「本当に地球温暖化が原因？」に答えるシミュレーション　イベント・アトリビューションとは

世界各地で観測されている猛暑、豪雨、大雪、干ばつ、森林火災・・・。最近では、過去に例を見ないほどの大規模な災害が多発しています。
こうした異常気象は温暖化との関係が指摘されていますが、地球温暖化の影響がなくても発生するものでもあります。
では、異常気象は、本当に地球温暖化のせいなのでしょうか。
そうした疑問に答えるが、新しい手法「イベント・アトリビューション」です。

「イベント・アトリビューション」とは

異常な天候や極端な自然現象は、人間活動の影響の有無とは関係なく、気候システムの中で自然に生じ得るものです *1:p.1。
また、その異常気象が30年に１度の発生だったとしたら、分析に必要な観測データが揃うのには長時間かかってしまいます。
したがって、地球の異常気象が地球温暖化のせいかどうかを科学的に証明するのは簡単なことではありませんでした。

でも、最近になって、この問いに答えられる新しい手法が開発されました。
それは、ある年に起きた特定の異常気象に関して、人間活動の影響を評価する試み「イベント・アトリビューション（Event Attribution）」（以降、「EA」）と呼ばれるものです。

～イベント・アトリビューションの手法～

では、EAの手法とはどのようなものでしょうか。
以下の図１を用いて説明します *1:p.1。

図１　イベント・アトリビューションの概念図
出典：*1 気象庁気象研究所（2019）「異常気象と地球温暖化」 p.2
https://www.mri-jma.go.jp/Topics/H31/310417/abstract.pdf

異常気象の発生確率を求めるうえで一番の問題は、観測ではデータ量が少なすぎるということです。観測データに現れている天気は、無数の可能性の中のひとつの偶然だからです。

そこで、気候モデルを使って、その時その場所で起こり得た、他の数々の偶然―「パラレルワールド」をシミュレーションし、可視化します。
これが、図１の薄いオレンジの曲線群“現実世界のパラレルワールド”です。
こうやって、多数のパラレルワールドの中で、今回の異常気象が発生している世界がいくつあるかを数えると、その異常気象がどのくらいの確率で起こったのかを数値で表すことができます。

次に、人間活動による気候への影響をモデルから取り除いて、温暖化が起こらなかった場合の仮想の世界をシミュレーションします。
この仮想世界にもパラレルワールドが存在します。
それが、図１のブルーの曲線群「人間活動による温暖化がなかった仮想の世界」です。
仮想の世界のパラレルワールドについても、先ほどと同じ手法を使って発生確率を見積もります。

図１の右側の枠内は頻度分布で、赤い曲線は現実世界の頻度分布を、青い曲線は人間活動による温暖化がなかった場合の頻度分布を表しています。
したがって、この赤線と青線の差が、温暖化によってもたらされた変化ということになります。

以上のような方法で、温暖化が存在する世界と温暖化が起こらなかった場合の仮想の世界を比較することによって、地球温暖化が異常気象の発生確率をどの程度変化させているかを推定することができるようになるのです。

EAは、精度の高いモデルで膨大な量のシミュレーションを行うため、最先端の気候モデルとスーパーコンピューターの利用が欠かせません。

以下の図２は、EAによって、人間の活動が異常気象の発生確率を高めていると分析された事例と、人間活動との因果関係が把握できなかった事例です。

図２　EAによって人間の活動が異常気象の発生確率を高めていると分析された事例/人間活動との因果関係が把握できなかった事例
出典：*2 気象庁異常気象分析検討会（2015）「イベント・アトリビューション研究の現状と気象研究所における計画」 p.5
https://www.data.jma.go.jp/gmd/extreme/kaigi/2015/0223_teirei/h26gidai2-2.pdf

それぞれの図中の青線と赤線は図１の頻度分布図を左に90度回転させたものです。
青線と赤線のずれがある図は、人間活動が異常気象の発生確率を高めているものです。
一方、右下の図のように、赤線と青線が重なっているものは、因果関係が認められないものです。

