気候感度を決定する要因の図。CO2レベルの上昇後、初期の温暖化が発生します。この温暖化は、気候フィードバックの正味の影響によって増幅されます

気候感度は気候科学における重要な指標であり、大気中の二酸化炭素（CO₂ ）濃度が2倍になった場合に地球の表面がどれだけ温暖化するかを表します。[1] [2]正式な定義は、「大気中の二酸化炭素（ CO₂）濃度またはその他の放射強制力の変化に対する地表温度の変化」です。 [3]この概念は、科学者が気候変動の影響の範囲と規模を理解するのに役立ちます。  

地球の表面は、大気中のCO₂の増加、および亜酸化窒素やメタンなどの他の温室効果ガスの濃度の増加の直接的な結果として温暖化します。気温の上昇は、気候システムに二次的な影響を及ぼします。これらの二次的な影響は気候フィードバックと呼ばれます。自己強化的なフィードバックには、例えば、太陽光を反射する氷の融解や蒸発散量の増加が含まれます。後者の影響は、 それ自体が温室効果ガスである平均大気水蒸気量を増加させます

科学者たちは、これらの気候フィードバックがどれほど強力であるかを正確には把握していません。そのため、温室効果ガス濃度の一定の増加によってどの程度の温暖化が起こるかを正確に予測することは困難です。気候感度が科学的推定よりも高い値になった場合、地球温暖化を2℃（3.6℉）未満に抑えるというパリ協定の目標達成はさらに困難になるでしょう。 [4]

気候感度には主に2種類あります。過渡的気候応答は、 CO2レベルが2倍になったときの地球温度の最初の上昇であり、平衡気候感度は、地球が2倍に適応した後の長期的な気温上昇のことです。気候感度は、1750年代頃に始まった産業革命以降の気温と温室効果ガス濃度を直接調べる方法、地球の遠い過去からの間接的な測定値を使用する方法、気候をシミュレーションする方法など、いくつかの方法で推定されます。

基礎

地球に到達するエネルギー（太陽光として）と地球から放出されるエネルギー（宇宙への熱放射として）の速度は均衡していなければなりません。そうでなければ、地球は温暖化または寒冷化します。入射する放射エネルギーと放射される放射エネルギーの不均衡は放射強制力と呼ばれます。より温暖な惑星は宇宙への熱放射が速いため、最終的には温度と蓄積エネルギー量が増加した新しいバランスに達します。しかし、地球の温暖化は連鎖反応も引き起こし、フィードバックループを悪化させ、さらなる温暖化を引き起こします。気候感度は、与えられた量の放射強制力がどれだけの気温変化を引き起こすかを示す尺度です。[5]

放射強制力

放射強制力は一般的にワット/平方メートル（W/m² ）として定量化され、大気圏上端と定義される地球の最上面全体で平均化されます。[6] 強制力の大きさは物理的要因に固有であり、その適用において関心のある付随する時間範囲に対して相対的に定義されます。 [7] 1750年から2020年までの長期気候感度への寄与という文脈では、大気中のCOの50%増加は
2約+2.1 W/ m²の強制力によって特徴付けられます。[8] 地球のエネルギー不均衡（すなわち、加熱/冷却率）への短期的な寄与という文脈では、関心のある時間間隔は測定またはシミュレーションデータのサンプリング間隔と同じくらい短い場合があり、したがって、より小さな強制力の値が伴う可能性があります。このような調査からの強制力は、10年単位の時間スケールでも分析され、報告されています。[9] [10]

放射強制力は、地球気温の長期的な変化につながります。[11]放射強制力には、温室効果による下降放射の増加、惑星軌道の変化による太陽放射の変動、太陽放射照度の変化、エアロゾルによる直接的および間接的な影響（例えば、雲量によるアルベドの変化）、土地利用の変化（森林伐採や反射氷の減少）など、多くの要因が寄与しています。[6]現代の研究では、温室効果ガスによる放射強制力は十分に理解されています。2019年現在、エアロゾルについては大きな不確実性が残っています。[12] [13]

