課題名

A-3 衛星利用大気遠隔計測データの利用実証に関する研究

課題代表者名

笹野 泰弘 (環境省国立環境研究所大気圏環境部)

研究期間

平成10−12年度

合計予算額

197,113千円 (うち12年度 75,162千円)

研究体制

(1)太陽掩蔽法大気センサーによる温暖化関連物質の導出手法の研究(環境省国立環境研究所)

(2)衛星ライダーによるデータの利用に関する研究(環境省国立環境研究所)

(3)衛星搭載ライダーにおける多重散乱効果の評価(環境省国立環境研究所)

(4)ILAS-II等による測定気体の分子分光パラメータ高精度化に関する研究

(国土交通省気象庁気象研究所)

(5)極域成層圏エアロゾルに関する地上及び衛星観測データの解析研究(総務省通信総合研究所)

(6)ILAS等衛星データの品質評価と高層大気環境の解析に関する研究(環境省国立環境研究所)

(7)衛星データを用いた、3次元化学輸送モデル(REPROBUS)によるオゾン層破壊に関する研究

(環境省国立環境研究所)

(8)ILASデータ等を用いた雲/極成層圏雲の検出に関する研究(環境省国立環境研究所)

研究概要

1.序

 オゾン層破壊や地球温暖化などの地球規模の大気環境問題の解決のためには、人工衛星を利用した高層大気環境のグローバルな実態把握が不可欠である。そのため、環境省は平成8年に打ち上げたオゾン層観測センサーILAS(改良型大気周縁赤外分光計)に引き続き、平成13年度打ち上げ予定のILAS-IIの開発を行ってきた。また、平成17年頃の打ち上げを目指して、成層圏オゾン層の他に、対流圏上部以高における温室効果気体の全球分布を測定するためのILAS-II後継機(SOFIS:傾斜軌道衛星・搭載太陽掩蔽法フーリエ赤外分光計)の開発を決め、製作に着手している。これらのセンサーで得られるデータの処理のための地上システムは国立環境研究所が整備・運用を担当するが、データ処理のための計算手順(アルゴリズム)のうち、特に温室効果気体の導出に係る調査研究を進める必要がある。また、衛星センサーによる大気微量成分の測定精度に直結する気体分光パラメータの高精度化が求められており、特にILAS-IISOFISで測定予定の中間赤外域の二酸化炭素、メタン等について室内実験により測定を行い、既存の分光パラメータデータの検証・改良を行う必要がある。

 また、宇宙開発事業団は、雲・エアロゾルの全球観測のためのライダー技術実証衛星を平成14年度に打ち上げることとしていたが、事業団内部事情によりこの計画が凍結された。これに代わるものとして、現在、ヨーロッパ宇宙機関(ESA)との共同による雲・エアロゾル・放射観測衛星計画の提案が準備されている。このライダー観測からは、雲とエアロゾル、放射の全球分布が一年を通して得られることから、このデータを用いた雲・エアロゾルと放射場の研究、気候モデル研究への応用が強く期待されている。とりわけ、同一の衛星に雲レーダーとライダーが搭載されての全球の雲・エアロゾルの通年観測は世界で初となることから、データ処理に係る研究、データ利用に係る研究を進めることが強く期待されている。

 ILASデータ等の衛星データを科学的研究に利用するための利用実証研究を進め、その有効性を示しさらなる研究に結びつける努力が必要である。この観点から、極域成層圏雲の解析、高層大気の物理化学プロセスの研究、化学輸送モデルを組み合わせた解析、等々の具体的な課題研究を開始した。

 

2.研究目的

 オゾン層の監視・研究のための環境省センサーILASの後継機であるILAS-IIは、成層圏オゾン層観測はもとより、温暖化関連物質分布の導出の可能性が指摘されており、その手法の開発を行うことが重要である。さらに、ILAS-II後継機であるSOFISでは、温室効果ガスの上部対流圏から成層圏における全球分布の測定をミッションのひとつとすることから、その測定並びにデータ処理手法の確立を早急に行う必要がある。本研究では、シミュレーション等に基づいてこれを行う。また、ILASデータプロダクトについて、地上でのフィールド観測との比較等により、総合的なデータ品質の評価を行うとともに、ILAS等の衛星観測の有効性を実証するため、高層大気環境の解明を目的とした解析的研究を行う。

