自然の海洋周期による変動が地球温暖化に及ぼす役割は、気候科学における長年の論争テーマである。
科学界は、過去半世紀にわたって観測されている気温上昇の原因は人間活動にあるという見解で圧倒的に一致している。しかし、火山噴火、海洋周期、太陽など、気候変動の自然の要因が、長期的な温暖化傾向に重なる高温期と低温期に及ぼす相対的な影響は、依然として活発に研究が進められている分野である。
『Journal of Climate』に掲載された論文では、人為的および自然の気候強制力（大気中のCO2やその他の温室効果ガスの増加、火山、太陽活動、エアロゾル）の組み合わせにより、過去150年間の気温記録における長期的な変化のほぼすべてを説明できることを明らかにした。
年々の気温の上下はエルニーニョ・南方振動（ENSO）現象と関連しているが、ゆっくり作用する海洋周期による変動は、過去の気温記録における長期的な変化を説明するために必要ではないことがわかった。
モデルは観測された温暖化と一致
1915年から1945年までの「初期温暖化期間」は、科学者にとって長年説明の難しい課題であった。先行研究では、この期間に観測された温暖化の約半分は、人為的な温室効果ガス排出、火山噴火、太陽放射の変動など、気候の「外部」要因に起因すると示唆されてきた。残りの半分は、気候システム自体の内部における自然変動という「内部」要因に帰せられている。このため、長期的な海洋周期の存在が示唆されてきた。すなわち、60～70年周期で作用する長期的な海洋周期が世界の気温に影響を及ぼしている可能性があるというものである。この周期は一般的に大西洋数十年規模変動（AMV）指数と関連付けられている。
私たちの研究結果は、この支配的な見解に疑問を投げかけるものである。過去170年間に観測された世界平均気温の変化のほぼすべては外部要因によるものであり、「非強制的」な内部の海洋の寄与が入り込む余地はほとんどないことがわかった。これは、60～70年周期の海洋周期が、1850年以降に観測された世界の気温変化の要因となった可能性は低いことを意味する。代わりに、強い火山活動の時期や、エアロゾル粒子（大気汚染物質）の放出といった外部要因が、気温の変動を引き起こしてきた。
外部要因が世界の気温に及ぼす影響を判定するため、私たちは「二箱インパルス応答モデル」を用いた。このモデルは、強制力の推定値を関連する気温応答へと変換するものである。これにより、さまざまな要因に対する速い気候応答と遅い気候応答の両方を考慮することが可能となり、観測された温暖化の速度を緩衝する海洋の役割も反映される。
下の図は、観測された世界の気温（黒）と、気候強制力を用いたモデル（黄色）、およびENSOの状態を含む気候強制力を用いたモデル（水色）を比較したものである。
観測による世界の地表気温（陸上はCowtan/Wayの陸上気温データ、海上はHadISST2の海面水温データを組み合わせたもの、黒）と、強制力のみのモデル結果（黄色）および強制力とENSOを含むモデル結果（水色）。気温偏差は1850～1879年を基準として示している。この図はHaustein et al 2019の図5に基づく。グラフはCarbonBriefがHighchartsを用いて作成した。
私たちのモデルでは、気温の長期的な変化のほぼすべて（97～98%）は外部強制力によって説明できる。このアプローチでは、人為的なエアロゾルのフィードバックプロセスをより精密に記述している（黒色炭素汚染による温暖化効果と、工業燃焼に由来する硫酸塩粒子による冷却効果）と偏りを除去し、海面水温（SST）記録に生じた第二次世界大戦前後の観測方法の変更に起因するものである。ただし、これら更新された強制力や観測推定値を用いなくても、このアプローチはかなりの部分を世界の気温変動を捉えている。
このモデルは、陸上と海上の双方の気温を効果的に再現している。下の図は、陸上のモデル結果（オレンジ）と陸上の気温観測値（赤）を比較したもので、海面水温についても同様に、観測値（濃い青）とモデル結果（水色）を示している。
観測値とENSOを含む強制力のモデル結果による世界の陸上および海上の地表気温（水色）。気温偏差は1850～1879年を基準としており、海洋の気温は重なりを避けるため-0.3℃ずらして表示している。グラフはCarbonBriefがHighchartsを用いて作成した。
温暖化の各要因の内訳
このモデルでは、気温変化を異なる強制力に帰属させることも可能である。下の図は、人為的強制力（温室効果ガスとエアロゾル）、自然の強制力（火山と太陽）、およびENSOによる短期的な変動を含む、世界の地表気温に寄与するさまざまな要因の内訳を示している。黒い点は観測された気温記録を、灰色の線はあらゆる要因を組み込んだモデルのシミュレーションを示している。
観測値（黒）、全要因（灰色）、温室効果ガス（赤）、エアロゾル（濃い青）、自然の強制力（水色）、ENSOによる短期的な変動（黄色）のモデル結果による世界の地表気温。気温偏差は1850～1879年を基準として示している。グラフはCarbonBriefがHighchartsを用いて作成した。
これらは、以前に公表されたCarbonBriefの図とよく似ている。同誌の記事では、観測された温暖化の約100%が人間によるものだと科学者が考える理由が取り上げられており、その分析で用いられたモデルは、今回の新しい論文で紹介したモデルの旧版だったためである。
古気候変動との比較
1850年から現在までの観測気温との比較に加え、過去の気候強制力の推定値を用いれば、モデルをさらに遠い過去へ、すなわち1500年まで拡張することができる。その結果は、木の年輪、氷床コア、海洋堆積物などの資料から得られる気候「プロキシ」に基づく気温の再構築と比較することができる。
下の図は、モデルを1500年まで遡って拡張した結果（赤）を示しており、古気候の再解析データセット（NTrend2015、太いオレンジの線）および個々のプロキシ記録（オレンジ）と比較している。北半球の古気候気温の再構築は多数利用可能であるため、北半球の気温を示している。
観測値（黒）、全要因のモデル結果（灰色）、およびプロキシに基づく7つの古気候推定値による北半球の地表気温。グラフはCarbonBriefがHighchartsを用いて作成した。
1500年から現在までの期間において、モデルはプロキシデータに存在する数十年規模の変動のほとんどを捉えている。このことは、少なくとも過去500年ほどの間において、モデルに欠けている大きな内部変動の要因はないという確信を高めるものである。
将来の温暖化
気候システムは、エルニーニョおよびラニーニャ現象による短期的な自然変動の影響を引き続き受けているが、過去に海洋が数十年にわたって気候を寒冷期または温暖期へと導いてきた、そして将来もそうする可能性があるという考えは、正しくない可能性が高い。
複雑な全球気候モデルの大半は、海洋が数十年規模の時間スケールで世界の気温を変化させる能力は限定的であるという仮説を強く支持している。本研究は、これらのモデル結果を裏付けるものである。
これは、今後の温暖化は主に、人為的な温室効果ガス排出などの外部強制力要因と、ENSOに伴う変動によって引き起こされると予想できることを意味する。
過去の依然としていくつかの相違点が複雑な気候モデルのシミュレーションと観測値の間には存在する。しかし、これらのモデルでは、1800年代初頭に発生した大規模な火山噴火を含むよう、より早いモデル開始時点を用いるべきだと私たちは提案する。この火山噴火は、1800年代半ばから後半においても依然として世界の気温に影響を及ぼしており、おそらくさらに長く影響が続いている。これにより両者の一致度が高まると考えられる。今後予定されているCMIP6モデリングプロジェクトに含まれる更新された気候強制力も、過去の不一致の一部を解消する助けとなるだろう。
