夏季の成層圏-対流圏結合系における力学-放射-化学過程の解明と気候影響評価

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04070
• Research Institution: Japan, Meteorological Research Institute
• Principal Investigator: 出牛 真 気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (00354499)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 康平 気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 研究官 (10636038)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 化学-気候相互作用 / 成層圏対流圏結合 / 気候モデリング / 気候変動 / 成層圏オゾン

Outline of Annual Research Achievements

放射・化学過程が成層圏－対流圏力学結合に及ぼす影響の解明は気象・気候予測精度向上にとって重要な課題であり、その気候影響も明らかにする必要がある。本研究では、地球システムモデルにおける化学場とその放射加熱・冷却場の表現を高度化して、中高緯度の成層圏－対流圏結合系における力学ー放射ー化学相互作用を、特に夏季に焦点を当てて明らかにする。
本研究課題の初年度にあたる本年度は、主に以下のことを実施した。気象研究所地球システムモデル（MRI-ESM2）における化学場とその放射加熱・冷却場の表現の高度化と種々の観測データによる精度検証を、第6期結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP6）への参加を通して実施した。とりわけ、中～上部対流圏での積雲鉛直輸送過程の高度化、成層圏ブリュワー・ドブソン循環による物質輸送の精度検証、並びに水酸基ラジカル類の化学反応過程の検証を実施した（Garfinkel et al., 2021; Keeble et al., 2021; Griffiths et al., 2021他）。
また、南半球の成層圏突然昇温時における成層圏オゾンの大規模変動が成層圏対流圏結合を介して対流圏の力学場に及ぼす影響を調査するため、高度化したMRI-ESM2を用いて大規模アンサンブルシミュレーションを実施した。成層圏オゾンの変動が大気波動のフィードバックを介して成層圏対流圏の力学結合を有意に変調し、南半球中高緯度における対流圏の大循環に数ヶ月スケールで有意に影響を及ぼしていることが明らかになっており、その感度実験結果を取りまとめた論文執筆を行なっているところである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究は順調に進んでいる。研究目的の一つであった気象研究所地球システムモデル (MRI-ESM2）の表現の高度化と検証については、特に中～上部対流圏での積雲鉛直輸送過程の高度化、成層圏ブリュワー・ドブソン循環による物質輸送の精度検証、及び水酸基ラジカル類の化学反応過程の検証を実施することができた。これらモデル高度化と検証は、第6期結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP6）への参加を通して行っており、これらの成果は共著者として11本の関係論文を出版することで成果公表を行なった。なおCMIP6実験データは、今後、本課題の研究目的であるオゾン等の気候影響を調査するために利用する。
また、2019年の南半球成層圏突然昇温時に生じた成層圏オゾンの大規模変動が、成層圏対流圏結合を介して対流圏の力学場に及ぼす影響を調査するため、高度化したMRI-ESM2を用いて大規模アンサンブルシミュレーションを実施し、実験データの解析を行なった。

Strategy for Future Research Activity

CMIP6の歴史実験結果の解析を行い、大気微量成分の変動による成層圏－対流圏結合変動を介した地表付近の気候への影響も定量的に評価する。
また観測データによる精度検証や化学輸送過程の高度化を行なった気象研究所地球システムモデルを用いて、2020年の北半球中高緯度で生じた成層圏オゾン大規模変動時の事例についてアンサンブル実験を実施する予定である。実施したアンサンブル実験結果の解析を行い、成層圏オゾンが北半球春期から夏季にかけての成層圏－対流圏結合変動に及ぼす影響を定量的に明らかにする。

Causes of Carryover

今年度はCOVID-19の影響による世界各地の移動制限等により国際学会の多くが中止又はオンライン開催となった。このため、当初予定していた旅費や大会参加費を執行することができなかった。
翌年度分として請求した助成金と合わせて、実験データ及び観測データの収集と整理のための人件費として使用する計画である。

