雲・エアロゾルを介した中緯度大気海洋相互作用

• Project Area: Mid-latitude ocean-atmosphere interaction hotspots under the changing climate
• Project/Area Number: 19H05699
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小池 真 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00225343)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 健太郎 東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (00396946) ; 茂木 信宏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20507818) ; 川合 秀明 気象庁気象研究所, 気象予報研究部, 主任研究官 (40601688) ; 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508) ; 金谷 有剛 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(地球表層システム研究センター), センター長代理 (60344305) ; 岩渕 弘信 東北大学, 理学研究科, 准教授 (80358754) ; 當房 豊 国立極地研究所, 研究教育系, 助教 (60572766)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥191,100,000 (Direct Cost: ¥147,000,000、Indirect Cost: ¥44,100,000); Fiscal Year 2021: ¥100,750,000 (Direct Cost: ¥77,500,000、Indirect Cost: ¥23,250,000); Fiscal Year 2020: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000); Fiscal Year 2019: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000)
• Keywords: エアロゾル / 下層雲 / 北太平洋 / 航空機観測 / 大気海洋相互作用 / 環境変動 / 地球環境システム

Outline of Research at the Start

領域研究全体の中で当計画研究の位置づけは、中緯度の大気海洋相互作用の担い手としてエアロゾルという物質科学を導入することである。本研究では、西部北太平洋などの下層雲の変動を、海面温度を含む気象場および海洋からのエアロゾル供給などの観点から，他の海域の下層雲との対比を含めて明らかにする。このために、航空機や船舶の現場観測による微物理プロセス（エアロゾルの雲・降水影響など）の解明、客観解析データ・人工衛星データ解析による各海域での雲量や雲水量の動態解明、そして数値モデルによるエアロゾルや海面温度などの下層雲への影響の定量化という統合的な研究を実施する。

Outline of Annual Research Achievements

本計画研究の目的は、西部北太平洋などの下層雲の変動を、海表面温度（SST）を含む気象場および海洋からのエアロゾル供給などの観点から、他の海域の下層雲との対比を含めて明らかにすることである。この目的を達成するために、本研究では３つのサブテーマにより研究を進めている。
サブテーマ(i) 「雲・エアロゾルの現場観測によるプロセス研究」では、2021年度夏に実施予定の航空機観測・船舶観測で用いるためのエアロゾル観測装置の開発・整備を実施した。とくに粒子の物性（複素屈折率）・形状・粒径分布を同時に実時間測定できる「単一粒子光消散法」の原理を確立した。さらに航空機観測において使用するレーザー光散乱による全エアロゾル粒径分布測定装置を改良するための準備を行った。また船上観測に適したエアロゾル数密度サイズ分布計測機器を選定・購入し、調整したうえで基準機器と比較するなど性能評価を行った。
サブテーマ(ii) 「客観解析データ・人工衛星データ解析による動態研究」では、衛星データを用いて夏季北西太平洋域の雲の日変化を解析し，中層雲量が早朝に最大となることを明らかにした。またJAXA/GCOM-C衛星搭載のSGLIセンサから得られた雲物理特性のデータプロダクトを用いて、下層雲の微物理過程を水平的にマッピングする手法を開発した。
サブテーマ(iii) 「数値モデル計算による大気海洋相互作用の評価」では、MIROC数値気候モデルの降雨生成の微物理過程において、サブ格子スケールの雲水の変動を考慮するスキームを開発し、その導入による全球気候への影響を定量的に評価した。また下層雲が亜熱帯高気圧にどのように影響するかを調査した。そして従来言われてきた下層雲の雲頂冷却が亜熱帯高気圧を強化するという説は、最新のモデルでは支持されないことを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、現場観測、客観解析データ・人工衛星データ解析、数値モデル計算により、エアロゾル・雲を通じた大気海洋相互作用の研究を進めている。2019年度には、この現場観測のために必要となる各種測定装置の整備を、予定通りにすすめることができた。単一粒子消散法の理論的基礎、装置の基本設計、データ解析手法を確立した。またエアロゾル数密度サイズ分布計測機器の評価結果も良好であった。客観解析データ・人工衛星データ解析では、予定どおりに本プロジェクトの目的である中緯度下層雲の動態を調べるための衛星解析の手法の開発を進めることができた。また気象衛星ひまわり８号のデータ解析から下層雲の日周期の解析を開始した。数値モデル研究では、予定どおりに下層雲の生成・消滅に関わる降雨生成過程の表現を高度化するモデル改良を実施できた。また自然起源の海洋性エアロゾルとアジアの人為起源エアロゾルの下層雲形成に果たす役割を評価するために、海洋からの有機エアロゾルの放出メカニズムを導入する準備を進めた。
