北極混相雲の動態と維持メカニズムの解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01294
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小池 真 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00225343)
• 研究分担者: 茂木 信宏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20507818) ; 當房 豊 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (60572766) ; 森 樹大 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (60801181)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 北極 / 混相雲 / 氷晶核 / エアロゾル

研究実績の概要

本研究の目的は、急速に進む北極温暖化の予測において重要な混相雲（水雲粒子と氷雲粒子 が共存した雲）が、「どのような微物理的特徴があり、安定して維持されているのか」という問いに答えることである。本研究では北極域で唯一となる雲微物理量の連続観測と氷晶核数濃度観測を山岳観測所において実施し、統計的データに基づき北極混相雲の基本的な動態を明らかにする。そして混相雲の安定性の鍵と考えられる、氷雲粒子を生成するエアロゾル（氷晶核）と氷雲粒子との対応関係を調べ、降雪による氷晶核除去過程や氷粒子の2次生成を評価する。これらの観測的知見に基づいて雲微物理モデルを改良することにより、混相雲が安定して維持されるメカニズムの解明を目指す。
2023年度も継続してノルウェー領のニーオルスンのゼッペリン山観測所（79°N, 12°E, 海抜474 m）において、雲粒子および降水粒子の直接観測および氷晶核数濃度観測を1年間を通じて実施した。本年度は降水粒子の画像解析を進め、これらの粒子が水滴（球形）であるのか、氷粒子（非球形）であるのかを調べた。また2種類の降水粒子測定装置の間の整合性を調べた。さらに夏季に増大する氷晶核数濃度の季節変動を、雪氷の融解と地表面からの粒子放出の観点から説明した。
2023年度にはまた、数値モデル計算の混層雲の安定性に関わる氷粒子の形状（晶癖）が雲のマクロな構造にどのような影響を与えるのか評価した。この結果、北極の混層雲の数値モデル計算において、氷晶核（エアロゾル）数濃度とともに、氷粒子の形状が鉛直積算雲水量などの雲の構造に少なからぬ影響を与え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

2023年度には、計画通りにニーオルスンのゼッペリン山観測所において、雲粒子・降水粒子の直接観測および氷晶核観測を1年間を通じて実施できた。また混層雲の維持・衰退の鍵となる氷粒子の降水について、粒子形状の観点から研究を進めた。数値北極混相雲のモデル計算についても計画どおりに数値計算を実施し、氷粒子の形状の影響を評価した。これらの成果を論文として発表した。

