Title

植生改変・エアロゾル複合効果がアジアの気候に及ぼす影響の評価

Author(s)須藤, 健悟; 高田, 久美子; 竹村, 俊彦; 神沢, 博; 安成, 哲三

CitationIssue Date

2010-03-31

Doc URL

http://hdl.handle.net/2115/45172

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bulletin (article)

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Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP

低温科学 68 (2010) 129‑136

植生改変･エアロゾル複合効果がアジアの気候に及ぼす影響の評価
須藤

健悟 , 高田久美子 , 竹村

俊彦 , 神沢博 , 安成哲三

2010年１月 28日受付, 2010年２月３日受理

アジア域では, 土地利用変化などに伴う植生改変およびエアロゾルの増加が顕著であり, これらの変動は陸面過程, 大気放射, および雲・降水を変化させ, アジアモンスーンなどのアジア域気候に影響している可能性が大きい. 本研究では, 植生改変とエアロゾル変動の役割という観点から, 総合的に気候影響を検討している. 本論文では, 特に, 農地化などの土地利用変化が, 陸面, および硝酸塩や植生起源有機炭素などのエアロゾル成分の変動を通じて, どのように気候に影響するかについて,
全球化学・エアロゾル気候モデルを用いた最新の結果について紹介する.

Coupled effects of land use and aerosols changes and their impacts
on Asian climate
Kengo Sudo , Kumiko Takata , Toshihiko Takemura , Hiroshi Kanzawa , Tetsuzo YasunariThis study assesses the roles of aerosols in the past/present changes in Asian climate and monsoon,isolating
impacts of individual aerosol components in the framework of the CCSR/NIES/FRCGC climate model(MIROC).
Many recent studies suggest that increases in anthropogenic aerosols such as black carbon and sulfate may playa crucial role in Asian climate change as observed. Our previous studies also demonstrate the significance ofaerosol increases (sulfate and carbonaceous aerosols)in the simulated precipitation changes in Asia (e.g., Araiet al.,2009). In this study,we particularly focus on the changes of nitrate and secondary organic aerosols (SOA)
which are tightly linked to land use change in regions like Asia,but not treated in our previous aerosol studies.
We newly introduced simulation of nitrate aerosol in our climate model. Our simulation shows that there areanomalously high concentrations of nitrate aerosol in South Asia (particularly around India and Bangladesh),coming from abundant ammonium and less sulfate components in this region. In India,free tropospheric mixing
ratio and number concentration of nitrate in fine mode are both larger than those of sulfate in winter to earlysummer. Our study estimates large cooling (1‑2 W m-2)in South Asia due to nitrate increase in terms of direct
radiative forcing for 1850‑2000. This result suggests nitrate aerosol may play an important role in the observedchanges in Asian monsoon. In addition,we estimate changes in biogenic VOCs emissions associated with land
use change during 1850‑2000; biogenic VOCs like terpenes are important precursors of SOA. We estimate
significant reduction (50‑70%)in terpenes and other VOCs emissions in the central Eurasia,North America,andAsia due to intense cultivation and deforestation in these areas. Responding to the VOCs decreases during 1850‑
2000,our model calculates large reduction of SOA,leading to a positive direct radiative forcing (warming)of 0.
5‑1 W m-2 in South Asia. This warming from SOA and cooling from nitrate aerosol which are both linked toland use change may compensate for each other in Asia.

１) 名古屋大学大学院環境学研究科
２) 海洋研究開発機構・地球環境変動領域
３) 九州大学応用力学研究所
４) 名古屋大学地球水循環研究センター

Graduate School of Environmental Studies, Nagoya
University, Nagoya, Japan
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Yokohama, Japan
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu
University, Japan
Hydrospheric Atmospheric Research Center, Nagoya
University, Nagoya, Japan

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1. はじめに

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念されている（Takata et al.,2009 ）. しかし, 農耕活動に伴う硝酸塩エアロゾルや２次有機エアロゾル（SOA）

大気中のエアロゾル変化や植生改変が気候変化に重要の変動については影響評価がまだ十分にされていない.

