Studies on long-term variations of the isoprene distribution in the troposphere and its effects on air quality using infrared spectroscopy

• Project/Area Number: 21H03589
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 63010:Environmental dynamic analysis-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 長濱 智生 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (70377779)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村田 功 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (00291245) ; 森野 勇 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 室長 (90321827)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2021: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: イソプレン / 赤外分光法 / 対流圏オゾン / 大気汚染物質 / 長期変動 / リトリーバル解析

Outline of Research at the Start

都市域とその周辺において大気汚染物質の増加による大気質の低下は住民の健康影響を引き起こす。そのため、それらを抑制し、大気質を保全することは今日的な課題である。
なかでも、イソプレンは大気中の酸化過程により、対流圏オゾン等の大気汚染物質を生成する。本研究では大気中のイソプレン濃度を太陽光赤外吸収スペクトル観測データから解析する手法を確立し、対流圏オゾン等の大気汚染物質と併せて上空のイソプレン濃度の過去20年間以上にわたる長期動態を世界で初めて観測的に明らかにする。さらにイソプレンと大気汚染物質の濃度変動の関係とその要因を化学輸送モデルも活用して解明し、大気質の評価と将来予測の精緻化等に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は赤外分光法による太陽光吸収スペクトル観測からイソプレン濃度を解析する手法を新たに開発し、過去20年以上に及ぶ観測データから大気中のイソプレンと大気汚染物質の濃度を解析してそれらの関係と要因について化学輸送モデルも活用して解明することを目的とする。
３年次も、陸別及びつくばで稼働する高分解能FTIRによる太陽光吸収スペクトル観測を継続し、データを取得した。イソプレンカラム量解析は、新たにつくばで取得されたデータに対して狭帯域プロトコルによる解析を行った。得られたイソプレンの時間変動は陸別と異なり、不規則な季節変動と減少トレンドが現れた。これは従来の知見とは異なることから、解析プロトコルの問題であると考えられる。つくばは都市域に近く、緯度も低いため、水蒸気等の影響が陸別よりも大きい。さらに、国際ネットワーク観測では、極域から熱帯域まで観測地点を展開しており、水蒸気量などの環境が大きく異なるため、この問題を解決することが不可欠である。そこで、我々はオーストラリア及びベルギーの研究機関と協力し、彼らの観測データを提案予定の解析プロトコルで解析を行い、問題点を明らかにする取り組みを開始した。
ラグランジュ型化学輸送モデルについては、対流圏化学反応モデルの取り込みとプログラム改良を行い、1999年3月に陸別上空で見られたイソプレンカラム量の増加イベントの再現を試みた。しかし、イソプレンカラム量の増加は再現できず、季節変化も観測値の1/4以下となり、化学反応のモデル記述に問題があることがわかった。
名古屋に設置した高分解能FTIRに関しては、メーカとの協力により装置内部の電子部品の調査を行い、原因が電源部品劣化による電圧リップルであることがわかったため、交換品を発注している。今後、メーカの協力のもとで再立ち上げを行って、都市域の大気微量成分の観測を行う。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Center for Atmospheric Research/Jet Propulsion Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] BIRA-IASB(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Wollongong(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] National Center for Atmospheric Research/Jet Propulsion Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] BIRA-IASB(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] National Center for Atmospheric Research/Jet Propulsion Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] BIRA-IASB(ベルギー)
• [Journal Article] Bias correction of OMI HCHO columns based on FTIR and aircraft measurements and impact on top-down emission estimates (2024)
  • Author(s): Muller, J.-F., Stavrakou, T., Oomen, G.-M., Opacka, B., De Smedt, I., Guenther, A., Vigouroux, C., Langerock, B., Aquino, C. A. B., Grutter, M., Hannigan, J., Hase, F., Kivi, R., Lutsch, E., Mahieu, E., Makarova, M., Metzger, J.-M., Morino, I., Murata, I., Nagahama, T., Notholt, J., Ortega, I., Palm, M., et al.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 24 Issue: 4 Pages: 2207-2237
  • DOI: 10.5194/acp-24-2207-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Validation of OMPS Suomi NPP and OMPS NOAA‐20 Formaldehyde Total Columns With NDACC FTIR Observations (2023)
  • Author(s): H.-A. Kwon, G. Gonzalez Abad, C. R. Nowlan, H. Chong, A. H. Souri, C. Vigouroux, A. Rohling, R. Kivi, M. Makarova, J. Notholt, M. Palm, H. Winkler, Y. Te, R. Sussmann, M. Rettinger, E. Mahieu, K. Strong, E. Lutsch, S. Yamanouchi, T. Nagahama, J. W. Hannigan, M. Zhou, I. Murata, M. Grutter, et al. (I. Morino)
  • Journal Title: Earth and Space Science Volume: 10 Issue: 5
  • DOI: 10.1029/2022ea002778
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalies of O3, CO, C2H2, H2CO, and C2H6 detected with multiple ground-based Fourier-transform infrared spectrometers and assessed with model simulation in 2020: COVID-19 lockdowns versus natural variability (2023)
  • Author(s): Ortega Ivan, Gaubert Benjamin, Hannigan James W., Brasseur Guy, Worden Helen M., Blumenstock Thomas, Fu Hao, Hase Frank, Jeseck Pascal, Jones Nicholas, Liu Cheng, Mahieu Emmanuel, Morino Isamu, Murata Isao, Notholt Justus, Palm Mathias, Rohling Amelie, Te Yao, Strong Kimberly, Sun Youwen, Yamanouchi Shoma
  • Journal Title: Elem Sci Anth Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1525/elementa.2023.00015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Long-range transport of CO and aerosols from Siberian biomass burning over northern Japan during 18?20 May 2016 (2023)
