光吸収性エアロゾルの混合状態を解像した全球エアロゾルモデルの開発と気候影響評価

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H04709
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 助教 (50549508)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 気候変動 / 大気環境 / 大気化学 / エアロゾル / 光吸収性エアロゾル / 全球気候モデル / 混合状態

Outline of Annual Research Achievements

大気微粒子（エアロゾル）と放射・雲との相互作用（直接・間接効果）は、気候変動予測における最大の不確定要因の1つになっている。直接・間接効果の推定では、エアロゾルの粒径分布と光吸収性エアロゾル（ブラックカーボン、ダスト、酸化鉄など）の混合状態の推定精度が鍵を握る。本課題では、この粒径・混合状態を十分に表現できる世界初の全球エアロゾルモデルを開発し、光吸収性エアロゾル各成分およびエアロゾル全体の直接・間接効果の推定精度を飛躍的に向上させることを目的とする。
令和元年度は、これまで開発してきた全球エアロゾルモデルCAM5-chem/ATRASを用い、ブラックカーボンの放射強制力を推定した。まず、産業革命前（西暦1750年）、現在（西暦2010年）、将来（西暦2100 年）の排出量条件を用い、それぞれ5年間の計算を行った。そして、過去から現在にかけてと現在から将来にかけての各光吸収性成分の濃度とブラックカーボンの放射強制力を推定した。また、光吸収性エアロゾルの濃度、光吸収量、放射強制力に対する混合状態の重要性を評価するため、混合状態の表現を簡略化した感度実験を行い、簡略化しない表現（2次元ビン法）を用いたシミュレーションとの比較を行った。その結果、混合状態を簡略化した表現では、被覆成分による光吸収の増大効果を過大推定し、ブラックカーボンの放射強制力を30-40%程度過大推定することがわかった。また、硫酸塩エアロゾルや有機エアロゾルの生成速度やそれらの被覆速度の違いによって、ブラックカーボンの光吸収効率（単位質量あたりの光吸収量）も過去、現在、将来の排出量条件で大きく異なることを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和元年度は、これまで開発してきた全球エアロゾルモデルを用い、過去・現在・将来の排出量条件を用いた計算を行った。そして、ブラックカーボンの放射強制力や光吸収効率を推定し、それらを決めるプロセスや混合状態の重要性を明らかにした。これらの成果はおおむね計画通りである。これらの成果を米国誌のJournal of Geophysical Researchに投稿し、現在査読中である。また、査読付論文2本を共著論文として出版した。このほか、主著論文を1本、共著論文6本を査読付国際誌に投稿し、査読中である。
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