～地震や津波のシミュレーション～

スーパーコンピュータを使ったシミュレーションによって予測するのは、異常気象と地球温暖化の関連だけではありません *3。
ここでは、EA以外の取り組みもみてみましょう。
地震と津波に関するシミュレーションです。

日本は世界でも有数の地震国です。
特に東日本大震災は、地震と津波による直接被害以外にも、福島原発事故などの複合災害が発生しました。
今後は、巨大地震をはじめとする地震やそれに伴う津波、さらに広域にわたる複合災害に備える必要があります。

そこで、地震発生の仕組みを解明すると同時に、高精度のシミュレーションによって地震や津波が伝わる過程を解明することが重要です。
さらに、地震や津波が発生したときの構造物の倒壊や浸水分布、被害分布などの被害予測や避難誘導などのシミュレーションを行い、それらを生かして災害に備えることが重要です。
それらを把握することができれば、災害の施策に有益なだけでなく、災害に際してどのように行動するのかという私たちの意志決定に役立てることもできます。

理化学研究所ではプロジェクトを組み、スーパーコンピュータ「京」を使って、各種のシミュレーションを連携させたシステムの構築に取り組んでいます。

次は、津波に関する取り組みです。
第五管区海上保安本部は下の図３の区域を対象にして、海上保安庁が作成する「津波防災情報図」に基づいた「津波シミュレーションマップ」を公開しています *4。

図３　JCG第五管区海上保安本部による「津波シミュレーションマップ」の対象区域
出典：*4 JCG第五管区海上保安本部海洋情報部「津波シミュレーションマップ」
https://www1.kaiho.mlit.go.jp/KAN5/tsunami_map/

最後の事例は、国土交通省による「地点別浸水シミュレーション検索システム」です *5。
洪水時の被害を最小限にするためには、普段から水害による被害のリスクを認識したうえで、氾濫時の危険箇所に関する情報を把握することが重要です。
したがって、自宅や会社、学校、通勤・通学経路などの浸水の危険性を知っていれば、水害に対する事前の備えができ、それが安全確保の行動につながります。

このシステムで検索すれば、河川が氾濫した場合に浸水が想定される区域がわかり、またその区域が浸水した場合の水深も把握することができ、もしものときの安全確保に役立ちます。

海外におけるEAの取り組み

ここでは、海外におけるEAの取り組みについてみていきます。

～EAのはじまり～

EAに関する最初の論文が『Nature』誌に発表されたのは2004年のことでした。
この論文では、２種類のシミュレーションを比較することで、2003年にヨーロッパで観測された酷暑の発生リスクが人間活動によって少なくとも２倍になっていると推定しました *6:p.57。

2011年に『Nature』誌に掲載されたオックスフォード大学グループの論文では、「2000年秋にイギリス・ウェールズで発生した洪水のリスクが温室効果ガスの増加によって増大した」と結論付けて
います *2:p.3、*6:pp57-58。.

～ヨーロッパのコペルニクス気候変動サービス（C３S）～

次に、ヨーロッパにおけるコペルニクス気候変動サービス（以降、「C３S」）をご紹介します。
C３Sの目的は、気候変動に関する信頼できる情報を提供することによってEUの地球温暖化施策を支援することで、そのために、最高の科学に基づいた気候データとツールを無料で提供しています *7-1。

C３Sは、特定の異常気象の分析や、気候変動にどの程度関連している可能性があるかなどの情報を提供するプロトタイプサービスを開発しています。
このプロトタイプサービスは、ヨーロッパ内でのこうしたサービスの基礎を築き、主なユーザー（ヨーロッパの国立気象機関、情報通信メディア、関心のある市民）に最適なサービスを提供する方法についても調査します。

極端な異常気象の発生中および発生直後には、その影響や気候変動との関係などに対して関心が高まります。
そこで、プロトタイプサービスは、それらの情報を提供するために、異常気象の発生からできるだけすぐに必要な情報を提供するための分析を行います。
また、そのためのプロトコル（手順や規約）を開発する予定です。

