熱帯対流圏界層内大気科学過程に関する力学的・化学的描像の統合

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26220101
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 長谷部 文雄 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (00261735)
• 研究分担者: 青木 周司 東北大学, 理学研究科, 教授 (00183129) ; 西 憲敬 福岡大学, 理学部, 准教授 (00222183) ; 藤原 正智 北海道大学, 地球環境科学研究院, 准教授 (00360941) ; 宮崎 和幸 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球表層物質循環研究分野, 主任研究員 (30435838) ; 塩谷 雅人 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (50192604) ; 林 政彦 福岡大学, 理学部, 教授 (50228590) ; 柴田 隆 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (70167443) ; 荻野 慎也 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 大気海洋相互作用研究分野, 主任研究員 (80324937)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: 物質循環 / 成層圏大気大循環 / 熱帯対流圏界層 / 脱水過程 / クライオサンプリング / 大気の年齢 / 重力分離 / アイソトポキュール

研究実績の概要

2015年2月のインドネシア大気球観測により、熱帯成層圏の高度17.2 kmから28.7 kmまでの7高度で大気を採取し、CO2濃度・SF6濃度や各種同位体比を測定した。赤道成層圏大気は対流圏からの流入時の混合比を保存しながら上昇するため、対流圏濃度が増加しつつあるCO2など(clock tracer)の混合比は、その値が低かった時期に流入した大気の残る高高度に向けて値が減少する。今回の観測により、その減少率が一定でなく24-25 km付近で大きく変動することが見出された。また、N2Oアイソトポキュールの分析から、その光解離時定数が水平混合の時間スケールより中部成層圏では短く下部成層圏では長いことが見出された。
もう一つの重要な成果は、成層圏大気の重力分離に関する証拠を得たことである。重力分離は質量依存性のある分子拡散が移流や渦拡散に対して無視できない場合に生じ、中間圏ではよく知られている。今回の発見は、中緯度成層圏における記述と整合性を持ちながら熱帯成層圏で重力分離が存在することを示しただけでなく、clock tracerと水蒸気に次ぐ第3の独立な物理量として、重力分離が成層圏大気の滞在時間の指標として使えることを示した。
これらの結果を循環場と対応させて理解するために、後方流跡線解析により導出された年齢スペクトルを用いてclock tracerと水蒸気混合比の鉛直分布の統一的再現を試みた。結果は位相伝播が現実より速すぎることを示しており、その原因解明とともにスペクトル評価法の改良が必要である。
粒子・微物理観測については、ゾンデ搭載型の雲粒子センサーの開発が順調に進み、液滴と氷晶の識別法をほぼ確立して論文発表に至った。また、米国航空機観測で見出された高氷晶数密度の薄い巻雲を念頭に、簡略化された単粒径条件の下で、雲微物理モデルを用いて生成過程を議論した。

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

熱帯成層圏における大気採取が成功し、7高度で得られた試料から大気の年齢の鉛直分布が評価されたことは大きな成果である。インドネシアの若手研究者を育成するため、1人を日本に招待して採取試料の分析の経験を積ませたことや、投稿論文を準備するため現地研究所に滞在して執筆指導を行ったことは、インドネシアの科学技術発展に寄与するだけでなく、今後の協力関係の継続・発展にも貢献するであろう。
熱帯成層圏での重力分離が初めて定量化されたことも大きな成果である。重力分離は、clock tracerと水蒸気に続く第3の独立な物理量として、成層圏循環強度・変調の指標として利用できる可能性を秘めている。年齢スペクトルによるこれらの鉛直分布の統一的記述にはまだ成功していないが、採取試料の分析が順調に進み解決すべき課題が明瞭化されたことに加え、重力分離という新たな切り口による解析の可能性が広がったことを合わせて判断すると、研究が順調に進捗していると評価してよいと考える。
論文発表としては、雲粒子センサーに関する報告と巻雲生成過程に関する議論が公表された他、2編が投稿・査読中、2編が投稿直前の段階にあり、研究が概ね順調に進展しているとの判断を支える根拠と考える。

