Transcript 化学結合モデルについて (takigawa_03.01.16 4701KB)

化学結合モデルについて
地球フロンティア研究システム
滝川雅之
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
目次
1. 大気におけるオゾンの役割について
2. 大気化学モデルの現状と目標
a. 対流圏モデル
b. 成層圏モデル
c. 統合モデル
3. 開発課題
a. 化学モデルとしての課題
b. 結合モデルとしての課題
4. その他
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
1. オゾンの役割
• 長波冷却・短波加熱の双方に影響
– とくに成層圏の温度分布に決定的な役割を持つ
→オゾンホールなどは力学との相互作用が重要
– 有害紫外線の地上への到達を防ぐ
→「体に良い」イメージ？
→成層圏オゾンは減少してほしくない
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
オゾン変動の力学的･化学的要因
WMO,1986
成層圏オゾン分布には、化学的要因と力学的要因の双方が寄与している
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
力学的影響の例 (2002年の南極オゾンホール)
9/19
9/23
10/21
11/11
極渦が二つに割れる
片方のみ生き残る
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
気象庁報道資料
力学的影響の例 (2002年の南極オゾンホール)
気象庁報道資料
2002年の南極オゾンホールは、近年まれに見る小ささだった
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
1. オゾンの役割（２）
• 人体に有害
– 吸入で毒性を示す。皮膚、眼、上部呼吸系、粘膜に対する強い刺激性
あり。吸入の動物実験で催新生物性物質である。低濃度では安全な水
の殺菌剤。空気中の０．０１５ｐｐｍ濃度で検出可能な程度の臭いをもつ。
１ｐｐｍ濃度で不快な硫黄様の臭気を生じ、頭痛、眼、上部呼吸器に対
し刺激を与える可能性がある。曝露が止めば症状は消える。工業的曝
露による全身的作用は報告されていない。オゾンは普通の空気の不純
物である。中枢神経系に影響を与える。ＯＳＨＡＰＥＬ：ＴＷＡ０．２ｍｇ／
ｍ３、ＤＦＧＭＡＫ：０．１ｐｐｍ（０．２ｍｇ／ｍ３）
→北京などでは地表でも100ppbvを超えるときがある。
→対流圏オゾンはあまり増えてほしくない。
• 人為起源NOxなどにより、対流圏オゾンは増加傾向
→放射強制力への影響
→環境への影響
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
対流圏オゾン
人為起源物質により、
対流圏オゾン濃度は
増加傾向にある。
Volz and Kley, 1988
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
放射強制力
IPCC 2001
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
オゾン変動の地表気温への影響
カラム数密度10DU相当の変化を与えた場合
その場のオゾン量を10%増加した場合
Forster and Shine (1997)
上部対流圏から下部成層圏でのオゾン変動を正確に評価することが重要
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
温暖化・大気組成変動相互作用概念図
CO
CO2
NMHCs
O3
NOx
HOx
CH4
H2O2
H2O
SO2
sulfate
温暖化・大気組成変動相互作用には HOx (OH) が重要
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
CH4 sink (TgCH4/yr)
Soil
30
Tropospheric OH
506
Stratospheric loss
40
Total
576
成層圏での水蒸気量は、極域での PSC およびオゾンホールに影響大
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
NOx source (TgN/yr)
Fossil fule
33.0
Aircraft
0.7
Bimass burning
7.1
Soils
5.6
Lightning
5.0
Stratosphere
<0.5
Total
51.9
循環場が変わると雷による NOx 生成も変化する？
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
2. CCSR/NIES化学結合モデル
秋吉
鉛直一次元モデル
Br系化合物
高橋
オゾンQBO
Ox(Chapman反応)
滝川
Cl系化合物、硫酸エアロゾル
永島
成層圏
PSC(極成層圏雲)
黒川
対流圏
対流圏モデル
CHASER
須藤
1996
2003/01/16
1997
1998
共生第二課題連絡会議
1999
2000
2001
2a. 対流圏光化学モデル(CHASER)の現状
水平解像度: T21(5.6度)/T42(2.8度)
鉛直分解能: 32層(大気上端は高度35km程度)
移流スキーム: Flux-Form Semi-Lagrangian [Lin and Rood,
1996]
放射スキーム: DOM+k-distribution [Nakajima et al., 1996]
化学スキーム: 高度20km程度までの光化学反応を考慮
