[Ｃ－１東アジア地域の大気汚染物質発生・沈着マトリックス作成と国際共同観測に関する研究]

課題名	C-1 東アジア地域の大気汚染物質発生・沈着マトリックス作成と国際共同観測に関する研究
課題代表者名	村野健太郎（独立行政法人国立環境研究所大気圏環境研究領域）
研究期間	平成１１－１３年度	合計予算額	252,814千円（うち13年度　80,399千円）
研究体制（１）中国、日本における大気汚染物質の総合観測とモニタリングデータの解析手法の高度化に関する研究　 ①中国における上空大気中の酸性雨原因物質の測定　　　（独立行政法人国立環境研究所）　 ②東アジア酸性雨モニタリングネットワークの測定および評価・解析手法の高度化に関する研究　　　（厚生労働省国立公衆衛生院、北海道大学、北海道環境科学研究センター　　　　新潟県保健環境研究所、広島県保健環境センター、（財）日本環境衛生センター）　 ③モデル検証のための日本の遠隔地点における大気汚染物質の総合観測　　　（独立行政法人国立環境研究所、兵庫県県立公害研究所、沖縄県衛生環境研究所）（２）東アジア地域の大気汚染物質発生源インベントリーの精緻化に関する研究　　　（独立行政法人国立環境研究所、埼玉大学、（財）計量計画研究所) （３）東アジア地域の大気汚染物質の発生、輸送、変質、沈着モデル開発に関する研究　 ①東アジア地域のＥＭＥＰ型大気汚染物質発生・沈着マトリックス作成に関する研究　　（独立行政法人国立環境研究所、京都大学、静岡大学、（研究協力機関）山梨大学）　 ②東アジア地域の広域輸送モデル開発に関する研究　　（国土交通省気象庁気象研究所）
研究概要１．序（研究背景等）　東アジア地域、特に中国を中心とする地域は経済発展が著しくエネルギー使用量が将来に渡り大きく増加することが予想されている。これに伴い硫黄酸化物を主とする大気汚染物質の放出量も急増して、その日本への影響が懸念されるところである。このため越境大気汚染、特に発生・沈着関係は、科学的に裏付けされた定量的なデータが必要とされている。また環境省が提唱している「東アジア酸性雨モニタリングネットワーク」（EANET）は、降水やガス、エアロゾル等のモニタリングを目指しているが、それを支えるためにも酸性雨、大気汚染に関する種々の研究に対する実績が日本に求められている。また欧米の研究者群が中国での酸性雨、大気汚染研究に乗り出しており、日本としても大気汚染物質の観測データ、発生量データを独自に持つと同時に、大気汚染物質の発生、輸送、変質、沈着モデルの開発を行うと同時にその検証データを蓄積しておかなければならない。２．研究目的　本研究課題は、アジア大陸から日本への越境大気汚染の定量化が研究目標である。そのためには大気汚染物質（硫黄酸化物、窒素酸化物、アンモニア、揮発性炭化水素）の発生量マップの作成が必須である。降水、雲物理過程を含む大気汚染物質の発生、輸送、変質、沈着モデルの開発と同時に、このモデルを地域別の発生・沈着関係（ＥＭＥＰ型発生・沈着関係）にすることが、定量的に越境大気汚染を記述することになる。また中国国内、日本における大気汚染、酸性雨の実体把握と同時に、大気汚染物質の発生、輸送、変質、沈着モデル検証のための大気汚染物質（硫黄酸化物、窒素酸化物、アンモニア、エアロゾル）の観測データを複数地点で取得する。EANET支援のために、東アジア酸性雨モニタリングネットワークの測定および評価・解析手法の高度化を行うと同時にロシアとの共同観測を行う。３．研究の内容・成果（１）中国、日本における大気汚染物質の総合観測とモニタリングデータの解析手法の高度化に　　　関する研究 ①中国における上空大気中の酸性雨原因物質の測定　東アジア地域全体をカバーするような、越境汚染・酸性雨の現象を解明するためにはリセプター地域である日本での観測とともに、ソース地域であるアジア大陸、特に大規模発生源たる中国における大気汚染物質の観測は必須である。従来政治体制などの問題から、中国における越境大気汚染に関連した観測調査は十分には行われていなかった。　本研究において我々は、平成11年度及び平成12年度には中国環境科学研究院の研究者と共同で、東シナ海・黄海を取り囲む３つの地点で、二酸化硫黄、窒素酸化物、オゾン、粒子状物質の測定を行った。