な影響を及ぼすことは広く認識されている. 特に, エア

硝酸塩エアロゾルは, 窒素酸化物とアンモニアを前駆気

ロゾルの発生量, 濃度変化, 気候への影響については,

体としており, 特に大気汚染や農業活動が顕著であるア

1990年代の IPCC の活動を契機に多数の研究成果が上ジア域では, その重要性は高い. しかしながら, その生げられてきている. 人間活動（工業・交通・農業など）

成過程のモデリングは現状では不十分である. さらに植に伴う黒色炭素（煤；ブラックカーボン；BC）の排出量

生改変がエアロゾルの変化をもたらして気候に影響を及増加は顕著な正の放射強制力（≧0.5W m-2）を持ち温暖ぼすことも, 指摘されているが, そのプロセスを定量的化を加速させる一方, 二酸化硫黄（SO ）や揮発性有機化に評価した研究は極めて少ない. この植生改変→エアロ

合物の排出増加に伴う硫酸塩や一部の有機炭素（OC）な

ゾル変化のプロセスには２種類ある. 地面の露出度（葉どの吸湿性エアロゾルの濃度上昇は太陽光反射や雲・降

面積指数 LAI に依る）や地表風速の変化（粗度に依る）

水過程の変調を引き起こし負の放射強制力（地球冷却効に起因する soil dust の発生量の変化と, 葉からの揮発果）を持つとされている（図 1）（e.g.,Hansen and Sato,

性有機化合物（VOC）の発生量の変化である. 前者は,

. 特に東アジア域での影響
2001;Takemura et al.,2005）

SPRINTARS などのエアロゾル気候モデルでも考慮さに注目した場合, これらのエアロゾルが夏季アジアモン

れている（e.g., Takemura et al., 2005）が, 後者につスーンの挙動に影響を与える可能性が最近の研究によりいては, 産業革命以前から 21世紀末までの VOC 発生示唆されている. 例えば, Ramanathan et al（2005）や量変化を全球スケールで推定した研究がようやく始まっLau et al.（2006）らのモデル研究が示すように, アジア

たばかりである（Tsigaridis et al., 2006: Heald et al.,域（主にインド）から排出されたブラックカーボンおよ2008）. 植物起源の揮発性有機化合物（VOC）から SOA

び土壌ダストがチベット高原とその周辺上で特徴的な加への変換過程は, 特にアジアモンスーン域での雲降水シ

熱パターンを形成し, この領域でのモンスーン循環・降ステム形成にも大きな役割を果たす可能性があるが, そ水の時空間的パターンに影響を与えている可能性があのような研究はまだなされていない.

る. このようなエアロゾルのアジアモンスーンへの影響

本研究では, モンスーン地域を中心とするアジアの過は梅雨前線の形成過程を通じて日本付近の降水場にも波去 100年〜150年の気候変化・変動が, 人間活動による及し得るため, 定量的な理解が求められる. また, 一方

この地域の植生改変とエアロゾル変化およびこれらの複で, 森林破壊や農耕地拡大に伴う植生改変が地表面の合効果により, どのような影響を受けたかを, 定量的に

熱・水収支の変化を通して気候システムに影響を及ぼす評価する. 図 1に示した通り, エアロゾルを中心とすることは, 1980年代以来広く認識されている. 特にこれ

大気微量成分の変動は, 様々な側面で気候に影響を及ぼ

らのプロセスが, 中国, インド, 東南アジアを含むアジ

す. 本研究では, ブラックカーボンや硫酸塩などの化ア地域では, モンスーン気候へ大きく影響することが懸石・バイオマス燃焼起源のエアロゾルだけでなく, 上述

図 1：エアロゾルやオゾンなどの大気微量成分の発生と気候影響. 本研究では特に, 自然植生の変動と農業活動に伴う二次有機
エアロゾルと硝酸塩エアロゾルの効果に着目する.

植生改変・エアロゾルの気候影響

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図 2：中国域・インド域における, 黒色炭素（BC）およびエアロゾル前駆気体（NOx, SOx, NHx）のエミッション変動（EDGAR.
HYDE エミッション・インヴェントリ）の硝酸塩エアロゾルや, SOA など, 土地利用変化・植生
改変やこれに伴う農業活動と深い関わりのあるエアロゾ

2. 大気化学・エアロゾル気候モデル

ル種の変動にも着目する. アジア地域では石炭燃焼起源

本研究では, 全球化学・気候モデル CHASER（Sudo

による硫酸塩に加え, NOx（農業・自動車起源）が増加

et al.,2002）お よ び 全 球 エ ア ロ ゾ ル・気 候 モ デ ル

傾向にあり（図 2）, この NOx 起源の硝酸塩の気候影響

SPRINTARS（Takemura et al.,2002,2005）を軸としの定量化はアジア域気候の将来予測を検討するうえでもたモデル実験を行う. CHASER および SPRINTARS

