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気象研究所研究開発課題評価報告

地上観測による大気要素の放射収支への影響の実態解明

中間評価

評価年月日：平成２４年３月１３日

副課題１：雲・エーロゾルの監視と放射影響の実態解明に関する研究
副課題２：エーロゾルの光学特性の測定とモデル化に関する研究

研究代表者

内山室長（気候研究部　第三研究室長）

研究期間

平成21年度～25年度

中間評価の総合所見

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研究の動機・背景

気候変動、大気環境の監視技術を高度化する要請に応え、雲やエーロゾルの影響を精密に把握するためには、気象現業機関で実施されている放射観測を高度化する必要がある。そのために必要な基盤技術の開発を行うとともに、雲・エーロゾルの放射影響の実態を把握する。

気候変動や大気環境の監視を高度化させる要求に応えるためには、スカイラジオメーター、分光日射計などによる放射観測をより精密にするための技術開発が必要である。現実に存在する粒子は、非球形であったり内部混合していたりで非常に複雑な形状をしており、球粒子の仮定で一次散乱特性を計算すると誤差が大きい場合がある。エーロゾルの１次散乱特性の理解を深めることは、課題全体の高度化、気候モデルでの放射加熱・冷却の評価、エーロゾルリモートセンシングの高度化に不可欠である。

研究の成果の到達目標

副課題１では、気候変動や大気環境の監視の高度化と実態把握のために、①観測精度向上のための研究、②測定データの解析ソフトウェアの開発・改良、③雲・エーロゾル特性、放射影響の変動特性の実態把握について実施する。

副課題２では、エーロゾル特性を地上で測定し、光学特性を理解することにより、副課題１の更なる高度化を進めるため、①エーロゾル光学特性測定法の改良、②エーロゾルの基礎物理・化学量の測定と実態把握、③エーロゾル光学特性の観測値と計算値の比較によるモデル化について実施する。

（副課題１）雲・エーロゾルの監視と放射影響の実態解明に関する研究

①観測精度向上のための研究

エーロゾル・雲の特性を推定するために使用している各種放射計（スカイラジオメーター、分光直達日射計、分光全天日射計等）の測定法、検定法の改良を行う。また、雲の特性（雲水量など）の測定も行うため、気象研内の他のグループの協力を得て、マイクロ波放射計などの機器を導入し、観測システムの拡充を図る。

②測定データの解析ソフトウェアの開発・改良

スカイラジオメーターや分光日射計の測定値から放射に影響を与えるエーロゾル・雲の特性（光学的厚さ、一次散乱アルベド、雲水量、有効半径など）の推定法の開発・改良を行う。

スカイラジオメーターに関しては、非球形粒子の散乱の考慮、1000nm以上の近赤外チャンネルの利用法の開発などを行う。

③雲・エーロゾル特性、放射影響の変動特性の実態把握

気候変動や大気環境の変動を調べるために、①及び②で得られたデータを元に、エーロゾル・雲の特性の観測点毎の違い、季節変化～10年スケールの変動の実態を把握する。また、放射量の変動とエーロゾル・雲の特性の変動の特性の関係を調べることにより気候変動におけるエーロゾル・雲の特性を通しての放射の役割を明らかにする。

（副課題２）エーロゾルの光学特性の測定とモデル化に関する研究

①エーロゾル光学特性測定法の改良

エーロゾルの光学特性の要素である散乱係数の測定を実施しているが、既製品（1波長測定）を改造して、3波長化し、波長依存を測定できるようにする。また、吸湿性のエーロゾルの光学特性は、相対湿度で大きく変わるため、湿度特性の測定は重要である。相対湿度40%以下及び80%以上の条件で自動測定出来るようにする。

②エーロゾルの基礎物理・化学量の測定と実態把握

基礎的・基盤的研究課題「大気エーロゾル粒子の性状とその変動過程に関する研究」と共同で集中観測期間を設けて、光学特性の測定と同時に電子顕微鏡分析用のエーロゾルを採取して、大きさ、形態、混合状態、組成を調べる。集中観測は、特徴的なエーロゾルとして、すす粒子、黄砂、海塩粒子などを含む大気で行う。得られたデータは、本研究課題③項のモデル化のための基礎データとする。

