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佐藤 純次、里村 雄彦、佐々木秀孝 気象研究所 応用気象研究部 村治 能孝 株式会社エナジシェアリング |
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東アジア地域における酸性沈着を評価するために、気象及び輸送の二つのサブモデルから構成される長距離輸送モデルを開発した。気象サブモデルは気象庁の現業用数値予報モデルを改良し、輸送サブモデルに必要な気象変数を予測した。輸送サブモデルにはラグランジュ粒子法を採用し、拡散にはランダム・ウォーク法を用いた。輸送サブモデルは乾性沈着、降水による沈着及び汚染質の変質過程を含んでいる。
1985年の東アジア地域における硫黄酸化物の輸送過程の数値シミュレーションを実施し、年間の沈着を評価した。シミュレーションの結果では、本邦における国外の発生源に起因する湿性沈着は約0.05gS/m2/年であり、この値は本邦で測定されたサルフェートの湿性沈着量の約1/10であった。北九州地域の沈着量は韓国、台湾及び中国南東地域から輸送された硫黄酸化物の影響が大きく、一方、新潟における沈着量は中国の発生源からの寄与が大きいことが示された。
東アジア地域は急速な工業化の進展に伴って膨大なエネルギーが消費されている。年間に24万トンを越える硫黄酸化物が大気中に排出されており、酸性沈着が深刻な問題となりつつある。しかしながら、東アジア地域では酸性雨の国際的な観測網が未だ展開されていないので、越境汚染による酸性沈着量を推測する事は困難であり、現状では数値モデルによってこれを推測する以外に方法がない。
このような背景から本研究の目的は長距離輸送モデルを開発し、これを東アジア地域に適用し、越境汚染による酸性沈着量を推測することである。沈着過程を取り入れた多くの輸送モデルが開発されているが(例えばVenkatram, 1982; Liu と Stewart, 1982; Shin他 1992)、これらのモデルは観測された気象データを用いたものである。一方、Kimura 他 (1988)は気象庁の全球数値予報モデルを用いて気象を予測し、輸送モデルによりチェルノブイリ原子力発電所からの放射性物質の輸送過程を再現している。Rolph et al.(1993)は米国国立気象センターのネスティングした格子モデルを用い、また欧州酸性沈着モデル(EURAD:Molders 他, 1994)はNM4(メソスケールモデル、バージョン4)により気象場を再現している。
東アジア地域は多くの領域が海洋に占められており、利用可能な観測気象データが無いために本研究でも観測気象データの代わりに数値モデルにより気象変数を予測した。
この研究で開発した長距離輸送モデルは二つのサブモデルで構成されている:気象場を予測する気象サブモデルと移流、拡散、沈着及びSO2からSO42-への変質過程を含んだ輸送サブモデルである。各サブモデルについては以下に概説する。
気象サブモデルは北緯60度の平面上にポーラーステレオ投影された地形に対して東西方向に73の格子、南北方向に55格子を有している。モデル領域と地形は図-1に示してある。


モデルは運動量、質量、比湿、温度についてのプリミティブ方程式でフラックス形式で表示している。運動方程式は移流、渦度、気圧傾度力、及び格子より小さいスケールの水平、鉛直拡散の項で構成され、以下のように表現される。



熱力学方程式は次のように表される:

比湿の式は:

連続の式は:







接地気層とエクマン層の物理過程にはそれぞれ相似則とレベル2の乱流クロージュアモ デル(Mellor と Yamada, 1974)を採用している。初期値と境界値には気象庁の全球客観解 析値(GANL)を用いた。
硫黄酸化物の輸送モデルは以下のような質量保存則を基本としている:

輸送モデルには鉛直拡散にランダムウォーク法を採用したラグランジュ粒子法を用いた。粒子の3次元の運動は以下の関係よって計算される:







