２—２ 温暖化―雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価

a. 要約

今年度は主に次の成果を得た。

• (1)全球雲解像モデルNICAMにエアロゾル輸送モデルSPRINTARSを実装した。
• (2)開発したNICAM-SPRINTARS結合モデルを用いて地球シミュレータ上で全球雲解像実験を行った。
• (3)実験結果のエアロゾル・雲の衛星観測との比較を行った。

b. 研究目的

エアロゾルが雲核となることで雲の微物理特性・光学特性を変化させる効果（エアロゾル間接効果）の詳細な理解と信頼度の高い評価を得るために、エアロゾルと雲の相互作用のプロセスを適切にモデリングする。そのために、大循環気候モデル(GCM)、雲解像モデル、ビン法雲微物理モデルを階層的に用いて、各々の特色を生かした数値実験を行う。特に、既存の研究で障害となっている上記モデル間のスケールギャップをいかにして埋めるかに焦点をあてて研究を行う。より具体的には、(1)ビン法雲微物理モデルを用いた数値実験の結果から大循環気候モデルに適用可能なパラメタリゼーションを提案し、(2)その種のパラメータ化を取り入れた気候モデルを用いて全球スケールでの放射強制力と気候変化を評価する。さらに、雲を直接解像できない大循環気候モデルの不確定性を最大限取り除くために、(3)全球雲解像モデルにエアロゾル輸送過程を導入して、雲との相互作用をシミュレートする。

c. 研究計画、方法、スケジューリング

H.18: 全球雲解像モデルNICAMにエアロゾル輸送モデルSPRINTARSを実装する。そのためにまず、SPRINTARSに含まれる各過程の計算コードをNICAMのコードに適合するようにモジュール化し、その上で実装を行う。このようにして開発されるNICAM-SPRINTARS結合モデルを用いて、全球雲解像実験を地球シミュレータ上で行う。

d. 平成１８年度研究計画

まず、CCSR/NIES/FRCGC AGCM/CGCM に結合されている全球３次元エアロゾル輸送モデルSPRINTARS(Takemura et al., 2000, 2002, 2005)を、地球環境フロンティア研究センターで開発された全球雲解像モデルNICAM(Satoh et al., 2002, 2003; Tomita and Satoh, 2004)に結合するための実装作業を行う。次に、このようにして開発されたNICAM-SPRINTARS結合モデルを用いて、従来のGCMと同程度の水平解像度(約240km)での完熟運転を行う。この実験は実装作業と平行して行い、コードが適切に実装されていることを確認しながら作業を進める。この作業が完了した後に、地球シミュレータを用いて全球雲解像実験を行い、得られた雲・エアロゾルに関するパラメータを衛星観測と比較する。

e. 平成１８年度研究成果

まず、SPRINTARSエアロゾル輸送モデルを全球雲解像モデルNICAMに結合する作業を行った。SPRINTARSでは、地球大気中に存在する代表的なエアロゾルである硫酸塩・炭素性・土壌性・海塩粒子の４種に対して、地表面からの排出(emission)、大気中の移流(advection)・拡散(diffusion)、重力沈降(gravitational settling)、乾性沈着(dry deposition)、湿性沈着(wet deposition)の各過程を計算する。また、亜硫酸ガスからの生成過程が重要である硫酸塩エアロゾルに対しては、その化学反応過程も計算される。実装作業では、これらの物理・化学過程の計算コードをプロセスごとにモジュール化し、NICAMのフレームワークの中に導入した。 エアロゾルの雲への影響は、Suzuki et al. (2004)と同様の方法で導入した。すなわち、モデル中で計算されたエアロゾル質量濃度から数密度Naを計算し、エアロゾル数密度Naと雲粒数密度Ncとの間の経験的な関係式を用いて雲粒数密度Ncを診断する。

(ε,Nmは定数)

こうして診断された雲粒数密度は、NICAMの雲物理過程に含まれている warm rainのauto-conversionの計算で用いられる。現行のNICAMで標準的に用いられているGrabowski (1998)のバルク雲物理スキームでは、warm rainのauto-conversionにBerry (1968)のパラメータ化を採用している。このパラメータ化によれば、雲水qcが降水に変換される時定数は雲水量と雲粒数密度の関数として次のように与えられる。

