Assessment on climate impacts of short-lived climate forcers by composition and region with hierarchical numerical models

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H05669
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 竹村 俊彦 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90343326)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 須藤 健悟 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (40371744) ; 鈴木 健太郎 東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (00396946) ; 五藤 大輔 国立研究開発法人国立環境研究所, 地域環境研究センター, 主任研究員 (80585068) ; 道端 拓朗 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (30834395)
• Project Period (FY): 2019-06-26 – 2024-03-31
• Keywords: 短寿命気候強制因子 / 気候モデル / 気候変動 / 大気汚染 / エアロゾル / 雲 / 降水 / 微量気体

Outline of Annual Research Achievements

従来型の気候モデルにおいて診断的に取り扱われてきた降雨・降雪を予報し、その放射過程も陽に計算する新しい降水スキームを気候モデルMIROCへ導入した。その結果、雲量や降水の素過程の再現性が大幅に改善されたほか、人為起源エアロゾルによる有効放射強制力についても観測による制約を満たすシミュレーションが可能となった。
気候モデルMIROCにおいて、主要な短寿命気候強制因子（SLCFs）である硫酸塩エアロゾルおよびブラックカーボン（BC）がもたらす熱帯降水帯（ITCZ）のシフトが、モデル内の微物理過程・積雲対流過程の定式化にどのように依存するかを系統的に調べた。また、同モデルの降雨・放射過程において、サブ格子スケールの雲水変動の効果を考慮するスキームを開発し、雲水不均質性の全球気候場への影響を評価した。
NICAMにSLCFsの過程を結合したNICAM-Chemを用いて、硫酸塩エアロゾルおよびBCの排出量を増加させた場合の放射収支の変化を調査した。その結果、MIROCを用いて得られた結果と比較して、ブラックカーボン濃度変化による曇天での放射フラックスの変化は、MIROCとは異なる値を示すことが明らかとなった。
UNEP/WMOのClimate and Clean Air Coalitionの下で進められているメタン排出削減に関するモデル相互比較実験に、化学気候モデルMIROC-CHASERを用いて参加し、人為起源メタン排出を抑制した際に期待できる対流圏オゾン量の減少などについて評価した。MIROC-SPRINTARSおよびMIROC-CHASERについては、IPCC第6次評価報告書にて使用されるAeroChemMIPにも参画したほか、各種観測データを用いたエアロゾル・化学計算過程の改良も行った。
研究代表者の竹村は西日本文化賞奨励賞を受賞し、Highly Cited Researchers (HCR)へ6年連続で選出された。研究分担者の須藤もHCRへ選出された。研究分担者の道端は日本気象学会山本賞を受賞した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

降水を予報する新しいパラメタリゼーションの構築を初年度前半で達成できた。その際、微物理過程に内存するパラメータへの感度の調査が十分でなく、特に雲氷・降雪の鉛直分布や過冷却水滴の割合が観測結果と整合しないなど、いくつかの課題点が残されていた。それらの点について、今年度後半に、モデルに不確実性をもたらす様々なパラメータの感度を系統的に調査し、気候モデルの共通バイアスの一つである雲量の過小評価バイアスや降水生成の頻度・強度のバイアスを顕著に改善することができた。
SLCFsの組成別・地域別での影響評価のために、硫酸塩エアロゾルおよびBCの南北非対称な放射強制によるITCZの南北シフトが、雲・降水過程のモデル表現の不確実性にどのように影響されるかを解析できた。また、このような不確実性を軽減するために、気候モデルにおけるサブ格子スケールの雲の不均質性の降雨・放射過程への影響を考慮するスキームをMIROCに導入し、同モデルを高度化できた。さらに、NICAM上でエアロゾルの粒子サイズを陽に表現するビン型エアロゾルスキームを開発し、良好な初期結果を得た。
雲システムを解像できるNICAM-Chemを用いることで、解像度の粗い気候モデルでは再現できなかった北極域でのBCや硫酸塩エアロゾル濃度場および季節変動について、観測データと整合的に再現することができた。そこで、NICAM-Chemを用いて、SLCFs関連排出量を変化させる実験を開始し、初期的な解析を進めている。
主に微量気体と大気化学過程をターゲットとするMIROC-CHASERを用いて、SLCFsの重要な成分であるメタンに着目した感度実験を実施し、放射強制力やオゾン分布変動に関する重要な知見を得た。また、BCや二次有機エアロゾルなど、CHASERの化学・エアロゾル相互作用計算過程についても、改良・精緻化が進められた。

