本研究は学術誌 Reviews of Geophysics に掲載されたもので、「equilibrium climate sensitivity」（ECS）の可能性が高い範囲を示しています。
これは、CO2濃度が倍増した場合に世界の気温がどの程度上昇すると見込まれるかを示す指標で、基準は産業革命以前の水準です。
研究結果から、ECSの範囲は2.6℃から4.1℃の間にある可能性が高いことが示唆されます。
4年間にわたる国際的な科学者チームによる労力と詳細な議論を経て、世界の地表気温がCO2濃度の上昇にどのように反応するかを、これまでになく正確に定量化できるようになりました。
平衡気候感度
私たちの研究成果は、Reviews of Geophysicsに掲載され、「equilibrium climate sensitivity」（ECS）――CO2濃度が倍増した場合に世界の気温がどの程度上昇すると見込まれるかを示す指標で、基準は産業革命以前の水準です。
ECSの絞り込みは、気候科学において長年の課題であり続けており、その起点は米国の気象学者ジュール・チャーニーが、自身の1979年の報告書において、1.5℃から4.5℃の可能性のある範囲を示しました。彼の推定は主に世界初の2つの全球気候モデルに基づいていました。これらのモデルは、大気中のCO2濃度を倍増させる単純な実験を行った際に、2℃と4℃という異なる推定値を示していました。
その後、40年以上にわたる研究、大気過程に対する理解の大幅な向上、そして多くの詳細な観測があったにもかかわらず、この範囲は依然として頑として変わらず残っています。
観測された温暖化、地球の遠い過去、気候モデルからの証拠、さらに気候に関する科学的理解の進歩を組み合わせると、私たちの研究結果は、平衡気候感度の範囲が2.6℃から4.1℃の間にある可能性が高いことを示唆しています。
この狭められた範囲は、人類社会が気候変動への対応に取り組む時間を稼ぐために、低い感度に頼ることはできないことを示しています。しかし、この暗雲の銀色の裏側とも言えるのは、私たちの研究結果が、非常に高いECSの推定値はありそうにないことも示唆している点です。
依然として広いままの範囲
地球の気候が大気中のCO2増加にどれほど敏感に反応するかは、気候科学における根本的な問いです。これは基本的に、人間活動によるCO2排出に対応して地球の地表がどれだけ温暖化するかを決定づけます。
大気中のCO2濃度は、産業革命前の水準の280 ppm（ppm）から現在の約416ppmに上昇しています。排出削減の措置がなければ、濃度は560ppm（産業革命前の水準の2倍）に達すると見込まれ、その時期は2060年頃です。
しかし、ECSの推定範囲は依然として広いままです。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の第4次評価報告書（AR4、2007年発表）では、ECSは可能性が高い――IPCCの用語では66%超の確率を意味します――2.0℃から4.5℃の間にあると結論づけられました。これにより、2℃未満の推定値は起こりにくいことが示唆され、ようやく何らかの進展が見られていることが示されました。
しかし、この改善はIPCCの第5次評価報告書（AR5、2013年）では覆され、その可能性が高い推定について、従来の1.5℃から4.5℃の範囲に戻りました。
覆った理由は何でしょうか。2000年代以降、ECSの推定は単に気候モデルからのみ得られるものではなくなり、過去の気候（「古気候学」）の研究、過去の気温変化の歴史的観測に基づく解釈、さらに根底にある気候フィードバック過程の研究からも推定されるようになりました。
AR5報告書の執筆時点では、歴史的データに基づく推定がECSの最良推定値を2℃前後とする結果を示していました。一方、過程の理解やモデル化に基づく推定は、チャーニーの範囲の上限を支持していました。両者の範囲は重なっていたものの、観測された気候変化に基づく推定と、気候感度を支配する過程の理解およびモデル化に基づく推定との間のこの乖離は、懸念すべきものでした。
