〔解

説〕

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：

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（エアロゾル；気候変動；放射強制力；気候モデル)

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究―2013年度日本気象学会賞受賞記念講演―

竹

村 俊

彦

１．はじめにと感じております．なお，本稿はこれまでの研究を網

この度は，日本気象学会賞を授与され，大変光栄に羅的に紹介するため，もし興味をお持ちになられた事存じますとともに，これまでの私の研究活動を支えて項がありましたら，当該参考文献をお読み頂ければとくださったすべての方々，そして共同研究をさせて頂

思います．

いたすべての方々に，深く感謝致します．これまでに数々の著名な先生方が受けられた賞を私にも授けられ

２．エアロゾルの気候に対する影響

ることとなり，身の引き締まる思いであります．今後

私の研究を紹介する前に，まずエアロゾルの気候にも一層精進して，大変微力ながら，気象学および日本

対する影響について，定性的な解説をさせて頂きま

気象学会の発展に貢献できればと考えております．

す．エアロゾルとは，固体や液体の微粒子が大気中に本稿では，2013年度春季大会での受賞記念講演の内浮遊している系のことを指します．ちなみに，気象庁

容を土台として，これまでに私が進めてきた研究や，ではエーロゾルと表記しますが，それ以外の気象研究

共同研究者の皆様による発展研究について解説させてコミュニティーや気象分野以外では，エアロゾルと表頂きます．その前に，2002年に気象学会山本・正野論記することが多いようです（岩坂 2012）．その系を構文賞を授与されたときの原稿を読み返してみました

成しているエアロゾル粒子は，おおよそ１nm から（竹村 2003）．当時は，私が中心となり開発してきた

100μm と幅広い粒径を持っています．ただし，体積

全球エアロゾル気候モデル SPRINTARS（Spectral

粒径分布（体積を基準にした粒径の頻度分布）は時間

Radiation‑Transport M odel for Aerosol Species）

や場所には依存 し ま す が，お お よ そ 半 径0.1μm との骨格が出来上がってきた頃でした．対流圏主要エア

２μm 前後にピークを持つ対数正規分布が２つ合わ

ロゾル粒子の地球全体の輸送過程と，大気大循環モデ

さったような形が典型的です．対流圏に存在する主要

ルの放射過程との結合により，エアロゾル直接効果放エアロゾル粒子としては，硫酸塩・有機物・黒色炭素

射強制力の計算ができるところまで進んでいました．

・硝酸塩・鉱物（土壌）・海塩などが挙げられます．

放射強制力とは，当該気候強制因子の変化に伴う太陽エアロゾル粒子は，一般的には，健康影響や視程悪放射・地球放射の収支変化のことです（中島・竹村

化を引き起こす大気汚染物質として認識されていると

2009）．その後，11年が経過しましたが，振り返ると，思います．しかし，この文章の読者であればご存知のSPRINTARS の構 築 と い う 研 究 の メ イ ン ス ト リー

とおり，エアロゾルは，その輸送過程が気象と密接に

ム，SPRINTARS を 用 い た 応 用 的 な 研 究，そ し て関係があるほか，気候変動を引き起こす効果を持って様々な共同研究と，着実に歩みを進めることができた

います．エアロゾルは，気候変動を定量的に評価した
り予測したりする際に，鍵となる要素の１つであることが知られています．私が Lead Author（主執筆者）

九州大学応用力学研究所．

の１人として活動した，気候変動に関する政府間パネ

toshi＠riam.kyushu‑u.ac.jpⒸ 2014 日本気象学会
2014年９月―2014年４月28日受領―

ル（IPCC）第１作業部会（WGI）第５次評価報告書―2014年６月16日受理―（AR5）（IPCC 2013）では，その効果を「エアロゾル
・放射相互作用」と「エアロゾル・雲相互作用」の２
3

760

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

つに大別しています．

ようです．

「エアロゾル・放射相互作用」は，エアロゾルが放氷雲は，過冷却状態の雲粒に氷晶核が付着したり入射を散乱したり吸収したりすることにより，放射収支

り込んだりすることにより，氷晶が生成されて存在しが変わることを指します．地球大気では，太陽放射とています．また，氷晶核上で水蒸気が昇華することに地球放射の散乱・吸収が対象となります．硫酸塩・多よっても生成されます．温度が低い上部対流圏では過くの有機物・硝酸塩・海塩などの透明あるいは白っぽ

冷却雲粒が自発的に凍結できますが（均質凍結），よいエアロゾル粒子は，太陽放射を散乱する効果が大き

り温度が高い下部対流圏では氷晶核の存在により氷晶

いため，それらの濃度が上昇すると，正味として地球が生成されます（不均質凍結）．したがって，氷晶核

大気に入射する太陽放射が減少することになります．

の存在量により水雲と氷雲の混合雲内での両者の存在

一方，黒色炭素などの濃色のエアロゾル粒子は，太陽比率が変わると，氷雲の方が水雲よりも成長が速いの放射を散乱もしますが，吸収する効果の方が大きいたで，雲量が変わると考えられています．これらの過程

め，それらの濃度が上昇すると，正味として地球大気により，地球大気の放射収支が変わる可能性がありまに入射する太陽放射が増加することになります．それ

す．一般的に氷雲は，太陽放射を散乱するよりも，地らの結果，地球大気の放射収支が変わり，気候変動を

球放射を吸収する効果の方が大きいと指摘されていま引き起こすと考えられます．これを「エアロゾル直接

す．氷晶核になるエアロゾル粒子は，基本的には疎水効果」ともいいます．

性の組成を持つものであると考えられています．

「エアロゾル・放射相互作用」には，付随的な効果

エアロゾルが気候に及ぼす影響として，「エアロゾもあります．黒色炭素などの濃色のエアロゾル粒子がル・放射相互作用」にも「エアロゾル・雲相互作用」

増加すると，太陽放射を吸収することにより，その周にも分類されていない効果もあります．例えば，黒色

辺大気が暖まります．すると，大気の安定度が変わっ

炭素が雪氷上に沈着すると，雪氷が汚れてアルベドがたり，飽和水蒸気圧が増加したりして，雲量が変化

下がり，また，その結果として雪氷が太陽放射を吸収し，放射収支が変わる可能性があります．これを「エしやすくなり，雪氷が融解して地表面が表出して，やアロゾル準直接効果」ともいいます．

はりアルベドが下がります．その結果，正味として入

もう１つの「エアロゾル・雲相互作用」は，その名射する太陽放射量が増加します．

称のとおり，エアロゾル粒子が雲の凝結核や氷晶核に以上のような様々な過程を通したエアロゾルの気候なることを通した効果です．
「エアロゾル間接効果」

に対する影響を定量的に評価するために，数値モデル

ともいいます．まず，水雲の場合を考えてみると，一の構築を進めてきました．

般的に水雲は，地球放射を吸収する効果よりも，太陽放射を散乱する効果の方が大きいと考えられていま

３．全球エアロゾル気候モデルの開発

す．雲粒は，水蒸気が凝結核で凝結することにより生

3.1 開発の背景成されます．仮に，水雲の質量（雲水量）は変化せず

私が大学院に入学した1990年代後半は，地球観測衛に，凝結核となるエアロゾル粒子が増加するとしま星搭載の受動型センサ で あ る ア メ リ カ 海 洋 大 気 局

す．その結果，雲粒のサイズが小さくなり，太陽放射（NOAA）の AVHRR（Advanced Very High Reso-の散乱が強まります（これを「第１種エアロゾル間接

lution Radiometer）などから得られるデータを用い効果」ともいいます）．また，雲粒のサイズが小さくて，エアロゾル粒子の全球分布が把握できるようになると，それが成長して雨滴になるまでの時間が掛なってきた時代でした（Higurashi et al. 2000）．まかってしまい，雲量が増加し，やはり太陽放射の散乱

た，アメリカ航空宇宙局（NASA）のゴダード宇宙が強まる可能性があると考えられています（これを飛行センター（GSFC）の研究グループにより，受動「第２種エアロゾル間接効果」ともいいます）．これら

型センサを用いたエア ロ ゾ ル の 地 上 観 測 網 で あ るのエアロゾルと水雲の相互作用の過程により，地球大

AERONET（Aerosol Robotic Network）の展開が気の放射収支が変わります．凝結核になるエアロゾル

本 格 化 し 始 め た 頃 で も あ り ま し た（Holben et al.

