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26-Oct 2005; 共生第２ 運営委員会
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
FRCGC Earth System Model:
radiation
cloud distribution
radiation
Climate
(CCSR/NIES AOGCM)
transport
transport
production
Aerosol
(SPRI
・heterogeneous reaction
・photolysis
SST
mineral Sea Salt
CO2
Ocean
(an NPZD-type model)
Chemistry
(CHA
DMS
deposition NMHCs
dust, OC CO2
Land Surface
(MATSIRO,Sim-CYCLE)
DGVM
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
統合モデル構築作業
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。
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)
植物起源
Aerosols (CCN) number density calculated by the K2 ES model
Altitude (km)
sulfate
seasalt
Organic Carbon
Optical thickness : aerosols (K2-ES model)
sulfate
carbonaceous
dust
seasalt
Chemistry and aerosol simulation with CHASER and SPRINTARS
Radiative forcing
from tropospheric ozone
Global mean = 0.48 W m-2
(direct) radiative forcing
from carbon aerosols
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。
CHASER化学過程の成層圏への拡張
+ 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-SPRINTARS 入り KISSME: 計算コスト
大気側(AGCM)解像度： T42L32
ES-L系 4ノード使用 (大気2 + 海洋2)
大気ノード時間の平均的な内訳。
1年積分の実行実時間 ＝ 4.5hr/yr
(平均ベクトル化率 97%)
大気ノード時間の試験段階内訳。
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 化学過程
その他
13%
ノード間通信
9%
大気側(AGCM)解像度： T42L80
ES-L系 4ノード使用 (大気2 + 海洋2)
13%
化学過程
42%
その他
35%
放射過程
8%
力学（輸送）
過程
28%
力学（輸送）
過程
33%
ノード間通信
7%
放射過程
12%
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（VOCｓ）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
Guenther et al. [1995]
F = De g
D: foliar density (kg dry matter m-2)
e : ecosystem dependent factor
(mgC kg-1 h-1 at PAR=1000, T=303.15K)
g : 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
Stevenson et al. [2005]: JGR
Gauss et al. [2005]: ACPD
Dentener et al [2005]: ACPD
AR-4のドラフトでの引用：
Sudo et al [2001]: GRL
Sudo et al [2002a,b]: JGR
Sudo et al [2003]: GRL
26-Oct 2005; 共生第２ 運営委員会
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）
化学生成
A. CHASER_CTM
B. CHASER_GCM
C. FRSGC/UCI
・・・・・
Mean
±σ
IPCC TAR
消滅
沈着
成層圏オゾン 総量
寿命
P
5042
5032
5135
L
4594
4620
4733
B:O3
331
333
331
t:O3
21.8
21.8
21.4
t:CH4
8.42
8.37
7.61
5056
±571
3420
4561 1014 519
343
±722 ±219 ±195 ±42
3470 770
770
300
22.4
±2.0
24
8.72
±1.30
8.4
D
948
948
907
STE
501
536
505
Stevenson et al. [2005]
IPCC-AR4実験：モデルアンサンブルの中での位置づけ
 対流圏オゾンの放射強制力分布
Gauss et al. [2005]
対流圏／成層圏オゾンの放射強制力
CHASER
Exp-1
Zonal mean O3 changes: preindustrial(R1)  present(R2) IPCC-AR4:
Exp-1
Preind(R1)present(R2)
Due to emission change R2-R1b
Due to stratosph. O3 change R2-R1a
Due to climate change R1c-R1
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）
26-Oct 2005; 共生第２ 運営委員会
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）
A2
A1
温暖化による影響％（東西平均オゾン）
より厳密な議論：
ハロゲン化学をきっちり導入する必要
B1
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
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）
対流圏オゾン全球総量(TgO3)の時間発展
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
温暖化
硫酸塩エアロゾル全球総量(TgS)の時間発展
① 
水蒸気・温度上昇  OH増加など  メタン寿命減少
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
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
温暖化・大気組成変化相互作用：
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・・・
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
全球120km格子
 全球12km格子
– 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12km格子
 局所的1.2km格子
Preliminary Results
wind shear
北緯3度での断面
青色：雲水量、赤色：雨水量
現在、デバッグの最終段階
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
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