Estimation of snow melting incluiding the effect of red snow blooming in arctic region using a land surface model

• Project/Area Number: 20K19955
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 63010:Environmental dynamic analysis-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency (2022); The University of Tokyo (2020-2021)
• Principal Investigator: Onuma Yukihiko 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 第一宇宙技術部門, 宇宙航空プロジェクト研究員 (30800833)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 雪氷学 / 雪氷微生物 / 数値モデリング / 陸面モデル / 赤雪 / 氷河暗色化 / 数理生物学 / アルベド / 陸域モデル

Outline of Research at the Start

近年の氷河や氷床の急激な融解要因として，雪氷面のアルベド（太陽光の反射率）の低下が指摘されている．このアルベド低下の要因の一つとして，雪氷藻類と呼ばれる耐冷性微生物の繁殖によって発生する赤雪現象が挙げられる．しかしながら，現地観測例の少なさなどから，赤雪の出現要因とその雪氷融解効果には不明な点が多い．赤雪現象による雪氷融解を定量評価するためには，積雪の生物および光学過程に基づいた数値モデルの開発が必要である．本研究では，北極圏の積雪での観測に基づいて赤雪発生の要因解明および赤雪推定モデルの開発を行い，そのモデルを全球陸域モデルに組み入れて，北半球全域の赤雪現象の雪氷融解への寄与を評価する．

