BVOCを介した植物・気候相互作用のモデリングと将来予測

• Project Area: Plant Climate Feedbacks
• Project/Area Number: 23H04971
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 須藤 健悟 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (40371744)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹村 俊彦 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90343326) ; 入江 仁士 千葉大学, 環境リモートセンシング研究センター, 教授 (40392956) ; 関谷 高志 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(地球表層システム研究センター), 研究員 (00781460)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥111,930,000 (Direct Cost: ¥86,100,000、Indirect Cost: ¥25,830,000); Fiscal Year 2025: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000); Fiscal Year 2024: ¥22,230,000 (Direct Cost: ¥17,100,000、Indirect Cost: ¥5,130,000); Fiscal Year 2023: ¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000)
• Keywords: BVOC / 化学気候モデル / 陸域生態系モデル / イソプレン / BSOA

Outline of Research at the Start

本研究は、植物が大気に放出する揮発性有機化合物（BVOC）の実態・動態、およびBVOCを介した植物と気候の相互作用を全球規模で解明・予測するものである。本課題では、研究代表者・分担者らが独自に開発を行ってきた、大気化学・エアロゾル・気候モデル、陸域生態系モデル、衛星・地上リモートセンシング、および大気化学データ同化システムなど最新の研究手法を駆使し、他計画研究班の植物フェノロジー・BVOC放出の観測と密に連携しながら多元的・包括的なモデリング・評価を行うことで、高精度なBVOC発生量推定を実現させる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、研究代表者らが独自に開発している大気化学・気候モデルCHASER(MIROC-ESM)、エアロゾル・気候モデルSPRINTARS、および陸域生態系モデルVISITを組み合わせて植物起源有機化合物（BVOCs）発生量の高精度推定や気候影響評価を行う。今年度は、BVOCsおよび関連物質について、地上・衛星観測データを用いた検証を実施し、BVOCs放出量推定モデルの精緻化・改良を行った。また、BVOCsの大気中での酸化過程などを支配する対流圏化学過程やエアロゾル過程の改良も実施した。具体的には以下の通りである。

①BVOCs推定モデルである、MEGAN（Guenther et al., 2012）およびVISIT（Ito and Inatomi, 2012）に着目して、IPCC/CMIP6の実験データに関するモデル間相互比較を行った。この結果、現状の地球システムモデルで採用されているBVOCs推定スキームには、特にCO2増加による施肥効果および疎外効果について大きな不確定性が存在していることを見出し、各種モデルの特徴を網羅的に整理した。
②BVOCs酸化の中間生成物であるホルムアルデヒド（HCHO）について、最新の衛星観測（TROPOMI）や地上リモートセンシング観測（MAX-DOAS）を利用したモデル検証を実施した。この結果、現状のCHASER（MIROC-ESM)で計算されるHCHOは各領域の観測と概ね整合的であり、モデル中で考慮されているメタンやBVOCsの酸化過程の妥当性が確認された。
③CHASERのデータ同化システム（CHASER-DAS）によるBVOCs放出量推定についても、初期解析を行い、逆解析に向けた準備を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

R5年度の当初目標としては、化学気候モデル中のBVOC表現の妥当性検証と、BVOC放出量推定モデル計算の現状の把握、および精緻化に向けた方針の検討であったが、これらは上記のホルムアルデヒドに着目したイソプレン放出量および大気化学過程の検証や、CMIP6実験データを用いた解析作業により概ね達成されたと判断できる。今後は、検証結果を反映したBVOC放出量推定モデルの調整・最適化やBVOCからのホルムアルデヒドの収率調整などを実施し、確度の高いモデルフレームワークとして完成させる。