観測サイトは遼寧省鳳凰山（Fenghuang Mountain、N 40°30'、E 124°高度～450m)、山東省青島市田横島（Tianheng Island、N 36°30'、E 121°、高度～30m）、および、浙江省乗泗県泗礁島（Shengsi Island、N 30°、E 122°、高度～200m)の３カ所である。平成11年度の観測は2000年１月15日～30日にかけて行われた。上海に近い泗礁島では、観測期間中概ねSO2濃度が低かった。一方、鳳凰山および田横島ではSO2濃度は高めで、時折両地点で同時にSO2や粒子濃度、硫酸塩濃度が高くなり、大規模な汚染気塊におおわれたことを示唆した。また平成12年度の観測は2001年２月16日～３月２日にかけて行われた。上海に近い泗礁島では、観測期間中概ねSO2濃度が低かったが、150ppbに達する高濃度が現れたこともあった。一方、鳳凰山および田横島ではSO2濃度は全体的に低めであった。　地上観測と並んで平成12年度には環境省の委託研究と提携して東シナ海上空で航空機観測を行った。2001年３月19日～22日に福江島南西沖の東シナ海上空で航空機観測を行い、高濃度の大気汚染や黄砂を観測した。さらに、特筆すべきこととして、中国国内での航空機観測が中国と外国との共同研究として初めて実行された。観測は2002年の３月に行われた。両観測いずれにおいても観測流域が高気圧に覆われているときには、高濃度の汚染物質が低空に閉じこめられている状況が見られた。 ②東アジア酸性雨モニタリングネットワークの測定および評価・解析手法の高度化に関する研究　東アジア酸性雨ネットワークなど酸性雨の測定データを酸性雨アセスメントに応用し、高度な解析をするための、データの精度の評価方法の確立と、時間的、空間的なトレンド解析の高度な方法を提出した。また、寒冷地に適合したモニタリング手法を検討し、その方法を標準化した。　イオン濃度は正規分布よりも対数正規分布に従うことを示した。これから算術平均値よりもパーセンタイル値や対数平均値も用いることを提案した。また精度管理における外れ値の管理のため、濃度と降水量の対数を取った管理図を提唱した。まず、直前の3-5年間の測定値からて幾何標準偏差を算出し、それに基づく管理図を作成しする。それを用いてその年のデータを吟味すれば吟味すべきデータの特定など、データの質の管理が可能になった。　時間的なトレンド解析は、全体像をみる目的で主要なイオン全部を対象にするきと、酸の量と直接関係する硫酸イオン（SO₄）と硝酸イオン（NO₃）に焦点を当てたとき、それぞれ別のモデルモデルＩ，ＩＩを用いた。モデルＩでは濃度について経年変化と季節変化、降水量依存を加えた。これからSO₄は日本のほどんどの地点で減少しており、半数以上の地点で年率３％以上の減少率であった。NO₃はほとんどの点で増加しており年率１％以上の増加率であった。酸に対するアルカリの量と関係するアンモニウムとカルシウムはいずれも増加の傾向の地点と減少の地点とに分かれた。酸とアルカリのバランスの結果である水素イオンはほとんどの地点で減少していた。モデルＩＩでは濃度と沈着量のそれぞれの対数を取り降水量は別にトレンド解析した。SO₄濃度の減少とNO3濃度の増加が示された。沈着量はSO₄、NO₃で同様の傾向が認められるが、降水量のトレンドが地点により異なっていたので、降水量に依存した部分があったと思われる。NO₃/SO₄比は一地点を除きはっきり増加していた。さらに、これらの時間トレンドと大陸の発生量、国内の自然および人工の発生量との関係を考察した。　空間分布を明らかにするため環境省の48測定点のうち44測定点を対象にKriging法の応用を検討した。しかし、測定点の絶対数が不足している上、日本列島が細長く等方的な配置が困難であることなどの問題点が特定された。ある程度の精度を持った分布図を作成するには地方自治体などのネットワークのデータの利用が必要であることが示された。　またロシアのような寒冷地に適した測定装置を検討し、炭酸水素イオンを測定することによりイオンバランスを向上させることに成功した。 ③モデル検証のための日本の遠隔地点における大気汚染物質の総合観測　越境大気汚染把握のために、日本海側に面した福井県の越前岬で冬季に大気汚染物質の短期観測を行った。