[Sudo et al. 2001]
化学種: 51種類
気相反応: 94種類
光解離反応: 24種類
液相反応: 4種類
不均一反応: 1種類
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
主な対流圏化学モデル
• オフラインモデル
–
–
–
–
–
–
–
IMAGES [Mullar and Brasseur, 1995]
MOZART [Brasseur et al., 1998] : T42L25
MOZART2 [Horowitz et al., 2002] : 2.8°×2.8°34層
FRSGC-UCI CTM [Wild and Prather, 2000] : 8°×10°9層
GEOS-CHEM [Bey et al., 2001]: 1°×1°～4°×5°, 20～70層
MATCH-MPI [von Kohlman, 2001]: T21/T63, 28～52層
TOMCAT [Law et al., 1998] : 2.8°×2.8°34層
• オンラインモデル
– ECHAM4+CBM4 [Roelofs and Lelieveld, 2000] : T30L19, T63L19
– GISS GCM2’ [Mickley et al., 1999] : 4°×5°9層
– CHASER [Sudo et al., 2002a,b] : T21L32/T42L32
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
ENSO・大気組成変動相互作用
Tropospheric Column Ozone Change (1997-1996)
ENSO による赤道域対流圏カラムオゾン変動は、循環場の
変動でほぼ説明できる（残りはバイオマス燃焼？）。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
Sudo et al. (2001)
汚染気体の大陸間輸送
黄、緑、赤はそれぞれ一酸化炭素、NOy、二酸化硫黄の等
濃度面。地表の青－赤は地表オゾン濃度を示す。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
フロンティア報道資料
2b. 成層圏光化学モデルの現状
•
•
•
•
水平解像度: T21/T42
鉛直解像度: 30層～67層 (大気上端は高度80km程度)
Ox-HOx-NOx-ClOx(-BrOx) の反応系を考慮
主な研究例
–
–
–
–
–
–
2003/01/16
オゾンホール将来予測 [Nagashima et al., 2002]
ピナツボ火山噴火 [滝川, 2000]
成層圏硫黄循環 [Takigawa et al., 2003]
nudging-CTM によるオゾンホール実験 [Akiyoshi et al., 2002]
オゾンQBO [Nagashima et al, 1998]
火山噴火の QBO への影響 [蜷川, 2001]
共生第二課題連絡会議
ピナツボ火山噴火実験
三次元オンラインエアロゾルモデルでの研究例は Kirchner et al., 1999, Timmreck et
al., 1999 などがあるが、化学過程までをオンライン計算した例はない (二次元では
Tie et al., 1994)。
以下の三例の実験を行った。各々は８例のアンサンブル実験。
R ad iativ e
E ffect
C h em ical
E ffect
S u rface
E m issio n
E rup tion
E n sem b le
m em b er
EXP1
○
○
88 T gS /yr
0 Tg
8
EXP2
○
×
8 8 T gS /yr
17 T g
8
EXP3
○
○
88 T gS /yr
17 T g
8
EXP1は平穏時の成層圏、EXP2はオンラインエアロゾル・オフライン化学モデル、
EXP3はオンライン化学・オンラインエアロゾルモデルによる火山噴火実験にそれぞ
れ対応。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
火山噴火と成層圏温度変化
モデル
オンライン
衛星観測
オフライン
滝川,2000
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
Randel et al., 1995
エアロゾルだけでは、温度上昇を
過大評価してしまう。
火山噴火と成層圏オゾン分布変化
モデル
衛星観測
オンライン
オフライン
滝川,2000
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
Randel et al., 1995
エアロゾル表面での不均一反応
が、全球的なオゾン減少を引き
起こす
火山噴火による成層圏温度変化速度の変化
オンライン
オゾン減少によって、全球的な
長波冷却、短波加熱率が長期間に
わたって変化する。
オフライン
硫酸エアロゾルによる短波加熱は、
噴火後半年程度しかインパクトを与えない。
滝川,2000
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
オゾンホール将来予測実験
三次元オンライン化学モデルでの研究例は Shindel et al. [1998], Austin et al., [2001],
Dameris et al. [1998], Schnadt et al. [2001] など。
これまではパラメタライズした化学過程と結合したモデルを使った研究例が多かった
が、最近になって full-chemistry と結合したモデルを使った研究例が出つつある。
ただし、温室効果気体による気候変化とカラムオゾン量の回復時期について、まだモ
