気候モデルは、地球の気候システムを理解するうえで最も重要な道具のひとつです。根本的には、大気・海洋・陸面・氷のあいだでエネルギーがどのように移動するかを再現する数理モデルです。少し抽象的に聞こえるかもしれませんが、基本的な発想は意外と直感的です。地球の中を熱とエネルギーがどう流れているかを表現できれば、過去の気候、現在の気候の仕組み、そして将来の変化を調べることができる、という考え方です。
これらのモデルは、ひとつの時間スケールや目的だけのためにあるわけではありません。天気や気候のダイナミクスを調べる研究に役立つだけでなく、将来の気候条件を予測するためにも使われます。言い換えれば、気候モデルは「明日の天気予報」だけのためのものではありません。気候そのものを特徴づける、より長期的なパターンや変動性を調べるために設計されています。
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気候は天気よりも大きな概念
気候モデルを理解するには、まず「気候」とは何かを押さえておくと役に立ちます。気候とは、ある地域における長期的な天気の傾向で、一般的には30年程度の平均で表されます。より厳密には、数か月から数千年、さらには数百万年という時間スケールにわたる気象要素の平均値とその変動を含みます。
これらの要素には、気温、降水量、風、湿度、気圧などがよく含まれます。より広い意味では、気候は大気圏、水圏、氷圏、岩石圏、生物圏といった「気候システム」全体の状態と、それらの相互作用も含みます。
ここで挙がった用語のいくつかを整理しておきましょう。
モデルが表現しようとする気候システム
大気圏は、地球を取り巻く気体の層です。水圏は、海洋やその他の水域を含む地球上の水の総体を指します。氷圏は、氷や雪といった地球の凍った部分です。岩石圏は、陸地を含む地球の固体の外層を指します。生物圏には、生きているすべての生物が含まれます。
気候モデルは、地球のこれら相互につながった部分の間の相互作用を再現しようとします。これは重要です。なぜなら、気候は単一の要因だけで決まるわけではないからです。緯度・経度、地形や標高、土地利用、周辺の水域やその海流など、多くの要因に左右されます。海洋の循環は熱を再分配し、植生はどれだけの太陽エネルギーが吸収されるかに影響し、温室効果ガスは地球がどれだけエネルギーを保持するかを左右します。
気候モデルは、こうした連鎖したプロセスを定量的に捉えようとする試みなのです。
中心となる考え方：地球のエネルギーバランス
気候モデリングの中心にあるのは、エネルギーバランス（エネルギー収支）の考え方です。気候モデルは、太陽から入ってくるエネルギーと、地球から宇宙空間へ出ていくエネルギーがつり合うよう、あるいはほぼつり合うように計算されています。
入ってくるエネルギーは、可視光を含む短波の電磁放射として表されます。出ていくエネルギーは、地球が放射する赤外線、すなわち長波の電磁放射です。
この2つの流れがつり合っていれば、地球の平均気温は比較的安定します。どちらかに偏りがあると、平均気温は変化します。このためエネルギーバランスは気候科学の核心的な概念なのです。入射エネルギーと放射エネルギーの差がわずかでも長く続けば、気候は変化し得ます。
科学者たちは、地球のエネルギー不均衡（Earth’s Energy Imbalance, EEI）を、地球規模の変化の状態を示す基本的な指標として位置づけています。平たく言えば、地球が失うエネルギーよりも多くのエネルギーを得ているのか、その逆なのかを測るものです。
気候モデルはどう作られるか
気候モデルは、定量的な手法と一連の物理方程式を用いて、放射エネルギーの伝達や大気・海洋・陸面・氷の相互作用をシミュレートします。気候をあいまいな「パターン」としてではなく、計算可能なシステムとして扱うわけです。
モデルの中には比較的単純なものもあります。たとえば、単純な放射伝達モデルでは、地球を1点として扱い、放射されるエネルギーの平均をとることができます。そこから、放射対流モデルのように鉛直方向に詳細化したり、水平方向に拡張したりすることができます。
最も複雑なモデルはさらに先へ進みます。大気・海洋・海氷を結合させた全球気候モデルでは、地球を多数の格子に分割し、質量移動、エネルギー移動、放射のやり取りに関する方程式をフルに解きます。ここでいう「結合（coupled）」が重要です。大気や海洋、氷を切り離された要素としてではなく、相互作用するシステムとして扱うという意味です。
この相互作用が不可欠なのは、気候がこれらの構成要素間の絶え間ないやり取りに依存しているからです。海洋は熱を蓄え、運び、氷はどれだけの太陽光が反射されるかを変え、陸面は気温や水分量に影響を及ぼします。
解像度：地球全体から地域の細部まで
すべての気候モデルが同じスケールで動作しているわけではありません。気候モデルにはさまざまな解像度があり、おおよそ100キロメートル以上から1キロメートル程度まで幅があります。解像度とは、モデルがどれだけ細かい空間スケールを表現できるかを示すものです。