ランダムウォーク法は格子モデルより高い分解能を持っているが、誤差を少なくするためには多数の粒子を放出する必要がある。今、時間tで鉛直座標の位置zにある1個の粒子をz(t)とすれば、その粒子のδt時間後の位置は次のように外挿される:



粒子は次の条件を満足すれば乾性沈着するものと仮定した−粒子の位置は前もって決めた高度、Hdep=0.99σより低高度にあること、及びそれぞれの粒子と時間ステップ毎に与えられる数値が以下に定義される数値Pddepより小さいこと:

| Vd (cm/sec) | ||
| Species | Land | Water |
| SO2 | 0.51 | 0.32 |
| SO42- | 0.21 | 0.02 |
この研究で用いている気象サブモデルでは雲の表現が出来ないので、湿性沈着過程には降水による沈着のみを考慮した。湿性沈着は毎時間計算し、粒子は次のような確率で地表面に沈着するようにした:

粒子が格子点上にある場合
RR=1;予測した降水量がしきい値の0.1mm/h以上合った場合。
RR=0;その他
粒子が格子点間にある場合
RRは粒子の位置の周りの格子点上の降水量を内挿し、RRを決定する。
降水による湿性沈着率に関しては多くの研究がなされているが(例えばEliassen, 1982や Fisher, 1985 など)、しかし、それらの値には10-5/sから10-3/sまで非常に大きな較差がある。したがって、ここでは0.1mm/h以上の降水に対してSO2については3×10-5/s、SO42-については1×10-4/sを仮定した。
モデルではSO2からSO42-への気相酸化反応だけの変質を考慮した。今までに研究された文献によるとこの変換率には大きな較差がある。例えば、Cox (1974)は都市域の煙流中でNOxと炭化水素の光化学酸化率及びオゾンとオレフィンの熱的酸化率は0.01〜0.1/hであると推測している。Eliassen と Saltbones (1975)は0.007/hを提唱し、Alkezweeny と Powell (1977)は大気中における航空機観測から0.1〜0.12/hを得ている。このモデルでは0.01/hを仮定した。Nguyen 他 (1974)によれば南極域や南太平洋等の汚染されていない大気におけるSO2に対するSO42-の存在比はSO2の供給が無ければ概ね0.9であるので、モデルにおける変換の上限を90%と制限を付けた。
硫黄酸化物の長距離輸送モデルを検証するために、北米の冬季の約3カ月間(1984年12月4日〜1985年3月5日)についてのシミュレーションを実施した。発生源データはNAPAP(National Acid Precipitation Assessment Program)によるものを用い、沈着量データはNADP/NTN(NationalAtmospheric Deposition Program / NationalTrend Network)によるもを用い、これらの検証用の測定データは米国環境保護庁からの提供を受けた。

図3はSO42-の実測された冬季3カ月間の沈着量分布を示したものである。沈着量の大きな値はオハイオ、インデアナ及びケンタッキー州にわたって出現しているが、これらの州はいずれも大発生源を持った州である。一方、図4はシミュレーションによる分布図である。最大沈着量の出現する地域は概ね一致しているが、オクラホマ州及びテキサス州北部における沈着がモデルでは再現されていないことが分かる。

図5はSO42-の湿性沈着量についての実測とモデル計算の散布図であるが、全体的に過小評価を示している。特に、□印はオクラホマとテキサス州におけるデータであり、前述したように、極端な過小評価である。
この検証計算の結果、モデルは過小評価の傾向を持つことが分かった。これは降水量のしきい値が大き過ぎたためであると考えられたので、アメダスデータを用いて日本域だけの降水についてスコア解析によって検証をした結果、降水のしきい値を0.1mm/hとした。

