氷晶核の全球分布とその雲過程を通した気候影響の解明

• Project/Area Number: 23K24976
• Project/Area Number (Other): 22H03722 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 63010:Environmental dynamic analysis-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 茂木 信宏 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (20507818) ; 當房 豊 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (60572766)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 気候変動 / エアロゾル / エアロゾル－雲相互作用 / 氷晶核 / 全球気候モデル

Outline of Research at the Start

大気中の微粒子は、雲の氷晶の核（氷晶核）として働き、雲の放射収支などを変化させる。しかし、この過程についての科学的な知見は限られており、気候変動予測において大きな不確定要素となっている。この過程の解明のため、本研究では氷晶核に着目した新たな気候モデルを開発し、大気中における氷晶核の空間分布の推定を高度化する。そして、氷晶核が雲の放射収支などに与える気候影響の推定精度を向上させる。

Outline of Annual Research Achievements

大気中の微粒子は、雲の氷晶の核（氷晶核）として働き、雲の放射収支などを変化させる。しかし、この過程についての科学的な知見は限られており、気候変動予測において大きな不確定要素となっている。この過程を解明するため、本研究では氷晶核に着目した新たな気候モデルを開発し、大気中の氷晶核の空間分布の推定を高度化する。そして、氷晶核が雲の放射収支などに与える気候影響の推定精度を向上させる。
令和4年度は、氷晶核として働く各種エアロゾルを我々がこれまで開発してきた気候モデル（CAM-ATRAS）に導入し、それらの全球分布を計算可能にした。また、鉱物ダストについては、我々のこれまでの氷晶核観測によって、北極域で放出されるダストが、一般的なダスト（砂漠起源の粒子）と比べて非常に高い氷晶核能（氷晶核へのなりやすさ）を持つことを明らかにしてきた。本研究では、この観測に基づいて北極域で放出されるダストの氷晶核能の温度依存性を定式化し、気候モデルに導入した。
そして、北極域で放出されるダスト特有の高い氷晶核能を考慮したモデル計算によって、それを考慮しない従来の計算と比べて北極域の対流圏下層の氷晶核数が100倍以上増加することを示し、北極域の様々な地点での氷晶核の観測結果をより良く再現することに成功した。これらの結果から、北極域で放出される氷晶核能が非常に高いダストが、北極域の夏季対流圏下層の氷晶核に対して支配的な寄与を持ち、北極域の下層雲における氷晶形成において重要な役割を果たすことを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和4年度は、我々がこれまで開発してきた気候モデル（CAM-ATRAS）を用いて、鉱物ダストの氷晶核能に関するモデル開発・改良などを行った。また、数値モデル計算を氷晶核などの観測データによって比較・検証した。これらの内容は、おおむね計画通りである。また、このモデルを用いて、北極域で放出されるダストが、北極域の夏季対流圏下層の氷晶核数の大部分を占め、北極域の下層雲における氷晶形成において主要な役割を果たすことを示した。これらの成果を地球物理学分野で権威のある査読付国際誌Geophysical Research Lettersに投稿し、受理された。このほか、主著論文2本、共著論文7本を査読付国際誌に投稿し、出版した。
これらの理由から本課題はおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