2000年1月には約100nmolm-3という非海塩硫酸塩の高濃度が観測されたが、その時のバックトラジェクトリー解析によると中国を発生地として、山東省、上海を経由して、山陰地方を一部かすめて大気は流れてきていた。　兵庫県の日本海に面する豊岡市において、大陸からの影響が大きくなる冬季に、１０点グローバルサンプラを用いた４段ろ紙法により、大気中粒子状物質濃度および大気中ガス性物質濃度の短期集中観測を行った（2001年、2002年1月）。大気汚染物質濃度は粒子状物質濃度の方がガス状物質濃度よりも高い濃度が観測された。粒子状物質としては海塩起源と考えられるNa+およびCl-において、NH₄HSO₄または(NH₄)²SO₄およびNH₄NO₃として存在することが推測されるNO₃-、SO₄²-およびNH₄+において高濃度が観測された。SO₂は低濃度で推移する中に、３～４回高濃度になるピークが観測された。　中部山岳地域の八方尾根（標高1850m）と麓の白馬村の（標高830m）の2カ所で降水とガス・エアロゾルを同時に採取し、ウオッシュアウトによる大気から降水への物質の取り込み過程を調査した。八方尾根での観測によると、洗浄比（Wr）は物質の降水中濃度C (mg kg-1)と大気中濃度K (mg m-3,1 atm)および空気密度ρ (1.2kg m-3)を用いて次式で示される。　Wr = C K-1ρ-1　 SO₄²-のWrを降雨の期間中の大気中SO42-平均濃度と下方地点の降水中SO42-濃度から算出した結果，Wrは65から1827の範囲にあり，幾何平均は416と，九州北西地域の値(450)とほぼ同じであった。2000年8月から9月にかけて，関東，中部，東海地方の広い範囲で高濃度のSO2が観測され，これらは活発に活動している三宅島の火山ガスが原因であると考えられた。大気中のSO42-濃度は非常に高くなり，八方尾根では9月15日に，上方，下方の測定地点とも30 μg/m3を超えた。エアロゾル中のイオン成分は陰イオンが著しく過剰であり，3地点とも非常に高いレベルの粒子状硫酸（H₂SO₄）が存在したと推定された。H₂SO₄濃度の推定値は，長野市21 - 33 μg/m³；上方地点11 - 21 μg/m³；下方地点6.8 - 18 μg/m3であった。　沖縄本島最北端の辺戸岬でオゾン濃度の通年観測が行われた。沖縄で観測されるオゾン濃度季節変動特性がみられ，冬季から春季にかけてオゾン濃度は最も高くなり，夏季は最も低く，秋季から冬季にかけて再び高くなる通年の季節変動パタ－ンを示す。1999年から2001年までに得られたデ－タを用いて2000年の季節変動特性と東アジア地区の気象現象との関係について検討したが、季節変動は気候変化に伴う気圧配置と深く関わっていることが示唆された。12月から2月にかけてのオゾン濃度は24.4 ppbv～65.0 ppbvの範囲に分布し，年間で最も安定した季節特性(平均値：45.3±5.1 ppbv)を示した。この期間東アジア地区の気象は大陸性高気圧が支配する冬季に当たり，オゾン濃度は季節風に伴って中国大陸から輸送される気塊の影響を主として受けた。（２）東アジア地域の大気汚染物質発生源インベントリーの精緻化に関する研究　東アジア地域を対象とした長距離大気輸送モデルに投入するための総合的な大気汚染物質発生源インベントリーの開発を行ってきた。SO₂,NOx, 植物起源非メタン揮発性炭化水素（NMVOC）、 NH₃に関する人為発生源・自然発生源からの排出量を十分な精度のグリッド排出量として把握するために、最大の排出国である中国を主対象として段階的なデータベース構築に取り組んできた。　NH₃に関して中国、台湾、韓国、北朝鮮、モンゴルにおける家畜排泄物由来の排出量、化学肥料の施肥による排出量、バイオマス燃焼による排出量、人の発汗による排出量を推計した。NH₃に関しては、既に1990年を対象としたGEIAの全球１度グリッド排出データセットがあるが、本研究では、その後の農業活動の変化を取り入れ1995年における１度グリッド排出データベースを構築した。また、SO₂,NOx,NMVOCの人為起源排出に関して、1995年における各国・地域の発生源データベースを構築した。