大変重要である. さらに, この地域の植生（土地利用）

両モデルは, 東大・気候センター（CCSR), 国立環境研

変化がエアロゾル起源物質の地表面からの生成を通して究所（NIES), および地球環境フロンティア研究セン

大気エアロゾル量変化を引き起こし, 気候に影響するとター（JAMSTEC/FRCGC）で開発された CCSR/NIES/

いう複合効果の評価も重要である. 本研究では, 大気化

FRCGC 気候モデル（MIROC）を土台として, 大気化学

学・エアロゾルモデル（CHASER-SPRINTARS）を用過程（O -NOx-CO-CH -VOCs), と, 硫酸塩（SO),

いて, エアロゾルの気候影響を評価する. これに加え,

黒色炭素・有機炭素（BC・OC), 土壌ダスト, 海塩の各

植生改変・エアロゾル複合効果（植生改変→ VOCs →種エアロゾルの全球分布をシミュレートし, これらの大SOA 生成過程）がアジア地域の気候変化に与える影響

気放射, 雲・降水過程への影響を計算する（図 3）. 地表

を, 大 気 化 学 モ デ ル CHASER, エ ア ロ ゾ ル モ デ ル

からの排出源（エミッション）に関しては, 窒素酸化物

SPRINTARS と大気大循環モデルの組み合わせによ（NOx）, 一酸化炭素（CO）, 揮発性有機化合物（VOC）,

り, 定量的に評価する.

アンモニア（NH ）, 二酸化硫黄（SO ）・BC・OC の化

図 3：CCSR/NIES/FRCGC 気候モデルにおける, 大気化学・エアロゾル計算の枠組み.

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図 4：アジア域における, 各植生タイプ面積（モデル中のグリッド数として）の変動（1700年〜1990年）.

石燃料燃焼（工業・交通・発電など）, 森林火災, 農業,
住宅（暖房・調理等）からの排出が考慮されている. 土壌ダストのエミッションは, 気候モデルの陸域モデル中で風速, 植生タイプ, 葉面積指数（LAI）, 土壌水分などの関数として与えられる. エアロゾルの気候・気象場への影響は, 大気放射に対する直接効果（加熱・冷却）と,雲・降水過程に対する間接効果（雲核増加, 雲粒子長寿命 化 に よ る 雲 量 増 加 に 伴 う 冷 却）に 大 別 さ れ る が,SPRINTARS モデルでは, これらについて, 各種パラ
メタリゼーションを使用した妥当な表現を行う.
本研究で特に着目する硝酸塩エアロゾルについては,
CHASER と エ ア ロ ゾ ル 熱 力 学 平 衡 モ デ ル（ISORROPIA）（Nenes et al., 1998）を連携して計算を行う.
また, 植生起源の二次有機エアロゾル（SOA）の生成に
つ い て も, CHASER 中 で SOA 反 応 生 成 ス キーム（Kanakidou et al., 2005）を用いて, 計算する. 本研究では, テルペンおよびイソプレンの酸化反 応 に よ る
SOA 生成（気相反応のみ）を考慮する. 硝酸塩について
は, 土壌ダストや海塩粒子も含んだ粗大モード（粒径１〜50μm）の成分も重要であるが, 本研究では, ファイ
ンモード（粒径 1μm 以下）に単体で存在する硝酸アンモ
ニ ウ ム 成 分 の み を 気 候 影 響 の 計 算 対 象 と す る.

図 5：1700年から 1850年の耕地化が及ぼす気象・気候場への影響（Takata et al., 2009 ）. (a)アルベド（カラー）と 2m
気温（黒コンター）の変動, (b)降水量（カラーコンター）と水蒸気フラックス（矢羽）の変動.

CHASER による硝酸塩および硫酸塩のシミュレーショ
ン結果は, 欧州, 北米, およびアジア域における地表観
測ネットワーク（EM EP や EANET など）で得られる時

3. 植生改変による気象学的変動

空間分布とも概ね整合的である. 植生起源の SOA につ

土地利用変化などによる植生改変は, 地表面の反射率

いては, 現状では観測データが不足しているため, シ（アルベド）や粗度, および水蒸気・熱の大気との交換量

ミュレーションの系統的な検証は困難であるが, 南米にを変化させ, 気象と気候に直接的に影響する. 本研究のおける観測（Artaxo et al.,2002,Decesari et al.,2006）

枠組みにおいて, これらの変化がアジア域気候およびア

や他のモデル研究（Heald et al.,2008）と矛盾しないシジアモンスーンに顕著に影響することがモデル実験によミュレーション結果を得ている.

り確認されている. アジア域においては, 図 4のように, 特に 17〜20世紀中頃にかけて, 植民地化などの影植生改変・エアロゾルの気候影響

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響を強く受け, 森林（forest）面積の減少, 農地（crop-

業起源エアロゾルの変動も降水変動に大きく寄与していland）面積の増加が顕著に現れている.

