2022 Fiscal Year Research-status Report
Quantitative analysis of aerosols incluence on mixed-phase clouds with active sensors
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22K03723
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| Research Institution | National Institute for Environmental Studies |
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Principal Investigator |
神 慶孝 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 主任研究員 (30749718)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | エアロゾル / 雲 / ライダー / 混合相雲 / 氷晶核 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、エアロゾル・雲のアクティブセンシング（ライダー観測）を通じて、混合相内における氷晶形成メカニズムを明らかにすることを目指している。令和４年度では、エアロゾル・雲・気象要素の鉛直分布を同時に測定するライダーシステムの開発を進めた。エアロゾル・雲の消散係数や有効半径を計測する高スペクトル分解ライダー技術と、気温・鉛直流を計測する直接検波方式のドップラーライダー技術を組み合わせた新しいライダーシステムを考案し、設計と誤差シミュレーションを行った。新システムによって、エアロゾル・雲が存在する高度でも気温や鉛直流を十分な精度で測定可能であることがわかった。また、これまで国立環境研究所で開発されてきた高スペクトル分解ライダーを用いて雲・エアロゾルの鉛直プロファイルの連続観測を実施し、データ解析を進めた。ライダー観測信号から雲とエアロゾルの消散係数・ライダー比（消散係数／後方散乱係数比）・偏光解消度などの光学特性を抽出し、１年間データセットを構築した。ライダー比と偏光解消度の２次元ダイアグラムの分布を非球形散乱理論による計算結果と比較することによって、氷粒子の形状が推定できることが示唆された。また、エアロゾルについては消散係数を大気中の主要なエアロゾル種（鉱物ダスト、ブラックカーボン、海塩粒子、大気汚染粒子（硫酸塩など））に分離し、各エアロゾル種の重量濃度の推定を行った。種類別エアロゾル濃度の鉛直プロファイルの観測により、氷雲が存在する高度（対流圏中層・上層）におけるエアロゾルの多くは鉱物ダストであることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、エアロゾル・雲の光学・微物理特性と気象パラメータの鉛直分布を測定するライダーシステムの開発が重要となる。令和４年度では、これまで国立環境研究所で開発してきた高スペクトル分解ライダーを用いて雲・エアロゾルの消散係数や後方散乱係数、偏光解消度などの光学特性の連続観測を行った。エアロゾルについては多波長データと偏光解消度を組み合わせて鉱物ダスト、ブラックカーボン、海塩粒子、大気汚染粒子に分離し、各エアロゾル種の重量濃度の抽出に成功した。さらに、エアロゾル・雲が存在する高度において気象パラメータを測定するための新しいライダー手法を考案した。従来の高スペクトル分解ライダーで測定する大気分子からのレイリー・ブリルアン散乱をイメージング干渉計を使って分光することにより、ドップラー拡がり幅から気温を、ドップラーシフト量から鉛直流を測定する。従来手法ではエアロゾルや雲からのミー散乱によるコンタミネーションがあり気温・鉛直流を同時に計測することは困難であったが、本手法で十分な精度で測定可能であることがわかった。また、現在設計に基づいて気象パラメータを測定するライダーシステムを構築中であり、令和５年度には混合相雲シーンの計測と測定データを用いた解析が可能になると思われる。以上の理由から、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度で設計を進めたライダーシステムを構築し、雲・エアロゾルの光学特性・微物理特性に加えて気象パラメータ（相対湿度・鉛直流）のライダー観測を行う。また、雲の有効半径を測定するため、雲の多重散乱を捉えるための広視野ライダーによる観測を行う。これらのライダー観測データを解析して、雲・エアロゾルおよび気象パラメータの鉛直プロファイルのデータセットを構築する。その後、データセットを用いて以下の解析を進める。
１）上空の気温が0度以下の時に過冷却雲と氷雲がどの割合で存在しているかを調べるため、気温毎の過冷却雲・氷雲の存在比を計算する。エアロゾルの種類に応じた氷雲存在比の違いや季節毎の特徴を明らかにする。
２）エアロゾルが氷雲の微物理特性に与える影響を明らかにするため、エアロゾルの濃度や有効半径と氷雲の消散係数や有効半径について相関関係を調べる。
３）気象パラメータが氷雲形成にどのような影響しているのかを明らかにするため、相対湿度と鉛直流によって氷雲形成の条件がどのように変わるのかを調べる。
さらに、ライダー観測で得られた氷雲／水雲存在比や氷晶核として機能する鉱物ダスト濃度などを全球エアロゾル気候モデルでシミュレーションと比較し、気候モデルにおける氷晶形成プロセスを評価することを検討している。
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| Causes of Carryover |
研究計画に沿って適切に物品購入を行なったものの、購入物品の価格変動により1万円以下の端数が生じた。翌年度に装置開発を進展させるために使用する。
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[Journal Article] Demonstration of aerosol profile measurement with a dual-wavelength high-spectral-resolution lidar using a scanning interferometer2022
Author(s)
Y. Jin, T. Nishizawa, N. Sugimoto, S. Takakura, M. Aoki, S. Ishii, A. Yamazaki, R. Kudo, K. Yumimoto, K. Sato, H. Okamoto
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Journal Title
Applied Optics
Volume: 61
Pages: 3523-3532
DOI
Peer Reviewed
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