コンピュータで再現する
エアロゾルとその気候影響

名古屋大学大学院環境学研究科
松井 仁志
2022/9/3
第25回日本気象学会 中部支部 公開気象講座

名古屋大学 大学院環境学研究科 地球環境科学専攻 大気水圏科学系 気候科学講座

松井 仁志 (MATSUI Hitoshi)
Email: matsui (at) nagoya-u.jp
https://has.env.nagoya-u.ac.jp/~matsui/
専門分野：気候科学・大気化学
研究内容：エアロゾルを通した地球の気候・大気環境問題
最近のテーマ： エアロゾルモデルの開発
 ブラックカーボンの温暖化効果
 エアロゾルの半球・全球スケールの輸送・変動過程
 エアロゾルの雲・降水過程への影響
数値モデル計算例 (エアロゾル数濃度)

生成・変質排出除去

1エアロゾルとその気候影響の概要「エアロゾルは大気中にどれくらいあり、気候にどのような影響を与えるのか？」

2

エアロゾルのシミュレーションとは？
「エアロゾルをコンピュータでどのように扱うのか？扱う上で重要な要素は何か？」

3

エアロゾルのシミュレーション研究例の紹介「エアロゾルとその気候影響のシミュレーションはどのように進展してきているのか？」大気エアロゾル
大気中に浮遊する直径数nmから100µm程度の微粒子（液体・固体）
数濃度
質量濃度

(大)

(小)
粒子直径(µm)
硫酸塩、硝酸塩
有機エアロゾル、ブラックカーボン(BC)

人間活動
森林火災
(工業・交通など)

植生

火山

海塩

ダスト

海洋土壌

大気エアロゾル

海塩

火山灰

ブラックカーボン(すす、黒鉛)

ダスト

花粉

海塩

ブラックカーボン(https://earthobservatory.nasa.gov/features/Aerosols)大気エアロゾルとその気候影響
放射との相互作用

変質
気体成分

生成

放出
（人間活動、森林火災、土壌、火山、海洋、植生）

雲との相互作用

雲生成除去

除去

エアロゾルの放射・雲との相互作用
エアロゾル－放射相互作用
白いエアロゾル(無機・有機)黒いエアロゾル(ブラックカーボン)

エアロゾル－雲相互作用
反射率(+)

加熱

冷却

降水(+/-)
冷却

冷却

太陽光の反射や吸収による大気の冷却・加熱

雲粒子の生成による雲の特性・降水の変化

地球のエネルギー収支
太陽放射

地球放射

(IPCC 第4次報告書)

エアロゾルは、放射や雲などへの影響を通して、太陽からの放射（主に可視光）と地球からの放射（主に赤外光）のエネルギー収支に影響を及ぼす。

エアロゾルの放射・雲との相互作用
1750年から2019年までの放射収支の変化

気体分子

長寿命温室効果気体

エアロゾル

•

地球放射の散逸を抑制← 硫酸エアロゾル← 有機エアロゾル← ブラックカーボン← アンモニウム

エアロゾル－放射相互作用
エアロゾル－雲相互作用(IPCC 第6次報告書)

冷却加熱

白いエアロゾル（>90%）は冷却効果• 太陽光を反射• 雲の反射率増大

黒いエアロゾル（<10%）は温暖化効果• 太陽光を吸収• 雪氷の融解促進

エアロゾルとその気候・気象・環境影響
大気汚染・健康被害

放射との相互作用

気象場・循環場への影響
変質
気体成分

生成

放出
（人間活動、森林火災、土壌、火山、海洋、植生）

雲との相互作用

雲生成除去

除去

植生
植物プランクトン
生態系との相互作用(炭素循環など)

雪氷
雪氷の加熱・融解

大気中にエアロゾルはどれくらいあるのか？
人の髪(直径50～70µm)(粒径2.5µm以下)

1m
1 cm

(粒径10µm以下)

1 cm

1m

100個/cm3
海岸の細かい砂(粒径90µm)

108個/m3(1億個/m3)(https://www.epa.gov/pm-pollution/particulatematter-pm-basics を変更)

地球大気（対流圏）に存在するおおよそのエアロゾルの数
108 個 m-3 x 5x1014 m2 x 104 m = 5x1026 個
10兆 (1013) の10兆倍
地球大気のエアロゾル数
5x1026 個＞

スーパーコンピュータの計算速度
1018 回/秒＞

人間の細胞の数
4x1013 個＞

世界の人口
8x109 人

エアロゾルとその気候・気象・環境影響
大気汚染・健康被害

放射との相互作用

気象場・循環場への影響
変質
気体成分

生成放出
（人間活動、森林火災、土壌、火山、海洋、植生）

雲との相互作用

雲生成
除去

除去

植生
植物プランクトン
生態系との相互作用(炭素循環など)

