氷晶核の全球分布とその雲過程を通した気候影響の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H03722
• 配分区分: 補助金
• 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)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 気候変動 / エアロゾル / エアロゾル－雲相互作用 / 氷晶核 / 全球気候モデル

研究実績の概要

大気中の微粒子は、雲の氷晶の核（氷晶核）として働き、雲の放射収支などを変化させる。しかし、この過程についての科学的な知見は限られており、気候変動予測において大きな不確定要素となっている。この過程を解明するため、本研究では氷晶核に着目した新たな気候モデルを開発し、大気中の氷晶核の空間分布の推定を高度化する。そして、氷晶核が雲の放射収支などに与える気候影響の推定精度を向上させる。
令和4年度は、氷晶核として働く各種エアロゾルを我々がこれまで開発してきた気候モデル（CAM-ATRAS）に導入し、それらの全球分布を計算可能にした。また、鉱物ダストについては、我々のこれまでの氷晶核観測によって、北極域で放出されるダストが、一般的なダスト（砂漠起源の粒子）と比べて非常に高い氷晶核能（氷晶核へのなりやすさ）を持つことを明らかにしてきた。本研究では、この観測に基づいて北極域で放出されるダストの氷晶核能の温度依存性を定式化し、気候モデルに導入した。
そして、北極域で放出されるダスト特有の高い氷晶核能を考慮したモデル計算によって、それを考慮しない従来の計算と比べて北極域の対流圏下層の氷晶核数が100倍以上増加することを示し、北極域の様々な地点での氷晶核の観測結果をより良く再現することに成功した。これらの結果から、北極域で放出される氷晶核能が非常に高いダストが、北極域の夏季対流圏下層の氷晶核に対して支配的な寄与を持ち、北極域の下層雲における氷晶形成において重要な役割を果たす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

令和4年度は、我々がこれまで開発してきた気候モデル（CAM-ATRAS）を用いて、鉱物ダストの氷晶核能に関するモデル開発・改良などを行った。また、数値モデル計算を氷晶核などの観測データによって比較・検証した。これらの内容は、おおむね計画通りである。また、このモデルを用いて、北極域で放出されるダストが、北極域の夏季対流圏下層の氷晶核数の大部分を占め、北極域の下層雲における氷晶形成において主要な役割を果たすことを示した。これらの成果を地球物理学分野で権威のある査読付国際誌Geophysical Research Lettersに投稿し、受理された。このほか、主著論文2本、共著論文7本を査読付国際誌に投稿し、出版した。
これらの理由から本課題はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

これまでの我々の研究では、エアロゾルの微物理特性や大気中での変質・除去過程などを詳細に表現・計算する気候モデル（CAM-ATRAS）を開発し、エアロゾルの空間分布や放射・雲過程との相互作用の推定などを高度化してきた。今後の研究においても、CAM-ATRASをベースとしたモデル開発・検証を継続する。まず、先行研究の室内実験・大気観測で得られてきた氷晶核能のデータを用いて、固体エアロゾル各成分の氷晶核能の温度依存性を定式化し、モデルに導入する。そして、このモデルを用いた全球計算を実施し、世界の様々な領域の地上観測、航空機観測、地上放射観測網、衛星観測を用いて、固体エアロゾル各成分の全球分布の検証を行う。また、我々が北極域のニーオルソンなどで継続的に行っている氷晶核能の長期地上観測を用い、気候モデルで計算される大気エアロゾルの氷晶核能の季節変動などを検証する。また、氷晶核が混合相雲の微物理特性や放射収支（放射強制力）を変化させる効果について、全球分布を推定する。これらは、固体エアロゾル全成分の氷晶核能を0～10倍の範囲で増減させた感度実験などを行い、それによる氷晶核数、雲の微物理特性、雲の放射収支の変化量を計算することによって推定する。

