Elucidating the effect of aerosols on fogs with direct synchronous observations from different heights, focusing on the hygroscopicity and light-absorptivity

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H03577
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: 河本 和明 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(環境), 教授 (10353450)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中山 智喜 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(環境), 准教授 (40377784) ; 張 代洲 熊本県立大学, 環境共生学部, 教授 (90322726) ; 鈴木 健太郎 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (00396946)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 霧 / エアロゾル / 間接効果

Outline of Annual Research Achievements

エアロゾル粒子には硫酸塩や硝酸塩、ダスト、ブラックカーボン(以後BC)、有機物、海塩など様々なタイプがあるが、その一部は雲粒の核になり、間接的に気候に影響を及ぼしている。エアロゾル粒子の量や物理化学的な特性の違いにより、雲凝結核能が変化することで、生成する雲の特性が変化することが考えられるなど、エアロゾル粒子が雲粒生成に及ぼす影響は複雑で十分解明されていない。そこで本研究では、雲仙岳の山体を利用し、エアロゾル粒子と雲粒（正確には霧粒）の連続観測を実施するとともに、捕集したエアロゾル粒子の電子顕微鏡分析を行い、エアロゾルの特性が雲粒生成に及ぼす影響や、雲の有無がエアロゾルに及ぼす影響について調べる。また、得られた結果を利用することで、衛星観測による霧水総量や霧有効粒径の導出精度の向上を目指す。さらに、地上観測および衛星観測データを数理モデルに入力することで、雲粒の特性を決定づける各要因の寄与度を推定する。以上により、エアロゾル粒子の特性が雲粒生成に及ぼす影響の解明を目指している。
初年度である2021年度は、雲仙岳の山頂付近の2つの異なる高度において、小型センサを用いたPM2.5の重量濃度と吸湿性、および黒色炭素粒子の重量濃度の観測データを取得することができた。また、屋外での雲粒の連続計測システムを構築し、上記の2地点において試験観測を実施し、雲粒の数密度や特性に関するデータを取得した。
さらに個別粒子に関する調査は、熊本県天草半島西岸にある荒尾岳で2022年3月上旬と中旬に実施し，黄砂時と非黄砂時に山頂(海抜314m)と山麓の海面付近でサンプルを採集した。
衛星データ解析については、基礎的なデータベース構築のためBC量と光吸収量についての放射モデル計算を開始した。
数値モデルについては、雲の粒径分布関数を陽に予報するビン法雲微物理モデルを用いて予備的な数値実験を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2021年度は、雲仙岳の山頂付近の2つの異なる高度において、小型センサを用いたPM2.5の重量濃度と吸湿性の連続観測を実施するとともに、BC粒子の連続観測を開始した。また、小型の雲粒計測器を改良して、屋外での雲粒の連続計測システムを構築し、上記の2地点において雲粒の特性の試験観測を実施した。
また個別粒子に関する調査では，コロナウイルス感染症のために予定されていた雲仙普賢岳での観測を変更し，熊本県天草半島西岸にある荒尾岳で令和4年3月上旬と中旬に実施し，黄砂時と非黄砂時に山頂(海抜314m)と山麓の海面付近でサンプルを採集した。
衛星データ解析については、基礎的なデータベース構築のためBC量と光吸収量についての放射モデル計算を開始した。また光学的厚さや雲粒半径といった雲微物理量の推定だけでなく熱力学的相（水滴か氷晶か）とタイプ別のエアロゾル量との関係について調査を開始した。
数値モデルについては、雲の粒径分布関数を陽に予報するビン法雲微物理モデルを用いて予備的な数値実験を行った。上昇する空気塊における雲粒と霧粒の間の相関関係を計算し、それが衛星観測で知られている有効半径と光学的厚さの相関関係に対応すること、その相関関係はエアロゾル数密度と上昇流速度の条件によって系統的に変化することを見出した。
以上のように、ほぼ当初の予定通り進めることができており、本申請研究は、現時点で概ね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

2022年度には、雲仙岳におけるPM2.5の重量濃度と吸湿性、およびBC粒子の重量濃度の観測を継続するとともに、雲粒計測器を用いた雲粒の連続観測を実施する。並行して、これまでに取得した初期観測データを利用して、観測の妥当性を検討するとともに、雲仙岳におけるエアロゾル粒子および雲粒の動態や特性の解析を進める。
また雲仙岳において、霧の有無それぞれの条件下で、エアロゾル粒子を捕集するとともに、捕集した粒子の電子顕微鏡分析を実施し、エアロゾルのタイプや混合形態に関する情報を得る。
さらに衛星データについては、BC量と光吸収量の関係の調査を継続するとともに、雲相とダストや他のエアロゾル量との関係を調べる。
数値モデルについては、2021年度に得られた計算結果を詳細に解析し、これらの関係性に様々な物理過程がどのように寄与しているのかを調べる予定である。