これまでの我々の研究では、エアロゾルの微物理特性や大気中での変質・除去過程などを詳細に表現・計算する気候モデル（CAM-ATRAS）を開発し、エアロゾルの空間分布や放射・雲過程との相互作用の推定などを高度化してきた。今後の研究においても、CAM-ATRASをベースとしたモデル開発・検証を継続する。まず、先行研究の室内実験・大気観測で得られてきた氷晶核能のデータを用いて、固体エアロゾル各成分の氷晶核能の温度依存性を定式化し、モデルに導入する。そして、このモデルを用いた全球計算を実施し、世界の様々な領域の地上観測、航空機観測、地上放射観測網、衛星観測を用いて、固体エアロゾル各成分の全球分布の検証を行う。また、我々が北極域のニーオルソンなどで継続的に行っている氷晶核能の長期地上観測を用い、気候モデルで計算される大気エアロゾルの氷晶核能の季節変動などを検証する。また、氷晶核が混合相雲の微物理特性や放射収支（放射強制力）を変化させる効果について、全球分布を推定する。これらは、固体エアロゾル全成分の氷晶核能を0～10倍の範囲で増減させた感度実験などを行い、それによる氷晶核数、雲の微物理特性、雲の放射収支の変化量を計算することによって推定する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Cornell University/Colorado State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Norwegian Polar Institute/NILU/University of Oslo(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] Alfred Wegener Institute/University of Cologne(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ETH Zurich/EPFL/University of Basel(スイス)
• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [Journal Article] Dominant Role of Arctic Dust With High Ice Nucleating Ability in the Arctic Lower Troposphere (2023)
  • Author(s): Kawai Kei、Matsui Hitoshi、Tobo Yutaka
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 50 Issue: 8 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1029/2022gl102470
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Climate-relevant properties of black carbon aerosols revealed by in situ measurements: a review (2023)
  • Author(s): Moteki Nobuhiro
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40645-023-00544-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measurements of aerosol particle size distributions and INPs over the Southern Ocean in the late austral summer of 2017 on board the R/V Mirai: Importance of the marine boundary layer structure (2023)
  • Author(s): Miyakawa, T., Taketani, F., Tobo, Y., Matsumoto, K., Yoshizue, M., Takigawa, M., Kanaya, Y.
  • Journal Title: Earth and Space Science Volume: 10 Issue: 3
  • DOI: 10.1029/2022ea002736
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] エアロゾル－放射・雲相互作用 (2023)
  • Author(s): 松井仁志、大畑祥、當房豊、松木篤、板橋秀一、大島長、鈴木健太郎、佐藤陽祐
  • Journal Title: 大気化学研究 Volume: 48
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Studies on Aerosols and Clouds Using Tokyo Skytree (2022)
  • Author(s): 三隅 良平，岩本 洋子，當房 豊，森 樹大，三浦 和彦
  • Journal Title: Earozoru Kenkyu Volume: 37 Issue: 2 Pages: 96-103
  • DOI: 10.11203/jar.37.96
  • ISSN: 0912-2834, 1881-543X
  • Year and Date: 2022-06-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Contrasting source contributions of Arctic black carbon to atmospheric concentrations, deposition flux, and atmospheric and snow radiative effects (2022)
  • Author(s): Matsui Hitoshi、Mori Tatsuhiro、Ohata Sho、Moteki Nobuhiro、Oshima Naga、Goto-Azuma Kumiko、Koike Makoto、Kondo Yutaka
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 22 Issue: 13 Pages: 8989-9009
  • DOI: 10.5194/acp-22-8989-2022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Atmospheric Radiative and Oceanic Biological Productivity Responses to Increasing Anthropogenic Combustion‐Iron Emission in the 1850-2010 Period (2022)
  • Author(s): Rathod S. D.、Hamilton D. S.、Li L.、Mahowald N. M.、Matsui H.、Pierce J. R.、Bond T. C.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 16
  • DOI: 10.1029/2022gl099323
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Substantial Uncertainties in Arctic Aerosol Simulations by Microphysical Processes Within the Global Climate‐Aerosol Model CAM‐ATRAS (2022)
  • Author(s): Matsui Hitoshi、Liu Mingxu
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 127 Issue: 17
  • DOI: 10.1029/2022jd036943
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Using modelled relationships and satellite observations to attribute modelled aerosol biases over biomass burning regions (2022)
  • Author(s): Zhong, Q., Schutgens, N., van der Werf, G., van Noije, T., Bauer, S. E., Tsigaridis, K., Mielonen, T., Checa-Garcia, R., Neubauer, D., Kipling, Z., Kirkevag, A., Olivie;, D. J. L., Kokkola, H., Matsui, H., Ginoux, P., Takemura, T., Le Sager, P., Remy, S., Bian, H., Chin, M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 5914-5914
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33680-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Secondary Organic Aerosol Formation Regulates Cloud Condensation Nuclei in the Global Remote Troposphere (2022)
  • Author(s): Liu Mingxu、Matsui Hitoshi
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 18
  • DOI: 10.1029/2022gl100543
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Marked rebound of agricultural fire emissions in Asia after the outbreak of COVID-19 (2022)
  • Author(s): Liu Mingxu、Yao Huan、Matsui Hitoshi
  • Journal Title: Environmental Research Letters Volume: 17 Issue: 11 Pages: 114059-114059
  • DOI: 10.1088/1748-9326/ac9e69