粒子は，基本的に親水性の組成を持つものです．疎水

2001）．これらのデータにより，広域的なエアロゾル

性のエアロゾル粒子が，何らかの原因で親水性の物質

分布を把握できるようになりましたが，これらリモー

によりコーティングされた場合も，凝結核となり得る

トセンシングのデータからエアロゾルの組成を分類す

4〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

761

ることは困難でした．また，当時は，特定の組成のみ

心として開発されている全球大気海洋モデル MIROCを扱った全球エアロゾル輸送モデルはいくつか存在し（Watanabe et al. 2010）と結合する形で開発を進めていました（e.g.,Langner and Rodhe 1991；Liousseてきました．陽に取り扱うトレーサーは，対流圏主要．これらのモデルは，限られた地上観測
et al. 1996）

エアロゾルである硫酸塩・有機物・黒色炭素・鉱物・のサンプリングデータなどを用いて，計算結果の検証

海塩と，硫酸塩の前駆気体である二酸化硫黄・硫化ジを行っていました．

メチルです．これらエアロゾル粒子や前駆気体の一連

そこで，リモートセンシングにより得られる広域的なエアロゾル分布を検証材料として利用できるようの輸送過程（発生・移流・拡散・硫黄化学反応・沈着）を計算します．

に，対流圏に存在する主要エアロゾル粒子の輸送過程

鉱物・海塩・硫化ジメチルといった自然起源のエアを同時に計算できるモデルの開発を開始しました．まロゾル粒子および前駆気体の発生量・発生場所は，数た，輸送過程だけではなく，地球規模の気候変動に対値モデル内部のパラメータを用いたパラメタリゼー

するエアロゾルの効果を定量的に評価できるモデルにションにより，タイムステップごとに計算します．例

することを目標としました．私が大学院修士課程の学

えば，海塩発生量は海面10m 風速に依存し，鉱物は生として，東京大学気候システム研究センター（現

乾燥・半乾燥・耕作地帯での地上10m 風速・土壌水

在：大気海洋研究所）に入学した時，同じ研究室で日分量・積雪量・葉面積指数の関数にしています．一

本学術振興会特別研究員の博士研究員として在籍して方，人為起源のエアロゾル粒子および前駆気体の発生いた岡本創さん（現在：九州大学応用力学研究所）

量・発生場所は，既存の排出量インベントリのデータと，大学院生であった丸山祥宏さんが，鉱物粒子の輸ベースを用います．主に化石燃料消費に関する排出量

送モデリングを開始していました（岡本 2014）．私インベントリの代表例として，GEIA（Global Emis-

は，指導教員である中島映至教授（現在：大気海洋研

sions Initiative），EDGAR（Emissions Database for

究所）と相談の結果，有機物および黒色炭素エアロゾ，ア ジ ア 域 で はGlobal Atmospheric Research）

ルの輸送モデリングから始めることになりました．そREAS（Regional Emission Inventory in Asia）などの後，岡本さんは異動，丸山さんは卒業し，実働部隊があります．また，時空間変動の大きい森林火災・焼は私１人となりましたが，さらに，硫酸塩および海塩き畑起源の物質については，地球観測衛星搭載センサ

エアロゾルの輸送・化学過程も開発して，対流圏主要に よ り 検 出 さ れ た ホット ス ポット か ら 推 定 さ れ た

エアロゾルを同時に計算するための基本的なプログラ

GFED（Global Fire Emissions Database）などのミングを，修士課程で完成させることができました．

データベースが存在します．その他，木材燃料消費起

その後，博士課程で，エアロゾル・放射相互作用と初源や，有機エアロゾルが関わる特有の発生源（植物か期型のエアロゾル・雲相互作用のモデリング，九州大らの前駆気体発生など）も考慮されています．火山起学応用力学研究所へ助手として赴任後は，エアロゾル・源についても，既存のインベントリを用います．後に雲相互作用の高度化に取り組みました．

少し触れる様々なモデル相互比較プロジェクトでは，

3.2 輸送過程

これらのインベントリをベースとして，独自の編集を

全球エアロゾル気候モデルの開発の経緯を述べたと行い，プロジェクト内の統一インベントリとすること

ころで，そのモデルの概要を説明します．モデルの名があります．

称 SPRINTARS は，著者が中学から大学まで陸上競

移流スキームは，M IROC の水蒸気やエアロゾル粒

技の短距離の選手（sprinter）だったことにちなみ，子などの大気微量成分の移流を表現するために，故・趣味の１つであるジョギングの最中に思いつき，2002

沼口

年頃に名付けました．最後のS は，多くの方々のグランジュ（semi‑Lagrangian）法のスキームを用い貢献によりモデルが開発されていることを示したいとています．沼口さんは，M IROC 自体の基礎を築いて思い，複数形の意味を持たせるために付けました．

くださった方であり，私が大学院在籍時に，同じ東京

sprinters とは綴りが１文字異なることで，インター

大学気候システム研究センターの教員でした．硫黄のネットでの検索などで紛れ込むこともありません．

化学反応は陽に計算しており，酸化剤である OH ラ

SPRINTARS は，東京大学大気海洋研究所気候シス

ジカル・H O ・O の３次元分布は，M IROC と結合

テム研究系／国立環境研究所／海洋研究開発機構を中している対流圏化学気候モデル CHASER（Sudo et2014年９月

敦さんに作成頂いたフラックス形式のセミ・ラ

5

762

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

al. 2002）からの出力を使用しています．沈着過程でロゾル・放射相互作用を計算できるモデルの開発を次は，上 層 か ら 落 下 し て く る 雨 滴 と の 衝 突（washに進めました．これは，SPRINTARS を M IROC のout）や，雲粒の成長による降水に伴う雲粒内のエア

大気放射過程と結合することにより実現させました．

ロゾル粒子の大気中からの除去（rain out）といった

M IROC の大気放射過程は，中島先生が中心となり開湿性沈着，乱流や重力沈降により地表面に落下する乾発された discrete ordinate/adding（離散座標/加算）

性沈着について，モデル内で計算します．

法の two‑stream（２流近似）コード（Nakajima et

空間分解能は MIROC 側の設定ですが，経度方向

al. 2000）が ベース で す．こ れ に，SPRINTARS では等間隔で離散化されており，緯度方向は不等間隔の扱っているエアロゾルの組成ごとの単位体積あたりのガウス格子です．物質輸送モデルの計算には時間が掛消散係数・散乱係数・非等方因子を波長ごとにあらか

かり，かつメモリも多く必要であるため，研究開始当

じめ計算し，その数値を入力します．その際，前述の初の1990年代後半には，水平分解能は T21（東西おエアロゾル光学的厚さの計算のときと同様に，過去のよび全切断波数21，緯度経度約5.6度）でした．その研究を参照して，エアロゾル組成ごとの粒径分布・吸後の計算機能力の向上に伴い，現在では，ある程度の湿成長・波長依存の複素屈折率を仮定します．また，

