[論文レビュー] The Relationship between Precipitation and Aerosol: Evidence from Satellite Observation

Chongxing Fan, Maiqi Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Atmospheric aerosols and clouds参考文献 18被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、A-Train衛星観測を用いて気溶媒と降水量の関係を調査し、気溶媒光学厚さ（AOD）と降水量強度の間で正の相関が確認された。この正の相関は、雲の水滴濃度（CDNC）とAODの間の負の相関に起因しており、高濃度の気溶媒が水滴濃度を低下させるが、雲の微物理的特性およびレーダ反射率スペクトルの変化によって降水量を増加させる。

ABSTRACT

The interaction of aerosol-cloud-precipitation has an important impact on the global climate. The understanding of this issue is related to the uncertainty of climate change prediction. The traditional indirect effect of aerosols suggests that when the number of aerosols increases, it will act to suppress precipitation. However, recent studies on satellite observations have found that aerosols are positively correlated with precipitation, which is contrary to conventional views. This study attempts to use the A-Train satellite product to verify the correlation between aerosol and precipitation, and further reveals the possible physical mechanism of the positive relationship between aerosols and precipitation in satellite observations through the three-dimensional structure of clouds. The study found that the precipitation intensity is positively correlated with the aerosol optical depth, while the relationship between the cloud droplet concentration and the precipitation intensity is related to the liquid water path; and when the number of aerosols increases, the radar reflectance spectrum is widened, and the precipitation increases, while the cloud droplet concentration shows the opposite phenomenon. It can be concluded that the possible cause of positive correlation between aerosol and precipitation is the negative correlation between CDNC and AOD.

研究の動機と目的

• 従来の間接的気溶媒効果（気溶媒濃度が高くなると降水量が抑制される）と、最近の衛星観測で示される気溶媒-降水量の正の相関の間にある矛盾を解明すること。
• 複数の衛星観測データを用いて、気溶媒光学厚さ（AOD）と降水量強度の間の観測された正の相関の背後にある物理的メカニズムを調査すること。
• 三次元的な雲の構造と微物理的特性を分析し、気溶媒が降水量プロセスに与える影響を理解すること。
• 雲の水滴濃度（CDNC）と液水分路（liquid water path）が気溶媒-降水量関係をどのように媒介しているかを明確にすること。

提案手法

• A-Train衛星コンステレーションのデータを活用し、気溶媒光学厚さ（AOD）、雲の特性、降水量を測定する機器を用いる。
• 統計的相関および回帰分析を用いて、AOD、降水量強度、雲の水滴濃度（CDNC）、液水分路の関係を分析する。
• レーダ反射率スペクトルを分析し、気溶媒条件の変化に伴う雲粒子のサイズおよび降水量効率の変化を評価する。
• 三次元的な雲の構造分析を適用し、気溶媒負荷が雲の微物理的特性および降水量発達に与える影響を区別する。
• 複数センサーの衛星データ統合を用いて、相関分析の信頼性を高めるために空間的・時間的分解能を向上させる。
• 統計モデルを適用し、液水分路が気溶媒-降水量関係に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ衛星観測では、従来の間接的気溶媒効果とは逆に気溶媒光学厚さ（AOD）と降水量の間に正の相関が示されるのか？
• RQ2 気溶媒負荷の増加に伴い、雲の水滴濃度（CDNC）はどのように変化するのか？また、その変化が観測された降水量トレンドに果たす役割は何か？
• RQ3 液水分路と気溶媒-降水量相関の関係は何か？
• RQ4 気溶媒負荷が増加するに従い、レーダ反射率スペクトルはどのように変化するのか？また、これは降水量発達に何を示唆するか？
• RQ5 衛星観測で示されるAODと降水量強度の正の相関を説明する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 降水量強度は気溶媒光学厚さ（AOD）と有意に正の相関を示し、これは従来の間接的気溶媒効果と矛盾する。
• 雲の水滴濃度（CDNC）と降水量強度の関係は液水分路に依存しており、雲の深さに条件づけられた依存関係であることが示された。
• 気溶媒数が増加するにつれて、レーダ反射率スペクトルが広がり、より大きなまたは多数の水分粒子が存在することを示しており、これにより降水量効率が向上する。
• CDNCとAODの逆相関関係が、AOD-降水量正の相関を駆動する主要なメカニズムであると特定された。
• 高濃度の気溶媒負荷はCDNCを低下させるが、降水量を増加させる。これは、高濃度気溶媒条件下で衝突凝結などの微物理的プロセスが強化されていることを示唆する。
• 三次元的な雲の構造分析により、気溶媒に起因する雲の微物理的特性の変化が、水滴濃度の低下にもかかわらず降水量発達を促進することが確認された。