2013年以降、科学者らは、推定値が異なる理由の技術的詳細を理解し、異なる証拠の系統から得られた不一致な推定値を調和させるための最初の慎重な一歩を踏み出すために、協調的な取り組みを進めてきました。
今回の新たな研究は、互いに独立した異なる証拠の系統が相互にどのように関係しているかについて、この改善された理解を示すとともに、それらを正式に統合することで、これまでのいかなる総合評価よりも強い制約をECSに課すことを可能にしています。
平衡気候感度の可能性が高い範囲
今回の研究では、可能性が高いECSの範囲は2.6℃から4.1℃であり、最良推定値はわずかに3℃を上回るとしています。この範囲外では、ECSが2℃未満である確率は5%未満、4.5℃を超える確率は6〜18%と見出しました。
また、「実効的な気候感度」（ECSとはわずかに異なる指標）について、2.6〜3.9℃という推定値も導きました。（ECSとは、CO2濃度が倍増した後に気候が平衡状態に達した時点での温暖化の推定値です。気候が真に平衡に達するまでには数千年かかることがあるため、評価やシミュレーションが困難な場合が多く、ECSは通常、CO2倍増後150年時点の温暖化を外挿する一般的な代替手法です。）
一見すると、前回のIPCC報告書からの大きな改善には見えないかもしれません。しかし実際には、気候科学の理解や、21世紀の温暖化予測の範囲に対する確信にとって、重要な意味を持っています。
下の図は、本研究による可能性が高いECSの範囲（黒い枠）を、AR5（灰色）、および第5次（青）と第6次（オレンジ）の結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP）。（CMIP5のモデル予測はAR5に用いられ、一方CMIP6は今後の第6次評価報告書、AR6の基礎となります。）
新たな研究によるECSの範囲（ベース（黒）と頑健（灰色、実効感度を示す）の両結果）、最新のIPCC評価報告書（AR5、青）、最新世代の気候モデル（CMIP5、黄）、および新たなCMIP6気候モデル（オレンジ）。Sherwoodらおよび AR5については、可能性が高い気候感度（66%範囲）を太い棒で、非常に高い可能性の感度（90%範囲）を細い棒で示しています。Carbon BriefがHighchartsを用いて作成。
本研究では、まず各証拠の系統が可能性が高いECSに対して制約を与えられるか（あるいは与えられないか）を明らかにすることで、より狭い範囲を導きました。3つの異なる証拠の系統を精査しました：フィードバック過程の理解、気温変化の歴史的観測、そして過去の気候変動の古気候再構築です。
第二に、本研究はこれら3つの推定値を正式に統合し、ECSの中心推定値を3℃をわずかに上回る値として示しています。また、ECSの範囲にさらなる制約も加えており、推定値が2.3℃から4.7℃の間に入る確率が90%であることを示しています。いずれか1つの証拠の系統を除外したり、異なる統計的手法を用いたりすると、「頑健」な実効感度の推定値として2.0℃から5.7℃の間という結果が得られます。
これらの制約により、気候モデルによる推定値とこの範囲を比較することが可能になりました。気候モデルは、それ自体は直接の証拠の系統として用いられていません。一部の気候モデルのECSが本研究の範囲と比べて高い場合、特定の排出経路の下で将来の温暖化を過大に見積もると予想されます。同様に、範囲と比べて低い場合は、将来の温暖化を過小評価している可能性が高いと考えられます。
証拠の系統の統合
フィードバック過程は、地球が増加するCO2濃度にどのように反応するかにおける重要な要因です。温暖化を強める正のフィードバックと、温暖化を抑える負のフィードバックの両方があります。正のフィードバックの例は、温暖化によって氷や雪が融け、反射される太陽光が減って吸収される太陽光が増えることで、さらなる温暖化を引き起こす場合です。
