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1.4.2 大気-海洋間の二酸化炭素交換量

第1章 地球温暖化に関わる海洋の長期変化
1.4.2 大気-海洋間の二酸化炭素交換量の要約はこちら
平成25年12月20日

診断概要

診断内容

 海洋は、人間活動により大気中に放出された二酸化炭素を吸収する機能を持っており、大気-海洋間の二酸化炭素交換量は、大気中の二酸化炭素濃度の変化に関係する。このことから、大気-海洋間の二酸化炭素交換量を正確に見積もることは、地球温暖化の将来予測の不確実性を低減させるために重要である。ここでは、太平洋及び大西洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量を解析し、長期的な変化傾向について診断する。

診断結果

 1985~2011年の間では、年単位でみると、太平洋・大西洋ともに二酸化炭素の吸収域となっている。太平洋では1985~2010年の平均で7.1億トン炭素、大西洋では8.4億トン炭素の二酸化炭素を毎年吸収している。太平洋の二酸化炭素の吸収量は、2003年以降、平年よりも多くなっている。大西洋の二酸化炭素の吸収量には、1990年代後半までは減少傾向が、1990年代後半からは増加傾向が見られる。

1 大気-海洋間の二酸化炭素交換量の基礎知識

(1)大気-海洋間の二酸化炭素交換量

大気と海洋の間では常に二酸化炭素のやり取りが行われており、その正味の量を二酸化炭素交換量と呼ぶ。海洋には大気から二酸化炭素を吸収する海域と、大気に二酸化炭素を放出する海域が存在し、季節や年によって、その海域や二酸化炭素交換量は大きく変動する。将来、地球温暖化が進行すると、海洋の二酸化炭素の吸収能力が低下すると予測されており(IPCC, 2007)、このような変動を捉えるためには、海洋の二酸化炭素交換量を常に監視することが重要となる。
大気-海洋間の二酸化炭素交換量を決定する要素は、大気中の二酸化炭素分圧(pCO2air)と表面海水中の二酸化炭素分圧(pCO2sea)の差、及び風速の変動である。pCO2seaがpCO2airより高いと海洋は大気へ二酸化炭素を放出し、逆にpCO2seaがpCO2airより低いと海洋は大気から二酸化炭素を吸収する。また、風速が大きいほど、交換量は多くなる。
pCO2seaは、水温や塩分、生物活動といった様々な影響を受けて大きく変動する。例えば、水温が高くなると、二酸化炭素の水に対する溶解度が減少し、溶けきれなくなった二酸化炭素はpCO2seaを高くする。また、二酸化炭素を多く含む下層の海水と混ざることによっても、pCO2seaは高くなる。生物活動の盛んな海域では、植物プランクトンの光合成により二酸化炭素が消費されることで、pCO2seaは低くなる。

(2)大気-海洋間の二酸化炭素交換量の分布

長期にわたるpCO2seaの観測データに基づき、大気-海洋間の二酸化炭素交換量の平均的な分布が見積もられている(Takahashi et al., 2009)(図1.4.2-1)。
赤道域では、二酸化炭素を多く含んだ下層の海水が湧き上がるため、pCO2seaが高くなる。そのため、二酸化炭素を放出する海域が広がっている。特に太平洋赤道域の東部は、世界で最も二酸化炭素を多く放出する海域となっている。
亜熱帯域では、夏季に水温の上昇によりpCO2seaが高くなって二酸化炭素の放出域となり、冬季には水温の低下により二酸化炭素の吸収域となる。冬季の吸収量が夏季の放出量を上回る海域が多いため、年間で積算すると二酸化炭素の吸収域が広がっている。
高緯度では、亜熱帯と同じような水温の季節変化による影響のほか、二酸化炭素を多く含む下層の海水と混じりあう影響や、植物プランクトンの光合成による影響などを複合的に受けて季節変動をする。冬季は風が強く、表面海水と下層の海水が盛んに混じりあうことより表面海水中の二酸化炭素濃度が高くなり、二酸化炭素の放出域となる海域が多い。一方、春季から秋季にかけては、植物プランクトンが多く発生し、光合成により二酸化炭素が消費されるため、二酸化炭素の吸収域となる海域が多い。
全海洋における平均的な二酸化炭素吸収量は、Takahashi et al. (2009) によれば1年あたり16億トン炭素と見積もられている。また、異なる手法で見積もられた近年の平均的な二酸化炭素吸収量は、1年あたりおおむね15~24億トン炭素となっている(Gruber et al., 2009; Sarmiento et al., 2010; Takahashi et al., 2009など)。