Strategy for Future Research Activity

研究期間後半に実施予定の大規模な感度実験および統合解析に備えて、2年度目は引き続きMIROC-SPRINTARS, MIROC-CHASER, NICAM-Chemを用いた予備実験を実施し、SLCFs関連排出量変化に伴う気象場の感度を解析する。研究期間後半は、組成別・地域別・燃料起源や森林火災起源などの起源別に発生量を変動させる大規模な感度実験を実施し、放射強制力のほか、主に大気が関わる数日～数年スケールの速い応答と、海洋も関わる数十年スケールの遅い応答による気候変化を統合的に解析する。NICAMは、高解像度シミュレーションにより、SLCFsが関わる雲・降水過程の変動と気候影響との関係性を詳細に理解するために利用する。
また、SLCFsの気候影響を定量化するにあたり、雲・降水素過程を中心として、スキームの改良を引き続き行う。気候モデルが特に苦手としている雲・降水過程の再現性をさらに向上させるためには、サブグリッドの雲・降水の取り扱いをより高度化することが重要である。雲の水平不均一性を陽に考慮した降水生成スキームを、初年度に開発した降水予報型スキームに結合することで、数値モデルの高度化を図る。また、雲域全体から降水が生じることを仮定している現在の取り扱いを見直し、降水の水平不均一性も考慮する新しいスキームの導入を検討している。エアロゾルが関わる不均質凍結による雲氷生成のパラメタリゼーションの精緻化も実施する予定である。
本研究課題は、SLCFsに関わる気候モデル相互比較プロジェクトと連携して、国際的な学術コミュニティーの発展に寄与する。また、気候変動緩和へ向けた国際的な潮流が加速しつつある中で、研究参画者が関わるAsia Pacific Clean Air Partnership (APCAP)や、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）インベントリタスクフォース（TFI）のSLCFs排出量推計ガイドライン新規策定など、政策や一般社会活動に資する科学的知見を提供する活動を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA Goddard Space Flight Center/Duke University/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: NASA Goddard Space Flight Center/Duke University/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory
  • # of Other Institutions: 7
• [Int'l Joint Research] Met Norway/CICERO(ノルウェー)
  • Country Name: NORWAY
  • Counterpart Institution: Met Norway/CICERO
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-Institut fur Meteorologie/University of Leipzig(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Planck-Institut fur Meteorologie/University of Leipzig
• [Int'l Joint Research] University of Reading/University of Oxford(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Reading/University of Oxford
• [Int'l Joint Research] University Blaise Pascal(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: University Blaise Pascal
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 2
• [Journal Article] Surprising similarities in model and observational aerosol radiative forcing estimates (2020)
  • Author(s): Gryspeerdt, E., J. Mulmenstadt, A. Gettelman, F. F. Malavelle, H. Morrison, D. Neubauer, D. G. Partridge, P. Stier, T. Takemura, H. Wang, M Wang, and K. Zhang
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 20 Pages: 613～623
  • DOI: 10.5194/acp-20-613-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of a multi-model, multi-constituent assimilation framework for tropospheric chemical reanalysis (2020)
  • Author(s): Miyazaki, K., K. W. Bowman, K. Yumimoto, T. Walker, and K. Sudo
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 20 Pages: 931～967
  • DOI: 10.5194/acp-20-931-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Model Inter-Comparison for PM2.5 Components over urban Areas in Japan in the J-STREAM Framework (2020)
  • Author(s): Yamaji, K., S. Chatani, S. Itahashi, M. Saito, M. Takigawa, T. Morikawa, I. Kanda, Y. Miya, H. Komatsu, T. Sakurai, Y. Morino, K. Kitayama, T. Nagashima, H. Shimadera, K. Uranishi, Y. Fujiwara, T. Hashimoto, K. Sudo, T. Misaki, and H. Hayami
  • Journal Title: Atmosphere Volume: 11 Pages: －
  • DOI: 10.3390/atmos11030222
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Incorporation of inline warm rain diagnostics into the COSP2 satellite simulator for process-oriented model evaluation (2019)
  • Author(s): Michibata, T., K. Suzuki, T. Ogura, and X. Jing
  • Journal Title: Geoscientific Model Development Volume: 12 Pages: 4297～4307
  • DOI: 10.5194/gmd-12-4297-2019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of global atmospheric aerosol emission change on PM2.5-related health impacts (2019)
  • Author(s): Seposo, X., K. Ueda, S. S. Park, K. Sudo, T. Takemura, and T. Nakajima
  • Journal Title: Global Health Action Volume: 12 Pages: －
  • DOI: 10.1080/16549716.2019.1664130
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Water vapour adjustments and responses differ between climate drivers (2019)
  • Author(s): Hodnebrog, O;., G. Myhre, B. H. Samset, K. Alterskjar, T. Andrews, O. Boucher, G. Faluvegi, D. Flaschner, P. M. Forster, M. Kasoar, A. Kirkevag, J.-F. Lamarque, D. Olivie, T. B. Richardson, D. Shawki, D. Shindell, K. P. Shine, P. Stier, T. Takemura, A. Voulgarakis, and D. Watson-Parris
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 19 Pages: 12887～12899
  • DOI: 10.5194/acp-19-12887-2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Asian and Trans‐Pacific Dust: A Multimodel and Multiremote Sensing Observation Analysis (2019)
  • Author(s): Kim D., M. Chin, H. Yu, X. Pan, H. Bian, Q. Tan, R. A. Kahn, K. Tsigaridis, S. E. Bauer, T. Takemura, L. Pozzoli, N. Bellouin, and M. Schulz
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 124 Pages: 13534～13559
  • DOI: 10.1029/2019JD030822
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficacy of Climate Forcings in PDRMIP Models (2019)