韓国・台湾については、政府推計による排出量を基礎資料としたが、中国についてはエネルギー消費・生産活動に関する政府統計を基礎資料として、これまでに得られている排出係数に関する知見をとりいれた推計を行った。これらの研究結果により、以下のような大気汚染物質発生源インベントリーを構築することができた。 ○対象物質　： SO₂, NOx, NMVOC, NH₃ ○対象地域　：中国、韓国、北朝鮮、台湾、モンゴル、日本 ○空間分解能：緯度経度１度グリッド ○時間分解能：年間値（植物起源NMVOCについては月別・昼夜別推計値） ○推計年　　：１９９５年　以上の発生源インベントリーデータおよびドキュメントはCD-ROMに収録されており、内外のモデル、大気汚染物質観測研究者が利用可能である。（３）東アジア地域の大気汚染物質の発生、輸送、変質、沈着モデル開発に関する研究 ①東アジア地域のＥＭＥＰ型大気汚染物質発生・沈着マトリックス作成に関する研究　　シミュレーションモデルを使って、東アジアにおける既存のモデル研究よりも詳細（50区分）なソース・リセプター解析（発生・沈着マトリックス）を行なった。1999年1月15日から2月15日におけるソース・リセプター解析によると、日本に沈着した硫黄酸化物の約78％が国外で発生したものであるという結果になった。また、東アジアで最も硫黄酸化物を排出する中国のなかでも日本に沈着する割合は異なり、多い地域と少ない地域では約3倍もの開きがあった。　1995年7月と12月の1カ月間のソース・リセプター解析の結果によると、7月においては火山などの国内の寄与が約64％、12月における国内の寄与が約20％と、季節によって寄与が大きく異なった。7月においては西日本で特に火山の寄与が大きく、中国からの寄与は華東（上海、青島周辺）の寄与が大きい。一方、12月においては国内の寄与は小さく、中国からの寄与は東北（大連、ハルビン周辺）の寄与が大きくなっている。中国からの寄与はその時期の季節風の影響を強く受けている結果となった。そのなかでも、華北（北京、太原周辺）からの寄与は7月、12月ともにおおきくなっている。大陸からの寄与を大きく受けると思われる日本海側の地域は、7月と12月で沈着量はさほど変わらなかったものの、その発生源割合は大きく変わった。 ②東アジア地域の広域輸送モデル開発に関する研究　ＥＡＮＥＴが展開されている広い領域をカバーした硫黄酸化物の輸送モデルを開発した。輸送モデルは気象場を予測する気象モデルとこれによって駆動される移流・拡散モデルの二つの部分によって構成されている。気象モデルには領域スペクトルモデル（ＲＳＭ）を水平分解能４０ｋｍとして適用し、移流・拡散モデルにはラグランジュ粒子法を採用した。この方法は大気汚染物質の化学反応を表現するには難点があるが、発生源からの寄与率を得るには便利な手法である。輸送モデルにはSO_２の気相及び雲による液相酸化課程を含め、これらはSO₂からSO₄²－への変換係数で表現した。また乾性沈着と降水による湿性沈着課程も入れた。この輸送モデルを用いてＥＡＮＥＴ領域の２０００年におけるSO_２及びSO_４^２－の輸送・沈着シミュレーションを１月と７月について実施した。そのためにSO₂の人為的及び火山起源の発生源データを作成し、それぞれを１２０地点及び２０地点の点源に配置した。シミュレーション結果から、ＥＡＮＥＴ領域においては中国、韓国及び我が国の間の輸送が主で、インドネシア等の低緯度の発生源からの輸送は中緯度にまで及んでいないことが分かった。また、輸送シミュレーションによって再現されたSO₂の大気中濃度とSO₄²－の湿性沈着量を我が国における測定値と比較した。１月及び７月については、SO₂大気中濃度は観測値と比較的よく一致したが、SO₄²－の湿性沈着量は１月及び７月ともに過小評価の結果であった。例として隠岐における湿性沈着量に対する１月の発生源寄与率を見ると、韓国の発生源からの寄与が大きく、桜島や大阪からの寄与も見られた。４．考察　重点研究として行われている本研究は、非常に広い範囲の研究分野を内包しているので、これの全体を概観して考察を加えるのは難しいことである。しかし、本研究が目指しているアジア地域における越境大気汚染問題の定量化に向けて、大気汚染物質の国際共同観測、発生源インベントリー、数値モデルを組み合わせて、着実に成果を上げつつある。