地球システムモデルの高度化と北極域における黒色炭素粒子の気候影響評価

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03363
• 研究機関: 気象庁気象研究所
• 研究代表者: 大島 長 気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (50590064)
• 研究分担者: 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) ; 青木 輝夫 国立極地研究所, 国際北極環境研究センター, 特任教授 (30354492)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: エアロゾル / 黒色炭素粒子 / 気候変動 / 環境変動 / 北極 / 気候モデル / 雪氷 / 大気化学

研究実績の概要

従来の気候モデルに数多くの改良を実施することで、第6期結合モデル相互比較計画（CMIP6）に向けた新しい気象研究所地球システムモデル（MRI-ESM2）を開発した。CMIP6の枠組みで実施されたMRI-ESM2による様々な計算結果をCMIP6モデル結果が集積されるデータノードに提出した。現在気候におけるMRI-ESM2の再現性を検証するために、近年を対象としたモデル計算結果と観測結果を比較したところ、北極域での大気中ブラックカーボン濃度の季節変化、グリーンランドでの積雪粒径の広域分布、北極域での積雪中ブラックカーボン濃度の広域分布等の再現性が従来よりも向上した。モデルで使用する雪氷面アルベド物理過程の検証のため、札幌における2007-2017年の気象・積雪観測データをもとに、積雪アルベド物理モデルを用いて、積雪不純物（ブラックカーボン、ダスト）によるアルベド低下が熱収支及び融雪に与える数値実験を行った。その結果、積雪不純物によるアルベド変化は-0.053、放射強制力は+6.7 Wm-2であった。また、融雪量への寄与は融雪量全体の28%を占め、そのうちブラックカーボンによる寄与がダストよりも3倍大きいことが明らかになった。また、地球システムモデルによる気候計算のリファレンス情報とすべく、時空間的に高解像度な極域気候モデルNHM-SMAP v1.0によるグリーンランド域を対象とする1980年から現在にかけての気候計算結果を、国際的なグリーンランド氷床表面質量収支計算モデル相互比較プロジェクト（GrSMBMIP）に提出した。グリーンランド氷床における雲放射効果の定性的・定量的影響をNHM-SMAP v1.0を用いて調べた結果、雲量が増加するほど雪氷表面融解面積は拡大するものの、雪氷質量損失は雲量の減少によって加速されることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

気象研究所地球システムモデルの開発および積雪変質モデル・積雪アルベド物理モデルの検証・高度化を実施した。とくに北極域での観測により得られた積雪不純物（ブラックカーボン）濃度や積雪粒径について、観測結果とモデル計算結果の比較・検証を実施し、モデルの再現性を確認した。また、積雪不純物がアルベド低下を通して融雪に与える効果を、10年という比較的長期間の観測データとモデルの感度実験から明らかにした。さらに、札幌のような中緯度の都市域では、ブラックカーボンの効果がダストよりも大きいことが確認された。また、時空間的に高解像度な極域気候モデルによるグリーンランド気候計算が完了し、計算結果は地球システムモデルによる気候計算結果のリファレンス情報として活用できるため、今後の地球システムモデルの検証・高度化を行う上で重要な成果である。

今後の研究の推進方策

気象研究所地球システムモデルを用いて、産業革命前から現在までの長期計算を実施する。また、産業革命前に対する現在におけるブラックカーボン等の有効放射強制力を全球規模と北極域において評価する。グリーンランドにおける現地観測データと積雪アルベド物理モデルを用いて、積雪不純物が融雪に与える効果を調べ、地球システムモデルによる見積もりを検証する。また、衛星データから積雪粒径や雪氷微生物の経年変化とアルベドに与える効果を見積もる。地球システムモデルの歴史実験計算から抽出されるブラックカーボンとダストの氷床表面への沈着量計算結果をNHM-SMAP v1.0を構成するオフラインSMAPコンポーネントに入力して、近年のグリーンランド氷床表面質量収支変動に対するブラックカーボンの定量的寄与を評価する。収集した観測データによる検証も同時並行で実施する。