主要な数値

二酸化炭素（CO₂ ）濃度は、産業革命期に人類が石炭などの化石燃料を大量に燃やし始めた18世紀の280ppmから、2020年には415ppm以上に上昇しました。CO₂は温室効果ガスであるため、地球の大気圏から熱エネルギーが放出されるのを妨げます。2016年には、大気中のCO₂濃度は産業革命以前のレベルから45%増加し、CO₂の増加による放射強制力は、非線形効果により、産業革命以前のレベルからすでに50%以上高くなっていました。[14] [注1] 18世紀の産業革命の始まりから2020年の間に、地球の気温は摂氏1度強（華氏約2度）上昇しました。[15]

社会的​​重要性

気候変動緩和の経済性は、カーボンニュートラルをどれだけ早く達成する必要があるかに大きく依存するため、気候感度の推定は、経済と政策立案に重要な意味を持つ可能性がある。ある研究では、過渡的気候応答（TCR）の値の不確実性を半分にすることで、数兆ドルを節約できる可能性があることが示唆されている。 [16 ]気候感度が高くなれば気温の上昇がより劇的になるため、重大な気候対策を講じることがより慎重になる。[17]気候感度が科学者の推定よりも高いことが判明した場合、地球温暖化を 2 °C より十分に低く抑えるというパリ協定の目標は達成できず、気温上昇は少なくとも一時的にその制限を超えることになる。ある研究では、平衡気候感度（長期的な尺度）が 3.4 °C（6.1 °F）より高い場合、排出量を 2 °C の目標を達成するのに十分な速さで削減することはできないと推定されている。[4] [18] [19]

感度を決定する要因

大気中のCO₂濃度が（産業革命以前の280ppmから）倍増した場合の放射強制力は、約3.7ワット/平方メートル（W/m² ）です。フィードバックがない場合、エネルギーの不均衡は最終的に約1℃（1.8°F）の地球温暖化をもたらします。この数値は、シュテファン・ボルツマンの法則[注2] [20]を用いて簡単に計算でき、議論の余地はありません。[21]

さらなる寄与は、自己強化型と平衡型の両方の気候フィードバックから生じます。[22] [23]気候感度の推定における不確実性は、主に気候システム内のフィードバックによるもので、水蒸気フィードバック、氷-アルベドフィードバック、雲フィードバック、減率フィードバックが含まれます。[21] 平衡型フィードバックは、より温暖な惑星から宇宙へのエネルギー放射率を増加させることで、温暖化を相殺する傾向があります。自己強化型フィードバックは温暖化を増加させます。例えば、気温の上昇は氷を溶かし、氷の面積と氷が反射する太陽光の量を減らし、結果として宇宙に放射される熱エネルギーが減少します。地表の反射率はアルベドと呼ばれます。気候感度はこれらのフィードバック間のバランスに依存します。[20]

種類

気候感度のさまざまな指標がどのように相互に関連しているかについての模式図

時間スケールに応じて、気候感度を定義する主な方法は2つあります。短期過渡気候応答（TCR）と長期平衡気候感度（ECS）です。どちらもフィードバックループの悪化による温暖化を組み込んでいます。これらは個別のカテゴリーではありませんが、重複しています。大気中のCO2増加に対する感度は、大気中のCO2濃度が2倍になった場合の気温変化量で測定されます。[24] [25]

「気候感度」という用語は通常、大気中のCO2濃度の上昇によって引き起こされる放射強制力に対する感度を表すために使用されますが、これは気候システムの一般的な特性です。他の要因も放射不均衡を引き起こす可能性があります。気候感度は、放射強制力の単位変化あたりの地表気温の変化であり、したがって、気候感度パラメータ[注3]は°C/(W/ m² )の単位で表されます。気候感度は、放射強制力の理由（温室効果ガスや太陽変動など）が何であれ、ほぼ同じです。[26]気候感度が、産業革命以前のレベルの2倍の大気中のCO2レベルに対する気温変化として表される場合、その単位は摂氏（°C）です。

過渡的な気候応答

過渡的気候応答（TCR）は、「気候モデルシミュレーションにおいて、大気中の二酸化炭素濃度が年間1%増加する場合の、大気中の二酸化炭素倍増時を中心とした20年間の平均地球平均地表温度の変化」と定義されます。 [ 27]この推定値は、より短期的なシミュレーションを用いて生成されます。[28]過渡的応答は平衡気候感度よりも低くなります。これは、気温上昇を悪化させる遅いフィードバックが、大気中の二酸化炭素濃度の増加に完全に反応するのに時間がかかるためです。例えば、深海は摂動の後、新しい定常状態に達するまでに何世紀もかかります。その間、深海はヒートシンクとして機能し続け、上層海を冷却します。[29] IPCCの文献評価では、TCRはおそらく1℃（1.8℉）から2.5℃（4.5℉）の間であると推定されています。[30]