以上のように、本研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、現場観測、客観解析データ・人工衛星データ解析、数値モデル計算により、エアロゾル・雲を通じた大気海洋相互作用の研究を進めている。現場観測では、2021年夏の航空機と船舶の同時観測へ向けての測定器の準備と観測計画の検討を進める。航空機観測においてエアロゾルの詳細な特性を実時間測定するため、航空機搭載型の空気流用の単一粒子消散法の装置を開発する。また船舶観測において大気中の固体エアロゾル・海水中の微粒子をそれぞれ実時間測定するため、水流用の単一粒子消散法の装置を開発する。他の船舶観測で使用する予定の機器についても更なる開発・整備を進めるとともに、これまでに得られた航海観測データを評価し、本研究での主要航海観測に向けた準備を推進する。客観解析データ・人工衛星データ解析では、開発した衛星解析手法を本課題の対象である西部北太平洋の下層雲に適用し、その微物理過程が海水面温度（SST）やエアロゾルにどのように関係しているのか調べる。またひまわり衛星データの解析により、下層雲の日周期変動の動態把握を進めるとともに，黒潮上の梅雨前線帯の雲降水系の日変化の機構を明らかにする。数値モデル研究では、改良されたMIROC数値気候モデルを用いて、西部北太平洋を含む様々な領域において、下層雲がエネルギー収支にもたらす影響を定量的に評価する。また海洋からの有機エアロゾルの放出メカニズムを全球エアロゾルモデルに導入し、その下層雲への影響を評価する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NOAA(米国)
• [Journal Article] Capabilities and limitations of the single-particle extinction and scattering method for estimating the complex refractive index and size-distribution of spherical and non-spherical submicron particles (2020)
  • Author(s): Moteki ,N.
  • Journal Title: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer Volume: 243 Pages: 106811-106811
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2019.106811
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] How emissions uncertainty influences the distribution and radiative impacts of smoke from fires in North America (2020)
  • Author(s): Carter, T. S., Heald, C. L., Jimenez, J. L., Campuzano-Jost, P., Kondo, Y., Moteki, N., Schwarz, J. P., Wiedinmyer, C., Darmenov, A. S., da Silva, A. M.,Kaiser, J. W.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 20 Pages: 2073-2097
  • DOI: 10.5194/acp-20-2073-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced new particle formation above the marine boundary layer over the Yellow Sea: Potential impacts on cloud condensation nuclei (2020)
  • Author(s): Takegawa, N., T. Seto, N. Moteki, M. Koike, N. Oshima, K. Adachi, K. Kita, A. Takami, and Y. Kondo
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 125 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2019jd031448
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Changes in black carbon and PM_2.5 in Tokyo in 2003–2017 (2020)
  • Author(s): Mori ,T., Ohata, S., Morino, Y., Koike, M., Moteki, N., Kondo, Y.
  • Journal Title: Proc. Jpn. Acad., Ser. B Volume: 96 Issue: 3 Pages: 122-129
  • DOI: 10.2183/pjab.96.010
  • ISSN: 0386-2208, 1349-2896
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Concentrations and Size Distributions of Black Carbon in the Surface Snow of Eastern Antarctica in 2011 (2020)
  • Author(s): Kinase T.、Adachi K.、Oshima N.、Goto‐Azuma K.、Ogawa‐Tsukagawa Y.、Kondo Y.、Moteki N.、Ohata S.、Mori T.、Hayashi M.、Hara K.、Kawashima H.、Kita K.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 125
  • DOI: 10.1029/2019jd030737
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identifying Particle Growth Processes in Marine Low Clouds Using Spatial Variances of Imager‐Derived Cloud Parameters (2020)
  • Author(s): Nagao,T. M., Suzuki, K.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 47
  • DOI: 10.1029/2020gl087121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Climate impact of cloud water inhomogeneity through microphysical processes in a global climate model (2020)
  • Author(s): Hotta, H., Suzuki, K., Goto, D., Lebsock, M.