雪氷
雪氷の加熱・融解

1

エアロゾルとその気候影響の概要「エアロゾルは大気中にどれくらいあり、気候にどのような影響を与えるのか？」

2

エアロゾルのシミュレーションとは？
「エアロゾルをコンピュータでどのように扱うのか？扱う上で重要な要素は何か？」

3

エアロゾルのシミュレーション研究例の紹介「エアロゾルとその気候影響のシミュレーションはどのように進展してきているのか？ 」

数値シミュレーション
シミュレーション （辞書を調べると・・・）• コンピュータなどを使用して模擬的に実験を行うこと。実験内容を数式模型によって組み立て、これをコンピュータ処理することによって実際の場合と同じ結果を得ようとするもの。
•

関心対象の現象を観測し、将来を予測する場合や、実物を作り実験する場合に対比して、現実の代替となるコンピュータ・モデルや模型を利用して、将来を説明し予測すること。

(https://weathernews.jp/s/topics/201809/280085)(https://www.data.jma.go.jp/env/kosa/fcst)

気候シミュレーションのイメージ(https://www.jma.go.jp/jma/kishou/books/hakusho/2020/index4.html)

時間
物理・化学法則を用いて、格子それぞれの気象要素（気温、気圧、風、雲、放射など）や物質の濃度（水蒸気、温室効果ガス、エアロゾルなど）などの時間変化を繰り返し計算する

気候シミュレーションの発展(https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-2.html)

大気海洋(Washington et al., 2009)

海氷

エアロゾル
植生
炭素循環

高層大気
大気化学
氷床
海洋生態系

(https://www.sciencedirect.com/topics/earthand-planetary-sciences/climate-models)

高解像度化や様々なプロセスの導入が進み、コンピュータ上に地球そのものを作るイメージのシミュレーションに発展してきた。

エアロゾルの数値シミュレーション(https://svs.gsfc.nasa.gov/4582)

大気エアロゾル
大気中に浮遊する直径数nmから100µm程度の微粒子（液体・固体）
数濃度
質量濃度

(大)

(小)
粒子直径(µm)
硫酸塩、硝酸塩
有機エアロゾル、ブラックカーボン(BC)

人間活動
森林火災
(工業・交通など)

植生

火山

海塩

ダスト

海洋

土壌

エアロゾルの粒子特性の重要性
質量濃度
数濃度

光学特性
（太陽・地球からの光をどれくらい反射・吸収するか）

放射

粒径分布
雲核特性
混合状態
(各粒子の化学組成)
数・粒径（雲の水滴や氷晶の核にどれくらいなりやすいか）

混合状態

雲・降水

ブラックカーボン (BC)
[光を吸収しやすい、雲核になりにくい]

無機・有機エアロゾル[光を吸収しない、雲核になりやすい]エアロゾルプロセス
雲生成
変質
気体成分

放出

除去

除去

生成

放出

植生

雪氷

植物プランクトン••

エアロゾルモデルでは、エアロゾルの放出、輸送、生成、変質、除去過程を計算する。
また、これらの過程に伴う質量濃度、数濃度、粒径分布、化学組成、混合状態、光学特性、雲核特性の変化を計算する。

エアロゾルプロセス
新粒子生成

凝縮

凝集

気体分子の集合体から非常に小さな粒子が生成する

もともと存在するエアロゾ
ルの表面で気体分子が粒子化する

粒子同士が衝突・併合する

数濃度が増大する

質量濃度が増大する
粒径が増大する
混合状態が変化する

数濃度が減少する
粒径が増大する
混合状態が変化する

エアロゾルモデルで重要になる要素
粒子特性（質量、数、粒径、化学組成、混合状態、光学特性、雲核特性）

エアロゾルプロセス

空間解像度

数値モデルによるエアロゾルの推定のばらつき
15のエアロゾルモデルによるエアロゾ
ルの光吸収量（地球大気全体の平均）(Sand et al., 2021)

モデルによるエアロゾルの表し方が大きく異なるため、数値モデル間のエアロゾルの濃度や分布のばらつきは非常に大きい。この大きなばらつきが、放射・雲との相互作用の大きな不確実性の一因となっている。

放射・雲との相互作用の大きな不確実性

エアロゾル

気体分子

1750年から2019年までの放射収支の変化

エアロゾル－放射相互作用
エアロゾル－雲相互作用(IPCC 第6次報告書)

