2023 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、混合相雲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5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波長532 nmのライダーシステムの構築を進めた。前年度の設計に基づいて、ライダーの分光部でヨウ素吸収フィルターとイメージングマイケルソン干渉計を導入した。まず、大気粒子（エアロゾル・雲）からのミー散乱をヨウ素吸収フィルターで除去し、大気分子からのレイリー散乱を抽出した。次に、レイリー散乱をマイケルソン干渉計でさらに分光し、干渉縞の強度分布をアレイ型光検出器で計測した。リファレンス光（送信レーザー）と大気散乱光に対する干渉縞の位相差からドップラーシフトを推定した。構築したシステムを用いて、室内において風速を測定する実験を実施した。レイリー散乱光の干渉縞の強度分布を計測したところ、シミュレーションの結果とよく一致していたことを確認し、位相情報からドップラーシフトを検出できることを確認した。実験結果は日本気象学会で発表した。
大気粒子・気象ライダーの開発と並行して、ライダーの測定信号と雲・エアロゾルの微物理特性を結びつけるための実験の準備を進めた。筑波山山頂においてエアロゾルの直接サンプリングを実施し、雲凝結核や氷晶核を計測する（他プロジェクトと協力）。筑波山の麓からは筑波山山頂に目掛けてライダー観測を実施し、ライダーと直接サンプリングの比較観測によって、ライダー信号から雲水量や氷水量、エアロゾルの有効半径や雲核濃度を推定するための研究を行う。また、ライダー偏光解消度や蛍光の測定によって、エアロゾルの種類についても同定し、エアロゾルの種類による雲核能力についても調査する。今年度は、同時観測の準備のため、ライダーの設置場所と可搬型システムの検討を行った。
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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。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手法と直接検波ドップラーライダー手法を組み合わせることによって、エアロゾル・雲だけでなく鉛直流と気温を同時に測定する。初年度では新システムの設計および誤差シミュレーションを実施し、十分に実現可能であること明らかにした。また、2年目では設計に基づいて実際にライダーシステムを構築し、室内実験で良好な結果を得ている。さらに、大気粒子・気象ライダーの開発と並行して、過去のライダーデータを用いた雲・エアロゾルの解析も進めている。過去の高スペクトル分解ライダーの測定データを用いて、エアロゾルを鉱物ダスト（黄砂）やブラックカーボン、海塩粒子、大気汚染粒子の成分に分離して重量濃度を抽出した。また、水雲・氷雲を偏光解消度を用いて分離し、消散係数、後方散乱係数などの光学特性を抽出した。上記のエアロゾル・雲の光学特性に関するデータセットを構築し、混合相雲シーンについて統計解析を実施するための準備が順調に進められている。さらに、他プロジェクトと協力することで、エアロゾル・雲の直接サンプリング観測によってエアロゾル・雲の微物理特性を調査するための準備も進めている。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5年度で構築したライダーシステムを用いて実大気における大気粒子（光学特性・微物理特性）・気象パラメータ（相対湿度、鉛直流）の観測を行う。これらのライダー観測データおよび過去の観測データ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。また、筑波山山頂におけるエアロゾル・雲の直接サンプリング観測データを用いた解析も進める。筑波山における実験はリモセンと直接サンプリングを結びつけるものであり、ライダーで計測した結果と実際の雲・エアロゾルの微物理特性を検証できることから、本研究をさらに強化するための取り組みとなっている。
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