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

2017 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, 地球環境観測研究開発センター, 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: 成層圏大気大循環 / 物質輸送 / 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

本研究の目的は、大気力学と大気化学の分野の専門家が協力し、熱帯域における直接観測と詳細な解析・シミュレーションを通じて成層圏変動を統合的に理解することである。研究のベースは、初年度に熱帯西部太平洋に位置するBiakで実施した大気球による成層圏(高度17-29 km)大気採取実験を核とする統合観測(CUBE/Biak)と、熱帯対流圏界層・成層圏を対象に繰り返し実施してきたオゾン・水蒸気などの現場観測(SOWER)である。本年度は、CUBE/Biakの概要論文を発表する(印刷中)とともに、測定されたCO2濃度・SF6濃度や各種同位体・N2Oアイソトポキュール比などの解析結果を印刷発表した。本課題の第一義的な目標は、赤道成層圏を上昇する大気の履歴を複数の独立な指標、すなわち、対流圏濃度が増加しつつあり対流圏からの流入時の混合比を保持しながら成層圏を輸送されるCO2などの不活性ガス(clock tracer)を利用した「大気の年齢」、熱帯対流圏界層における脱水量を水蒸気混合比として記録する「水蒸気テープレコーダ」、重力場において分子量の違いにより鉛直分布に偏りの生じる「重力分離」によって評価し、その違いを循環場や混合過程の有効性と対応させて理解することである。当初予定していた基本的な解析は概ね終了し、その結果は上記の論文に発表することができた。
SOWERの課題として取り組んできた粒子・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済みである。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議論した氷晶生成過程の雲微物理モデル解析は、2粒径に拡張した結果を論文化しているところである。

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。その解析に当たり、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の意義は大きい。
研究論文としては、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前年度までに公表された他、大気の年齢と重力分離に関する論文とアイソトポキュールの解析結果の論文が今年度新たに印刷公表された。当初の目標だった上記の論文の公表に続き、CUBE/Biakの概要論文が印刷中、CO2ゾンデによる観測結果の論文1編が受理されている。重力分離の3次元シミュレーションに関する論文が投稿直前の段階にあることと合わせ、研究が概ね順調に進展していると判断して良いものと考える。