冷却加熱モデルによるエアロゾルの表し方が大きく異なるため、数値モデル間のエアロゾルの濃度や分布のばらつきは非常に大きい。この大きなばらつきが、放射・雲との相互作用の大きな不確実性の一因となっている。

1

エアロゾルとその気候影響の概要「エアロゾルは大気中にどれくらいあり、気候にどのような影響を与えるのか？」

2

エアロゾルのシミュレーションとは？
「エアロゾルをコンピュータでどのように扱うのか？扱う上で重要な要素は何か？」

3

エアロゾルのシミュレーション研究例の紹介「エアロゾルとその気候影響のシミュレーションはどのように進展してきているのか？ 」

新たなエアロゾルモデルの開発
新しいエアロゾルモデル
一般的なエアロゾルモデル
質量濃度

質量・数濃度

粒子直径
混合状態
質量のみを予報

粒子直径
質量・数・粒径・混合状態のすべてを予報新たなエアロゾルモデルの開発
新しいエアロゾルモデル
一般的なエアロゾルモデル
質量濃度

質量・数濃度

粒子直径
混合状態
••
•

新粒子生成
凝縮・凝集除去過程 など

粒子直径
粒子特性
エアロゾル
(質量・数・粒径・混合状態)

気候影響
光学特性
雲核特性

放射効果
雲・降水効果ブラックカーボン(BC)に関するモデル開発
粒径・混合状態の変化(凝縮・凝集)光吸収量の増大雲粒の核になりやすくなり降水によって除去されやすくなる
放出
大気加熱
粒径
混合状態

光吸収量
雲核特性
BCの加熱効果や空間分布

雪氷加熱・融解

BCの放射への影響評価

BCの放射強制力 (1750年から2010年)

0.29
W m-2

(Matsui et al., 2018, 2022;
Matsui, 2020)

北極BCと雪氷融解の相互作用
1960-2009年の地表気温の変化(Serreze and Barry, 2011)

北極海の海氷面積のこれまでの変動と将来予測(IPCC 第6次報告書)

大気加熱

雪氷加熱・融解

北極域のBCが、大気や雪氷面の加熱を通して、北極域の急速な温暖化にどの程度影響を与えるのかを明らかにする必要がある。

新粒子生成過程のモデル開発・検証
気体分子(硫酸ガスなど)

新粒子 (～数nm)

雲粒数
エアロゾル－雲相互作用

凝縮
凝集

北京での集中観測（2006年8-9月）との比較例
数値シミュレーション
粒子数

粒径（nm）粒径（nm）

地上観測

粒子数(Matsui et al., 2011)

新粒子生成の重要性の評価
気体分子(硫酸ガスなど)

新粒子 (～数nm)

雲粒数
エアロゾル－雲相互作用

凝縮
凝集

40nm以上の粒子数に対する新粒子生成の寄与

40 nm以上の粒子数濃度 (地上)10 100 300 1000 3000 5000

cm-3

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

(Matsui and Mahowald, 2017)有機エアロゾルの生成過程のモデル開発・検証
揮発性有機化合物(VOC)

半揮発性有機化合物(S/IVOC)

2次有機エアロゾル(SOA)
光化学反応による連続的な酸化過程

埼玉での集中観測（2004年7-8月）との比較例

観測
新しいモデル
従来モデル(Matsui et al., 2014)

半揮発性・中間揮発性の有機化合物の酸化過程の導入によって、有機エアロゾルの質量濃度の再現性が大きく向上した。

氷晶核とその雲への影響評価
発生の頻度（%）

混合相雲: 水と氷が共存した雲
氷雲
混合相雲
水雲

温度（℃）
(Seinfeld and Pandis, 2016)

氷晶核数の全球分布

氷晶核による雲放射強制力(Kawai, Matsui, and Tobo, 2021)

エアロゾルと気候の相互作用・フィードバック

まとめ• 大気中には、様々な発生源から放出・生成された非常に小さい微粒子（エアロゾル）が膨大な数存在している。
• エアロゾルは、気候（放射、雲、雪氷、生態系）、気象、環境に大きな影響を及ぼす。
• エアロゾルのコンピュータによるシミュレーションでは、エアロゾルの粒子特性（質量、数、粒径、混合状態など）やプロセス、空間解像度などの表し方やバランスの決め方が重要になる。
• エアロゾルのシミュレーションの不確実性（様々なモデル間のばらつき）は大きく、エアロゾルの気候影響評価の不確実性が大きい主な要因の1つとなっている。
• エアロゾルの粒子特性やプロセスの観測による理解は近年大きく進展してきた。観測で得られた知見を用いることで、エアロゾルのシミュレーション手法や観測の再現性も大きく向上してきた。