鉱物ダストの被覆量・組成に着目した気候モデルの開発と気候影響評価の刷新

• 研究課題/領域番号: 23K18519
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分63:環境解析評価およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2025年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 気候変動 / エアロゾル / 鉱物ダスト / 粒子特性 / 全球気候モデル

研究開始時の研究の概要

砂漠域などから放出される鉱物ダストは様々な粒子特性（粒径・鉱物組成など）を持つが、それが気候に与える影響の理解は乏しい。本研究では、ダストの個々の粒子の特性を詳細に計算可能な数値モデルを新たに開発する。そして、ダストの粒子特性がダストの時空間分布や長距離輸送過程などに及ぼす影響を評価するとともに、ダストが放射・雲過程に与える影響や、放出源から長距離を輸送されて雪氷圏や生態系に及ぼす影響の推定を高精度化することを目指す。

研究実績の概要

砂漠域などから放出される鉱物ダスト（黄砂など）は、放射の散乱・吸収、雲・降水過程、雪氷面の加熱率、生態系の一次生産などを変化させ、地球の気候に大きな影響を及ぼす。しかし、これらのダストの気候影響の推定には大きな不確実性があり、地球温暖化などの気候の変化・変動を予測する上で重要な不確定要素の1つとなっている。特にダストの粒径、他のエアロゾル成分による被覆量、鉱物組成は多様であり、このような個々の粒子の特性が鉱物ダストの気候影響に対して果たす役割の理解は乏しい。本研究では、ダストの被覆量や組成などの個々の粒子の特性を詳細に計算可能な気候モデルを開発し、ダストの粒子特性（粒径・被覆量・組成）がダストの時空間分布や長距離輸送過程などに及ぼす影響を評価する。そして、ダストが放射・雲過程に与える影響や、放出源から長距離を輸送されて雪氷圏や生態系に及ぼす影響の推定を高精度化することを目指す。
令和6年度は、これまでに開発してきた気候－エアロゾルモデルCAM-ATRASを用いて、鉱物ダストの粒径分布と被覆状態を詳細に表現する手法の整備を進めた。光吸収性や氷晶核活性といった性質に着目し、異なる鉱物組成を個別に扱う表現の検討を継続するとともに、鉱物ごとの放出・輸送・変質・除去過程を個別に計算可能とするモデル拡張に着手した。さらに、本モデルを用いた応用的な研究として、鉱物ダストの全球的な時空間分布および雲への影響を解析し、特に中高緯度域における雲の凍結過程や相変化への影響を評価した。モデル計算結果は、地上および衛星観測との比較により検証を行った。加えて、ダストに由来する鉄粒子の外洋域への沈着過程を解析し、鉄粒子の粒径分布の扱いによって長距離輸送効率や沈着量が大きく変化し、それが海洋生態系における一次生産の評価において重要な要因となり得ることを示した。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

令和6年度は、鉱物ごとの放出・輸送・除去過程を個別に扱うモデル拡張に着手し、鉱物ダストの粒子特性をより詳細に表現する手法の整備を進めている。また、ダストの全球分布や雲への影響を解析し、観測データとの比較による検証を開始した。さらに、鉄粒子の沈着過程に関する解析も進めており、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

