Chemistry and aerosol modeling in the Kyousei-2

Chemistry and aerosol modeling in the Kyousei-2

Kengo Sudo (FRCGC)

08 Dec. 2004: 連絡会議

① CHASER-SPRINTARS の KISSME への導入

② IPCC-AR4 実験について

① CHASER-SPRINTARS の KISSME への導入

② IPCC-AR4 実験について

Earth System Model: KISSME (being developed) Earth System Model: 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-Integrated Earth System Modelling at the FRCGC K2-Integrated Earth System Modelling at the FRCGC

deposition

CH4 Chemical Reaction

OzoneOC BC

Soil Dust Sea Salt

Surface

Climate impacts & interactions

SO4--

Chemistry and aerosol simulations with CHASER and SPRINTARS -- as a part of the Kyousei integrated earth system modelling --Chemistry and aerosol simulations with CHASER and SPRINTARS -- as a part of the Kyousei integrated earth system modelling --

Sulfate and OC are coupled with the chemistry component in CHASER

neutralizationLiq. Chem.

clouds

Aerosol simulation in CHASER-SPRINTARS Aerosol simulation in CHASER-SPRINTARS

Sulfate(SO4

2- )Chemical production by OH, O3, and H2O2 is calculated in the chemistry component of CHASER.(!) cloud pH is calculated as a function of ammonium (NH4

+) , dust(Ca2+, etc), nitrates, and sulfate concentrations

Nitrates(NO3

-)Aerosol thermoequilibrium model implemented in CHASER calculates sulfate-nitrate-ammonium (SO4

2-- NO3-

-NH4+) system in aerosol-phase.

Carbonaceous(EC/OC)

Basically based on SPRINTARS [Takemura et al., 2000] , but for SOA production which is calculated in CHASER.(e.g., Terpenes + O3 SOA)

Mineral dust Based on SPRINTARS [Takemura et al., 2002]Sea-Salt Based on SPRINtARS [Takemura et al., 2002]

(!) calculated aerosols concentrations are reflected on the radiation (incl. J-values), cloud/precipitation, and heterogeneous reactions in the model. (!) calculated aerosols concentrations are reflected on the radiation (incl. J-values), cloud/precipitation, and heterogeneous reactions in the model.

CHASER-SPRINTARS in KISSMECHASER-SPRINTARS in KISSME

① 基本的に Multitasking に対応 （要チェック）

② 一部 fortran95 に書き換え && small bug fixing

③ SIMCYCLE, SIMCYCLE+SPRINTARS,SIMCYCLE+CHASER,SIMCYCLE+CHASER+SPRINTARS全ての実験が可能。

④ CHASER 入り実験の際はトレーサー No. などを Config ファイルで一括管理。 (LTCO2, LTO3, LTCH4, … )

⑤ RESTART ファイルのトレーサー番号の管理： GAQ03 GAQCO2

⑥ 地表面過程deposition: MATUSIRO の R_ST 気孔抵抗を共用可能にした。課題：　植物起源 VOCs emission の on-line 計算　 E (PAR,LAI,NPP) 海洋起源 DMS emission の on-line 計算

CHASER-SPRINTARS in KISSMECHASER-SPRINTARS in KISSME

残りの作業：

① 鉛直 hybrid 座標化。

② 新放射コード導入：　 CHASER 用に変更必要。

③ ハロゲン（ Cl,Br) 化学反応の追加。

④ PSCs の導入。

CH4 Chemical Reaction

OzoneOC BC

Soil Dust Sea Salt

Surface

Climate impacts & interactions

SO4--

neutralizationLiq. Chem.

clouds

Extention of KISSME/CHASER to the strato/meso-sphereExtention of KISSME/CHASER to the strato/meso-sphere

Ozone

Chemical Reaction

gravitywave

stratosphereozonehole

Br,Cl

① CHASER-SPRINTARS の KISSME への導入

② IPCC-AR4 実験について

① CHASER-SPRINTARS の KISSME への導入

② IPCC-AR4 実験について

IPCC 第４次報告書実験化学 - 気候相互作用の解明・理解に向けて

IPCC 第４次報告書実験化学 - 気候相互作用の解明・理解に向けて

IPCC-AR4 (7-3) ：Atmospheric chemistry, air quality, and climate change.

