気象研究所研究開発課題評価報告
エーロゾル・雲・微量気体に関するリモートセンシング技術の高度化に関する基礎研究
中間評価
- 副課題１：ライダーによるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
- 副課題２：衛星によるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
研究代表者
真野裕三（気象衛星観測システム研究部 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
研究の動機・背景
ライダーによるエーロゾルや雲・微量気体成分の観測は、これらの鉛直分布の高頻度観測データを得る現時点で唯一の観測であり、全球エーロゾル輸送モデルや化学輸送モデルの検証、データ同化による予測精度の向上を図る上で重要な役割が期待されている。このような利用を可能にするため、ライダーシステムとそのデータ処理技術の開発・改良を行い、エーロゾルや巻雲の光学・微物理特性の解明やオゾン等の微量気体成分の観測精度の向上をはかる。
ライダーは、エーロゾル等の鉛直分布を連続的に観測できることから、衛星観測や数値モデルの検証、モデルへのデータ同化に極めて重要である。しかし、ライダーで観測されるエーロゾルの後方散乱係数、偏光解消度等の光学特性は、全球エーロゾル輸送モデルで直接扱われず、そのままでは比較や同化に利用できないため、モデルで取り扱う物理量へ換算する手法の確立が求められている。人為的な汚染物質でもある対流圏オゾンや二酸化窒素、二酸化硫黄などの微量成分は、その起源の識別が必要なだけでなく、化学輸送モデルの検証／データ同化による予報技術の向上のため、ライダーによる鉛直分解能を持つ連続観測が必要である。温暖化物質である対流圏オゾンや二酸化炭素は、地球温暖化の理解のために鉛直分布観測が求められている。
衛星からのエーロゾルのリモートセンシングは、黄砂や越境汚染等に関連して数値予報モデルや環境監視に重要な情報をもたらす。現在、気象衛星センターではNOAA衛星により陸域エーロゾルプロダクトおよびNOAA・MTSAT両衛星により海域エーゾルプロダクトを作成している。このうち陸域エーロゾルプロダクトについては誤差が大きく、改良を図る必要がある。また、夜間のエーロゾルについては赤外の輝度温度差による黄砂の検出が行われているがあたりはずれがあり物理的な観点から定量的な研究が求められる。
雲は数値モデルにおいて放射や水循環に重要な役割を果たす。今後、数値モデルにおいて雲物理過程の扱いが進むとともに雲に関する衛星データが必要になると思われる。性能向上が進みつつある地球観測衛星や気象衛星による雲物理量のプロダクト作成の高度化が求められている。
エーロゾル・雲（特に氷雲）のリモートセンシングを行ううえで現在ネックになっているのが非球形粒子の散乱特性を正確に取り入れることである。非球形粒子の電磁波散乱計算手法を高度化させ、その計算結果をデータベース化することが必要である。
多波長サウンダーを利用したオゾン・CO2等のリトリーバルがECMWF等の数値予報モデルで実験的に進められている。衛星による微量気体の観測は物質輸送モデルへの同化に重要である。
研究の成果の到達目標
ライダーや衛星を用いたエーロゾル、雲、微量気体の観測手法を改良・開発するとともに、観測データを物質輸送モデルで利用する際の評価やモデルの検証を行う。
（副課題１）ライダーによるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
① ライダー観測からのエーロゾル微物理量導出手法の開発、巻雲の光学特性の把握、観測データを用いた全球エーロゾル輸送モデルの検証及びモデルでのライダー観測データ利用の評価
チェンバー実験あるいは実大気でエーロゾルをライダーと直接サンプリングにより同時測定し、ライダー観測から得られる光学特性（後方散乱係数、偏光解消度等）から微物理量（濃度、種類、粒径等）を導出するための手法を開発する。この手法をライダーの連続観測データに適用して作成したデータセットを用い、全球エーロゾル輸送モデルの検証や、モデルでライダー観測データを使用する際の評価を行う。
② 対流圏オゾンの実態把握と発生起源の識別アルゴリズムの開発・改良及びオゾン以外の微量気体成分の観測手法の開発