アフガニスタン及びパキスタンより東のアジア25カ国における硫黄酸化物の人為的発生源は1975、1980、1985及び1987年について燃料消費量を基礎にして計算されており(加藤 他, 1991; Kato と Akimoto, 1992)、中国とインドについては省、州毎に分割されている。さらにこの発生源データはAkimoto と Narita (1992)によって1°×1°の格子に変換されている。この研究では加藤 他 (1991)による1985年についての硫黄酸化物の発生源データを用い、各国別、省、州別のデータを都市の人口、工業地域の活性度を考慮し、重みを付けて80の点源に置き換えた(表2)。越境汚染の状況を調べる目的のシミュレーションには日本とデータの無いロシアの発生源を除いた66の点源を採用した。火山や他の自然起源の発生源も除いてある。
| No. | Countries | Providences | Cities | Emission | Lat. | Long. | |
| 1 | China | Beijing | Beijing | 401.0 | 39.90 | 115.40 | |
| 2 | Tianjin | Tianjin | 280.0 | 39.15 | 117.22 | ||
| 3 | Hebei | Shijiazhuang | 963.0 | 38.02 | 114.50 | ||
| 4 | Shanxi | Taiyuan | 367.0 | 37.90 | 112.55 | ||
| 5 | Shanxi | Datong | 367.0 | 40.10 | 113.28 | ||
| 6 | Niemenggu | Baotou | 477.0 | 40.50 | 109.50 | ||
| 7 | Niemenggu | Huhehoto | 53.0 | 40.75 | 111.70 | ||
| 8 | Liaoning | Dalian | 188.4 | 38.85 | 121.55 | ||
| 9 | Liaoning | Anshan | 565.2 | 41.10 | 122.95 | ||
| 10 | Liaoning | Shanyang | 94.2 | 41.75 | 123.40 | ||
| 11 | Liaoning | Fushun | 94.2 | 41.80 | 123.85 | ||
| 12 | Jirin | Changchun | 198.6 | 43.90 | 122.25 | ||
| 13 | Jirin | Jirin | 132.4 | 43.85 | 126.50 | ||
| 14 | Heilongjiang | Harbin | 257.0 | 45.75 | 126.55 | ||
| 15 | Heilongjiang | Qiqihar | 51.4 | 47.30 | 123.95 | ||
| 16 | Heilongjiang | Daqing | 154.2 | 46.60 | 124.90 | ||
| 17 | Heilongjiang | Jiamusi | 51.4 | 46.75 | 130.35 | ||
| 18 | Shanghai | Shanghai | 574.0 | 31.20 | 121.45 | ||
| 19 | Jiangsu | Nanking | 834.0 | 32.05 | 118.75 | ||
| 20 | Jiangsu | Maanshan | 139.1 | 31.70 | 118.45 | ||
| 21 | Jiangsu | Wuxi | 417.3 | 31.60 | 120.25 | ||
| 22 | Zhejiang | Hangzhou | 354.0 | 30.22 | 120.04 | ||
| 23 | Anhui | Hefui | 264.0 | 31.85 | 117.25 | ||
| 24 | Anfui | Husinan | 176.0 | 32.61 | 116.95 | ||
| 25 | Fujian | Fuzhou | 81.2 | 20.06 | 119.30 | ||
| 26 | Fujian | Amoy | 60.9 | 24.41 | 118.12 | ||
| 27 | Fujian | Sanming | 60.9 | 26.20 | 117.60 | ||
| 28 | Jiangxi | Nanchang | 187.5 | 28.68 | 115.90 | ||
| 29 | Jiangxi | Ganzhou | 187.5 | 25.83 | 114.88 | ||
| 30 | Shandong | Jinan | 1110.9 | 36.62 | 117.00 | ||