Outline of Final Research Achievements

In this study, the results more than expected toward the following issues were obtained for three years.
- Development of a numerical model to predict red snow phenomena based on field observations and estimation of the contribution of red snow to snow melting using a land surface model.
One of the most notable achievements for the entire research period was to develop global snow algae model Bio-MATSIRO, which enable us to estimate the contribution of red snow phenomena to snow melting in alpines and glaciers worldwide. In the latter half of the research period, numerical models to reproduce growth of glacier algae and vertical dynamics of cryoconite holes were established. These models will be incorporated into Bio-MATSIRO to evaluate snow and ice albedo reduction caused by the microbial activities. These model results have been published as peer reviewed papers on international journals.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発したBio-MATSIROを用いることで、雪氷微生物活動によるアルベド低下効果（バイオアルベド効果）を計算し、近年の雪氷融解加速の微生物活動による寄与を全球規模で評価できるようになった。バイオアルベド効果はIPCC第6次評価報告書で初めて取り上げられた新しい現象で、その効果を明らかにすることは学術的意義がある。本研究成果は、今後さらに発展させることでIPCC次期評価報告書に記載される可能性があり、国際社会への貢献も期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Modelling the development and decay of cryoconite holes in Northwest Greenland (2023)
  • Author(s): Onuma Yukihiko、Fujita Koji、Takeuchi Nozomu、Niwano Masashi、Aoki Teruo
  • Journal Title: The Cryosphere Discussions Volume: - Pages: 1-35
  • DOI: 10.5194/egusphere-2023-54
  • Open Access
• [Journal Article] Modeling seasonal growth of phototrophs on bare ice on the Qaanaaq Ice Cap, northwestern Greenland (2022)
  • Author(s): Onuma Yukihiko、Takeuchi Nozomu、Uetake Jun、Niwano Masashi、Tanaka Sota、Nagatsuka Naoko、Aoki Teruo
  • Journal Title: Journal of Glaciology Volume: - Issue: 275 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1017/jog.2022.76
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global Simulation of Snow Algal Blooming by Coupling a Land Surface and Newly Developed Snow Algae Models (2022)
  • Author(s): Y. Onuma, K. Yoshimura, N. Takeuchi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences Volume: 127 Issue: 2 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1029/2021jg006339
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variations in mineralogy of dust in an ice core obtained from northwestern Greenland over the past 100 years (2021)
  • Author(s): Nagatsuka, N., K. Goto-Azuma, A. Tsushima, K. Fujita, S. Matoba, Y. Onuma, M. Kadota, M. Minowa, Y. Komuro, H. Motoyama, and T. Aoki
  • Journal Title: Clim. Past Volume: 17 Issue: 3 Pages: 1341-1362
  • DOI: 10.5194/cp-17-1341-2021
  • NAID: 130007509097
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Physically based model of the contribution of red snow algal cells to temporal changes in albedo in northwest Greenland (2021)
  • Author(s): Yukihiko Onuma, Nozomu Takeuchi, Sota Tanaka, Naoko Nagatsuka, Masashi Niwano, and Teruo Aoki
  • Journal Title: The Cryosphere Volume: 14 Issue: 6 Pages: 2087-2101
  • DOI: 10.5194/tc-14-2087-2020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 北極圏の氷河および氷床の融解を加速させる バイオアルベド効果とそのモデル化研究 (2021)
  • Author(s): 大沼友貴彦、竹内望
  • Journal Title: 雪氷 Volume: 83(1) Pages: 51-66
  • NAID: 130008081865
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 氷床表面質量収支の実態とそのモデリングの試み： 2020年夏最新版 (2021)
  • Author(s): 庭野匡思、青木輝夫、橋本明弘、大島長、梶野瑞王、大沼友貴彦、藤田耕史、山口悟、島田利元、竹内望、 津滝俊、本山秀明、石井正好、杉山慎、平沢尚彦、阿部彩子
  • Journal Title: 雪氷 Volume: 83(1) Pages: 27-50
  • NAID: 130008081872
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SIGMA及び関連プロジェクトによるグリーンランド氷床上の大気・雪氷・雪氷微生物研究 ─ ArCS IIプロジェクトへのつながり─ (2021)
  • Author(s): 青木輝夫、的場澄人、庭野匡思、朽木勝幸、谷川朋範、竹内望、山口悟、本山秀明、藤田耕史、山崎哲秀、飯塚芳徳、堀雅裕、島田利元、植竹淳、永塚尚子、大沼友貴彦、橋本明弘、石元裕史、田中泰宙、大島長、梶野瑞王、足立光司、黒﨑豊、杉山慎、津滝俊、東久美子、八久保晶弘、川上薫、木名瀨健
  • Journal Title: 雪氷 Volume: 83(2) Pages: 169-191
  • NAID: 130008093538
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Developing a Snow Algae Model to Reconstruct Blooming at the Global Scale Using a Land Surface Model (2020)
