温暖化に伴う両極の雲形成過程の変化の影響評価

• Project/Area Number: 23H00523
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 猪上 淳 国立極地研究所, 北極観測センター, 教授 (00421884)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 庭野 匡思 気象庁気象研究所, 気象予報研究部, 主任研究官 (10515026) ; 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508) ; 當房 豊 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (60572766) ; 佐藤 和敏 国立極地研究所, 国際極域・地球環境研究推進センター, 助教 (60771946)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥47,970,000 (Direct Cost: ¥36,900,000、Indirect Cost: ¥11,070,000); Fiscal Year 2025: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2024: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2023: ¥24,570,000 (Direct Cost: ¥18,900,000、Indirect Cost: ¥5,670,000)
• Keywords: 地球温暖化 / 北極・南極 / 気候変動 / 雲 / エアロゾル / 南極 / 北極 / 気候予測

Outline of Research at the Start

地球温暖化の将来予測モデルでは、観測された北極域での温暖化傾向が過小評価され、一方、温暖化が不明瞭な南極域でその傾向が過大評価されるという、対照的な両極の気温バイアスがある。この一因として、極域の雲の再現性の問題が考えられる。地球表層のエネルギー収支に主要な寄与をする日射量と長波放射量は、雲の相状態（水雲か氷雲か）に強く依存する。雲の相状態は環境場と雲の核となるエアロゾルの組成で決まるが、近年、エアロゾルの供給過程が温暖化の影響で変化している。本研究では、両極の下層雲の形成環境に特化した観測を実施し、先進的な気候モデルの改良を通じて両極の気温バイアスの問題を追究し、気候予測の精緻化に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

①観測船「しらせ」での観測データの解析から、－30℃の環境下でも水雲が優勢な環境であることが確認された。過冷却水滴の存在は船上の高頻度ドローン観測でもプロペラの着氷現象から確認でき、ライダーシーロメーターの後方散乱係数と偏光解消度から、水雲と氷雲を識別する閾値を求めた（Inoue and Sato, 2023）。観測された南大洋上の雲と下向き放射フラックスについて、ERA5再解析データとの直接比較を行ったところ、下層雲の頻度は２倍過大評価、中層雲は50％過小評価していた。また、下向き放射フラックスの極大域のズレから、水雲形成よりも氷雲形成が卓越していることが明らかとなった。特に高度3－4km付近の－25℃前後の環境で形成される水雲の再現性が低いことが明らかとなった。同様の解析を領域気候モデルNHM-SMAPでも調査したところ、ERA5と類似した問題が見られた。
②エアロゾルの長距離輸送を伴う「大気の川」の事例では、西インド洋の高クロロフィルの海域を起源とするバイオエアロゾルが対流圏中層に輸送され、南極域で水雲から氷雲に変質する可能性を雲粒子センサー（CPS）ゾンデと後方流跡線解析から示した(Sato and Inoue, 2023)。同様の雲の変質過程は、2023年9月の「みらい」北極航海でも観測された。カナダで発生した森林火災由来の有機エアロゾルが「大気の川」に伴う長距離輸送によって北極海上の対流圏中層に貫入し、水雲の一部が氷雲の層に変質することがCPSゾンデやドローンのエアロゾル観測データから示唆された（投稿中）。
③雲物理過程の高度化を進めている極域気候モデルNHM-SMAPを用いて、グリーンランド氷床上降水の国際相互比較（Box et al., 2023）、Polar CORDEXが主導する北極域モデル国際相互比較プロジェクト2件に参画し、計算結果を提出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

両極の雲の観測データを取得し、事例解析については論文投稿・出版を行い、成果が出始めている。予定していたライダーシーロメーターの導入も予定通り調達した。次年度にはエアロゾルの分析結果が出始め、数値モデルの感度実験を行う準備も整い始めていることから全体としては順調に進捗している。