③エーロゾル光学特性の観測値と計算値の比較によるモデル化

エーロゾル光学特性の解析手法を高度化するため、複雑粒子をモデル化して、一次散乱量（消散係数、一次散乱アルベド、位相関数）について数値的方法で高精度解を求める。また、高精度解を近似的な方法で再現する。②で得られたデータを元に高精度解及び近似的手法で、測定値を再現することを試みる。

研究の現状

（１）進捗状況

（副課題１）雲・エーロゾルの監視と放射影響の実態解明に関する研究

（副課題２）エーロゾルの光学特性の測定とモデル化に関する研究

（２）これまで得られた成果の概要

(副課題１)　雲・エーロゾルの監視と放射影響の実態解明に関する研究

①観測精度向上のための研究

可降水量、雲水量の連続測定のためにマイクロ波放射計（気象衛星・観測システム研究部所有）を設置し、連続観測を2009年11月から開始した。
画像型スカイラジオメーターの開発のため、広ダイナミックレンジのCMOS画像センサーを用いたカメラと高解像度の冷却型CCDを用いたカメラで、太陽直達光と太陽周辺光の測定試験を行った。CMOSカメラは、画素間隔角度（約0.09度）、感度むらを決定後、500nm（半値全幅10nm）の干渉フィルターつけて測定し、スカイラジメーターとの比較を行った。その結果、直達光と散乱光の同時測定が可能であることが分かったが、散乱角が大きいところでスカイラジメーターより出力が系統的に高かった。ゴーストの発生があり、直達光の測定と太陽光を遮蔽した測定を行う必要があることが分かった。CCDカメラによる測定は、スミア現象を除くため減光フィルターを取り付けた測定を行い、ゴーストの発生状況を確認している。
大気サンプリングにおいて、GEOSS/SKYNETで開発した等速吸引インレットを導入して測定精度の向上を図った。
つくばにおいて、経常的に行っている各種観測データ（放射、サンプリング観測）を定期的に図化し、WEB上で閲覧するシステムを構築した。現在は、研究室内のみで公開しており、研究室のホームページの刷新と所外公開を準備している。
宮古島、南鳥島の過去データはGEOSS/SKYNETの枠組みで公開した。
地点毎に観測データ、解析データを提供できるように準備を進めている。
気象測器検定試験センターの恒温槽を利用してスカイラジオメーターの温度特性（-20℃から40℃）を調べた結果、最大で10%程度の影響が出る可能性があることが分かった。温度依存を考慮して検定定数の季節変化を調べたが、その影響は小さかった。
光源を用いたスカイラジメーターの比較校正を試験した。太陽を光源にしたときに比べ可視域で数パーセント過大に、近赤外域で数パーセント過小になる傾向があった。