以下の図４は、C３Sによって提供されたプロトタイプの例です。

図４　プロトタイプ要約図：ドナウ川とエルベ川が氾濫した2013年５月30日から６月２日までの１日の平均降雨量
出典：*7-2 Climate copernicus “Prototype extreme events and attribution service”
https://climate.copernicus.eu/prototype-extreme-events-and-attribution-service

～World Weather Attribution（WWA）イニシアティブ～

次は、国際的なイニシアティブWorld Weather Attribution（以降、「WWA」）です。
WWAは、2014年後半にスタートしました *8-1。

WWAが行っているのは、人間が引き起こした気候変動が、異常気象の規模と頻度に影響を及ぼしたかどうか、及ぼしたとすればそれはどの程度かについて、タイムリーで信頼できる評価を行うための、科学的ツールと方法論を研究開発することです。

また、世界中で発生する暴風雨、豪雨、熱波、寒さ、干ばつなどの異常気象をリアルタイムで
分析し、異常気象の発生中に気候変動と関連性があるかどうかの答えを出せるようにしています。

主導しているのは、オックスフォード大学の“Environmental Change Institute（環境変化研究所）”ですが、以下のような組織と連携し、国際的なパートナーシップを築いています。

● オランダ王立気象研究所（KNMI）
● Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environment（LSCE）
● プリンストン大学
● アメリカ国立大気研究センター（NCAR）
● 赤十字気候センター（気候センター）

また、ガーディアン、デイリーメール、タイムズ、サイエンティフィックアメリカン、CBS、BBCなど、広範なメディアエンゲージメントを通じて、気候変動に関する先進的な取り組みを発信し、この分野での議論を牽引しています。

こうした取り組みが評価され、WWAは、2020年にMIT Technology Review（マサチューセッツ工科大学　テクノロジーレビュー）の「画期的なテクノロジーのトップ10」の１つに選ばれました。

ここでWWAの取り組み事例をみてみましょう。
シベリアの熱波に関する分析です *8-2。
2020年の１月から６月にかけて、シベリアのベルホヤンスクの町は38℃という異常な高温を含む酷暑に見舞われ、大規模な災害を引き起こしました。

シベリアの森林では、大規模な山火事が起こり、６月に56メガトンのCO2が放出されました。
火事の影響を受けていない地域では、害虫が大繁殖しました。
また、魚はより冷たい水を求めて海の奥深くを泳ぐため、漁業にも打撃を与えました。
長期におよぶ酷暑の影響で、心身共に健康被害をこうむった人々もいたと報告されています。

さらに、永久凍土層が融解したためにインフラが崩壊し、燃料漏れが発生し、環境が汚染されました。
その上、永久凍土の融解によって、強力な温室効果ガスであるメタンガスが大気中に放出される危険性もあります。

このように、シベリアのようなもともと気温が低い場所が高温になると、地元の野生生物やそこに住む人々だけでなく、永久凍土層の融解、積雪の減少、氷の融解など、世界の気候システム全体に壊滅的な影響を与えるおそれがあります。

WWAがシベリアの大部分にわたる広い地域を調べて分析した結果、人間が引き起こした気候変動がなければ、この異常気象は事実上、生じ得ないことがわかりました。

図５　WWAの調査で使用されたデータ：1981年から2010年と比較した2020年１月から６月の平均気温
出典：*8-2 World Weather attribution“Siberian heatwave of 2020 almost impossible without climate change”
https://www.worldweatherattribution.org/siberian-heatwave-of-2020-almost-impossible-without-climate-change/

図５は、この分析で使われた気温のデータですが、調査地域全体で、熱波に襲われた2020年１月から６月の平均気温は、1981年から2010年までの平均気温より５度以上高かったことがわかりました。

分析の結果、人為的な活動によって増大する熱波の発生リスクは少なくとも600倍と見込まれています。
また、シベリア地域では、2050年までに1900年と比較して少なくとも2.5度、気温が上昇すると推計されていますが、この上昇が７度にまでなるおそれがあることもわかりました。