 現在、宇宙開発事業団(NASDA)とヨーロッパ宇宙機関(ESA)との共同による雲・エアロゾル・放射観測衛星計画の提案が準備されている。これに関連して、衛星ライダーデータから雲の分布やエアロゾルの分布等の地球物理量を抽出する手法、気候モデルヘ導入するための手法等を確立することが依然として、重要かつ緊急の課題として残されている。そのため、この研究では、計測データから地球物理量(雲エアロゾルの分布情報)への変換、雲の光学的特性の導出のためのアルゴリズムを確立する。また、衛星ライダーによる有効な観測計画立案手法、観測した雲の全球分布データを気候モデルヘ導入するための手法の基礎を確立する。

 

3.研究の内容・成果

(1)太陽掩蔽法大気センサーによる温暖化関連物質の導出手法の研究

 太陽掩蔽法大気センサーによる温暖化関連物質などの測定に関し、ILAS-II及びSOFISの仕様に基づいて、下部成層圏及び上部対流圏における温室効果気体など大気微量成分の鉛直分布導出のための検討を理論シミュレーションを用いて行ない、次の結果を得た。まず、非線形最小二乗法を用いた精密な放射伝達計算に基づく導出手法を用いた場合に、ILASに比較してILAS-IIでは、高度20km付近で理論的な導出精度がオゾンで5倍、メタンで8倍程度向上する。これは、短波長赤外のスペクトル情報が新たに追加され、導出のための気体吸収に関する情報が改善されたことに起因している。解析に使用する気温や圧力情報に誤りがなく、エアロゾルの影響を正確に推定できる場合には、二酸化炭素についても上部対流圏で偏り(バイアス)がなく推定が可能である。さらに、各種の誤差要因の導出濃度誤差への影響量を検討したところ、気温の誤差の影響が大きいことがわかった。SOFISについては、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、PFC-14SF6などの温室効果気体について、上部対流圏において十分な検出感度を有することが示された。さらにSOFISの仕様に短波長(3500-4904cm-1)領域の観測データを加えることで、これらの温室効果気体が、低高度でより精度良く導出されることがわかった。FTIRのような高スペクトル分解能を有するセンサーではデータ量が膨大となるため、データ処理に適する波長帯(マイクロウィンドウ)の選定を行い、処理データ量を減らす工夫が重要となる。本研究では、エアロゾルの影響を考慮に入れた波長帯の選定手法の改良手法を提案した。さらに、ILAS-IIのデータ処理を対象に、一括逆推定手法の高速化に関する検討を行い、過去の観測データに基づいて高速に結果を得るための簡便手法を開発し、ILASの観測データを用いてその有効性を実証した。

(2)衛星ライダーによるデータの利用に関する研究

 衛星搭載ライダー(レーザーレーダー)は、雲、エアロゾルの全球的な3次元的分布を測定できる能動型の衛星センサーで、気候変動に関わる大気の放射収支等の研究において極めて有用な観測データを与えるものと期待されている。本研究は、衛星搭載ライダーによる計測データから雲、エアロゾルの分布情報や光学的特性を導出するための解析アルゴリズムと、衛星ライダーにより観測した雲、エアロゾルの全球分布データを気候モデル研究等に応用するための手法を確立することを目標とした。このため、衛星ライダーデータの解析アルゴリズムを理論的に検討するとともに、計算機シミュレーションによる衛星搭載ライダーデータを用いて解析アルゴリズムの検証を行った。また、解析手法を研究船搭載ライダー、1994年に米国で行われたスペースシャトルからのライダー観測実験のデータに適用して検討を行った。この結果、開発したデータ解析アルゴリズムを用いて、成層圏エアロゾル、巻雲、対流圏エアロゾルの分布と光学特性を導出できることが実証された。一方、気候モデルの検証や改良のための応用手法について検討した結果、衛星ライダーで得られる雲の3次元的分布と気候モデルで生成される雲の統計的な比較が気候モデルの検証に有効であること、また、衛星ライダーで得られるエアロゾル分布および光学特性の情報が、エアロゾルの過程を含む気候モデルの検証に有効であることが示された。