時間積分が必要である気候変動研究では，T42（同約

現在のところ，エアロゾル粒子は球形であると仮定2.8度）
・T85（同約1.4度）
・T106（同約1.1度）が標準

し，有機物・黒色炭素以外は，異なる組成の粒子内で的な分解能となっています．後述のエアロゾル週間予の混合(内部混合)はないと設定しています．有機物・測システムでは，T213（同約0.56度）を実用化して黒色炭素が同じ発生源を持つ場合，化石燃料起源の黒いるため，研究開始当初より空間分解能は１桁向上し色炭素50％質量分を除いて，それらが内部混合していていることになります．鉛直分解能やタイムステップ

ると仮定しています．光学特性を計算する際に，内部は，水平分解能や研究目的に適した設定にします．

混合や水との混合については，均質混合を仮定していモデル内でのエアロゾル粒子および前駆気体に関すます．

る予報変数は，水蒸気と同様に，気温や気圧が変化し以上の構築を行い，かつ，輸送過程で計算された各ても，周囲の空気と混合しなければ保存する量であるエアロゾルの時空間分布を大気放射スキームへ引き渡

質量混合比です．観測データによる比較・検証に用いすことにより，太陽放射および地球放射全体にわたるる物理量（質量濃度・光学的厚さなど）は，質量混合エアロゾルの効果をオンラインで計算できるようにな

比からタイムステップごとに診断的に計算します．前

りました．SPRINATRS の大気放射過程との結合に述した広域分布が把握できるリモートセンシングを用

ついては，Takemura et al.（2002a）に開発直後のいた観測データからは，エアロゾルの光学特性が得ら記述があり，その後，改良が加えられています．

れるため，それを比較・検証材料として利用するため

3.4 エアロゾル・雲相互作用には，モデル側でもエアロゾル光学特性を診断する必エ ア ロ ゾ ル・雲 相 互 作 用 は，SPRINTARS を

要があります．その際には，エアロゾル組成ごとの粒

M IROC の雲・降水過程および大気放射過程と結合し径分布・吸湿成長・特定波長の複素屈折率を仮定してて表現します．最初は，水雲に対するエアロゾル・雲

計算します．一般的には，エアロゾルの光学的厚さの相互作用のパラメタリゼーションを導入しました．開ほか，１次散乱アルベドや，エアロゾル粒径の指標で発当初は，親水性のエアロゾル数濃度に対して一意にあるオングストローム指数を検証材料として利用しま

雲粒数濃度が決まるという，観測研究から経験的に導す．

かれた簡略版パラメタリゼーションを導入しました．その後，Kohler 理論に基SPRINTARS の輸送過程の開発については，Ta- （Takemura et al. 2003）
kemura et al.（2000）に記述があり，その後の改良づいたパラメタリゼーションを導入して，雲粒数濃度については，Takemura et al.（2002a, 2005, 2009），

を 計 算 す る よ う に し ま し た（Takemura et al.

Goto et al.（2011）に順次記載しています．

2005）．これは，いわゆる曲率効果と溶質効果が含ま

3.3 エアロゾル・放射相互作用れるパラメタリゼーションであり，エアロゾル組成ご

前述のように，私の研究の第一目的は，当初からエとの特性が考慮されています．そして，雲粒数濃度とアロゾルによる気候変動の定量的評価でした．前節で予報変数である雲水量から，雲粒有効半径を診断しま述べたエアロゾルの輸送過程の開発を踏まえて，エアす．これにより，第１種間接効果と呼ばれている，エ6〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

763

アロゾル粒子の増減に伴う雲粒の散乱・吸収特性の変晶数濃度を用いて，氷雲の第１種・第２種間接効果を化を大気放射過程で表現しています．また，雲・降水計算できるようにしました．同時に，accretion（雪過程において，雲粒数 濃 度 に 依 存 し た autoconver-による氷 晶 の 捕 捉）や aggregation（氷 晶 同 士 の 衝

sion（雲粒から雨滴への成長）スキームを用いること突）による氷晶数濃度の変化を考慮し，氷晶数濃度をにより，第２種間接効果と呼ばれている，エアロゾル

予報変数としました．riming（雪による雲粒の捕捉）

粒子の増減に伴う雲水量と降水量の変化を表現してい過程も導入しました．

ます．autoconversion スキームはいくつか提唱されて い ま す が，現 在 の MIROC‑SPRINTARS で は，

４．気候モデルによるエアロゾルの気候変動評価

Berry（1967）のパラメタリゼーションを使用してい4.1 エアロゾルの全球分布

ます．エアロゾル・雲相互作用導入後，雲粒数濃度をエアロゾルの気候に対する影響をモデルにより定量

予報変数としました．そのために，accretion（雨滴的に評価するためには，エアロゾル分布が適切に表現

による雲粒の捕捉）による雲粒数濃度の変化も考慮すされていることが前提となります．前述のとおり，

るようにしました．

従来の１つの組成のみ扱うモデルの検証は，当該組成

その後しばらくして，氷晶核数濃度と温度のみの簡の地上でのサンプルから得られたデータとの比較が中略化されたパラメタリゼーションではあるものの，氷心となりますが，長期的な（少なくとも１年以上継続

雲に対するエアロゾル・雲相互作用を導入しました

さ れ る）サ ン プ ル は 限 ら れ て い ま す．一 方，（Takemura et al. 2009）．これにより計算された氷SPRINTARS は，対 流 圏 主 要 エ ア ロ ゾ ル を 同 時 に

第１図

SPRINTARS により標準的な設定で計算されたエアロゾル光学的厚さの季節平均分布．a)12−２月，b)３−５月，c)６−８月，d)９−11月．

2014年９月

7764

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

扱っているため，地球観測衛星や地上からのリモートにより，北半球冬季の北緯10度付近の極大は，この季センシングによる比較的均質な観測データを用いて，節の森林火災起源エアロゾルを考慮すれば再現できる

地上サンプルを得ることが困難な地域を含めた地球規ことを見出しました．

模での検証ができます．

ただし，地球観測衛星から得られたエアロゾル光学

第１図には，標準的な現在気候の設定によるエアロ

的厚さをモデルの検証材料として利用する場合に，注

ゾル分布のシミュレーション結果を示しています．東意しなければならない点があります．Kaufman et al.

アジア・南アジア・ヨーロッパ・北アメリカでは，年（2005）は，エアロゾル光学的厚さについて，NASA

間を通して化石燃料起源のエアロゾル粒子が多く存在の 地 球 観 測 衛 星 M ODIS（Moderate Resolution

しています．また，森林火災や焼き畑により，毎年乾Imaging Spectroradiometer）か ら 得 ら れ た データ

季にエアロゾル粒子が多くなる地域があり，アフリカと，SPRINTARS を含めた複数のモデルによる計算

中部とインドシナ半島の北半球冬季，アフリカ南部と結果とを比較し，M ODIS からの値の方が系統的に大南アメリカの南半球冬〜春季，シベリアの北半球春

きいことを示しました．一方，M ODIS から得られた

季，熱帯アジアの北半球秋季がそれに該当します．サ

小粒子のみのエアロゾル光学的厚さと，モデルによる

ハラ砂漠・中東・アジア内陸部では，砂漠起源の鉱物

人為起源エアロゾルのみの光学的厚さは良い一致をみ粒子が多く，南アメリカ（アタカマ砂漠），アフリカていることから，衛星観測データを解析する際に，鉱南部（カラハリ砂漠），オーストラリアからも時々鉱物や海塩といった自然起源の大粒子と雲粒とを混同す

