温暖化・大気組成変化相互作用（大気化学）

温暖化・大気組成変化相互作用（大気化学）温暖化・大気組成変化相互作用（大気化学）

須藤 健悟 (FRSGC)滝川 雅之 (FRSGC)永島 達也 (NIES)高橋 正明 (CCSR/FRSGC)

Mar. 19, 2004: 温暖化ワークショップ @ 三浦

地球システム統合モデル KISSME (being developed) 地球システム統合モデル KISSME (being developed)

Climate(CCSR/NIES AGCM 5.7)

Climate(CCSR/NIES AGCM 5.7)

Chemistry(CHA

Chemistry(CHA

Aerosol(SPRI

Aerosol(SPRI

Land Surface(MATSIRO,Sim-CYCLE)

Land Surface(MATSIRO,Sim-CYCLE)

Ocean(an NPZD-type model)

Ocean(an NPZD-type model)

transport

radiationcloud distribution

transport

radiation

production

heterogeneous reaction

DMSNMHCsCO2Sea Salt dust, OC

SST

mineral

K2- 地球システム統合モデル開発 K2- 地球システム統合モデル開発

温暖化・大気組成変化相互作用サブグループ開発・研究スケジュール

温暖化・大気組成変化相互作用サブグループ開発・研究スケジュール

H.15 年度の作業および成果H.15 年度の作業および成果

① 化学気候モデル CHASER の高速化。

② 大気組成・温暖化相互作用の前段階的実験。（温暖化が対流圏化学に与える影響）

③ 化学・エアロゾル結合気候モデルの開発着手。（ CHASER-SPRINTARS)

④ 輸送スキームの検証（特に成層圏）：空気の平均年令分布。

対流圏オゾンとその他の気候影響要素（メタンやエアロゾル）との関係

OH ラジカル：大気酸化能力

オゾン硫酸塩　　エアロゾル

その他の温室効果気体

エミッションのみならず気象場（水蒸気場、温度場、大規模循環など）にも依存エミッションのみならず気象場（水蒸気場、温度場、大規模循環など）にも依存

STE O3 influx(400-600 Tg/yr)

Chemical O3 Prod.(3500-5000 Tg/yr)

Global NH SH

長波 0.402 0.485 0.319

短波 0.085 0.107 0.063

合計 0.487 0.592 0.382

LW＋ SW　 total ozone forcingLW＋ SW　 total ozone forcing

DJF

JJA

Tropospheric ozone radiative forcing W m-2 (at tropopause, in annual mean)Tropospheric ozone radiative forcing W m-2 (at tropopause, in annual mean)

Normalized radiative forcing = 0.047 W m-2 DU-1

Tropospheric ozone increaseTropospheric ozone increase

197 TgO3 ( 産業革命以前 ) ↓ +10.4 DU (+58%)311 TgO3 ( 現在 )

対流圏オゾンによる放射強制力 (W m-2)産業革命以前→現在

対流圏オゾンによる放射強制力 (W m-2)産業革命以前→現在

化学・気候結合モデル CHASER Sudo et al. [2002a,b]

基本モデル　 CCSR/NIES/FRSGC GCM (5.7b) ：　気候モデル空間解像度 水平： T42(2.8ox2.8o), 　鉛直： 32 layers （地表～ 40km)輸送過程 グリッドスケール（ flux-form semi-Lagrangian)

サブグリッドスケール（積雲対流 , 鉛直拡散）化学過程 53 化学種 , 139 化学反応（気相 , 液相 , 不均一 * ）

(1)O3-HOx-NOx-CO-CH4 （成層圏 Ox 化学を含む ),

(2) 非メタン炭化水素（ NMHCs ）酸化 , 　　(3)SO2, DMS 酸化（硫酸塩エアロゾルシミュレーション）

* 不均一反応は N2O5, HO2, RO2 ラジカルについて雲粒子、硫酸エアロゾル、および海塩粒子表面上で考慮 （高度 20km 以上の O3, NOy については衛星データなどで prescribe ）

Emission 産業・交通 , 森林火災 , 植生 /土壌 /海洋 , 雷からの NOx

（ NOx, CO, C2H6, C2H4, C3H8, C3H6, アセトン , イソプレン , テルペン , 　メタノール ,SO2, DMS)

Dry deposition（乾性沈着）

地表面の植生タイプ、気温、太陽光入射、積雪などの関数 [Wesely, 1989]

Wet deposition（湿性沈着）

Rain-out （ in-cloud ） , wash-out 　（ below-cloud ） , ice-sedimentation Reevaporation & reemission processes considered.