今後の研究の推進方策

熱帯成層圏のclock tracerと水蒸気の鉛直分布を年齢スペクトルにより統一的に記述するために、後方流跡線の利用に加え、Euler的方法やモデルによる気象場の利用を試みる。成層圏水蒸気の2000年問題に関して提起した仮説を検証するため、下部境界からの熱的強制に対する応答を大気大循環モデルで解析する。
水蒸気・オゾンで残された重要なテーマは、成層圏流入大気の保持する水蒸気量を最終的に決定するプロセスの解明である。北半球冬季の熱帯西部太平洋で脱水を経験した大気塊の亜熱帯・中緯度への流出過程、夏季の上部対流圏・下部成層圏における中緯度から熱帯への流入・混合過程を捉えるために、Hanoiでの観測を強化する。もう一つの興味は、脱水開始初期の上流側での観測から得られた知見の深化で、Tarawaでの集中観測を継続する。
ゾンデ観測のTarawaとHanoiへの集約に伴い、Biakに設置したライダーをBandungに移設し、インドネシア人協同研究者にオペレーションを委託する。これにより、地理的には赤道からやや外れゾンデとの同時観測は不可能になるものの、日本から出向くことなく随時運用が可能になるとともに、インドネシア若手研究者の育成にも貢献できる。粒子・微物理観測はTarawaで実施し、加熱/非加熱光学粒子カウンターと雲粒子センサーに通常のGPSラジオゾンデを組合わせたゾンデを飛揚する。理想化条件下での巻雲生成シミュレーションと観測との間のギャップはすぐに埋まるものではないが、モデル計算による巻雲生成に関する考察も引き続き深化させる。

