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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 人為的気候変動との調和 観測温度 1998-2008 Robert K. Kaufmanna,1, Heikki Kauppib a ボストン大学エネルギー・環境研究センター地理・環境学科、ボストン大学、675 Commonwealth Avenue (Room 457), Boston, MA 02215; b トゥルク大学経済学部、フィンランド、トゥルク、FI-20014; c ハーバード大学経済学部、1805 Cambridge Street, Cambridge, MA 02138 編著 Robert E. Dickinson, Texas University at Austin, TX, Austin, and approved, 2011 年 6 月 2 日（2011 年 2 月 16 日に査読を受けた）。 Author contributions: R.K.K., H.K., and J.H.S. designed research; R.K.K., H.K., M.L.M., and J.H.S. performed research; R.K.K. and M.L.M. analyzed data; and R.K.K., H.K., M.L.M., and J.H.S. wrote the paper. The authors declare no conflict of interest. This article is a PNAS Direct Submission. 1 To whom correspondence should be addressed. E-mail: kaufmann@bu.edu. This article contains supporting information on 温室効果ガス濃度の上昇による温暖化効果の増加が広く指摘されていることを考えると、なぜ1998年から2008年の間に地球表面温度が上昇しなかったのかは不明である。我々は、この温暖化の休止期間が、人為的要因と自然要因の合計がほとんど増加していない期間と一致していることを発見した。 通常の11年周期の一部としての日射量の減少と、エルニーニョからラニーニョへの周期的な変化が、人為的な影響の尺度を支配しているのは、短寿命の硫黄排出の急速な増加が温室効果ガス濃度の上昇を部分的に相殺しているからである。 このように、最近の世界気温の記録は、地球表面温度、内部変動、放射強制力の関係についての既存の理解と一致しており、温暖化・冷房効果がよく知られている人為的要因も含まれていることがわかりました。また、2005 年から 2008 年にかけては、地球表面温度は 0.2℃低下している。 2009 年と 2010 年には気温が上昇しているが、1998 年から 2008 年の間に地球表面温度が明確に上昇していない(1)ことと、大気中の CO2 やその他の温室効果ガスの濃度が上昇していることから、放射強制力と内部変動と地球表面温度の関係についての既存の理解を疑う声も聞かれる(2,3)。 このような断絶したように見えることが、一般の人々が人為的な気候変動に懐疑的になっている理由の一つかもしれない(4)。 最近の分析では、内部変動に焦点を当てたり、強制力のリストを拡大したりすることで、この懐疑論の源泉に対処している。モデルシミュレーションを用いて、内部変動が1999年から2008年のような長期間の安定した気温を生み出す可能性があることを示唆している(5)。あるいは、最近の成層圏水蒸気の変化を含むように誘因のリストを拡大することで(6)、最近の温暖化の欠如を説明できるかもしれない。 しかし、どちらのアプローチも、放射強制力、内部変動、地球表面温度の関係についての現在の理解が、1999～2008年の温暖化の遅れの時期と大きさを説明できるかどうかを評価するものではない。 ここでは、以前に発表された統計モデル(7)を用いて、放射性活性ガスの人為的な排出が自然変数とともに1999-2008年の温暖化の裂け目を説明できるかどうかを評価する。そのために、地球表面温度の人為的要因と自然要因に関する情報をまとめ、これらのデータを用いて1998年までの統計モデルを推定し、1999年から2008年までの地球表面温度のシミュレーションを行った。 その結果、硫黄排出による冷却効果が温室効果ガス濃度の温暖化と同時に増大するため、人為的強制力の上昇が過去数十年よりも遅くなることが示された。