ることが示唆される.

図 5は, 特に植生改変が盛んであった, 1700年から

さらに, 本研究では, 植生改変および農地化によるエ

1850年にかけて, 地表面の変動が, アジア域においてアロゾル変動がどのような気候影響を及ぼすかについて

地表気温や降水場にどのように影響するかについて, モ

も実験・解析を進めている. ３節で述べたように, 植生

デル実験した結果である（Takata et al.,2009 ）. 地表面

改変は気象場の変動により, 気候に直接的に影響すると気温変動は, 農地化などに伴う陸面反射率の増加（白色考えられるが, 上述の通りエアロゾルの変動を介した間化）に対応し, インド中西部や中国南部で顕著な低温化

接的な影響も重要である. そこで, 本研究では, 過去のが見られる. また, 農地化による地表面粗度の減少は,植生改変に伴う⑴硝酸塩エアロゾルの増加, および⑵植南アジアや東南アジアにおいて, 下層の水蒸気フラック

生起源の二次有機エアロゾル（SOA）の減少の２点に着スの収束を減少させ, 降水量の減少が引き起こされるこ

目し, 気候影響評価を行った.

とも示されている. これは農地化によりアジアモンスー

硝酸塩の増加は, 主に農地化に伴う窒素肥料の使用にンが弱められたことを示唆するものである. さらに, ア

よる大気中の窒素酸化物（NOx）と家畜の増加等によるジアモンスーンと太平洋高気圧は対の現象として強化

アンモニア（NHx）の増加によるものである. また, 植（あるいは弱化）されるため, モンスーンの弱化と同時

生起源 SOA の減少は, 森林伐採などの土地利用変化にに, 西北太平洋域では, 太平洋高気圧が弱められ, 降水より, SOA の前駆気体である VOCs
（テルペン類やイソ量の増加が計算されている.

プレン）の大気中への放出の減少に起因する. 植生起源
SOA の変動については, 温暖化等の気候変動に伴う地4. エアロゾルの気候影響と植生改変の役割

表気温・降水量の変動や, 大気二酸化炭素濃度の変動に伴う葉の気孔開度の変動による植生起源 VOC 放出量変

本研究では, 人為起源のエアロゾルの影響も含めた気化の影響もあり得る. しかしながら, 過去の植生変動に候影響解析も行っている. 図 6は, M IROC 気候モデル

関する限り, 人為的な植生改変の方が支配的要因であるにより計算された 20世紀中のアジア域の降水変動トレと考えられるので, ここでは植生改変による効果のみにンドである（荒井他, 2007）. 温室効果気体増加の影響と着目する. 図 7は, 1850年から 2000年の間の硝酸塩エ

同時に, 硫酸塩やブラックカーボンを中心した人為・産

アロゾルの増加がもたらす（対流圏界面における）放射図 6：MIROC モデルにより計算された, 20世紀中の各種要因によるアジア域降水場の 100年間の変動トレンド. 影響のほとん
どは人為起源の要因（Anthropogenic impacts）で説明され, 温室効果気体の変動とエアロゾルの変動（GHGs および Aerosol.
impacts）が, それぞれ異なった方向の影響を及ぼすことがわかる（荒井他, 2007）

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強制力の分布を示す. インド北部や中国域において, １

変化が推定される. このようにして, 計算を行った過去

W m 以上の強い冷却を生じていることがわかる. 中の植生改変による VOCs エミッション変動を図 9に示国域については, 硝酸塩の前駆体となる NOx の大部分

す. 主に, アジア域, 北米, ヨーロッパ（ロシア）の各は工業起源であるが, インド北部については, 農業（肥領域で顕著な VOCs 放出の減少が計算されており, と料）起源の NOx の比率が高い. 図には, アフリカや南

くにアジア域における 1980年までの減少傾向が際立っ

米においても, 比較的強い冷却があることが示されていている. テルペン類は高緯度の針葉樹林帯などからも夏

るが, これは, 対流雲中の雷により生成される NOx

季に放出されるため, 北米やヨーロッパ付近でも比較的と, 森林火災による NOx・NHx の増加の複合的な効果

大きな減少傾向を示すが, イソプレンについては, 放出である. 本研究では, 硝酸塩の全球・年平均の放射強制源が熱帯域に集中しているため, アジア以外ではそれほ力は−0.06W m と見積もられた. これは硫酸塩によ

ど大きな減少は見積もられていない. 図 10はこのようる強制力（−0.2〜0.3W m ）と比較しても重要であり,に計算された植物起源 VOCs の減少が有機エアロゾル

特に北半球では顕著な冷却効果（−0.11W m ）を及ぼの放射強制力としてどの程度の気候影響を及ぼすかにつしている.

