR

. . . . 32

6

30

60

SAT

(NCEP/NCAR

. . . . 33

7 NOAA CPC

AOI

. . . . 34

8 HadSLP2

AOI

. . . . 35

9

SAT

. . . . 36

10

SAT

. . . . 37

11

SAT

. . . . 38

12

SAT

. . . . 39

13

SAT

. . . . 40

14

SAT

EOF-1

. . . . 41

15

SAT

EOF-2

. . . . 42

16

SAT

EOF-3

. . . . 43

17

SAT

EOF-4

. . . . 44

18 AOI

SAT

(SLP) . . . . 45

19 AOI

SAT

(順圧成分) . . . . 46

20 AO

(SLP) . . . . 47

21 AO

30

(SLP) . . . . . 48

22 AO

(順圧成分) . . . . 49

23 AO

30

(順圧成分) . . 50

1

近年, 人為的起源の温室効果ガスの増加などに伴って,中高緯度の気候がどのよ うに変化するかが注目されている. 気候変動に関する政府間パネル

(Intergovern- mental Panel on Climate Change; IPCC)

4

(Fourth Assessment Report; AR4)

20

一方で,冬季北半球の中高緯度の大気大循環の長期変動を支配する要因として北 極振動

(Arctic Oscillation; AO)

60

(Sea level pressure; SLP)

(11

(北緯 20

(Emprical orthogonal function;

EOF)

(EOF–1)

(Thompson and Wallace 1998).

SLP

AO

(図 1).

(Surface air

temperature; SAT)

部が高温域, グリーンランド付近が低温域となる

(図 2) (Wallace and Thompson

2002).

分布のときを

AO

(Arctic Oscillation Index; AOI)

AOI

(田中 2007).

主要な大気変動として古くから知られている北大西洋振動

(North Atlantic Os- cillation; NAO)

SLP

AO

AOI

AO

AO

20

SAT

SAT

(Chapman and Walsh 1993)

AO

AO

(2000)

AOI

明できると言われているため,温暖化研究において

AO

てきた.

Miller et al. (2006)

14

IPCC-AR4

AOI

AO

Tanaka and Matsueda (2005)

(大橋・田中 2009).

20

AO

AO

SAT

AO

AO

AO

AO

2

本研究では, Ohashi and Tanaka (2010) で示された気温変動に対する

AO

3

3.1

アメリカ環境予報センター

(National Centers for Environmental Prediction;

NCEP) /アメリカ大気研究センター (National Centers for Atmospheric Research;

NCAR)

SLP

SAT

リッド間隔は

2.5

2.5

1

2010

2

再解析データとは, 同一の数値予報モデルとデータ同化手法を用いて過去数十年 間にわたりデータ同化を行い,長期間にわたってできる限り均質になるように作成 したデータセットのことである. このような均質な大気解析データセットは, 極め て信頼度の高い基礎資料になりうる. 特に気候変動の解明,大気大循環の解析と全 球のエネルギー循環の研究の際には有用である.

NCEP/NCAR

1

50

データ同化手法により再解析が行われており,このデータは解析に用いることがで きる. ただし,1979 年に初めて人工衛星

TIROS

2.5

T30

NCEP/NCAR

T62,

鉛直分解能は

30

3

T30

3.2

英国気象局気象研究部ハドレーセンター

(Hadley Center for Climate Prediction and Research)

HadCRUT3 (Brohan et al. 2006)

SAT

SLP

5

5

1850

1

2010

2

HadCRUT

1850

最新版である

HadCRUT3

Climate Reserch Unit

CRUTTEM3

HadSST2

1850

1

SAT

1961–1990

また, HadSLP2 は全

2228

SLP

1850

2004

アメリカ海洋大気圏局

(National Oceanic and Atomospheric Administration;

NOAA)

Climate Prediction Center (CPC)

(Arctic Oscilation Index; AOI)

1950

2010

2

4

4.1

NCEP/NCAR

均時系列を作成する際には, 各データに対して緯度

ϕ

cos ϕ

11

また, NCEP/NCAR 再解析データの線形トレンドを計算する際には最小二乗法 を用いた.

4.2

NCEP/NCAR

(北緯 30

(DJF)

SAT

1950

2010

EOF

(EOF

Appendix

ϕ

√

cos ϕ

DJF

4.3 AO

SAT

空間構造で最も卓越するとされる

AO

SAT

AOI

SLP

Thompson and

Wallace (1998)

AOI

AOI

2

AOI

SAT

AOI

AO

SAT

AO

SAT

5

5.1

本節では, 観測された

SAT

5.1.1

図

3

6

3,

4

Had- CRUT3

5,

6

NCEP/NCAR

3

5

3

5

4

6

30

4

6

60

点線が年々SAT の偏差,太実線が

11

SAT

1961

1990

30

SAT

また, 図

7,

8

Thompson and Wallace (1998)

AOI

DJF

7

NOAA CPC

AOI

1951–2010

8

SLP

DJF

AOI

1850–2004

HadCRUT3

1900

SAT

の時系列を表していない可能性があるが, 1900 年以降は欠損の地点数が少なくな り

SAT

図

3

6

SAT

30

近年の

SAT

1940

1970

1940

1970

AOI

(図 7,

8)