この上昇の鈍化は、日射量の減少やエルニーニョからラニーニョへの変化に加えて、1998年以降の温暖化の欠如をシミュレートすることを可能にした。 これらの結果は、気温の測定に用いた時系列、ブラックカーボンと成層圏の水蒸気の省略、人為的硫黄排出と放射強制力への影響に関する不確実性など、様々な仮定（SI Appendix: 2.4-7節）の影響を受けないことを示しています。 結果 二酸化炭素の排出量と濃度の増加が注目されているが、我々の分析では、人為的気候変動のもう一つの経路における重要な変化を明らかにした。中国の石炭消費量は 2003 年から 2007 年までの 4 年間で 2 倍以上に増加している（前回の 2 倍は 1980 年から 2002 年までの 22 年間である）。この 4 年間で、中国の石炭消費量は世界の石炭消費量の 26%の増加の 77%を占めている(8)。 これらの増加は以前の成長率に比べて大きい。例えば、世界の石炭消費量は1980年から2002年までの20年間で27％しか増加していない(8)。その結果、人為的硫黄排出量が増加したため、2002 年以降の冷却効果は 0.06 W∕m2（絶対値）の増加となった（図 1）。 この増加は、1990 年から 2002 年の間に 0.19W∕m2 の温暖化効果を有していた硫黄排出量の減少期を一部覆すものである。硫黄排出量の増加は、温室効果ガス濃度の上昇による放射強制力の増加を遅らせる（図1）。2002 年から 2007 年の間の人為的強制力の増加は 0.13 W∕m2 であり、1997 年から 2002 年の間の 0.24 W∕m2 の増加よりも小さい。 人為的強制力の純増加が小さいことは、11 年太陽周期の減少に伴う日射量の 0.18W∕m2 の減少を伴うため、モデル化された強制力の総和は 1998 年以降はほとんど増加せず、2002 年以降は減少する（図 1）。この冷却効果は、南方振動指数(SOI)の純増加によって増幅される(9)。1998 年以降の人為的要因と自然要因の変化が地球表面温度に及ぼす影響を、1998 年を終 了とするサンプルを用いて推定した統計モデルを用いて評価する。 図2に示すように、地球表面温度のモデルシミュレーションは観測値と一致している。つまり、1999年から2008年の間には正味強制力は上昇しておらず、地球表面温度も上昇していないことがわかります。1998年以降の期間が人為的気候変動に関する既存の理解と一致しているという仮説は、1998年以降も地球表面温度と放射強制力の間の長期的な関係は変化しないという帰無仮説を評価する検定統計量によって評価されている。分析された3つのサンプル期間のうち、2つの期間でこの帰無仮説を棄却できなかった（SI Appendix: 表S3とセクション2.3）。  図1. 人為的硫黄排出の放射強制力（紫線）、正味の人為的強制力（青線）、正味の人為的強制力の線形推定値（青線）、全放射強制力（赤線）、太陽日射の放射強制力（橙線）、観測温度（黒線）。SOI（10で割った値）を緑で示す。SOIデータはタヒチとダーウィンでの年平均海面気圧の平年偏差として示されている。1998 年以降の注目期間（灰色で強調表示）。 図2と図3の95%信頼区間は、回帰モデルの推定値の不確かさを表している。温室効果ガス濃度、日射量、及びSOIの観測値を用いて計算された対流活動に関する不確実性は、人為的硫黄排出に関する観測値の不確実性と比較して小さい。感度解析の結果、地表面温度、人為的硫黄排出量、放射強制力への換算値の不確実性は、モデルの全球地表面温度シミュレーション予測への影響が小さいことが示された（SI Appendix: 2.4節、図S3,S4）。 同様に、シミュレーション開始年（SI 付録：図 S6）やモデル推定に用いたサンプル期間（SI 付録：図 S5）の影響は小さい。予想されるように、1998年以降の地球表面温度の変化をシミュレートするモデルの能力は、サンプル期間の初期部分の信頼性の低い観測値が推定サンプルから除去されるにつれて向上する（図2）。この精度の向上は、温室効果ガス濃度の直接測定が可能になり、温度測定の範囲が広がり、より信頼性が高くなった1960年から始まるサンプル期間において特に明らかである。 放射強制力と気温の測定精度が向上したことは、地球の熱収支を変化させる人為的活動が地球表面温度に影響を与えているという仮説と一致しています。1998年以降の地球表面温度の要因は、関心のある独立変数と推定パラメータの観測値を用いてモデルをシミュレーションすることによって特定され、その他の変数の1999-2008年の値は1998年の値を維持したままである。