いて示す（直接効果のみで間接効果は考慮せず）. 有機エ

次に, 植物起源 SOA の減少の影響を評価する. 全球

アロゾルは大気中で太陽光を散乱・反射するため, 有機的な有機エ ア ロ ゾ ル の ソース と し て は, 植 生 起 源 のエアロゾルの減少は, 正の放射強制力を引き起こす.

SOA はおよそ 30Tg yr と見積もられており（Heald

図が示す通り, アジア域, 北米, ロシア域において強et al.,2008）, これは人為・産業起源のソース強度と比べい正の放射強制力（加熱効果）が確認される. 特に, 夏ても無視できない. 本研究では, モノテルペンとイソプ

季の東南アジア, 北米においては, 3W m 以上ものレンについて, 植生改変に伴う, 全球のエミッション分

強い加熱が生じており, アジアモンスーン変動に対して布変動を推定し, その上で, CHASER モデルによる重要な役割を果たしている可能性が示唆される. 特に,SOA 生成計算を介して, 有機エアロゾル濃度への影響,

アジア域においては, このような植生起源 SOA 変動におよびこれに付随する気候影響を評価した. 植物起源

よる強い加熱効果は, 炭素性エアロゾルによる加熱に匹VOCs の発生量 F は, 基本的には以下の式で表現され敵する強度を持つことがわかり, 大変重要である. 本モる（Guenther et al., 1995）.

デル計算においては, 植生改変による SOA 変動が及ぼ

F ＝Dε
γ

（1)

D はバイオマス量（kg m ）であり, εは植生タイプ

す全球平均の放射強制力は, 〜0.1W m と見積もられ, テルペンに比べ, イソプレンからの SOA 生成の寄与とその変動が支配的であった. 面白いことに, アジアごとの放出係数（エミッション・ファクター）（mgC kg

域の領域規模での放射収支を考察する場合, 上で述べたh ）, γは気温と太陽光に対する補正係数である. これ

硝酸塩の増加による負の放射強制力と, この SOA 減少

により, 図 8に示されるような植生タイプの変更およによる正の放射強制力が打ち消し合い, 土地利用変化がび, バイオマス量の減少による, VOCs の発生量 F のエアロゾルを介して及ぼす正味の強制としては, それほ

図 7：硝酸塩エアロゾルの増加（1850‑2000年）による年平均放射強制力（W m ）の全球分布.

植生改変・エアロゾルの気候影響

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図 8：過去の植生改変による地表面（植生）タイプの変化(左)と, バイオマス量の変動(右).

図 9：過去（1850〜2000年）の植生改変に伴う植生起源 VOCs の放出量の変化（東南アジア, 北米, ロシア付近の各領域）. 左はテルペン, 右はイソプレンのエミッションを示す.

ど大きくない可能性も考えられる. しかしながら, エア
ロゾルについては, 雲・降水変動を介した間接効果も考慮に入れる必要があるため, より詳細な実験・議論が必要である.

4. まとめ本研究では, 大気化学およびエアロゾルの計算を含む
気候モデルにより, エアロゾル・植生改変の気候影響について, 実験・解析を行っている. これまでの研究により, 植生改変は地表面アルベド, 粗度などの変動により直接的に気候に影響するだけでなく, 硝酸塩や二次有機エアロゾルの変動を介し, 間接的に気候に顕著に影響する可能性が強いことが判明した. 今後は, エアロゾルの
図 10：CHASER-SPRINTARS モデ ル に よ り 計 算 さ れ た,
植生改変に伴う VOCs 減少による SOA 減少が及ぼす放射強制力（1850‑2000年）. 上は年平均, 下は北半球夏季（JJA）.

雲・降水に与える影響も加味しながら, より精緻な再現
シミュレーションを行って行く予定である. さらに, モ
デル実験のみならず, 日照や降水に関連する観測データとも融合した解析が必要である. また, この研究では,

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植 生 か ら の VOCs 発 生 や, VOCs の 酸 化 反 応 に よ る
SOA 生成過程などについて, 多くの不確定性要因が存在することにも注意が必要であり, 各プロセスについてのさらに詳細な評価により, 不確定性の低減が求められ
る.

5. 謝辞
本研究は, 環境省・地球環境研究総合推進費（B‑061および B‑092）による支援を頂いて実施しております.

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