  • Author(s): Ngoc Trieu Tran Thi、Morino Isamu、Uchino Osamu、Tsutsumi Yukitomo、Izumi Toshiharu、Sakai Tetsu、Shibata Takashi、Ohyama Hirofumi、Nagahama Tomoo
  • Journal Title: Environmental Pollution Volume: 322 Pages: 121129-121129
  • DOI: 10.1016/j.envpol.2023.121129
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nitrous Oxide Profiling from Infrared Radiances (NOPIR): Algorithm Description, Application to 10 Years of IASI Observations and Quality Assessment (2022)
  • Author(s): Vandenbussche Sophie、et al. (Morino Isamu、Nagahama Tomoo)
  • Journal Title: Remote Sensing Volume: 14 Issue: 8 Pages: 1810-1810
  • DOI: 10.3390/rs14081810
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global Atmospheric OCS Trend Analysis From 22 NDACC Stations (2022)
  • Author(s): Hannigan James W.、et al. (Morino Isamu, Murata Isao, Nagahama Tomoo)
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 127 Issue: 4 Pages: 1-28
  • DOI: 10.1029/2021jd035764
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First ground-based Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer observations of HFC-23 at Rikubetsu, Japan, and Syowa Station, Antarctica (2021)
  • Author(s): Takeda Masanori、Nakajima Hideaki、Murata Isao、Nagahama Tomoo、Morino Isamu、Toon Geoffrey C.、Weiss Ray F.、Muhle Jens、Krummel Paul B.、Fraser Paul J.、Wang Hsiang-Jui
  • Journal Title: Atmospheric Measurement Techniques Volume: 14 Issue: 9 Pages: 5955-5976
  • DOI: 10.5194/amt-14-5955-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Validation of methane and carbon monoxide from Sentinel-5 Precursor using TCCON and NDACC-IRWG stations (2021)
  • Author(s): Sha Mahesh Kumar、et al., (Morino Isamu、Nagahama Tomoo)
  • Journal Title: Atmospheric Measurement Techniques Volume: 14 Issue: 9 Pages: 6249-6304
  • DOI: 10.5194/amt-14-6249-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A study of interannual variation of ozone and other minor constituents in the stratosphere using digital filters (2023)
  • Author(s): Tianliang Yang, Tomoo Nagahama, Tac Nakajima
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 名古屋に設置された高分解能FTIR装置による都市域大気組成モニタリング観測 (2023)
  • Author(s): 長濵智生、水野亮、中島拓、村田功、森野勇
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] A new urban observation site in Nagoya, Japan (2023)
  • Author(s): Tomoo Nagahama, Akira Mizuno, Tac Nakajima, Isao Murata, Isamu Morino, Hideaki Nakajima
  • Organizer: NDACC/IRWG-TCCON-COCCON Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Long-term variation of isoprene column amount measured with high-resolution FTIR at Rikubetsu, Japan (2023)
  • Author(s): Tomoo Nagahama, Isao Murata, Isamu Morino
  • Organizer: NDACC/IRWG-TCCON-COCCON Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Retrieval of methane isotopes at 3 and 8 micron regions from the spectra observed at Tsukuba, Japan (2023)
  • Author(s): I. Murata, T. Nagahama, H. Nakajima, I. Morino
  • Organizer: NDACC/IRWG-TCCON-COCCON Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aura/MLS 衛星データによる日食時の中高層大気微量分子応答の統計解析 (2023)
  • Author(s): Tianliang Yang, Tomoo Nagahama, Taku Nakajima, Akira Mizuno
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会2023年秋季年会
• [Presentation] 高分解能FTIR観測よる陸別上空のHCFC-22、HFC-23カラム量の再解析 (2023)
  • Author(s): 杉本一郎, 長濱智生, 森野勇
  • Organizer: 第28回大気化学討論会
• [Presentation] 高分解能FTIRによるイソプレンカラム量解析と時間変動 (2023)
  • Author(s): 長浜智生、森野勇、村田功
  • Organizer: 第28回大気化学討論会
• [Presentation] つくばFTIR観測で捉えたHCFC-22の減少 (2023)
  • Author(s): 村田功、長濱智生、森野 勇、中島英彰
  • Organizer: 第28回大気化学討論会
• [Presentation] Characteristics of the Digital Filter Method for the Analyses of Long-term Variations of Stratospheric Ozone and Other Species with AURA/MLS Satellite Data (2022)
  • Author(s): 楊天量、長浜智生、中島拓
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Description of the NIES FTIR observing system at Tsukuba, Japan: candidate for qualification as NDACC instrument (2022)
  • Author(s): I. Murata, I. Morino, H. Nakajima
  • Organizer: TCCON/COCCON/NDACC 2022 Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FTIR観測によるメタン同位体導出 (2022)
  • Author(s): 村田功、長浜智生、中島英彰、森野勇
  • Organizer: 第27回大気化学討論会
• [Presentation] 陸別高分解能FTIRによるイソプレンカラム量の長期変動解析 (2022)
  • Author(s): 長濱智生, 村田功, 森野勇
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 地上高分解能FTIRによる太陽光吸収スペクトルからのイソプレンカラム量解析手法の研究 (2021)
  • Author(s): 長濱智生, 森野勇, 村田功
  • Organizer: 第26回大気化学討論会
• [Remarks] 大気圏環境変動研究室
  • URL: https://skx1.isee.nagoya-u.ac.jp/
• [Remarks] 名古屋大学宇宙地球環境研究所
  • URL: https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/