,

ただし、α,β,γ,a,b,N₀は定数、ρaは大気の密度を表す。NICAMの標準版ではNcに一定値を与えているが、SPRINTARSと結合する際にはエアロゾル数密度Naから診断された雲粒数密度Ncを上式に用いることにより、エアロゾルの第二種間接効果を表現する。降水生成後の残存雲水量と上のように決められた雲粒数密度から、雲粒の有効粒子半径reを次のように計算する。

ただし、kは定数、ρwは液水の密度である。このように計算される有効粒子半径を放射過程の計算に用いることで、第一種間接効果が導入される。

エアロゾルと雲の相互作用をこのように導入したモデルを用いて、まず、水平解像度240km程度の低解像度での実験を行った。その結果を図35に示す。図によると、エアロゾル分布の全球スケールでの様相は概ね再現されている。また、エアロゾルの雲への影響を顕著に表すパラメータである雲粒有効半径に関しても、海上と陸上でのコントラストやエアロゾルが流出した海域での粒径の減少など、重要な特徴は既存のGCMと同程度に再現されている。

図３５： 低解像度版(水平解像度 約240km)のNICAM-SPRINTARSモデルで計算された年平均でのエアロゾル光学的厚さ（左上）、単一散乱アルベド（右上）、オングストローム指数（左下）、雲粒有効半径（右下）の全球分布

次に、このNICAM-SPRINTARS結合モデルを用いて地球シミュレータ上で全球雲解像実験を行った。実験は、2001年４月１日の場を初期値として10日間行った。初期値は気象場のナッジングをかけながら走らせたGCM-SPRINTARSの結果を用いた。水平解像度は14km, 鉛直は４０層である。まず、４種のエアロゾルの寄与を合計した光学的厚さの全球分布をMODIS衛星観測(国立環境研究所／日暮明子博士提供)と比較したものを図36に示す。図によると、サハラ西岸でのダストの流出やメキシコ沖・北米大陸東岸・南アジアでの人為起源エアロゾルの流出は概ね再現されている。東アジア域におけるシグナルもモデルに見られるが、衛星観測に比べると流出の範囲がかなり狭くなっている。衛星観測にみられる北太平洋上を広く覆っているエアロゾル層は、炭素性と土壌性が混じったものであることが、４チャンネル法から得られる種類ごとの分布（図37左）からわかる。一ヶ月平均の衛星観測には、この期間の中旬に起こったダストストームの解析が含まれているために、北米大陸まで到達したダストのシグナルが見られるが、１０日平均のモデル結果にはそれが含まれていないため、エアロゾルの流出域は狭い範囲に限られている。ダストストームのイベントも含めた、より長い期間でのシミュレーションが今後必要である。図37に示された炭素性粒子のアジア域での分布に着目すると、衛星観測に比べてモデルでは分布が南にずれている傾向にある。衛星観測とモデルの間のこの違いは、図38に示したオングストローム指数（エアロゾルの粒径指標）の分布にも見られる。アジア域に着目すると、衛星観測では日本沿岸も含めたかなり広い地域で大きな値が分布し、粒径の小さい人為起源エアロゾルが広域にわたって存在することを示しているが、モデルでは小粒子を示す大きな値は南緯２５度以南に限られている。これらのことから、モデルにおいてはアジア域での人為起源エアロゾルの排出源の分布を改善する必要性が示唆される。図38によると、アジア域以外の地域では、粒径の小さいエアロゾルが海上に流出しているパターンが概ね再現されている。特に、メキシコ沖と南米沖の太平洋上に流れ出したエアロゾルが合流して、大きく西側に延びている様子はよく再現されている。

エアロゾルの雲への影響を表す代表的なパラメータである雲粒有効半径の分布をMODIS衛星観測（東海大／中島孝博士提供）と比較したものを図39に示す。海上・陸上間の系統的な違いや沿岸域での特徴はGCMや低解像度の場合と同様に再現されているが、それらに加えて注目すべき点として、従来のGCMでは再現の難しかった低緯度域での分布の細かい構造(Suzuki et al., 2004)の再現性が向上した。これは、GCMでは積雲パラメタリゼーションを用いて近似的に表現されていた対流雲に対して、エアロゾルの効果が陽に表現されるようになった結果であると考えられる。低緯度域において卓越する対流雲とエアロゾルの相互作用(Rosenfeld, 1999など)についてのモデリング研究が、今後大きく進展することが期待される