今後の研究の推進方策

本研究では、最終年度である2024年度も継続して北極域では世界唯一となる雲微物理量の直接かつ連続的観測を、ニーオルスンのゼッペリン山観測所で実施する。また氷晶核数濃度の継続的な観測も実施する。これらのデータは世界的にも特色のあるデータであり、我々自身が実施する研究以外にも広く活用されることが期待される。
また2024年度は本研究の最終年度であるため、より定量的な議論を進め、研究をまとめる予定である。氷晶核として働くエアロゾルは気温が低くなるほど増加するので、その数濃度は各温度で働く氷晶核数濃度と雲頂気温の２つにより決まる。レーダ・ライダから推定される雲頂高度の気温に加えて大気中の氷晶核として働くエアロゾル数濃度の季節変動が明らかになりつつあるため、この両観測から実大気で働く氷晶核数濃度を推定する。そして雲レーダやライダにより氷を含む雲が出現している時間帯を抽出し、降水粒子と氷晶核の数濃度の対応を調べる。
本研究では、世界最先端の雲微物理モデルAMPSを理化学研究所のSCALE大気モデルに移植した。このモデルを用いて北極混層雲に対する氷晶核数濃度変動の影響や氷粒子形状の影響を評価してきた。2024年度には本研究で観測された氷晶核数濃度と雲微物理量との対応の再現性や混層雲のメカニズムについて調べていく予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Norwegian Polar Institute、NILU(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: Norwegian Polar Institute、NILU
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Stockholm University
• [国際共同研究] ETH Zurich、University of Basel(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ETH Zurich、University of Basel
• [国際共同研究] Colorado State University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Colorado State University
• [国際共同研究] Aarhus University(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Aarhus University
• [雑誌論文] Roles of marine biota in the formation of atmospheric bioaerosols, cloud condensation nuclei, and ice-nucleating particles over the North Pacific Ocean, Bering Sea, and Arctic Ocean (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawana Kaori、Taketani Fumikazu、Matsumoto Kazuhiko、Tobo Yutaka、Iwamoto Yoko、Miyakawa Takuma、Ito Akinori、Kanaya Yugo
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 24 ページ: 1777～1799
  • DOI: 10.5194/acp-24-1777-2024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Responses of Simulated Arctic Mixed-Phase Clouds to Parameterized Ice Particle Shape (2024)
  • 著者名/発表者名: Ong Chia Rui、Koike Makoto、Hashino Tempei、Miura Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Atmospheric Sciences 巻: 81 ページ: 125～152
  • DOI: 10.1175/JAS-D-23-0015.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Constraining the complex refractive index of black carbon particles using the complex forward-scattering amplitude (2023)
  • 著者名/発表者名: Moteki Nobuhiro、Ohata Sho、Yoshida Atsushi、Adachi Kouji
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 57 ページ: 678～699
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2202243
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 気候に関わる成層圏エアロゾル研究の最前線 (2023)
  • 著者名/発表者名: 茂木 信宏
  • 雑誌名: Japan Geoscience Letters 巻: Vol.19, No.3 ページ: -
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Regionally sourced bioaerosols drive high-temperature ice nucleating particles in the Arctic (2023)
  • 著者名/発表者名: Pereira Freitas Gabriel、Adachi Kouji、Conen Franz、Heslin-Rees Dominic、Krejci Radovan、Tobo Yutaka、Yttri Karl Espen、Zieger Paul
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 5997
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41696-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Composition and mixing state of individual aerosol particles from northeast Greenland and Svalbard in the Arctic during spring 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Tobo Yutaka、Oshima Naga、Yoshida Atsushi、Ohata Sho、Krejci Radovan、Massling Andreas、Skov Henrik、Koike Makoto
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 314 ページ: 120083
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.120083
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of a method to quantify the number concentrations of submicron water-insoluble aerosol particles based on filter sampling and complex forward-scattering amplitude measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohata Sho、Moteki Nobuhiro、Kawanago Hikaru、Tobo Yutaka、Adachi Kouji、Mochida Michihiro
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 57 ページ: 1013～1030
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2223387
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dominant Role of Arctic Dust With High Ice Nucleating Ability in the Arctic Lower Troposphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawai Kei、Matsui Hitoshi、Tobo Yutaka
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 50 ページ: e2022GL102470
  • DOI: 10.1029/2022GL102470
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A signature of aged biogenic compounds detected from airborne VOC measurements in the high arctic atmosphere in March/April 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Holzinger Rupert、Eppers Oliver、Adachi Kouji、Bozem Heiko、Hartmann Markus、Herber Andreas、Koike Makoto、Millet Dylan B.、Moteki Nobuhiro、Ohata Sho、Stratmann Frank、Yoshida Atsushi
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 309 ページ: 119919
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.119919
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of Aerosol Particle Size Distributions and INPs Over the Southern Ocean in the Late Austral Summer of 2017 on Board the R/V <i>Mirai</i>: Importance of the Marine Boundary Layer Structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyakawa Takuma、Taketani Fumikazu、Tobo Yutaka、Matsumoto Kazuhiko、Yoshizue Momoka、Takigawa Masayuki、Kanaya Yugo
  • 雑誌名: Earth and Space Science 巻: 10 ページ: e2022EA002736
  • DOI: 10.1029/2022EA002736
  • オープンアクセス
• [学会発表] 北太平洋～ベーリング海～北極海における氷晶核粒子の粒径分布の船舶観測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 當房 豊
  • 学会等名: 2023年度 エアロゾル・雲・降水に関する研究集会
• [学会発表] Applying the Complex Amplitude Sensor to Determine Size Distribution of the Suspended Particulate Matter in the Surface Ocean (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, A.,Tobo,Y., Adachi,K., Moteki,N., Kawai, Y.,Koike,M.
  • 学会等名: Ocean Sciences Meeting,
  • 国際学会
• [学会発表] A polarization-resolved sensor of complex forward-scattering amplitude for inline measurements of mineral dust and other particles (2023)
  • 著者名/発表者名: Moteki N Adachi, K.
  • 学会等名: AGU annual meeting, San Fransisco, CA, USA.
  • 国際学会
• [学会発表] Distinctive changes in natural aerosols capable of ice nucleation likely linked to the climate and ecosystems in Svalbard (2023)
  • 著者名/発表者名: Tobo, Y., Adachi, K., Kawai, K., Matsui, H., Ohata, S., Oshima, N., Kondo, Y., Hermansen, O., Inoue, J., Koike, M.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Annual cycle of aerosols capable of ice nucleation and its relationship with the climate system and terrestrial ecosystems in Svalbard (2023)
  • 著者名/発表者名: Tobo, Y., Adachi, K., Matsui, H., Kawai, K., Ohata, S., Kondo, Y., Hermansen, O., Inoue, J., Uchida, M., Koike, M.
  • 学会等名: Svalbard Science Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Possible factors influencing the variation of atmospheric ice nucleating particles in the Arctic lower troposphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Tobo, Y.
  • 学会等名: SOLAS Seminar VII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Temperature dependence of precipitating ice particle number concentrations of Arctic mixed-phase clouds observed by continuous ground-based measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Koike, M., Saito, T., Tobo, Y., Ebell, K., Moteki, N., Ohata, S., Mori, T., Yoshida, A., Adachi, K., Baumgardner, D., Ong, C. R., and Hashino, T.
  • 学会等名: The 28th IUGG, Berlin, Germany, July 12, 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 夏季の西部北太平洋上空における 鉱物ダストの粒径別数濃度の航空機観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大畑祥 , 茂木信宏 , 當房豊 , 足立光司 , 松井仁志 , 北和之 , 森樹大 , 吉田淳 , 小池真
  • 学会等名: 大気化学討論会、 長崎
• [学会発表] グリーンランド南東部アイスコアの黒色炭素濃度測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上田紗也子, 大畑祥, 飯塚芳徳, 的場澄人, 関宰,松井仁志、近藤豊、小池真
  • 学会等名: 大気化学討論会、 長崎
• [学会発表] Black carbon deposition in Northeast Greenland over the past 350 years (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumiko Goto-Azuma, Fukuda Kaori, Ogata Jun, Komuro Yuki, Hirabayashi Motohiro, Nakazawa Fumio, Oyabu Ikumi , Kitamura Kyotaro, Fujita Shuji, Moteki Nobuhiro, Mori Tatsuhiro, Ohata Sho, Kondo Yutaka , Koike Makoto , Et al.
  • 学会等名: 第14回極域科学シンポジウム、国立極地研究所
• [図書] 雲の物理とエアロゾル (2024)
  • 著者名/発表者名: 近藤 豊、小池 真
  • 総ページ数: 288
  • 出版者: 東京大学出版会
  • ISBN: 9784130627313
• [備考]
  • URL: https://envchem.fpark.tmu.ac.jp/index.html
• [備考]
  • URL: https://researchmap.jp/yutaka.tobo/