Elucidation of global carbon cycle and its climate response

• Project/Area Number: 18H01275
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 青木 周司 東北大学, 理学研究科, 学術研究員 (00183129)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森本 真司 東北大学, 理学研究科, 教授 (30270424)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 二酸化炭素濃度 / 同位体比 / 酸素濃度 / モデル / 二酸化炭素 / 炭素同位体比 / 全球大気化学輸送モデル / 陸域生態系モデル / 全球3次元大気化学輸送モデル

Outline of Annual Research Achievements

日本-オセアニア間および日本-北米間を航行するコンテナ船や日本上空およびシベリア上空を飛行する航空機を利用した大気試料の採取と採取された試料分析を継続した。また、北極ニーオルスン基地、北極チャーチル基地、南極昭和基地などを利用した系統的な大気採取と試料分析も継続し、広域にわたる大気中の二酸化炭素（CO2）濃度と酸素（O2）濃度および二酸化炭素の炭素安定同位体（δ13C）のデータを蓄積することができた。また、昭和基地・ニーオルスン基地でのCO2・O2濃度の連続観測も順調に経過し、ほとんど欠測がないきれいなデータを得ることができた。
大気大循環モデルを基にして開発された全球3次元大気化学輸送モデル（ACTM）に、人為起源である六フッ化硫黄（SF6）や陸域起源であるラドン（222Rn）のインベントリーを与えて大気中濃度を計算し、地上基地や航空機などを用いた全球規模にわたる観測の結果と比較することによってACTMの輸送場を検証し、必要な改良を行った。さらに、全球を84領域に分割した高解像度のインバージョンスキームの開発と、ACTMに組み込むためのδ13CとO2濃度の計算モジュールの開発を進めた。
陸域における温室効果気体フラックスをシミュレーションする陸域生態系モデル（VISIT）を高度化し、CO2のδ13Cの分布も推定できるような改良を進めた。VISITによって与えられるCO2フラックスおよびδ13Cと、大気化学輸送モデルによる推定結果との比較を進めた。その結果を踏まえて、VISITのパラメータ最適化やベースマップの妥当性の検討も進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

北半球高緯度の北極域から南半球高緯度の南極域までの全球スケールの二酸化炭素濃度観測が順調に進められた。また、船舶や航空機などの機動的な手段や地上基地においてグラブサンプリングによって採取された世界各地の空気試料を用いて、二酸化炭素の炭素同位体比や酸素濃度の分布や変動の観測データも順調に蓄積することができた。連携研究者であるパトラおよび伊藤は、これらの観測データを活用したモデルシミュレーションに用いるための３次元大気化学輸送モデルおよび陸上生態系モデルの改良を順調に進めた。
一方、2020年3月19日に計画していた年度末研究打合せは新型コロナ感染問題が起きたため延期せざるをえなかった。

Strategy for Future Research Activity

日本とオセアニア間および日本と北米間を航行する定期コンテナ船上、北極ニーオルスン基地、北極チャーチル基地、南極昭和基地、日本上空とシベリア上空での航空機による系統的な大気採取と試料分析を継続し、広域にわたる大気中のCO2・O2 濃度およびdelta 13C のデータを蓄積する。
全球3次元大気化学輸送モデル（ACTM）を用いた高解像度のインバージョンスキームの開発と、ACTMに組み込むためのdelta 13CとO2濃度の計算モジュールの開発を進める。また、全球陸上生態系モデル（VISIT）を高度化し、CO2のdelta 13Cの分布も推定できるように改良する。さらに、VISITによって与えられるCO2フラックスおよびdelta 13Cを、大気化学輸送モデルによる推定結果と比較する。その結果を踏まえて、VISITのパラメータ最適化やベースマップの妥当性の検討を行う。