  • Journal Title: Journal of Climate Volume: -
  • DOI: 10.1175/jcli-d-19-0772.1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 下位蜃気楼の光路計算 ―マダガスカルで見た蜃気楼― (2020)
  • Author(s): 川合秀明, 北村祐二, 柴田清孝
  • Journal Title: 天気 Volume: 67（2） Pages: 129-137
  • Open Access
• [Journal Article] Evaluation of global simulations of aerosol particle and cloud condensation nuclei number, with implications for cloud droplet formation (2019)
  • Author(s): Fanourgakis, G. S., Kanakidou, M., Nenes, A., Bauer, S. E., Bergman, T., Carslaw, K. S., Grini, Al., Hamilton, D. S., Johnson, J. S., Karydis, V. A., Kirkevag, Al., Kodros, J. K., Lohmann, U., Luo, G., Makkonen, R., Matsui, H., et al.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 19 Pages: 8591-8617
  • DOI: 10.5194/acp-19-8591-2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Black Carbon and Inorganic Aerosols in Arctic Snowpack (2019)
  • Author(s): Mori, T., Goto-Azuma, K., Kondo, Y., Ogawa-Tsukagawa, Y., Miura, K., Hirabayashi, M., Oshima, N., Koike, M., Kupiainen, K., Moteki, N., Ohata, S., Sinha, P. R., Sugiura, K., Aoki, T., Schneebeli, M., Steffen, K., Sato, A., Tsushima, A., Makarov, V., Omiya, S., Sugimoto, A., Takano, S., Nagatsuka
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 124 Pages: 13325-13356
  • DOI: 10.1029/2019jd030623
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Year-Round In Situ Measurements of Arctic Low-Level Clouds: Microphysical Properties and Their Relationships With Aerosols (2019)
  • Author(s): Koike M.、Ukita J.、Strom J.、Tunved P.、Shiobara M.、Vitale V.、Lupi A.、Baumgardner D.、Ritter C.、Hermansen O.、Yamada K.、Pedersen C. A.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 124 Pages: 1798-1822
  • DOI: 10.1029/2018jd029802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Glacially sourced dust as a potentially significant source of ice nucleating particles (2019)
  • Author(s): Tobo Yutaka、Adachi Kouji、DeMott Paul J.、Hill Thomas C. J.、Hamilton Douglas S.、Mahowald Natalie M.、Nagatsuka Naoko、Ohata Sho、Uetake Jun、Kondo Yutaka、Koike Makoto
  • Journal Title: Nature Geosci Volume: 12 Pages: 253-258
  • DOI: 10.1038/s41561-019-0314-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Accuracy of black carbon measurements by a filter-based absorption photometer with a heated inlet (2019)
  • Author(s): Ohata, S., Kondo, Y., Moteki, N., Mori, T., Yoshida, A., Sinha P. R., Koike, M.
  • Journal Title: Aerosol Science and Technology Volume: 53 Pages: 1079-1091
  • DOI: 10.1080/02786826.2019.1627283
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 降水雲の過飽和度を観測から制約する：エアロゾル空間分布の予測のために (2019)
  • Author(s): 茂木信宏、森樹大、松井仁志、大畑祥
  • Journal Title: 大気化学研究 Volume: 41
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Material identification of small particles by forward-scattered wave sensing (2020)
  • Author(s): Moteki, N.
  • Organizer: NOAA CSD Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] エアロゾルの雲への影響についての認識は適切か？ (2020)
  • Author(s): 川合秀明
  • Organizer: エアロゾル・雲・降水の相互作用に関する研究集会
• [Presentation] 航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進 (2019)
  • Author(s): 小池真
  • Organizer: 日本地球惑星連合
• [Presentation] 航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進：大型研究マスタープラン2020への提案 (2019)
  • Author(s): 小池真, 高橋暢宏, 岩崎俊樹, 伊藤健
  • Organizer: 雪氷研究大会
  • Invited
• [Presentation] 航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進：大型研究マスタープラン2020への提案 (2019)
  • Author(s): 小池真, 高橋暢宏, 岩崎俊樹, 伊藤健
  • Organizer: 大気化学討論会
  • Invited
• [Presentation] Deep learning of cloud structure and three-dimensional radiative transfer for cloud remote sensing (2019)
  • Author(s): Iwabuchi H., R. Masuda, S. Schmidt, A. Damiani, and R. Kudo
  • Organizer: AGU Fall meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution of regional air pollution in East Asia: Elucidation of BC emission trend and broadening scope to the Arctic/open oceans (2019)
  • Author(s): Kanaya,Y., Yamaji, K., Miyakawa, T., Taketani, F., Zhu, C., Choi, Y., Ikeda, K., Kondo, Y.
