Frontiers in Earth Science

研究対象として、大気科学は、他のシステム(主に水圏、雪氷圏、岩石圏、生物圏、宇宙)との関連とともに、大気中で起こるすべてのプロセスを包含しています。 このように、大気科学は広範な分野であるため、主な課題を説明することは容易ではなく、地球環境科学における他の大きな課題とかなりの程度重複していることが予想されます。 特に、気候科学との重複が考えられるが、大気プロセスは気候プロセスとは時間的スケールが異なり、後者は通常30年以上の長期にわたって発生するが、いずれにせよ意味のある平均値を生み出すのに十分な長さであることを覚えておく価値がある。 大気過程は、気候の状態を構成する上で中心的な役割を果たすだけでなく、気候変動の大きさとその影響を決定する強制力とフィードバックの多くにも関わっている。 さらに、個人や組織に提供される利益という点でも、近年、大気科学には目覚ましい進歩が見られる。 健康、農業、エネルギー、電力、環境などに関する意思決定において、大気の「情報」の流れは非常に重要である。

今後数年間、基本的なプロセスやそのモデリングの理解が向上するためには、大気科学における進歩が不可欠である。 この理由から、以下の12の選ばれた課題の非網羅的なリストには、観測とデータ同化に関連するもの、従来の分野(大気物理学と化学、大気力学と天気予報)に含まれるもの、大気とその境界の間の相互作用に関連するもの、気候研究の大気要素に関連するもの、が含まれている。 データ同化

今後数年間の地球観測のためのデータ同化の面での課題は、技術的および一般的なテーマ的側面と、地球観測システムにおける新しい刺激的な機会を活用する能力に関するものである。 これらの課題に取り組むことで、再解析の改善、天気予報の改善、観測システムの改善、気候モデルの要素を構築するための基盤の改善などの効果が期待される。 技術的な課題のうち、5つの分野が最も重要である。 (1)地球システムの異なる要素間のつながりを考慮した結合データの同化。例として、大気と海洋、海洋と雪氷圏、大気と陸域の結合が挙げられる。 (2)自然変動や地球システムの誤差を考慮したアンサンブルデータの同化-ここでは、現実的なアンサンブルの設計に焦点を当てた技術努力が必要である。 (3) より細かいスケール(メソスケール以上)で地球システムを表現し、バランス条件の変化を考慮するための理論的開発を含む、空間分解能を上げたデータ同化の実行 (4) データ同化に用いられる観測とモデルにおける誤差(ランダムとバイアス)のより良い表現(予測誤差、モデル誤差、オンラインバイアス補正の表現を含む) (5) 生物化学循環(例:地球温暖化)研究のためのジョイント状態推定とインバースモデリング法の拡張と統合。g., を研究するための拡張と統合。) ここでの包括的な課題は、気象・宇宙機関、研究・運用活動、原位置・衛星観測プラットフォームからなるコミュニティのデータ同化努力の統合と統合であり、すべての大陸・地球規模の協力関係を含み、これらの努力を地球観測の新しいミッションの開発に向けて効果的に適用することである。