(3)衛星ライダーにおける多重散乱効果の評価

 人工衛星からのライダー測定では、地上や航空機ライダーの場合と違って散乱体の多重散乱が重要となる。そのため、精度の高い解析を行うためには多重散乱効果を考慮したデータの取り扱いが必要がある。そこで、本研究では衛星ライダーで観測される種々の測定対象についてモンテカルロ法を用いたシミュレーションを行い、多重散乱の影響の評価を行った。また、データ解析における多重散乱の取扱い手法と誤差の検討を行った。巻雲とエアロゾルについて検討した結果、巻雲の場合は、距離に依存しない多重散乱因子を解析で用いることで比較的正しく測定対象のプロファイルを導出できることがわかった。多重散乱因子は理論値(シミュレーションによる)が約0.6で、解析にはこの値あるいはやや高めの値を用いる場合に誤差が小さいことがわかった。エアロゾルの場合は多重散乱因子の理論値が距離の関数として変化するため厳密には一定の多重散乱因子を用いて解析することはできない。しかし、ここでは簡単のため一定の多重散乱因子を仮定して評価した。その結果、測定対象の消散係数が小さい場合(0.3km-1以下)は0.2程度の多重散乱因子を仮定して解析が可能であることが示された。

(4)ILAS-II等による測定気体の分子分光パラメータ高精度化に関する研究

 ILAS-IIに新たに搭載される3-5.7μmを観測するチャンネル2で測定対象となる気体の吸収線パラメータの妥当性を検証する目的で、線強度や半値半幅などのパラメータを精密に決定した。本研究で得られた結果と既存の吸収線データベース(HITRAN)の値との比較を行い、データベースの妥当性を検証した。測定対象吸収帯は、CH43.3μm帯、N2O3.94.1及び4.5μm帯、CO24.3μm帯である。本研究では、先ずこれらの吸収帯を測定する光路長1cm0.5cmの吸収セルを製作し、高分解フーリエ変換分光計を用いて吸収スペクトルを測定した。各分子の測定スペクトルに非線形最小二乗法を適用し、吸収線毎の線強度と半値半幅を同時に決定した。吸収線強度、半値半幅に関する解析結果と既存のHITRANデータベースの値を比較した結果、HITRANデータベースの値は概ね妥当であることを確認した。分子の振動回転相互作用の効果を表すHerman-Wallis factorについて、本研究の値は最近の高分解実験の結果や理論計算の結果とほぼ同一であった。

(5)極域成層圏エアロゾルに関する地上及び衛星観測データの解析研究

 オゾン層の消長に大きな影響を及ぼす極域や高緯度での成層圏エアロゾルの出現状況、光学特性の解明を行う。そのため、日本の最北端である稚内・陸別ではライダー観測により成層圏エアロゾルの長期変動を調べた。カナダ領北極域ユーレカにおける1996年のライダー観測の解析から、極成層圏雲(PSCS)の出現条件の解析を行い、液滴PSC粒子についてはその出現状況とモデル計算は良い一致を示した。1997年北極冬季及び初春におけるILASデータの解析を行いPSCSの判定基準を設定し約200PSCイベントを抽出し、その発生状況を調べPSCSの分類を行った。南極ドームふじ基地における1997年の気球搭載式光学粒子計数装置およびライダーによる観測結果の解析から、PSCSの出現特性が高度によって大きく異なり、既存エアロゾル粒子の分布領域との関係があることが示唆された。