②測定データの解析ソフトウェアの開発・改良

非球形粒子の効果（回転楕円体を仮定）を考慮したスカイラジオメーターの解析法の結果をまとめ論文として投稿し、掲載された。直達放射と散乱放射強度の相対値のみを使う場合、黄砂のようなダストエーロゾルの光学特性の解析では、誤差が小さくなり、回転楕円体モデルを使った解析は有効であることが分かった。検定定数が分かっている場合は、球形モデル、回転楕円体モデルのどちらを使っても、十分な精度でダストエーロゾルの光学特性が解析できることがわかった。
スカイラジメーターで観測される地表面放射輝度から雲の鉛直分布を推定する問題に取り組んだ。H21年度には、過去の研究をレビューし、最尤法を用いる推定、カルマンフィルターを用いる推定法の開発を行った。H22年度にはニュートン法から準ニュートン法（大域的収束性の保証）へ変更をおこなった。さらに、ハール基底による基底変換の導入をおこない、ニューラルネットワークを用いる推定法の開発を行った。H23年度には、近年、最適化問題の研究分野で開発された①Simulated Annealing with Advanced Adaptive Neighborhood、②Real-Coded Genetic Algorithms、③Particle Filterによる３解法を実装した。これらの複数の方法によるアンサンブル平均の精度はおおむねよく、アンサンブルリトリーバル法の可能性が示唆される。
これらの各方法には、特段すぐれた方法はなかったが、次のことが分かった。雲以外の消散大気場（消散・散乱・吸収係数の分布）が重要であり、水蒸気の吸収帯や酸素のAband, Bbandなどの吸収帯は大きな情報（情報：チャンネル間の放射輝度の差）をもっていること、光学的厚さの薄い雲は、紫外域から可視域にかけて消散大気場に依存せず、大きな情報をもっていること、地表面放射輝度の水平ベクトル（地表面放射輝度×sin（天頂角））に情報があること、天頂角55°付近がもっとも情報をもち天頂角は情報の増幅に寄与すること、地表面放射輝度比により、モデルの適用可能場（平行平面大気、雲量＝１）か判断できることがわかった。
開発した推定法により、時系列の実観測に対して雲特性量・雲放射強制力などの評価を行っている。推定した鉛直雲水量の変動は、マイクロ波放射計による推定値の変動と位相差をもって、よく対応している。
スカイラジメーターの水蒸気チャンネル(中心波長940nm)の校正法を開発し、推定された透過率から水蒸気量を推定する方法を開発した。精度は±0.1g/cm2程度である。
スカイラジオメーターの検定定数が既知のチャンネルから他のチャンネルの検定定数を推定する方法を開発した。センサー出力の自己チェック、Improved Langley法で決めた可視の検定値を使って近赤外域の検定値の推定にも使える。
スカイラジメーターのデータをSkyRad.pack(ver4.2)と研究室で開発した最尤法に基づくプログラムで解析し、推定量を比較したところ、SkyRad.pack(ver4.2)で一次散乱アルベドが大きくなる傾向が改善されていることが分かった。
直達分光日射計の近赤外データの利用法を検討した。ガス（H2O、CO2、O3）の中で十分な精度で推定できそうなのはH2Oのみであった。エーロゾルに関しては、波長2.2μmまでの測定を使うことで、粒形分布は、半径3μmまでは推定できそうであった。
過去に作成された赤外放射計算コードを見直し、いくつかのバグの修正をして整備した。また、ガス吸収を最新のHITRAN2008のデータベースに更新するためのプログラムを作成した。
数十年の長期的なエーロゾルの変動と放射への影響を調べるために、全波長の全天日射計、直達日射計のデータからエーロゾルの光学特性を推定する手法を開発した。推定精度は、光学的厚さが0.03、一次散乱アルベドが0.05程度であり、十分に実用可能な精度であった。
TSI model 3563とPSAP（３波長）を想定して、エーロゾルの散乱係数、吸収係数の測定データから、散乱係数、一次散乱アルベド(SSA)を補正する方法を改良した。OPACのモデルでシミュレーションにより誤差評価を行ったところ、SSAは、安定して誤差0.005以下で推定できた。
観測から得られたエーロゾル光学特性が、放射場を通して、大気境界層の発達過程へ与える影響を調べるための一次元大気放射・境界層モデルを構築した。これを使った感度実験により、エーロゾルの光吸収性が、大気境界層の発達と崩壊のタイミング、発達高度や地上気温に大きな影響を与えていることが分かった。

③雲・エーロゾル特性、放射影響の変動特性の実態把握

つくばで過去36年に渡って行ってきた日射観測に②で開発した推定法を適用し、エーロゾルの長期変動と地上日射への影響を調べ、光学的厚さの減少と一次散乱アルベドの増加の結果、地上日射量が増加傾向にあることが分かった。結果を国際誌に投稿・掲載された。
引き続き、1970年代から気象庁が行ってきた国内14地点の日射データを解析し、過去30年のエーロゾルの長期変動を調べた。同時に、環境省で長期に行ってきたエーロゾルのサンプリング観測のデータを収集し、日射データを解析した結果との関連について調べた。その結果、全国的な光学的厚さの減少と一次散乱アルベドの増加によって地上日射が増加していることが分かった。さらに、これらの光学特性の変動が、人間活動の変動によってもたらされている可能性が示唆された。結果を国際誌へ投稿するために論文にまとめた。
世界各地のデータを解析するため、World Radiation Data CenterとWorld Radiation Monitoring Centerにアーカイブされている1990年代以降の世界各地の日射データを取集し、エーロゾル光学特性推定のための下処理を行った。
つくばで測定しているネフェロメーター(３波長、2000～2010年)、PSAP（1波長、2000～2010年、３波長、2006～2010年）を解析し、エーロゾルの光学特性の変化傾向を調べた。消散(散乱＋吸収)係数は、僅かに減少する傾向にあること、一次散乱アルベドは、冬に小さく夏に大きい季節変化をしながら僅かながら増加傾向(吸収が減少)にあることが分かった。放射計の解析と整合性がある。
気象研究所に設置しているスカイラジオメーターの準器からの検定定数の転写結果の見直し、再計算を開始した。
Sky.Rad.pack(ver4.2)と研究室で開発したプログラムを使用して2004年から2010年のつくばと2002年から2009年の青島のスカイラジオメーターのデータの再解析を行っている。