課題2:大気中の小規模プロセス

小規模プロセスおよび関連アプリケーションの基本的理解に関して、いくつかの課題が明らかにされており、その多くは現在活発に議論され研究されているところである。 まず、計算能力の向上により、流体力学問題のより詳細なシミュレーションが可能になり、安定に成層した流れでさえ、直接数値シミュレーションによってモデル化されるようになった。 一方、これらの高度な計算技術は、数値天気予報(NWP)や気候モデリングにおいて、新世代のパラメタリゼーションスキームを必要とする。 例えば、高解像度では、都市部で発生する複雑なダイナミクスを無視することはできず、これらを表現するための特定のNWPスキームが必要とされる。 また、より小さな格子サイズでは、NWPにおいて乱流のいわゆるグレーゾーンに接近しており、その影響を理解し定量化する必要があります。 雲の表現、深層対流の日周リズムの表現には改善の余地があり、安定境界層や日周リズムを支配する物理過程、特に穏やかな条件下での乱流の断続性についても同様である。 また、解像度が高くなればなるほど、観測結果の解釈を可能にするための高度な技術も必要となります。 境界層気象学では、表面エネルギー収支と熱収支の現場観測でのクロージャーにさらに注意を払う必要がある。 最後に、気象学が直面するデータの課題も、特に専門家とクラウドソースの両方の観測がより利用しやすくなるため、増加すると思われる(Muller et al: (1) 室内汚染と健康:人々が仕事、学校、レジャーのために主に室内にとどまる傾向があることから、室内排出物および/または外部環境空気の浸透の結果として、室内汚染が人間の健康に及ぼす影響を研究することが重要である。 近年、エネルギー効率の向上を目的とした建築規制の変更に伴い、室内空気質を支配するプロセスが大きく変化している。 しかし、室内空気質に影響を与える発生源、化合物、プロセス、および人間の福利に与える影響に関しては、まだかなりの未知数がある。 (2) 粉塵と大気質:自動車の排気ガス特性の継続的な改善により、都市部におけるエアロゾル汚染の影響は、主に北アフリカの砂漠からの粉塵輸送の影響を受ける地域の乾燥した気候の南ヨーロッパ地域で、自然の粉塵輸送や道路粉塵の再浮遊など、他の排出源に起因することが多くなっています。 これらの影響の理解と緩和策(ロードダストの再懸濁)の適用は、いずれも今後の研究課題である。 (3) バイオマス燃焼:気候変動や化石燃料の影響・コストへの懸念から、ヨーロッパでは家庭の暖房にバイオマス燃焼が一般的になっています。 多くの都市部では、主に冬季に、家庭用バイオマスが粒子状物質による大気汚染の重要な原因となることが分かっている。 現在では、バイオマス燃焼の都市大気質への影響評価、バイオマス燃焼装置や設備の排出特性、バイオマス燃焼粒子の組成が人体に与える影響などが重視されています。

課題4:エアロゾルと雲の相互作用

雲の形成において、エアロゾル粒子が雲凝結核や氷核の供給を介して活発に関与することは疑いのないところです。 エアロゾル濃度の変化は雲の寿命や降水効率を変化させ、地球システムの放射強制力に影響を与えることが示唆されています。 このテーマには多大な努力が払われており、その結果、知識、方法論、技術の面で急速な発展を遂げました(例:Wang, 2013)。 このような進歩にもかかわらず、地域や地球規模でのエアロゾルの気候学的影響について意味のある結論を出すことはまだ困難である。 一方、分子・微物理スケールでのエアロゾルと雲の相互作用は、ますます予測可能になり、そのモデリングはより決定論的になってきている。 この分野では、小規模(分子・微物理)なプロセスと大規模(地域・地球規模)な事象の間に、我々の知識には大きなギャップがあるように思われます。 私たちは、マルチスケールの結果を統合して、関係する問題を明確に特定し、ギャップを埋めるために必要な現在のツールや方法論のセットを改善する必要性が残っていることを提案します。