研究成果

• [国際共同研究] Cornell University/Colorado State University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Cornell University/Colorado State University
• [国際共同研究] Norwegian Polar Institute/NILU/University of Oslo(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: Norwegian Polar Institute/NILU/University of Oslo
• [国際共同研究] Alfred Wegener Institute/University of Cologne(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Alfred Wegener Institute/University of Cologne
• [国際共同研究] ETH Zurich/EPFL/University of Basel(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ETH Zurich/EPFL/University of Basel
• [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
• [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] Climate-relevant properties of black carbon aerosols revealed by in situ measurements: a review (2023)
  • 著者名/発表者名: Moteki Nobuhiro
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 10 ページ: 12
  • DOI: 10.1186/s40645-023-00544-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 Mirai: 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
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] エアロゾル－放射・雲相互作用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井仁志、大畑祥、當房豊、松木篤、板橋秀一、大島長、鈴木健太郎、佐藤陽祐
  • 雑誌名: 大気化学研究 巻: 48 ページ: 048A01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contrasting source contributions of Arctic black carbon to atmospheric concentrations, deposition flux, and atmospheric and snow radiative effects (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsui Hitoshi、Mori Tatsuhiro、Ohata Sho、Moteki Nobuhiro、Oshima Naga、Goto-Azuma Kumiko、Koike Makoto、Kondo Yutaka
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 ページ: 8989～9009
  • DOI: 10.5194/acp-22-8989-2022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atmospheric Radiative and Oceanic Biological Productivity Responses to Increasing Anthropogenic Combustion‐Iron Emission in the 1850?2010 Period (2022)
  • 著者名/発表者名: Rathod S. D.、Hamilton D. S.、Li L.、Mahowald N. M.、Matsui H.、Pierce J. R.、Bond T. C.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2022GL099323
  • DOI: 10.1029/2022GL099323
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Substantial Uncertainties in Arctic Aerosol Simulations by Microphysical Processes Within the Global Climate‐Aerosol Model CAM‐ATRAS (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsui Hitoshi、Liu Mingxu
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 ページ: e2022JD036943
  • DOI: 10.1029/2022JD036943
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Using modelled relationships and satellite observations to attribute modelled aerosol biases over biomass burning regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhong Qirui、Schutgens Nick、van der Werf Guido R.、van Noije Twan、Bauer Susanne E.、Tsigaridis Kostas、Mielonen Tero、Checa-Garcia Ramiro、Neubauer David、Kipling Zak、Kirkevag Alf、Olivie Dirk J. L.、Kokkola Harri、Matsui Hitoshi、Ginoux Paul、Takemura Toshihiko、Le Sager Philippe、Remy Samuel、Bian Huisheng、et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 5914
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33680-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Secondary Organic Aerosol Formation Regulates Cloud Condensation Nuclei in the Global Remote Troposphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Matsui Hitoshi
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2022GL100543
  • DOI: 10.1029/2022GL100543
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Marked rebound of agricultural fire emissions in Asia after the outbreak of COVID-19 (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Yao Huan、Matsui Hitoshi
  • 雑誌名: Environmental Research Letters 巻: 17 ページ: 114059
  • DOI: 10.1088/1748-9326/ac9e69
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identification and particle sizing of submicron mineral dust by using complex forward-scattering amplitude data (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Atsushi、Moteki Nobuhiro、Adachi Kouji
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 56 ページ: 609～622
  • DOI: 10.1080/02786826.2022.2057839
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Composition and mixing state of Arctic aerosol and cloud residual particles from long-term single-particle observations at Zeppelin Observatory, Svalbard (2022)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kouji、Tobo Yutaka、Koike Makoto、Freitas Gabriel、Zieger Paul、Krejci Radovan
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 ページ: 14421～14439