Strategy for Future Research Activity

①南極観測・解析：2022年度の観測船「しらせ」で実施したマイクロ波放射計とライダーシーロメーターで取得された雲底高度・雲の相状態の情報を用いた解析結果を論文にまとめる。また、2024年度の「しらせ」の南極航海で追加の気象観測データを取得する。エアロゾル試料及び海水中の粒子解析から、海洋起源の氷晶核粒子(ダストあるいはバイオエアロゾル)が南極域で局所的に卓越するのか分析する。
②北極観測・解析：2023年度の研究船「みらい」の北極海航海で取得した雲の相状態の観測結果を元に、陸上の森林火災による北極海への長距離輸送の影響を調査し論文にまとめる。前年度に得られた南大洋上でのエアロゾル輸送過程と雲の変質過程について対比する。
③気候モデル：観測で得られた極域の雲物理に関する現場データを用いて、領域気候モデルNHM-SMAPの雲表現に関する性能向上を図る。感度実験を通じて①で得られた雲と気温の関係式や放射フラックスの計算精度が改善されるかを調査する。更に、大気の川に伴う水蒸気・エアロゾル輸送が、南極内陸域での雲・降雪過程に及ぼす影響を定量的に求めるため、その高度化されたモデルによる氷床表面質量収支の計算結果について、特に降雪量が改善されるのかどうかに着目して精度評価を行う。また、全球気候モデルCAM-ATRASを用い、「しらせ」南極航海や北極ニーオルスン観測基地で得られたエアロゾルの数濃度や化学組成、氷晶核粒子の数濃度などの検証を行う。両極域における氷晶核粒子の起源寄与を推定するとともに、各起源の氷晶核粒子が雲の物理特性や放射収支に与える影響を評価する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Alfred Wegener Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Finish Meteorological Institute(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] NORCE(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] EPFL(スイス)
• [Int'l Joint Research] GEUS(デンマーク)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] ドローンを活用した大気環境計測の新展開 (2024)
  • Author(s): 猪上淳
  • Journal Title: 大気化学研究 Volume: 1
  • Open Access
• [Journal Article] Observationally constrained analysis of sulfur cycle in the marine atmosphere with NASA ATom measurements and AeroCom model simulations (2024)
  • Author(s): Bian, H., Chin, M., Colarco, P. R., Apel, E. C., Blake, D. R., Froyd, K., Hornbrook, R. S., Jimenez, J., Jost, P. C., Lawler, M., Liu, M., Lund, M. T., Matsui, H., Nault, B. A., Penner, J. E., Rollins, A. W., Schill, G., Skeie, R. B., Wang, H., Xu, L., Zhang, K., Zhu, J.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 24 Issue: 3 Pages: 1717-1741
  • DOI: 10.5194/acp-24-1717-2024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ice Cloud Formation Related to Oceanic Supply of Ice‐Nucleating Particles: A Case Study in the Southern Ocean Near an Atmospheric River in Late Summer (2023)
  • Author(s): Sato Kazutoshi、Inoue Jun
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 50 Issue: 23
  • DOI: 10.1029/2023gl106036
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Challenges in Detecting Clouds in Polar Regions Using a Drone with Onboard Low-Cost Particle Counter (2023)
  • Author(s): Inoue Jun、Sato Kazutoshi
  • Journal Title: Atmospheric Environment Volume: 314 Pages: 120085-120085
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.120085
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ドローンを用いた船上気象観測-室内実験から野外観測までの行程- (2023)
  • Author(s): 猪上淳
  • Journal Title: 月刊海洋 Volume: 55 Pages: 361-367
• [Journal Article] The emissions model intercomparison project (Emissions-MIP): quantifying model sensitivity to emission characteristics (2023)
  • Author(s): Ahsan, H., Wang, H., Wu, J., Wu, M., Smith, S. J., Bauer, S., Suchyta, H., Olivie, D., Myhre, G., Matsui, H., Bian, H., Lamarque, J.-F., Carslaw, K., Horowitz, L., Regayre, L., Chin, M., Schulz, M., Skeie, R. B., Takemura, T., Naik, V.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 23 Pages: 14779-14799
  • DOI: 10.5194/acp-23-14779-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Morphological features and water solubility of iron in aged fine aerosol particles over the Indian Ocean (2023)
  • Author(s): Ueda, S., Iwamoto, Y., Taketani, F., Liu, M., Matsui, H.
  • Journal Title: Atmospheric Chemistry and Physics Volume: 23 Issue: 17 Pages: 10117-10135
  • DOI: 10.5194/acp-23-10117-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Greenland ice sheet rainfall climatology, extremes and atmospheric river rapids (2023)
  • Author(s): Box Jason E.、Nielsen Kristian P.、Yang Xiaohua、Niwano Masashi、Wehrl? Adrien、van As Dirk、Fettweis Xavier、K?ltzow Morten A. ?.、Palmason Bolli、Fausto Robert S.、van den Broeke Michiel R.、Huai Baojuan、Ahlstr?m Andreas P.、Langley Kirsty、Dachauer Armin、No?l Brice
  • Journal Title: Meteorological Applications Volume: 30 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/met.2134
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modelling the development and decay of cryoconite holes in northwestern Greenland (2023)
