Jul. 28, 2004： K2 連絡会議 温暖化・大気組成変化相互作用サブモデル エアロゾル計算導入・将来予測実験(K1関連） 須藤 健悟 地球フロンティア研究システム 大気組成変動予測研究領域 K2-地球システム統合モデル開発 地球システム統合モデル The Integrated Earth System Model at the FRSGC (being developed) radiation cloud distribution transport radiation Climate (CCSR/NIES AGCM 5.7) SST Aerosol (SPRI mineral Sea Salt Ocean (an NPZD-type model) transport production heterogeneous reaction DMS dust, OC Chemistry (CHA CO2 NMHCs Land Surface (MATSIRO,Sim-CYCLE) 化学・気候結合モデル CHASER Sudo et al. [2002a,b] 基本モデル CCSR/NIES GCM (5.7b) ：東大ＣＣＳＲ/環境研 気候モデル 空間解像度 輸送過程 水平：T42(2.8ox2.8o), 鉛直： 32 layers（地表～40km) グリッドスケール（flux-form semi-Lagrangian) サブグリッドスケール（積雲対流, 鉛直拡散） 化学過程 53 化学種, 139 化学反応（気相,液相,不均一*） (1)O3-HOx-NOx-CO-CH4 , (2)非メタン炭化水素（NMHCs）酸化, (3)SO2, DMS 酸化（硫酸塩エアロゾルシミュレーション） *不均一反応は N2O5, HO2, RO2ラジカルについて雲粒子、硫酸エアロゾ ル、および海塩粒子表面上で考慮 （高度 20km 以上の O3, NOy については衛星データなどで prescribe） Emission 産業・交通, 森林火災, 植生/土壌/海洋, 雷からの NOx （NOx, CO, C2H6, C2H4, C3H8, C3H6, アセトン, イソプレン, テルペン, メタ ノール,SO2, DMS) Dry deposition 地表面の植生タイプ、気温、太陽光入射、積雪などの関数 [Wesely, 1989] （乾性沈着） Wet deposition Rain-out （in-cloud）, wash-out （below-cloud）, ice-sedimentation Reevaporation & reemission processes considered. （湿性沈着） Aerosol simulation in CHASER with SPRINTARS -- as a part of the Kyousei integrated earth system modelling -- Climate impacts & interactions Ozone OC CH4 SO4-- Chemical Reaction BC Soil Dust Surface Sea Salt Aerosol simulation in CHASER-SPRINTARS 硫酸塩 SO42(Sulfate) Chemical production by OH, O3, and H2O2 calculated in the chemistry component (present configuration). ※雲水酸性度(cloud pH)の計算向上のため、ammonia (NH3) と dust(Ca2+) による雲水の中和過程を導入する。 ※DMSの emission は ocean component とcouple？ 硝酸塩 NO3(Nitrates) 熱力学平衡モデルでエアロゾル相のアンモニウム、硫酸 塩とともに計算。(SO42-- NO3- -NH4+ system)。 粗大モードなので direct effect は大きくない？ 炭素系 (OC/EC) (Carbonaceous) 基本的には SPRINTARS [Takemura et al., 2000] モデル に準ずる。 植物起源テルペン類(Terpenes)の酸化による OC の生成 は化学過程と結合する。(Terpns + O3 ) 土壌性（ダスト） SPRINTARS モデルに準ずる。 海塩粒子 SPRINTARS モデルに準ずる。 ※ coupled with radiation and heterogeneous reaction computation: すべてのエアロゾ ルについて、エアロゾル表面積密度に換算した上、不均一反応に反映させる。 硫酸塩(SO42-)・硝酸塩(NO3-)・アンモニウム(NH4+)の複合系の表現 気相⇔エアロゾル平衡熱力学モデル(aerosol thermodynamics model) ISORROPIA [Nenes and Pandis, 1998] の組み込み。 T,RH 2-) ・Total sulfate(SO4 ・Total nitrate (HNO3 + NO3-) ・Total ammonia (NH3 + NH4+) ・HNO3(gas) ・NH3(gas) ・SO42-(aerosol) ・NO3-(aerosol) ・NH4+(aerosol) ※chloride+sodium(海塩)、dust (鉱物粒子)の影響も考慮可能。 