関連する指標として、累積炭素排出量に対する過渡的気候応答（TCRE）があります。これは、1000GtCのCO2が排出された後の地球全体の平均地表気温の変化です。 [ 31]そのため、これは強制力に対する気温フィードバックだけでなく、炭素循環と炭素循環フィードバックも含みます。[32]

平衡気候感度

平衡気候感度（ECS）とは、大気中のCO₂濃度（ΔT 2× ）が倍増した場合に予想される長期的な気温上昇（平衡全球平均地表気温）です。これは、 CO₂濃度の増加が止まり、ほとんどのフィードバックが十分な効果を発揮した後の新しい全球平均地表気温の予測です。CO₂が倍増してから平衡気温に達するまでには、数世紀、あるいは数千年かかる場合があります。ECSは海洋の短期的な緩衝効果のため、TCRよりも高くなります。[25] ECSの推定にはコンピュータモデルが使用されます。[33]包括的な推定とは、モデル内で重要なフィードバックが地球全体の気温を変化させ続ける期間全体、例えば完全に平衡化する海水温などをモデル化するには、数千年をカバーするコンピュータモデルを実行する必要があることを意味します。ただし、それほど計算負荷の高くない方法もあります。[34]

IPCC第6次評価報告書（AR6）では、ECSは2.5℃から4℃の範囲内にあり、最良の推定値は3℃であるという高い確信度があると述べられています。[35]

ECSは長い時間スケールを伴うため、気候変動に関する政策決定においてはあまり適切な指標とは言えません。[36]

実効気候感度

ECSの一般的な近似値は実効平衡気候感度であり、これはモデルまたは現実世界の観測における、まだ平衡状態に達していない気候システムのデータを用いて平衡気候感度を推定するものです。[27]推定では、一定期間の温暖化後に測定されたフィードバックの正味の増幅効果は、その後も一定のままであると仮定しています。[37]フィードバックは時間とともに変化する可能性があるため、必ずしもそうではありません。[38] [27]多くの気候モデルでは、フィードバックは時間の経過とともに強くなるため、実効気候感度は実際のECSよりも低くなります。[39]

地球システム感度

定義により、平衡気候感度には、氷床や植生の変化による地球のアルベドの長期的な変化など、出現するまでに数千年かかるフィードバックは含まれません。また、深海の温暖化のゆっくりとした応答（数千年かかる）も含まれません。[40]地球システム感度（ESS）には、最終氷期極大期に北半球の大部分を覆い、現在もグリーンランドと南極大陸を覆っている大規模な大陸氷床の融解による地球のアルベドの変化など、これらのより遅いフィードバックループの影響が組み込まれています。植生の変化の結果としてのアルベドの変化や、海洋循環の変化も含まれます。[41] [42]より長期的なフィードバックループにより、ESSはECSよりも大きくなり、場合によっては2倍の大きさになります。地球の地質学的な歴史に関するデータがESSの推定に使用されます。現代と昔の気候条件の違いにより、将来のESSの推定は非常に不確実です。[43]炭素循環はESSの定義には含まれていませんが、気候システムの他のすべての要素が含まれています。[44]

強制力の性質に対する感度

温室効果ガスやエアロゾルなどの異なる強制力因子は、放射強制力、つまり地球全体で平均化された初期の放射不均衡を使用して比較できます。気候感度は、放射強制力あたりの温暖化の量です。最初の近似として、放射不均衡の原因は重要ではありません。ただし、CO2以外の発生源からの放射強制力は、同じ平均CO2からの強制力よりもわずかに多くまたは少なく地表温暖化を引き起こす可能性があります。フィードバックの量は主に、強制力が地球全体に均一に分布していないために変化します北半球、陸地、または極地を最初に温暖化する強制力は、地球全体に均一に分布するCO2からの同等の強制力よりも、自己強化的なフィードバック（氷アルベドフィードバックなど）をより多く生成します。これにより、全体的な温暖化が促進されます。いくつかの研究によると、地球の気温変化には、人為的に排出されるエアロゾルがCO2よりも影響が大きく、火山による強制力は影響が小さいことが示されています。[45] CO2強制力に対する気候感度を、過去の気温と強制力（エアロゾルと温室効果ガスの混合によるもの）を用いて推定し、その影響を考慮に入れない場合、気候感度は過小評価されます。[46]

