RECCA/SALSAにおける領域スケールの 大気汚染物質シミュレーションとその影響評価

RECCA-S8-創生D 研究交流会, 2014年9月5日 @リモートセンシング技術センター (東京)

7�

五藤 大輔 (国立環境研究所; NIES)

RECCA/SALSA (大気環境物質のためのシームレス同化システム構築とその応用) 　代表・中島映至 @東京大学大気海洋研究所 (AORI)

第1班 (CO2 モデリング/同化/GOSAT衛星観測) : 今須良一 @AORI 第2班 (大気汚染物質 (エアロゾル・オゾン) モデリング/同化) : 植松光夫 @AORI 第3班 (気温・大気汚染の健康影響・緑化影響・適応/緩和策) : 高見昭憲 @NIES

キーポイント: RECCA/SALSAではNICAMを用いて実験している。 NICAM…正二十面体非静力学全球モデル and/or 全球雲解像モデル NICAM+大気汚染物質モデリング？ NICAMを領域実験に利用？

MEXT/RECCA/SALSAの枠組みでのモデルシステム

8�

! 同化・逆問題システムを含む大気物質モデル群 ! 長寿命ガス・短寿命ガス・エアロゾル・同位体の同時解析＆トレードオフ議論が可能。

! 次世代型モデルNICAMで全球から領域（kmスケール）をシームレスに網羅。 ! プログラム開発者の少ない日本にとってメリット。

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NICAM-Chem

本日の発表内容：RECCA/SALSA下で開発したNICAM-Chemモデル

3

第２班の結果が中心 (対象：大気汚染物質) 関東領域でのモデリング

大気汚染の健康影響評価

1950yr

2000yr

2050yr

1950yr

2000yr

2050yr

20-64

65-89

<19 >90

[文献: NIPSSR]

日本における高齢化問題

日本の人口

�K¥¬²¬¨�¦­Ä½Ä¹Ã�Global emission inventories of all species considered, i.e. NOx, SO2, and BC �ACCMIP � 1980-2010 � 0.5x0.5� http://ether.ipsl.jussieu.fr - ECCAD �

ftp://ftp-ipcc.fz-juelich.de/pub/emissions/ �http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb �Lamarque et al., 2010 �

MACCity� 1980-2010 � 0.5x0.5� http://ether.ipsl.jussieu.fr - ECCAD �RCPs � 2000-2010 � 0.5x0.5� http://ether.ipsl.jussieu.fr - ECCAD �

ftp://ftp-ipcc.fz-juelich.de/pub/emissions/ �http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb �

EDGAR v4.2� 1970-2008 � 0.1x0.1� http://edgar.jrc.ec.europa.eu/overview.php?v=42 �

RETRO � 1980-2000 � 0.5x0.5� http://retro.enes.org/data_emissions.shtml �GAINS � 1990-2010 � http://gains.iiasa.ac.at/gains �

Asian emission inventories of all species considered, i.e. NOx, SO2, and BC �REAS 1.11� 1980-2003, � 0.5x0.5� http://www.jamstec.go.jp/frcgc/research/p3/reas_h_a.html �

Ohara et al., 2007 �REAS 2.1� 2000-2008 � 0.25x0.25� http: //www.nies.go.jp/REAS/ �

Kurokawa et al., 2013 �TRACE-P & INTEX-B �

2000 and � 2006�

0.5x0.5� http://www.cgrer.uiowa.edu/ACESS/acess_index.htm �Streets et al, 2003; Zhang et al., 2009 �

2

�K¥¬²¬¨�¦­Ä½Ä¹Ã�Global emission inventories of all species considered, i.e. NOx, SO2, and BC �ACCMIP � 1980-2010 � 0.5x0.5� http://ether.ipsl.jussieu.fr - ECCAD �

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EDGAR v4.2� 1970-2008 � 0.1x0.1� http://edgar.jrc.ec.europa.eu/overview.php?v=42 �

RETRO � 1980-2000 � 0.5x0.5� http://retro.enes.org/data_emissions.shtml �GAINS � 1990-2010 � http://gains.iiasa.ac.at/gains �

Asian emission inventories of all species considered, i.e. NOx, SO2, and BC �REAS 1.11� 1980-2003, � 0.5x0.5� http://www.jamstec.go.jp/frcgc/research/p3/reas_h_a.html �

