気象研究所の新しい地球システムモデルMRI-ESM1の基本性能

Abstract

気象研究所（MRI）の新しい地球システムモデルMRI-ESM1 を用いて、1850 年から2100 年までの大気化学、及び炭素循環を含む統合的な気候シミュレーションを行った。MRI-ESM1 は、大気海洋結合モデルMRI-CGCM3 の拡張版として開発されたモデルであり、拡張部分の化学的・生物地球化学的過程以外の力学的・熱力学的過程は、両モデルで同設定とした。計算負荷の大きい化学過程を扱う大気化学モデルを低解像度（280km）に設定して、MRI-ESM1 の大気モデル部分はMRI-CGCM3 と同じ120km とした。基準実験において、地上気温、放射収支、及び微量気体（二酸化炭素（CO2）とオゾン）濃度の気候ドリフトは十分に小さいことを確認した。MRI-CGCM3 による基準実験と比較して、全球平均地上気温が若干高いが、これは対流圏のオゾン濃度がやや高いためであった。次に、歴史実験を行いモデル性能を検証した。このモデルは地上気温と微量気体濃度の観測された歴史的変化を概ね再現出来ていた。ただし、地上気温の昇温とCO2 濃度の増加はともに過少評価であり、これらの過少評価は土壌呼吸を通した正のフィードバックが関係していた。大気CO2 濃度増加が過少に評価されたことにより昇温量が抑えられ、昇温過少が土壌呼吸を不活発にして陸域での正味のCO2 吸収が過剰となり大気CO2 濃度増加の過少を招いた。モデルで再現された地上気温、放射フラックス、降水量、及び微量気体濃度の現在気候場は、観測値とよく合っていた。ただし、特に南半球熱帯域では、放射、降水量、及びオゾン濃度に観測値との差異が存在していた。これらは過剰な対流活動によるものと判断され、太平洋低緯度域では所謂ダブルITCZ 状態となっていた。MRI-ESM1 とMRI-CGCM3 を比べると、両者の現在気候場は非常によく似ており、現在気候再現性能は同程度であった。MRI-ESM1 によるRCP8.5 の将来予測実験では、全球平均地上気温は産業革命前から21 世紀末までに3.4℃上昇した。一方、MRI-CGCM3 による同昇温予測は4.0℃であった。排出シナリオRCP8.5 を用いてMRI-ESM1 により予測された21 世紀末の大気CO2 濃度は800ppm であり、MRI-CGCM3による実験で使用したCO2 濃度より130ppm ほど低い。これは上述の昇温差と整合的である。全球平均のオゾン全量は2000年から2100 年までに約25DU 程の増加が予測され、MRI-CGCM3 による実験で与えたオゾン変化と同程度であった。最後に、ESM とCGCM との比較から、オゾンモデルとエーロゾルモデルを結合したことによって20 世紀後半のエーロゾル量の変化に差が生じ、この差が両モデルの昇温量の違いに影響していることを確認した。

Simulations of climate, including atmospheric chemistry and carbon cycle, are conducted for the period from 1850 through 2100 with a new earth system model (ESM) of the Meteorological Research Institute (MRI), MRI-ESM1. This model has been developed as an extension of the atmosphere-ocean coupled general circulation model, MRI-CGCM3, by adding chemical and biogeochemical processes. The dynamic and thermodynamic processes are entirely the same in both models. The horizontal resolution of MRI-ESM1 is higher than that of the ozone model that handles chemical processes which require high computational cost. In the control experiment, it is confirmed that the climatic drift of the model is insignificant with regard to surface air temperature (SAT), the radiation budget, and trace gas (carbon dioxide (CO2) and ozone) concentrations. Compared with a control experiment by MRI-CGCM3, SAT is slightly higher because of a higher tropospheric ozone concentration. The performance of MRI-ESM1 is validated by conducting a historical experiment. Overall, MRI-ESM1 simulates well observed historical changes in SAT and trace gas concentrations. However, increases in the SAT and atmospheric CO2 concentration are underestimated, associated with a positive feedback process through soil respiration. Namely the underestimation of atmospheric CO2 increase causes weak SAT rise which makes soil respiration inactive, and then the excess of net land surface CO2 uptake suppresses increase of the atmospheric CO2 concentration. The simulated present-day climate states of SAT, radiation fluxes, precipitation, and trace gas concentrations are also in good agreement with observations although there are errors of radiations, precipitation, and ozone concentration especially over the southern tropical Pacific in the simulation. These errors appear to be originated from the excess of convective activity: so-called double ITCZ (intertropical convergence zone). Both MRIESM1 and MRI-CGCM3 are similarly able to reproduce the present-day climatology. In future projections, the global mean SAT rise at the end of the 21st century relative to the pre-industrial era is 3.4°C in the experiment using the Representative Concentration Pathways 8.5 (RCP8.5) by MRI-ESM1, whereas it is 4.0°C in the MRI-CGCM3 experiment. The atmospheric CO2 concentration projected by MRI-ESM1 for the end of the 21st century is about 800 ppm, which is lower by 130 ppm than that prescribed in the RCP8.5 experiment with MRI-CGCM3. This difference is consistent with the above-mentioned difference in the SAT rise between MRI-ESM1 and MRI-CGCM3. The global mean total column ozone increases by about 25 DU during the period from 2000 to 2100, which is comparable to that prescribed in the experiment with MRI-CGCM3. It is also investigated how aerosols simulated with a newly introduced aerosol-chemistry process influence weak SAT rise at the end of the 20th century in MRI-ESM1.