AOI

1990

AOI

SAT

SAT

60

(図 4

2010

40

1 K

SAT

6

NCEP/NCAR

2 K

SAT

SAT

北半球全体の

SAT

(図 3

5

1990

AOI

SAT

AOI

SAT

2000

5.1.2

SAT

図

9

(北緯 60

SAT

(DJF),

(MAM),

(JJA),

(SON)

HadCRUT3

1961

1990

5

近年の北極域において, 全ての季節で右肩上がりの温暖化のトレンドが見られる が, AOIが負のトレンドから正のトレンドに転じた

1970

SAT

AOI

SAT

AOI

AOI

SAT

AO

また, 1990 年以降は春季の

SAT

AOI

SAT

SAT

AOI

1990

1990

れる. また, 秋季の温暖化は海氷にメモリを残し, 冬季の近年の温暖化にも影響を 与え, その影響が

AO

SAT

AOI

夏季の

SAT

1970

以上のことから, 1970 年以降は海氷の減少や

AO

AOI

5.1.3 SAT

図

10

13

30

SAT

1949–1969

1 K

1949–1969

AOI

降トレンドを示しており

(図 7,

8), AOI

SAT

SAT

(図 10

AO

SAT

(図 2

(図 11

(図 12

(図 13

一方, 1969–1989年は北半球全体で急激な温暖化が進み, AOI も顕著な上昇トレ ンドを示した期間である. この期間も冬季

AOI

SAT

(図 10

1949–1969

AO

SAT

(図 2)

また,春季

(図 11

SAT

AOI

AO

AO

(図 12

(図 13

1970

た. 特に, 冬季の

AO

SAT

5 K

1989–2009

AOI

る. しかし, SAT の変動は

1970

2000

SAT

SAT

(図 10

(図 11

AO

SAT

10

(図 13

6

(図 12)

つまり, 1970 年以降の顕著な温暖化は冬季の

AO

SAT

5.1.4 EOF

SAT

図

14

17

20

SAT

EOF

EOF–1

から

EOF–4

(上)

(下)

である. データは

NCEP/NCAR

1949–2010

DJF

SAT

0.3 K

EOF–1

(図 14)

パとカナダで正の偏差,グリーンランド周辺で負の偏差を示し,図

2

AO

SAT

2

21.0 %

スコアの時系列を見ると, 1969 年までは下降トレンドを示し, そこから

1989

SLP

偏差の

EOF–1

AOI

る. しかし, それぞれの年の値を見ていくと概ね

AOI

1989

2010

AOI

SAT

EOF–2 (図 15)

おり, ピークはカナダ北西部とカラ海上にある. この構造は図

13

2000

SAT

EOF

(Ohashi and Tanaka 2010),

EOF–2

率は

14.6 %

EOF–2

EOF–3 (図 16)

正の偏差, 北極海上に負の偏差を持つような構造となっている. スコアの時系列は

1980

30

EOF–1

EOF–4 (図 17)

カナダ全域に負の偏差を持つような構造となっている. スコアの時系列は, 1980 年 以前は正のトレンド, 1980 年以降は負のトレンドを示し, 1980 年を境にトレンド が変化している. EOF–4 は

EOF–3

EOF–1

しかし, EOF–3, EOF–4は共に寄与率が小さいので,北半球の気候変動にほぼ影 響していないと考えられる. また, EOF–4 までの

4

SAT

50 %

5.2 AO

SAT

本節では, Thompson and Wallace (1998)の定義にしたがって計算された

NOAA CPC

AOI

Tanaka and Matsueda (2005)

AOI

SAT

AO

SAT

SAT

5.2.1 SAT

図

18

AOI (下)

SAT

30

(DJF)

SAT

(上)

1951–2010

0.5 K

SAT

NCEP/NCAR

NOAA CPC

SAT

図

18

AO

SAT

2

AOI

1977

AOI

AOI

1989

2010

10

14

SAT

また, 図

19

AOI (下)

SAT

30

(DJF)

SAT

(上)

18

1951–2010

0.5 K

NCEP/NCAR

図

19

18

18

18

AO

5.2.2 AO

図

20

23

30

SAT

NCEP/NCAR

SAT

AOI

SAT

SAT

20

21

NOAA CPC

AOI,

22

23

AOI

20

22

21

23

30

1951–2010

11

図を見ると, AOI の変動に伴う

SAT

(細実線)

0.05 K,

30

0.1 K

30

AO

この

AOI

SAT

AOI

1955–1970

AOI

1985–2000

AOI

SAT

AO

SAT

18

AO

SAT

× 10

K

AO

順圧成分の

AOI

SAT

(図 22,

23

20

21

0 K

19

AO

SAT

− 5.76 × 10

K

6

再解析データを用いて, 北半球の温暖化パターンを

AOI

AO

北半球の

SAT

AOI

1949–1969

AOI

1969–1989

SAT

このとき冬季の

SAT

AOI

SAT

SAT

AOI

SAT

Ohashi and Tanaka (2010)

また,冬季の強い

AO

SAT

SAT

AO

SAT

SAT

SAT

AO

1998

AOI

AOI

SAT

これらのことより, 数十年スケールの

SAT

AOI

AO

SAT

EOF–1

AO

SAT

AO

SAT

EOF–1

SLP

EOF–1

AO

1970

次に, 現実の

SLP

AO

SAT

AOI

SAT

SAT

この空間パターンの変動を現実の

SAT

AO

SAT

AOI