（副課題２)　エーロゾルの光学特性の測定とモデル化に関する研究

①エーロゾル光学特性測定法の改良

M9003(エコテック社製ネフェロメーター)を改良し、多波長化（三波長）、光量の増加を図った。検定定数は1ヶ月程度であれば変動が小さいことが分かった。
加湿状態の散乱係数を測定するため、ナフィオンチューブに温水（50～60℃）を通す加湿器を作成し、良好に動作することを確認した。空気を乾燥させるため、加湿と逆にチューブドライヤー(中空糸膜使用)とナフィオンチューブを用いる乾燥器を試したが、十分に乾燥できなかった。単純に加熱（50～60℃）した方が、容易に相対湿度を下げられることが分かった。
所外の研究者との共同観測で二次生成有機エーロゾルの光学特性の測定を行った。

②エーロゾルの基礎物理・化学量の測定と実態把握

過去データ（2009年3,4月の福岡での観測データ）から黄砂が飛来している日のデータについて分析を行い、黄砂粒子の形状モデル作成のためのデータを課題②に提供した。
また、個々の粒子の組成、形状、粒径を調べた結果、直径１μm以上の粒子の多くは黄砂粒子であり、黄砂粒子には、珪酸アルミニウムを主成分とする粒子と炭酸カルシウム等を主成分とする粒子の2種類が存在すること、前者は不規則形状、後者は液滴または不規則形状の粒子に、細かい結晶が付着した形状であることが多いことがわかった。
2010年３月に採取された試料の分析から、黄砂時における鉱物粒子は、これまで知られていた粗大粒子の他に、微小な鉱物粒子（直径0.1-0.5μm）が多数存在し、数モードは約0.4μmであること、汚染大気と共に輸送されて来たケースでは、微小鉱物粒子は硫酸塩などと内部混合している割合が高いことがわかった。
秋季（2010年10-11月）に、つくばで採取されたエーロゾルサンプルを電子顕微鏡で分析した結果、基本的に、海塩、鉱物、硫酸塩、煤、有機物の混合と考えられ、煤の多くは、硫酸塩または有機物と内部混合していることがわかった。

③エーロゾル光学特性の観測値と計算値に比較によるモデル化

上記の課題②で環境・応用4研が取得した黄砂の電顕画像を利用し鉱物性エーロゾル粒子モデルとして考えたボロノイ型形状粒子について、FDTD法と改良型幾何光学近似法を用いた散乱特性計算を実施し、予定の波長および粒子サイズ範囲での散乱特性データベースを作成した。
スス粒子については電顕画像による形状特性とフラクタル・ボロノイ型凝集体構造を用いた形状モデル化をおこなった。その形状についての散乱特性データベースを作成した。また回転楕円体についても3種類の形状について計算を実施した。

（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）

計画の進捗が早いもの遅れているものがあるが、計画通り進んでおり、大きな変更点はない。
シーロメーター（物理気象研究部所有）による雲底高度データの取得を予定していたが、修理の目処が立たないので、他のデータ（例えば、環境研のライダー）の利用を考える。
エーロゾルの基礎物理・化学量の測定と実態把握では、分析に時間がかかることが最大のネックになっている。電子顕微鏡の更新に伴い、これまでの時間のかかる分析手法を見直し、ＥＤＸ自動分析、窒素を含まないフォルムバール支持膜とモンテカルロ法による軽元素の定量などを軸とする新手法を開発する。これにより、迅速な定量分析を可能にする。

（４）成果の他の研究への波及状況

副課題１の観測点のスカイラジメーターの解析値を温室光ガス観測技術衛星（GOSAT）の検証データとして提供した。また、GOSATの検証サイトのスカイラジオメーターの比較検定を気象研究所で行った。平成23年度からは、「『いぶき』観測データ解析により得られた温室効果ガス濃度の高精度化に関する研究」（環境省推進費、平成23～25年度）に直接参加して、貢献する。
副課題１で実施している放射計（サンフォトメーター、スカイラジオメーター、日射計）の校正法をGEOSS/SKYNETの標準とした。また、外国も含めて他機関からのスカイラジメーターの比較検定の要望に応じた。
開発したスカイラジオメーターの観測値の解析法をSkyrad Package開発者に提供し、それを元に、Skyrad Packageの改訂が行われている。
気象大学校の学生の卒業論文のために一部データを提供した。
スカイラジメーター、日射計（直達、全天）を産総研の太陽光発電工学研究センター、評価・標準チームに提供した。そのデータを基に分光放射計検定法の開発に貢献した。
副課題２の③のデータの利用拡大を目的として、衛星データ解析用高速放射モデルRSTAR用の散乱特性データテーブル(MRIDUST)を作成し、東大RSTAR開発コミュニティに提供することで研究コミュニティに貢献した。