以上のように、EAによって、深刻な被害をもたらした熱波が人間の活動によって引き起こされたこと、それがさらに今後の地球環境にも悪影響を与え続ける可能性が高いことが把握できました。

日本におけるEAの取り組み

ここでは、気象庁気象研究所、東京大学大気海洋研究所、国立環境研究所の研究チームによるEAの事例をみたいと思います。

～2018年７月の記録的な猛暑への地球温暖化の影響～

このチームはEAによって、2018年７月の記録的な猛暑への地球温暖化の影響と、猛暑の発生回数の将来見通しを分析しました（図６） *9:p.3。

図６　2018年７月の猛暑を対象としたイベント・アトリビューションの実例
出典：*1 気象庁気象研究所（2019）「異常気象と地球温暖化」 p.2
https://www.mri-jma.go.jp/Topics/H31/310417/abstract.pdf

この研究では、気候データベースを用いて、過去の実際の（温暖化がある）気候条件と、温暖化がなかったと仮定した気候条件のそれぞれについて、日本上空約1,500mの気温が2018年７月の値を超える確率を推定しました *9:p.3。

図６の縦軸は、日本上空約1,500mの対流圏下部の各年７月の平均気温を表しています。
図中の黒線は実際の値、赤線は温暖化ありの条件で、青線は温暖化なしの条件でそれぞれ実施した100本のシミュレーションの平均値です *1:p.2。
また、ピンクに塗られている部分は温暖化ありの条件で、水色に塗られている部分は温暖化なしの条件でそれぞれ各年のシミュレーションを行った結果の最大値と最小値の間の範囲を表しています。

この結果、実際の気候条件における発生確率は19.9％でしたが、温暖化がなかった気候条件ではほぼ0％と推定されました。
このことから、地球温暖化がなければ2018年７月のような猛暑は起こり得なかったことがわかります。

次に、この研究では、２段重ねの高気圧の影響を分析しました *9:pp.3-4。
2019年７月の猛暑の際、日本を覆う２段重ねの高気圧（上空のチベット高気圧と下層の太平洋高気圧）が発達していたからです。
そこで、気候データベースを用いて、100通りの気候シミュレーションを行い、２段重ねの高気圧が出現していたケースとそれ以外のケースに分けて猛暑の発生確率を推定しました（図７）。

図７　２段高気圧を考慮して見積もった2018年の猛暑の発生確率
出典：*9 気象庁気象研究所（2019）「平成30年７月の記録的な猛暑に地球温暖化が与えた影響と猛暑発生の将来見通し」 p.7
https://www.mri-jma.go.jp/Topics/R01/010522/press_release.pdf

その結果、２段重ね高気圧が出現している場合の猛暑の発生確率は24.6％、出現していない場合は12.2％という値が得られました。
したがって、猛暑の確率は２段重ね高気圧によって少なくとも２倍になっていたと推測されます。

～猛暑の発生地点数の将来見通し～

次に、将来見通しを評価しました *9:p.4。
気候データベースに含まれる1951年から2017年の過去67年間分の気象研究所の地域気候モデルを用いた計算をもとに、日本における年間延べ猛暑地点数の将来見通しを評価しました（図８）。

図８　地球温暖化に伴う年間の延べ猛暑日数（地点数）の変化
出典：*9 気象庁気象研究所（2019）「平成30年７月の記録的な猛暑に地球温暖化が与えた影響と猛暑発生の将来見通し」 p.8
https://www.mri-jma.go.jp/Topics/R01/010522/press_release.pdf

その結果、平均的な年間延べ猛暑地点数は、工業化以降の世界全体の平均気温の上昇が1.5度に抑えられ場合でも、3,000地点以上におよび、さらに２度上昇した場合には4,000地点以上と推定されました。
現在は工業化以降の平均気温の上昇は約１度で、猛暑地点は約2,500箇所ですが、それと比較すると、1.5度上昇した場合の猛暑地点は現在の約1.4倍、２度上昇した場合は現在の約1.8倍になるという将来見通しが得られたことになります。