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Climate change projection due to global warming
地球温暖化に伴う気候変化予測
Shoshiro Minobe (Physical Oceanography and Climate Laboratory)
見延 庄士郎（海洋気候物理学研究室）
Basics of green house effect温室効果の基礎
Earth’s Heat balance 地球の熱バランス
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Longwave 長波放射
Balance at the top of the atmosphere
大気上端でのバランス
Balance at the earth’s surface
地表面でのバランス
Albedo (reflection rate) = reflection radiation / incoming radiation = 100/340 = 0.29 (29%)
アルベド (反射率）= 反射する放射量 / 入射放射量= 100/340 = 0.29 (29%)
Unit: W/m2
Earth’s heat balance
∗ Heat flux: heat energy transfer amount per unit area per unit time (W/m2)
∗ Four heat fluxes
∗ Solar (shortwave) radiation
∗ Infrared (longwave) radiation
∗ Sensible heat
∗ Latent heat: evaporation & condensation
地球の熱バランス
∗ 熱フラックス：単位面積・単位時間あたりの，熱エネルギーの輸送量(W/m2)
∗ 4つの熱フラックス
∗ 太陽（短波）放射∗ 赤外（長波）放射∗ 顕熱∗ 潜熱
4
If this is given, then temperature is determined.
これが分かれば，温度が決まる．
Stefan-Bolzmann low
∗ Infrared radiation energy per unit area, I (W/m2), is determined by temperature,T (K), as
� � ���
where � (=5.67×10-8 W/(m2 K4)) is the Stefan-Bolzmann constant.
シュテファン・ボルツマンの法則
∗ 単位面積あたりの赤外放射エネルギー I (W/m2), は温度T (K)で決まる．
� � ���
ここで� (=5.67×10-8 W/(m2 K4)) はシュテファン・ボルツマン定数である．
250 260 270 280 290220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
Temperature (K)
Rad
iation e
nerg
y (W
/m
2)
Current Climate
∗ Surface radiation is 398W/m2.
∗ The plot indicate the corresponding absolute temperature is 289K (～16°C).
現在気候
∗ 地表面放射は，398W/m2 .
∗ 図から対応する温度は289K (約16°C)
250 260 270 280 290220
240
260
280
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340
360
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420
Temperature (K)
Rad
iation e
nerg
y (W
/m
2)
250 260 270 280 290220
240
260
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360
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420
Temperature (K)
Rad
iation e
nerg
y (W
/m
2)
∗ Question: If there were no atmosphere, what would earth’s surface temperature be? (Assume earth’s albedo is not changed and no sensibile and latent heat. )
∗ Hint: What would be the longwave surface radiation?
∗ The surface radiation = incoming radiation ×(1 – surface reflection rate)
∗ = 340 ×(1 – 0.29) = 241.
∗ This corresponds to 255K(～–18°C).
∗ 34°Clower!
∗ 問い．もし大気がなかったら，地球表面の温度は何度になるか？(地球の反射率は変わらず，潜熱・顕熱はないとする．）
∗ ヒント：地表からの赤外放射はいくらになるか？
∗ 地表面放射=太陽放射入射量×(1–地表面反射率)
∗ � 340 ×(1 – 0.29) = 241.
∗ これは255K(～–18°C)に対応∗ 34°C低い!
7250 260 270 280 290
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
Temperature (K)
Rad
iation e
nerg
y (W
/m
2)
Science of global warming地球温暖化の科学
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate
Change，気候変動に関する政府間パネル)
∗ IPCC is an global science organization, which summarize already published peer-review papers (including accepted ones).
∗ IPCC reports are the most established summary of the current understanding of the global warming and relating problems.
∗ IPCC 5th assessment reports (AR5) are published in 2013 & 2014.
∗ IPCCは，すでに出版された論文(出版のための受理済み）をまとめる世界的な科学組織．
∗ IPCC報告書は，最も確立した，
地球温暖化と関連問題についての，まとめ．
∗ IPCC第5次報告書(AR5, エーアールファイブ）は，2013年と2014年に出版．
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IPCC Reports
∗ Working group I report: The physical science basis
∗ Working group II report: Impact, adaptation and vulnerability
∗ Working group III report: Mitigation of climate change
∗ Synthesis report
∗ IPCC received Nobel Peace Prize in 2007，
∗ 第一作業部会：物理科学的根拠
∗ 第二作業部会：衝撃・適応・脆弱性
∗ 第三作業部会：気候変化の影響緩和
∗ 総合レポート∗ IPCCはノーベル平和賞を受賞（２００７年)
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AR５(2013-14)
IPCC第一作業部会，第5次報告書薄い「
政策決定者
のための要約」
（和訳も出る）
（和訳は出ない）
分厚いレポート本体
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Past Change過去の変化
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Green-house gas increase温室効果ガスの増加
∗ Important Green house gases for the global warming
∗ Carbon dioxide (CO2).
∗ Methane (CH4).