人間活動が気温に及ぼす影響を特定するために、温室効果ガス濃度と硫黄排出量を観測値通りに変化させながら、日射量、SOI、火山性硫酸塩の1998年以降の値を1998年のレベルに維持したモデル（推定サンプル1960-1998）をシミュレーションした。 これは、人為的強制力がわずかに増加したことと、産業革命後の人為的強制力の増加に対する調整が継続しているためである（図３）。2000年と2008年の地球表面温度は、人為的な変化のみによって引き起こされたものとして、観測された温度が95％信頼区間を下回っていることに注目してください（赤線）。 逆に、温室効果ガス濃度と硫黄排出量を1998年の値に維持し、日射量、SOI、火山性硫酸塩の変化を観測値と同様に許容すると、観測された気温の変化パターンと一致した予測が得られる。1998年から2000年の間に、エルニーニョからラニーニョへの循環の変化と、11年の太陽周期に伴う日射量の減少により、地球表面温度が低下する。2002年には、別のエルニーニョが地球を暖める。その後、太陽日射量が減少し、2008年には強いラニーナが発生し、惑星は冷えていきます。  図2. 実測温度(黒線)、サンプル期間1864-1998(オレンジ線)、サンプル期間1920-1998(青線)、サンプル期間1960-1998(緑線)で推定したモデルで生成したサンプル外シミュレーション. エラーバーは95％信頼区間を示す（SI Appendix参照）。  図3. 観測温度（黒線）、放射強制力の人為的な変化によって駆動される地球表面温度のサンプル外予測（赤線）、自然変数（太陽日射量、SOI、火山性硫酸塩）によって駆動される地球表面温度のサンプル外予測（緑線）。エラーバーは95％信頼区間を示す（SI付録参照）。 (7)は1994年までのデータを用いて推定したものであるが、ここでは1998年までのデータを用いてモデルを更新した。ここでは、1998年までのデータを用いてモデルを更新している。モデルシミュレーションでは、これらの1998年以前のパラメータと1998年以降の放射強制力、SOI、火山性硫酸塩の観測値を反映している。 全球地表面温度は、温室効果ガス濃度、硫黄排出量、太陽日射量の影響を含む放射強制力の集合体と共積分する。統計モデルの物理的な解釈については、統計モデルを記述した論文を参照されたい。例えば、放射強制力の変化の温度効果をガス間の放射強制力の変化の温度効果を等しくする制限を拒否できなかったことで、排出量/濃度とその放射強制力への変換のデータの信頼性が検証されています(7)。 また、火山性硫酸塩とENSOの温度効果（および大気中のCO2に対するENSOの効果）の統計的推定値は、気候モデルや経験的解析から得られた推定値と一致していることが、同じ文献で確認されている。最後に、一過性の気候応答の統計的推定値は、Coupled ModelIntercomparison Project(CMIP)で実施された気候モデルの推定値の範囲内に収まっています(26)。さらに、統計的モデルの推定に用いられた手法は、CMIP(26)で実施された大気-海洋連成モデルの温度シミュレーションから、過渡的気候応答の値を復元することに成功している。 このように、統計モデルは、人為的要因と自然要因の変化が最近の気温変化のパターンを説明できるかどうかを検証するための直接的で透明性の高い方法論を提供しています。統計学的な推定値は、温度と放射強制力の時間的変化をフィンガープリントとして統計的傾向を利用して照合するコインテグレーションという概念に基づいているため、結果にはほとんど影響を与えない。このマッチングは、どの時点でもエネルギー収支に依存しない。 しかし、エネルギーバランスの概念は、統計モデルで記述された人為的エアロゾルの重要性を評価するために使用することができます。例えば、大気圏上部の正味放射量の四半期別偏差(28)は、2000年から2008年の間に統計的に測定可能な変化を示しておらず、これは2000年から2007年の間の放射強制力の推定値に統計的に測定可能な変化がないことと一致している(SI Appendix:セクション2.8)。 さらに、地球のエネルギー収支からの残差として2008年までの直接的・間接的なエアロゾル効果(29)を推定すれば、上述した人為的硫黄排出の重要性の増大を支持するか、あるいは矛盾する結果が得られるであろう（研究方法に関するSI Appendixはオンラインで入手可能）。