気候変動によって気象が変化する中、欧州のような大陸が極端な気象に備えるうえで、正確な気候モデルは不可欠です。
新たな、より詳細で正確なモデリングは、各国がレジリエンスを構築し、将来の事象に向けた計画を立てることに役立つ可能性があります。
科学者らは予想しています 気候が温暖化するにつれて、対流性の嵐の頻度と強度が変化すると。そして、こうした変化を理解することは、重要インフラの極端な気象へのレジリエンスを確保するうえで極めて重要です。
しかし、対流性気象の正確な予測には「高解像度」の気候モデル。しかし、気候サービスには、そのような詳細なデータが不足していることが多く、通常は利用可能な粗い気候モデルの出力に基づいて構築されています。
その結果、適応計画（都市の洪水管理、太陽光パネルや作物の雹害、送電網への落雷の影響などに関するもの）は、多くの場合、粗雑な想定に委ねられています。
幸いなことに、「対流許容モデル」（CPM）と呼ばれる新世代の気候モデルは、影響の大きい極端な気象現象の変化を予測する能力において、飛躍的な進歩をもたらしつつあります。
今回、新たに発表された2本の論文、Climate Dynamics誌に掲載された論文では、CPMの活用に関する最近の進歩が、欧州における気候変動リスク評価に利用可能な情報において飛躍的な進歩をもたらしていることを示しています。
高解像度モデル
地球の気候をシミュレーションするため、モデルは地球の表面と上空の大気を巨大なグリッドに分割します。その後、モデルは各グリッドセルについて、気温、湿度、降雨量などの気候変数を計算します。
全球モデルのグリッド間隔は、通常10～100km程度です。モデル作成者は、より小さいグリッドセルによる詳細さの向上と、より高解像度のモデルを実行するために必要な、より大きな計算能力とのバランスを取る必要があります。
「対流許容モデル」（CPM）は、グリッド間隔が5km未満の、地球の気候に関する非常に高解像度のモデルです。CPMは、大気中の小規模なプロセスをよりよく表現します。その名が示すとおり、これには、多くの被害をもたらす極端な気象現象の主要なプロセスである対流も含まれます。（対流とCPMについては、Lizzie Kendon博士による以前のCarbon Briefへの寄稿記事をご覧ください。）
以下の地図は、この詳細さの向上を示しています。左側は、典型的な地域気候モデルを表す12kmグリッドボックスがカバーするロンドン地域を示し、右側はCPMで使用される2.2kmグリッドボックスと比較しています。
CPMは天気予報で広く使用されていますが、スーパーコンピューティング能力の向上により、長期的な気候予測にもますます手頃になってきており、例えば UK climate projections（UKCP）とEuropean Climate Prediction system（EUCP）プロジェクトなどがあります。
UKCPとEUCPは、それぞれ英国と欧州を対象に、今後数十年間にわたる高解像度の気候シミュレーションを提供しており、リスクに基づく計画に活用できます。
例えば、主に亜日単位の時間スケールにおける激しい降雨によって引き起こされる鉄砲水は、より頻繁に発生する可能性が高く、欧州全域で今後、都市は特に脆弱性が高く、都市型洪水のリスクと被害にさらされる人の数が 増加すると予想されています。
CPMは、短時間降水の極端現象の将来の変化について、初めて頑健な予測を提供します。当研究チームの研究では、夏季の毎時降雨量が従来考えられていたよりも強まっており、明らかになっており、主要な洪水警報基準を超える頻度に大きな変化が生じています。
CPMはまた、従来の気候モデルは過小評価する可能性がある冬季の平均降雨量の変化について（冬季は対流性のにわか雨が主要な寄与要因です）。
CPMは、より詳細なプロセス表現により、激しい対流性の嵐の主要な物理プロセスを忠実に再現することに成功しています。これには、嵐の内部の気流（上昇気流と下降気流として知られる）の解像や、雹、軟雹（「graupel」）、および雷のより良い表現が含まれます。
氷に関連するプロセスの正確なシミュレーションは、嵐の内部の電荷を正しくシミュレートするうえで重要です。例えば、最近の研究は、これらのプロセスを含めることで、将来の雷の変化予測が、以前の研究で得られたものと逆符号になり得ることを示唆しています。
CPMは、風の極端現象の将来の変化、および「スティングジェット」に関する新たな情報も提供しています。スティングジェットとは、一部の低気圧に見られる非常に強い風速の中心部であり、適切に表現するには高解像度モデルが必要です。これらは最も被害の大きい地表風突風、例えば英国の1987年の大嵐。
CPM予測に関する不確実性の理解
これまでにCPM予測から得られた知見の多くは、特定地域について1つのCPMによるシミュレーションに基づいています。しかし、同一地域について、それぞれ異なる気候モデリングセンターが開発した複数の異なるCPMを実行することで、結果の頑健性を検証し、将来の高影響気象の不確実性についてより深く理解することができます。
欧州を対象とした新たなマルチモデルCPM予測のセットにより、初めてこの不確実性を評価することが可能になり、リスク評価に用いる新世代の気候予測の一端が示されています。