(6)ILAS等衛星データの品質評価と高層大気環境の解析に関する研究

 人工衛星による観測データを用いて科学的なデータ解析を行う上において、その品質を他の観測手段によって得られたデータと比較検討し、統計的手法なども用いてその信頼性を確認することが不可欠である。そのため、ILAS等人工衛星データとオゾンゾンデデータ、大気球観測データ、航空機観測データ等を用いて総合的な解析を行い、ILASのオゾン、二酸化窒素、硝酸等の品質評価を行うとともに、データ処理アルゴリズムの改訂、データ再処理に反映させた。衛星データの応用的解析として、1996/1997年冬期北半球極域におけるオゾン破壊量の定量的見積もりを行った。また、人工衛星センサーHALOEの観測したメタンデータを用いて、南半球極渦内の下降速度についてその年々変動について調べた。さらに、北半球におけるプラネタリー波活動とオゾン全量変動に関して調べた。一方、極域成層圏重力波の特性と起源に焦点をあて、重力波の力学特性を明らかにするとともに、GPS/METの衛星観測データを基に重力波の全球的季節変化の特性を調べた。

(7)衛星データを用いた、3次元化学輸送モデル(REPROBUS)によるオゾン層破壊に関する研究

 極成層圏雲(PSC)は南北両極域の冬季において、1230kmの高度に形成される。最近、北極域の冬季にも「南極オゾンホール」と同様の現象が観測され、北極域のオゾン破壊に関しても、PSCが重要な役割を果たしていることがわかってきた。しかしながら、PSCの物理的性質だけでなく、その生成メカニズムについても、まだよくわかっていない。この不明点を明らかにしていくことは、その発生と今後のオゾン層への影響を予測するうえで重要である。本研究では、ILASによる観測結果を解析するために、成層圏化学の現時点での最高の技術水準の3次元モデルを用いた。特に、ILASによる硝酸(HNO3)の鉛直プロファイルをモデル計算結果と比較検討することにより、PSCの組成に関する情報、及びそれが窒素酸化物の鉛直分布に及ぼす影響を調べた。

(8)ILASデータ等を用いた雲/極成層圏雲の検出に関する研究

 本研究では、ILASによる測定データから、極成層圏雲(PSC)を高速かつ簡単に検出する手法の開発を行った。本PSC検出手法では、酸素分子の回転Aバンド付近のスペクトル領域(波長753-784nm)を利用し、観測光路の接線高度の関数としてエアロゾルの光学的厚さを求めた。PSCと判定された事象について、ILASの運用処理プロダクトと比較したところ、PSCの存在する高度領域において、脱窒現象、水蒸気の除去(減少)、そして低温現象が確認された。また、ILASの観測透過率におけるエアロゾルによる多重散乱性について簡単なテストを行ったところ、多重散乱の証拠となるような現象は見あたらなかった。すなわち、ILASの観測では、光の多重散乱を考慮に入れて処理を行う必要はない。

 

4.考察

 本研究の開始当初に計画されていた、宇宙開発事業団の衛星搭載ライダーの技術実証衛星のプロジェクトは諸般の事情で凍結され、実現の見込みはなくなった。これに代わるものとして、宇宙開発事業団とヨーロッパ宇宙機関との共同事業として雲・エアロゾル・放射観測のための衛星計画への提案(EarthCARE)が準備されている。いずれにせよ、衛星ライダーは将来の地球観測センサーとして開発すべきセンサーのひとつであり、そのデータ解析、データ利用の研究を進め、ミッションの確立、センサー仕様設定へのインプットとして行くことが必要である。

 本課題でのライダーに関する研究から、多波長で測定されたライダー信号から、雲・エアロゾルの粒径情報、球形・非球形の区別、雲・エアロゾルの消散係数等の空間分布の導出が可能であること、定量的解析に必要な消散係数/後方散乱係数比(散乱パラメータ)のおよその推定が可能であることなどが見いだされた。これらは、米国航空宇宙局が過去にスペースシャトルを用いて行ったLITE実験データや、観測船みらい船上で行ったライダー観測データを用いて実証された。

 衛星ライダーデータ解析手法の研究においては、今後はEarthCAREのための検討が求められている。EarthCARE搭載用ライダーは雲レーダーとの同時搭載が計画され、雲レーダーと合わせた雲のパラメータの導出が期待されている。EarthCAREのために検討が必要な最重要課題は多重散乱効果の取扱いである。本課題では、国際交流研究として多重散乱効果のシミュレーションによる研究を実施したが、これらの成果をデータ解析へ取り込むとともに、さらに将来的には、マルチ視野角の受信系を持つ新しいタイプのライダーに対する研究が必要である。