| 31 | Shandong | Quingdau | 476.1 | 36.08 | 120.25 | ||
| 32 | Henan | Zhengzhou | 623.0 | 34.75 | 113.70 | ||
| 33 | Henan | Luoyang | 267.0 | 34.70 | 112.40 | ||
| 34 | Hubei | Wuhan | 499.0 | 30.56 | 114.25 | ||
| 35 | Hunan | Changsha | 522.0 | 28.20 | 113.00 | ||
| 36 | Guangdong | Guangzhou | 341.6 | 23.20 | 113.25 | ||
| 37 | Guangdong | Swatowu | 85.4 | 23.70 | 117.38 | ||
| 38 | Guangxi | Nanning | 172.0 | 22.80 | 108.28 | ||
| 39 | Guangxi | Liuzhou | 172.0 | 24.30 | 109.12 | ||
| 40 | Sichuan | Chengdu | 898.8 | 30.70 | 104.05 | ||
| 41 | Sichuan | Chongqing | 898.8 | 29.55 | 106.50 | ||
| 42 | Sichuan | Luzhou | 449.4 | 28.85 | 105.30 | ||
| 43 | Chuizhou | Guiyang | 591.0 | 26.60 | 106.70 | ||
| 44 | Yunnan | Kunming | 437.5 | 25.05 | 102.70 | ||
| 45 | Yunnan | Gejiu | 187.5 | 23.35 | 108.15 | ||
| 46 | Xizang | Lhasa | 2.0 | 29.85 | 91.15 | ||
| 47 | Shanxi | Xian | 680.0 | 34.26 | 108.90 | ||
| 48 | Shanxi | Yanan | 170.0 | 36.59 | 109.40 | ||
| 49 | Gansu | Yumen | 24.5 | 39.35 | 94.45 | ||
| 50 | Gansu | Lanzhou | 220.5 | 36.00 | 103.85 | ||
| 51 | Qinghai | Xining | 47.0 | 36.50 | 101.65 | ||
| 52 | Ningxia | Yinchuan | 139.0 | 38.48 | 106.27 | ||
| 53 | Xinjiang | Urumuqi | 203.0 | 43.85 | 87.55 | ||
| 54 | Sounth Korea | Kyonggi | Seoul | 341.5 | 37.55 | 127.00 | |
| 55 | Kyongsangnam | Pusan | 341.5 | 35.10 | 129.00 | ||
| 56 | Kyongsangnam | Taegu | 341.5 | 35.85 | 128.55 | ||
| 57 | Chung chongnam | Taejon | 341.5 | 36.33 | 127.40 | ||
| 58 | Taiwan | Northern | Taipei | 346.5 | 25.05 | 121.48 | |
| 59 | Southern | Gaoxing | 346.5 | 22.60 | 120.25 | ||
| 60 | Hong Kong | Hong Kong | Hong Kong | 144.0 | 22.35 | 114.20 | |
| 61 | India | Asam | Nongpo | 121.0 | 26.20 | 91.80 | |
| 62 | Bihar | Kishanganji | 514.0 | 26.30 | 88.00 | ||
| 63 | Thailand | Kohlat | Uttaradit | 507.0 | 17.00 | 102.00 | |
| 64 | Philippines | Luzon Island | Manila | 351.0 | 14.50 | 121.00 | |
| 65 | North Korea | Western | Pyongyang | 346.5 | 39.00 | 125.50 | |
| 66 | Eastern | Hamhung | 346.5 | 39.50 | 127.50 | ||
シミュレーションは1985年について1年間実施した。わが国の沈着量に及ぼす国外の発生源からの寄与率を調べるために、わが国の発生源は除いた。