デル間でのばらつきがあり、はっきりと結論が出ているわけではない。
Nagashima et al. [2002]
化学結合 CCSR/NIES AGCM を用いて 65 年積分。
CTRL: 温室効果気体(CO2,CH4,N2O,CFC)濃度変化+SST(CGCMによる)
NCS: 温室効果気体の変動のみ (CO2は固定)。
CTRL と NCS との差から、温暖化による気候変動がオゾン変動に与える影響が評
価できる
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
温室効果気体濃度トレンド
Nagashima et al., 2002
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
オゾンホール将来予測（南半球）
カラムオゾン
赤線: GHG+CO2+SST
青線: GHG
●: 衛星観測(TOMS) 9/20-10/10
●: 衛星観測(TOMS)-30DU 10/20-11/10
気温
赤線: GHG+CO2+SST
青線: GHG
●: NCEP-10K 9/20-10/10
●: NCEP-20K 10/20-11/10
2000-2010年ごろに塩素化合物の量が
最大になり、それ以後は南極オゾンホー
ルは回復基調になると予想される。
Nagashima et al., 2002
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
オゾンホール将来予測（北半球）
カラムオゾン
赤線: GHG+CO2+SST
青線: GHG
●: 衛星観測(TOMS) 3/1-3/20
気温
赤線: GHG+CO2+SST
青線: GHG
●: NCEP-10K 3/1-3/20
力学的な要因で南北輸送量が減少するが
200DUを切るような顕著なオゾンホールは
北極域では現れていない。
Nagashima et al., 2002
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
ピナツボ火山噴火とQBO
シンガポールで観測された東西風 (Marquardt, 1994)。
ピナツボ火山噴火によって生成されたエアロゾルによる下部成層圏の温暖化によって
上昇流が起こり、東風フェーズの下方伝播が止まった可能性がある。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
ピナツボ火山噴火とQBO
t21l67の水平･鉛直分解能を持つ化学
結合モデルを用いて、ピナツボエアロ
ゾルあり･なしの二種類の数値実験を
行ったところ、QBOフェーズの一ヶ月程
度の遅れが見られた。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
ピナツボ火山噴火と上昇流
噴火後、赤道域下部成層圏で鉛直流の増加が見られた。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
2c. 本グループの目標
• 光化学結合大気大循環モデル（CCSR/NIES AGCM + 成層圏・対流圏光化
学モデル）の開発
• 高分解能モデルを用いた成層圏・対流圏物質循環の定量的評価
–
–
–
–
成層圏・対流圏物質交換
赤道域下部成層圏・上部対流圏での水蒸気トレンド
成層圏準２年振動とピナツボ火山噴火の相互作用
成層圏・対流圏オゾントレンド
• 光化学結合大気大循環モデルを用いた将来予測
– オゾンホール将来予測
– 成層圏・対流圏オゾンによる大気上端・大気下端での放射強制力
– 対流圏OHトレンド
→オゾン破壊、硫酸エアロゾル生成に影響大
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
成層圏･対流圏物質交換
Izana でのオゾン鉛直プロファイルの季節変化
Boulder でのオゾン鉛直プロファイルの季節変化
Kentarchos et al., 2001
低解像度モデル(T30L19,実線)と高解像度モデル(T63L19,点線)とで、成層圏
からのオゾン流入量が変化することによりオゾン分布が改善される。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
成層圏･対流圏物質交換
Kentarchos et al., 2001
低解像度モデル(T30L19)と高解像度モデル(T63L19)とで、成層圏からのオゾ
ン流入量が 10-50% 程度変化する (cut-off cyclone の再現性などが変わるた
め)。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
成層圏水蒸気トレンド
熱帯対流圏界面の温度変化、および
メタン濃度の変化などにより、成層圏
水蒸気量は近年増加傾向にある。
→観測によって増加量はまちまちだが、
PSC生成、ひいてはオゾン破壊に多大な
影響がある。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
Rosenlof et al., 2001
成層圏水蒸気トレンドとオゾンホール
水蒸気トレンドを考慮するか否か
で、成層圏オゾンは 5%程度の差
が生じる可能性がある。
Shindell, 2002
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
対流圏OHトレンド
Prinn et al., 2001
単調に増加している、もしくは減少しているという研究例もあり、
まだ結論は出ていない。
→メタンなどの光化学的寿命に影響大
→エアロゾル生成にも影響大
