民間航空機による大気観測プロジェクトCONTRAIL^[1]では、航路に沿った観測だけでなく、離陸・着陸時に空港上空の高度分布を観測することができます。このプロジェクトにより得られた二酸化炭素（CO₂）濃度の高頻度観測値から、成田上空の対流圏（地表付近から高度約10kmまで）におけるCO₂濃度の総観規模の変動の季節ごとの特徴や高度変化を明らかにしました。これまで、同一地点の上空でCO₂濃度の高頻度観測値を得ることは難しかったのですが、CONTRAILによってそれが可能となり、大気中のCO₂濃度は上空においても総観規模の変動をしているということが初めて明確になりました。さらに、上空におけるCO₂濃度の総観規模の変動は、高度や季節によって、日本や東アジアに由来する地上からのCO₂放出やCO₂吸収の影響を強く受けていることがわかりました。この結果は、CO₂の放出・吸収源の分布や放出量・吸収量を見積もる際、大気中CO₂濃度の総観規模の変動が一つの指標として役に立つことを示しています。

1. 研究の背景

CO₂は人為的に排出されている温室効果ガスの中で地球温暖化に及ぼす影響がもっとも大きいとされています。人間活動に伴う化石燃料の消費、セメント生産、森林破壊などの土地利用の変化などにより、大気中のCO₂濃度は増加しています。昨年、世界のCO₂平均濃度は、産業革命以前の平均的な値とされる280ppmに比べて約40%も増加し、390ppmを超えました（ppmは体積比で100万分の一を表します）。CO₂濃度は、春から夏に減少し、秋から翌春にかけて増加する季節変化を示します。CO₂濃度の季節変化は主に陸域の植物活動によるもので、その振幅は、陸上の植物活動の影響を受けやすい北半球中高緯度では大きく、陸域の面積の少ない南半球では小さくなっています。

このような経年変化・季節変化の他に、CO₂濃度は高・低気圧や前線の通過など、気象現象の変化に伴って、数日〜一週間程度の時間スケールで変動をしています。「総観規模の変動」と呼ばれる、このような短周期の変動は、主に観測地点近傍のCO₂の放出・吸収源の分布や放出量・吸収量の情報を含んでおり、また、近年急速に進んでいる衛星観測等の時空間的な代表性を検証する上でも極めて重要です。

2. データ解析の方法と観測結果の解釈

(1) データ解析の方法

対流圏は、地球表面の影響を強く受ける大気境界層（高度約2km以下）と、地表の影響を直接は受けないものの大気の長距離輸送には大きくかかわっている自由対流圏とに分けられます。今回の解析では、複数年（2005年〜2009年）にわたる成田上空（地表から高度約10kmまで）のCO₂濃度の観測値を用いました。まず、気象データを解析することによって、観測値を大気境界層に含まれるものと自由対流圏に含まれるものに分けました（高度10km以下でも、成層圏に属すると見なされるデータは除きました）。さらに自由対流圏のデータは2km高度幅で平均しました。得られた高度ごとのCO₂濃度の時間変化から長周期の変動（経年変化・季節変化）を取り除くことにより、残った短周期の変動を総観規模の変動に相当するとみなし、その平均的な変動幅（標準偏差をその指標としました）を季節ごとに解析しました。

(2) 観測結果の解釈

図1 (a) に、2005年から2009年までの成田上空で観測されたCO₂濃度の観測値から求めた季節・高度ごとの標準偏差（横棒で示すエラーバーは、年によるばらつき）を示します。なお、季節を、三か月ごとにまとめ、冬（12月〜2月）、春（3月〜5月）、夏（6月〜8月）、秋（9月〜11月）として示しました。

図1成田上空におけるCO₂濃度の総観規模の変動幅（季節・高度分布）a) 観測値 b) 計算値

図1 (a) に見られるように、成田上空におけるCO₂濃度の総観規模の変動は、大気境界層内では、約3〜7ppm、自由対流圏では約1〜2ppmの幅をもっていること、夏季（濃紺線）には全高度において変動幅が大きくなること、春季（赤線）には上部対流圏（高度およそ8〜10km）で下部（高度およそ2〜8km）よりも変動幅が大きくなることがわかりました。CONTRAILによって、同一地点の上空で複数年にわたるCO₂濃度の高頻度観測値が得られたことで、統計的に有意（信頼度水準で99%）な総観規模の変動の高度分布の季節変化を得ることができました。大気中CO₂濃度が上空においても総観規模の変動をしていること、また、その変動は季節・高度により異なることを複数年にわたる高頻度観測値から明確に示したのは世界で初めてのことです。