図6は環境庁による第1次酸性雨調査の測定点とモデルのリセプターを示した。OB1からOB14までのコード数を付した■印は測定点であり、CA1からCA10までの□印はリセプターで、□の面積内(格子間隔の1/4に相当する面積;31.8km×31.8km)で計算沈着量を平均した。実測のSO42-の湿性沈着量は7対の14点であり、それぞれ市街地と郊外における測定点が対になっている。計算による硫黄酸化物の乾性及び湿性沈着量を硫黄に換算して図7(a)に示した。乾性沈着量の年間積算値はわが国の東に位置するリセプターに従い小さくなって行く傾向が見られるが、湿性沈着量にはこのような傾向は見られない。同様に実測のSO4-2の湿性沈着量を図7(b)に示した。

ラグランジュモデルは発生源とリセプターの関係を決定するのには有効であり、総沈着量が最も大きい北九州地域における乾性沈着に寄与している発生源を調べてみたのが図8である。

一方、夏季には強い高気圧が太平洋に位置し、通常は日本では弱い南風が卓越する。しかし、1985年7月の初旬には低気圧がゆっくりと日本海を通り、北西風が続いた。従って乾性沈着に対しては韓国の釜山や大邸からの寄与が大きい。図9(b)に見られるように、夏季における湿性沈着に寄与する発生源は釜山、大邸(韓国)、台北、高雄(台湾)、長沙、南京、上海(中国)等である。また、非常に僅かではあるがウタラジット(タイ)の寄与も見られる。

北九州地域の沈着量に対する各国の排出源の相対的寄与率を図10に示した。乾性沈着については1月と7月共に韓国からの寄与率が圧倒的に大きい。湿性沈着については中国の寄与率が大きい。

一方、日本の中部に位置し、日本海に面した新潟地域における沈着量に対する各国の発生源からの寄与も調べた。新潟地域の沈着量は冬季に東アジア大陸の発生源に大きく影響されていると考え、このリセプターを選択した。図11は新潟地域における1985年1月(a)と7月(b)の乾性沈着に対する各国のそれぞれの発生源からの寄与率を示したものである。この地域に影響を与える発生源は韓国の影響が大きい北九州の場合とは全く異なり、7月の乾性沈着以外は中国の影響が大きい。7月の乾性沈着には韓国(釜山、大邸、大田)における発生源の影響が大きく、他に台湾(高雄)、中国の南東地域(南京、無錫)からの寄与がある。


北九州の乾性沈着量に影響する主たる発生源は韓国であり、湿性沈着量に対しては中国からの影響が大きい(図10参照)。一方、新潟の沈着量に対しては中国からの影響が大きい。