物粒子が舞い上がります．南北両半球の緯度50度付近

る場合があることを指摘しています．

の海上の低圧帯では，強風により海塩の存在量が他の緯度帯よりも多くなっています．

SPRINTARS と同様に，全球のエアロゾル分布をシミュレートするモデルは，現在では欧米を中心に多シミュレーション結果は，地球観測衛星および地上

く存在しています．エアロゾル分布は時空間変動が大観測網 AERONET によるエアロゾル光学特性（光学

きいため，モデルによる計算結果のばらつきが大きく的厚さ・オングストローム指数・１次散乱アルベド）なりがちです．そこで，全球エアロゾルモデルの結果

や，組成ごとの地表濃度観測との比較により，定量的を相互に比較し，かつ，様々な観測データと統括的にに妥当であることが確認されました（Takemura et

比 較 す る プ ロ ジェク ト AeroCom（Aerosol Model．自然起源の１次粒子であるal. 2000, 2001, 2002a）

Intercomparison）が2003年に活動を開始しました．

鉱物や海塩は大粒子であり，自然起源の２次粒子や人

AeroCom では，モデル間の結果のばらつきの程度の為起源は小粒子であること，また，黒色炭素や鉱物は把握や，ばらつきの原因の調査のために，これまでに他のエアロゾル粒子と比較すると放射吸収性が強いこ

様々な実験を提案し，その統一設定に基づいて，各参とから，光学的厚さだけではなく，オングストローム

画 モ デ ル が 計 算 を 行って き ま し た．SPRINTARS

指数と１次散乱アルベドも同時に比較すると，各エア

は，アジアから唯一，AeroCom の活動当初から参画

ロゾル組成の存在比率も間接的に検証していることにしています．AeroCom による全球エアロゾル分布のなります．

相互比較については，Kinne et al.（2006），Koch et

Takemura et al.（2000）では，SPRINTARS 輸
送過程の開発と検証のほかに，重要なことを指摘して，Textor et al.（2006）などに詳細があり
al.（2009）
ます．

います．低緯度の大西洋上のエアロゾル光学的厚さ

4.2 エアロゾルの放射強制力

は，北半球夏季では北緯20度付近が極大である一方，

SPRINTARS によるエアロゾル・放射相互作用の北半球冬季は北緯10度付近に極大があることが，地球放射強制力の計算のうち，直接効果については，Ta-観測衛星のデータから知られていました．これをサハ

kemura et al.（2002a）で最初に評価し，その後，

ラ砂漠起源の鉱物粒子のみで説明しようとすると，サTakemura et al.（2005）で再評価しました．大気上ヘル地帯での大規模な人為的砂漠化を考えなければな

端あるいは対流圏界面において，硫酸塩・有機物・硝りません（Tegen and Fung 1995）．その結果，IPCC

酸塩・海塩などは負の直接効果放射強制力，黒色炭素

第３次評価報告書では，人為起源鉱物粒子の放射強制は正の直接効果放射強制力を持ちます．鉱物粒子につ力を過大評価してしまう結果となり ま し た（IPCC

いては，主に酸化鉄の含有率に放射吸収特性が左右さ2001）．し か し，SPRINTARS の シ ミュレーション

れ，直接効果放射強制力は正にも負にもなり得ます．

8〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

765

一方，どのような光学特性を持つエアロゾル粒子で為起源黒色炭素が境界層内に集中しやすいアジア域であっても，太陽放射は減衰して地表面へ到達するのは，エアロゾル準直接効果により大気が不安定化しで，地表面の直接効果放射強制力は負の値となりまて，雲水量が増加する傾向となることを示しました．

す．以下では，対流圏界面での放射強制力について述

一方，アフリカや中南米で森林火災・焼き畑起源の黒べます．第２図 a には，推定された産業革命時のエ色炭素が多い地域・季節では，火災による対流によ

アロゾルおよび前駆気体の発生量を基準とした場合

り，自由対流圏まで黒色炭素が輸送されるため，大気の，現在のエアロゾル・放射相互作用の放射強制力のが安定化して雲水量が減少する傾向となることも示し計算結果を示します．これを見ると，化石燃料消費にました．黒色炭素による準直接効果の放射強制力は，よる大規模な発生源を持つアジア・ヨーロッパ・アメ

全球・年平均値では＋0.06Wm と評価されました

リカや，森林火災や焼き畑による大規模な発生源を持が，黒色炭素の時空間分布は偏りが大きいため，地域

つアフリカ・南アメリカ・東南アジアで絶対値が大き

気候に影響を与え得る効果となる場合もあることを示

くなります．雲が存在しない晴天大気を仮定した場

唆しました．

合，ほとんどの地域で人為起源エアロゾルの直接効果

SPRINTARS によるエアロゾル・雲相互作用の評

放射強制力は負の値となります．一方，通常の雲分布

価は，水雲に対して Takemura et al.（2005）で行いの場合は，北太平洋で正の直接効果放射強制力となるました．Kohler 理論に基づいたパラメタリゼーショ

ことがあります．これは，低層雲内もしくは低層雲よンを導入することにより，雲粒有効半径について，地りも上層に，太陽放射を強く吸収する黒色炭素のよう球観測衛星 M ODIS のデータから得られた全球分布となエアロゾル粒子が存在すると，放射吸収が強化さ

定量的整合性を取ることができるようになりました．

れ，硫酸塩などの負の強制力を上回ることがあるため

ま た，雲 放 射 強 制 力 は Earth Radiation Budget

です（Takemura et al.2002a）．SPRINTARS では，Experiment（ERBE）の 観 測 データ と，降 水 量 は人為起源エアロゾルによる直接効果放射強制力の全球

Global Precipitation Climatology Project（GPCP）

・年平均値は，−0.1Wm と評価されました（Ta-の観測データと比較を行い，シミュレーションの妥当．
このうち，黒色炭素は＋0.4Wm
kemura et al.2005）

性を確認しました．それらを踏まえて，人為起源のエと評価されました．

アロゾル・雲相互作用による放射強制力は，全球・年

また，エアロゾル・放射相互作用のうち，準直接効

平均で−0.9Wm と計算されました．うち，第１種果については，エアロゾルの輸送過程と放射過程とを間接効果は−0.5Wm と評価しました．人為起源の結合した時点で計算に含まれていますが，独立して評

エアロゾル・雲相互作用についても，エアロゾル・放価したのが Takemura and Uchida（2011）です．人

射相互作用と同様に，人為起源エアロゾルが多い地域

第２図

産業革命時を推定したエアロゾルおよび前駆気体の発生量を基準とした場合の MIROC‑SPRINTARSにより計算された現在のエアロゾル有効放射強制力の年平均分布．a) エアロゾル・放射相互作用，b) エアロゾル・雲相互作用．

2014年９月

9766

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

で絶対値が大きくなりますが，雲量が多く，相対的にアロゾルが現在よりも大きく減少することが予測さエアロゾル粒子が少ない海上の方が，より感度が高く

れ，エアロゾル・放射相互作用とエアロゾル・雲相互なります．したがって，人為起源エアロゾルが輸送さ作用両者の負の放射強制力がゼロに近づくと評価しま

れる風下側の海上でも，放射強制力が大きくなる傾向

した．したがって，大気汚染対策が進み，エアロゾルにあります（第２図 b）．なお，人為起源のエアロゾ

粒子が減少してくると，長寿命の温室効果気体による

ル・雲相互作用を評価する際には，エアロゾルの排出

地球放射エネルギー過多の状態がより顕著になること

量インベントリを現在および産業革命時にする２つのを示唆しています．また，自然起源エアロゾル分布の実験の差を解析することになります．これらの実験で将来予測も行い，温暖化に伴い，鉱物粒子は乾燥域では，海面温度や海氷については同一のデータを与えてのさらなる乾燥化により，海塩粒子は北極海の海氷融いるため海のゆっくりとした応答は含まれませんが，解による海面表出により，いずれも発生量が増加する