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification and particle sizing of submicron mineral dust by using complex forward-scattering amplitude data (2022)
  • Author(s): Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Adachi Kouji
  • Journal Title: Aerosol Science and Technology Volume: Online Issue: 7 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1080/02786826.2022.2057839
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Composition and mixing state of Arctic aerosol and cloud residual particles from long-term single-particle observations at Zeppelin Observatory, Svalbard (2022)
  • Author(s): Adachi Kouji、Tobo Yutaka、Koike Makoto、Freitas Gabriel、Zieger Paul、Krejci Radovan
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 22 Issue: 21 Pages: 14421-14439
  • DOI: 10.5194/acp-22-14421-2022
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Ny-Alesund Aerosol Cloud Experiment (NASCENT): Overview and First Results (2022)
  • Author(s): Pasquier J. T.、David R. O.、Freitas G.、Gierens R.、Gramlich Y.、Haslett S.、Li G.、Sch?fer B.、Siegel K.、Wieder J.、Adachi K. et al
  • Journal Title: Bulletin of the American Meteorological Society Volume: 103 Issue: 11 Pages: E2533-E2558
  • DOI: 10.1175/bams-d-21-0034.1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Classification of aerosol-cloud interaction regimes over Tokyo (2022)
  • Author(s): Misumi Ryohei、Uji Yasushi、Miura Kazuhiko、Mori Tatsuhiro、Tobo Yutaka、Iwamoto Yoko
  • Journal Title: Atmospheric Research Volume: 272 Pages: 106150-106150
  • DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106150
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A full-year record of ice nucleating particles and related aerosols over Svalbard during MOSAiC 2019/20 (2023)
  • Author(s): Tobo, Y., Adachi, K., Matsui, H., Kawai, K., Ohata, S., Kondo, Y., Inoue, J., Koike, M.
  • Organizer: 2nd MOSAiC Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エアロゾルとその放射・雲影響の全球シミュレーション (2023)
  • Author(s): 松井 仁志
  • Organizer: 2022年度エアロゾル・雲・降水に関する研究集会
• [Presentation] スヴァールバル諸島での氷晶核粒子の変動に関する考察 (2023)
  • Author(s): 當房 豊, 足立 光司, 松井 仁志, 河合 慶, 大畑 祥, 近藤 豊, 猪上 淳, 小池 真
  • Organizer: 2022年度エアロゾル・雲・降水に関する研究集会
• [Presentation] アジアダストの発生・輸送・気候影響に対する臨界摩擦速度の重要性 (2022)
  • Author(s): 河合 慶, 松井 仁志, 木村 玲二, 篠田 雅人
  • Organizer: 日本気象学会2022年度春季大会
• [Presentation] 粒子の微物理特性を表現した全球エアロゾルモデルの開発と気候影響評価 (2022)
  • Author(s): 松井 仁志
  • Organizer: 日本気象学会2022年度春季大会
• [Presentation] Sulfur isotope ratio of sulfate aerosols in an Antarctic Dome Fuji ice core during the last glacial period: a potential contribution from the Atacama Desert (2022)
  • Author(s): Uemura, R., Masaka, K., Iizuka, Y., Hirabayashi, M., Matsui, H., Matsumoto, R., Uemura, M., Fujita, K., and Motoyama, H.
  • Organizer: PAGES 6th OSM 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 最終氷期における南極ドームふじ氷床コアの硫酸塩エアロゾルの硫黄同位体を用いた起源推定:アタカマ砂漠からの寄与の可能性 (2022)
  • Author(s): 植村 立, 眞坂 昂佑, 飯塚 芳徳, 平林 幹啓, 松井 仁志, 松本 理誠, 植村 美希, 藤田 耕史, 本山 秀明
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] High sensitivity of Asian dust emission, transport, deposition, and climate impacts to threshold friction velocity (2022)
  • Author(s): 河合 慶, 松井 仁志, 木村 玲二, 篠田 雅人
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 大気化学の将来構想：エアロゾルの動態と放射・雲過程との相互作用 (2022)
  • Author(s): 松井 仁志, 大畑 祥, 當房 豊, 松木 篤, 板橋 秀一, 大島 長, 鈴木 健太郎, 佐藤 陽祐
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] The underappreciated role of anthropogenic sources in atmospheric soluble iron flux to the Southern Ocean (2022)
  • Author(s): Liu, M. and Matsui, H.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Secondary organic aerosol formation regulates cloud condensation nuclei in the global remote troposphere (2022)
  • Author(s): Liu, H. and Matsui, H.
  • Organizer: AGU fall meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Assessment of dust source attribution to the global land and ocean regions (2022)
  • Author(s): Kim, D., Chin, M., Schuster, G., Takemura, T., Tuccella, P., Ginoux, P., Liu, X., She, Y., Matsui, H., Tsigaridis, K.
  • Organizer: AGU fall meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constraining the complex refractive index of black carbon and light-absorbing iron oxides according to their complex forward-scattering amplitude at 633 nm wavelength (2022)
  • Author(s): Moteki, N., Ohata, S., Yoshida, A., and Adachi, K.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Insights from a year-round record of ice nucleating particles over Svalbard during MOSAiC (2022)
  • Author(s): Tobo, Y., Matsui, H., Kawai, K., Ohata, S., Kondo, Y., Hermansen, O., Adachi, K., Inoue, J., Koike, M.
  • Organizer: 3rd CATCH Open Science Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks]
  • URL: https://has.env.nagoya-u.ac.jp/~matsui/
• [Remarks]
  • URL: https://researchmap.jp/yutaka.tobo/