現在、コンピュータシミュレーションは環境研究を支える重要な研究方法となっています。天気予報や災害の予測など、私たちの日常生活と深く関係していることもあります。シミュレーション研究の内容は多岐にわたり、日々進歩しています。このシリーズでは、環境研究におけるシミュレーション研究の多様性や重要性を紹介いたします。大気汚染のシミュレーションとは?私は、大気汚染のシミュレーションをしています。ニュースに出てくる言葉でいうと、PM2.5(エアロゾルの一部)、黄砂、オキシダントなど空気中に含まれる微量な物質を研究の対象にしています。これらの物質が「日本付近の空気」の中にどのぐらい存在しているか(空気中の濃度がどれくらいか)をシミュレーションによって推定しています。大気汚染のシミュレーションは、PM2.5が「地球の気候変動」にどの程度の影響を与えるか、ということを推定する際にも使われます。「日本付近の空気」と「地球の気候変動」の話は、全然違うことのように思われるかもしれません。大気汚染は、大気環境と気候変動の両方に影響を与えています。そこで、私はこの両方の影響に注目したシミュレーションを行っています。「日本付近の空気」の大気汚染シミュレーションを行う際には、特定のある領域のみを計算対象とする「領域シミュレーション」を行います(図1b)。シミュレーションの対象領域内を高い解像度(5kmから20kmのグリッドサイズ)で計算します。コンピュータの計算能力には限界があるので、高解像度計算のためには、シミュレーションの領域の広さを小さくする工夫をします。高解像度で計算すると、都市部での人間活動から発生した大気汚染物質をきちんと取り扱うことができ、より現実に近い大気汚染の分布を計算することできます。大気汚染物質はシミュレーションの対象領域外からも流入するので、対象領域外は先に計算をしておき、これを境界データとして与えることで、領域シミュレーションを行います。地域環境研究センターで運用している大気汚染予測システムVENUS(http://venus.nies.go.jp/)は、このような方法によって大気汚染のシミュレーションを行なっています。「地球の気候変動」の大気汚染シミュレーションには、地球全体を計算対象とする「全球シミュレーション」を行います(図1a)。領域シミュレーションに比べて、計算する範囲が広いので、コンピュータの計算能力に限界がある状況下では、粗い解像度(50kmから300km)のシミュレーションしかできません。地球全体の影響を推定する場合には、粗い解像度であっても、大気汚染が気候への影響を与えるメカニズムを評価することが可能です。具体的にいうと、大気汚染物質であるエアロゾルは、太陽光を吸収する成分と吸収しない成分があり、凝結核となって雲を生成しています(図2)。これにより、放射フラックスを変化させ、気候に影響を及ぼします。これまでのシミュレーション研究によって、エアロゾルの存在は、全体としては地球を冷やす効果があることがわかっています。エアロゾルが地球の気温にどれほどの影響を与えるのか、というようなエアロゾルの気候への具体的な見積もりは、その不確実性が年々減少しています。雲に関するシミュレーションには課題が未だ多く残されており、大気汚染と雲の関係性に関しては未だ不確実な部分が多いのが現状です。図1NICAM-Chemのモデル改良サイクルの模式図。全球シミュレーションで示した準一様格子によって地球全体の大気の流れをシミュレーションすることができます。2017)の2つの異なる格子システムが存在します。全ての格子において、大気汚染物質の計算を担うプログラムは共通のものを利用できるので、どれか1つの格子系で改良されたプログラムは、別の格子系でも適用することが可能です図2大気汚染物質であるエアロゾルは、光を吸収する成分(黒色の丸)と吸収しない成分(白色の丸)があり、太陽からの光を散乱・吸収することで、太陽からの放射フラックスを変化させます。右図で示したように、吸湿性のあるエアロゾルは雲凝結核となることができ、雲の微物理特性も変化させています。領域(日本スケール)から全球(地球スケール)をシームレスに(空間的に繋ぎ目がなく、スムーズに)に取り扱う大気汚染シミュレーション1で挙げた領域シミュレーションと全球シミュレーションは、それぞれ異なる数値モデルを用いており、その目的や使い方もはっきり分けられ、別々に開発・改良されてきました。近年は状況が変わっており、双方を同時に取り扱うことができる数値モデルが開発されました。2018)という大気汚染物質輸送シミュレーションモデルです。