課題5:天気予報

流体が記述する現象は複雑ですが、流体運動の法則の外観はごまかすように単純で、これらの法則に従う方程式は非線形で、複数の種類の(そして理解するのが難しい)フィードバック効果を意味するものです。 大気とその状態の時間発展もこの問題から解放されることはない。 いずれにせよ、ここ数十年の大気科学研究の中心は、潜在的経済効果の大きさから、2-7日の範囲での信頼性の高い予報の確立であった。 人工衛星や地上からのリモートセンシングによる新しいデータの利用はこの点で、また、今ではいくらか古くなったグローバルなローインゾンデネットワークのような従来のデータセットの正しい維持は、この点で役立つであろう。 また、水蒸気と地表の特性の測定方法の改善も優先事項である。 すなわち、大気と地表面プロセスの相互作用の性質、水循環、深層対流の力学、大気力学における対流圏界面の役割、メソスケールモデルの開発における新たな推進力、波動ベースの気象・気候モデルで用いられるパラメタリゼーションの改善などである。 これらの改善の重要性を示す例として、オログラフィック重力波抗力が挙げられる。最近の研究で重要であることが示されたいくつかの効果を考慮すると、気象・気候予測モデルにおけるパラメータ化の更新が必要である。 このうち、風のシアーが表面抵抗と波動運動量フラックス(およびその散逸)の両方に与える影響や、閉じ込められた李波によって生じる抵抗(そのエネルギーは上方ではなく、その源の下流に伝播し、散逸する)などが挙げられる。 これらのオログラフィック重力波が晴天乱気流(CAT)に与える影響は、非常に深刻な航空障害であるが、十分な定量化がなされていない。 しかし、自然界に広く存在する方向性シアーが重力波の砕波につながることはよく知られており、これがCATの重要な発生源となる可能性があります。 また、重力波が山や丘の風下に捕捉されると、ローターと呼ばれる非定常な乱流閉回路が形成され、これも重大な航空障害となる。 このような流れの構造の発生に必要な条件についての理解は不完全であり、最近の山岳波理論の進歩が役立つことは間違いない。 気象・気候のリモートセンシング

地上・衛星リモートセンシングは、大気・陸地・海洋のプロセスや時空間状態の定量化を可能にし、気象・気候システムおよびその変化に関する我々の理解に大きな進歩をもたらした(Yang et al.、2013年)。 気象学における衛星画像の集中的な利用や、海面上昇の空間的なパターンは、この良い例を提供している。 このような時系列は、通常、多くの気候変数の長期的な傾向を捉えるには期間が短すぎるため、これらの時系列の期間を延長することが一つの大きな課題となっている。 雲や降水の地域的・地球的な循環のリモートセンシングも、気候モニタリングやモデル出力の検証のために必要である。 もう一つは、雲と降水の構造を理解するための新しいパッシブ放射計とレーダーの開発で、特に熱帯の暖雨過程、中緯度の少雨、降雪、雲水量、氷水量、降水可能水量、水蒸気量に重点を置いた研究です。 水文気象学の課題の一つは、水循環の大気・大陸部分の観測とモデリングを拡張・改善し、その閉鎖性を可能にすることである(例:山岳地帯、極地)

Challenge 7: 水循環の大気部門

水循環に関する多くの課題の中で、水分の大気輸送に関するものは、完全に大気科学の領域内に存在するため、特に言及されなければなりません。 ここでは、Gimenoら(2012)の最近のレビューで述べられている課題のうち、最も緊急性の高いものについて考えてみます。 水蒸気源の診断は、異常気象(洪水、干ばつなど)の解析における主要な研究ツールとなり、地域および地球規模の気候評価における基本ツールと考えることができる。したがって、大気中の水蒸気の源-吸収源の関係を確立するために用いられる様々なアプローチの整合性を確認することが必要である。 このことは、それ自体も重要であるが、氷床コアや洞窟堆積物などの最も重要な古気候アーカイブを正しく解釈する上でも極めて重要である。 さらに、極端な気象現象(低層ジェットや大気河川などの構造物による大雨や、水分源領域からの水蒸気供給の長期的な減少による干ばつ)を引き起こす主要因としての水分輸送の役割をよりよく理解することも課題である。 水分源領域が過去数年間定常状態にあったかどうかを評価するためには、気候変動の主なモードが水分領域の変動に与える影響と、気候変動下で水分の輸送がどのように行われるかを理解する必要がある。 これらの未解決の問題は、気候科学者の実質的な挑戦となっている

