A Numerical study of the effects of aerosol hygroscopic properties to dry deposition on a broad-leaved forest

エアロゾルの吸湿特性が及ぼす広葉樹林における乾性沈着への影響; 数値的研究

堅田 元喜; 梶野 瑞王*; 松田 和秀*; 高橋 章*; 中屋 耕*

Katata, Genki; Kajino, Mizuo*; Matsuda, Kazuhide*; Takahashi, Akira*; Nakaya, Ko*

エアロゾルの吸湿成長がおよぼす森林への乾性沈着への影響を調べるために、多層大気-土壌-植生1次元モデルSOLVEGを用いた微小粒子状物質(PM2.5)の硫黄成分の乾性沈着のシミュレーションを実施した。このモデルに含まれている粒子の乾性沈着スキームを広葉樹林に適用できるように改良した。広く用いられている-Khrer理論に基づく大気中での粒子の吸湿成長を計算するスキームを新たに導入した。このモデルを国内の広葉樹林に適用した結果、観測された運動量・熱・水蒸気フラックスや土壌温度・水分量が再現された。吸湿によって粒径が増加した結果、PM2.5の硫黄成分の沈着速度の計算値も増大して観測値に近づくとともに、高湿度時に測定された沈着速度の時間変動の再現性も向上した。このモデルを用いた数値実験によって、粒子の幾何学的平均径や吸湿特性()が吸湿成長の度合いを大きく変化させることがわかった。比較的低湿度から吸湿成長による沈着速度の増加が見られ、非常に湿潤な環境では沈着速度が乾燥時の5倍に達することが数値的に示された。

To investigate the impact of hygroscopic growth on dry deposition onto forest canopies, numerical simulations of PM2.5 sulfate deposition using a multi-layer atmosphere-SOiL-VEGetation model (SOLVEG) ware performed. The scheme of particle dry deposition in SOLVEG was extended for application to a broad-leaved forest. An aerosol hygroscopic model based on the widely used -Khler theory was incorporated into the model to calculate water uptake by the aerosols. The model accurately reproduced essential turbulent exchange fluxes (momentum, heat, and water vapor) over the canopies and the soil temperature and moisture for a deciduous broad-leaved forest in central Japan. Temporal variations in the measured PM2.5 sulfate deposition velocity were generally reproduced by the model. By considering an increase in particle diameter due to hygroscopic growth, the prediction accuracy of the modeled deposition velocity under humid conditions was improved. Numerical experiments for varying aerosol size distributions and hygroscopic properties showed that the geometric mean diameter and hygroscopicity of particles have a large influence on hygroscopic growth levels. The results also suggested that the deposition velocity of wet particles increased due to hygroscopic growth when the relative humidity (RH) was approximately 50%, and that the velocity reached five times greater than that under dry conditions when RH exceeded 95%.