中国の東シナ海・黄海を取り囲む３地点で大気汚染物質の地上観測が行われた。その結果、広い地域をカバーする大規模な汚染気塊の移動が確認された。また東シナ海上空における観測で黄砂と大気汚染物質を同時に捉えたが、その輸送経路は異なるものと考えられ、高度によって異なる輸送パターンが見られることが明らかとなった。特筆すべきこととして、2002年の３月に中国国内での航空機観測が中国と外国との共同研究として初めて実行された。東アジアにおいて高度なモニタリングとそのデータを解釈するための高度な解析方法の開発として、濃度と降水量の対数を取った管理図を提唱したが、この管理図により、データの質の管理が可能になった。またロシアのような寒冷地に適した測定装置を検討し、炭酸水素イオンを測定することによりイオンバランスを向上させることに成功した。越境大気汚染把握のために、日本海側に面した福井県の越前岬と豊岡市で冬季に大気汚染物質の短期観測を行った。越前岬では非海塩硫酸塩の高濃度が観測されたが、その時のバックトラジェクトリー解析によると中国を発生地として、山東省、上海を経由して、山陰地方を一部かすめて大気は流れてきていた。SO₄²-のWrを算出した結果，Wrは65から1827の範囲にあり，幾何平均は416と，九州北西地域の値(450)とほぼ同じであった。この結果は酸性雨モデルに利用できる。沖縄で観測されるオゾン濃度季節変動特性がみられ，冬季から春季にかけてオゾン濃度は最も高くなり，夏季は最も低く，秋季から冬季にかけて再び高くなる。季節変動は気候変化に伴う気圧配置と深く関わっていることが示唆された。発生源インベントリーでは東アジア地域のSO_２,NOx、植物起源非メタン揮発性炭化水素（NMVOC）、NH3発生量を試算し、1995年度の発生量をグリット化し、CD-ROM化した。また、国際ワークショップにより、諸外国の研究者のデータとの相互比較が行われ、共同研究の道が開けた。酸性雨の輸送モデルに関しては、1995年7月と12月の1カ月間のソース・リセプター解析の結果によると、7月においては火山などの国内の寄与が約64％、12月における国内の寄与が約20％と、季節によって大きく異なった。7月においては西日本で特に火山の寄与が大きく、中国からの寄与は華東（上海、青島周辺）の寄与が大きい。一方、12月においては国内の寄与は小さく、中国からの寄与は東北（大連、ハルビン周辺）の寄与が大きくなっている。さらに、EANETの領域をカバーする大気汚染物質の広域輸送モデルに与える気象場を予測するための気象モデルを構築した。東アジア大陸、朝鮮半島及び我が国を含む中緯度における発生源から排出された硫黄酸化物は東の方向に輸送され、フィリッピン等の低緯度では西に、赤道付近では長距離輸送されず、滞留していることが明らかとなった。５．研究者略歴課題代表者：村野健太郎　1946年生まれ、東京大学大学院理学系研究科修了、理学博士、現在独立行政法人国立環境研究所大気圏環境研究領域主任研究官　主要論文：①K. Murano, H. Mukai, S. Hatakeyama, E.-S. Jang, I. Uno：　Atmos. Environ., 34,5139-5149(2000) 　Trans-boundary Air Pollution over Remote Islands in Japan: Observed Data and 　Estimates from a Numerical Model 　②K. Murano, O. Oishi: Global Environmental Research, 4、13-23(2000) 　Emission, Concentration Variation, and Dry and Wet Deposition of Reduced 　Nitrogen Compounds(NHx) 　③Y. Tonooka, A. Kannari, H. Higashino, K. Murano 　Water Air and Soil Pollution, 130, 199-204(2001) 　NMVOCs and CO Emission Inventory in East Asia サブテーマ代表者　　（１）①：畠山史郎　1951年生まれ、東京大学理学部卒業、理学博士、現在独立行政法人国立環境研究所大気圏環境研究領域大気反応研究室長　主要論文：①1.　