∗ 地球温暖化に重要な温室効果ガス
∗ 二酸化炭素 (CO2).
∗ メタン (CH4).
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Temperature warming, 温度上昇∗ Temperature increased with
some multidecadal variability.
∗ Rapid increase 1920-1940 & 1980-2000.
∗ Recent hiatus.
∗ 数十年変動しながら気温上昇∗ 急速な上昇が1920-40, 1980-
2000.
∗ 最近は小休止（hiatusハイエイタス）
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The latest CO2 at Manuna Loa
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/webdata/ccgg/trends/co2_data_mlo.png
How relate? どう関連づける？∗ A major methodology of global
warming science is climate system models.
∗ A model consists of the atmosphere, ocean, land-surface, and sea- and land-ice.
∗ A model is run with observed green house gas concentrations, aerosols, solar radiation. ∗ Time variations of forcings
are ...∗ Only natural forcings
∗ Only anthropogenic forcings
∗ Natural + anthropogenic forcings
∗ Compare these results with observations.
∗ 地球温暖化の科学で重要な手法は，気候システムモデルである．
∗ 気候システムモデルは，大気，海洋，陸面，海・陸氷からなる．
∗ モデルを観測された温室効果ガス濃度，エアロゾル，太陽放射量を用いて駆動する．
∗ 外力の時間変化を．．．∗ 自然な外力のみ∗ 人為起源の外力のみ∗ 自然＋人為起源の外力
∗ その結果を観測結果と比較．
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Future Projections将来予測
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∗ Future green-house gas emissions are unknown, and thus four scenarios are developed for green-house gases.
∗ Green house gas emissions are influenced by future populations, economy, land use, etc.
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Future scenarios of green-house gases etc.
∗ 将来の温室効果ガスの排出量は現時点では定まらないので，４つのシナリオを用意．
∗ 温室効果ガスの排出量は，将来の人口，経済，土地利用などによって影響される．
van Vuuren et al. (2011 Clm. Chang)
20
RCP scenarios
van Vuuren et al. (2011 Clm. Chang)
Temperature 気温∗ Climate models are run with
green-house gas emission scenarios.
∗ RCP2.6, RCP4.5 & RCP6.0, RCP8.5 correspond to low, middle, & high emission scenarios, respectively.
∗ 気候モデルを温室効果ガス放出シナリオのもとで動かす．
∗ RCP2.6, RCP4.5とRCP6.0, RCP8.5 が，低，中，高排出シナリオに対応．
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Cumulative CO2 emission determines temperature increase
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∗ In regardless of the emission scenarios, cumulative total anthropogenic CO2 emissions gives temperature increase.
∗ シナリオによらず，人為起源Co2の累
積総排出量が温度上昇を決める．
∗ The actual emission in the last 10-years slightly exceeds high-end scenario (RCP8.5)
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Scenario is underestimated?シナリオは過小評価か
Peters et al. (2013, Nature Climate Change)
∗ 過去10年の排出量は，高排出シナリオであるRCP8.5を若干上回っている
Warming is not uniform昇温は非一様∗ Warming is strong in the Arctic,
followed by Northern Hemisphere continents.
∗ Dots indicate where most models show similar changes.
∗ Largest warming over the Arctic Sea.
∗ Larger warming over the continent than over the ocean.
∗ 昇温は北極で最も強く，次に北半球の大陸で強い．
∗ 点々は，多くのモデルの変化が似ていることを意味する．
∗ 北極海で最大の昇温．∗ 大陸の方が海洋よりも昇温が大きい．
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Arctic vs Antarctic. 北極と南極．∗ Ice over the Arctic Sea is thin,
just 2-3 meters thick.
∗ Ice over the Antarctic continent is thick, 2000 m average.
∗ Arctic sea ice easily melts.
∗ White ice, when it melts, is replaced by dark ocean, which absorb larger solar radiation leading to warmer air an water temperature.
∗ This is called ice-albedo feedback.
∗ Consequently, the arctic sea is the region where the largest warming is expected.
∗ 北極海の氷は薄く，2-3 m.
∗ 南極大陸の氷は厚く，平均2000 m.
∗ 北極の氷は，溶けやすい．∗ 白い海氷が溶けると，黒々とした海面になるので，太陽熱をより吸収し，気温・水温が上昇する．
∗ この効果を，アイス・アルベード・フィードバックという．
∗ この結果，北極海は最も温暖化が大きい領域である．
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Land ocean contrast. 大陸と海洋の相違
∗ The continent (land) is easier to be warmed or cooled due to the lack of vertical movements (mixing) of materials.
∗ The ocean is not warmed or cooled to lesser degree, because of vertical mixing.
∗ Therefore, the continent is hotter then the ocean in summer and colder in winter.
∗ Due to the same reason, larger temperature rise is expected over the continent than over the ocean.