東アジア地域における酸性沈着を評価するための長距離輸送数値モデルを開発し、大陸の発生源からの越境汚染によるわが国に対する影響を調べるシミュレーションを行った。結果は大陸の硫黄酸化物発生源によるわが国への湿性沈着量は約0.05gS/m2/年であり、乾性沈着量は0.02〜0.17gS/m2/年であった。この値はわが国で測定されたサルフェートの湿性沈着量の1/10程度の量である。4地点における計算沈着量は実測の沈着量と比較していずれも計算値の方が低い値を示した。これは大陸の発生源からの影響が比較的低いことを示している。北九州地域の沈着量には韓国、台湾及び中国の南東地域の発生源が影響を与えており、一方、新潟地域の沈着量には主に中国の発生源が影響していることが分かった。
この研究は環境庁地球環境研究総合推進費による「東アジア地域の酸性、酸化性物質の動態解明に関する研究」の一部として実施されたものである。
北米における発生源、沈着量データを提供してくれた米国環境保護庁環境科学研究所のTerry L. Clark博士に謝意を表する。筑波大学の木村富士男教授には基本的ランダムウォークモデルを、また気象庁数値予報課の永田雅博士には気象モデルの提供を受け、ここに謝意を表する。本原稿に対してアドバイスを頂いた国立環境研究所のKenneth Wilkeninng博士に感謝の意を表する。この計算は気象研究所のHITAC M280/S810で実施した。
Akimoto, H. and H. Narita, 1994: Distribution of SO2 NOx and CO2 emissions from fuel combusion and industrial activities in Asia with 1゜×1゜resolution. Atmos. Environ., 28, 213-225.
Alkezweeny, A. J. and D. C. Powell, 1977: Estimation of transformation rete of SO2 to SO4 from atmospheric concentration data. Atmos. Environ., 11, 179-182.
Blackadar, A. K., 1962: The vertical distribution of wind and turbulent exchange in a neutral atmosphere. J. Geophys. Res., 67, 3095-3102.
Cox, R. A., 1975: Particle formation from homogeneous reactions of sulfur dioxide and nitrogen dioxide. Tellus, 26, 235-240.
Diehl, S. R., D. T. Smith and M. Syder, 1982: Random-walk simulation of gradient-transfer process applies to dispersion of stack emission from coal-fired power plant. J. Appl. Met., 21, 69-83.
Eliassen, A. and J. Saltbones, 1975: Decay and transformation rates of SO2, as estimated from emission data, trajectory and measured air concentrations. Atmos. Environ., 9, 425-429.
Eliassen, A., Φ. Hov, I. S. A. Isaksen, J. Saltbones and F. Stordal, 1982: A Lagrangian long range transport model with atmospheric boundary layer chemistry. J. Appl. Met., 21, 1465-1661.
Kato, N. Y. Ogawa, T. Koide, T. Sakamoto, S. Sakamoto and Research Group on the Energy Consumption in Asia and global Environment, 1991: Analysis of the structure of energy consumption and the dynamics of emission of atmospheric species related to the global environmental change (SOx, NOx, and CO2) in Asia. NISTEP report No. 21, 4th polisy-oriented Research Group, the National Institute of Science and Technology Policy (NISTEP), Science and Technology Agency of Japan.
Kato, N. and H. Akimoto, 1992: Anthropogenic emissions of SO2 and NOx in Asia:Emission inventories. Atmos. Environ., 26A, 2997-3017.
Kimura, F. and T. Yoshikawa, 1988: Numerical simulation of global scale dispersion of radioactive pollutants from the accident at the Chernobyl nuclear power plant. J. Met. Soc. Japan, 66, 489-495.
Liu, M. K. and D. A. Stewart, 1982: A mathematical model for the analysis of acid deposition. J. Appl. Met., 21, 859-873.
Louis, J. R.. 1979: A parametric model of vertical eddy flux in atmosphere. Boundary-Layer Met., 17, 187-202.
Mellor G. L. and T. Yamada, 1974: A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layer. J. Atmos. Sci., 31, 1791-1806.
M*lders, N., H. Hass, H. J. Jakobs, M. Laube and A. Ebel, 1994: Some effects of different cloud parameterization in a mesoscale model and chemistry transport model. J. Appl. Met., 33, 527-545.
Nguyen, B. C., B. Bonsang and G. Lambert, 1974: The atmospheric concentration of sulfur dioxide and sulfate aerosol over antarctic subantarctic areas and oceans. Tellus, 26, 243-249.
Rolph, G. D., R. R. Draxler and R. G. Pena, 1993: The use of model derived and observed precipitation in long-term sulfur concentration and dispersion modeling. Atmos. Environ., 27A, 2017-2037.
Shin, Woo-Chul and G. R. Carmichael, 1992: Analysis of wet deposition in the eastern United States. Atmos. Environ., 26A, 465-484.
Stewart, D. A., R. E. Morris, M. K. Liu and D. Henderson, 1983: Evaluation of an episodic regional transport model for a multi-day sulfate episode. Atmos. Environ., 17, 1457-1473.
Venkatram, A. B., B. E. Ley and S. Y. Wong, 1982: A statistical model to estimate long-term concentration of pollutants associated with long-range transport. Atmos. Environ., 16, 249-257.
Waleck, C. J. R., R. A. Brost and J. S. Chang, 1986: SO2, sulfate and HNO3 deposition velocities computed using regional landuse and meteorological data. Atmos. Environ., 20, 949-964.
Wesely, W. L., D. R. Cok and R. L. Hart, 1985: Measurement and parameterization of particulate sulfur dry deposition over grass. J. Geophys. Res., 90, D1, 2131-2143.
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