モデルの精度を評価するための信頼区間の使用を提案してくれた査読者に感謝するとともに、統計モデルによって生成された結果がどの程度信頼できるかをテストするために使用された多くのトピックにも感謝する。 本研究は、National Science Foundation(NSF) GK-12 STEM Fellowship DGE-0947950により部分的に資金提供を受けた。 この仮説を評価するために、成層圏水蒸気（またはブラックカーボン）が、(i)放射強制力と地表面温度の長期的な関係の誤差、(ii)地表面温度が長期的・短期的な決定要因に適応するダイナミクスを表す誤差補正モデルの誤差、(iii)完全統計モデル（SI付録：2.7節）で生成された予測の誤差のいずれかに関係しているかどうかを検証しました。 成層圏水蒸気については、長期共線積分関係の誤差との間に小さな負の相関があることが示唆されているが、負の符号は成層圏水蒸気の温暖化効果とは一致しない。成層圏水蒸気と地表面温度が長・短距離の決定因子に適応するダイナミクスの誤差や、完全統計モデルで生成されたシミュレーション誤差との間には何の関係も見出されなかった。黒色炭素については、統計的推定値の残差との関係は見られないが、黒色炭素と予測誤差の間には無視できるほどの正の相関（r2 ¼ 0.017）があることが示された。 これらの結果から、成層圏の水蒸気（と黒炭素）は、統計モデルに含まれる強制力と比較して、地表面温度に統計的に有意な影響を及ぼさないことが示唆されます。この結果は、成層圏の水蒸気（または黒炭素）が地球の地表温度に及ぼす影響については、一般的には無意味なものです。最近の温暖化の遅れのもう一つの説明は、気候システムの内部変動に焦点を当てています。内部変動の影響を定量化するために、気候モデルで作成されたシミュレーションを解析し、地表面温度がゼロまたは負の傾向を示す10年間の確率を決定します(5)。20世紀のシミュレーションを分析した結果、気温のトレンドがゼロまたは負の傾向を示す10年間の期間が存在する可能性が高いことが示された（p > 0.05）。この比較的高い確率は、部分的には自然変動に起因している。 1999年から2008年の温暖化の停滞は内部変動が原因である可能性があるが、我々の結果と一致する、ref.5で述べられたシミュレーションの別の解釈を提案する。5で述べられたシミュレーションの代替的な解釈を提案します。20世紀の間、我々が測定した人為的強制力の純増加は安定的には増加しなかった。例えば、1944年から1976年までの間には、人為的強制力の純増加は見られず、この期間は地表面温度が安定しているか、あるいは低下している（図1）。1940年から1970年の間は、データが入手可能な1850年から2000年の他の数十年間の増加量と比較して、炭素排出量の増加量が少ないため、このバランスは、黒炭素排出量を省略しても影響を受けないと考えられる(10)。このような状況下では、参考文献5で報告された10年間の気温のトレンドがゼロまたは負の期間は、長期化する可能性がある。 5 が報告した 10 年間の気温トレンドがゼロまたは負の期間は、人為的強制力が安定しているか、または減少している長期の期間と一致している可能性があり、したがって、内部変動によるものではない可能性が高い。我々の解釈は、IPCCの排出シナリオに関する特別報告書のシナリオA2の分析によっても裏付けられているが、ここでは人為的強制力が着実に増加している。 これらのシミュレーションでは、気温がトレンドを持たない、あるいは負のトレンドを示す10年間の期間は、5％未満であることが示されている(5)。このように安定した期間がないということは、20世紀のシミュレーションでは、気温がほとんど上昇しない、あるいは上昇しない10年間の期間の確率が高いということは、強制力が上昇しない期間が長く続くことに関連しているということを意味している。 これらの結果は、人為的活動と自然変動の両方による正味強制力の鈍化が、1999～2008年の温暖化の停滞の原因となっているという我々の見解と一致している。太陽日射量の減少とエルニーニョ/南方振動(ENSO)イベントが人為的変化を支配し、それゆえに1999-2008年の地表温度のパターンを作り出しているという知見は、別の統計モデル(11, 12)から得られたものである。しかし、このモデルは、1953年から2007年の間の決定論的な時間傾向を持つ正味の人為的強制力を表しています。なぜなら、確率的なトレンドを含む時系列は決定論的なトレンドでは近似できないからである(13)。