Transcript Chemistry and aerosol modeling in the Kyousei-2

08 Dec. 2004: 連絡会議
Chemistry and aerosol modeling in the Kyousei-2
① CHASER-SPRINTARS のKISSMEへの導入
② IPCC-AR4 実験について
Kengo Sudo (FRCGC)
K2-Integrated Earth System Modelling at the FRCGC
Earth System Model: KISSME (being developed)
radiation
cloud distribution
transport
radiation
Climate
(CCSR/NIES AGCM 5.7)
SST
Aerosol
(SPRI
transport
production
heterogeneous reaction
Chemistry
(CHA
deposition
mineral Sea Salt
Ocean
(an NPZD-type model)
DMS
dust, OC
CO2
NMHCs
Land Surface
(MATSIRO,Sim-CYCLE)
Chemistry and aerosol simulations with CHASER and SPRINTARS
-- as a part of the Kyousei integrated earth system modelling --
Climate impacts & interactions
Ozone
OC
CH4
SO4--
BC
clouds
Chemical
Reaction
Soil Dust
Liq. Chem.
Sea Salt
neutralization
Surface
Sulfate and OC are coupled with the chemistry component in CHASER
Aerosol simulation in CHASER-SPRINTARS
Sulfate
(SO42- )
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 (SO42- 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.
CHASER-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 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。
Extention of KISSME/CHASER to the strato/meso-sphere
ozone
hole
Ozone
stratosphere
Chemical
Reaction
gravity
wave
Climate impacts & interactions
Br,Cl
Ozone
CH4
OC
SO4--
BC
clouds
Chemical
Reaction
Soil Dust
Liq. Chem.
neutralization
Surface
Sea Salt
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-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) ?
Chemistry and aerosol simulation with CHASER and SPRINTARS
Radiative forcing
from tropospheric ozone
(direct) radiative forcing
from elemental carbon
IPCC-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
; Photocomp
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
Scenarios: 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
I:
present
pre-ind
2
CTM/GCM
II:
pre-ind
pre-ind
1b
present
present
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
I:
present
future
3
CTM/GCM
II:
future
future
1
CTM/GCM
3b
present
present
future
3c
present
future
future
future
future
3d
future
present
future
future
future
pre-ind=1850, present=2000, future=2100
ハロゲン(Cl/Br)はEESCl として与える。
GCM
Global mean
N.H. mean
Net O3
S.H. mean
成層圏起源
300hPa
500hPa
Surface
① J(O3O1D)の増大
② 水蒸気増加
ネット成層圏-対流圏オゾン交換量の変化: 1970  2000
1970
ネット STE (O3)
542.2
1980
498.8
1990
469.2
2000
397.0
(Tg/yr)
-27%
① 成層圏オゾン量の減少
② 対流圏オゾン量の増加
世界の化学・気候結合モデル
Table.4 Atmospheric chemistry model corporatedin a climate model.
Organization
GCM
CTM
reference
UKMO
Cambridge Univ.
HadCM3,4
HadGEM1
UM
STOCHEM
Collins et al.
[1997,2002,2003];
Stevenson et al. [1998]
Cambridge Univ.
UM
(TOMCAT)
Zeng and Phyle [2003]
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
FRCGC/CCSR/NIES
CCSR/NIES
GCM (KISSME*)
Country
UK
Germany
Japan
Mickley et al. [1999]
CHASER
Sudo et al.[2002,2003]
* Integrated Earth system model. 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)
Scenarios: Experiment-2
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※
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
気候変動
夏季地表オゾン濃度 ( AOT40: 健康影響＋植物への影響 )
S1: base-line
S2: IIASA-2030
S3: 2030 (Max-Reduction)
S4: SRES-A2
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
GCM実験：
Emission+CC
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
485
486
518
449
534
525
624
O3 net STE (diagnostic)
Base IIASA IIASA SRES Base IIASA IIASA
line 2030 2030 -A2
line 2030 2030
Future simulations of ozone, methane,
aerosols with chemistry coupled climate model
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.
A1
Warming-induced
reduction
A2
B1
気候変動が成層圏/対流圏間オゾン交換 (STE)に与える影響
成層圏→対流圏への（ネット）オゾン流入量
Exp2: +climate change(温暖化)
Exp1
+83%
地表気温上昇(K)
Sudo et al. [2003]
Sudo et al. [2003]
ネットオゾン流入分布 (gO3/yr)
S1 2000
S5 2030