エアロゾルの差に伴う早い応答の気候変化は含まれることが示されました．

ことになります．この方法により算出された放射強制以上の研究成果を記した私が筆頭著者の論文（Ta-

力を，IPCC AR5では新たに「有効放射強制力（effec-

kemura et al. 2000, 2002a, 2005, 2009；Takemura」と定義しました．
tive radiative forcing）

and Uchida 2011；Takemura 2012）は，IPCC

また，過去・現在・将来のエアロゾル分布につい

AR5（IPCC 2013）および第４次評価報告書（AR4）て，IPCC AR5で使用された排出量シナリオ Repre- （IPCC 2007）に引用され，IPCC による気候変動評価
sentative Concentration Pathways（RCPs）を用いに貢献しました．また，Takemura et al.（2006）にて，SPRINTARS に よ り 計 算 を 行 い ま し た（Ta-掲載した1850−2000年の気候強制因子ごとの放射強制．その結果，硫酸塩については，どのkemura 2012）

力の時系列を示した図（第３図）は，改訂版がそのまシナリオでも先進国地域ではすでに減少傾向にあり，

ま IPCC AR4（IPCC 2007；Figure 2.23）にも掲載さ途上国地域でも最も排出量の少ないシナリオの場合れました．この図は，主要気候強制因子の放射収支には，減少傾向に入りつつあることを示しました．一

対する役割の変遷を示したほか，人間活動による地表方，有機物や黒色炭素は，先進国でもはっきりとした面の放射収支は負であり，エアロゾルが最も寄与して減少傾向とはなっていないことも示しました．ただいることを明示しました．SPRINTARS が参画してし，いずれのシナリオでも，21世紀末には人為起源エいる AeroCom や ACCM IP（Atmospheric Chemis-

第３図

10

MIROC‑SPRINTARS により計算された主要気候強制因子による1850‑2000年の全球平均放射強制力．
a) 対流圏界面，b) 地表面．
〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

767

try and Climate M odel Intercomparison Project）にゾルの流出域であるアフリカ南部西岸では，エアロゾ

おいては，エアロゾル放射強制力のモデル間相互比較

ル間接効果が勝って雲水量の増加がみられました．一が行われました（Penner et al. 2006；Schulz et al.

方，その他の地域では，水循環の変動による効果の方

2006；M yhre et al.2013；Shindell et al.2013；Stierが大きく，雲水量が減少する場合もあることが示され．その結果は，IPCC AR4および AR5でet al. 2013）

ました．

重要な役割を果たしました．

Kawase et al.（2011）では，海洋大循環モデルを

4.3 エアロゾルによる気候変化

含む MIROC‑SPRINTARS を用いて，アフリカ南部

SPRINTARS は，M IROC が IPCC 第 ３ 次 評 価 報での20世紀中の降水変化について解析を行いました．

告 書（TAR）（IPCC 2001）へ 貢 献 し た 時 か ら，

モデルでは，赤道から南緯15度にかけて，観測でみら

MIROC のエアロゾル過程のモデルとして利用されてれる南半球夏の降水量の減少が再現されています．

きました．TAR の時は，エアロゾル質量混合比と数様々な設定による実験を行ったところ，その時期に赤濃度をオフラインで計算した後，MIROC の放射過程

道付近で顕著となる森林火災起源の黒色炭素エアロゾと雲・降水過程にそれらを入力し，エアロゾル光学特ルの増加にその理由があることが示唆されました．黒性のテーブルと，雲・エアロゾル相互作用の簡略版パ

色炭素の増加により，地上へ到達する太陽放射量が減

ラメタリゼーションおよび雲粒有効半径変化を導入し少して地上からの水蒸気蒸発量が減少したこと，まて，エアロゾルによる気象場の変化を計算しました．

た，大西洋上での上昇流強化による東西循環を介したAR4の時には，これをオンライン化し，AR5の時に熱帯アフリカ地域での下降流偏差が生じたことが，降は，さらに 雲・エ ア ロ ゾ ル 相 互 作 用 を Kohler 理 論

水量の減少につながるメカニズムであると推測しましベースのパラメタリゼーションで表現するようにしまた．

した．ただし，IPCC でのモデルによる気候変動評価

Quaas et al.（2009）は，エアロゾル光学的厚さのの ベース と な る CM IP（Coupled M odel Inter-

変化に対する様々な雲に関する物理量の変化についcomparison Project）のこれまでのプロトコルでは，て，AeroCom 参画モデルのうち，雲・エアロゾル相

エアロゾルの気候影響について可能な解析は限られて互作用を考慮しているモデルの結果を解析しました．

います．そこで，CMIP 以外の実験を別途行い，エア

地球観測衛星 M ODIS から得られたデータに対して

ロゾルによる気候変化をいくつか解析してきました．

も，同じ解析を適用したところ，多くの数値モデルで

例えば，Takemura et al.（2005）では，MIROC‑

は，エアロゾル光学的厚さの変化に対する雲粒数濃度

SPRINTARS を用いて，人為起源エアロゾルの放射や雲水総量の変化が，衛星観測と比較して過大である

強制力を算出したほかに，海洋混合層モデルを結合しことを見出しました．ただし，SPRINTARS は他のて，エアロゾル・放射相互作用および水雲に対するエモデルよりも感度が低く，MODIS データの解析結果

アロゾル・雲相互作用による気象要素の変化を解析しに近い傾向を示しました．

ました．この研究では，現在気候において，エアロゾ
ルの効果は，温室効果気体による地上気温上昇を全球

５．SPRINTARTS を用いた応用・発展研究

平均で約40％を抑えていること，その気温上昇の抑制

SPRINTARS は，エアロゾルの気候に対する影響

は，エアロゾル粒子が多い地域で効果が大きいことをを解析・評価することを第一目的として開発・利用さ示しました．また，エアロゾルの効果は，熱帯収束帯

れてきましたが，現在では様々な研究において利用さの位置を南に移動させることも示しました．

れたり拡張されたりしています．以下では，その主なTakemura et al.（2007）では，同様に海洋混合層例を紹介します．これら以外にも，SPRINTARS にモデル版の M IROC‑SPRINTARS を用いて，いわゆ

よる計算結果を提供した研究が多数なされています．

るエアロゾル間接効果（雲粒径と雲寿命の変化）によ

5.1 最終氷期極大期（LGM ）の鉱物粒子のシミュ

る雲・降水の変化と，エアロゾルの全般的な効果に伴

レーション

う水循環変動による雲・降水の変化との相対的な重要

氷床コアや海底堆積物などの解析から，氷期には間度について，大西洋領域に着目して解析しました．そ

氷期よりも大気中の鉱物粒子が多かったことが知られの結果，北アメリカ東海岸からの人為起源エアロゾルています．これをモデルで再現して，その主因を定量の流出域である北半球中緯度と，森林火災起源エアロ的に解明するために，最終氷期極大期（LGM ）の気2014年９月

11768

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

候 条 件 に お い て MIROC‑SPRINTARS を 用 い た シ

程では，例えば，海洋生態系との相互作用，鉱物粒子

ミュレーション を 行 い ま し た（Takemura et al.