研究成果

• [雑誌論文] Impact of observation-based snow albedo parameterization on global ocean simulation results (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyoda Takahiro、Aoki Teruo、Niwano Masashi、Tanikawa Tomonori、Urakawa L. Shogo、Tsujino Hiroyuki、Nakano Hideyuki、Sakamoto Kei、Hirose Nariaki、Yamanaka Goro
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 24 ページ: 100521～100521
  • DOI: 10.1016/j.polar.2020.100521
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced new particle formation above the marine boundary layer over the Yellow Sea: Potential impacts on cloud condensation nuclei (2020)
  • 著者名/発表者名: Takegawa, N., T. Seto, N. Moteki, M. Koike, N. Oshima, K. Adachi, K. Kita, A. Takami, and Y. Kondo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 ページ: e2019JD031448
  • DOI: 10.1029/2019JD031448
  • 査読あり
• [雑誌論文] Concentrations and size distributions of black carbon in the surface snow of eastern Antarctica in 2011 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinase, T., K. Adachi, N. Oshima, K. Goto-Azuma, Y. Ogawa-Tsukagawa, Y. Kondo, N. Moteki, S. Ohata, T. Mori, M. Hayashi, K. Hara, H. Kawashima, and K. Kita
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 ページ: e2019JD030737
  • DOI: 10.1029/2019JD030737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Black carbon and inorganic aerosols in Arctic snowpack (2019)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., K. Goto‐Azuma, Y. Kondo, Y. Ogawa‐Tsukagawa, K. Miura, M. Hirabayashi, N. Oshima, M. Koike, K. Kupiainen, N. Moteki, S. Ohata, P. R. Sinha, K. Sugiura, T. Aoki, M. Schneebeli, K. Steffen, A. Sato, A. Tsushima, V. Makarov, S. Omiya, A. Sugimoto, S. Takano, and N. Nagatsuka
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 124 ページ: 13325-13356
  • DOI: 10.1029/2019JD030623
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Significant improvement of cloud representation in the global climate model MRI-ESM2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawai, H., S. Yukimoto, T. Koshiro, N. Oshima, T. Tanaka, H. Yoshimura, and R. Nagasawa
  • 雑誌名: Geosci. Model Dev. 巻: 12 ページ: 2875-2897
  • DOI: 10.5194/gmd-12-2875-2019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Meteorological Research Institute Earth System Model Version 2.0, MRI-ESM2.0: Description and Basic Evaluation of the Physical Component (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukimoto, S., H. Kawai, T. Koshiro, N. Oshima, K. Yoshida, S. Urakawa, H. Tsujino, M. Deushi, T. Tanaka, M. Hosaka, S. Yabu, H. Yoshimura, E. Shindo, R. Mizuta, A. Obata, Y. Adachi, and M. Ishii
  • 雑誌名: J. Meteor. Soc. Japan 巻: 97 ページ: 931-965
  • DOI: 10.2151/jmsj.2019-051
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bacterial community changes with granule size in cryoconite and their susceptibility to exogenous nutrients on NW Greenland glaciers (2019)
  • 著者名/発表者名: Uetake, J., N. Nagatsuka, Y. Onuma, N. Takeuchi, H. Motoyama, and T. Aoki,
  • 雑誌名: FEMS Microbiology Ecology 巻: 95 ページ: fiz075
  • DOI: 10.1093/femsec/fiz075
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cloud-driven modulations of Greenland ice sheet surface melt. (2019)
  • 著者名/発表者名: Niwano, M., A. Hashimoto and T. Aoki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 10380
  • DOI: 10.1038/s41598-019-46152-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Retrieval of snow properties from the Sentinel-3 Ocean and Land Colour Instrument (2019)
  • 著者名/発表者名: Kokhanovsky, A. A., M. Lamare, O. Danne, M. Dumont, C. Brockmann, G. Picard, L. Arnaud, V. Favier, B. Jourdain, E. Lemeur, B. Di Mauro, T. Aoki, M. Niwano, et al.
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 11 ページ: 2280
  • DOI: 10.3390/rs11192280
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of specific surface area of fresh solid precipitation particles in heavy snowfall regions of Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, S., Ishizaka, M., Motoyoshi, H., Nakai, S., Vionnet, V., Aoki, T., Yamashita, K., Hashimoto, A., and Hachikubo, A.
  • 雑誌名: The Cryosphere 巻: 13 ページ: 2713-2732
  • DOI: 10.5194/tc-13-2713-2019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Algorithm Theoretical Basis for the Himawari-8, -9/AHI Cryosphere Product, Part 1: Snow Cover (2019)
  • 著者名/発表者名: Yogo, Y., Y. Ioka, T. Tanikawa, M. Hosaka, H. Ishida, and T. Aoki