Ohara et al., 2007 �REAS 2.1� 2000-2008 � 0.25x0.25� http: //www.nies.go.jp/REAS/ �

Kurokawa et al., 2013 �TRACE-P & INTEX-B �

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0.5x0.5� http://www.cgrer.uiowa.edu/ACESS/acess_index.htm �Streets et al, 2003; Zhang et al., 2009 �

2

[大原, 2013年SALSAワークショップ資料]

世界におけるSO2の排出インベントリの変遷 ・特に高齢者、特に将来 (・・・今50歳以上の方)

・NICAM-Chem、ストレッチ格子法 (領域実験) ・関東 (日本全体も)、夏季 (8月) ・現代 (2007年 or 2000年)、過去 (1970年代)、将来 (2030年代) ・PM2.5 or エアロゾル (すす、硫酸塩)、対流圏オゾン

本日の発表目次 1.  NICAM-Chem (10枚)

! 概要「開発意義、NICAM、実験設定」 ! 結果「降水分布、すす、硫酸塩、PM2.5、地表面オゾン」

2.  大気汚染物質の健康影響評価 (4枚) 「評価方法、結果、将来シナリオ下での健康影響評価」

まとめと今後の予定 (1枚) " 時間あれば、NICAMの適用例 (2枚) 「ダイアモンド格子法、データ同化」

:�

比較検証の一例

大気汚染物質の高分解能計算方法 (a) 複数モデルを用いて多重ネスティング

60

40

20

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2021

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44

GCM/CTM (Spectral): dx>20km

dx=180km (T63) dx=60km (Domain 1)

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26

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40

44

dx=15km (Domain 2)

dx=5km (Domain 3)

Regional CTM

(b) 単一モデルをネスティング無し

3

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Emori et al., 2001DƐȧ���

Glevel 0 (dx=7141km)

Glevel 6 (dx=112km)

Glevel 6+Stretch100 (dx=11km)

Stretch grid GCRM (Grid-spacing): dx~any scales Diamond grid

dx=3-5km ;�

NICAM (Non-hydrostatic Icosahedral Atmospheric Model) (1)  母体モデル：NICAM by Tomita and Satoh (2004) and Satoh et al. (2008)

全球雲解像モデル (Global cloud-resolving model; GCRM)で、差分法を用いている。 (2)  実績

!  地球シミュレータを用いて全球3.5km実験で世界初のMJO再現 (Miura et al., 2007) !  スーパーコンピュータ京を用いて全球870m実験に成功 (Miyamoto et al., 2013)

(3)  マルチスケールモデル (全球、全球＋領域、完全領域) #  東大FX10で全球＋領域版 (ストレッチ格子法)を用いた結果を見せる。 #  領域版 (ダイヤモンド格子法)は、よりコンピュータ資源を抑えた高分解能実験ができる。 #  全て同一のフレームワークで開発される（１パッケージでマルチスケール実験対応可）

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Emori et al., 2001DƐȧ���

Glevel 0 (dx=7141km)

Glevel 3 (dx=893km)

Glevel 6 (dx=112km)

Glevel 6+Stretch100 (dx=11km)

NICAM grid system (菱形の数は”10x4g”個。“Glevel”は分割の数）

Stretch grid system (Tomita, 2008b) Global NICAM

エアロゾル・気体のトレーサーモデルの概要

=�

排出量インベントリ (e.g., soot)

空気の流れは 力学コアで計算

Emission/Formation/Deposition

１つのグリッドの内部での計算方法

(�

Formation

Emission

Deposition

海面温度・海氷

NCEP-FNL （オプション）

初期条件

!  排出量インベントリ： 燃焼起源の大気汚染物質 (すす・SO2) $硫酸塩はSO2が大気中で酸化・生成

計算される濃度場

[NICAM, MIROC, WRF, …]

実験設定: NICAM+大気汚染物質モデル”NICAM-Chem” 各モジュール 名称・参考文献など

力学コア NICAM (Tomita and Satoh, 2004; Satoh et al., 2008, 2014) グリッド ストレッチ格子法 (Tomita, 2008b) 雲微物理 NSW6 (Tomita, 2008a), 積雲パラメタリゼーションは無し 境界層 Level 2, Meller & Yamada (1974), Nakanishi & Niino (2004, 2009) 放射 K-distribution by MSTRN (Sekiguchi & Nakajima, 2008) エアロゾル SPRINTARS