今後の研究においても、これまで開発してきたエアロゾルの粒径とブラックカーボン（BC）の混合状態の両方を詳細に表現する全球エアロゾルモデルCAM5-chem/ATRASを用い、ブラックカーボンを中心とする光吸収性エアロゾルの気候影響に関する数値モデル研究を継続的に進展させる。
今後の研究では、光吸収性エアロゾルとその気候影響評価において不確定性の大きいプロセスやパラメータの重要性を明らかにする研究を実施する。エアロゾル各成分の排出時の粒径分布・混合状態や輸送中の除去過程のモデル表現などは、光吸収性エアロゾルとその気候影響評価において不確定性の大きなプロセス・パラメータと考えられる。そこで、これらのプロセスとパラメータの不確定性幅を先行研究などに基づいて設定し、その不確定性幅の範囲で各プロセス・パラメータを変化させる感度実験を数十～50程度行う。そして、各プロセス・パラメータの不確定性幅が光吸収性エアロゾルの濃度やその放射強制力の推定精度に及ぼす影響を定量的に評価し、重要となるプロセス・パラメータを導出する。また、光吸収性エアロゾルの長距離輸送過程（海洋・極域への輸送）や雪氷・海洋への沈着量に対する各プロセス・パラメータの重要性・感度を評価する。この評価は、光吸収性エアロゾルの気候影響評価を大気圏のみならず海洋・陸域・雪氷を含めた地球システムとして理解する研究へ発展させていく上で重要な知見となる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Cornell University/NOAA Earth System Research Laboratory/Pacific Northwest National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Cornell University/NOAA Earth System Research Laboratory/Pacific Northwest National Laboratory
  • # of Other Institutions: 6
• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Stockholm University
• [Int'l Joint Research] Norwegian Meteorological Institute(ノルウェー)
  • Country Name: NORWAY
  • Counterpart Institution: Norwegian Meteorological Institute
• [Journal Article] Evaluation of global simulations of aerosol particle number and cloud condensation nuclei, and implications for cloud droplet formation (2019)
  • Author(s): Fanourgakis, G. S., M. Kanakidou, A. Nenes, S. E. Bauer, T. Bergman, K. S. Carslaw, A. Grini, D. S. Hamilton, J. S. Johnson, V. A. Karydis, A. Kirkevag, J. K. Kodros, U. Lohmann, G. Luo, R. Makkonen, H. Matsui, D. Neubauer, J. R. Pierce, J. Schmale, P. Stier et al.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 19 Pages: 8591-8617
  • DOI: doi:10.5194/acp-19-8591-2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 降水雲の過飽和度を観測から制約する：エアロゾル空間分布の予測のために (2019)
  • Author(s): 茂木信宏、森樹大、松井仁志、大畑祥
  • Journal Title: 大気化学研究 Volume: 41 Pages: 041A03
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Variation of atmospheric INP number concentrations during continuous monitoring on Tokyo Skytree in 2016/2017 (2020)
  • Author(s): Y. Tobo, J. Uetake, H. Matsui, Y. Uji, Y. Iwamoto, K. Miura, and R. Misumi
  • Organizer: Third Atmospheric Ice Nucleation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anthropogenic combustion iron as a complex climate forcer (2019)
  • Author(s): H. Matsui, N. M. Mahowald, N. Moteki, D. S. Hamilton, S. Ohata, A. Yoshida, M. Koike, R. A. Scanza, and M. G. Flanner
  • Organizer: SOLAS Open Science Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 航空機観測から解明された対流圏中の黒色炭素および酸化鉄エアロゾルの基本的動態 (2019)
  • Author(s): 茂木信宏、小池真、大畑祥、近藤豊、竹川暢之、足立光司、大島長、松井仁志、北和之、森樹大、吉田淳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Evaluation and improvement of the parameterization of aerosol hygroscopicity in global climate models using in-situ surface measurements (2019)
  • Author(s): M. Burgos, G. Titos, E. Andrews, H. Bian, V. Buchard, G. Curci, A. Kirkevag, H. Matsui, C. Randles, K. Zhang, and P. Zieger
  • Organizer: 2019 ARM/ASR PI meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A global model-measurement evaluation of particle light scattering coefficients at elevated relative humidity (2019)
  • Author(s): M. Burgos, G. Titos, E. Andrews, H. Bian, V. Buchard, G. Curci, A. Kirkevag, H. Matsui, C. Randles, K. Zhang, and P. Zieger
  • Organizer: European Aerosol Conference EAC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ssessment on the differences between climate models and in-situ measurements of aerosol optical hygroscopic growth (2019)
  • Author(s): M. Burgos, G. Titos, E. Andrews, H. Bian, V. Buchard, G. Curci, A. Kirkevag, H. Matsui, C. Randles, K. Zhang, and P. Zieger
  • Organizer: European Meteorological Society Annual Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] From Asia to the Arctic/remote oceans: Recent BC observations by JAMSTEC and plans of model intercomparisons (2019)
  • Author(s): Y. Kanaya, F. Taketani, T. Miyakawa, C. Zhu, H. Kobayashi, Y-W. Kim, P. Mordovskoi, T. Maximov, K. Yamaji, M. Takigawa, Y. Kondo, and H. Matsui
  • Organizer: 3rd PACES Open Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of water uptake on aerosol light scattering: comparison of a new in-situ benchmark dataset to nine global climate models (2019)
  • Author(s): M. Burgos, G. Titos, E. Andrews, H. Bian, V. Buchard, G. Curci, A. Kirkevag, H. Matsui, C. Randles, K. Zhang, G. Myhre, T. van Noije, A. Benedetti, and P. Zieger
  • Organizer: Aerocom meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 黄砂飛来時における東京スカイツリーでの氷晶核の観測：2017年5月の事例 (2019)
  • Author(s): 當房豊、植竹淳、松井仁志、宇治靖、岩本洋子、森樹大、三浦和彦、三隅良平
  • Organizer: 日本気象学会2019年度秋季大会
• [Presentation] 北極域におけるブラックカーボンの航空機観測 (2019)
  • Author(s): 岩田拓己、大畑祥、吉田淳、茂木信宏、小池真、大島長、松井仁志
  • Organizer: 第24回大気化学討論会
• [Presentation] BarrowにおけるBC粒子の湿性沈着フラックスの季節変動 (2019)
  • Author(s): 森樹大、近藤豊、P. R. Sinha、Y. Zhao、小池真、B. Andrews、松井仁志、茂木信宏、大畑祥
  • Organizer: 第24回大気化学討論会
• [Presentation] Global-scale constraints on light-absorbing anthropogenic combustion iron oxide aerosols (2019)
  • Author(s): K. D. Lamb, H. Matsui, D. Fahey, J. Katich, A. Perring, R. Spackman, M. Thatcher, B. Weinzierl, and J. P. Schwarz
  • Organizer: ATOM Science Team Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Black carbon deposition in the respiratory tract: Insight from black carbon mixing-state-resolved GCM simulations (2019)
  • Author(s): J. Ching, M. Kajino, and H. Matsui
  • Organizer: 2019 AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of the particle light scattering enhancement factor within six climate models using surface-based in-situ measurements (2019)
  • Author(s): M. Burgos Simon, G. Titos, E. Andrews, H. Bian, V. Buchard, G. Curci, A. Kirkevag, H. Matsui, C. Randles, K. Zhang, and P. Zieger
  • Organizer: 2019 AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research