→ 　対流圏・成層圏オゾン化学と気候変動との相互作用理解に着手しよ　　うとしている。 (1) 気候→化学： 気候変動のインパクトの見積もりに重点。　　 (2) 化学→気候：　放射強制力の見積もりに留まる。

「実際にオゾンおよびエアロゾルが気候（温度場、風速場、降水場など）にどう影響するか？」　っていう感じ？の研究が必要。( ＋植生とのインタラクション ) 次の次の報告書 (AR5) ?

Radiative forcing from tropospheric ozone

Radiative forcing from tropospheric ozone

(direct) radiative forcingfrom elemental carbon

(direct) radiative forcingfrom elemental carbon

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

IPCC-AR4 (7 章 ) のための実験： intercomparisonIPCC-AR4 (7 章 ) のための実験： intercomparison

① Experiment I : 　過去 (1850) → 現在 (2000) → 将来 (2100) 主眼＝気候変動・成層圏オゾン変動の影響 ※ data submission = O3,NOx,CO,OH,….,T

② Experiment II : 　現在 (2000) → 将来 (2030)　　　　主眼＝前駆気体 emission 変化＋気候変動　　※ より環境寄りの議論　　※ 将来に関してはこちらの方がもっともらしい・・・　　※ data submission = 〇一時間ごとの地表オゾン濃度 (AOT40) 〇 daily 対流圏カラムオゾン ( 放射強制力） 〇 (10:30LTC)NO2カラム量 (GOME 衛星比較）　　　　　　　　　　　　　　　 〇酸性物質 (S,N,O3)沈着分布 〇対流圏オゾンの全球収支　　　　　　　　　　　 　 〇 OH 濃度比較（メタン寿命） 〇各化学種濃度場

; Photocomp

Scenarios: Experiment-1Scenarios: Experiment-1

Number climate Cl/Br Ozone precursors

N2O CH4 priority models

1 pre-ind pre-ind pre-ind pre-ind pre-ind 1 GCM

1a present pre-ind present I: present present 2 CTM/GCM

II: pre-ind pre-ind

1b present present pre-ind I: present pre-ind 2 CTM/GCM

II: pre-ind pre-ind

1c present pre-ind pre-ind pre-ind pre-ind 1 CTM/GCM

2 present present present present present 1 CTM/GCM

3 future future future future future 1 GCM

3a present future present I: present present 3 CTM/GCM

II: future future

3b present present future I: present future 3 CTM/GCM

II: future future

3c present future future future future 1 CTM/GCM

3d future present future future future GCM

pre-ind=1850, present=2000, future=2100ハロゲン (Cl/Br) は EESCl として与える。

Global mean N.H. mean

300hPa

500hPa

Surface

Net 　 O3

成層圏起源

① J(O3O1D) の増大② 水蒸気増加① J(O3O1D) の増大② 水蒸気増加

S.H. mean

1970 1980 1990 2000

ネット STE (O3)

542.2 498.8 469.2 397.0

ネット成層圏 - 対流圏オゾン交換量の変化 : 1970 2000ネット成層圏 - 対流圏オゾン交換量の変化 : 1970 2000

(Tg/yr)

① 成層圏オゾン量の減少② 対流圏オゾン量の増加① 成層圏オゾン量の減少② 対流圏オゾン量の増加

-27%-27%

Table.4 Atmospheric chemistry model corporatedin a climate model.

CountryOrganization GCM CTM reference

UK UKMOCambridge Univ.

