Research Results 研究成果
雲を構成する水と氷の比率が北極温暖化に影響するメカニズムを解明
〜温暖化予測・異常気象予測の高精度化に期待〜総合理工学府修士課程1年 / 応用力学研究所
中西 萌々花 氏 / 道端 拓朗 准教授
2025.04.29研究成果Physics & ChemistryEnvironment & Sustainability
ポイント
- 北極域は、世界で最も温暖化が速く進行している地域です。数値気候モデルは北極の温暖化を観測よりも過小評価する系統誤差が知られていますが、その原因は未解明でした。
- 世界各国で開発されている30の気候モデルの解析により、雲粒と氷晶の割合が放射特性に影響することで北極温暖化の度合いを左右する、新しいフィードバック機構を解明しました。
- 中緯度の気象現象にも密接に関わる北極気候を雲の素過程から紐解いたことで、温暖化予測の高精度化に加え、異常気象の将来変化の理解にも貢献することが期待されます。
概要
全球平均の温暖化のペースと比較して、北極域は3〜4倍の速さで温暖化が進行しています。北極気候は中緯度の異常気象の発生にも密接に関わっているため正確な温暖化予測が必要となりますが、数値気候モデル※1によるシミュレーションでは北極温暖化のペースを過小評価する系統誤差が存在します。その原因として複数の要因が挙げられていますが、正確な理解には至っていませんでした。
九州大学大学院総合理工学府修士課程1年の中西萌々花氏ならびに九州大学応用力学研究所の道端拓朗准教授は、北極温暖化の過小評価バイアスの原因の一つに、雲の内部構造の再現性が大きく関連している可能性を指摘しました。世界の30の気候モデルを解析した結果、21モデルが衛星観測よりも雲中の氷晶割合を過大評価しており、そのようなモデルでは雲が地表面を温める温室効果を系統的に弱く再現することを理論的に説明することに成功しました。
これまでの研究でも、雲粒と氷晶が共存して構成される混合相雲の相状態が温暖化によって変化することで、放射特性が変化する“雲相フィードバック※2”の重要性は指摘されていましたが、太陽放射（短波放射）に対する影響に議論が限定されていました。本研究では、太陽放射がない極夜期のみを解析することで地球放射（長波放射）に対する雲の影響を調査した結果、雲粒と氷晶の比率によく対応する雲の長波放射射出率※3によって特徴付けられる温室効果の度合いに、本質的な観測との誤差が存在することを発見しました。これは、将来温暖化した際に氷晶が融解して液体の雲粒に相変化する際にも、極めて重要なモデル誤差の要因となります。短波放射に着目した従来の研究とは異なり、長波放射に対する影響に着目した雲相フィードバックを、雲の長波放射射出率に起因して駆動されるメカニズムを強調し“雲の射出率フィードバック※3”と新たに名付けました。
本研究による発見により、北極温暖化の予測結果が気候モデル間で大きくばらつく原因の解明につながるほか、北極気候の再現性と結び付く中緯度の異常気象予測の精度向上にも寄与することが期待されます。
本研究成果は、Science Partner Journalsの国際学術誌「Ocean-Land-Atmosphere Research」に2025年4月29日（火）午後7時（日本時間）に掲載されました。
用語解説
(※1) 数値気候モデル
気温や風、降水などの世界の気候をシミュレートするための数値プログラム。全球をシミュレートする気候モデルは水平約1º程度の空間解像度で、数十年～数百年以上の長期スケールを計算します。
(※2) 雲相フィードバック
温暖化によって、雲を構成する粒子が固体（氷晶）から液体（雲粒）に変化することで生じるフィードバック機構。氷晶が融解し、より粒径が小さく光学的に厚い雲粒に相変化すると、太陽放射をより効率的に反射することで温暖化を相殺しようとする負のフィードバックとして働くことが知られています。
(※3) 雲の長波放射射出率、雲の射出率フィードバック
雲が地球放射（長波放射）をどれくらい吸収・射出できるかを表す、0〜1の範囲で定義される指標。電磁波をよく吸収できる物体ほど射出もできる特性があり（放射エネルギーにおけるキルヒホッフの法則）、全ての波長の放射を完全に吸収・射出できるような理想的物体を黒体といいます。長波波長において、雲はある程度の雲水量を持つと黒体に近い「不透明」な放射特性を持ちますが、極域に形成される薄い混合相雲では「半透明」な放射特性を持ちます。雲の射出率フィードバックは雲相に依存するという意味で、（※2）の雲相フィードバックと共通しますが、雲相フィードバック（負のフィードバック）は太陽放射に対する影響で特徴付けられるのに対して、射出率フィードバック（正のフィードバック）は地球放射に対する影響を指す点で全く異なるフィードバックメカニズムです。
雲の射出率フィードバックの概念図：雲中に(a)氷晶が多く雲の長波放射射出率が小さい場合は長波放射の吸収・再放射が弱いために温室効果も弱い一方、(b)雲粒が多く雲の長波放射射出率が大きい場合は温室効果が強くなる。地球温暖化に伴い(a)から(b)の状態に相変化が生じると、温暖化を加速させる正のフィードバックとして働くと考えられる。
論文情報
掲載誌：Ocean-Land-Atmosphere Research（Science Partner Journals）
タイトル：How does cloud emissivity feedback affect present and future Arctic warming?
著者名：Momoka Nakanishi and Takuro Michibata
DOI：10.34133/olar.0089
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