気候変動将来予測における大気化学（＋エアロゾル）過程の役割

気候変動将来予測における大気化学（＋エアロゾル）過程の役割

オゾン（全球分布）かつその変動過程

OH ラジカル分布とその変動が引き起こすメタン・ CFCｓ　の分布変動

エアロゾル（硫酸塩および有機炭素）の生成過程

オゾン（全球分布）かつその変動過程

OH ラジカル分布とその変動が引き起こすメタン・ CFCｓ　の分布変動

エアロゾル（硫酸塩および有機炭素）の生成過程

温暖化のフィードバック（相互作用）を考慮する必要がある温暖化のフィードバック（相互作用）を考慮する必要がある

H.15 年度の作業および成果H.15 年度の作業および成果

① 化学気候モデル CHASER の高速化。

② 大気組成・温暖化相互作用の前段階的実験。（温暖化が対流圏化学に与える影響）

③ 化学・エアロゾル結合気候モデルの開発着手。（ CHASER-SPRINTARS)

④ 輸送スキームの検証（特に成層圏）：空気の平均年令分布。

化学結合気候モデル CHASER の高速化化学結合気候モデル CHASER の高速化

一年積分時 (T42L32 、トレーサー数 NTR=37 の場合 )各プロセス計算実時間 (秒 )

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Dynamics(*1)

Lightning NOx

Wet deposition

Liquid- phase reaction

Gas- phase reaction

CHASER (new)

CHASER (old) (sec)

化学結合気候モデル CHASER の高速化化学結合気候モデル CHASER の高速化

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

CHASER (old) CHASER(new) CHASER(new)

-35%○agcm5.6 → agcm5.7b○リストベクトル高速化

ES- S (8PE)系 ES- L (32PE)系

一年積分時 (T42L32 、トレーサー数 NTR=37 の場合 ) の計算実時間 (秒 )

※ 化学過程の簡単化やMPMD などによるさらなる高速化を検討中。

H.15 年度の作業および成果H.15 年度の作業および成果

① 化学気候モデル CHASER の高速化。

② 大気組成・温暖化相互作用の前段階的実験。（温暖化が対流圏化学に与える影響）

③ 化学・エアロゾル結合気候モデルの開発着手。（ CHASER-SPRINTARS)

④ 輸送スキームの検証（特に成層圏）：空気の平均年令分布。

対流圏オゾンの将来予測実験

Exp 1: emission 変化のみ（オゾン前駆気体）

Exp 2: emission 変化＋気候変動（温暖化）

emissions specified by the IPCC SRES-A2 (1990 2100) for CH4, CO, NOx, NMHCs, SO2

no changes in meteorological conditions (GCM) (1990 2100)

emissions specified by the SRES-A2 (1990 2100) for CH4, CO, NOx, NMHCs, SO2

simulating climate change ① SSTs and sea-ice distributions prescribed by the CCSR/NIES atmosp

here-ocean coupled GCM for the SRES-A2.② CO2, N2O specified by the SRES-A2 (for radiation calculation)

The simulations are performed for every decades from 1990 to 2100 (time-slice simulation)

Calculated O3 and CH4 are feedbacked to the radiation process.

全球平均メタンの時間発展

全球平均メタンの時間発展

●global mean CH4 (ppmv)

●global mean CH4 (ppmv)

● global mean OH(molec/cm3)

● global mean OH(molec/cm3)

●CH4 lifetime: CH4+OH(years)

●CH4 lifetime: CH4+OH(years)

○Relative OH increase ○Temperature rises

～ 20%

EXP1

EXP2( 温暖化 )

各緯度帯におけるオゾン濃度（ｐｐｂｖ）の時間発展 Zonal mean

Enhanced O3

increases

Enhanced O3

increases

Reduced O3

increases

Reduced O3

increases

EXP1

EXP2( 温暖化 )

成層圏→対流圏への（ネット）オゾン流入量成層圏→対流圏への（ネット）オゾン流入量

地表気温上昇（温暖化実験）

Exp2: +climate change( 温暖化 )