  • Author(s): Onuma Yukihiko、Fujita Koji、Takeuchi Nozomu、Niwano Masashi、Aoki Teruo
  • Journal Title: The Cryosphere Volume: 17 Issue: 8 Pages: 3309-3328
  • DOI: 10.5194/tc-17-3309-2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quality-controlled meteorological datasets from SIGMA automatic weather stations in northwest Greenland, 2012?2020. (2023)
  • Author(s): Nishimura M, Aoki T, Niwano M, Matoba S, Tanikawa T, Yamasaki T, Yamaguchi S, Fujita K
  • Journal Title: Earth System Science Data Volume: 15(11) Issue: 11 Pages: 5207-5226
  • DOI: 10.5194/essd-15-5207-2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a handheld integrating sphere snow grain sizer (HISSGraS) (2023)
  • Author(s): Aoki Teruo、Hachikubo Akihiro、Nishimura Motoshi、Hori Masahiro、Niwano Masashi、and 8 co-authors
  • Journal Title: Annals of Glaciology Volume: in press Pages: 1-12
  • DOI: 10.1017/aog.2023.72
  • NAID: 130007509880
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Supercooled liquid water clouds in the mid-troposphere over the Southern Ocean (2024)
  • Author(s): Inoue, J., K. Sato, and S. Shimizu
  • Organizer: 38th International Symposium on the Okhotsk and Polar Oceans 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ice cloud formation related to oceanic supply of ice-nucleating particles: A case study in the Southern Ocean near an atmospheric river in late summer (2024)
  • Author(s): Sato, K., and J. Inoue,
  • Organizer: 38th International Symposium on the Okhotsk and Polar Oceans 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The climatological characteristics of atmospheric rivers observed in the 64th Japanese Antarctic Research Expedition (2024)
  • Author(s): Takahashi, K., K. Sato, N. Hirasawa, and J. Inoue
  • Organizer: 38th International Symposium on the Okhotsk and Polar Oceans 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温下で発生する氷雲と海洋由来のエアロゾルの関係 (2023)
  • Author(s): 佐藤和敏、猪上淳
  • Organizer: 日本気象学会秋季大会
• [Presentation] ドローンによる気象観測の進展とWMO UAS-DCへの貢献 (2023)
  • Author(s): 猪上淳、佐藤和敏、瀬古弘
  • Organizer: 日本気象学会秋季大会
• [Presentation] Ice cloud formation related to oceanic supply of ice-nucleating particles: A case study in the Southern Ocean near an atmospheric river in late summer (2023)
  • Author(s): Sato, K., and J. Inoue
  • Organizer: 14th Polar Science Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantifying the role of microphysical properties and processes on the global distribution and radiative effects of black carbon (2023)
  • Author(s): Matsui, H.
  • Organizer: AGU Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 極域気候モデルによってシミュレートされた1991年から現在にかけての南極氷床表面大気・雪氷物理状態 (2023)
  • Author(s): 庭野匡思, 橋本明弘, 津滝俊
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • Invited
• [Presentation] Estimation of seasonal snow mass balance in Japan with a high-resolution snow cover simulation system by Japan Meteorological Agency (2023)
  • Author(s): Niwano, M., M. Suya, K. Nagaya, S. Yamaguchi, S. Matoba, I. Harada, and N. Ohkawara
  • Organizer: IUGG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 北西グリーンランド氷床上 SIGMA-A サイトにおける雪氷・気象観測研究の新展開に向けて (2023)
  • Author(s): 庭野匡思, 西村基志, 島田利元, 山崎哲秀, 大河原望, 砂子宗次朗, 青木輝夫, 橋本明弘, 谷川朋範, 的場澄人, 山口悟
  • Organizer: 雪氷研究大会2023
• [Presentation] Recent updates of the polar regional climate model NHM-SMAP (2023)
  • Author(s): Niwano, M.
  • Organizer: Polar CORDEX Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Book] 国立極地研究所のしごと (2023)
  • Author(s): こどもくらぶ（猪上淳：取材用力）
  • Total Pages: 32
  • Publisher: 同友館
  • ISBN: 9784496056512
• [Remarks] Drone Flights in Polar Regions
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/english/info/notice/20231018.html
• [Remarks] Insights On the Formation of Polar Ice Clouds
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/english/info/notice/20231201.html
• [Remarks] 気象ドローンをカスタマイズ！－極地研の観測メカ#1－
  • URL: https://kyoku.nipr.ac.jp/special/294
• [Funded Workshop] Workshop “Recent advances in the Antarctic and Arctic climate research”, 38th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Ocean 2024 (2024)