課題8: 気候シミュレーションにおけるスケールの相互作用

さまざまな空間的・時間的スケール間の相互作用の結果、我々が気候と呼ぶものが生じるのである。 (ローレンツ(Lorenz 1967)は、さまざまな地域で観察される気候の重要な特性のいくつかを説明する上で、スケールの相互作用の重要性を最初に強調した。 これらのスケール間相互作用のほとんどは非線形であるため、モデル化が困難であり、その結果として、これは今でも気候シミュレーションの不確実性の源となっている。 気候モデルからの出力をダウンスケールするための経験的手法がいくつか提案されているが、特に地域スケールでの長期的な気候予測を解釈するために使用する場合、これらはまだいくらか議論の余地がある(Pielke and Wilby, 2011)。 気候系の主要なサブシステム(大気、海洋、生物圏、雪氷圏)間の結合相互作用を予測する全球モデルの境界条件を使用することは、全球モデルにおける大規模な気候誤差の保持、側面境界条件への大きな依存性、地域モデルと全球モデル間の双方向性の欠如などの多くの問題点を有する。 特に、メソスケール対流系が大規模循環と相互作用し、水循環に重要な役割を果たす熱帯地域では、小規模大気プロセスの役割は、通常は短命の現象であるが、非常に重要であることが判明している。 例えば、熱帯低気圧は、その活動や軌道によって、地域によっては非常に雨の多い年や乾燥した年になることがある。 この要素は気候モデルでシミュレーションするのはかなり難しいが、地域気候への貢献は疑う余地がなく、気候モデルシステムに組み込むためには、よりよく理解する必要がある

課題 9: ヨーロッパ(2003年)、ロシア(2010年)、アメリカ(2011年)の熱波や、ニューオリンズ(2005年カトリーナ)、ニューヨーク(2012年サンディ)など、近年人口密集地を襲った致命的かつ非常に高価なハリケーンの結果として、近年さまざまな気象・気候現象の影響がメディアや国民全体の目に触れるようになり、重要視されるようになりました。 同様に、長期にわたる干ばつは、オーストラリア南部(2002-2010)や米国南西部などの穀物生産者に深刻な問題を引き起こし、森林火災の可能性が高まる(アマゾン、2005年および2010年)。 これらの異常現象の中には、北大西洋振動(NAO)のような活発な循環パターンの発生や、暴風雨跡やジェット気流の遮断・変位と密接に関係するものがある。 極端現象は時系列的には稀であるため、極端現象の解析と関連して、気候系列を可能な限り拡張することが急務であり、そのために機器データや歴史データ、代理データに基づく過去の気候の復元が引き続き不可欠である。 最近のIPCC報告書(IPCC, 2013)は、このような気候異常事象への関心の高まりが、気候変動という広い文脈の中で取り組まれなければならないことを示している。なぜなら、地球、地域、さらには地方の気候に予想される変化は、異常現象の大きさや頻度の変化を通じて感じられる可能性が最も高いと考えられるからである。

課題10:気候に対する太陽の影響

最近の地球規模の気候変動の約8%が太陽変動に起因すると推定されていますが、太陽強制の多くの側面と太陽変動を地球の気候系に結合するメカニズムがまだ十分に理解されていないことを考えると、この数字は慎重に扱われなければなりません(Gray et al.)。 2010). 大気・気候モデルの複雑化・高度化が進み、予測精度を向上させる必要がある中、これらのモデルに太陽強制のより完全な姿を含めることができるようになることが重要である。 太陽強制の発生源は、放射駆動型と粒子駆動型に分けることができる。 放射強制力の科学的な焦点は、現在、太陽スペクトル放射照度(SSI)の変動によって引き起こされる全球的なものから地域的なものへと移行しつつある。 SSIの変動の性質、モデルへの組み込み方、そして太陽が現在の太陽活動の最大値から新たなマウンダー極小値に向かって移動する場合、将来の太陽サイクルにおいてどのように変化するかなど、多くの疑問が残っている。 粒子駆動成分は、さらに高エネルギー粒子降下(EPP)と宇宙線(CR)効果に分けられる。 EPP効果は、まず上部成層圏と下部熱圏に影響を与える。 EPPの大気への化学的影響はよく理解されているが、さらなる力学的影響や、地球の気候に及ぼす潜在的なメカニズムや影響の大きさを理解することが急務である。 EPPが気候に与える潜在的な影響は、新たな研究領域であり、気候モデルがEPPの影響をより直接的に受ける高高度まで拡張されている現在、より重要性を増している分野です。 EPPは、熱圏下部から成層圏、さらに極域の成層圏-対流圏結合を経て対流圏に至る重要な輸送経路の1つである。 また、近い将来、太陽活動の雷極小期への移行に伴い、放射強制力の影響が強まるため、EPPの影響がより顕著になる可能性がある。 太陽強制のうち、CR駆動成分は現在最も理解が進んでいないと考えられているが、現在進行中の国際的な研究努力によって、この問題に取り組んでいる。