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
対流圏OHトレンドとメタン
温暖化の影響で積雲対流や水蒸
気分布が変化
→将来のOH分布も変化
→メタン濃度も変化
→温暖化予測に影響
Sudo (preriminary result)
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
雷NOx生成
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
Sudo (preriminary result)
全体概念図
radiation
cloud distribution
radiation
Climate
(CCSR/NIES AGCM 5.7)
transport
SST
Aerosol
(SPRINTARS)
mineral
transport
production
heterogeneous reaction
Sea Salt
DMS
Ocean
(an NPZD-type model)
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
dust, OC
Chemistry
(CHASER)
CO2
Land SurfaceNMHCs
(MATSIRO,Sym-CYCLE)
開発スケジュール
（渡辺）
成層圏力学場の検証
適切な鉛直解像度、
モデルトップ高度の決定
永島
成層圏化学スキーム
の改良
高解像度成層圏化学モデル
でのオゾンホール実験
滝川
Rn, SF6 などを用いた
移流スキームの検証
CHASERへの成層圏化学
過程の取り込み
222
須藤
CHASER(対流圏光化学モデル)
の改良
２年目
2003/01/16
３年目
共生第二課題連絡会議
SPRINTERSとの
結合
４年目
3a. 化学モデル開発時に予想される課題
• 水平、鉛直分解能の設定
– モデルトップはどのあたりの高度に置くべきか？
– １度x１度、鉛直層間隔500m程度での計算が可能か？
– 現状(t42l32)のCHASERが14hr/年程度の計算パフォーマンス(SX6,8PE)
→統合モデルでは化学種を減らす必要がある？
• 多トレーサー時の計算パフォーマンスの改善
– 移流スキーム(5.6/5.7でほぼ対応済み)
– 積雲対流スキーム(5.7で対応済)
• 各種スキームの検証
–
–
–
–
–
2003/01/16
放射スキーム (200nm以下の波長域の取り扱い)
移流スキーム
化学スキーム
積雲対流スキーム
etc.
共生第二課題連絡会議
現在の CHASER の計算効率
t42l32, 8PE on NIES SX6
0.00E+00
1.00E+04
2.00E+04
3.00E+04
4.00E+04
5.00E+04
力学
積雲対流
大規模凝結
放射
地表面
鉛直拡散
重力波抵抗
乾燥対流調節
雷NOx生成
液相反応
気相反応
湿性沈着
秒/モデル年
対流圏化学過程のみで t42l32, 8PE で 13.7時間/モデル年程度。
→シミュレータで t106l57 80PE に換算して 40モデル年/月程度？
重いのは輸送過程、気相反応過程。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
須藤, private com.
3b. 結合モデル開発時に予想される課題
• 結合時のデザイン
–
–
–
–
どういうデータをどこの過程とやり取りするのか？
カプラーを管理するのは誰？
オンライン・オフラインの切り替えが簡単にできたほうが望ましい
リスタートファイルに取っておくべき変数は？
• アウトプットデータ形式の不統一
– 大気モデルはGTOOL3形式
– その他のモデルは4バイト実数の直接書き出し (endianは？)
• アウトプットファイルのサイズが巨大
– netCDFまたはGRIB形式に統一すべきではないか。
– 2バイト整数への圧縮後にデータ加工を繰り返すと丸め誤差が不安？
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
データ形式
可搬性
圧縮性
可視化
4バイト実数
×
×
？
GTOOL3
○
△
○
GRIB
○
◎
◎
netCDF
○
○
◎
GTOOL4
○
○
○
GRIB2
○
？
？
HDF
？
？
○
ES 上で libnetCDF のコンパイルができれば、可搬性/将来性は
netCDF が優れていると思われる。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
4. 地球シミュレータの利用について
• シミュレータ棟３階のユーザ共用室に机５台分のスペースを確
保。
– 高額物件は入札等あるが、今年度中に間に合うのか？
• ES-net端末５台（ジョブ投入用）
• ES-LANサーバ１台
– linux, 8MB RAM, 10TB RAID disk
• ES-LAN端末５台（データ解析用）
• フロンティアLANサーバ１台
– Sun Fire280, 4MB RAM, 7TB RAID disk
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
ネットワーク構成
ES-LAN
地球シミュレータ
ES-LAN 端末
ES-net
外部
ES-net サーバ
ファイアウォール
ES-net 端末
フロンティア研究棟
松野共生サーバ
ファイアウォール
2003/01/16
共生第二課題連絡会議
机上端末
デ
ー
タ
転
送
の
み
（
フ
ェ
リ
ー
シ
ス
テ
ム
）
4. その他
• 本年度の出張費はほとんど使われていないようなの
で、皆さん積極的に海外出張に行きましょう。
2003/01/16
共生第二課題連絡会議