Strategy for Future Research Activity

①VISITモデルで複数のエミッション設定や、新規スキームの導入を行い、計算されるBVOCs放出量、およびこの放出量を入力してCHASERで計算されるBVOCs濃度を検証し、領域ごとに傾向を整理する。また、関本班(B01)で展開されるBVOC濃度・フラックス観測の知見からも、VISITや親モデルであるMEGAN（Guenther et al., 2012）の計算の検証・改良を試みる。
②次に、VISITのBVOCs放出量を入力しながらCHASERでBVOCsの酸化計算を行い、中間生成物であるホルムアルデヒド(HCHO)の全球分布を衛星観測(OMI、TROPOMI)データと比較することで、BVOCsの放出量分布や大気酸化能力OHの経年変動の推定を試みる。CHASERについては、大気化学場やBVOCs酸化計算におけるバイアス・不確定性の低減のため、協力者(宮崎) ・分担者(関谷)らが開発した大気化学データ同化システム(CHASERDAS/TCR)の改良・拡張を本格的に開始する、また、HCHO衛星観測については、分担者(入江)が展開する地上MAX-DOASによる高精度・通年連続観測も併せ、多重的にモデル検証に着手する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA/NOAA/NCAR(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Leeds(英国)
• [Journal Article] Interplay of Climate Change and Air Pollution- Projection of the under-5 mortality attributable to ambient particulate matter (PM2.5) in South Asia (2024)
  • Author(s): Anita Wahida Musarrat、Uttajug Athicha、Seposo Xerxes Tesoro、Sudo Kengo、Nakata Makiko、Takemura Toshihiko、Takano Hirohisa、Fujiwara Taku、Ueda Kayo
  • Journal Title: Environmental Research Volume: 248 Pages: 118292-118292
  • DOI: 10.1016/j.envres.2024.118292
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plant Molecular Phenology and Climate Feedbacks Mediated by BVOCs (2024)
  • Author(s): Satake Akiko、Hagiwara Tomika、Nagano Atsushi J.、Yamaguchi Nobutoshi、Sekimoto Kanako、Shiojiri Kaori、Sudo Kengo
  • Journal Title: Annual Review of Plant Biology Volume: 75 Issue: 1 Pages: 605-627
  • DOI: 10.1146/annurev-arplant-060223-032108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impacts of a double-moment bulk cloud microphysics scheme (NDW6-G23) on aerosol fields in NICAM.19 with a global 14km grid resolution (2024)
  • Author(s): Goto Daisuke、Seiki Tatsuya、Suzuki Kentaroh、Yashiro Hisashi、Takemura Toshihiko
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 17 Issue: 2 Pages: 651-684
  • DOI: 10.5194/gmd-17-651-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] How well are aerosol-cloud interactions represented in climate models? Part 1: Understanding the sulfate aerosol production from the 2014-15 Holuhraun eruption (2024)
  • Author(s): Jordan George、Malavelle Florent、Chen Ying、Peace Amy、Duncan Eliza、Partridge Daniel G.、Kim Paul、Watson-Parris Duncan、Takemura Toshihiko、Neubauer David、Myhre Gunnar、Skeie Ragnhild、Laakso Anton、Haywood James
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 24 Issue: 3 Pages: 1939-1960
  • DOI: 10.5194/acp-24-1939-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interactions between atmospheric composition and climate change progress in understanding and future opportunities from AerChemMIP, PDRMIP, and RFMIP (2024)
  • Author(s): Fiedler Stephanie、Naik Vaishali、O'Connor Fiona M.、Smith Christopher J.、Griffiths Paul、Kramer Ryan J.、Takemura Toshihiko、et al.
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 17 Issue: 6 Pages: 2387-2417
  • DOI: 10.5194/gmd-17-2387-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Implementation of HONO into the chemistry?climate model CHASER (V4.0): roles in tropospheric chemistry (2023)
  • Author(s): Ha Phuc Thi Minh、Kanaya Yugo、Taketani Fumikazu、Andres Hernandez Maria Dolores、Schreiner Benjamin、Pfeilsticker Klaus、Sudo Kengo
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 16 Issue: 3 Pages: 927-960
  • DOI: 10.5194/gmd-16-927-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Historical (1960-2014) lightning and LNOx trends and their controlling factors in a chemistry-climate model (2023)
  • Author(s): He Yanfeng、Sudo Kengo
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 20 Pages: 13061-13085