状態依存性

スノーボールアースの想像図

気候感度は、二酸化炭素の倍増によって生じる短期または長期の気温変化として定義されていますが、地球の気候システムの感度は一定ではないという証拠があります。例えば、地球には極地の氷と高高度の氷河があります。世界の氷が完全に溶けるまで、自己強化的な氷とアルベドのフィードバックループにより、システム全体の感度は高まります。[47]地球の歴史を通して、複数の期間において、ほぼ地球全体が雪と氷に覆われていたと考えられています。「スノーボール・アース」のほとんどのモデルでは、熱帯地方の一部は少なくとも断続的に氷に覆われていませんでした。氷が前進または後退するにつれて、氷の面積の大きな変化が非常に強い氷とアルベドのフィードバックをもたらしたため、気候感度は非常に高かったに違いありません。火山による大気組成の変化は、スノーボール状態から脱出するために必要な放射強制力をもたらしたと考えられています。[48]

平衡気候感度は気候によって変化する可能性があります

第四紀（最近の258万年間）を通して、気候は氷河期（最新のものは最終氷期極大期）と間氷期（最新のものは現在の完新世）の間を変動してきましたが、この期間の気候感度を特定することは困難です。約5550万年前の暁新世-始新世温暖極大期は異常に暖かく、平均以上の気候感度を特徴としていた可能性があります。[48]

転換点を超えると、気候感度はさらに変化する可能性があります。転換点が気候感度の短期的な変化を引き起こす可能性は低いです。転換点を超えると、気候感度は、その転換点に達するサブシステムの時間スケールで変化すると予想されます。特に、相互作用する複数の転換点がある場合、気候の新しい状態への移行を逆転させることは困難かもしれません。[49]

気候感度の最も一般的な2つの定義は、気候状態を規定するものです。ECSとTCRは、産業革命以前のCO2レベルに対する2倍増加に対して定義されています。気候感度の潜在的な変化により、気候システムは、CO2が2倍になった後と1倍になった後では、温暖化の程度が異なる場合があります。追加のCO2が大気中に放出されてから1世紀後までは、気候感度の変化の影響は小さいか無視できると予想されます。 [47]

推定

産業革命時代（1750年～現在）のデータを使用

気候感度は、観測された気温上昇、観測された海洋熱吸収、そしてモデル化または観測された放射強制力を用いて推定できる。これらのデータは、単純なエネルギーバランスモデルを介してリンクされ、気候感度が算出される。 [50]放射強制力は、それを測定する地球観測衛星が産業革命の一部（1950年代後半以降）にしか存在しなかったため、モデル化されることが多い。これらの地球規模のエネルギー制約を用いて計算された気候感度の推定値は、他の方法を用いて計算された値よりも一貫して低く、約2℃（3.6°F）以下である。[ 50] [52] [53] [54]

モデルと観測データから計算された過渡的気候応答（TCR）の推定値は、地球全体よりも急速に温暖化する極地では気温測定が少ないことを考慮すると、整合させることができます。測定値が利用可能な地域のみをモデルの評価に使用すれば、TCR推定値の差はごくわずかです。[25] [55]

非常に単純な気候モデルでは、産業革命時代のデータ[21]から気候感度を推定できます。気候システムが平衡状態に達するのを待ち、その結果生じる温暖化ΔT eq (°C)を測定することで推定できます。放射強制力ΔF (W/m 2 )と測定された気温上昇を用いて、平衡気候感度S (°C)を計算することが可能になります。CO 2の2倍化によって生じる放射強制力F 2 ×CO 2は約3.7 W/m 2と比較的よく知られています。これらの情報を組み合わせると、次の式が得られ ます

。

しかし、実際の温暖化は平衡温暖化よりも遅れており、気候システムは平衡状態にありません。これは主に、海洋が熱を吸収し、平衡に達するまでに数世紀または数千年かかるためです。[21]産業革命時代のデータから気候感度を推定するには、上記の式を調整する必要があります。大気が感じる実際の強制力は、放射強制力から海洋の熱吸収H（W/m² ）を差し引いたものであり、したがって気候感度は次のように推定できます