私たちは、観測、理論、詳細なシミュレーション、気候モデルからの証拠を検討しました。分析の結果、2℃未満の平衡気候感度の推定値では、雲が地球温暖化に対して負のフィードバックを持つ必要があることが示されましたが、これは非常にありそうにないと判断されました。したがって、この証拠だけで1.5℃未満のECSの推定値を除外できる可能性があります。
これまでに観測された温暖化も、さらなる証拠の系統です。私たちはすでに約1℃の温暖化を、CO2濃度がまだ倍増しない段階で経験しています。この知見から、ECSが2℃未満となる値は非常にありそうにないことがわかります。しかし、歴史的証拠からECSを適切に推定することは、大気汚染や火山由来のエアロゾルによる冷却効果を定量化することの難しさや、フィードバック過程が近年の数十年間において、長期的に作用すると予想される仕方とは異なる形で作用していた可能性があるという認識によって妨げられています。このため、歴史的データだけで高いECSの値を除外することは極めて困難です。
古気候は、私たちが検討する第3の証拠の系統です。地球の遠い過去に自然に起こった気候変化も、十分な情報があればECSの制約に役立ちます。最も有益な2つの時期は、最終氷期最盛期（約2万年前）で今日より約3〜7℃寒冷だった時期と、約300万年前に起こった中期鮮新世の温暖期（今日より約1〜3℃温暖だった時期）であることがわかりました。最終氷期最盛期の寒冷化に関する制約は、高いECSの値がありそうにないことを示す最良の単一の証拠を与えています。
平衡気候感度に関するこれらの制約は、証拠の系統をまとめて扱うことでより頑健になり、統合された証拠によって高いECS値と低いECS値を除外し始めることが可能になります……
高いECS値の除外：真のECS値が4.5℃を超えるとすれば、雲のフィードバックは衛星データが示唆するよりもはるかに増幅的である必要があるでしょう。将来のフィードバックも、歴史的期間に見られたものよりもはるかに増幅的である必要があります。さらに、最終氷期最盛期の乾燥した状況における地球の氷床の変化や塵の堆積は、大きく過大評価されていたことになります。
低いECS値の除外： 真のECS値が1.5℃未満であるとすれば、予想されていなかった新たな強い冷却効果を持つ雲のフィードバック過程が発見される必要があるでしょう。また、エアロゾルは歴史的期間において、気候に対してほぼゼロの冷却効果、あるいは温暖化効果をもたらしていた必要があります。さらに、中期鮮新世に推定された温暖化は過大評価されていた必要があるでしょう。
私たちは、一連の統計的検定を行うことで、すべての証拠の系統が誤っている可能性を検討しました。また、特定の証拠への依存度も評価しました。これらの検定により、論文で示したECSの最終的な範囲を確定することができましたが、それは多くの数学的検討とビデオ会議による議論を経てのことでした。
下の図は、各証拠の系統を単独で見た結果を示しており、各ボックスは実効的な気候感度の50%の可能性が高い範囲を示しています。
各証拠の系統を独立に用いて算出した、実効的な気候感度の50%の可能性が高い範囲。なお、歴史的データのみに基づく推定の上限は十分に制約されておらず、8℃を超えることに注意が必要です。Carbon BriefがHighchartsを用いて作成。Sherwoodら（2020）の図20に基づいています。
モデルとの比較
本記事の前の図では、一部のCMIP6モデルが、本論文で示されたECS範囲の高い側と低い側の両方で範囲外にあることが示されていました。
本研究は、本研究の範囲外にあるECSのモデルは、真のECSを代表する可能性が低く、したがって将来の気温変化を過大評価または過小評価すると予想されることを示唆しています。
ただし、本研究は決定的なものではなく、特にECSの高い側については、低い側に比べて制約が弱いため、統計上なお余地が残っています。したがって、本研究では、これらの高い側のモデルを決定的に除外することはできません。
さらに、他の研究では、高いECS値を持つシミュレーションは多くの点で改善されていることが判明しています。したがって、将来のリスクを評価する際には、これらの高い平衡気候感度のモデルを含めることが、依然として有用な予防的措置です。