これまでに開発した気候－エアロゾルモデルCAM-ATRASの枠組みを活用しながら、鉱物ダストの粒径分布、被覆状態、鉱物組成といった粒子特性を詳細に表現するための手法の構築に向けて、引き続き検討を進める。これらの特性が放射・雲・沈着過程などに及ぼす影響をより正確に記述できるよう、鉱物組成に依存する光学特性や氷晶核活性の表現の導入を図る。また、これまでに収集・整備してきた地上観測、航空機観測、衛星観測の各種データを活用し、モデルで計算される鉱物ダストの粒径分布や鉱物組成、光学的厚み、雲への影響などについて、定量的な比較と検証を行う。これにより、粒子特性の扱い方がモデルの再現性や感度に与える影響を明らかにし、モデルの改良につなげる。特に雲形成過程との関係では、凍結過程や相変化への寄与の理解を深めるため、混相雲の氷晶核特性に対するダストの役割についても重点的に評価を行う。
鉱物ダストは、大気中での放射や雲との相互作用に加え、地表への沈着を通じて雪氷のエネルギー収支を変化させるほか、生態系の一次生産にも間接的に影響を及ぼすなど、地球システムの多様な構成要素と密接に関係している。こうした多圏的な影響は、時間スケールとしても短期的な気候応答から長期的な物質循環や炭素収支にまで及ぶ可能性がある。そのため、鉱物ダストの粒子特性を精緻に記述し、その気候影響を統合的に評価することは、将来的な気候変動の理解と予測において重要である。本研究では、こうした観点からモデルの高度化と応用を進め、気候－エアロゾル相互作用の理解を深めることを目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Cornell University(米国)
• [雑誌論文] Aircraft‐Based Observation of Mineral Dust Particles Over the Western North Pacific in Summer Using a Complex Amplitude Sensor (2025)
  • 著者名/発表者名: Ohata S.、Moteki N.、Adachi K.、Tobo Y.、Matsui H.、Kita K.、Mori T.、Koike M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 130 号: 5
  • DOI: 10.1029/2024jd043063
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced atmospheric oxidation toward carbon neutrality reduces methane’s climate forcing (2024)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Song Yu、Matsui Hitoshi、Shang Fang、Kang Ling、Cai Xuhui、Zhang Hongsheng、Zhu Tong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1 ページ: 3148-3148
  • DOI: 10.1038/s41467-024-47436-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Where Dust Comes From: Global Assessment of Dust Source Attributions With AeroCom Models (2024)
  • 著者名/発表者名: Kim Dongchul、Chin Mian、Schuster Greg、Yu Hongbin、Takemura Toshihiko、Tuccella Paolo、Ginoux Paul、Liu Xiaohong、Shi Yang、Matsui Hitoshi、Tsigaridis Kostas、Bauer Susanne E.、Kok Jasper F.、Schulz Michael
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 129 号: 16
  • DOI: 10.1029/2024jd041377
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Substantial nitrogen abatement accompanying decarbonization suppresses terrestrial carbon sinks in China (2024)
  • 著者名/発表者名: Shang Fang、Liu Mingxu、Song Yu、Lu Xingjie、Zhang Qiang、Matsui Hitoshi、Liu Lingli、Ding Aijun、Huang Xin、Liu Xuejun、Cao Junji、Wang Zifa、Dai Yongjiu、Kang Ling、Cai Xuhui、Zhang Hongsheng、Zhu Tong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1 ページ: 7738-7738
  • DOI: 10.1038/s41467-024-52152-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Surface warming in Svalbard may have led to increases in highly active ice-nucleating particles (2024)
  • 著者名/発表者名: Tobo Yutaka、Adachi Kouji、Kawai Kei、Matsui Hitoshi、Ohata Sho、Oshima Naga、Kondo Yutaka、Hermansen Ove、Uchida Masaki、Inoue Jun、Koike Makoto
  • 雑誌名: Communications Earth & Environment 巻: 5 号: 1 ページ: 516-516
  • DOI: 10.1038/s43247-024-01677-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Increasing Arctic dust suppresses the reduction of ice nucleation in the Arctic lower troposphere by warming (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsui Hitoshi、Kawai Kei、Tobo Yutaka、Iizuka Yoshinori、Matoba Sumito
  • 雑誌名: npj Climate and Atmospheric Science 巻: 7 号: 1 ページ: 266-266
  • DOI: 10.1038/s41612-024-00811-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Representation of iron aerosol size distributions of anthropogenic emissions is critical in evaluating atmospheric soluble iron input to the ocean (2024)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Matsui Hitoshi、Hamilton Douglas S.、Rathod Sagar D.、Lamb Kara D.、Mahowald Natalie M.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 24 号: 22 ページ: 13115-13127
  • DOI: 10.5194/acp-24-13115-2024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observationally constrained analysis of sulfur cycle in the marine atmosphere with NASA ATom measurements and AeroCom model simulations (2024)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 24 号: 3 ページ: 1717-1741
  • DOI: 10.5194/acp-24-1717-2024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The emissions model intercomparison project (Emissions-MIP): quantifying model sensitivity to emission characteristics (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 23 号: 23 ページ: 14779-14799
  • DOI: 10.5194/acp-23-14779-2023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Morphological features and water solubility of iron in aged fine aerosol particles over the Indian Ocean (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueda, S., Iwamoto, Y., Taketani, F., Liu, M., Matsui, H.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 23 号: 17 ページ: 10117-10135
  • DOI: 10.5194/acp-23-10117-2023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Threefold reduction of modeled uncertainty in direct radiative effects over biomass burning regions by constraining absorbing aerosols (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhong Q., Schutgens N., van der Werf G. R., Takemura T., van Noije T., Mielonen T., Checa-Garcia R., Lohmann U., Kirkevag A., Olivie D. J. L., Kokkola H., Matsui H., Kipling Z., Ginoux P., Le Sager P., Remy S., Bian H., Chin M., Zhang K., Bauer S. E., Tsigaridis K.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 48
  • DOI: 10.1126/sciadv.adi3568
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 温暖化がもたらす北極ダストの増加と氷晶形成への影響 (2025)
  • 著者名/発表者名: 松井仁志、河合慶、當房豊、飯塚芳徳、的場澄人
  • 学会等名: 2024年度エアロゾル・雲・降水の相互作用に関する研究集会
• [学会発表] ダスト由来の氷晶核の全球起源寄与 (2024)
  • 著者名/発表者名: 河合慶、松井仁志
  • 学会等名: 第29回大気化学討論会
• [学会発表] 北極温暖化に伴う北極ダストの増加とその氷晶形成への影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 松井仁志、河合慶、當房豊、飯塚芳徳、的場澄人
  • 学会等名: 日本気象学会2024年度秋季大会
• [学会発表] Study on impacts of Arctic warming on aerosols and ice nucleation of clouds in the Arctic (2024)
  • 著者名/発表者名: Ren, Z., Kawai, K., Liu, M., and Matsui, H.
  • 学会等名: The 4th Asian Conference on Meteorology (ACM) 2024 jointly organized with The 3rd Workshop on the A3 Foresight Program
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling research on the emission, transport, and ice nucleation processes of Arctic dust (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawai, K., Matsui, H., and Tobo, Y.
  • 学会等名: The 4th Asian Conference on Meteorology (ACM) 2024 jointly organized with The 3rd Workshop on the A3 Foresight Program
  • 国際学会
• [学会発表] Quantifying the role of microphysical properties and processes on the global distribution and radiative effects of black carbon (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsui, H.
  • 学会等名: AGU Annual Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 【プレスリリース】温暖化に伴う北極ダストの増加が雲の氷形成を促進する効果を解明
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2024/11/post-748.html
• [備考] 【プレスリリース】北極域での気温上昇によって氷晶形成にかかわるエアロゾルは増加する
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2024/10/post-732.html
• [備考]
  • URL: https://has.env.nagoya-u.ac.jp/~matsui/index.html
• [備考] https://has.env.nagoya-u.ac.jp/~matsui/index.html