Exp1+83%+83%

Sudo et al. [2003]

気候変動が成層圏 / 対流圏間オゾン交換 (STE) に与える影響

Sudo et al. [2003]

Changes in residual mean meridional circulation 　 (vr,wr)「残差循環の変化」(2100 minus 1990)

Residual mean vertical velocity wr

@ z=15km for 1990 and 2100 in Exp2

Hadley 循環の強化Hadley 循環の強化

Brewer-Dobson 循環の強化Brewer-Dobson 循環の強化

気候変動が成層圏 / 対流圏間オゾン交換 (STE) に与える影響

オゾンの東西平均高度分布への温暖化影響 オゾンの東西平均高度分布への温暖化影響

成層圏オゾンの流入量増加に伴うオゾン増加

成層圏オゾンの流入量増加に伴うオゾン増加水蒸気増加に伴う

オゾン破壊活発化によるオゾン減少

水蒸気増加に伴うオゾン破壊活発化によるオゾン減少

オゾン増加量としては+20 ～ 40% に相当

化学モデル CHASER とエアロゾルモデル SPRINTARS の結合の図化学モデル CHASER とエアロゾルモデル SPRINTARS の結合の図

硫酸エアロゾルや有機炭素エアロゾルの計算が化学と結合して行われる。

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

対流圏オゾンの放射強制力分布対流圏オゾンの放射強制力分布

炭素性エアロゾルの放射強制力分布炭素性エアロゾルの放射強制力分布

Increases in cloud water Changes in precipitation

Increases in H2O2 and OH

For both Exp1 and 2…

For Exp2…

硫酸エアロゾルの時間発展 (Exp 1/2)硫酸塩全球総量 (TgS)硫酸塩全球総量 (TgS)

人為起源 SO2 エミッション (TgS/yr)人為起源 SO2 エミッション (TgS/yr)

気候変動将来予測における大気化学（＋エアロゾル）過程の役割

気候変動将来予測における大気化学（＋エアロゾル）過程の役割

オゾン（全球分布）かつその変動過程

OH ラジカル分布とその変動が引き起こすメタン・ CFCｓ　の分布変動

エアロゾル（硫酸塩および有機炭素）の生成過程

オゾン（全球分布）かつその変動過程

OH ラジカル分布とその変動が引き起こすメタン・ CFCｓ　の分布変動

エアロゾル（硫酸塩および有機炭素）の生成過程

温暖化との間のフィードバック（相互作用）を考慮する必要がある温暖化との間のフィードバック（相互作用）を考慮する必要がある

今後の課題今後の課題

●モデル構築： 成層圏（～高度 70km ）への拡張。

・鉛直解像度、重力波抵抗スキーム改善 ・ハロゲン、 PSCs 化学追加

●過去再現

　・人為起源 emissionトレンドおよび自然起源 emission の妥当性の検討。　・気象場変動の影響実験。　・メタンの濃度がちゃんと再現できるか？実験（ OH 変動のチェック）　・対流圏オゾン（＋エアロゾル）増加による気候への影響の評価。

　　（ full-transient or 平衡長期実験 with 海洋混合層）

●将来予測

　・ SRES全シナリオ実験 for 対流圏オゾン・メタン・硫酸エアロゾル　　（１０年おき time-slice 、 emission 変化および温暖化の影響）　　（ K1 実験への入力としても）　・エアロゾル＋オゾン変動による気候影響： K2 の真骨頂の一部。

　　（化学・エアロゾル結合予測の効果は？）

●モデル構築： 成層圏（～高度 70km ）への拡張。

・鉛直解像度、重力波抵抗スキーム改善 ・ハロゲン、 PSCs 化学追加

●過去再現

　・人為起源 emissionトレンドおよび自然起源 emission の妥当性の検討。　・気象場変動の影響実験。　・メタンの濃度がちゃんと再現できるか？実験（ OH 変動のチェック）　・対流圏オゾン（＋エアロゾル）増加による気候への影響の評価。

　　（ full-transient or 平衡長期実験 with 海洋混合層）

●将来予測

　・ SRES全シナリオ実験 for 対流圏オゾン・メタン・硫酸エアロゾル　　（１０年おき time-slice 、 emission 変化および温暖化の影響）　　（ K1 実験への入力としても）　・エアロゾル＋オゾン変動による気候影響： K2 の真骨頂の一部。

　　（化学・エアロゾル結合予測の効果は？）

Hystorical ozone trendHystorical ozone trend

ModeledModeled

2. 成層圏物質輸送過程の検証

• CCSR/NIES 大気大循環モデルにおける輸送過程を定量的に検証しておくことは、今後の数値実験のために重要である :– 大気汚染物質およびそれによる気候変動の将来予測実験の信頼性

を高める .