研究成果

• [雑誌論文] インドネシア・ビアク島におけるクライオジェニックサンプラー回収気球実験 (2017)
  • 著者名/発表者名: 池田 忠作, 青木 周司, 森本 真司, 菅原 敏, 本田 秀之, 豊田 栄, 石戸谷 重之, 中澤 高清, 長谷部 文雄, 稲飯 洋一, 林 政彦, 柴田 隆, 後藤 大輔, Halimurrahman Mukri, Moedji Soedjarwo, Ninong Komala, Fanny A. Putri, Thohirin Chodijah, Agus Hidayat, Afif Budiyono, Thomas Djamaluddin, 飯嶋 一征, 田村 誠, 井筒 直樹, 吉田 哲也
  • 雑誌名: 宇宙航空研究開発機構研究開発報告 巻: JAXA-RR-16-008 ページ: 33-48
  • DOI: doi:10.20637/JAXA-RR-16-008/0002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Volcanic aerosol layer formed in the tropical upper troposphere by the eruption of Mt. Merapi, Java, in November 2010 observed by the spaceborne lidar CALIOP (2016)
  • 著者名/発表者名: Shibata, T., and T. Kinoshita
  • 雑誌名: Atmos. Res. 巻: 168 ページ: 49-56
  • DOI: doi:10.1016/j.atmosres.2015.09.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Inter-comparison of stratospheric mean-meridional circulation and eddy mixing among six reanalysis datasets (2016)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K., T. Iwasaki, Y. Kawatani, C. Kobayashi, S. Sugawara, and M. Hegglin
  • 雑誌名: Atmos. Chem. Phys. 巻: 16 ページ: 6131-6152
  • DOI: doi:10.5194/acp-16-6131-2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constraints on the formation of high-ice-concentration thin cirrus in the Tropical Tropopause Layer (2016)
  • 著者名/発表者名: Mimura, S., F. Hasebe, and T. Shibata
  • 雑誌名: SOLA 巻: 12A ページ: 18-21
  • DOI: doi:10.2151/sola.12A-004
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of a cloud particle sensor for radiosonde sounding (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara, M., T. Sugidachi, T. Arai, K. Shimizu, M. Hayashi, Y. Noma, H. Kawagita, K. Sagara, T. Nakagawa, S. Okumura, Y. Inai, T. Shibata, S. Iwasaki, and A. Shimizu
  • 雑誌名: Atmos. Meas. Tech. 巻: 9 ページ: 5911-5931
  • DOI: doi:10.5194/amt-9-5911-2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Stratospheric Water and Ozone Satellite Homogenized (SWOOSH) database: A long-term database for climate studies (2016)
  • 著者名/発表者名: Davis, S. M., K. H. Rosenlof, B. Hassler, D. F. Hurst, W. G. Read, H. Voemel, H. Selkirk, M. Fujiwara, and R. Damadeo
  • 雑誌名: Earth System Science Data 巻: 8 ページ: 461-490
  • DOI: doi:10.5194/essd-8-461-2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tropospheric ozone change from 1980 to 2010 dominated by equatorward redistribution of emissions (2016)
  • 著者名/発表者名: Zhang, Y., O. R. Cooper, A. Gaudel, A. M. Thompson, P. Nedelec, S.-Y. Ogino, and J. J. West
  • 雑誌名: Nature Geosci. 巻: 9 ページ: 875-879
  • DOI: doi:10.1038/ngeo2827
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Ice concentration of Tropical Tropopause Layer cirrus under the existence of bimodal aerosol distribution (2017)
  • 著者名/発表者名: Mimura, S., and F. Hasebe
  • 学会等名: 97th AMS Annual Meeting, 19th Conference on Atmospheric Chemistry
  • 発表場所: Washington State Convention Center (Seattle, USA)
  • 年月日: 2017-01-22 – 2017-01-26
  • 国際学会
• [学会発表] Age of air and gravitational separation in the stratosphere over Indonesia (2016)
  • 著者名/発表者名: Sugawara, S., S. Ishidoya, S. Aoki, S. Morimoto, T. Nakazawa, S. Toyoda, Y. Inai, F. Hasebe, C. Ikeda, H. Honda, D. Goto, and F. Putri
  • 学会等名: 2016 AGU Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Convention Center (San Francisco, USA)
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • 国際学会
• [学会発表] Interannual variability in equatorial Kelvin waves in the upper troposphere and lower stratosphere, and relation to the background equatorial wind (2016)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, J, N. Nishi, M. Fujiwara, and K. Yoneyama
  • 学会等名: 2016 AGU Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Convention Center (San Francisco, USA)
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • 国際学会
• [学会発表] Out of the SHADOZ: A Glimpse into the Realm of Ozonesonde Reprocessing (2016)
  • 著者名/発表者名: Witte, J. C., A. M. Thompson, M. Fujiwara, G. J. R. Coetzee, F. R. da Silva, H. G. J. Smit, B. Johnson, C. W. Sterling, A. F. Jordan, C. E. Ashburm, and T. E. Northam
  • 学会等名: 2016 AGU Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Convention Center (San Francisco, USA)