解像度の低い全球モデルは地球全体を扱いますが、一つひとつの格子が大きくなります。そのため、地球規模のパターンを研究するには有用ですが、局所的な影響の表現は粗くなります。解像度の高いモデルは地域の特徴をより詳しく表現できますが、そのぶん膨大な計算資源が必要になります。
非常に高解像度の全球気候モデルは計算負荷が極めて大きいため、そのレベルの全球データセットはごく限られています。この全球スケールと地域スケールのギャップを埋めるために用いられるのが「ダウンスケーリング」です。
ダウンスケーリングとは、より粗い全球気候モデルの情報をもとに、より細かな地域情報へと補正・変換することを指します。全球気候モデルは、力学的ダウンスケーリングまたは統計的ダウンスケーリングによって地域気候モデルへと落とし込むことができます。これは、地球全体ではなく、特定の地域が気候変動の影響をどう受けるかを分析する際に特に役立ちます。
温室効果ガスがモデルで重視される理由
近年、気候モデルが最も注目されている使われ方は、大気中の温室効果ガス、とりわけ二酸化炭素が増加した場合の影響を推定することです。
温室効果ガスは、地球に保持される太陽エネルギーの量に影響を及ぼします。大気中の温室効果ガス、特に二酸化炭素やメタンの量が変化すると、気候システムにとどまるエネルギー量が変わり、その結果として地球規模の温暖化や寒冷化が起こり得ます。
モデルの中で温室効果ガス濃度の上昇をシミュレートすると、地球平均地表気温の上昇傾向が予測されます。特に、北半球の高緯度地域で最も急激な気温上昇が見込まれています。
モデルのこうした使い方が重要なのは、気候変動が数十年から数百万年まで、さまざまな時間スケールで進行し得るからです。気候は地球内部のプロセスや太陽放射の強さの変化、人間活動など、外部要因によっても変化しますが、最近の温暖化は温室効果ガス排出に結びついた「地球温暖化」として議論されています。
過去・現在・未来をつなぐモデル
気候モデルは将来予測だけのものではありません。時間を通じて気候を理解しようとする、より大きな取り組みの一部でもあります。
過去の気候を研究する分野は古気候学（パレオ気候学）と呼ばれます。19世紀以前には直接観測がほとんどなかったため、それ以前の気候は「代理指標」と呼ばれるデータから推定されます。湖底の堆積物や氷床コアといった非生物的な証拠、年輪やサンゴといった生物由来の証拠などがこれに含まれます。
一方、近代の気候記録は、温度計、気圧計、風速計などの観測機器による直接測定に基づいています。1960年代以降は、衛星観測により、北極域や外洋のような遠隔地も含めた地球全体の記録が得られるようになりました。
気候モデルは、こうした多様な証拠を理解する手助けをしてくれます。異なる条件下で気候がどのように振る舞ってきたのか、また気候システムのさまざまな部分がどう相互作用しているのかを調べるための枠組みを提供するのです。
気候の変動性と気候変動
気候モデルが重要であるもう一つの理由は、気候が固定されたものではないからです。気候の変動性とは、個々の天気事象を超えた空間的・時間的スケールで、気候の平均状態やその他の特徴が変動することを指します。
変動性の中には、ランダムに見える「ノイズ」としての変動もあれば、周期的に現れる気候パターンや変動モードとしての変動もあります。また、気候振動と天文学的要因との相関、大気海洋システム内での熱の分配モードなども知られています。
一方で「気候変動」とは、時間の経過とともに現れる地球規模または地域規模の気候の変化を指します。これは、数十年から数百万年の期間にわたる、大気の平均状態や変動性の変化として定義されます。近年、とくに環境政策の文脈では、この用語はしばしば現代の気候の変化、すなわち地表面の平均気温上昇として知られる地球温暖化を含む変化を意味するものとして使われます。
気候モデルは、こうした背景となる自然の変動性と、より長期的な気候システムの変化とを見分けるうえで役立ちます。
これらのモデルが重要な理由
気候は多くの相互作用する要因に左右され、その相互作用は非常に複雑です。しかし、その大枠は数学的に表現できるほどには理解が進んでいます。これこそが、気候モデルの強みです。
気候モデルは、気候システムがどのように働くかについての仮説を検証するための道具です。大気・海洋・陸面・氷を通じたエネルギーの流れをシミュレートし、エネルギーバランスがなぜ重要なのかを示し、ダウンスケーリングによって全球パターンを地域の詳細へと翻訳します。そして、増加する温室効果ガスの影響を理解するうえで不可欠な存在です。
つまり気候モデルとは、物理法則に基づく方程式と観測データから作られた「地球シミュレーター」であり、地球上で最も複雑なシステムのひとつである気候を理解するために設計されたツールなのです。