To be reflected on the direct and indirect effects of aerosols SPRINTARS 各過程 ① Emission (巻き上げ＋instability)：外部ファイル季節性は CHASER ? ② 乾性沈着 (dry deposition): SO2, DMS, SO4 に関しては CHASER ③ 湿性沈着 (wet deposition) : CHASER スキームに併合 in-cloud scavenging: CCNパラメタリゼーション(間接効果）と整合的な 気相/液相比 ＞竹村さん ④ 重力降下 (grav. settling)：そのまま（簡略版） ⑤ 放射・凝結過程：そのまま エアロゾル関連 emission 産業・農業 森林火災 SO2 Ｆ Ｆ - DMS - - - Ｃ - BC/OC Ｆ Ｆ Ｆ(C) - - DUST - - C - - 海塩 - - - C - F：外部入力 Ｃ：モデル内部で計算 植生・土壌 海洋 火山 Ｆ CHASER CHASER 気体エミッション +メタン +Methanol Annual total (/yr) based on the EDGAR NOx TgN CO TgCO C2H6 TgC C3H8 TgC C2H4 TgC C3H6 TgC 産業/交通 23.10 337.40 3.15 5.76 2.00 森林火災 9.65 889.40 4.50 2.62 植物 0.00 0.00 1.20 海洋 0.00 0.00 土壌 5.50 雷 航空機 合計 Acetone TgC ONMV TgC Isoprene TgC Terpenes TgC 0.85 1.02 29.20 0.00 0.00 14.10 6.39 7.17 8.55 0.00 0.00 1.60 4.30 1.20 11.20 20.00 400.00 102.00 0.10 0.11 8.28 10.10 0.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.55 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 43.80 1226.8 8.95 10.09 28.68 18.54 19.39 59.75 400.00 102.00 (Sulfate simulation) SO2 : 71.83 TgS(産業), 2.64 TgS(森林火災), 0.085 TgS (航空機), 4.80 TgS(火山) DMS: 14.8 TgS (海洋) The seasonal timing of biomass burning emissions is simulated by using satellite derived hot-spot data. 地表からの気体エミッション 森林火災（バイオマスバーニング） の季節性は衛星によるホットスポッ トデータを使用して表現 (ATSR, AVHRR) 1月 ４月 南アフリカ 南米 ９・１０月 CHASER + SPRINTARS Config. file CHASER + SPRINTARS calculation flow Aerosol Radiation CCN : LSCOND [SPRINTARS] Aerosol emission & verti. Diff. for (1) Dust (2) S-salt (3) Carbon [SPRINTARS] Wet depo. for aerosols : precipi. pH [CHASER] Mode raii, Surface area density, CCNs [CHASER] ◎ wash-out(粒子物質・エアロゾルの沈着) 沈着過程（湿性沈着） 降水中の nitrate(NO3-) & sulfate(SO42-) （降水 pH への寄与） NO3- SO42- 硫酸エアロゾルの生成過程 雲水 pH に敏感 （pH が高いほど速い） ※ SO2 の雲水への溶け込みも pH に強く依存！ 硫酸エアロゾルの生成過程 実際の [H+] は塩基物質(陽イオン)の中和を受けたもの。 ※ 塩基物質＝主に NH4+、Ca2+ [H+] ＝ ([NO3-] + [SO42-] + [HSO3-] + [SO32-]) － ([Ca2+]+[Mg2+]+[Mn2+]+[Fe3+] +[NH4+] ) として表現。ダストの組成は黄砂の平均値を使用。 Ca: 10%, Mg: 3%, Mn: 0.5%, Fe:0.5% 粒子表面上の不均一反応の扱い 粒子表面積密度 : 硫酸エアロゾル、海塩粒子、雲水／氷 硫酸エアロゾル数密度～CCN (cm-3)分布 エアロゾル質量濃度(ug m-3)分布 エアロゾル質量濃度(ug m-3)分布 Exp. 1 : 硫酸エアロゾル変化が化学場に与える影響 不均一反応時定数 (g=0.1) (min-1) 粒子表面積密度 SAD (mm2 cm-3) 1990 ダスト、炭素系エアロゾル、海塩粒子に関してもオンラインで 計算 in CHASER-SPRINTARS A2-2050 A2-2100 CHASER+SPRINTARS 計算コストの見積もり 8PE1年積分平均CPU時間: T42L32, NTR=45 CHEMISTRY(CHASER) AEROSOL(SPRINTARS) エアロゾルのdepositionを含む SURF+VDF RADIAT LSCOND CUMULUS DYNAMICS+TRANSPORT COMM. 0 5000 平均ベクトル化率＝98%、平均ベクトル長＝192 On ES-L(4-note:32PE): 3.4 hours/year with ‘hopt’ 10000 15000 KISSME 構築の流れ的な図 GDVM導入 You are here トレーサー数の変遷 現状の課題 CHASER ① 液相/気相 ratio for aerosol の妥当性 （間接効果とconsistentでありたい気持ち） ② ＯＣの生成の妥当性について ③ 新放射スキームへの移行 ＣＨＡＳＥＲ用（可視 域強化版）の PARAファイルは関口さんに作成 頂いた。 ④ 成層圏化学導入時：光解離定数の計算法を修正 する必要あり ⑤ 植物起源 emission ＆ dry-deposition を MATSIRO と結合 (LAI, PAR, etc.) ⑥ 海洋起源 DMS および NMHCs は NPZD モデ ルとカップル可能？ 今後の予定 37 sSPRINTARS 炭素系:2 ダスト: 4 海塩: 1 7 CHASER (成層圏化学) 20 合計 64 今年度中： CHASER-SPRINTARSの実験・評価 ： 統合モデルへの移植 ： 新放射スキームへの対応・組み込み ： ハイブリッド鉛直座標化 来年度以降： 改良＋チューニング作業 沈着過程（乾性沈着） 乾性沈着速度 v 1 ra rb rc (cm s-1) 沈着過程（乾性沈着と湿性沈着） 乾性沈着 GCM最下層に対するバルク係数の逆数 植生分布に依存して計算。 温度、短波放射、降水、積雪、各物質のヘン リー定数の関数として計算 IPCC SRES シナリオによる将来予測実験 (K1実験へのinput) K1実験への input： ① オゾン ② メタン(全球平均混合比） ③ H2O2、OH 実行シナリオ： A2、A1、B1 (for 1990-2100) 実験設定 ① 気候変動実験（K1用)： SSTs, Sea-ice = 以前の結合実験 の結果を使用。オンラインオゾン＆メタン＆硫酸エアロゾル。 Emissionは SRESの各シナリオによる。 ② 標準実験：気象場は現在のもの（温暖化なし）。 Emissionは SRESの各シナリオによる。 SO2 の emission に関しては独自のものを使用。 (過去実験との整合性のため） [環境研・野沢さん富士通FIP・黒川さん] SRES実験：メタン濃度の時間発展 水蒸気増加・温度上昇 によるメタン寿命減少による Evolution of regional ozone levels (ppbv) for four latitude ranges. Zonal mean EXP1 EXP2 (warming) Reduced O3 increases Enhanced O3 increases climate-change impacts on stratosphere-troposphere exchange Net stratospheric O3 input to the troposphere Exp2: +climate change Exp1 +83% Surface air temperature rises Sudo et al. [2003] Sudo et al. [2003] Exp. 1 : H2O2 濃度場の変化 1990 A2-2050 2-3 倍 A2-2100 Research Plan (at the present) ① Future projection of tropospheric ozone and sulfate aerosol using CHASER on ES with a focus on future climate change impacts (IPCC SRES scenarios: A2, A1, B1) : completed. ② Hystorical simulations (1970-2000) of tropospheric chemistry involving ozone (full transient simulation with NCEP met. variables) ③ Development of chemistry-aerosol coupled climate model with CHASER and SPRINTARS (+ISORROPIA): mostly finished and under evaluation. ④ Source attribution of global tropospheric O3 and CO using the tagged tracer method. ⑤ Contribution to Irie-san’s studies with satellite dataset. ① Long term equillibrium simulations (~50years) to estimate the impact of tropospheric ozone increases (in past/future) and aerosol changes on climate: climate forcing. 硫酸エアロゾルの時間発展 (Exp 1/2) 硫酸塩全球総量(TgS) For both Exp1 and 2… Increases in H2O2 and OH For Exp2… Increases in cloud water Changes in precipitation 人為起源SO2エミッション(TgS/yr)
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