に含まれる鉄の海洋への供給，海洋生態系からのエア

2009）．その結果，LGM 時には，現在気候と比較しロゾル前駆気体の発生などは，興味深いプロセスでて2.4倍程度の鉱物粒子の発生があり，その沈着量はす．今後，地球システムモデルを用いた研究や研究成

海底堆積物などのデータとおおよそ一致しました．現

果を目にする機会は，国際的に増加するでしょう．

在気候と比較した全球合計の鉱物粒子発生量増加分の5.3 全球雲解像モデルへの導入

うち，約６割は現在気候よりも風が強く，かつ降水量

これまで説明したとおり，SPRINTARS は，静力が少ないという気候条件，約４割は現在気候との植生

学方程式系の大気大循環モデルが使われているの相違が原因であるという結果を得ました．ただし，

M IROC と結合させる形で開発を進めてきました．最アジア内陸部では，植生の相違の方が原因として大き近 で は，非 静 力 学 方 程 式 系 の 全 球 雲 解 像 モ デ ル

いということを示唆しています．また，南極では他のNICAM （Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric

地域よりも沈着量が２〜４桁程度小さくはあるのです（Satoh et al. 2008）にも結合させる開発を
M odel）

が，モデルによるシミュレーション結果は，氷床コア進めており，研究成果が出始めています．Suzuki etから解析されたデータよりも過小評価傾向にありますal.（2008）では，雲粒有効半径と雲頂温度との関係ので，これを解明するのは今後の課題です．

について，NICAM ‑SPRINTARS の計算結果を地球

Takemura et al.（2009）では，現在と LGM との観測衛星のデータと比較し，地域ごとの特性を再現で鉱物粒子による放射強制力の差も算出しました．鉱物

きていることを示しました．つまり，清浄な大気で粒子は太陽放射を散乱する特性のほかに，太陽放射やは，雲底よりも雲頂に近いほど雲粒有効半径が大き地球放射を吸収する特性も持っています．そのため，

い，つまり雲粒が成長している一方，東アジアなどの散乱と吸収が相殺されて，エアロゾル・放射相互作用

エアロゾル粒子の多い地域では，雲粒が成長しにくい

では，現在気候と比較して対流圏界面では全球平均ことを，NICAM ‑SPRINTARS で再現できました．

で−0.01Wm にすぎない放射強制力であることを

これは，エアロゾルモデルと対流を陽に表現できる雲示しました．一方，雲・エアロゾル相互作用において解像モデルとが結合したことにより，表現可能となっは，現在気候よりも全球平均で−0.9Wm であるとた事象です．

いう結果でした．ただし，LGM 時の鉱物粒子の光学

NICAM ‑SPRINTARS，あ る い は CHASER と も特性や，鉱物粒子の氷晶核としての機能のモデル内で結合した NICAM ‑CHEM では，従来の大気大循環モの表現方法など，定量的に検討すべき課題が残っていデルよりも，エアロゾル・雲相互作用をより直接的にます．氷期の気候に鉱物粒子がどの程度寄与したのか表現できるほか，そもそも全球を水平分解能数 km でという疑問は，古気候分野でホットな話題の１つです

エアロゾルや微量気体の分布をシミュレートできるとので，今後も詳細な研究を進めていく必要があるでいう長所があります．ただし，そのためには当然大き

しょう．

なコンピュータのリソースが必要であり，今後のコン

5.2 地球システムモデル中の SPRINTARS

ピュータの発展を待たなければならない側面もありま

MIROC を ベース と し た 地 球 シ ス テ ム モ デ ル

す．NICAM では，領域を限定した設定や，ストレッ

M IROC ‑ESM の 開 発 が 進 め ら れ て い ま す

チ格子により着目したい領域のみを高分解能にする設（Watanabe etal. 2011）． M IROC と 同 様 に，定も可能であるため，それらの設定を活用すれば，現

MIROC‑ESM の エ ア ロ ゾ ル の コ ン ポーネ ン ト は

在でも様々な研究をすることが可能です．将来的に，

SPRINT ARS で す ． M IROC ‑ESM は ， CM IP

NICAM ‑CHEM は，エ ア ロ ゾ ル 分 布 の シ ミュレー

Phase5時 点 で の 仕 様 に お い て，す で に IPCC

ションや，エアロゾルの気候影響を評価するための主

AR5（IPCC 2013）にも貢献していま す．こ の 仕 様

要ツールとなるでしょう．

で，SPRINTARS と 前 述 の 対 流 圏 化 学 気 候 モ デ ル

5.4 データ同化手法の適用

CHASER とは結合しています．現在は，さらに各コ

気象予報や再解析データ作成などでは，データ同化

ンポーネント内の開発・改良を進めているほか，コンは一般的になっていますが，これをエアロゾルや微量

ポーネント間の相互作用について様々な過程を取り扱

気体の濃度に対しても適用しようという研究が活発化うように研究を進めています．エアロゾルに関わる過しています．SPRINTARS を用いた研究としては，

12〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

769

アンサンブルカルマンフィルタを適用して，エアロゾが深刻な地域であり，それに関わる研究の重要性は以ル地上観測網 AERONET から得られる光学的厚さと前から広く認識されてきました．その観点から，主にオングストローム指数のデータを同化するシステムがアジア域でのエアロゾル粒子の越境飛来について，開発されています（Schutgens et al. 2010）．その結SPRINTARS を用いた研究を行ってきました．Ta-

果は，地球観測衛星 MODIS や，日本の研究グループ

kemura et al.（2002b, 2003）では，2001年春季の人によりアジアを中心に世界各地に展開している地上観

為起源エアロゾル粒子と黄砂の長距離輸送現象につい

測網 SKYNET といった独立した観測データとの比て，風速・気温・比湿に対して再解析データを用いて較・検証を行い，エアロゾル光学的厚さに対するデー

ナッジングしながら，SPRINTARS による再現実験

タ同化の適用は，おおむね計算結果を改善する傾向にを行いました．その結果は，現場観測のサンプリング

あることを示しました．また，Yumimoto and Ta-

データや地球観測衛星から解析されたデータ，地上ラ

kemura（2011）では，アンサンブルカルマンフィル

イダー観測との比較により，おおむね良く再現されてタを用いて地球観測衛星 MODIS から得られたエアロいるという結果を得ることができました．また，東ア

ゾル光学 的 厚 さ の データ を SPRINTARS に 導 入 しジ ア の エ ア ロ ゾ ル の 統 合 的 研 究 で あった APEXて，期間限定ではあるものの，エアロゾル直接効果放（Asian Atmospheric Particle Environmental

射強制力の計算を行いました．独立した AERONET

Change Studies）で 行 わ れ た2000年12月 と2001年 ４による観測データと比較し，過小評価傾向にある同化

月の集中観測の解析にも，SPRINTARS が利用され前の光学的厚さは，同化後に全般的に改善されることました（Nakajima et al. 2003）．

を示しました．その結果，エアロゾル直接効果放射強その後，エアロゾルの鉛直分布を解析できるライ

制力は，同化前と比較して，太陽放射・地球放射とダーを 搭 載 し た 地 球 観 測 衛 星 CALIPSO（Cloud‑

も，絶対値が約80％増加するという結論を得ました．

Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite

さらに，Yumimoto and Takemura（2013）では，

Observations）から得られた2007年５月の黄砂の長SPRINTARS に４次元変分法を適用するシステムの距離輸送現象時のデータと，SPRINTARS によるシ開発がなされました．これにより，観測されたエアロ

ミュレーション結果とを比較したところ，黄砂の輸送

ゾル濃度の観測データから，逆計算を解くことによ

高度は両者で良く一致していることを確認しましたり，エアロゾル粒子の発生量を推定することが可能と（Eguchi et al. 2009）．また，Uno et al.（2009）でなります．