そのため、日射量の減少やエルニーニョやラニーニョの変化の影響が 1999～2008 年の期間を支配するような、人為的強制力の正味の減速を捉えることはできない（SI 付録参照）。 この仮説を評価するために、成層圏水蒸気（またはブラックカーボン）が、(i)放射強制力と地表面温度の長期的な関係の誤差、(ii)地表面温度が長期的・短期的な決定要因に適応するダイナミクスを表す誤差補正モデルの誤差、(iii)完全統計モデル（SI付録：2.7節）で生成された予測の誤差のいずれかに関係しているかどうかを検証しました。 成層圏水蒸気については、長期共線積分関係の誤差との間に小さな負の相関があることが示唆されているが、負の符号は成層圏水蒸気の温暖化効果とは一致しない。成層圏水蒸気と地表面温度が長・短距離の決定因子に適応するダイナミクスの誤差や、完全統計モデルで生成されたシミュレーション誤差との間には何の関係も見出されなかった。黒色炭素については、統計的推定値の残差との関係は見られないが、黒色炭素と予測誤差の間には無視できるほどの正の相関（r2 ¼ 0.017）があることが示された。 これらの結果から、成層圏の水蒸気（と黒炭素）は、統計モデルに含まれる強制力と比較して、地表面温度に統計的に有意な影響を及ぼさないことが示唆されます。この結果は、成層圏の水蒸気（または黒炭素）が地球の地表温度に及ぼす影響については、一般的には無意味なものです。最近の温暖化の遅れのもう一つの説明は、気候システムの内部変動に焦点を当てています。内部変動の影響を定量化するために、気候モデルで作成されたシミュレーションを解析し、地表面温度がゼロまたは負の傾向を示す10年間の確率を決定します(5)。20世紀のシミュレーションを分析した結果、気温のトレンドがゼロまたは負の傾向を示す10年間の期間が存在する可能性が高いことが示された（p > 0.05）。この比較的高い確率は、部分的には自然変動に起因している。 1999年から2008年の温暖化の停滞は内部変動が原因である可能性があるが、我々の結果と一致する、ref.5で述べられたシミュレーションの別の解釈を提案する。5で述べられたシミュレーションの代替的な解釈を提案します。20世紀の間、我々が測定した人為的強制力の純増加は安定的には増加しなかった。例えば、1944年から1976年までの間には、人為的強制力の純増加は見られず、この期間は地表面温度が安定しているか、あるいは低下している（図1）。 1940年から1970年の間は、データが入手可能な1850年から2000年の他の数十年間の増加量と比較して、炭素排出量の増加量が少ないため、このバランスは、黒炭素排出量を省略しても影響を受けないと考えられる(10)。このような状況下では、参考文献5で報告された10年間の気温のトレンドがゼロまたは負の期間は、長期化する可能性がある。 5 が報告した 10 年間の気温トレンドがゼロまたは負の期間は、人為的強制力が安定しているか、または減少している長期の期間と一致している可能性があり、したがって、内部変動によるものではない可能性が高い。我々の解釈は、IPCCの排出シナリオに関する特別報告書のシナリオA2の分析によっても裏付けられているが、ここでは人為的強制力が着実に増加している。これらのシミュレーションでは、気温がトレンドを持たない、あるいは負のトレンドを示す10年間の期間は、5％未満であることが示されている(5)。 このように安定した期間がないということは、20世紀のシミュレーションでは、気温がほとんど上昇しない、あるいは上昇しない10年間の期間の確率が高いということは、強制力が上昇しない期間が長く続くことに関連しているということを意味している。これらの結果は、人為的活動と自然変動の両方による正味強制力の鈍化が、1999～2008年の温暖化の停滞の原因となっているという我々の見解と一致している。太陽日射量の減少とエルニーニョ/南方振動(ENSO)イベントが人為的変化を支配し、それゆえに1999-2008年の地表温度のパターンを作り出しているという知見は、別の統計モデル(11, 12)から得られたものである。 しかし、このモデルは、1953年から2007年の間の決定論的な時間傾向を持つ正味の人為的強制力を表しています。なぜなら、確率的なトレンドを含む時系列は決定論的なトレンドでは近似できないからである(13)。そのため、日射量の減少やエルニーニョやラニーニョの変化の影響が 1999～2008 年の期間を支配するような、人為的強制力の正味の減速を捉えることはできない（SI 付録参照） 参照文献 1. 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