２．今後の研究の進め方

画像型スカイラジメーターの開発のための基礎研究をつづけ、目処が立てば外部予算を獲得して開発する。測器の開発とあわせて、小さい散乱角の測定値を利用した解析法の開発を行う。
エーロゾルの光学特性の測定項目として散乱光の角度分布を測定できるようにするための基礎研究を行う。
太陽光エネルギーの分野で分光スペクトルデータが必要とされており、最低2.5μmまでフラックスを測定できるようにする（分光日射観測装置の更新が必要）。
観測データを広く一般に利用してもらうため、WEBで閲覧可能なようにし、また、データを提供可能な形に整理する。
日射計、スカイラジメーターの比較検定（検定定数の転写）では、屋外で太陽光を利用して行っているが、天候に左右されて予定通りに進まないことがある。これを解決するために人工光源による比較観測が可能か検討をつづける。
世界各地の広帯域の日射計データの収集が進んだので、このデータを用いて、開発した方法を適用して、各地のエーロゾルの放射影響を調べる。
エーロゾルの太陽放射への影響を把握できるようになったので、赤外放射への影響について今後調べられるようにする。
複合センサーの利用（例えば、スカイラジオメーターとライダー）により、エーロゾルの光学特性や放射強制力の推定精度の向上を図る。
スカイラジメーターと日射計による観測値を使って、放射強制力のモニターをできるようにする。
スカイラジメーターのデータから雲物理用が推定できるようになったので、雲物理量と放射強制力の関係を調べる。
エーロゾルの基礎物理・化学量の測定と実態把握においては、ソフトの開発、支持膜作成技術の確立などの準備作業を行い。新電顕設置（平成24年1月予定）後にテストを行い、平成24年度内に、新分析手法への移行をめざす。

３．自己点検

（１）到達目標に対する達成度

一部問題が有り進捗が遅れているものもあるが、概ね計画通り進捗している。

（２）研究手法の妥当性

副課題１においては、連続観測を行いデータを蓄積しながら、測器の開発・改良、検定法の確立・改良を着実に行っている。また、蓄積したデータや過去データに基づき、解析を行い、実態把握が進んでおり、研究手法は妥当である。

副課題２においても、測器の開発・改良、エーロゾル粒子の基礎物理量の把握、それに基づくエーロゾル粒子の散乱特性のデータベース化が順調に進んでおり、研究手法は妥当である。

（３）成果の施策への活用・学術的意義

南鳥島でのスカイラジオメーターの解析値を気象庁がおこなっているスカイラジオメーターの観測のデータチェックのために提供した。
広帯域の全天日射計、直達日射計のデータの解析が可能になったので、10年スケールでの日射の変動とエーロゾルの量と質の関係を明らかにできるようになった。また、解析データからエーロゾル組成を推定して、業務で活用することが検討されている。
スカイラジオメーターの再解析が進みつつあり、数年スケールでのエーロゾルの光学特性の変動を明らかにできるようになった。

（４）総合評価

現観測システムを徐々にではあるが拡充を行っている。また、各測器で得られるデータの解析手法の開発・改良も行われている。新しく開発した解析法は、論文として、まとめ掲載されている。
開発された分光日射計（スカイラジメーターを含む）の校正方法を利用して、国内外の同種の放射計の比較検定を実施し、他の研究課題に貢献している。
既に得られたデータ、現業機関で長期に得られていたデータを解析し、地表面放射の変動とそれにおけるエーロゾルの役割を明らかにし、論文としてまとめ掲載されている。
エーロゾルの光学特性の測定とモデル化では、測定法の高度化、実態の把握が進んでいる。また、それに基づいた現実の粒子の光学特性を計算するためのデータベースの作成が進んだ。
概ね計画通りに進み、成果を上げており、また、他の研究課題へも貢献しており、本研究を引き続き遂行して行くことは妥当である。