課題11:都市の気象と気候

都市のヒートアイランド(UHI)は、おそらく都市の存在が地域の微気候に与える影響として最もよく知られているもので、都市の夜間の気温は周辺地域よりはるかに高く(最大で10℃以上)なることがあります。 都市気候は、20年前に気象学の一分野として生まれたが、現在では成熟した研究分野となっている。 基礎的な理論研究から応用的な研究まで、さまざまなテーマを扱っており、気候の知識を世界中の都市のより良い設計に応用することを主な目的としています。 微気象学は、そのスケールの大きさから、常に都市研究の中核をなす分野であった。 都市気象学の研究者は、1970年代以降、継続的な観測装置の開発とプロセス分析のパイオニアとして活動してきました。 UHIの形成につながるプロセス(3次元形状と都市構造を構成する材料による物理的な性質がほとんど)は、これらの初期の研究から生まれたものである。 今日、このかなり複雑な都市境界層の測定に関して、多くの課題が残っています。 新しい短距離の遠隔探知装置を用いて、関連する物理的プロセスの専門的な見解を得ることができるようになりました。 このような機器の開発は必然的に継続することになる。 都市気候は、大気モデルの解像度が十分に高くなり(数km)、都市を明示的に表現できるようになって初めて、大気モデラーによって取り組まれるようになった。 都市表面と大気との間のエネルギーと水の交換を表現する最初のモデルは2000年代初頭に登場し(Masson, 2006およびMartilli, 2007のレビューを参照)、現在では数値天気予報モデルでますます多く利用されるようになってきている。 都市モデルの最初の国際的な相互比較 (Grimmond et al., 2010, 2011) では、例えば都市植生の表現など、明らかに改善すべき点が議論された。 さらに、大気モデルより約15年遅れて、地域気候モデルは都市スケールに対応する空間解像度を持つようになった。 これはもちろん、気候モデルにおいて都市を適切に表現するという新たな課題を提起している。 同様に、都市気象の研究も、物理学や化学にとどまらず、住民の行動を考慮したものでなければならない。 生物気象学的な研究はすでに存在しますが、特に人間の快適さのレベルという点では、気象学と社会の世界の相互作用は、たとえば人間の快適さだけでなく、気象に依存したエネルギー使用という点でも、依然として都市気象学者にとって主要課題の1つを形成しているのです。 南極の成層圏ではハロカーボン濃度は2000年頃にピークを迎え、その後減少に転じている。 現在の予測では、2050年頃に完全に回復する可能性があると言われています。 つまり、オゾンとオゾン層破壊ガスの両方の観測を継続し、回復を保証することが大きな課題となっています。 気候が変化する中で、プロセスの基本的な理解やシミュレーションの向上は特に重要です。 気候の変化がオゾン層にどのような影響を与えるか、そしてオゾンの回復が気象や気候にどのような影響を与えるか、その両方向をシミュレーションする必要があるのです。 この場合、いわゆる気候化学モデル(CCM、Lamarqueら、2013)が重要であると思われる。