産業革命期の始まり（1750年とされる）から2011年までの世界平均気温の上昇は約0.85℃（1.53℉）であった。2011年には、18世紀以降に排出されたCO2やその他の長寿命温室効果ガス（主にメタン、亜酸化窒素、クロロフルオロカーボン）による放射強制力はおよそ2.8W / m2であった。気候強制力ΔFには、太陽活動（+0.05W/m2）、エアロゾル（-0.9W/m2）、オゾン（+0.35W/m2）、およびその他のより小さな影響も含まれており、 2014年のIPCC第5次評価報告書の最良の推定によると、産業革命期における総強制力は2.2W/m2となるが、かなりの不確実性がある。[56]同じ報告書で0.42 W/m 2と推定されている吸収量[57]は、 Sの値を1.8℃（3.2℉）とします。

その他の戦略

理論的には、産業革命時代の気温は、気候システムの温度応答の時間スケール、ひいては気候感度を決定するためにも使用できます。[58]気候システムの有効熱容量が既知であり、測定された温度の自己相関を用いて時間スケールを推定すれば、気候感度の推定値を導き出すことができます。しかし、実際には、時間スケールと熱容量を同時に決定することは困難です。[59] [60] [61]

11年周期の太陽活動周期を用いて、過渡的な気候応答を制約する試みがなされてきました。[62] 太陽放射照度は、太陽活動極大期には太陽活動極小期よりも約0.9 W/m²高く、これらの影響は1959年から2004年までの測定された平均気温で観測されています。[63]残念ながら、この期間の太陽活動極小期は、地球の気温を冷却する効果を持つ火山噴火と一致していました。噴火は、太陽放射照度の減少よりも大きく、定量化が不十分な放射強制力の減少を引き起こしたため、観測された気温変動から有用な定量的な結論を導き出せるかどうかは疑問です。[64]

火山噴火の観測は気候感度の推定にも利用されてきましたが、1回の噴火によるエアロゾルは大気中に最大で2年しか存在しないため、気候システムは平衡状態に近づくことはなく、エアロゾルが大気中に長く留まった場合よりも冷却効果は少なくなります。したがって、火山噴火は過渡的な気候感度の下限に関する情報しか提供しません。[65]

地球の過去のデータの使用

地球の過去の気温と二酸化炭素濃度の再構築を用いることで、歴史的気候感度を推定することができます。古気候学者は、温暖な鮮新世（530万年前から260万年前）や寒冷な更新世（260万年前から1万1700年前）など、さまざまな地質時代を研究し[66]、現在の気候変動と何らかの形で類似している、あるいは現在の気候変動について有益な情報となる時代を探してきました。地球の歴史の中でさらに古い時代の気候は、利用可能なデータが少ないため、研究がより困難です。例えば、過去の二酸化炭素濃度は氷床コアに閉じ込められた空気から導き出すことができますが、2020年現在、最も古い連続氷床コアの年代は100万年未満です[67] 。最終氷期極大期（LGM）（約2万1000年前）や中期完新世（約6000年前）などの最近の時代は、特にそれらに関する情報がより多く得られるようになったときに、しばしば研究されます[68] [69]

2007年に行われた、直近4億2000万年間のデータを用いた感度推定は、現在の気候モデルの感度やその他の決定と一致しています。[70]暁新世-始新世温暖極大期（約5550万年前）は、大量の炭素が大気中に放出され、地球の平均気温が約6℃（11℉）上昇した2万年間の期間であり、温暖な気候システムであった時期を研究する絶好の機会でもあります。[71]過去80万年間の研究では、気候感度は間氷期よりも氷期の方が高かったと結論付けられています。[72]

名前が示すように、最終氷期極大期は現在よりもはるかに寒く、その時期の大気中のCO2濃度と放射強制力に関する良好なデータが利用可能です。[ 73]この時期の軌道強制力は現在とは異なっていましたが、年間平均気温にはほとんど影響を与えませんでした。[74]最終氷期極大期からの気候感度の推定は、いくつかの方法で行うことができます。[73] 1つの方法は、全球放射強制力と気温の推定値を直接使用することです。しかし、この時期に活発なフィードバックメカニズムのセットは、現在のCO2の倍増によって引き起こされるフィードバックとは異なる可能性があり、 [ 75]追加の不確実性をもたらします。[74] [76]別のアプローチでは、中程度の複雑さのモデルを使用して、この時期の状況をシミュレートします。この単一モデルの複数のバージョンを実行し、不確実なパラメータに異なる値を選択することで、各バージョンのECSが異なります。最終氷期極大期の観測された寒冷化を最もよくシミュレートした結果は、おそらく最も現実的なECS値を生み出します。[77]

