既存の気候モデルは、雨を過剰にシミュレーションすることで、雲の寿命と冷却効果を過小評価しています。
「暖かい」雲からの降雨をより現実に近づけてシミュレーションした新しいモデルでは、雲の寿命がほぼ3倍に延びます。
これにより、雲の冷却効果と気候全体への影響が高まります。
新研究によると、雲は気候モデルが現在示している以上に地球を冷却する効果を持つ可能性があります。
本論文は、Nature Climate Changeに掲載されており、気候モデリングにおける「長年の」かつ「未対処の」問題、すなわち既存のモデルが雲からの降雨を過剰にシミュレーションし、その結果として雲の寿命と冷却効果を過小評価しているという問題の是正を目指すものです。
著者らは既存の気候モデルを更新し、「暖かい」雲からの降雨をより現実に近い形でシミュレーションするようにしました。ここでの「暖かい」雲とは、水と氷の混合ではなく、水のみを含む雲を指します。その結果、気温の上昇が雲の寿命を延ばすプロセスである「雲寿命フィードバック」が、ほぼ3倍大きくなることがわかりました。
著者らは、最新世代の全球気候モデル――第6期結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP6）は、将来の温暖化をより速めると予測しており、前世代を上回ります。これは主に、新しいモデルが雲による冷却効果をより小さくシミュレーションしているためです。
しかし、本研究の筆頭著者はCarbon Briefに対し、降雨シミュレーションにおける「問題」を修正すると、「モデルが予測する温暖化が、CMIP5からCMIP6にかけての温暖化の増加とほぼ同じ分だけ減少する」と語っています。
このため同氏は、本研究の主要な結論として、「モデルで他の既知の雲の問題も修正されるまでは、CMIP6における追加的な温暖化は割り引いて受け止めるべきだ」と述べています。
雲の冷却効果
雲が地球全体の気温に与える影響は、複雑な研究分野であり、科学者たちは数十年にわたり取り組んできました。
2018年にCarbon Briefに掲載された寄稿記事で、エリー・ハイウッド教授――気候物理学の教授で、気象学部（レディング大学）――は、雲が地球の気温にどのように影響しうるかを次のように説明しています：
「低く明るい雲は、地球表面から太陽光を反射させるため、主に冷却効果をもたらします。氷の結晶からなる高く薄い雲は、太陽光に対しておおむね透明ですが、地球から放射される赤外線を吸収し、そのごく一部を再放射することで、地球を温暖化させます。さらに事態を複雑にしているのは、ほとんどの地域では、いつの時点でも複数の雲の層が存在することです。」
この記事でハイウッド氏は、雲が地球全体に冷却効果をもたらすと結論づけています。また、気候科学者が雲のプロセスをより正確にシミュレーションするために行ってきた広範な研究を概説する一方で、雲は依然として「気候システムにおいて最も興味深く、かつ困難な構成要素」であると指摘しています。
気候が温暖化するにつれ、科学者は多くの雲が「冷たい」状態から「暖かい」状態へと移行すると予想しています。冷たい雲は氷の粒子と水滴の混合からなるのに対し、暖かい雲は液体のみを含みます。この相転移は、主に二つの方法で雲の冷却特性に影響を与えます。
第一に、雲の中の水滴は通常、氷の粒子より小さいため、質量に対する表面積が大きくなり、太陽光をより反射しやすくなります。つまり、雲が冷たい状態から暖かい状態へ移行すると、より反射性が高まります。論文ではこれを、相フィードバックの「光学的要素」と呼んでいます。
第二に、暖かい雲は降水の効率が低く、すなわち冷たい雲ほど容易には雨滴を放出し始めません。雨の降る頻度が低いため、暖かい雲はより長い寿命を獲得します。これは相フィードバックの「寿命的要素」と呼ばれています。