前述の大気科学研究における今後数年の課題のリストは、最も緊急の未解決問題のうちのいくつかに関連しているだけで、当然、不完全なままである。 ここに記載された課題は、Frontiers in Atmospheric Scienceの主要な研究トピックであると見なしてはならない。 また、Frontiers in Atmospheric ScienceのAssociated Editorsチームは有用なコメントを提供している。

Gimeno, L., Stohl, A., Trigo, R. M., Dominguez, F., Yoshimura, K., Yu, L.、他 (2012). 大陸性降水量の海洋および陸上起源. Rev. Geophys. 50:RG4003. doi: 10.1029/2012RG000389

CrossRef Full Text

Gray, L. J., Beer, J., Geller, M., Haigh, J. D., Lockwood, M., Matthes, K.他 (2010).大陸性降水と海洋性降水との関係. 気候に対する太陽の影響。 Rev. Geophys. 48:RG4001. doi: 10.1029/2009RG000282

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E.、その他(2010). 国際都市エネルギーバランスモデル比較プロジェクト:フェーズ1の最初の結果。 J. Appl. Meteorol. Climatol. 49, 1268-1292. doi: 10.1175/2010JAMC2354.1

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E.他 (2011).都市部におけるエネルギー収支モデルの国際比較プロジェクト。 国際的な都市エネルギーバランスモデル比較のフェーズ 2 の初期結果。 Int. J. Climatol. 31, 244-272. doi: 10.1002/joc.2227

CrossRef Full Text

IPCC. (2013). 気候変動: 気候変動に関する政府間パネルの評価報告書. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Lamarque, J.-F., Shindell, D. T., Josse, B., Young, P. J., Cionni, I., Eyring, V., et al(2013).。 大気化学・気候モデル相互比較プロジェクト(ACCMIP):概要とモデル、シミュレーション、気候診断の記述。 Geosci. Model. Dev. 6, 179-206. doi: 10.5194/gmd-6-179-2013

CrossRef Full Text

Lorenz, E.N. (1967). 大気の性質と理論. Geneva: WMO, 161.

Martilli, A. (2007). 都市メソスケールモデリングにおける現在の研究と将来の課題。 Int. J. Climatol. 27, 1909-1918. doi: 10.1002/joc.1620

CrossRef Full Text

Masson, V. (2006). 都市表面のモデリングと都市のメゾスケールの影響. Theor. Appl. Climatol. 84, 35-45. doi: 10.1007/s00704-005-0142-3

CrossRef Full Text

Muller, C. L., Chapman, L., Grimmond, C. S. B., Young, D. T., and Cai, X. (2013). センサーと都市:都市気象ネットワークに関するレビュー。 Int. J. Climatol. 33, 1585-1600. doi: 10.1002/joc.3678

CrossRef Full Text

National Research Council. (1998). 大気科学。 21世紀を迎えて. ワシントンDC:The National Academies Press.

Pielke, R. A. Sr., and Wilby, R. L. (2011).大気科学:20世紀を迎えて(1998).大気科学:20世紀を迎えて(1998). 地域気候のダウンスケーリング-何のために? EOS 93, 52-53. doi: 10.1029/2012EO050008

CrossRef Full Text

Wang, C. (2013). 人為的な吸収性エアロゾルの雲と降水への影響:最近の進展のレビュー(Impact of anthropogenic absorbing aerosols on clouds and precipitation: a review of recent progresses). Atmos. 122, 237-249. doi: 10.1016/j.atmosres.2012.11.005

CrossRef Full Text

Yang, J., Gong, P., Fu, R., Zhang, M., Chen, J., Liang, S, and al. (2013). 気候変動研究における衛星リモートセンシングの役割。 Nat. Clim. Change 3, 875-883. doi: 10.1038/nclimate1908

CrossRef Full Text

.

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。