  • Author(s): Richardson, T. B., P. M. Forster, C. J. Smith, A. C. Maycock, T. Wood, T. Andrews, O. Boucher, G. Faluvegi, D. Flaschner, O. Hodnebrog, M. Kasoar, A. Kirkevag, J.-F. Lamarque, J. Mulmenstadt, G. Myhre, D. Olivie, R. W. Portmann, B. H. Samset, D. Shawki, D. Shindell, P. Stier, T. Takemura, A. Voulgarakis, et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 124 Pages: 12824～12844
  • DOI: 10.1029/2019JD030581
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Clear-sky ultraviolet radiation modelling using output from the Chemistry Climate Model Initiative (2019)
  • Author(s): Lamy, K., T. Portafaix, B. Josse, C. Brogniez, S. Godin-Beekmann, H. Bencherif, L. Revell, H. Akiyoshi, S. Bekki, M. I. Hegglin, P. Jockel, O. Kirner, B. Liley, V. Marecal, O. Morgenstern, A. Stenke, G. Zeng, N. L. Abraham, A. T. Archibald, N. Butchart, M. P. Chipperfield, G. Di Genova, M. Deushi, ..., K. Sudo, et al.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 19 Pages: 10087～10110
  • DOI: 10.5194/acp-19-10087-2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strengthened Indian Summer Monsoon Precipitation Susceptibility Linked to Dust‐Induced Ice Cloud Modification (2019)
  • Author(s): Patel, P. N., R. Gautam, T. Michibata, and H. Gadhavi
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 46 Pages: 8431～8441
  • DOI: 10.1029/2018GL081634
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Constraining responses of cloud and precipitation to aerosol perturbations: Satellite observations and global climate models (2020)
  • Author(s): Michibata, T., K. Suzuki, and T. Takemura
  • Organizer: American Meteorological Society 100th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Aiding climate modeling of aerosols and clouds with satellite observations (2020)
  • Author(s): Suzuki, K.
  • Organizer: The Joint PI Meeting of JAXA Earth Observations Missions FY2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microphysical signatures for warm clouds (2019)
  • Author(s): Suzuki, K.
  • Organizer: GEWEX Aerosol Precipitation Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical simulation of air pollutants for analyzing climate change (2019)
  • Author(s): Takemura, T.
  • Organizer: Forum “Math-for-Industry”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of size-resolving aerosol microphysics scheme for use in a global non-hydrostatic cloud-resolving model (2019)
  • Author(s): Cheng, C. T., and K. Suzuki
  • Organizer: The 2019 University Allied Workshop on Climate and Extreme Weather
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Difference in sensitivities to climate change between black carbon and sulfate aerosols (2019)
  • Author(s): Takemura, T., and K. Suzuki
  • Organizer: 18th AeroCom Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Significance of precipitation process in determining the aerosol indirect forcing (2019)
  • Author(s): Suzuki, K., T. Michibata, and X. Jing
  • Organizer: CFMIP Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward better representation of aerosols and clouds in climate models: Current status and problems to be addressed (2019)
  • Author(s): Takemura, T.
  • Organizer: 8th International EarthCARE Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differing impacts of absorbing and scattering aerosols on global energy budget: A climate modeling study (2019)
  • Author(s): Suzuki, K., T. Takemura, and S. Zhao
  • Organizer: 8th International EarthCARE Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconciling a compensating error between precipitation process constraint and energy budget requirement (2019)
  • Author(s): Michibata, T., K. Suzuki, and T. Takemura
  • Organizer: 8th International EarthCARE Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Global aerosol simulations with a cloud-system resolving model (2019)
  • Author(s): Goto, D.
  • Organizer: 8th International EarthCARE Science Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Process-based insight into precipitation susceptibility to aerosols in global models and satellite observations (2019)
  • Author(s): Suzuki, K., D. Goto, and T. Michibata
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A modeling study on climate impact of cloud water horizontal inhomogeneity (2019)
  • Author(s): Hotta H., K. Suzuki, and D. Goto
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prognostic precipitation in the MIROC6-SPRINTARS GCM: Improvements in aerosol-cloud-precipitation interactions (2019)
  • Author(s): Michibata, T., K. Suzuki, M. Sekiguchi, and T. Takemura
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 降水予報型MIROCにおけるエアロゾル・雲・降水相互作用プロセスの誤差補償の緩和 (2019)
  • Author(s): 道端拓朗, 鈴木健太郎, 竹村俊彦
  • Organizer: 日本気象学会2019年度秋季大会
• [Presentation] Development of size-resolving aerosol microphysics scheme for use in NICAM-SPRINTARS (2019)
  • Author(s): Cheng, C. T., 鈴木健太郎
  • Organizer: 日本気象学会2019年度秋季大会
• [Presentation] メタン削減による大気汚染・温暖化抑制効果の評価 (2019)
  • Author(s): 須藤健悟, 阿部学, D. Shindell
  • Organizer: 第24回大気化学討論会
• [Remarks] 科研費基盤S 階層的数値モデル群による短寿命気候強制因子の組成別・地域別定量的気候影響評価
  • URL: https://www.riam.kyushu-u.ac.jp/climate/KAKENHI_S/