気候モデルの使用

様々な妥当な仮定に基づいて導出された平衡気候感度のヒストグラム
CO2倍増のシミュレーションに基づく平衡気候感度の頻度分布。[78]各モデルシミュレーションは、科学者が十分に理解していないプロセスについて異なる推定値を持っています。2℃（3.6℉）未満の温暖化、または4℃（7.2℉）を大幅に上回る結果となるシミュレーションはほとんどありません。[78]しかし、他の研究でも見られる正の歪み[79]は、二酸化炭素濃度が倍増した場合、気温の大幅な上昇または非常に大幅な上昇の確率が、わずかな上昇の確率よりも高いことを示唆しています。[78]

気候モデルは、過去だけでなく将来のCO2に起因する温暖化をシミュレートします。気候モデルは天気を予測する基礎モデルと同様の原理で動作しますが、より長期的なプロセスに焦点を当てています。気候モデルは通常、開始状態から始まり、物理法則と生物学に関する知識を適用して将来の状態を予測します。天気モデルと同様に、地球全体の複雑さをモデル化する能力を持つコンピュータはないため、その複雑さを扱いやすいレベルまで下げるために単純化が用いられます。重要な単純化は、地球の大気をモデルセルに分割することです。例えば、大気は各辺が10キロメートルまたは100キロメートルの立方体の空気に分割できます。各モデルセルは均質（均一）であるかのように扱われます。モデルセルの計算は、空気の各分子を個別にシミュレートするよりもはるかに高速です。[80]

モデル解像度が低い（モデルセルが大きく、時間ステップが長い）と、必要な計算能力は少なくなりますが、大気を詳細にシミュレートすることはできません。モデルは、モデルセルよりも小さいプロセスや、1つの時間ステップよりも短い期間のプロセスをシミュレートすることはできません。したがって、小規模で短期的なプロセスの影響は、他の方法を用いて推定する必要があります。モデルに含まれる物理法則は、計算を高速化するために簡略化されることもあります。生物圏は気候モデルに含める必要があります。生物圏の影響は、モデル化された条件下での、ある地域の平均的な植物群集の平均的な行動に関するデータを用いて推定されます。したがって、気候感度はこれらのモデルの創発的な特性であり、規定されているわけではなく、モデル化されたすべてのプロセスの相互作用から生じます。[25]

気候感度を推定するために、さまざまな放射強制力（急速に倍増する、徐々に倍増する、または過去の排出量に従う）を使用してモデルを実行し、気温の結果を適用された強制力と比較します。異なるモデルは異なる気候感度の推定値を与えますが、上記のように、それらは同様の範囲内に収まる傾向があります

試験、比較、そして気候アンサンブル

気候システムのモデリングは、幅広い結果をもたらす可能性があります。物理法則と生物圏の挙動を近似するために、さまざまな妥当なパラメータを使用するモデルが実行されることが多く、摂動を受けた物理アンサンブルを形成し、各パラメータの異なる種類と量の変化に対する気候の感度をモデル化しようとします。あるいは、異なる機関で開発された構造的に異なるモデルを組み合わせて、アンサンブルを作成します。歴史的な気候の一部をうまくシミュレートできるシミュレーションのみを選択することで、気候感度の制約付き推定を行うことができます。より正確な結果を得るための1つの戦略は、一般的に良好なパフォーマンスを示す気候モデルに重点を置くことです。[81]

モデルは、観測データ、古気候データ、またはその両方を用いて、それらを正確に再現するかどうかを検証する。再現できない場合は、物理モデルとパラメータ化の不正確さが探され、モデルが修正される。気候感度の推定に使用されるモデルについては、気候感度に直接的かつ物理的に関連する特定のテスト指標が求められる。そのような指標の例としては、温暖化の全球パターン[82] 、熱帯および亜熱帯における観測相対湿度をモデルが再現する能力[83]、熱放射パターン[84]、長期的な歴史的温暖化周辺の気温変動[85]などが挙げられる。[86] [87]異なる機関で開発されたアンサンブル気候モデルは、ECSの制約推定値を3 °C (5.4 °F) よりわずかに高くする傾向がある。ECSが3 °C (5.4 °F) をわずかに上回るモデルは、気候感度の低いモデルよりも上記の状況をより正確にシミュレートする。[88]