Research Products

• [Journal Article] Influence of the El Ni_o_Southern Oscillation on entry stratospheric water vapor in coupled chemistry_ocean CCMI and CMIP6 models (2021)
  • Author(s): Garfinkel, C. I., Harari, O., Ziskin Ziv, S., Rao, J., Morgenstern, O., Zeng, G., Tilmes, S., Kinnison, D., O'Connor, F. M., Butchart, N., Deushi, M., J_ckel, P., Pozzer, A., and Davis, S.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 21 Pages: 3725-3740
  • DOI: 10.5194/acp-21-3725-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluating stratospheric ozone and water vapour changes in CMIP6 models from 1850 to 2100 (2021)
  • Author(s): Keeble, J., Hassler, B., Banerjee, A., Deushi, M. et al.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 21 Pages: 5015-5061
  • DOI: 10.5194/acp-21-5015-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tropospheric ozone in CMIP6 simulations (2021)
  • Author(s): Griffiths, P. T., Murray, L. T., Zeng, G., Shin, Y. M., Abraham, N. L., Archibald, A. T., Deushi, M., Emmons, L. K., Galbally, I. E., Hassler, B., Horowitz, L. W., Keeble, J., Liu, J., Moeini, O., Naik, V., O'Connor, F. M., Oshima, N., Tarasick, D., Tilmes, S., Turnock, S. T., Wild, O., Young, P. J., and Zanis, P
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 21 Pages: 4187-4218
  • DOI: 10.5194/acp-21-4187-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Significant climate benefits from near-term climate forcer mitigation in spite of aerosol reductions (2021)
  • Author(s): Allen, R. J., Horowitz, L. W., Naik, V., Oshima, N., O'Connor, F. M., Turnock, S., Shim, S., Le Sager, P., van Noije, T., Tsigaridis, K., Bauer, S. E., Sentman, L. T., John, J. G., Broderick, C., Deushi, M., Folberth, G. A., Fujimori, S., and Collins, W. J.
  • Journal Title: Environ. Res. Lett. Volume: 16 Pages: 34010
  • DOI: 10.1088/1748-9326/abe06b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective radiative forcing from emissions of reactive gases and aerosols - a multi-model comparison (2021)
  • Author(s): Thornhill, G. D., Collins, W. J., Kramer, R. J., Olivi?, D., Skeie, R. B., O'Connor, F. M., Abraham, N. L., Checa-Garcia, R., Bauer, S. E., Deushi, M., Emmons, L. K., Forster, P. M., Horowitz, L. W., Johnson, B., Keeble, J., Lamarque, J.-F., Michou, M., Mills, M. J., Mulcahy, J. P., Myhre, G., (略）, Oshima, N., et al.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 21 Pages: 853-874
  • DOI: 10.5194/acp-21-853-2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reappraisal of the Climate Impacts of Ozone-Depleting Substances (2020)
  • Author(s): Morgenstern, O., O'Connor, F. M., Johnson, B. T., Zeng, G., Mulcahy, J. P., Williams, J., Deushi, M. et al.
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 47 Pages: e2020GL088295
  • DOI: 10.1029/2020GL088295
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Historical total ozone radiative forcing derived from CMIP6 simulations (2020)
  • Author(s): Skeie, R.B., Myhre, G., Hodnebrog, O., Deushi, M. et al.
  • Journal Title: npj Clim. and Atmos. Sci. Volume: 3 Pages: 32
  • DOI: 10.1038/s41612-020-00131-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Historical and future changes in air pollutants from CMIP6 models (2020)
  • Author(s): Turnock, S. T., Allen, R. J., Andrews, M., Bauer, S. E., Deushi, M., Emmons, L., Good, P., Horowitz, L., John, J. G., Michou, M., Nabat, P., Naik, V., Neubauer, D., O'Connor, F. M., Olivi?, D., Oshima, N., Schulz, M., Sellar, A., Shim, S., Takemura, T., Tilmes, S., Tsigaridis, K., Wu, T., and Zhang, J.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 20 Pages: 14547-14579
  • DOI: 10.5194/acp-20-14547-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Climate and air quality impacts due to mitigation of non-methane near-term climate forcers (2020)
  • Author(s): Allen, R. J., Turnock, S., Nabat, P., Neubauer, D., Lohmann, U., Olivi?, D., Oshima, N., Michou, M., Wu, T., Zhang, J., Takemura, T., Schulz, M., Tsigaridis, K., Bauer, S. E., Emmons, L., Horowitz, L., Naik, V., van Noije, T., Bergman, T., Lamarque, J.-F., Zanis, P., Tegen, I., Westervelt, D. M., Le Sager, P., et al.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 20 Pages: 9641-9663
  • DOI: 10.5194/acp-20-9641-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global and Arctic effective radiative forcing of anthropogenic gases and aerosols in MRI-ESM2.0 (2020)
  • Author(s): Oshima, N., Yukimoto, S., Deushi, M., Koshiro, T., Kawai, H., Tanaka, T. Y., and Yoshida, K.
  • Journal Title: Prog. Earth. Planet. Sci. Volume: 7 Pages: 38
  • DOI: 10.1186/s40645-020-00348-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fast responses on pre-industrial climate from present-day aerosols in a CMIP6 multi-model study (2020)
  • Author(s): Zanis, P., Akritidis, D., Georgoulias, A. K., Allen, R. J., Bauer, S. E., Boucher, O., Cole, J., Johnson, B., Deushi, M., Michou, M., Mulcahy, J., Nabat, P., Olivi?, D., Oshima, N., Sima, A., Schulz, M., Takemura, T., and Tsigaridis, K.
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 20 Pages: 8381-8404
  • DOI: 10.5194/acp-20-8381-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research