連携講座

Collaborative Divisions

地球環境変動学分野（国立環境研究所） Global Environment (National Institute for Environmental Studies)

グローバルな大気環境や炭素循環の変化を捉える
Observation of Global Atmospheric Environment and Carbon Cycle Changes

当講座では地球規模の大気環境変動に関わる大気化学成分の分布や経時変化を計測する観測技術、陸域における炭素収支の観測技術、ならびに地球温暖化を含めたグローバルな大気環境変動解析に関する研究と教育を行っている。具体的には、人工衛星、航空機、船舶、地上観測による大気成分や雲、エアロゾル、ならびにそれらの地表プロセスの観測技術、地上からの各種の遠隔計測技術の開発、アジアや南極、シベリアを含む北極など世界各地における観測活動ならびに取得したデータの処理アルゴリズム、データ解析を行うことによって地球規模での大気環境変動の原因究明に向けた研究を実施している。

客員教授 中島 英彰
ProfessorHideaki Nakajima

客員教授 町田 敏暢
Professor

Toshinobu Machida

観測していると推定できる。そこで、文献（Wan et al., 2009）
によって報告されている中国における 2000 年の HCFC-22 の放出量から HFC-23 の放出量を推定したところ、1.18 Gg/y という値を得た。この値は、別の文献（Simmonds et al., 2018）で報告されている値（2.83 Gg/y）の約 40% の値であった。この違いは、

In cooperation with the National Institute for Environmental Studies, we are carrying out research on the global atmospheric environment, such asglobal warming and air pollution. For that purpose, we are developing measurement techniques on atmospheric composition changes and terrestrial
carbon budgets. We conduct research and education on measurement principles, data processing algorithm, field experiments, and data analysis on thebasis of specific cases of remote sensing and in situ technologies. We also develop applications for atmospheric compositions/clouds/aerosols and theirsurface processes, utilizing such instruments as satellite-borne, air-borne, ship-borne, and ground-based sensors. We conduct field measurements in
Asia, Antarctica, and the Arctic including Siberia, and we study global atmospheric environmental change by analyzing these data.

FTIR で観測された空気塊が、中国南部からの影響を反映していないためであると考えられる。

対流圏界面付近における温室効果ガスの極めて大きな季節変動
大気中の温室効果ガスのグローバルな循環を解明するためにはそれらのガスの空間分布や時間変動を知る必要があるが、世界の観測北 海 道・ 陸 別 に お け る FTIR に よ る HCFC-22,
HFC-23 観測値から見積もった中国由来 HFC-23
排出量の推定我々は、北海道陸（43.5ºN, 143.8ºE）における1997 年～ 2020年までの FTIR 観測データから、HFC-23 (CHF3) の濃度を導出するログラムを用いてなされた。さらに、陸別で観測された空気塊の後方粒跡線解析を行って空気塊の起源を推定したところ、2000 年の冬季には中国由来の空気塊が多く観測されていたことが判明した。そこで、中国由来と推定された空気塊について解析された HCFC-22 とHFC-23 の、バックグランド濃度からの増加量を見積もった。その結ることが見いだされた。もともと HFC-23 は、工業的に冷媒であるHCFC-22 を生産するときの副生産物として放出されるガスであり、両者の間に正相関があるということは、両ガスの増加分は。中国における HCFC-22 の生産時に放出された HCFC-22 と HFC-23 をめて不足している。我々の研究室では地上ステーションや船舶を利用した観測に加えて航空機を使った温室効果ガスの３次元観測を推進している。
Fig.3 は航空機が対流圏界面付近を飛行した際に、圏界面直下の上部対流圏と直上の下部成層圏で観測した二酸化炭素（CO2）濃度の時間変動である。ここでは気象庁の客観解析データを使って、圏界面からの温位差（ΔΘ）によって空気塊を分類した。Fig.3 でΔΘが負の値（赤色）は対流圏の空気であることを、正の値（青系色）は成層圏であることを示す。CO2 濃度は対流圏においては陸上生態系の光合成活動で夏季に減少するが、下部成層圏では夏季に流入する低緯度対流圏大気の影響で濃度増加を示す。また、冬季から春季にかけての下部成層圏は沈降流によって濃度が下がる。
メタン（CH4）濃度は成層圏においては高度と共に急激に減少している。従って冬季の沈降流の影響を受けると下部成層圏の CH4 濃度は大きく減少し、夏季に対流圏から高濃度 CH4 の流入を受けると濃度が急激に増加するために、極めて大きな季節変動が観測されることになる（Fig.4）。

