地球規模の気象を解き明かす：大気大循環モデル

地球規模の気象を解き明かす：大気大循環モデル

大気大循環モデルとは

– 大気大循環モデルとは

大気大循環モデル（AGCM）は、地球全体の複雑な大気の動きを、物理法則に基づいた数式を用いてコンピュータ上に再現する、いわば「地球シミュレーター」です。

天気予報と聞いて、多くの人が日常的に接する天気図を思い浮かべるでしょう。その天気予報を支える技術の一つが、この大気大循環モデルです。天気予報では数日から数週間先の天気を予測しますが、大気大循環モデルが扱う時間スケールは、さらに広範囲に及びます。数十年後、そして地球温暖化予測のように１００年後の未来の大気状態さえも予測することができます。

大気は、温度、気圧、風向、湿度など、様々な要素が複雑に絡み合いながら変化する巨大なシステムです。大気大循環モデルは、これらの要素間の相互作用を、物理法則に基づいた数式で表現し、スーパーコンピュータを用いて計算することで、過去から未来への大気状態の変化を再現・予測します。そして、その予測結果は、天気予報だけでなく、気候変動予測や環境問題の研究など、様々な分野で活用されています。

大気現象を方程式で表す

私たちが日々感じている風の流れや雨、雲の動きといった大気現象は、一見すると予測が難しく、気まぐれなもののように思えます。しかし実際には、空気の動きや変化は、物理法則という厳密なルールに従って起こっているのです。大気を構成する様々な要素の変化や相互作用は、複雑な方程式によって表すことができます。
このような方程式を多数組み合わせることで、大気の状態をコンピュータ上で再現しようという試みが、数値気象予報と呼ばれる分野です。中でも「大気大循環モデル（AGCM）」は、大気の動きをシミュレーションするために開発されました。AGCMは、空気の流れの速さや向きを表す運動方程式、気温の変化を計算する熱力学の法則、そして水蒸気量や雲の発生を扱う方程式など、多数の方程式を組み合わせています。
これらの方程式は一見すると複雑に見えますが、基本的な考え方は高校物理で学ぶものと変わりません。例えば、空気も物体と同じように、重力や気圧の差によって動きが生じます。また、太陽の光によって地面が温められると、その熱が空気に伝わることで気温が上昇します。AGCMは、このような基本的な物理法則を表現した方程式を、膨大な数の組み合わせとしてコンピュータで計算することで、複雑な大気の振る舞いを再現しようとしているのです。

天気予報から地球温暖化予測まで

天気予報を見れば、数日先の傘が必要かどうかが分かりますね。一方、地球温暖化予測は、地球全体の未来の気候変動について教えてくれます。どちらも、実は「大気・海洋結合モデル」という複雑な計算を用いて行われています。

天気予報では、現在の気温、風速、気圧などの観測データを基に、大気の流れや水蒸気量の変化を計算し、数日先の天気を予測します。計算は短期間なので、比較的詳細な予測が可能となります。

一方、地球温暖化予測では、大気中の二酸化炭素などの温室効果ガスの量を変化させた場合に、地球全体の気温や降水量、海流などがどのように変化するかを、何十年、何百年といった長いスパンでシミュレーションします。

天気予報と地球温暖化予測は、時間スケールや目的は違いますが、どちらも複雑な地球のシステムを理解し、未来を予測するために欠かせない技術なのです。

進化し続ける予測精度

地球温暖化の将来予測に欠かせない気候モデルのひとつに、大気・海洋結合モデル、通称AGCMがあります。 AGCMは、大気や海洋の状態を物理法則に基づいて計算することで、将来の気候変動を予測します。近年、このAGCMの予測精度は目覚ましい進化を遂げています。
初期のAGCMでは、地球全体を単純な格子状に区切って計算していたため、解像度が低く、台風などの局地的な気象現象を再現することは困難でした。しかし、コンピュータの計算能力が飛躍的に向上した現在では、より細かい格子を用いることが可能になりました。例えば、スーパーコンピュータ「富岳」などを用いることで、かつては再現が難しかった台風の発生や進路、強度までも詳細に予測できるようになりつつあります。
さらに、AGCMの進化は解像度の向上だけにとどまりません。雲の発生や降水過程など、複雑な物理現象をより精密に表現する技術も開発されています。これにより、従来のAGCMでは予測が難しかった集中豪雨などの極端な気象現象についても、より高い精度で予測できるようになると期待されています。このように進化し続けるAGCMは、地球温暖化対策や防災対策など、様々な分野で重要な役割を担っていくことが予想されます。

海洋との関係を考慮

地球温暖化をはじめとする気候変動は、私たち人類にとって喫緊の課題です。そして、その気候変動を正確に予測するために、大気と海洋の関係を考慮することが非常に重要になってきます。

大気の流れをシミュレーションする大気大循環モデル（AGCM）は、気候変動予測の要となる技術です。しかし、AGCMだけでは、地球全体の気候システムを表現しきれません。なぜなら、大気は、広大な海洋と常に熱や水蒸気をやり取りしながら複雑に影響し合っているからです。そこで開発されたのが、海洋大循環モデル（OGCM）とAGCMを組み合わせた大気海洋結合モデルです。

OGCMは、海洋の currents や水温、塩分濃度などを計算することで、海洋の循環を再現します。このOGCMとAGCMを結合させることで、大気と海洋が互いに影響し合う様子をよりリアルに再現することが可能になります。例えば、エルニーニョ現象やラニーニャ現象といった、海洋の温度変化が世界中の天候に影響を与える現象も、この結合モデルによってより正確に予測できるようになると期待されています。

大気海洋結合モデルは、複雑な気候システムを理解し、より精度の高い気候変動予測を実現するための重要な一歩です。そして、その精度の向上は、私たちが気候変動に適切に対処していくためのより的確な対策を立てるのに役立ちます。