温暖化・大気組成変化相互作用：大気化学グループ現状と H17 年度（後半）作業予定

須藤健悟 （地球環境フロンティア・大気組成変動予測プログラム）滝川雅之 （地球環境フロンティア・大気組成変動予測プログラム）永島達也　（国立環境研究所）高橋正明 （地球環境フロンティア・東大 CCSR)

26-Oct 2005; 共生第２　運営委員会

26-Oct 2005; 共生第２　運営委員会

FRCGC Earth System Model:

Climate(CCSR/NIES AOGCM)

Climate(CCSR/NIES AOGCM)

Chemistry(CHA

Chemistry(CHA

Aerosol(SPRI

Aerosol(SPRI

Land Surface(MATSIRO,Sim-CYCLE)

DGVM

Land Surface(MATSIRO,Sim-CYCLE)

DGVM

Ocean(an NPZD-type model)

Ocean(an NPZD-type model)

transport

radiationcloud distribution

transport

radiation

production

DMSNMHCs

CO2Sea Salt dust, OCSST

mineral

deposition

CO2

・ heterogeneous reaction・ photolysis

Ｋ２統合モデルでの大気化学・エアロゾルシミュレーションＫ２統合モデルでの大気化学・エアロゾルシミュレーション

① 化学モデル CHASER とエアロゾルモデル SPRINTARS の結合。

② 化学・エアロゾル計算 (CHASER-SPRINTARS) の統合モデル本体 ( 大気海洋結合気候モデル ) への取り込み。

③ 成層圏・中間圏への拡張（鉛直 hybrid+ 新放射スキーム ) 。成層圏化学過程（ハロゲン化学・ PSCs ）の導入。

④ 植生からの炭化水素類 emission の SimCYCLE/DGVM との結合。

統合モデル構築作業

基礎（前段階的）実験など…① IPCC 第 4 次報告書：大気化学関連プロジェクトへの参加・貢献。

② オゾン・メタン・エアロゾルの将来予測実験 ( 地球シミュレータ上 )（統合モデル実験に向けての前段階的実験）：

大気化学・エアロゾルの結合シミュレーション (CHASER+SPRINTARS) 大気化学・エアロゾルの結合シミュレーション (CHASER+SPRINTARS)

植物起源

Aerosols (CCN) number density calculated by the K2 ES model Al

titud

e (k

m)

sulfate Organic Carbon

seasalt

Optical thickness : aerosols (K2-ES model)

sulfate carbonaceous

dust seasalt

Radiative forcing from tropospheric ozone

Radiative forcing from tropospheric ozone

(direct) radiative forcingfrom carbon aerosols

(direct) radiative forcingfrom carbon aerosols

Chemistry and aerosol simulation with CHASER and SPRINTARSChemistry and aerosol simulation with CHASER and SPRINTARS

Global mean = 0.48 W m-2

CHASER 化学過程の成層圏への拡張CHASER 化学過程の成層圏への拡張

現状 CHASER [ T42L32, モデルトップ＝高度 40km]

◎ 化学・エアロゾル計算 :　　 化学反応 対流圏光化学中心（高度 <20km) 　　　 　○ O3-HOx-NOx-CO-CH4 基本サイクル　　　 　○ 非メタン炭化水素類（ NMVOCs ） 酸化過程　　　 　○ SO2/DMS 気相・液相酸化 （硫酸塩エアロゾル）　　　 　○ エアロゾル（硫酸塩以外）：炭素系・土壌ダスト・海塩粒子 　

・モデル領域を中間圏まで拡張中（気候物理コアモデル改良グループ）：

　　 モデルトップ ~ 高度 80km 、鉛直： hybrid σ-p ~ 80 層（ T42L80 ）

・成層圏でのオゾン化学反応を追加中。

+ 成層圏光化学（高度 >20km ）： [ モデルトップ＝ 80km]　　・光解離定数計算手法の修正　　・ハロゲン化学（塩素系 : ClOx および臭素系 : BrOx ）　　　　　 CCSR/NIES 成層圏化学モデルをベースに構築中：　　　　　 HCl, ClONO2, HOCl, Cl2, ClNO2, CCl4, CFC11, CFC12, CFC113, HCFC22, CH3CCl3, CH3Cl 　　　　：現状の塩素系化学種　　　・オゾンホール過程　　　　　極域成層圏雲（ PSCs ）上の不均一反応　　　　　　　　　　　　　　　　 [Nagashima et al, 2001/ Sessler et al, 1996]