  • 雑誌名: Meteorological Satellite Center Technical Note 巻: 64 ページ: 1-12
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Algorithm Theoretical Basis for the Himawari-8, -9/AHI Cryosphere Product, Part 2: Sea Ice Distribution (2019)
  • 著者名/発表者名: Ioka, Y., Y. Yogo, T. Tanikawa, M. Hosaka, H. Ishida, and T. Aoki
  • 雑誌名: Meteorological Satellite Center Technical Note 巻: 64 ページ: 13-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Meteorological and evaluation datasets for snow modelling at ten reference sites: description of in situ and bias-corrected reanalysis data (2019)
  • 著者名/発表者名: Menard, C. B., Essery, R., Barr, A., Bartlett, P., Derry, J., Dumont, M., Fierz, C., Kim, H., Kontu, A., Lejeune, Y., Marks, D., Niwano, M., Raleigh, M., Wang, L., and Wever, N.
  • 雑誌名: Earth Syst. Sci. Data 巻: 11 ページ: 865-880
  • DOI: 10.5194/essd-11-865-2019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Snow grain growth and NIR albedo reduction due to temperature increase at SIGMA-A, Greenland Ice Sheet (2020)
  • 著者名/発表者名: Aoki, T., M. Niwano, T. Tanikawa, S. Matoba, Y. Iizuka, S. Yamaguchi, K. Fujita, M. Hori, R. Shimada, H. Ishimoto, and T. Yamasaki
  • 学会等名: Sixth International Symposium on the Arctic Research (ISAR-6)
  • 国際学会
• [学会発表] SE-Domeコアによるエアロゾルデータベースのモデル研究への適用・応用とMRI-ESM2による放射強制力の推定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大島長
  • 学会等名: グリーンランド南東ドームアイスコアに関する研究集会
• [学会発表] Evaluation of radiative forcing using MRI earth system model (2019)
  • 著者名/発表者名: Oshima, N.
  • 学会等名: AMAP short-lived climate forcers (SLCF) expert group meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the MRI-ESM2 and evaluation of black carbon in the Arctic (2019)
  • 著者名/発表者名: Oshima, N.
  • 学会等名: Summer Session 2019 Tsukuba on Air Quality Modeling in Asia
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the MRI Earth System Model (MRI-ESM2) and evaluations of radiative effects of black carbon (2019)
  • 著者名/発表者名: Oshima, N.
  • 学会等名: The Workshop on Air Quality and Climate Research Across Scales
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global climate change driven by soot ejection following the asteroid impact as the cause of the extinction of the dinosaurs (2019)
  • 著者名/発表者名: Oshima, N., K. Kaiho, K. Adachi, Y. Adachi, T. Mizukami, M. Fujibayashi, and R. Saito
  • 学会等名: The 27th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 気象研究所地球システムモデルによる過去再現実験での北極域のエアロゾルと気候変動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大島長、田中泰宙、神代剛、出牛真、相澤拓郎、保坂征宏、川合秀明、行本誠史、飯塚芳徳、東久美子、青木輝夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 招待講演
• [学会発表] グリーンランドおよび南極氷床の質量収支変動の理解に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 青木輝夫, 庭野匡思, 末吉哲雄
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年度連合大会
• [学会発表] Impacts of light absorbing snow impurities to radiation budget and snowmelt observed at Sapporo, Japan during the 10 winters (2019)
  • 著者名/発表者名: Aoki, T., Y. Hirozawa1, M. Niwano, S. Matoba, Y. Kodama, and T. Tanikawa
  • 学会等名: The 27th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 気温上昇に伴う積雪粒径の増加と近赤外アルベド低下効果の普遍性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 青木輝夫, 庭野匡思, 谷川朋範, 的場澄人
  • 学会等名: 日本気象学会2019年度秋季大会
• [学会発表] Satellite-derived snow grain size over the Greenland Ice Sheet and its relationships with climate indices (2019)
  • 著者名/発表者名: Aoki, T., R. Shimada, M. Hori, M. Niwano, T. Tanikawa, H. Ishimoto, S. Matoba, I. Yoshinori, and K. Fujita
  • 学会等名: The Tenth Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Cloud-driven modulations of Greenland ice sheet surface melt, from 2012 to 2014 (2019)
  • 著者名/発表者名: Niwano, M., A. Hashimoto, and T. Aoki
  • 学会等名: 2019 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] グリーンランド氷床表面融解に対する雲の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思, 橋本明弘, 青木輝夫
  • 学会等名: 日本気象学会2019年秋季大会
• [学会発表] 極域気候モデルNHM-SMAP v1.0で計算されたグリーンランド氷床表面質量収支1978-2019 (2019)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思
  • 学会等名: SE-Domeアイスコアに関する研究集会, 北海道大学 低温科学研究所
• [学会発表] 札幌における気象・雪氷観測からグリーンランド氷床雪氷質量変動研究へ (2019)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思
  • 学会等名: 低温科学研究所 共同研究集会シンポジウム「変化する環オホーツク陸域・海域環境と今後の展望」
• [学会発表] Impacts of clouds on the Greenland ice sheet surface melt and mass balance (2019)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思, 橋本明弘, 青木輝夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年度連合大会