We need to know the spatial distribution and temporal variations ofatmospheric greenhouse gases (GHGs) to understand the global
distribution of their sources and sinks. However, observed GHG data are
still insufficient, especially in the upper atmosphere. Our laboratory
conducted GHG observation by using ground-based stations, ships, andaircraft.
Fig.3 shows the temporal variations in carbon dioxide (CO2) at the upper
troposphere (UT) and lower stratosphere (LS) observed by aircraft
flight around the tropopause. We categorized the air mass by thedifference in the potential temperature from the tropopause (ΔΘ)
calculated from the meteorological fields of the Japan Meteorological
Agency Climate Data Assimilation System. The negative values in ΔΘ
indicate the air mass in the UT (red color in Fig.3), and positive values
are in the LT (blue colors in Fig.3). The CO2 mixing ratio in the UT
decreases in summer season by photosynthesis activities, whereas in theLS, CO2 shows an increase in summer by intrusion of tropospheric air
from lower latitudes. From winter to spring, CO2 in the LS graduallydecreases by downward motion of stratospheric air.
A steep vertical gradient can be found in the methane (CH4) mixing ratio
in the stratosphere. Therefore, downward motion in the winter season
causes a rapid decrease in CH4 at the LS (Fig.4). In contrast, a rapid
increase of CH4 can be seen in summer due to air intrusion from thetroposphere. As a result, extremely large seasonal variations wereobserved in the LS.
From the results, we can extract information not only for sources andsinks of their gases but also for air transport in the stratosphere and longterm changes in air transport.

これらの観測からは温室効果ガスの発生源・吸収源の情報が得られるばかりでなく、成層圏付近の大気輸送やその長期変動を知る手がかりになると期待されている。

Fig.1 10-day backward trajectories of the air masses arriving at 2000 m
above Rikubetsu at the time of the FTIR observations in 2000. Each pointon the trajectories is color-coded by altitude above ground level.

62 Coexistence Activity Report 2022

Fig.2 Correlation between ΔHCFC-22 and ΔHFC-23 at Rikubetsu in 2000.
Color of each point represents the month of observation. Blue line is the linear
regression line, with values of slope, correlation coefficient (R), p-value (p),and number of observations (N).

Fig.3 Time series of carbon dioxide mixing ratio observedin the upper troposphere and the lower stratosphere.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

果、HCFC-22 に対する HFC-23 の増分の間に、有意な正相関があWe have developed a procedure for retrieving atmospheric abundancesof HFC-23 (CHF3) with a ground-based Fourier transform infrared
spectrometer (FTIR) and have analyzed the spectra observed atRikubetsu, Japan (43.5ºN, 143.8ºE). We also analyzed abundances ofHCFC-22 (CHClF2) with the same spectra. The FTIR retrievals werecarried out with the SFIT4 retrieval program. We conducted a backward
trajectory analysis to examine the origins and transport pathways of theair masses arriving at Rikubetsu. Many air masses that had originatedfrom China were found in the winter of 2000. A good positive correlation
was found between the enhancements of HCFC-22 and HFC-23 fromtheir background values. HCF-23 is a by-product of HCFC-22 production
from source gases. The existence of a positive correlation between these
two gases presumes that the observed enhancements of HCFC-22 andHFC-23 were emitted in the course of HCFC-22 production in China. By
using the reported HCFC-22 production amount in China (Wan et al.,2009) and observed HCFC-22 enhancement in Rikubetsu, we canestimate the Chinese HFC-23 emission amount in 2000, which is 1.18

データは未だ十分とはいえない。特に地表以外の上空の観測値は極

Large seasonal variations in greenhouse gases
around the tropopause region

先端環境創成学専攻

手法を開発した。また、同じ FTIR データから、HCFC-22（CHClF2）の濃度導出も行った。FTIR による解析は SFIT4 と呼ばれる解析プ

Estimation of HFC-23 emission in Chinaby the FTIR measurements of HCFC-22and HFC-23 in Rikubetsu, Hokkaido

Gg/year. This amount is about 40% of the value (2.83 Gg/year) reported
by Simmonds et al. (2018). The discrepancy between our estimation andthe literature can be attributed to the fact that our measured air masses
do not cover the southern part of China, where substantial HCFC-22–
manufacturing factories might operate.

Fig.4 Same as Fig. 3 but for methane mixing ratio.
Coexistence Activity Report 2022

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