  • Organizer: Chozen International Symposium on Transboundary Pollution at North-South Transect at Marginal Sea in western Pacific Ocean
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分光学的手法を用いた観測によるアジア大気汚染の統合的理解の推進 (2019)
  • Author(s): 金谷有剛
  • Organizer: 日本気象学会, 堀内賞 受賞記念講演
  • Invited
• [Presentation] Mechanisms of Changes in Marine Fog in CMIP5 Multi-Model Simulations (2019)
  • Author(s): Kawai, H., Koshiro, T., Endo, H. and Arakawa, O.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Convective and large-scale precipitation in models (2019)
  • Author(s): Kawai, H., Koshiro, T., Yoshimura, H., Oyama, R., Endo, H. and Nakagawa, M.
  • Organizer: CFMIP Meeting on Clouds, Precipitation, Circulation, and Climate Sensitivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Black Carbon and Inorganic Aerosols in Snowpack over the Arctic (2019)
  • Author(s): Mori, T., Goto-Azuma, K., Kondo, Y., Ogawa-Tsukagawa, Y.,Miura, K., Hirabayashi, M., Oshima, N., Koike, M.,Kupiainen,K., Moteki, N., Ohata,S.,Shinha, P. R.,Sugiura, K., Aoki,T.,Schneebeli, M.,Steffen, K.,Sato, A., Tsushima, A.,Makarov, V.,Omiya, S., Sugimoto, A. and Takano, S.
  • Organizer: 日本地球惑星連合
• [Presentation] BarrowにおけるBC粒子の湿性沈着フラックスの季節変動 (2019)
  • Author(s): 森樹大, 近藤豊, Sinha, P. R., Zhao, Y., 小池真, Andrews, B., 松井仁志, 茂木信宏, 大畑祥
  • Organizer: 大気化学討論会
• [Presentation] Zeppelin Observatory on Svalbard (2019)
  • Author(s): Karlsson, L., Krejci, R., Koike, M., Ebell, K., and Zieger, P.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variations of concentrations and sizes of black carbon particles in Northwest Greenland over the past 350 years (2019)
  • Author(s): Goto-Azuma, K., Ogawa-Tsukagawa, Y., Kondo, Y., Dallmayr, R., Hirabayashi, M., Ogata, J., Kitamura, K., Kawamura, K., Motoyama, H., Matoba, S., Aoki, T., Moteki, N., Ohata, S.,Mori, T., Koike, M., Komuro, Y., Tsushima, A., Nagatsuka, N., Shigeyama, W., and Fujita, K.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhanced New Particle Formation above the Marine 1 Boundary Layer over 2 the Yellow Sea: Potential Impacts on Cloud Condensation Nuclei (2019)
  • Author(s): Takegawa, N., Seto, T., Moteki, N., Koike, M., Oshima, N., Adachi, K., Kita, K., Takami, A., and Kondo, Y.
  • Organizer: the 18th Asian Chemistry Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vertical profile of BC microphysical properties observed during the PAMARCMiP 2018 experiment (2019)
  • Author(s): Ohata, S., Yoshida, A., Moteki, N., Adachi, K., and Koike, M.
  • Organizer: Second data workshop for PAMARCMiP2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cloud microphysical properties observed near the sea ice edge during the PAMARCMiP 2018 experiment (2019)
  • Author(s): Koike, M., Ohata, S., Yoshida, A., Moteki, N., and PAMARCMiP team
  • Organizer: Second data workshop for PAMARCMiP2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The single-particle extinction and scattering method for online characterization of submicron particles: Principles and applications to aerosol research (2019)
  • Author(s): Moteki, N.
  • Organizer: JpGU Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling analysis on climate impact of sub grid cloud inhomogeneity through precipitation and radiation processes (2019)
  • Author(s): Hotta, H., Suzuki, K., Goto, D., Lebsock, M.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MRI-ESM2の雲表現の改良における様々な苦労 (2019)
  • Author(s): 川合秀明, 行本誠史, 神代剛, 大島長, 田中泰宙, 吉村裕正, 長澤亮二
  • Organizer: 日本気象学会
• [Remarks] 「流体中のナノ・マイクロ粒子の物性・粒径分布の自動測定法」茂木信宏
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6662/