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a cloud particle sensor for radiosonde sounding (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara, M., T. Sugidachi, T. Arai, K. Shimizu, Y. Noma, H. Kawagita, K. Sagara, T. Nak-agawa, S. Okumura, Y. Inai, T. Shibata, and S. Iwasaki
  • 学会等名: 2016 AGU Fall Meeting
  • 発表場所: Moscone Convention Center (San Francisco, USA)
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
• [学会発表] 赤道上空成層圏における N2O 同位体比の鉛直分布 (2016)
  • 著者名/発表者名: 豊田 栄, 吉田 尚弘, 森本 真司, 青木 周司, 中澤 高清, 菅原 敏, 石戸谷 重之, 植松 光夫, 稲飯 洋一, 長谷部 文雄, 池田 忠作, 本田 秀之, 石島 健太郎
  • 学会等名: 大気球シンポジウム
  • 発表場所: 宇宙科学研究所 (神奈川県・相模原市)
  • 年月日: 2016-11-01 – 2016-11-02
• [学会発表] Pre-YMC 期間中にコトタバンで観測された波動にともなう水蒸気・オゾン変動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 順子, 荻野 慎也, 城岡 竜一, 米山 邦夫, 橋口 浩之, 阿保 真, 柴田 泰邦
  • 学会等名: 日本気象学会 2016年度秋季大会
  • 発表場所: 名古屋大学 (愛知県・名古屋市)
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [学会発表] 熱帯対流圏界層上端大気起源の経年変動 その原因と成層圏大気質への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 稲飯 洋一
  • 学会等名: 日本気象学会 2016年度秋季大会
  • 発表場所: 名古屋大学 (愛知県・名古屋市)
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [学会発表] Global WRF simulations with the oceanic thermal forcing (2016)
  • 著者名/発表者名: Xuan-Tien NGUYEN VINH, Fumio HASEBE
  • 学会等名: 日本気象学会 2016年度秋季大会
  • 発表場所: 名古屋大学 (愛知県・名古屋市)
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [学会発表] 二粒径エアロゾル分布条件下での熱帯対流圏界層内巻雲生成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 三村 慧, 長谷部 文雄, 柴田 隆
  • 学会等名: 日本気象学会 2016年度秋季大会
  • 発表場所: 名古屋大学 (愛知県・名古屋市)
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [学会発表] 二粒径エアロゾル分布条件下での熱帯対流圏界層内巻雲生成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 三村 慧, 長谷部 文雄
  • 学会等名: 第22回大気化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
• [学会発表] 大気の重力分離の時定数 (2016)
  • 著者名/発表者名: 菅原 敏, 石戸谷 重之
  • 学会等名: 第22回大気化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
• [学会発表] 熱帯成層圏における大気の年齢と水蒸気鉛直分布の整合的理解 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷部 文雄, 青木 周司, 菅原 敏, 稲飯 洋一, 石戸谷 重之, クライオサンプリングチーム, SOWERチーム
  • 学会等名: 第22回大気化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
• [学会発表] 雲粒子ゾンデを用いた熱帯対流圏界層の巻雲観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小野 貴司, 藤原 正智, SOWERチーム
  • 学会等名: 第22回大気化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
• [学会発表] The Weather Research and Forecasting (WRF) model: Evaluation of the global configuration with oceanic thermal forcing (2016)
  • 著者名/発表者名: Xuan-Tien NGUYEN-VINH, Fumio HASEBE
  • 学会等名: 第22回大気化学討論会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
• [学会発表] Vertical distributions of N2O isotopocules in the equatorial stratosphere (2016)
  • 著者名/発表者名: Toyoda, S., N. Yoshida, S. Morimoto, S. Aoki, T. Nakazawa, S. Sugawara, S. Ishidoya, M. Uematsu, Y. Inai, F. Hasebe, C. Ikeda, H. Honda, and K. Ishijima
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Isotopomers
  • 発表場所: La Cite Nantes Events Center (Nantes, France)
  • 年月日: 2016-10-03 – 2016-10-06
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on ozone variations revealed by the ozonesonde observations in Hanoi, Vietnam (2016)
  • 著者名/発表者名: Ogino, S.-Y., M. Fujiwara, M. Shiotani, F. Hasebe, M. I. Nodzu, J. Matsumoto, G. H. Hoang, J. C. Witte, and A. M. Thompson
  • 学会等名: Quadrennial Ozone Symposium 2016
  • 発表場所: Edinburgh International Conference Centre (Edinburgh, United Kingdom)
  • 年月日: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • 国際学会
• [学会発表] Soundings of Ozone and Water in the Equatorial Region during SOWER: 1998-2016 (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara, M.
  • 学会等名: UTLS Observation Workshop 2016
  • 発表場所: WMO Headquarters (Geneva, Switzerland)
  • 年月日: 2016-05-24 – 2016-05-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Un-volatile aerosol layer in the lower most stratosphere over Tarawa, Kiribati, observed by balloon borne Optical Particle Counter in January, 2016 (2016)
  • 著者名/発表者名: Hayashi, M., N. Eguchi, K. Shiraishi, Y. Inai, S. Mimura, F. Hasebe, and T. Shibata
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場 (千葉県・千葉市)
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • 国際学会
• [備考] webページ 熱帯対流圏界層内大気科学過程に関する力学的・化学的描像の統合
  • URL: http://sower.ees.hokudai.ac.jp/kakenhi2014/