今後の研究の推進方策

熱帯成層圏においてclock tracerにより評価される年齢と水蒸気テープレコーダを年齢スペクトルにより統一的に記述するために、客観解析場を使った後方流跡線解析に加え、Euler的方法(BIR法)や大気大循環モデルによりシミュレートされた気象場の利用を試みる。後方流跡線解析においては、計算期間の延長によりその有限性により生じる誤差を軽減する。3次元輸送モデルによるシミュレーションに成功している重力分離については、その結果を年度内に論文として印刷発表するとともに、大気の年齢と水蒸気テープレコーダとの同時解析に重力分離シミュレーションの結果を融合させ、3つの独立な指標に基づく成層圏循環に関する力学的・化学的描像の統合を完成させたい。
SOWER関連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の最終決定プロセスの解明である。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、本課題最後の観測として7月のHanoiでの観測を成功させる。論文化の遅れている熱帯対流圏界層・成層圏エアロゾルに関する研究成果の取りまとめも、加熱・非加熱連結光学的粒子計数計(T-OPC)データやエアロゾルサンプルの成分分析・氷晶核機能の解析を中心に完成させたい。また、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。
BiakからBandungに移設したライダーは、インドネシア人協同研究者に引き続きオペレーションを委託し、随時運用が可能というメリットを生かして巻雲・成層圏エアロゾル観測を継続し、インドネシア若手研究者の育成に貢献する。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] Coordinated Upper-troposphere-to-stratosphere Balloon Experiment in Biak (CUBE/Biak) (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasebe, F., S. Aoki, S. Morimoto, Y. Inai, T. Nakazawa, S. Sugawara, C. Ikeda, H. Honda, H. Yamazaki, Halimurrahman, N. Komala, F. Putri, A. Budiyono, M. Soedjarwo, S. Ishidoya, S. Toyoda, T. Shibata, M. Hayashi, N. Eguchi, N. Nishi, M. Fujiwara, S. Ogino, M. Shiotani, and T. Sugidachi
  • 雑誌名: Bulletin of the American Meteorological Society 巻: 99 ページ: 1213-1230
  • DOI: 10.1175/BAMS-D-16-0289.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vertical distributions of N2O isotopocules in the equatorial stratosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: Toyoda Sakae、Yoshida Naohiro、Morimoto Shinji、Aoki Shuji、Nakazawa Takakiyo、Sugawara Satoshi、Ishidoya Shigeyuki、Uematsu Mitsuo、Inai Yoichi、Hasebe Fumio、Ikeda Chusaku、Honda Hideyuki、Ishijima Kentaro
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 18 ページ: 833～844
  • DOI: 10.5194/acp-18-833-2018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Age and gravitational separation of the stratospheric air over Indonesia (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugawara Satoshi、Ishidoya Shigeyuki、Aoki Shuji、Morimoto Shinji、Nakazawa Takakiyo、Toyoda Sakae、Inai Yoichi、Hasebe Fumio、Ikeda Chusaku、Honda Hideyuki、Goto Daisuke、Putri Fanny A.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 18 ページ: 1819～1833
  • DOI: 10.5194/acp-18-1819-2018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Balloon-borne tropospheric CO 2 observations over the equatorial eastern and western Pacific (2018)
  • 著者名/発表者名: Inai Yoichi、Aoki Shuji、Honda Hideyuki、Furutani Hiroshi、Matsumi Yutaka、Ouchi Mai、Sugawara Satoshi、Hasebe Fumio、Uematsu Mitsuo、Fujiwara Masatomo
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 184 ページ: 24～36
  • DOI: doi.org/10.1016/j.atmosenv.2018.04.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 気球で雲を測る (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤原 正智・林 真由美・杉立 卓治
  • 雑誌名: 計測と制御 巻: 56 ページ: 348～354
• [雑誌論文] Validation of 10-year SAO OMI Ozone Profile (PROFOZ) product using ozonesonde observations (2017)
  • 著者名/発表者名: Huang, G., X. Liu, K. Chance, K. Yang, P. K. Bhartia, Z. Cai, M. Allaart, B. Calpini, G. J. R. Coetzee, M. Cupeiro, H. De Backer, M. K. Dubey, H. E. Fuelberg, M. Fujiwara, N. Komala, G. Laneve, T. Leblanc, M. Marchand, G. Morris, S.-Y. Ogino, N. Ohkawara, H. Selkirk, M. Shiotani, A. M. Thompson, and Coauthors
  • 雑誌名: Atmospheric Measurement Techniques 巻: 10 ページ: 2455～2475
  • DOI: 10.5194/amt-10-2455-2017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Investigating the tropical tropopause layer and the lower stratosphere using global models (2017)
  • 著者名/発表者名: Belikov, Dmitry A., Fumio Hasebe, and Shamil S. Maksyutov
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling of gravitational separation using the NIES global atmospheric tracer transport model (2017)
  • 著者名/発表者名: Belikov, Dmitry A., Shigeyuki Ishidoya, Satoshi Sugawara, Shamil S. Maksyutov, and Fumio Hasebe
  • 学会等名: 2017 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 地球大気科学における地上観測と衛星観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 塩谷 雅人
  • 学会等名: 「陸別観測施設設立20周年記念シンポジウム－宇宙から地球まで－」及び「北海道-陸別短波レーダー10周年記念研究集会」
  • 招待講演
• [学会発表] Evaluation of ACCMIP and CCMI ozone simulations using a multi-constituent chemical reanalysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K., and K. Bowman
  • 学会等名: Chemistry-Climate Model Initiative Science Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 成層圏へ流入する大気の起源の変動が成層圏大気の年齢に与える影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲飯 洋一
  • 学会等名: 日本気象学会2017年度秋季大会
• [学会発表] 成層圏へ流入する大気の起源の変動と成層圏大気の年齢 (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲飯 洋一
  • 学会等名: 第23回大気化学討論会
• [学会発表] Variation in the mixing fraction of tropospheric and stratospheric air masses sharing the tropical lower stratosphere (2017)
  • 著者名/発表者名: Inai. Y., S. Sugawara, S. Aoki, S. Morimoto, and T. Nakazawa
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [備考] 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/