 一方、データ利用研究については、米国航空宇宙局が打ち上げ予定の衛星ライダーPICASSOの利用を念頭においた検討を進めることが重要である。地上ライダー、船舶搭載ライダーと衛星ライダーを組み合わせたデータ解析は、雲、エアロゾルの気候学的研究等において極めて有効であることが本研究のこれまでの結果から示されているが、具体的な利用研究の検討が必要である。

 本研究期間中に衛星データ等の利用実証として、ILASデータの総合的な検証と、いくつかの具体的な研究課題への取組を開始した。ILASのデータ処理バージョンの改訂が、国立環境研究所の衛星観測プロジェクトとして平行して進められ、新プロダクトの提供に合わせて検証を進める必要があった。データ利用として、極成層圏雲の特性解明、成層圏オゾン破壊速度の評価、脱窒過程の解明、成層圏大気の沈降速度の評価、シミュレーションモデルを併用したオゾン破壊機構の解明の研究が行われた。ILASデータは北半球についてはひと冬のデータしか取得出来なかったため、年々の変動等の解明までは達成出来ていない。ILAS-IIのデータに期待されるところは大きい。本研究で確立されたデータ処理、解析、解釈の手法が有効に利用されることになろう。

 また、ILAS-IIによる温室効果気体の測定の可能性に係る研究から、二酸化炭素濃度の算出は原理的に可能であること、しかしながらデータ処理に使用する気温、気圧情報の精度が算出濃度に大きく影響すること、エアロゾルによる減衰の補正が重要であることが示された。実データによる検証が必要である。SOFISに係る具体的なデータ処理システム作りに向けて、アルゴリズムの研究をさらに進める予定である。

 ILAS-IIの解析に用いる吸収線パラメータについて、本研究では室温付近のパラメータの確立に主眼を置いたが、微量気体の濃度分布導出には、吸収線パラメータの温度依存性に関する知識が不可欠である。このために、吸収線パラメータの温度依存性を解明する目的で広い温度範囲にわたる実験を行い、吸収特性の詳細を把握する必要がある。

 

5.研究者略歴

課題代表者:笹野泰弘

1952年生まれ、東北大学大学院理学研究科修士課程修了、

現在、国立環境研究所大気圏環境部部長

主要論文:

1. Sasano, Y., Y. Terao, H. L. Tanaka, T. Yasunari, H. Kanzawa, H. Nakajima, T. Yokota, H. Nakane, S. Hayashida, N. Saitoh, ILAS Observations of Chemical Ozone Loss in the Arctic Vortex during Early Spring 1997, Geophys. Res. Lett., 27, 213-216, (2000)

2. Sasano, Y., H. Nakajima, H. Kanzawa, M. Suzuki, T. Yokota, H. Nakane, H. Gernandt, A. Schmidt, A. Herber, V. Yushkov, V. Dorokhov, T. Deshler, Validation of ILAS Version 3.10 ozone with ozonesonde measurements, Geophys. Res. Lett., 26, 831-834, (1999)

3. Sasano, Y., Suzuki, M., Yokota, T., Kanzawa: Improved Limb Atmospheric Spectrometer (ILAS) for stratospheric ozone layer measurements by solar occultation technique, Geophys. Res. Lett., 26, 2, 197-200, (1999)

 

サブテーマ代表者

(1): 横田達也

1956年生まれ、東京大学大学院工学系研究科修士課程修了、

現在、環境省国立環境研究所地球環境研究センター研究管理官、

主要論文:

1. Yokota T., Suzuki M., Dubovik O., Sasano Y.: ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) / ADEOS data retrieval algorithms, Adv. Space Res., 21(3), 393-396 (1998)

2. 横田達也:マトリックス型画像表示法による環境大気常時監視データの特徴抽出、大気汚染学会誌、22(2)115-126 (1987)

3. 横田達也、藤村貞夫、豊田弘道:熱赤外3バンド画像による大気中の放射吸収物質の空間分布推定、計測自動制御学会論文集、22(10)1087-1093 (1986)

 

(2): 杉本伸夫

1954年生まれ、大阪大学大学院基礎工学研究科修士課程修了、

現在、環境省国立環境研究所大気圏環境部高層大気研究室室長、

主要論文:

1. Sugimoto, N. (1987), "Atmospheric environment monitoring system based on an earth-to-satellite Hadmard transform laser long-path absorption spectrometer: a proposal, "Appl. Opt. 26 763-764.