図３６： 2001年４月におけるエアロゾル光学的厚さの比較（左:NICAM-SPRINTARS, 右:MODIS）

図３７： 2001年４月における種類ごとのエアロゾル光学的厚さの比較（左：NICAM-SPRINTARS,右:MODIS）。上から順に炭素性、土壌性、硫酸塩の分布を示す。

図３８： ２００１年４月におけるオングストローム指数の比較（左:NICAM-SPRINTARS, 右:MODIS））

図３９： ４月における雲頂付近の雲粒有効半径の比較(左:NICAM-SPRINTARS,右:MODIS)

f. 考察

今年度はNICAMへのSPRINTARSの実装を完了し、全球雲解像実験を行うことができたが、計算コストや労力の関係で、十分なパラメータ・チューニングはできていない。今後はきめの細かいチューニング作業も必要になると考えられる。

今年度に行ったSPRINTARSモデルのNICAMへの実装では、エアロゾルと雲の相互作用の鍵となる両者の数密度の関係を、Suzuki et al. (2004)と同様の単一の関係式で表現した。全球雲解像モデルにエアロゾル過程を結合させる最初の段階では、これで十分であったと思われるが、上昇流を陽に解像できる全球雲解像モデルの利点を生かして、Kuba et al. (2003)で提案されたような上昇流の効果を考慮に入れた関係式を導入することが次のステップでは重要であると考えられる。それにより、場所によって大きくばらつくエアロゾルと雲の粒子数の関係をモデルによって説明し、その結果としてどのような雲特性の場が形成されるかを理解することが今後の課題である。

g. 引用文献

Berry, E.X.: Cloud droplet growth by collection. J. Atmos. Sci., 24,688-701,1967.

Grabowski, W.W.: Toward cloud resolving modeling of large-scale tropical circulations: A simple cloud microphysics parameterization. J. Atmos. Sci., 55,3283-3299,1998.

Kuba, N., H. Iwabuchi, K.-I. Maruyama, T. Hayasaka, T. Takeda, and Y. Fujiyoshi: Parameterization of the effect of cloud condensation nuclei on optical properties of a non-precipitating water layer cloud, J. Meteor. Soc. Japan, 81, 393-414, 2003.

Rosenfeld, D.: TRMM observed first direct evidence of forest fires inhibiting rainfall.Geophys.Res.Lett., 26,3105-3108, 1999.

Satoh, M.: Conservative scheme for the compressible nonhydrostatic models with the horizontally explicit and vertically implicit time integration scheme, Mon. Wea. Rev., 130, 1227-1245, 2002.

Satoh, M.: Conservative scheme for a compressible nonhydrostatic model with moist processes, Mon. Wea. Rev., 131, 1033-1050, 2003.

Suzuki, K., T. Nakajima, A. Numaguti, T. Takemura, K. Kawamoto, A. Higurashi: A study of the aerosol effect on a cloud field with simultaneous use of GCM modeling and satellite observation, J. Atmos. Sci., 61, 179-194, 2004.

Takemura, T., H. Okamoto, Y. Maruyama, A. Numaguti, A. Higurashi, and T. Nakajima: Global three-dimensional simulation of aerosol optical thickness distribution of various origins. J. Geophys. Res., 105, 17853-17873, 2000.

Takemura, T., T. Nakajima, O. Dubovik, B. N. Holben, and S. Kinne: Single scattering albedo and radiative forcing of various aerosol species with a global three dimensional model. J. Climate, 15, 333-352, 2002.

Takemura, T., T. Nozawa, S. Emori, T. Y. Nakajima, and T. Nakajima: Simulation of climate response to aerosol direct and indirect effects with aerosol transport-radiation model. J. Geophys. Res., 110, D02202, doi:10.1029/2004JD005029, 2005.

Tomita, H., and M. Satoh: A new dynamical framework of nonhydrostatic global model using the icosahedral grid. Fluid Dynamics Research, 34(6), 357-400, 2004.

h. 成果の発表

＜口頭発表＞

Nakajima, T., 2006: Active remote sensing and climate studies. Proc. 23rd International Laser Radar Conference, 24-28 July 2006, Nara, Japan, 3-4 (invited).

Suzuki, K., T. Nakajima, H. Tomita, M. Satoh, and T. Takemura: Simulation of aerosol-cloud interaction with bin cloud model and NICAM-SPRINTARS model, The international Workshop on High Resolution and Cloud Modeling, Kusatsu, Japan, 3-5 October, 2006.