MIROC版: Takemura et al. (2000, 2002, 2005) & Goto et al. (2011). NICAM版: Suzuki et al. (2008), Dai et al. (2014) & Goto et al. (2014) EC (すす), OC (有機炭素), sulfate (硫酸塩), seasalt, and dust. 本研究ではPM2.5=EC+OC+sulfate(as (NH4)2SO4)とする。

大気化学 (オゾンなど) CHASER by Sudo et al. (2002) 陸面 MATSIRO by Takata et al. (2003) 対象期間・場所 2007年8月・関東を中心とした東アジア領域 解像度 ストレッチ中心付近で11km、鉛直40層 (高度2km以下に10層) 排出量インベントリ EAGrid2000 by Kannari et al. (2007) in Japan.

REAS(v2.0) over Asia by Kurokawa et al. (2013). 気象場 (ナッジング) Nudging by NCEP-FNL (http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/) 酸化物質 (SPRINTARS) MIROC-CHASERで計算した3時間平均値の月平均値

>�※比較のために、全球110kmグリッドのNICAM (g6)の結果も提示する。

2007年8月の降水量の比較（月積算値）

?�10 20 30 50 100 200 300 500 1000 [mm/month]�

(a) g6str simulation (10~30km)

(c) MSM (by JMA)

(b) g6 simulation (~110km)�

(d) GSMaP (multi-satellite)�

モデル

観測

2007年8月のPM2.5の比較（日平均値） ���

3�2�1�0� [km]�3�2�1�0� [km]�

日本時間 (2007/8/4-8/25)

日平均PM2.5濃度

＋：観測 ー：モデル

[Goto et al., 2014]

(a) Maebashi/Gunma�

(c) Komae/Tokyo�

(e) Koutou/Tokyo�

(g) Adachi/Tokyo�

(i) Osaka/Osaka�

(k) Nonodake/Miyagi�

(b) Kisai/Saitama�

(d) Tsukuba/Ibaraki�

(f) Machida/Tokyo�

(h) Kawasaki/Kanagawa�

(j) Amagasaki/Hyougo�

OBS=24.2, SIM=6.4�

OBS=31.6, SIM=9.0�

OBS=18.8, SIM=9.8�

OBS=18.7, SIM=9.4�

OBS=15.5, SIM=7.7�

OBS=15.7, SIM=5.8�

OBS=25.8, SIM=8.0�

OBS=19.5, SIM=8.4�

OBS=22.0, SIM=8.1�

OBS=23.3, SIM=8.9�

OBS=18.1, SIM=6.9�

Observation [µg/m

3]�O

bservation [µg/m3]�

Observation [µg/m

3]�O

bservation [µg/m3]�

Observation [µg/m

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Observation [µg/m

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(i) (j)

(k)

(a) (b) (d) (c) (f) (e)

(g) (h)

77�

2007年8月の関東地方でのオゾンシミュレーション①

78�

WRF-CMAQ （Morino et al., 2010）

[村田, 2014; SALSA, 2014]

2007年8月の関東地方でのオゾンシミュレーション②

79�

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Br=0.79, Ba=19.8, R2=0.56

Br=0.97, Ba=15.7, R2=0.72

Br=0.91, Ba=19.1, R2=0.81

−:NICAM-Chem −:WRF-CMAQ −:Observation

[村田, 2014; SALSA, 2014]

RECCA/SALSA内部連携: 大気汚染物質による健康影響評価

7;�

1. NICAM-ChemでPM2.5&O3計算 ・NCEP-FNLあるいはMIROCモデルの気象場をナッジング (～ダウンスケーリング) ・ストレッチ法なら解像度10km可 ・今回は短期曝露影響 (1ヶ月程) ・バイアス補正 （PM2.5のみ2倍補正）

2. 下記の式で健康影響を評価 曝露ー健康影響関数 Δy = y0 × P × (exp(βΔX)-1) 短寿命物質濃度の変化(ΔX) 曝露による健康影響推定値(β) （因子によって異なる値） 人口分布(P): 統計データ利用 疾患の有病率/罹患率(y0)