HadCM3,4HadGEM1UM

STOCHEM Collins et al. [1997,2002,2003];Stevenson et al. [1998]

Cambridge Univ. UM (TOMCAT) Zeng and Phyle [2003]

Germany MPI-Met ECAM(PRISM*)

MOZART Brasseur et al. [1998];Horowitz et al. [2003]

DLR ECAM E39C (CHEM)

Hein et al. [2001]

France LMD LMD-GCM INCA Hauglustein et al. [2003]

US NCAR CAM3-CCSM (WACCM)

MOZART Brasseur et al. [1998];Horowitz et al. [2003]

Harvard Univ.NASA

GISS GCM Mickley et al. [1999]

Japan FRCGC/CCSR/NIES CCSR/NIES GCM (KISSME*)

CHASER Sudo et al.[2002,2003]

* Integrated Earth system model.

世界の化学・気候結合モデル世界の化学・気候結合モデル

Experiment-II: UK, Norw, US の CTMグループも参加※ 日本からは FRCGC (CHASER and UCI モデル )

Sim. ID emissions Meteo. Description

S1 IIASA-BAU-2000 2000(1990s) Baseline

S2 IIASA-BAU-2030 2000 IIASA Business

S3 IIASA-MFR-2030 2000 IIASA Max. Feasible Reduction

S4 A2-2030 2000 SRES-A2

S5 IIASA-BAU-2030 2020s Climate Change※

Scenarios: Experiment-2Scenarios: Experiment-2

S1,S5: GCM 実験も行った。（基本的に Nudging CTM モード )※ HadCM3 の結合実験による SST と Sea-ice 分布を使用。GCM 実験： 9years run: 1995-2003 for S1 and 2025-2033 for S5.メタン濃度：各シナリオで fixed.

Emission 変化Emission 変化

気候変動気候変動

夏季地表オゾン濃度 ( AOT40: 健康影響＋植物への影響 ) 夏季地表オゾン濃度 ( AOT40: 健康影響＋植物への影響 )

S1: base-lineS1: base-line S2: IIASA-2030S2: IIASA-2030

S3: 2030 (Max-Reduction)S3: 2030 (Max-Reduction) S4: SRES-A2S4: SRES-A2

S1 S2 S3 S4 S1G S2G S5G

CH4 global loss (TgCH4/yr) 526 615 522 645 529 616 628

CH4 global loss: troposph. 524 612 519 641 527 614 626

CH4 chemical turnover (yr) 9.22 9.36 9.30 9.26 9.17 9.34 8.82

O3 chemical prod. (TgO3/yr) 5054 5364 4675 6103 5022 5333 5370

O3 chemical loss (TgO3/yr) 4590 4854 4320 5428 4607 4859 5016

O3 net prod. (TgO3/yr) 464 510 355 675 415 474 354

O3 SFC depo. (TgO3/yr) 949 996 873 1124 949 999 979

O3 net STE (TgO3/yr) 517 503 539 471 506 478 570

O3 net STE (diagnostic) 485 486 518 449 534 525 624

全球メタンおよび対流圏オゾンの収支 : Experiment-2全球メタンおよび対流圏オゾンの収支 : Experiment-2

CTM 実験： Emission 変化CTM 実験： Emission 変化

GCM 実験：Emission+CCGCM 実験：Emission+CC

Baseline

IIASA2030

IIASA2030

SRES-A2

Baseline

IIASA2030

IIASA2030

Simulations with the SRES scenarios ：Ex.) time evolution of global mean CH4

Simulations with the SRES scenarios ：Ex.) time evolution of global mean CH4

! different evolutions for different scenarios! in all cases, future warming reduces emission-induced CH4 increases with water vapor and temperature changes.

! different evolutions for different scenarios! in all cases, future warming reduces emission-induced CH4 increases with water vapor and temperature changes.

Future simulations of ozone, methane,aerosols with chemistry coupled climate model

A2

A1 B1

Warming-inducedreduction

成層圏→対流圏への（ネット）オゾン流入量

地表気温上昇 (K)

Exp2: +climate change( 温暖化 )

Exp1+83%

Sudo et al. [2003] 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 気候変動が成層圏 / 対流圏間オゾン交換 (STE) に与える影響

ネットオゾン流入分布　 (gO3/yr) ネットオゾン流入分布　 (gO3/yr)

S1 2000 S1 2000

S5 2030 S5 2030