Hatakeyama, S., I. Uno, K. Murano, H. Mukai, and H. Bandow : 　J. Aerosol Res. Jpn., 17, 39-42 (2002). 　"Analysis of the Plume from Mt. Sakurajima and Kagoshima City by Aerial Observa- 　tions of Atmospheric Pollutants and Model Studies --The IGAC/APARE/PEACAMPOTCampaign over the East China Sea --" 　② Hatakeyama, S. S. Sivanesan, and T. Urabe: Chem. Lett., 2001, 1248-1249(2001). 　"Formation Mechanisms of Peroxides in the Reactions of Ozone with Cyclic Olefins in 　Air" 　③ Hatakeyama, S., K. Murano, F. Sakamaki, H. Mukai, H. Bandow, and Y. Komazaki: Water, Air, and Soil Pollution, 130, 373-378 (2001). 　"Transport of Atmospheric Pollutants from East Asia" 　②：原　宏　1946年生まれ、東京工業大学博士課程化学専攻昭和49年修了、現在国立公衆衛生院地域環境衛生学部環境健康影響室長　主要論文：①S. Seto, M. Sato, and H. Hara: 　Water, Air, and Soil Pollut., 124, 493-498(2001) 　Source Identification of Rural Precipitation Chemistry in Japan 　②H. Suzuki, H. Hara, M. Aoki, K. Takano, K. Izumi, T. Fukuyama, M. Utiyama 　and T. Okita: 　Water, Air, and Soil Pollut., 124, 595-600 (2001) 　Sulfate Aerosol Concentration in and above a Pine Canopy 　③S. Seto, A. Nakamura, I. Noguchi, T. Ohizumi, N. Fukuzaki, S. Toyama 　M. Maeda, K. Hayashi and H. Hara: 　Atmos. Environ., in press. 　Annual and Seasonal Trends in Chemical Composition of Precipitation in Japan 　during 1989-1998. 　③：村野健太郎（同上）（２）村野健太郎（同上）（３）①：村野健太郎（同上）　②：佐藤純次　1941年生まれ、東京理科大学理学部物理学科卒業、現在気象研究所環境・応用気象　研究部主任研究官　主要論文：①Sato, J., H. Sasaki and T. Satomura：　Pap.Met. Geophys. 50, 97-111(1999). 　Transport of sulfuroxides over the East Asian region by the off-line coupled 　meteorology and transport model. 　②Sato, J., H. Sasaki and K. Adachi: J. Met. Soc. Japan, 77, 1161-1176(1999). 　Performance and its evaluation of the MRI long range transport model for ATMES-II Pase of ETEX.