Research Products

• [Journal Article] Implication of tropical lower stratospheric cooling in recent trends in tropical circulation and deep convective activity (2019)
  • Author(s): Kodera, K., N. Eguchi, R. Ueyama, Y. Kukoda, C. Kobayashi, Beatriz M. Funatsu, and Chantal Claud
  • Journal Title: Atmos. Chem. Phys. Volume: 19 Pages: 1-13
  • DOI: 10.5194/acp-19-1-2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal characteristics of trace gas transport into the extratropical upper troposphere and lower stratosphere (2019)
  • Author(s): Inai, Y., T. Machida, H. Matsueda, Y. Sawa, K. Tsuboi, K. Katsumata, S. Morimoto, S. Aoki, and T.,Nakazawa
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 19 Pages: 7073-7103
  • DOI: 10.5194/acp-19-7073-2019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temporal variations of the mole fraction, carbon and hydrogen isotope ratios of atmospheric methane in the Hudson Bay Lowlands, Canada. (2018)
  • Author(s): Fujita, R., S. Morimoto, T. Umezawa, K. Ishijima, P. K. Patra, D. E. J. Worthy, D. Goto, S. Aoki and T. Nakazawa
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 123 Pages: 4695-4711
  • DOI: 10.1002/2017jd027972
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Balloon-borne tropospheric CO 2 observations over the equatorial eastern and western Pacific (2018)
  • Author(s): Inai Yoichi、Aoki Shuji、Honda Hideyuki、Furutani Hiroshi、Matsumi Yutaka、Ouchi Mai、Sugawara Satoshi、Hasebe Fumio、Uematsu Mitsuo、Fujiwara Masatomo
  • Journal Title: Atmospheric Environment Volume: 184 Pages: 24-36
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2018.04.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coordinated Upper-troposphere-to-stratosphere Balloon Experiment in Biak (CUBE/Biak) (2018)
  • Author(s): Hasebe, F., S. Aoki, S. Morimoto, Y. Inai, T. Nakazawa, S. Sugawara, C. Ikeda, H. Honda, H. Yamazaki, Halimurrahman, N. Komala, F. Putri, A. Budiyono, M. Soedjarwo, S. Ishidoya, S. Toyoda, T. Shibata, M. Hayashi, N. Eguchi, N. Nishi, M. Fujiwara, S. Ogino, M. Shiotani, and T. Sugidachi
  • Journal Title: B. Am. Meteor. Soc. Volume: 99 Pages: 1213-1230
  • DOI: 10.1175/bams-d-16-0289.1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gravitational separation of the stratospheric air over Syowa, Antarctica and its connection with meteorological fields (2018)
  • Author(s): Ishidoya, S., S. Sugawara, Y. Inai, S. Morimoto, H. Honda, C. Ikeda, Y. Tomikawa, S. Toyoda, D. Goto, S. Aoki, and T. Nakazawa
  • Journal Title: Atmos Sci Lett. Volume: e857 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1002/asl.857
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Selection bias of quasi-fixed-point observations in the ExUTLS and its impact on the seasonal record (2019)
  • Author(s): Yoichi Inai, Toshinobu Machida, Hidekazu Matsueda, Yousuke Sawa, Kazuhiro Tsuboi, Keiichi Katsumata, Shinji Morimoto, Shuji Aoki, Takakiyo Nakazawa, Ryo Fujita
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Accurate chronology and climatic reconstruction around MIS 11 (interglacial period ~400,000 years ago) from Dome Fuji ice core, Antarctica (2019)
  • Author(s): Kenji Kawamura, Ikumi Oyabu, Shuji Aoki, Takakiyo Nakazawa, Ayako Abe-Ouchi, Fuyuki SAITO
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Global inverse analysis of CH4 fluxes using NICAM-TM 4D-Var (2019)
  • Author(s): Yosuke Niwa, Akihiko Ito, Toshinobu Machida, Motoki Sasakawa, Yasunori Tohjima, Yukio Terao, Taku Umezawa, Shinji Morimoto, Shuji Aoki, 他
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] レーザー分光法による大気中N2OおよびCO濃度連続観測システムの開発と南極・昭和基地における大気観測への応用 (2019)
  • Author(s): 赤井章吾、森本真司、李偉、後藤大輔、青木周司
  • Organizer: 日本気象学会
• [Presentation] マルチクロックトレーサーによる大気年代の推定 (2019)
  • Author(s): 菅原敏, 青木周司, 森本真司, 稲飯洋一, 本田秀之, 豊田栄, 石戸谷重之, 後藤大輔, 梅澤拓, 長谷部文雄, 石島健太郎
  • Organizer: 大気球シンポジウム
• [Presentation] Development of a continuous measurement system for atmospheric N2O and CO concentrations and its application to in-situ observation at Syowa Station, Antarctica (2019)
  • Author(s): Shogo Akai, Shinji Morimoto, Li Wei, Daisuke Goto, Shuji Aok
  • Organizer: 極域科学シンポジウム
• [Presentation] 熱帯成層圏大気の重力分離とその数値シミュレーション (2018)
  • Author(s): 菅原敏, 石戸谷重之, 青木周司，森本真司，中澤高清， 稲飯洋一，本田秀之，豊田栄， 長谷部文雄，池田忠作，後藤大輔
  • Organizer: 日本気象学会
• [Presentation] Measurements of δ13C and δD of atmospheric CH4 in the northern North Pacific and the Arctic Ocean and interpretation of Arctic CH4 sources (2018)
  • Author(s): R. Fujita S. Morimoto1, S. Ishidoya2, Y. Tohjima3, K. Ishijima4, S. Aoki1 and T. Nakazawa
  • Organizer: IGAC
• [Presentation] Past variations of atmospheric methane and its isotope ratios reconstructed from firn air and ice core measurements (2018)
  • Author(s): Taku Umezawa, Satoshi Sugawara, Kenji Kawamura, Takanori Sugiyama, Prabir K. Patra, Kentaro Ishijima, Takuya Saito, Shinji Morimoto, Shuji Aoki and Takakiyo Nakazawa
  • Organizer: IGAC
• [Presentation] Temporal variations of the mole fraction and carbon isotope ratio of atmospheric methane observed at Ny-Alesund, Svalbard and Syowa Station, Antarctica (2018)
  • Author(s): Shinji Morimoto, Ryo Fujita, Shuji Aoki, Daisuke Goto and Takakiyo Nakazawa
  • Organizer: IGAC
• [Presentation] In-situ continuous observations of atmospheric O2/N2 ratio and CO2 concentration on-board “SHIRASE” in the Southern Ocean (2018)
  • Author(s): S. Takebayashi, S. Morimot1, D. Goto, G. Hashida, Y. Inai and S. Aoki
  • Organizer: 極域科学シンポジウム
• [Book] 南極読本 (2019)
  • Author(s): 阿保敏広、青木周司、ほか28名
  • Total Pages: 270
  • Publisher: 成山堂書店
  • ISBN: 9784425948123