図1.4.2-1 大気-海洋間の二酸化炭素交換量の分布(Takahashi et al., 2009のデータより作成)

図1.4.2-1 大気-海洋間の二酸化炭素交換量の分布(Takahashi et al., 2009のデータより作成)

大気-海洋間の二酸化炭素分圧差や海面の風速等を用いて算出された2000年における季節ごとの交換量。左上:冬季(2月)、右上:春季(5月)、左下:夏季(8月)、右下:秋季(11月)。正の値は海洋が大気へ二酸化炭素を放出していることを、負の値は海洋が大気から二酸化炭素を吸収していることを示す。

(3)大気-海洋間の二酸化炭素交換量の見積もり方法

二酸化炭素交換量は、pCO2airとpCO2seaの差と風速の大きさによって決まり、以下の式で表すことができる。
F=K・(pCO2sea - pCO2air) …(1)
Fは二酸化炭素交換量を示す。Kはガス交換係数で、風速の2乗に比例する値である。pCO2seaがpCO2airよりも高いときは、Fが正の値をとり、二酸化炭素は、海洋から大気へ放出される。pCO2seaがpCO2airよりも低いときは、Fが負の値をとり、二酸化炭素は大気から海洋へ吸収される。pCO2seaとpCO2airの差が大きいほど、それに比例して、二酸化炭素の吸収あるいは放出量は多くなる。また、風速が大きいほど、二酸化炭素の吸収あるいは放出量は多くなる。
pCO2seaは、水温や塩分の変化、深層の海水との混合、生物活動など、様々な影響を受けて大きく変動する。しかし、海洋で起こっているこれらの変動を時空間的に捉えることができる密度での観測はない。そのため、大気-海洋間の二酸化炭素交換量の年々の変動を監視するうえで、観測が行われていない海域及び期間の空白を、推定によって埋めることが必要になる。これまで蓄積された国内外の二酸化炭素観測データから、水温や塩分、クロロフィル濃度などの要素とpCO2seaとの間には、海域や季節によってそれぞれ特徴の異なる相関関係があることがわかっている。Park et al. (2010) は、水温とpCO2seaの相関を用いて表面海水中二酸化炭素分圧を推定し、1981年からの大気-海洋間の二酸化炭素交換量を算出している。また、塩分(Lefevre et al., 2010)、クロロフィル濃度(Chierici et al., 2009, 2012)などが、pCO2seaを推定するための要素として重要であることが指摘されている。Sugimoto et al. (2012) はこれらを踏まえ、太平洋全域において、水温と塩分の解析値及び衛星によるクロロフィル濃度観測値からpCO2seaを推定する手法を開発した。

2 大気-海洋間の二酸化炭素交換量の監視

(1)診断に用いるデータ

気象庁では、上述のSugimoto et al. (2012) の手法に基づき、1985年からの太平洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量を見積もっている。また、同手法を大西洋に応用し、大西洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量を見積もっている。見積もりに使用したデータは表1.4.2-1のとおりである。なお、1997年以前の海面クロロフィル濃度が得られない期間については、1998年以降の月別平均値を利用した。
(1)式中のKは、ガス交換速度kと二酸化炭素の海水に対する溶解度の積である。kは、係数a、海上風速U10及びシュミット数Scを用いて、以下の式によって表される。