　　・球面大気効果の反映（放射コード） [Kurokawa et al., 2005]　　・非地形性重力波パラメタリゼーションの調整　　　　　　　　　　（気候物理コアモデル改良グループとの連携）

　　・成層圏硫酸塩エアロゾル [Takigawa et al., 2003]

CHASER 化学過程の成層圏への拡張CHASER 化学過程の成層圏への拡張

化学過程42%

力学（輸送）過程28%

放射過程8%

ノード間通信9%

その他13%

CHASER-SPRINTARS 入り KISSME: 計算コストCHASER-SPRINTARS 入り KISSME: 計算コスト

大気側 (AGCM) 解像度： T42L32ES-L 系 4 ノード使用 ( 大気 2 + 海洋 2)

1 年積分の実行実時間 ＝ 4.5hr/yr( 平均ベクトル化率 97%)

大気ノード時間の平均的な内訳。

化学過程13%

力学（輸送）過程33%

放射過程12%

ノード間通信7%

その他35%

大気ノード時間の試験段階内訳。

大気側 (AGCM) 解像度： T42L80ES-L 系 4 ノード使用 ( 大気 2 + 海洋 2)

1 年積分の実行実時間 ＝ 16hr/yr(※一日 RUN からの推定 )

※ 成層圏化学は含まず

陸（海）面・植生過程との結合陸（海）面・植生過程との結合

⑦ 乾性沈着過程（気相化学種）・各種抵抗について陸面・植生計算と結合　（現状：気孔抵抗については MATSIRO と結合）

⑧ 植物起源炭化水素類（ VOC ｓ）の emission・陸面 / 生態系コンポーネントの PAR,LAI,NPP を用いたオンライン計算

↓

SimCYCLE/MATSIRO との結合

⑦ アンモニアの土壌からの emission

⑧ 海面からの DMS emission ( 海洋上の CCN の変動過程 )

植物起源 VOCs emission のモデル化： SimCYCLE との結合植物起源 VOCs emission のモデル化： SimCYCLE との結合

Guenther et al. [1995]

F = D D: foliar density (kg dry matter m-2): ecosystem dependent factor (gC kg-1 h-1 at PAR=1000, T=303.15K): correction for temp. & light

Peak density (Dr : empirical coefficient)

GVI (G) で季節性を考慮G2 : 閾値

IPCC- 第 4 次報告書 関連プロジェクトへの参加

26-Oct 2005; 共生第２　運営委員会

Stevenson et al. [2005]: JGRGauss et al. [2005]: ACPDDentener et al [2005]: ACPD

AR-4 のドラフトでの引用：Sudo et al [2001]: GRLSudo et al [2002a,b]: JGRSudo et al [2003]: GRL

　　　　　　　　　　　 P L D STE B:O3 　 :O3 　 :CH4 A. CHASER_CTM 5042 4594 948 501 331 21.8 8.42 B. CHASER_GCM 5032 4620 948 536 333 21.8 8.37 C. FRSGC/UCI 5135 4733 907 505 331 21.4 7.61 ・・・・・Mean 5056 4561 1014 519 343 22.4 8.72 ±σ 　　　　　　　　　 ±571 ±722 ±219 ±195 ±42 ±2.0 ±1.30 IPCC TAR 3420 3470 770 770 300 24 8.4

IPCC-AR4 実験：モデルアンサンブルの中での位置づけIPCC-AR4 実験：モデルアンサンブルの中での位置づけ

現在実験： 対流圏オゾンの全球収支（全２４モデル）

Stevenson et al. [2005]

化学生成　　消滅　　沈着　　　成層圏オゾン　総量　　寿命

IPCC-AR4 実験：モデルアンサンブルの中での位置づけIPCC-AR4 実験：モデルアンサンブルの中での位置づけ

Gauss et al. [2005]

CHASER

対流圏／成層圏オゾンの放射強制力

対流圏オゾンの放射強制力分布

Zonal mean O3 changes: preindustrial(R1) present(R2)Zonal mean O3 changes: preindustrial(R1) present(R2)