複数のモデルの結果を比較・分析するためのプロジェクトやグループが数多く存在します。例えば、結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP）は1990年代から運営されています。[89]

歴史的推定値

19世紀のスヴァンテ・アレニウスは、二酸化炭素濃度の倍増による地球温暖化を初めて定量化した人物です。この問題に関する最初の論文では、二酸化炭素の量が倍増した場合、地球の気温は約5～6℃（9.0～10.8℉）上昇すると推定しました。その後の研究で、彼はその推定値を4℃（7.2℉）に修正しました。[90]アレニウスは、サミュエル・ピアポント・ラングレーによる満月の放射観測を用いて、水蒸気と二酸化炭素によって吸収される放射量を推定しました。水蒸気フィードバックを考慮するために、彼は地球温暖化下でも相対湿度は変わらないと仮定しました。[91] [ 92 ]

吸収スペクトルの詳細な測定を用いた気候感度の計算、そして大気を通じた放射伝達の数値積分にコンピュータを用いた最初の計算は、1967年に真鍋淑郎とリチャード・ウェザラルドによって行われた。[93]湿度一定を仮定し、彼らは二酸化炭素濃度の倍増ごとに2.3℃の平衡気候感度を計算した。そして、この値は論文の要旨で最も頻繁に引用されている2℃に丸められた。この研究は「おそらく史上最高の気候科学論文」[94]や「史上最も影響力のある気候研究」[95]と呼ばれている。

1979年に米国科学アカデミーによって招集され、ジュール・チャーニーが委員長を務めた人為的地球温暖化に関する委員会[ 96]は、平衡気候感度を3℃（5.4℉）、プラスマイナス1.5℃（2.7℉）と推定しました1979年当時、利用可能なモデルは、真鍋とウェザラルドの推定値（2℃（3.6℉））、ジェームズ・E・ハンセンの推定値4℃（7.2℉）、そしてチャーニーのモデルのみでした。真鍋は2004年の発言で、「チャーニーは0.5℃を妥当な誤差範囲として選び、真鍋の数値から差し引いてハンセンの数値に加え、1.5～4.5℃（2.7～8.1℉）という気候感度の範囲を導き出しました。これは、それ以降のあらゆる温室効果ガス評価で見られるものです。」と述べています。 [97] 2008年、気候学者のシュテファン・ラームストルフは、「[発表当時]、チャーニー報告書の推定値の[不確実性の]範囲は非常に不安定でした。それ以来、世界中の多くの気候研究センターによって、大幅に改良されたモデルが数多く開発されてきました。」と述べています。[21]

IPCCの評価報告書

IPCCによる平衡気候感度の5つの歴史的推定値を示す図
IPCCの評価による気候感度の歴史的推定値。最初の3つの報告書は定性的な可能性の範囲を示し、第4および第5の評価報告書は不確実性を正式に定量化しました。濃い青色の範囲は、66%以上の可能性が高いと判断されています。[98] [99]

地球の気候システムに関する理解は相当に進んだにもかかわらず、1979年のチャーニー報告書の後もしばらくの間、気候感度に関する評価では同様の不確実性の範囲が報告され続けた。[100] 1990年に発表された気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の第一次評価報告書では、二酸化炭素濃度の倍増に対する平衡気候感度は1.5～4.5 °C（2.7～8.1 °F）と推定されており、「現在の知識に照らした最良の推測」は2.5 °C（4.5 °F）であった。[101]この報告書では、海洋の力学を簡略化した表現を用いたモデルが使用された。全海洋循環モデルを使用した1992年のIPCC補足報告書では、 1990年の推定を「変更を正当化する説得力のある理由はない」とされた。 [102] IPCC第2次評価報告書は、「これらの推定値を変更する強い理由は現れていない」と述べている。 [103]これらの報告書では、気候感度に関する不確実性の多くは、雲のプロセスに関する知識の不足に起因するとされている。2001年のIPCC第3次評価報告書でも、この可能性の高い範囲が維持された。[104]