Suzuki, K., T. Nakajima, T. Y. Nakajima, H. Masunaga, T. Matsui, and A. P. Khain: Characteristics of water cloud optical property as simulated by a spectral bin microphysics cloud model. AMS conference on atmospheric radiation and cloud physics, Madison, Wisconsin, 9-14 July, 2006.

Takemura, T., Y. J. Kaufman, L. A. Remer, and T. Nakajima: Simulation of aerosol effects on cloud and precipitation formation by aerosol climate model. EGU General Assembly 2006, Vienna, Austria, 2-7 April, 2006.

Takemura, T., T. Nakajima, and Y. J. Kaufman: Simulation of aerosol effects on climate system by aerosol climate model. AMS 12th Conference on Atmospheric Radiation, Madison, USA, 10-14 July, 2006.

Takemura, T., Y. J. Kaufman, L. Remer, T. Nakajima, and K-1 Project: Aerosol effects on climate system simulated by aerosol climate model. 2nd International Conference on Global Warming and the Next Ice Age, Santa Fe, USA, 17-21 July, 2006.

Takemura, T.: Analysis of aerosol effects on climate system with a aerosol climate model. 5th AEROCOM Workshop, Virginia Beach, USA, 17-19 October, 2006.

Takemura, T., T. Nakajima, and T. Nozawa: Analysis of aerosol effects on climate system and time evolutions of various radiative forcings with a global climate model. Northeastern Asian Symposium 2006: Climate Change and Carbon Cycle. Fukuoka, Japan, 6-9 November, 2006 (invited).

五藤大輔、中島映至、竹村俊彦、2006:二次生成有機エアロゾル（SOA）の気候への影響。日本気象学会２００６年度春季大会、つくば、2006年5月21日-24日

鈴木健太郎、中島映至、中島孝、増永浩彦、松井俊久、Alexander Khain: 衛星観測とビン法雲モデルを用いた雲微物理過程の研究, 日本気象学会2006年春季大会, つくば国際会議場, 2006年5月21-24日

鈴木健太郎：CloudSat衛星と領域・全球雲解像モデル：現状と将来展望、メソ気象研究会、ウィルあいち、2006年10月24日（招待講演）

竹村俊彦: アジア域におけるエアロゾル気候影響のシミュレーション, 日本気象学会2006年春季大会, つくば国際会議場, 2006年5月21-24日（招待講演）.

竹村俊彦, 對馬洋子, 横畠徳太, 野沢徹, 永島達也, 中島映至: 大気大循環モデルによる20世紀の放射強制力の経年変化, 日本気象学会2006年秋季大会, ウィルあいち, 2006年10月25-27日.

竹村俊彦, 全球エアロゾル気候モデルを用いた雲エアロゾル相互作用のシミュレーション, エアロゾルの核生成-CCN-雲微物理-気候システムの統合モデル開発に向けて -第1回ワークショップ, 海洋研究開発機構横浜研究所, 2007年2月21日（招待講演）.

中島映至:大気粒子研究の重要性と衛星観測。日本気象学会２００６年度春季大会、つくば、2006年5月21日−24日

＜論文発表＞

Suzuki, K., T. Nakajima, T. Y. Nakajima, and A. Khain: Correlation pattern between effective radius and optical thickness of water clouds simulated by a spectral bin microphysics cloud model. SOLA, 2, 116-119, 2006.

Takemura, T., T. Nakajima, and T. Nozawa: Simulation of climate change by aerosol direct and indirect effects with aerosol transport-radiation model. in IRS 2004: Current Problems in Atmospheric Radiation, H. Fischer and B.-J. Sohn, Eds., A. Deepak Publishing, 469-472, 2006.

Takemura, T., Y. Tsushima, T. Yokohata, T. Nozawa, T. Nagashima, and T. Nakajima: Time evolutions of various radiative forcings for the past 150 years estimated by a general circulation model. Geophysical Research Letters, 33, L19705, doi:10.1029/2006GL026666, 2006.

Takemura, T., Yoram J. Kaufman, Lorraine A. Remer, and Teruyuki Nakajima: Two competing pathways of aerosol effects on cloud and precipitation formation. Geophysical Research Letters, 34, L04802, doi:10.1029/2006GL028349, 2007.