  • DOI: 10.5194/acp-23-13061-2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The worldwide COVID-19 lockdown impacts on global secondary inorganic aerosols and radiative budget (2023)
  • Author(s): Sekiya Takashi、Miyazaki Kazuyuki、Eskes Henk、Bowman Kevin、Sudo Kengo、Kanaya Yugo、Takigawa Masayuki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 30
  • DOI: 10.1126/sciadv.adh2688
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Time Scales of Climate Responses to Carbon Dioxide and Aerosols (2023)
  • Author(s): Stjern Camilla W.、Forster Piers M.、Jia Hailing、Jouan Caroline、Kasoar Matthew R.、Myhre Gunnar、Olivie Dirk、Quaas Johannes、Samset BjOrn H.、Sand Maria、Takemura Toshihiro、Voulgarakis Apostolos、Wells Christopher D.
  • Journal Title: Journal of Climate Volume: 36 Issue: 11 Pages: 3537-3551
  • DOI: 10.1175/jcli-d-22-0513.1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] East‐West Variabilities of N2 Fixation Activity in the Subtropical North Pacific Ocean in Summer: Potential Field Evidence of the Phosphorus and Iron Co‐Limitation in the Western Area (2023)
  • Author(s): Horii S.、Takahashi K.、Shiozaki T.、Takeda S.、Sato M.、Yamaguchi T.、Takino S.、Hashihama F.、Kondo Y.、Takemura T.、Furuya K.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Oceans Volume: 128 Issue: 6
  • DOI: 10.1029/2022jc019249
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Regional Aerosol Model Intercomparison Project (RAMIP) (2023)
  • Author(s): Wilcox Laura J.、Allen Robert J.、Samset BjOrn H.、Bollasina Massimo A.、Griffiths Paul T.、Keeble James、Lund Marianne T.、Makkonen Risto、Merikanto Joonas、O'Donnell Declan、Paynter David J.、Persad Geeta G.、Rumbold Steven T.、Takemura Toshihiko、Tsigaridis Kostas、Undorf Sabine、Westervelt Daniel M.
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 16 Issue: 15 Pages: 4451-4479
  • DOI: 10.5194/gmd-16-4451-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The emissions model intercomparison project (Emissions-MIP): quantifying model sensitivity to emission characteristics (2023)
  • Author(s): Ahsan, H., Wang, H., Wu, J., Wu, M., Smith, S. J., Bauer, S., Suchyta, H., Olivie, D., Myhre, G., Matsui, H., Bian, H., Lamarque, J.-F., Carslaw, K., Horowitz, L., Regayre, L., Chin, M., Schulz, M., Skeie, R. B., Takemura, T., Naik, V.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 23 Pages: 14779-14799
  • DOI: 10.5194/acp-23-14779-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Threefold reduction of modeled uncertainty in direct radiative effects over biomass burning regions by constraining absorbing aerosols (2023)
  • Author(s): Zhong Q., Schutgens N., van der Werf G. R., Takemura T., van Noije T., Mielonen T., Checa-Garcia R., Lohmann U., Kirkevag A., Olivie D. J. L., Kokkola H., Matsui H., Kipling Z., Ginoux P., Le Sager P., Remy S., Bian H., Chin M., Zhang K., Bauer S. E., Tsigaridis K.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 48
  • DOI: 10.1126/sciadv.adi3568
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Impacts of the Chinese SLCFs emission changes during 2010s on East Asian and global climate (2023)
  • Author(s): 須藤健悟、Wang Jinling
  • Organizer: JpGU 2023 annual meeting (2023
• [Presentation] Initial dispersion and conversion of stratospheric SO2 injected by 2022 Hunga Tonga eruption (2023)
  • Author(s): 正木悠斗、関谷高志、須藤健悟
  • Organizer: JpGU 2023 annual meeting (2023
• [Presentation] Potential impacts of climate-biogeochemical feedback on future methane projection (2023)
  • Author(s): 関谷高志、 羽島知洋、 須藤健悟、金谷有剛、河宮未知生
  • Organizer: 第28回大気化学討論会