ケイト・マーベル博士、准研究科学者としてコロンビア大学およびNASAゴダード宇宙研究所に所属し、本研究には関与していないマーベル氏は、Carbon Briefに対し、雲フィードバックの光学的要素と寿命的要素により、「雲をより液体に近づけると、より多くの日光を遮りかつ、より長く持続する」と語っています。
「広範な」問題
しかし本研究は、雲のプロセスに関連して、気候モデルには「広範な」「未対処の」問題が数多く存在することも指摘しています。
著者らは、多くのモデルが第5期結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP5）において、暖かい雲の反射率（光学的要素）を過大評価する一方で、その寿命（寿命的要素）を過小評価していることを強調しています。
ヨハネス・ミュルメンシュテット博士は、大気科学・地球変動部門に所属する地球科学者で、パシフィック・ノースウエスト国立研究所で、本研究の筆頭著者でもある同氏は、Carbon Briefに対し、2010年代には「気候モデルの雲は、衛星観測が裏付ける量よりもはるかに多くの氷を含んでいる」ことを示す研究が複数発表されたと語っています。これは、CMIP5モデルが雲に含まれる液体の量を過小評価していたことを示すものです。
世界中の気候モデル研究者たちはこれらの論文に注目し、モデルの更新に取り組みました。その後に公表された一連のモデル――第6期結合モデル相互比較プロジェクト――では、多くのモデルにより大きな雲の液体割合が取り入れられていました。
この雲のモデリングの変化は、「平衡気候感度」――CO2濃度の倍増に対して地球が経験する温暖化の量――を、多くのCMIP6モデルで高める波及効果をもたらしました。
ミュルメンシュテット氏は、これはCMIP6から生じた「大きな驚きの一つ」であり、「大部分は」南大洋上空の温帯低層雲のモデリングの変化によるものだと説明しています。マーベル氏も、「CMIP5とCMIP6の気候モデルの間の気候感度の上昇の大部分は、モデルが雲をシミュレーションする方法の変化に由来する」と確認しています。
CMIP6モデルの高い気候感度は、科学界内で広範な注目を集めました。気候感度が高いということは、将来の温暖化が従来考えられていたよりも急速かつ激しくなることを意味するからです。
しかし、CMIP6モデルにおける暖かい雲の表現は、依然として不完全です。本研究で著者らは、雲の降雨プロセスにおける重大な「誤差」――すなわち、CMIP6モデルの暖かい雲が雨を過剰に生成すること――を強調しています。誤差の大きさを示すため、著者らは既存の気候モデルを更新し、より正確な暖かい雨の確率を組み込んだうえで、その結果を元のモデルと比較しました。
研究者らは、「雲寿命フィードバック」――暖かい雲が雨を降らせにくくなる要因となるプロセス――が、既存モデルで示唆されているものより、ほぼ3倍大きい可能性があることを見出しました。これは、CMIP6モデルの暖かい雲が過度に降水し、寿命が短すぎることを意味します。その結果、モデルは気候システムにおける雲の冷却効果を過小評価しています。
ミュルメンシュテット氏は、この雲寿命効果を修正することで、将来の温暖化予測に対して、CMIP5からCMIP6への変化と同程度に大きな影響がありうると強調しています：
「気候モデルの液体の雲は、雨を降らせすぎます。研究したモデルでこの問題を修正すると、CMIP5からCMIP6にかけての温暖化の増加とほぼ同じ分だけ、モデルが予測する温暖化が減少することがわかりました。したがって、主要なメッセージは次のとおりです。モデルで他の既知の雲の問題も修正されるまでは、CMIP6における追加的な温暖化は割り引いて受け止めるべきです。」
タピオ・シュナイダー博士、上級研究科学者としてNASAジェット推進研究所に所属し、本研究には関与していない同氏は、Carbon Briefに対し、本論文は「雲が複雑であり、気候モデルがそれらを不十分にしかシミュレーションできないことを示す、長年の研究の系譜に加わるものだ」と語っています。
暖かい雨
