地球環境科学における数理モデルと実データを用いた体系的な応用数学課程の構築

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14580320
• Research Institution: Fukui National College of Technology
• Principal Investigator: 坪川 武弘 福井工業高等専門学校, 一般教育科目, 教授 (70236941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤原 正敏 福井工業高等専門学校, 電子情報工学科, 教授 (80042977)
• Keywords: 環境シミュレーション / 二酸化炭素の循環モデル / HILDA / Boxモデル / Stella

Research Abstract

本年度は地球温暖化に関する文献調査と簡単なモデル作り、関連するプログラムの開発を目標として研究を進めてきた。
1.温暖化等に関する文献調査
この分野の科学的で総合的な解説書である「Climate System Modeling」をもとに、二酸化炭素の循環と気候変動にかかわる部分を調査した。次に、3次元大気循環を解説した「An Introduction to Three-dimensional Climate Modeling」の考え方と使われている数学を調べた。また、二酸化炭素循環の主要なモデルであるHILDAモデルを用いたプログラムを分析した。
2.数学的手法の分析
3次元シミュレーションは大気大循環モデルをもとに各格子点での物理量を時間ステップ毎に計算していくものである。その際最も重要な物理量は熱量、気圧等である。一方二酸化炭素の濃度は年間変化が中心であって、大気中では数日で拡散しほぼ一様であると仮定できる。ところが海洋での二酸化炭素は拡散速度も遅く、炭酸塩としての沈澱などその移動様式が複雑である。この部分の数理モデルはいくつか提案されている。我々が注目したHILDAモデルは、二酸化炭素の貯蔵庫をいくつかに分けるもので興味深いものであった。この区分は、海洋は低緯度混合層とその下の深海34層、高緯度表層とその下1層に分け、更に大気、土壌、樹木、腐葉土、人工的な排出源をとり、それらの間の移動を単純な関係で表している。また、計算手法は各Box間の単年度移動を表した行列を対角化し、行列の累乗をしているものであった。
3.簡単なモデルとプログラム作り
これらの調査と分析をもとにStellaを用いて次のプログラムを作成した。(1)Boxモデルを用いた二酸化炭素の大気-海洋にわたる循環モデル、(2)Boxモデルを用いた二酸化炭素の温室効果を取り入れた気候温暖化のモデル。