数式

(2)式中の係数aについては、Wanninkhof (1992) による0.39を使用した。

表1.4.2-1 大気-海洋間の二酸化炭素交換量推定に用いたデータセット

表1.4.2-1 大気-海洋間の二酸化炭素交換量推定に用いたデータセット

(2)太平洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量

太平洋における1985~2011年の大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月積算値及び年積算値を図1.4.2-2に示す。夏季に二酸化炭素を放出する月があるが、年単位でみると、1985~2011年の期間を通じて、大気から海洋中に二酸化炭素が吸収されている。平年(1985~2010年の平均)では1年あたり7.1億トン炭素の二酸化炭素を吸収しており、その量は全海洋で見積もられた1990年代の年平均吸収量の22億トン炭素/年(IPCC, 2007)の約3割に相当する。2003年以降、太平洋の二酸化炭素の吸収量が平年よりも多くなっている。
太平洋における二酸化炭素吸収量の季節変動は、主に北太平洋亜熱帯域から亜寒帯域での季節的な水温の変動によって支配されている。年々変動に対しては、赤道域におけるエルニーニョ/ラニーニャ現象が大きく影響する。エルニーニョ現象発生時には、風が弱まるとともに、下層からの海水の湧昇が減少するため、二酸化炭素濃度が高い海域が縮小し、二酸化炭素放出量は減少する。ラニーニャ現象発生時には逆に二酸化炭素放出量が増加する(Ishii et al., 2004, Feely et al., 2006など)。
エルニーニョ/ラニーニャ現象に伴う二酸化炭素交換量の変動は、エルニーニョ現象発生期の1987年及び1997年、ラニーニャ現象発生期の1999年、2007年に顕著であった

図1.4.2-2 太平洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月ごと及び年間の積算値(1985~2011年)

図1.4.2-2 太平洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月ごと及び年間の積算値(1985~2011年)

二酸化炭素交換量の積算値の正の値は海洋から大気へ二酸化炭素が放出されていることを、負の値は大気中の二酸化炭素が海洋に吸収されていることを示す。単位は、二酸化炭素交換量を炭素の重量に換算した値、「億トン炭素」で表す。 左上図は、月積算値を示したもので、桃色及び水色の陰影は、それぞれエルニーニョ現象及びラニーニャ現象の発生期間を表す。左下図は、年積算値を示したもので、図中の点線は、平年値(1985~2010年の平均:7.1億トン炭素/年)を表す。右図は、太平洋の二酸化炭素交換量の解析範囲(桃色で着色した領域)を表す。

(3)大西洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量

大西洋における1985~2011年の大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月積算値及び年積算値を図1.4.2-3に示す。1985~2011年の期間を通じて、大気から海洋中に二酸化炭素が吸収されている。平年(1985~2010年の平均)では1年あたり8.4億トン炭素の二酸化炭素を吸収しており、その量は全海洋で見積もられた1990年代の年平均吸収量の22億トン炭素/年(IPCC, 2007)の約4割に相当する。大西洋では、1985年から1990年代後半にかけて吸収量の減少傾向が、1990年代後半から2010年の期間にかけて吸収量の増加傾向がみられるが、期間を通じての増加あるいは減少の明瞭な傾向はみられない。
大西洋における二酸化炭素吸収量の季節変動には、北大西洋亜熱帯域での季節的な水温の変動のほか、北大西洋亜寒帯・寒帯域や南大洋における生物生産の季節変動による影響が大きい。年々変動の要因としては、北大西洋振動(NAO)の影響が報告されている(Park et al., 2010, Metzl et al., 2010など)が、1985~2011年の期間について、二酸化炭素吸収量とNAOの間に顕著な関係はみられない。

図1.4.2-3 大西洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月ごと及び年間の積算値(1985~2011年)

図1.4.2-3 大西洋における大気-海洋間の二酸化炭素交換量の月ごと及び年間の積算値(1985~2011年)

二酸化炭素交換量の積算値の正の値は海洋から大気へ二酸化炭素が放出されていることを、負の値は大気中の二酸化炭素が海洋に吸収されていることを示す。単位は、二酸化炭素交換量を炭素の重量に換算した値、「億トン炭素」で表す。 左上図は月積算値を、左下図は年積算値を示したもので、図中の点線は、平年値(1985~2010年の平均:8.4億トン炭素/年)を表す。右図は、大西洋の二酸化炭素交換量の解析範囲(桃色で着色した領域)を表す。

3 診断

太平洋及び大西洋における1985~2011年の大気-海洋間の二酸化炭素交換量を見積もった。太平洋は、夏季を除いて二酸化炭素を吸収しており、吸収量は平年で1年あたり7.1億トン炭素であった。大西洋は、年間を通じて二酸化炭素を吸収しており、吸収量は平年で1年あたり8.4億トン炭素であった。全海洋で見積もられた1990年代の年平均吸収量の22億トン炭素/年(IPCC, 2007)に対し、太平洋は約3割、大西洋は約4割を吸収していることになる。太平洋では、2003年以降、吸収量が平年よりも多くなっている。大西洋では、1985年から1990年代後半にかけて吸収量の減少傾向が、1990年代後半から2010年の期間にかけて吸収量の増加傾向がみられるが、期間を通じての増加あるいは減少の明瞭な傾向はみられない。

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