2. 杉本伸夫、笹野泰弘、中根英昭、林田佐智子、松井一郎、湊淳、成層圏および対流圏オゾン鉛直分布の測定を目的とする多波長オゾンレーザーレーダーの製作、応用物理58(9) 1385-1397 (1989).

3. Sugimoto, N., N. Koga, I. Matsui, Y, Sasano, A. Minato, K, Ozawa, Y. Saito, A. Nomura, T. Aoki, T. Itabe, H. Kunimori, I. Murata, and H. Fukunishi (1999), "Earth-satellite-earth laser long-path absorption experiment using the Retroreflector in Space (RIS) on the Advanced Earth Observing Satellite (ADEOS), "J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 1, 201-209.

(3): 杉本伸夫(同上)

 

(4): 深堀正志

1955年生まれ、東北大学大学院博士課程修了理学博士、

現在国土交通省気象庁気象研究所物理気象研究部第三研究室主任研究官

主要論文:

1. Fukaboril, M., Ta. Aoki, Te. Aoki, H. Ishida, and T. Watanabe, Line Parameter Measurements of Trace Gases in the Near Infrared Region, Adv. Space Res., Vol.25, 985-988, 2000.

2. 深堀正志、青木忠生、青木輝夫、鈴木睦、森山隆、石田英之、渡辺猛、近赤外領域におけるメタン、二酸化炭素の吸収線強度の測定、分光研究第44巻第4号、187-1921995.

3. Fukabori, M., T. Nakazawa, and M. Tanaka, Absorption Properties of Infrared Active Gases at High Pressures-I. CO2, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 36, 265-270, 1986.

 

(5): 水谷耕平

1957年生まれ、京都大学大学院博士後期課程修了理学博士、

現在総務省通信総合研究所地球環境計測部光計測研究室長

主要論文:

1. K. Mizutani, T. Maihara, N. Hiromoto & H. Takami, Near-Infrared Observation of the Circumsolar Dust Emission during the 1983 Solar Eclipse, Nature, 312, 134 (1984)

2. K, Mizutani, H. Suto & T. Maihara, 3.3 micron Emission Feature in Infrared Galaxies, Astrophysical Journal, 421, 475 (1994).

3. K. Mizutani, T. Itabe, M. Yasui, T. Aoki, Y. Murayama, R. L. Collins, Rayleigh and Rayleigh Doppler Lidars for the Observations of the Arctic Middle Atmosphere, IEICE Transactions on Communications, 28, 1467-1470 (2000)

 

(6): 中島英彰

1963年生まれ、東北大学大学院博士課程終了博士(理学)、

現在環境省国立環境研究所・地球環境研究グループ・衛星観測研究チーム総合研究官

主要論文:

1. Nakajima, H., X. Liu, I. Murata, Y. Kondo, F. J. Murcray, M. Koike, Y. Zhao, and H. Nakane, Retrieval of vertical profiles of ozone from high-resolution infrared solar spectra at Rikubetsu, Japan, J. Geophys. Res., 102, 29, 981-29, 990, 1997.

2. Nakajima, H., H. Fukunishi, S. Okano, and T. Ono, Observation of thermospheric wind velocities and temperatures by the use of a Fabry-Perot Doppler imaging system at Syowa Station, Antarctica, Appl. Opt., 34, 8382-8395, 1995.

3. Nakajima, H., H. Fukunishi, T. Ono, and F. J. Rich, Characteristics of suprathermal electron bursts observed by the DMSP-F6/F7 satellites in the diffuse aurora region, J. Geomag. Geoelectr., 45, 1-22, 1993.

 

(7): 中島英彰(同上)

 

(8): 横田達也(同上)