Preind(R1)present(R2) Due to emission change R2-R1b

Due to stratosph. O3 change R2-R1a Due to climate change R1c-R1

Exp-1Exp-1IPCC-AR4: Exp-1

IPCC-AR4: Exp-1

26-Oct 2005; 共生第２　運営委員会

オゾン・メタン・エアロゾルの将来予測実験 on ES　　（統合モデル実験に向けての前段階的実験：化学・気候相互作用）

オゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ESオゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ES

エミッション変化による地表オゾン増加　（２１００）

温暖化による影響％（東西平均オゾン）

A2 A1 B1

より厳密な議論：ハロゲン化学をきっちり導入する必要より厳密な議論：ハロゲン化学をきっちり導入する必要

オゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ESオゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ES

成層圏・対流圏オゾン交換量（ STE: TgO3/yr) の時間発展

対流圏オゾン全球総量 (TgO3) の時間発展

温暖化 成層圏オゾン回復

対流圏下層水蒸気増加

対流圏上層成層圏大気循環の強化

対流圏上層STE 量の増加

― （マイナス） ＋（プラス） ＋（プラス）

オゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ESオゾン・メタン・エアロゾル（硫酸塩）の将来予測実験 on ES

全球平均メタン濃度（ ppmv) の時間発展

硫酸塩エアロゾル全球総量 (TgS) の時間発展

成層圏オゾン回復① 紫外光による光解離減少 OH 減少 メタン寿命増加② 対流圏オゾン量増加 OH 増加 メタン寿命減少

温暖化① 水蒸気・温度上昇 OH 増加など メタン寿命減少

ＳＯ２の酸化強化（ H2O2 増加などによる・・・）

温暖化・大気組成変化相互作用（大気化学）サブグループ

現状と H17 年度（後半）作業予定

まとめ① 統合モデル本体の構築 :

・成層圏への拡張： 高度 80km まで、σ-p 80 層。・光解離定数計算の修正 & 植物起源 emission の SimCYCLE との結合・成層圏化学導入

② IPCC-AR4 への参加 :・他の統合モデルに組み込まれている化学モデルも多数参加・ CHASER による結果はモデルアンサンブルの平均値

③ 将来予測実験（統合モデル実験に向けての前段階的実験）：・ SRES 各シナリオ（ emission) による違い

　　 ・気候変動のオゾン・メタン・硫酸塩への影響はどのシナリオでも顕著 ・成層圏オゾンの回復の影響も無視できない。

26-Oct 2005; 共生第２　運営委員会

NICAM( 鉛直流を直接計算 ) を用いた雲物理過程の厳密な取り扱い

鈴木健太郎（ CCSR ）の作業報告を代理で発表・・・

温暖化・大気組成変化相互作用：

Bin 法雲物理実装の利点• 雲の微物理構造を陽に計算• 粒子の成長過程を詳細に計算

– 降水生成過程の精度向上• 雲の光学パラメータ（有効半径、光学的厚さ）を粒径分布から陽に計算– 雲の放射影響の精度向上

• バルク雲物理との比較・検証• エアロゾルー雲相互作用の詳細な数値実験

　熱帯のスコールライン実験– 地球の半径の軽減

• e.g. R=6400km 640km

– 水平方向にストレッチ格子の使用• 興味ある領域に格子を集める

– Schmidt 変換» 等方性を保証する変換

全球 120km格子 全球 12km格子

全球 12km格子 局所的 1.2km格子

Preliminary Results

wind shear

計算コスト低減のためにビン数を減らしてテスト中今後、ビン数をさらに増やして実験の予定

現在、デバッグの最終段階

青色：雲水量、赤色：雨水量

北緯 3 度での断面

SPRINTARS の実装

• 非静力学モデルに導入することで、積雲も含む形で雲生成とエアロゾルがリンクする

• NICAM に実装済みのバルク雲物理と結合して、雲ーエアロゾル相互作用の全球での新しい数値実験

• 将来的には、ビン法（基底関数法）と結合して、詳細な数値実験を行う

Preliminary Result

NICAM: glevel5(240km), 54layer

炭素性エアロゾルのみの結果（高度 1.5km での濃度 kg/m3 ）アフリカ中南部森林火災起源粒

子が大西洋、インド洋に流出