2007年のIPCC第4次評価報告書[98]の著者らは、平衡気候感度の推定値に対する信頼性は第3次年次報告書以降大幅に高まったと述べています。[105] IPCCの著者らは、ECSは1.5℃（2.7℉）を超える可能性が非常に高く、2～4.5℃（3.6～8.1℉）の範囲にあり、最も可能性の高い値は約3℃（5.4℉）であると結論付けました。IPCCは、基本的な物理的理由とデータの制限により、4.5℃（8.1℉）を超える気候感度を排除することはできないが、可能性の高い範囲内での気候感度の推定値は、観測結果や代替気候データとよりよく一致していると述べています。[105]

2013年のIPCC第5次評価報告書では、産業革命時代のデータを用いた推定値の一部が低かったため、以前の1.5～4.5℃（2.7～8.1℉）の範囲（高い信頼性）に戻されました。[25]また、報告書では、ECSが1℃（1.8℉）未満になる可能性は極めて低い（高い信頼性）、6℃（11℉）を超える可能性は非常に低い（中程度の信頼性）と述べられています。これらの値は、利用可能なデータと専門家の判断を組み合わせて推定されました。[99]

2021年のIPCC第6次評価報告書に備えて、世界中の科学者グループによって新世代の気候モデルが開発された。[106] [107] 27の全球気候モデルにわたって、より高い気候感度の推定値が生成された。その値は1.8〜5.6°C（3.2〜10.1°F）に及び、そのうち10のモデルで4.5°C（8.1°F）を超えた。[108] [109]平衡気候感度の推定値は3.2°Cから3.7°Cに変わり、過渡的気候応答の推定値は1.8°Cから2.0°Cに変わった。[110] ECSの増加の原因は、主に雲のモデリングの改善にある。気温上昇により低層雲の数がより急激に減少すると考えられており、低層雲が減るということは、より多くの太陽光が地球に吸収され、宇宙に反射される量が減ることを意味する。[110] [108] [111] [112]

雲のシミュレーションに残る欠陥が過大評価につながった可能性があります。[113]最も高いECS値を持つモデルは観測された温暖化と一致しなかったためです。[114]モデルの5分の1は「過熱」し始め、地球温暖化によって妥当と考えられるよりも大幅に高い気温が発生すると予測しました。[115] [116]ホットモデルとして知られるこれらのモデルによると、最悪のシナリオでは、2100年までに世界の平均気温が 産業革命以前の水準より5℃以上上昇し、 [117]人類社会に「壊滅的な」影響を与えるとされています。[118] これと比較して、経験的観測と物理モデルを組み合わせると、「非常に可能性が高い」範囲は2.3℃から4.7 ℃の間であることが示されています気候感度が非常に高いモデルは、20世紀の温暖化や最終氷河期の寒冷化など、既知の歴史的気候傾向を再現するのが苦手であることも知られています。[116]これらの理由から、高温モデルの予測は妥当性が低いとみなされ、2022年のIPCCではその重みを低く設定しました。[113]

参照

注記

  1. ^ 2016年のCO₂レベルは403ppmで、産業革命以前のCO₂濃度278ppmより50%未満高いだけです。しかし、濃度の上昇は徐々に温暖化効果を小さくするため、地球はすでにCO₂による放射強制力の倍増の半分以上に達していました。
  2. ^ 計算は次のとおりです。平衡状態では、入射放射と出射放射のエネルギーは釣り合っている必要があります。出射放射はシュテファン・ボルツマンの法則によって与えられます。入射放射が増加すると、出射放射、ひいては気温も上昇しなければなりません。CO₂の倍増による追加の放射強制力によって直接引き起こされる気温上昇は、
    。
    実効温度 255 K（-18℃、-1℉）、一定の減率、シュテファン・ボルツマン定数 5.67 W/ m² K -4、約4 W/m²の場合、この式はフィードバックのない世界の気候感度を約1 Kと示します。
  3. ^ ここではIPCCの定義を使用しています。他の情報源では、気候感度パラメータは単に気候感度と呼ばれています。このパラメータの逆数は気候フィードバックパラメータと呼ばれ、(W/m²)/°Cで表されます。

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  • 「気候感度」とは？気象庁
  • 科学者が「気候感度」を推定する方法 カーボン・ブリーフ