– 成層圏－対流圏物質交換を評価する .

– 成層圏水蒸気トレンド、およびそれによって引き起こされる成層圏メタンおよびオゾンの影響を評価する .

• CCSR/NIES 大気大循環モデルにおける成層圏気隗の年代分布を、パッシブトレーサを流すことによって推定する。

パッシブトレーサを用いた輸送場検証実験のモデル設定

CCSR/NIES AGCM 5.7b (Rev.2003/08/23) を基に、一部拡張 :

• 水平解像度： t42 (2.8 度 )

• 鉛直解像度： 67 層 ( 高度 80km 程度まで )

• 移流スキーム : Flux Form Semi-Langrangean + monotonic PPM with steepening [Lin and Rood,1996]

• zonal mean semi-implicit

• Rayleigh摩擦 : 大気上端で 1日の時定数• パッシブトレーサ

– Rn222: WCRP [Jacob et al. , 1997]

– SF6: fitted by a quadratic curve for 1980s [Maiss and Levin, 1994]

– Age-of-Air: [Lin and Williamson, 2000]

– Age Spectrum: δ(t,t0) at the equatorial ground level

• 地球シミュレータを用いて１０年積分 (8members’ ensemble)

さまざまな緯度帯 高度域における ･ CCSR/NIES 大循環モデルでの Age spectrum

赤道域 中緯度域 南北高緯度域

Mean time rag from surface estimated by the age spectrum

モデル全般の傾向として、熱帯－中緯度の濃度勾配が小さい(Sub-tropical barrier が弱い？ )

下部成層圏における二酸化炭素観測値からの推定年代との比較

黒点は高度 19ｋｍにおける二酸化炭素観測値からの

推定年代（ Boering et al. [1996] ） .

Eluszkiewicz et al. [2000]

アンサンブル実験の初期値依存性は高々 0.5 年程度 .

高度 19km におけるスペクトルの幅はおよそ１年 .

モデル

2. まとめ

– Age spectrum および SF6 を用いる事によって :• 成層圏の年代を推定する際、アンサンブル実験の各々の差は

それほど大きくない（成層圏年代の初期値依存性は大きくない） .

• 各々のパッシブトレーサを用いて成層圏年代を推定することができ、下部成層圏での各々の値はほぼ一致する .

• CCSR/NIES 大気大循環モデルを用いて推定された成層圏年代は、二酸化炭素の観測値から推定された成層圏年代よりもとくに中緯度から高緯度にかけての領域で若い年代を示した。

– CCSR/NIES 大循環モデルの推定値は GFDL SKYHI 大循環モデルの non-monotonic Lin-Rood 移流スキームを用いた結果とほぼ一致する (CCSR/NIES 大気大循環モデルの移流スキームは monotonic Lin-Rood).

• 下部成層圏での熱帯ー中緯度の濃度勾配が観測からの推定値に比較して小さい .

– モデルの熱帯下部成層圏での低温バイアスがこの領域における鉛直輸送に影響を与えている可能性がある (低温バイアス自体はモデルの放射スキームに由来 ).

今後の課題 今後の課題

① CHASER-SPRINTARS （化学・エアロゾル結合気候モデル）の完成　→　チューニング　（平成１６年度前半）

② Hybrid 座標系＋新放射コードの導入　→　輸送過程の再評価

③ CHASER-SPRINTARS 　の統合モデル KISSME への移植（平成１６年度前半）

④ CHASERへの成層圏化学反応の追加 （平成１６年度開始）

⑤ 将来予測実験 (K1 モデルへの input)(ES-L 系 )

⑥ オゾン・エアロゾルが気候に及ぼす影響についての平衡（長期）実験（ ES-L 系 )

対流圏・成層圏化学結合気候モデルの構築対流圏・成層圏化学結合気候モデルの構築