∗ 大陸は暖まりやすく冷えやすい．なぜなら，構成物質が鉛直の移動（混合）しないからである．
∗ 海洋は，海水が鉛直に混合されるので，暖まりづらく，冷えづらい．
∗ このため，大陸は海洋よりも夏は暑く，冬は寒い．
∗ 同じ理由で，大陸では海洋よりも大きい昇温が予想される．
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Precipitation change降水変化
Basics for precipitation.
Moisture budget
∗ Large-scale precipitation pattern is determined by moisture budget.
水蒸気収支
∗ 大規模場の降水パターンは，水蒸気の収支で決まる．
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Precipitation - evaporation = moisture convergence= ∬ incoming wind speed ×water vapor amount ds
降水 -蒸発= 水蒸気収束= ∬ 入ってくる風速×水蒸気量 ds
convergence収束
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divergence発散
∗ Large precipitation is not due to evaporation thud due to moisture convergence.
∗ How will temperature rise influence? 29
Precipitation – evaporation 降水-蒸発
∗ 降水が多いのは，蒸発によってではないので，水蒸気収束によっている．
∗ 気温上昇の影響は？
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Saturation water vapor 飽和水蒸気量∗ Saturation water vapor is
large for warmer air-temperature.
∗ Thus, global warming yields larger amount of evaporation in the atmosphere.
∗ Thus, even if atmospheric circulation does not change, magnitude of the moisture convergence & divergence become large, enhancing enhance water circulation.
∗ 飽和水蒸気量は，気温が高いほど大きい．
∗ このため，温暖化は，大気中に保持される水蒸気量を増加させる．
∗ したがって，たとえ大気循環が変化しなくても，水蒸気の収束発散の振幅は大きくなり，水循環が強まる．
Wet (will) get wetter, dry get drier.
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RCP2.6 RCP8.5
Sea-level rise海面上昇
Past sea-level rise 過去の海面上昇∗ Most reliable data is satellite
altimeter, but only for the last 20-years.
∗ 最も信頼できるデータは，衛星高度計だが，過去20年間だけ利用可能．
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Reconstruction based on tide-gauge & sea-surface temperature relation．潮位計と海表面水温の関係に基づく推定． Satellite altimeter 衛星高度計
Two mechanisms 二つのメカニズム∗ Sea-water warming and thus
expansion (thermosteric)
∗ Land-ice melting and resultant sea-water mass increase.
∗ 海水温上昇と膨張∗ 陸上の氷の融解と，それによる海水質量の増加
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Future sea-level rise 将来の海面上昇∗ Thermal expansion & ice melt
effects are comparable. ∗ 海水温上昇と陸上の氷の融解が同程度
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Spatial structure 空間構造
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∗ Future sea-level rise is not spatially uniform.
∗ 将来の海面上昇は，空間に一様ではない．
Not only the warming 温度が上がるだけではない
∗ Effects of the global warming are widespread.
∗ Water vapor will increase, sea-level will rise.
∗ 温暖化の影響は多様で，温度上昇だけではない．
∗ 水蒸気は増加し，海面高度は上昇する．
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World Climate Research Project 世界気候研究計画
∗ WCRP is an global science organization, which conduct researches.
∗ Four projects:
∗ CLIVAR: ocean
∗ SPARC: stratosphere
∗ GEWEX: water circulation
∗ CliC: Cryosphere
∗ WCRPは，研究をする世界的な科学組織．
∗ 4つのプロジェクト
∗ CLIVAR: 海洋
∗ SPARC: 成層圏
∗ GEWEX: 水循環
∗ CliC: 雪氷圈
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WCRP’s grand challenges
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Report task
∗ Q. IPCC assessment reports estimate future climate projections based on RCP scenarios. The actual emission in the last 10-years slightly exceeds high-end scenario (RCP8.5). If this tendency continues, a scenario higher than RCP8.5 should be required in future. Define such high emission case (multiplied by RCP8.5), and estimate future temperature change and sea-level rise around Japan.
レポート課題
∗ Q. IPCC評価報告書は，ＲＣＰシ
ナリオに基づいて将来予測（プロジェクション）を行っている．過去10年の排出量は，高排出シナリオであるRCP8.5を若干上
回っている．もしこの傾向が続けば，将来より高いシナリオが必要になるであろう．そういった高排出の場合を，RCP8.5に適当
な倍利率をかけて考え，それに基づいて日本付近の気温変化と，海面上昇の推定を行え．
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Changes are not uniform, and thus you must check
figures.
変化は空間に一様ではないので，図を調べなくては
ならない．
Deadline: July 27, report box on the 3rd floor in the Rigaku-5th building (not to my room)
∗ IPCC AR5 WG1, full report
∗ https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
∗ It’s summary for policymakers∗ http://ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_SPM_FINAL.pdf
∗ 気象庁，IPCC 第５次評価報告書の概要 －第一作業部
会（自然科学的根拠）－，政策決定者向け要約の和訳(2015年12月1日，IPCC正誤表反映版)
∗ https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/ipcc/ar5/ipcc_ar5_wg1_spm_jpn.pdf
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Some references参考情報