シミュレーションされた降雨プロセスを修正するため、著者らは、CMIP6アンサンブルに含まれる既存の気候モデルに焦点を当てています。以下の地図は、このモデルにおける「暖かい雨の割合」――雲内の非氷相プロセスによって生じる降雨の割合――を示しています。
上の地図は現在の気候における暖かい雨の割合を示しており、赤は割合が高いこと、青は低いことを表します。下の地図は、現在の気候と比較して、4℃温暖化した将来において暖かい雨の割合がどのように変化しうるかを示しており、赤は暖かい雨の割合の増加、青は減少を示します。
現在の気候における暖かい雨の割合（上）と、4℃温暖化した気候における暖かい雨の割合の増加（下）。出典：Mülmenstädt et al (2021)。
地図からは、暖かい降雨プロセスの大半が赤道付近、すなわち気温が最も高い地域で生じており、特に海上で顕著であることがわかります。地球が温暖化するにつれ、暖かい雨の割合の増加は南半球の中緯度で特に顕著になる一方、低緯度の海上では減少すると予想されています。
著者らは、降雨プロセスを補正するために衛星データを用いて、現在の気候において雲からどれだけの雨が降るかを特定しました。次に、気候モデルの暖かい雨のプロセスを修正し、衛星で観測された降雨確率とより正確に一致させています。
以下のグラフは、異なる緯度における暖かい雲からの降雨確率を示しており、衛星データで観測された値（灰色）と、元のモデルを用いてシミュレーションされた値（赤）および更新後のモデル（黄色）を示しています。
このグラフは、更新後のモデルが衛星データと比べて依然として降雨を過大予測しているものの、元のモデルよりも衛星データに近づいていることを示しています。
論文によると、雲のプロセスおよび雲の状態を観測によって制約することは、「信頼性の高い気候予測に向けた必要な一歩」です。ミュルメンシュテット氏はCarbon Briefに対し、この手法は今後、科学者がモデルの精度を高めるために観測をどのように活用するかの指針になりうると語っています：
「私たち分野全体として、現在モデルが雲のプロセスを表現する際に持っている『余地』を減らすために、観測をどう最善に活用すべきかを見極める必要があります。現在の観測は主に雲の状態のスナップショットを与えてくれるにすぎません。しかし、モデルが雲をとらえる方法は、その動態、すなわち雲がどれだけ速く形成され、降雨として落下し、あるいは蒸発するかという観点から行われています。」
同氏はさらに、気候科学者はこの種の研究を行うために適切なデータを確実に入手できるよう配慮する必要があると付け加えています：
「この衛星は、本研究を可能にした唯一無二のもので、2006年以降、設計寿命をはるかに超えても、NASAの驚くべき努力のおかげで稼働を続けています。こうした観測能力を失えば、あるいは観測の間隔が大きくなりすぎれば、私たちの科学研究はいまよりもさらに困難になるでしょう。」
シュナイダー氏はCarbon Briefに対し、本論文は将来の研究に向けて「有効に活用できる」データソースを浮き彫りにしていると語っています。同氏はさらに次のように付け加えています：
「雲量を何が制御しているのかという問いに答えることは、近年の気候モデルに見られる、地球温暖化に対する強い増幅型の雲フィードバックを理解し、あるいは否定するうえで極めて重要です。ここでの結果は、この問いに答えるには、雲が温暖化に伴ってどれだけ容易に降水するかについて、より良い制約が必要であることを示しています。」
アレハンドロ・ボダス＝サルセド博士、英国気象庁に所属し、本研究には関与していない同氏は、本論文は「非常に刺激的」であり、「雲の放射フィードバックにおける降水プロセスの重要性を浮き彫りにしている」と述べています。
ただし同氏は、本研究が単一のモデルのみを検証しているため、「その主要な主張の頑健性は、多モデルの枠組みで検証される必要がある」と指摘し、次の段階としての課題を挙げています。