[SALSA-G3, 2012; 2013; 2014]

疾患者数の 水平分布 （次項）

日最高気温と日死亡数との関連 （東京、2002-2007年）

日最高気温（℃）

日死亡数（人）

硫酸塩濃度

RECCA/SALSA-G2 (大気汚染シミュレーション)

RECCA/SALSA-G3 (健康影響評価推定)

[µg/m3]

2007年8月の都道府県レベルでのその健康影響評価

7<�http://cesdweb.aori.u-tokyo.ac.jp/~database/salsa/SALSA_NICAM/data_health.html

106

ƅ 3.3.2 2007Ȃ 8ʬ?�&V PM2.5ȊӮªˬӯ�PM2.5?SVћҀ˪ÇʀӮ²ˬӯ<ϖ˪

Çʀ?ņNVīŞӮ«ˬӯ [SALSA-G3, 2014]

105

ƅ 3.3.1��2007 Ȃ 8 ʬ?�&Vdx£ȊӮªˬӯ�dx£?SVћҀ˪ÇʀӮ²ˬӯ<ϖ˪

Çʀ?ņNVīŞӮ«ˬӯ�

地表面オゾン 濃度

超過死亡数

超過死亡の割合

0.010

0.000

2

1

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[%] 3

[ppbv] 60

40

20

PM2.5

[person/km2] 0

0.020

濃度

超過死亡数

超過死亡の割合

詳しくは、以下のwebあるいはDIASで。

20 15 10 5

25 [µg/m3]

0

0.020

[person/km2]

0.000

2

1

0

3 [%]

0.010

歴史実験 (シナリオ実験) の設定詳細

7=�

!  用いたモデル：Stretch-NICAM-Chem (大気汚染物質はPM2.5のみ) !  境界条件： 1.  ナッジングデータ：MIROC-4H の出力結果

! 近未来実験 (1950-2035年の85年積分)、解像度T213～約50km ! 気温・風・水蒸気・海面温度の6時間ごとのMIROC-4H計算結果 ! 10年間のデータの中で平均的な気象場の年の結果を代表値として利用 ! バイアス補正無し

2.  排出量インベントリ（PM2.5シミュレーションに必要なもの） ! 日本以外：MIROC-4H実験で使用した低分解能データを利用 ! 日本国内：1km解像度のEAGrid2000 (Kannari et al., 2007) の分布をベースに、各年代の差をスケーリングして利用

!  過去: 1970年代 (日本では深刻な大気汚染レベル) !  現在: 2000年代 !  将来1: 2030年代 (RCP4.5シナリオ。日本では非常に清浄) !  将来2: 2030年代 (SRES-A1Bシナリオ。現在よりも清浄だがRCP4.5よりも汚染)

４つのシナリオ実験

歴史実験の都道府県レベルでのその健康影響評価

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大気が現在よりも清浄になるであろう将来であっても、高齢化社会のために、健康影響は増大する。

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都道府県別超過死亡数 6都府県による年間の超過死亡数の推定値

PM2.5平均濃度 (都道府県)

PM2.5による超過死亡数

!  過去: 1970年代 (日本では深刻な大気汚染レベル) !  現在: 2000年代 !  将来1: 2030年代 (RCP4.5シナリオ。日本では非常に清浄) !  将来2: 2030年代 (SRES-A1Bシナリオ。現在よりも清浄だがRCP4.5よりも汚染)

[SALSA-G3, 2014]

４つのシナリオ実験

(黒のバーはβ値 (閾値) の違いによる不確実性)

まとめと今後の予定

1. NICAM-Chemモデルが完成 ! PM2.5過小評価は他モデルとも共通 ! オゾン再現性は特に日中は良好%

2. 大気汚染物質の健康影響評価 ! MIROCモデル結果を用いたシナリオ実験成功 ! 将来シナリオによって影響評価は変化%

3. 今後の予定 ! PM2.5とオゾンのシナリオ実験 ! NICAMによる排出量逆推定

ご清聴ありがとうございました。 7?�

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6都府県による年間の超過死亡数の推定値

地表面オゾンの検証