  • Author(s): Onuma Yukihiko、Yoshimura Kei、Takeuchi Nozomu
  • Journal Title: The Earth and Space Science Open Archive Volume: 2020-146 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1002/essoar.10506587.1
  • Open Access
• [Journal Article] Variations in mineralogy of dust in an ice core obtained fromnorthwestern Greenland over the past 100 years (2020)
  • Author(s): Nagatsuka Naoko、Goto-Azuma Kumiko、Tsushima Akane、Fujita Koji、Matoba Sumito、Onuma Yukihiko、Kadota Moe、Minowa Masahiro、Komuro Yuki、Motoyama Hideaki、Aoki Teruo
  • Journal Title: Climate of the Past Discussions Volume: 0 Pages: 1-31
  • DOI: 10.5194/cp-2020-146
  • Open Access
• [Presentation] Numerical modeling of biological processes on snow and glacier surfaces in the Arctic region (2023)
  • Author(s): Y. Onuma, M. Niwano, R. Shimada, N. Takeuchi
  • Organizer: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variations in mineralogy of dust in ice cores obtained from Greenland over the past 100 years (2023)
  • Author(s): N. Nagatsuka, K. Goto-Azuma, A. Tsushima, K. Fujita, S. Matoba, Y. Onuma, Y. Komuro, M. Hirabayashi, J. Ogata, Y. Ogawa-Tsukagawa, K. Kitamura, T. Aoki, T. J. Pop, D. Dahl-Jensen
  • Organizer: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatiotemporal changes in communities of snow-ice microbes living on Gulkana Glacier, Alaska (2023)
  • Author(s): M. Ono, J. Uetake, A. Tsushima, Y. Onuma, K. Kobayashi, D. Seto, S. Usuba, F. Konishi, N. Takeuchi
  • Organizer: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アイスコアを用いたグリーンランド氷床北部における過去100 年間の鉱物組成変動の空間分布 (2022)
  • Author(s): 永塚 尚子, 東 久美子, 對馬 あかね, 藤田 耕史, 的場 澄人, 大沼 友貴彦, 小室 悠紀, 平林 幹啓, 尾形 純, 塚川 佳美, 北村 享太郎, 青木 輝夫, Popp Trevor James, Dahl-Jensen Dorthe
  • Organizer: 雪氷研究大会（2022・札幌）
• [Presentation] グリーンランド北西部氷河上で発生するクリオコナイトホール崩壊現象の数値モデル開発 (2022)
  • Author(s): 大沼友貴彦, 藤田耕史, 竹内望, 庭野匡思, 青木輝夫
  • Organizer: 雪氷研究大会（2022・札幌）
• [Presentation] 永塚尚子, 東久美子, 對馬あかね, 藤田耕史, 的場澄人, 大沼友貴彦, 青木輝夫 (2022)
  • Author(s): グリーンランドアイスコアから復元する過去100年の 鉱物ダスト起源とその変動要因の解明
  • Organizer: 2022年度 日本地球化学会 第69回年会
  • Invited
• [Presentation] グリーンランド北西部カナック氷河消耗域の雪氷溶存化学成分 (2021)
  • Author(s): 竹内望, 渡辺茜, 石渡晃起, 大沼友貴彦
  • Organizer: 雪氷研究大会（2021・千葉・オンライン）
• [Presentation] 全球雪氷藻類モデルの開発と赤雪現象再現の試み (2021)
  • Author(s): 大沼友貴彦, 芳村圭, 竹内望
  • Organizer: 雪氷研究大会（2021・千葉・オンライン）
• [Presentation] 陸面過程モデルを使用した雪氷藻類繁殖の全球計算 (2021)
  • Author(s): 大沼友貴彦, 芳村圭, 竹内望
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] グリーンランドで掘削されたアイスコア中の過去100年間の鉱物組成変動 (2021)
  • Author(s): 永塚尚子, 東久美子, 對馬あかね, 藤田耕史, 的場澄人, 大沼友貴彦, Remi Dallmayr, 門田萌, 平林幹啓, 尾形純, 塚川佳美, 北村享太郎, 箕輪昌紘, 小室悠紀, 本山秀明, 青木輝夫, 中澤文男, Trevor James Popp, Dorthe Dahl-Jensen
  • Organizer: 雪氷研究大会（2021・千葉・オンライン）
• [Presentation] 陸面過程モデルを使用した雪氷藻類繁殖の全球計算 (2021)
  • Author(s): 大沼友貴彦、芳村圭、竹内望
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Estimation of Greenland surface mass balance using positive degree-days method and energy balance model (2020)
  • Author(s): Ryouta O’ishi, Fuyuki Saito, Ayako Abe-Ouchi, Takashi Obase, Yukihiko Onuma and Masashi Niwano
  • Organizer: The 11th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Book] Description of MATSIRO6 (Manual book) (2021)
  • Author(s): Guo, Q. Kino, K. Li, S. Nitta, T. Takeshima, A. Onuma, Y. Satoh, Y. Suzuki, T. Takata, K. Yoshida, N. Yoshimura, K. MATSIRO6 Document Writing Team
  • Total Pages: 96
  • Publisher: CCSR Report No. 66, Division of Climate System Research, Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/yonuma/
• [Remarks] Snow Algae Model v1.0 (v1.0)
  • URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.6258671
• [Remarks] Data set used in glacier algae model
  • URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.6955513
• [Remarks] Codes and data set for Cryoconite hole model
  • URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.7539526
• [Remarks] 東京大学生産技術研究所 芳村研究室 ホームページ
  • URL: https://isotope.iis.u-tokyo.ac.jp/index.php?id=131
• [Remarks] Dataset used in snow algae model (Version v3.0)
  • URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.5794868