は，同じ2007年５月の黄砂イベントについて，タク

今後は，エアロゾルや微量気体に対するデータ同化

ラマカン砂漠起源の黄砂が高度８〜10km へ上昇し，手法のさらなる改良を必要とするほか，日本が開発主

13日 間 か け て 地 球 を １ 周 す る 現 象 を CALIPSO の体 で あ る GCOM ‑C，EarthCARE，GOSAT2，ひ ま

データ か ら 解 析 し ま し た．こ の 現 象 の 再 現 にわりといった地球観測衛星からのデータ，国立環境研

SPRINTARS で成功し，黄砂の輸送経路の解析に活究所の研究グループにより展開されている地上ライ用されました．

ダーによるエアロゾル観測のデータなどを，データ同

アジア域のエアロゾルに関する研究は，アジアを中化を介してモデルに適用することが期待されます．

心に数多くの研究者により世界各国で活発に行われてデータ同化は計算コストがかかりますが，気象・気候

います．その中で，SPRINTARS の結果を用いた共研究の主要ツールである観測とモデルとを直接結びつ

同研究も数多くなされてきました．今後も，アジアのける技術として，エアロゾルや微量気体の分野でも非大気汚染に関わる研究において，SPRINTARS が活常に重要な役割を担っていくと思われます．

用されると考えています．

5.5 アジア域の越境大気汚染と黄砂のシミュレーション

5.6 エアロゾル分布週間予測システムの開発
前節で紹介したとおり，SPRINTARS は全球モデ

前述の通り，SPRINTARS はエアロゾルの気候にルではあるものの，特定の領域，特にアジア域のエア

対する影響を全球で評価するという目的のために開発

ロゾル濃度の日々変動といったスケールの再現性も高を進めてきました．そのためにはエアロゾル分布を適いことが確認できていました．そこで，所属研究室の切に計算することが前提であり，それは地域規模でも上司である鵜野伊津志教授がすでに「化学天気予報」

同様です．現在のアジア域は，地球上で最も大気汚染システム CFORS（Uno et al. 2003）により，数日先

2014年９月

13770

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

までの東アジア域の黄砂と硫酸塩エアロゾルの予測を４段階で表示させています．エアロゾルの高濃度の状行っていたことを参考にさせて頂き，SPRINTARS

態を予測するという観点から，３時間平均値のなかのを用いた全球のエアロゾル週間予測システムの開発を

最大値を基準として４段階表示しています．なお，簡しました．竹村（2009）に説明がありますが，現在で易版では，モデル最下層と２層目（σ＝0.98）の平均はいくつか仕様が異なる点もあるため，ここで改めて質量濃度を利用しています．

予測システムの紹介をします．

隣国で以前から深刻となっていた PM 2.5による大化石燃料消費起源の有機物・黒色炭素・二酸化硫黄

気汚染について，隣国国内で2013年１月以降広く報道の排出量インベントリは，標準的なデータベースを用されたことをきっかけに，日本でも PM 2.5「騒動」

いており，現在は HTAP（Hemispheric Transport

が起きました．ご存知のとおり，日本への越境大気汚of Air Pollutants）の第２期実験用にコンパイルされ染は，西日本，特に九州地方で以前から影響を及ぼしたデータベースを使用しています．森林火災・焼き畑ていましたが（山口・竹村 2011），2013年以降の急速は時空間変動が大きいため，MODIS により検出されな社会的関心の高まりに伴い，SPRINTARS エアロ

るホットスポットのデータ FIRM S（Fire Informa-

ゾル週間予測の情報利用者が急増しました．現在でtion for Resource Management System）から，有機は，テレビや地方紙での気象情報の１つとして転載さ物・黒色炭素・二酸化硫黄に変換されたデータを使用れています．しかし，国民に広く利用される情報であし て い ま す．水 平 風 速 と 気 温 は，NOAA の Global

ることを考えると，このシステムを運用しているのがForecast System（GFS）のデータを用いてナッジン

実質的に私１人であるというのは，望ましい態勢ではグをかけています．また，海面水温も NOAA/GFSありません．国民にわかりやすい形で，高精度の予測のデータを使用しています．以上のデータを計算前に情報が公的機関から提供されるようになることが望ま取得してファイル形式等を変換し，計算日の約１日前

れます．

から８日分の積分を行い，計算後はホームページに掲載する図表を作成するという一連のプロセスを，毎日

5.7 福島第一原子力発電所事故に伴う大気中の放射性物質の輸送シミュレーション

定時に全自動で行っています．計算は現在のところ，2011年３月11日の東日本大震災に伴う福島第一原子

九州大学応用力学研究所のスーパーコンピュータを力発電所事故は，ヨウ素131・セシウム134・セシウム

使用しており，日本時間の毎日早朝に情報が更新さ

137などの放射性物質を大気中に放出する結果となりれます．現在運用中のシステムでは，水平分解能をました．これらの大気中での挙動については，気象学，鉛直分解能を20層としてT213（緯度経度約0.56度）

が対象としている領域の１つであることは明らかでいます．

す．しかし，研究コミュニティーでは，緊急時に学術計算結果の公開は，研究成果を発信するという目的的観点からの情報を各方面へ提供する態勢が整備されで，2007年から開始しました（http://sprintars.net/ておらず，事故直後には専門的知見を対策に活用する

2014.6.4閲覧）．研究成果の社会への還元という観点ことができませんでした．この点については議論を続から，気象や大気環境の専門家でなくても理解しやす

けていかなければなりませんが，少なくとも学術的観

い情報を発信するために，「簡易版」のホームページ

点からの事後検証を行い，その結果を公表することはを作成しました．このページでは，PM 2.5の主成分

重要です．そこで，SPRINTARS を用いて，福島第である硫酸塩・有機物・黒色炭素の「大気汚染粒子」

一原子力発電所から放出されるパッシブトレーサーにと，アジア域の鉱物エアロゾルである「黄砂」の２種

近い微粒子の長距離輸送シミュレーションを，事故直類に簡易的に分類し，それぞれのアジア域の週間予測後から行いました．ただし，当時は実験設定のための動画を閲覧することができます．英語の簡易版ページ

情報が非常に限定的であったため，放出量の時間変化には，これらの全球動画も併せて掲載しています．まを考慮せず，単位量のエアロゾルを放出し続けるといた，日本語の簡易版ページでは，閲覧者が一目で予測う設定で計算を行いました．つまり，世界各地へ到達

情報をチェックできるように，当日と翌日は６時間ごする輸送経路と，初期到達時の発生源近傍との相対量と，６日後までは１日ごとの「大気汚染粒子」と「黄を推測するための計算ということになります．

砂」の地上付近の濃度について，日本を12地域に分割計算の結果，放出開始から４日後の３月18日には，して，「非常に多い」「多い」「やや多い」「少ない」の

微粒子は太平洋を越えて米国西海岸に到達したもの

14〝天気" 61．9．

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究

771の，濃度は原発近傍の10 のオーダーまで低下したこ

また，地球システムモデルでの各コンポーネント間のとを示しました．その後，放出開始から６日後にはア

相互作用の精緻化は，非常に興味深い研究です．それイスランド周辺に達し，その後，ヨーロッパへ到達しにより，広範な分野間連携も一層促進されていくでたと計算されました．これらは，原発起源と考えられ