  • DOI: 10.5194/acp-22-14421-2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Ny-Alesund Aerosol Cloud Experiment (NASCENT): Overview and First Results (2022)
  • 著者名/発表者名: Pasquier J. T.、David R. O.、Freitas G.、Gierens R.、Gramlich Y.、Haslett S.、Li G.、Schafer B.、Siegel K.、Wieder J.、Adachi K.、Belosi F.、Carlsen T.、Decesari S.、Ebell K.、Gilardoni S.、Gysel-Beer M.、Henneberger J.、Inoue J.、Kanji Z. A.、Koike M.、Kondo Y.、Krejci R.、Lohmann U.、Maturilli M.、Tobo Y.、et al.
  • 雑誌名: Bulletin of the American Meteorological Society 巻: 103 ページ: E2533～E2558
  • DOI: 10.1175/bams-d-21-0034.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 東京スカイツリーでのエアロゾル・雲研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三隅 良平、岩本 洋子、當房 豊、森 樹大、三浦 和彦
  • 雑誌名: エアロゾル研究 巻: 37 ページ: 96～103
  • DOI: 10.11203/jar.37.96
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Classification of aerosol-cloud interaction regimes over Tokyo (2022)
  • 著者名/発表者名: Misumi Ryohei、Uji Yasushi、Miura Kazuhiko、Mori Tatsuhiro、Tobo Yutaka、Iwamoto Yoko
  • 雑誌名: Atmospheric Research 巻: 272 ページ: 106150
  • DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106150
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A full-year record of ice nucleating particles and related aerosols over Svalbard during MOSAiC 2019/20 (2023)
  • 著者名/発表者名: Tobo, Y., Adachi, K., Matsui, H., Kawai, K., Ohata, S., Kondo, Y., Inoue, J., Koike, M.
  • 学会等名: 2nd MOSAiC Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] エアロゾルとその放射・雲影響の全球シミュレーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 松井 仁志
  • 学会等名: 2022年度エアロゾル・雲・降水に関する研究集会
• [学会発表] スヴァールバル諸島での氷晶核粒子の変動に関する考察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 當房 豊, 足立 光司, 松井 仁志, 河合 慶, 大畑 祥, 近藤 豊, 猪上 淳, 小池 真
  • 学会等名: 2022年度エアロゾル・雲・降水に関する研究集会
• [学会発表] アジアダストの発生・輸送・気候影響に対する臨界摩擦速度の重要性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 河合 慶, 松井 仁志, 木村 玲二, 篠田 雅人
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度春季大会
• [学会発表] 粒子の微物理特性を表現した全球エアロゾルモデルの開発と気候影響評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井 仁志
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度春季大会
• [学会発表] Sulfur isotope ratio of sulfate aerosols in an Antarctic Dome Fuji ice core during the last glacial period: a potential contribution from the Atacama Desert (2022)
  • 著者名/発表者名: Uemura, R., Masaka, K., Iizuka, Y., Hirabayashi, M., Matsui, H., Matsumoto, R., Uemura, M., Fujita, K., and Motoyama, H.
  • 学会等名: PAGES 6th OSM 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 最終氷期における南極ドームふじ氷床コアの硫酸塩エアロゾルの硫黄同位体を用いた起源推定:アタカマ砂漠からの寄与の可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 植村 立, 眞坂 昂佑, 飯塚 芳徳, 平林 幹啓, 松井 仁志, 松本 理誠, 植村 美希, 藤田 耕史, 本山 秀明
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [学会発表] High sensitivity of Asian dust emission, transport, deposition, and climate impacts to threshold friction velocity (2022)
  • 著者名/発表者名: 河合 慶, 松井 仁志, 木村 玲二, 篠田 雅人
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [学会発表] 大気化学の将来構想：エアロゾルの動態と放射・雲過程との相互作用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井 仁志, 大畑 祥, 當房 豊, 松木 篤, 板橋 秀一, 大島 長, 鈴木 健太郎, 佐藤 陽祐
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [学会発表] The underappreciated role of anthropogenic sources in atmospheric soluble iron flux to the Southern Ocean (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu, M. and Matsui, H.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [学会発表] Secondary organic aerosol formation regulates cloud condensation nuclei in the global remote troposphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu, H. and Matsui, H.
  • 学会等名: AGU fall meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Assessment of dust source attribution to the global land and ocean regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Kim, D., Chin, M., Schuster, G., Takemura, T., Tuccella, P., Ginoux, P., Liu, X., She, Y., Matsui, H., Tsigaridis, K.
  • 学会等名: AGU fall meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Constraining the complex refractive index of black carbon and light-absorbing iron oxides according to their complex forward-scattering amplitude at 633 nm wavelength (2022)
  • 著者名/発表者名: Moteki, N., Ohata, S., Yoshida, A., and Adachi, K.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Insights from a year-round record of ice nucleating particles over Svalbard during MOSAiC (2022)
  • 著者名/発表者名: Tobo, Y., Matsui, H., Kawai, K., Ohata, S., Kondo, Y., Hermansen, O., Adachi, K., Inoue, J., Koike, M.
  • 学会等名: 3rd CATCH Open Science Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考]
  • URL: https://has.env.nagoya-u.ac.jp/~matsui/
• [備考]
  • URL: https://researchmap.jp/yutaka.tobo/