これらの新たな予測は、2つのプロジェクトによる共同の取り組みの成果です。すなわち、先述のEUCPと、CORDEX-FPSCONVであり、「欧州および地中海地域における対流現象に関するフラッグシップ・パイロット研究」で、「地域気候ダウンスケーリング共同実験」の一部です。
22の異なる気候モデリンググループによる共同チームは、アルプス地域の単一の共通地域について、さまざまなCPMモデルを実行しました。この地域には地中海の一部や、短時間の極端な降水の影響を受けることの多い隣接する陸域の一部も含まれています。これらの極端現象は、壊滅的な洪水を引き起こす可能性があり、特にこの地域に典型的な小規模で急峻な河川流域で発生する場合に顕著です。
この地域は非常に複雑な地形を特徴としており、ほぼ閉じた海と、都市化された海岸線および複雑な山岳系が含まれます。そのため、粗い空間スケールの気候モデルで表現することは特に困難であり、CPMにとって適したテストケースです。
アルプス地域の事例研究
本研究の第1部では、現在の気候をアルプス地域においてマルチモデルCPMがどの程度現実的に表現しているかを評価しました。
先行研究個々のモデルを用いた研究によって、CPMが降水の表現において、特にその発生時期と極端現象の強度の点で顕著な改善をもたらすことが既に示されています。
当マルチモデル研究では、これらの改善の多くが異なるCPM間で一貫していることを確認し、結果に対する確信が得られました。特に、CPMは降水の発生と、影響の大きい極端現象の強度をより一貫して良く表現しており、粗い解像度のモデルが抱えていた長年の問題に対処しています。
以下の地図は、3kmスケールのCPMが、従来の（12km）世代のモデルよりもはるかに優れて、夏季の大雨の強度を明確に捉えていることを示しています。
アルプス地域では、対流は一般に午後遅くに降水をもたらし、降水のこの日内での発生時刻も、一貫してより良く捉えられています。
第2部では、非常に高い排出シナリオRCP8.5の下で、世紀末までの12回のシミュレーションによる降雨量の変化を分析しています。これにより、夏と秋の強いにわか雨の強度の将来の増加は、CPMを用いた場合に増幅されることが一貫して示されています。
さらに、モデル間での結果のばらつきを見ると、同等のより粗いモデルと比較して、より高い確実性が認められます。結果のばらつきが小さくなったことと、モデルが小規模プロセスをより正確に表現しているという確信が高まったことにより、CPMが将来の降雨予測の不確実性を低減する可能性があるという期待が持てます。
EUCPでは、現在、新たなマルチモデルCPM予測を用いて、いくつかの主要な影響分野においてより良い気候変動情報を提供し始めています。
欧州アルプスでは、破壊的な鉄砲水は主に局所的な激しい短時間の暴風雨によって引き起こされます。CPMによる高い空間・時間解像度の出力と、キロメートル解像度の水文モデルを組み合わせることで、そのような事象の将来の変化を評価し始めることができます。
アルプスの河川流域を対象とした初期の結果（当初は単一のCPMのデータを使用）では、高排出シナリオにおいては、現在と比較して、このような鉄砲水の頻度と規模が増加すると示唆されています。アンサンブルCPM予測により、この結果の頑健性を検証できるようになり、鉄砲水の将来の変化に関する不確実性の初期推定値を提示することも可能になりました。
今後の展開
EUCPを通じて、CPM予測の小規模なマルチモデル・アンサンブルが、まもなく欧州本土の大部分で利用可能になる予定です。これにより、欧州の他の地域における将来の気象極端現象、その影響、および不確実性を探求する新たな機会が生まれます。
英国の場合は、これを補完するものとして「UK Climate Projections」があり、これには、12回のモデル実行の集合、解像度2.2kmで、単一のCPMから得られたものであり、Met Office Hadley Centreの全球気候モデルの異なるバージョンによって駆動されています。
EUCPのマルチモデル予測は、高影響気象現象の将来の変化に関する不確実性を理解するうえで、前例のない規模の豊富な情報を提供します。
鉄砲水は、CPMからの新たな情報が極めて有用となる、いくつかの影響分野の一つにすぎません。土壌の表面と土壌水分をより詳細に表現することにより、干ばつや熱波に関するさらなる新たな知見も期待できます。その他の重要な分野には、電力の生産（再生可能エネルギーの風力など）と送電（電力インフラに対する雹や落雷の影響を含む）における気候変動の影響、ならびに都市の熱と人の健康が含まれます。
しかし、新たな情報は、いくつかの新たな科学的課題を提示しています。CPMは依然として、欧州のすべての地域について不確実性を十分に表現できるほど大きなアンサンブルを実行するには、あまりにも多くの計算能力を必要とします。
欧州のほとんどの地域では、アンサンブルの規模はアルプスほど大きくすることはできず、限られた数のCPMシミュレーションから利用可能なデータを十分に活用し、より大規模なより粗い解像度の気候モデルのアンサンブルからの情報と統合するために、新たな開発が必要となります。
幸いなことに、一部のモデリンググループは、機械学習などの統計的手法とCPMモデリングを組み合わせ、予測の不確実性のより完全な全体像を提供するハイブリッド手法の検討をすでに進めています。