しょう．大気汚染の観点からは，輸送モデルにおい

る放射性物質が各地で検出されたタイミングと一致して，粒子成長過程を陽に取り扱うなどのエアロゾルのました．原発からは３月14−16日に大量の放射性物質

微物理特性の精緻化，日本全域あるいはアジア全域のが放出されたと推定されていますが，14−15日に東日

水平分解能数 km のエアロゾル濃度予測などは，社会本を通過した低気圧によって強い上昇気流がもたらさ的要請もあることから，取り組まなければならない課

れ，ジェット気流の高さにまで放射性物質が輸送され題でしょう．さらに，エアロゾルに対するデータ同化たと推測されます．なお，原発から福島県内の北西方手法の適用は，気候変動研究・大気汚染研究の両方に向への大量の放射性物質の沈着をもたらしたのも，ことって，また，地球観測衛星から得られるデータを最の低気圧による地表付近の南東風と降雨と考えられて大限活用するということからも，より実用的にしていいます．2011年３月中旬の日本付近は，寒気の張り出

かなければならないでしょう．そして，私自身のそもしが強く，日本上空の偏西風が特に強かったこと，まそもの研究目的である，気象場および気候変動に対すた，偏西風は，カリフォルニア上空から北米大陸・大るエアロゾルの具体的な影響については，まだ分から

西洋を経てアイスランド付近に軸があり，その軸にないことだらけです．取り組みたいこと，取り組まな

沿って原発から放出された物質を遠方に効果的に輸送ければならないことが沢山あります．共同研究して頂したことを計算結果は示しています．

ける多くの研究者の方々とともに，これらの課題を解

以 上 の SPRINTARS を 用 い た 計 算・解 析 の 結 果

決していければと考えております．

は，査読を経て，事故から２ヶ月後に日本気象学会のSOLA に受理，さらにその１ヶ月後に掲載されまし謝た（Takemura et al.2011a）．また，事故が起こった

私の研究活動は，非常に多くの方々の支えにより成辞国の学術界から世界へ向けてより広く情報を発信する

り立っております．東京大学の中島映至教授には，私という観点から，American Geophysical Union の学の大学院入学時の具体的な研究テーマ設定から始ま会 誌 EOS に も 記 事 を 投 稿・受 理 さ れ ま し た（Ta-り，現在まで様々な共同研究をさせて頂きました．九

kemura et al. 2011b）．可能な限り迅速に学術論文と

州大学の鵜野伊津志教授には，私の九州大学赴任以して公開できたと考えており，その後の学術界による来，共同研究をさせて頂いただけではなく，独立して領域モデルを用いた空間分解能の高いシミュレーショ

研究に集中できるように様々な配慮を頂いてきましンの実施・解析などに続く最初の道筋を作ることがでた．SPRINTARS の 駆 動 部 で あ る MIROC の 開 発きたと考えています．

は，故・沼口 敦先生，住 明正先生（国立環境研究所），木本昌秀教授（東京大学），野沢 徹教授（岡山６．今後の展開

大学），江守正多博士（国立環境研究所），渡部雅浩准最後に，エアロゾルのモデリング研究に関わる直近

教授（東京大学），須藤健悟准教授（名古屋大学），渡の課題について，これまでに挙げていて重複する点も邉真吾博士（海洋研究開発機構），小倉知夫博士（国ありますが，簡単に述べておきます．気候モデルにお立環境研究所），阿部彩子准教授（東京大学），他多く

いて大きな改良の余地が依然としてあり，かつモデルの方々の貢献によります．中島研究室の先輩・同輩・全体のパフォーマンスに大きく影響を及ぼす１つが，後輩である岡本

雲 ス キーム で す．autoconversion パ ラ メ タ リ ゼー

（東海大学），木村俊義博士（JAXA），日暮明子博士

ションの検証および改良，霧雨（ドリズル）の予報変（国立環境研究所），對馬洋子博士（UK Met Office），

数化と放射過程での陽的取り扱い，放射過程での氷晶

増永浩彦准教授（名古屋大学），河本和明教授（長崎の形状を考慮した取り扱いなど，エアロゾル・雲相互

大学），片桐秀一郎博士（東北大学），丸山祥宏氏，黒作用に関する課題は多岐に渡ります．これらは雲の微田俊介氏，鈴木健太郎博士（NASA JPL）
，関口美保

物理過程に関わることなので，静力学方程式系のモデ准教授（東京 海 洋 大 学）
，中 田 真 木 子 博 士（近 畿 大ルだけではなく，雲解像モデルでも共通の課題です．

学），五藤大輔博士（国立環境研究所），佐藤陽祐博士

2014年９月

創教授（九州大学）
，中島

孝教授

15

772

エアロゾルの気候影響に関するモデル研究（理化学研究所），他多くの方々とは，これまでに共同

Vande Castle, A. Setzer, B. M arkham, D. Clark, R.

研究をさせて頂いたり，様々な面でお互いに支え合っFrouin, R. Halthore, A. Karneli, N.T. Oʼ
Neill, C.
Pietras,R.T.Pinker,K.Voss and G.Zibordi,2001:Anて研究活動をしたりしてきました．大学院時に所属していた東京大学気候システム研究センターの教職員・先輩・同輩・後輩の方々，大学学部時代を過ごした東北大学の早坂忠裕教授・中澤高清教授・先輩・同輩の

emerging ground‑based aerosol climatology:Aerosol
optical depth from AERONET.J.Geophys.Res., 106,
12067‑12097.
IPCC, 2001:Climate Change 2001:The Scientific Basis.

方々には，研究活動初期の段階で，いろいろとお世話

Contribution of Working Group I to the Third Assess-になりました．現在の研究室の出身者である原由香

ment Report of the Intergovernmental Panel on Cli-

里博士（九州大学）・弓本桂也博士（気象研究所），他

mate Change, J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs,の方々や，現構成員の方々には，日々お世話になって

M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. M askell

おります．株式会社ウェザーマップの方々には，大学

and C.A. Johnson, Eds.,Cambridge University Press,

院時代に，気象は生活に密着した分野であるという感

Cambridge, United Kingdom and New York, NY,
USA, 881pp.

覚を身につけるきっかけを作って頂きました．故・Dr. Yoram J. Kaufman は，NASA Goddard Space
Flight Center（GSFC）で１年間私を受け入れてくだ

IPCC, 2007:Climate Change 2007:The Physical Science
Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth
Assessment Report of the Intergovernmental Panel

さり，貴重な共同研究や経験をさせて頂きました．現

on Climate Change,S.Solomon,D.Qin,M .Manning,

在の主要な国際共同研究の場である AeroCom を主導

Z.Chen,M .M arquis,K.B.Averyt,M .Tignor and H.

して頂いている Dr. M ichael Schulz (NorwegianL. Miller, Eds., Cambridge University Press, Cam-

Meteorological Institute)，Dr. Stefan Kinne (Maxbridge, United Kingdom and New York, NY, USA,996pp.

Planck Institute for M eteorology)，Dr. Mian Chin
(NASA GSFC)，他の方々，国内で共同研究をさせて頂いている杉本伸夫博士（国立環境研究所），青木

IPCC, 2013:Climate Change 2013:The Physical Science
Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth

一真教授（富山大学），他多くの方々にも謝意を表し

Assessment Report of the Intergovernmental Panelon Climate Change, T.F. Stocker, D. Qin, G.‑K.

ます．そして，家族と両親へ，ありがとうございま

Plattner, M . Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A.

す．

Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M . M idgley, Eds.,
参

考

文

献

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Modeling Studies on Aerosol‑Climate Interaction
Toshihiko TAKEMURA
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Fukuoka 816‑8580, Japan.
E‑mail:toshi＠riam.kyushu‑u.ac.jp(Received 28 April 2014;Accepted 16 June 2014)2014年９月

19