3. 大気輸送モデルを用いた放出・吸収源の推定

(1) 総観規模の変動に寄与している地域

図1 (b) は、全球大気輸送モデル^[2]を用いて算出したCO₂濃度のデータから、CONTRAILによる観測データの解析と同様の方法で求めた総観規模の変動幅を表したグラフです。このグラフから、輸送モデルを用いた計算結果でも、CONTRAILによって観測により得られた季節・高度分布がよく再現できることがわかりました。そこで、この輸送モデルを用いて、タグ付きシミュレーション^[3]を行い、成田上空におけるCO₂濃度の総観規模の変動に寄与している地域について調べました。具体的には、成田近傍の地域を日本（Jpn）、東アジア（CKT）、東南アジア（SEA）、ロシア東部（Eru）、ヒマラヤ（Him）、インド（Ind）の六つの領域に分け、それぞれの領域における化石燃料（f）および陸域生態系（v）（森林や土壌など）由来のCO₂放出・吸収を区別して、それぞれに合計12個のタグを設定し、各タグからの放出・吸収源由来のCO₂のみによる変動幅を計算し、全変動幅への寄与を調べました（図2）。

図2タグを付けた6領域（Jpn, CKT, SEA, Eru, Him, Ind）と成田（NRT）の位置

タグ付きシミュレーションの結果（図3：横軸は、対数で表現されていることに注意）から、成田上空のCO₂濃度の総観規模の変動（ピンクの×）のうち、大気境界層内では日本のCO₂放出・吸収（黒の●と■）の影響が大きいものの、自由対流圏では一年を通じて、東アジアに由来するCO₂の放出や吸収（赤の●と■）に最も影響を受けていることがわかりました。図1 (a) で春季に上部対流圏（高度およそ8〜10km）で見られた総観規模の変動幅の増加は、春季に卓越する東アジアからの汚染大気の吹き出し（アウトフロー）^[4]により上部対流圏に運ばれたCO₂が偏西風に乗って日本上空を通過する様子を捉えたと考えられます。

図3タグ付きシミュレーションにより計算された成田上空のCO₂濃度の総観規模の変動幅（成田上空の、全球のすべての放出・吸収源由来のCO₂による変動幅（×）および、各タグを付けた領域からの放出・吸収源由来のCO₂のみによる変動幅を、2007年の季節ごとで表示している）

(2) 高低気圧の通過時のCO₂濃度変化

図4は2007年6月に観測された成田上空のCO₂濃度と地表面気圧の変化です。CO₂濃度の総観規模の変動が高低気圧の通過と連動していることは、この図を見ても明らかです。図4で地表面気圧の低下と同期して大気中CO₂濃度の上昇が見られた2007年6月13日〜16日の高度約3kmにおける大気中CO₂濃度の輸送モデルによるシミュレーション結果を、天気図と共に図5に示します。CO₂濃度の高い気塊が寒冷前線の背後に分布しており、低気圧が本州の南岸を東進するのに伴い、成田上空のCO₂濃度の上昇をもたらしたことがわかります^[4]。

図42007年6月に観測された成田上空のCO₂濃度（左軸：高度2–4km●、4–6km●、6–8km●、8–10km●）と地表面気圧（右軸：—）

図52007年6月13日〜16日の、(a) 高度約3kmにおける大気中CO₂濃度のモデル計算値および (b) 地上天気図（(a) のCO₂濃度は中央値を基準とした相対濃度（ppm）で表した）

この研究では、これまで断片的にしか観測値が得られなかったため不可能であった、上空におけるCO₂濃度の総観規模の変動についての統計的に有意な総合的な解析を行うことができました。これらの結果は、温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」等の衛星による観測の検証に役立つほか、インバージョン（大気観測からの逆推定）手法を用いてCO₂の放出源・吸収源の分布や放出量・吸収量を見積もる際にも大気中CO₂濃度の総観規模の変動が一つの指標として役に立つことを示しています。