対流圏オゾンライダーを用いた観測を実施し、化学輸送モデルと比較することにより、対流圏オゾンの起源の識別アルゴリズムの開発・改良を行う。
二酸化窒素、二酸化硫黄、二酸化炭素のライダー観測手法を開発する。二酸化窒素については、必要となる装置について検討し、期待できる観測精度を明らかにし、試験的な装置での検証を行う。二酸化硫黄は、既有の対流圏オゾンライダーからの導出を試みる。二酸化炭素は、実用的な装置の構築に向けて必要な基礎的検討を行う。
（副課題２）衛星によるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
① 気象衛星による陸域におけるエアロゾル（黄砂等）の光学的厚さ等のプロダクトの改良、夜間のエーロゾルの検出方法の改善。・エーロゾルの種類の識別・エーロゾル粒子の光学特性の適切な選択・陸面反射率データの改良。
② 地球観測衛星・極軌道気象衛星による氷雲の微物理量作成アルゴリズムの開発・改良。氷雲の放射過程については不明な点が多いため、基礎的な導出アルゴリズムの開発。
③ 上記各目標の達成に必要となる、非球形粒子散乱モデルの改良、放射伝達モデルの改良。
地球観測衛星・極軌道気象衛星による微量気体のリトリーバル技術の開発。
研究の現状
（１）進捗状況
副課題１、副課題２とも、概ね予定通りの進捗状況であるが、遅れている課題が一部にある。
（２）これまで得られた成果の概要
ライダーによるエーロゾル・水蒸気・オゾン・SO2観測から、これらに関する新しい知見を得た。また、ライダーによる水雲のリモートセンシングの新しい手法を開発中である。NO2観測用のライダーを開発中である。
衛星からのエーロゾル・氷雲・CO2のリモートセンシングにむけてより高度な手法の開発が進行中である。また、エーロゾル用の非球形散乱データベースを作成した。
（副課題１）ライダーによるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
- 人工的に生成した硫酸塩粒子や海塩粒子、砂漠地帯で採取した鉱物粒子を用い、チェンバー内にエーロゾルを含んだ大気環境を再現し、ライダー観測で得られる偏光解消度と直接測定で得られる粒径分布や形状とを比較した。その結果、鉱物粒子の偏光解消度は、半径１µm以上が卓越する場合23～28％、１µm以下が卓越する場合12～15％、半径１µm以下が卓越する硫酸塩・海塩粒子の偏光解消度は液滴の場合１％、固体結晶の場合4～8％であることが分かった。
- 2010年4月29日と5月4日に気象研屋上でライダーと直接サンプリング等によるエアロゾル観測をおこなった。その結果、地上付近の大気中では、ライダー偏光解消度が低い場合でも、鉱物粒子が液滴状で存在していることが分かった。
- 米国大気放射観測計画（ARM）で運用しているラマンライダーの観測データから水蒸気混合比、雲水量高度プロファイルを求める解析プログラムを作成した。このプログラムを用いて解析した結果を、赤外放射計データと比較して検証をおこなった。その結果、ライダーの水ラマン散乱信号にエアロゾルFluorescenceと思われる散乱光が寄与し、雲水量を過大評価することが分かった。
- 上層雲の形成過程を研究する上で重要となる、水蒸気ライダーによる上部対流圏（及び下部成層圏）観測データの解析をおこなった。その結果、2001年～2003年気象研において観測した水蒸気混合比は、衛星（HALOE）データに比べて20～80 ppmv高いことが分かった。
- 対流圏オゾンライダー観測を行い、他の測器(オゾンゾンデ2種、将来の静止衛星への搭載を目指す分光器)との比較を行った。対流圏オゾンライダーを用いて観測された春季オゾン極大期（2006年6月1日）の高濃度オゾン事例について、MRI-CCM2を用いた事例解析を行い、地上から高度4kmまでの2x1018m-3程度のやや高濃度のオゾンはMRI-CCM2でよく再現されていたが、これに重畳されている高度1-3kmに見られた3x1018m-3以上の高濃度オゾンは再現されていなかったことが分かった。2x1018m-3程度のオゾンは、成層圏オゾンとは連続しておらず、大陸からの人為起源のオゾンであると考えられる。
- NO2、SO2のスペクトル因子を計算し精度評価を行った。SO2については、現有の対流圏オゾンライダーでの最小測定感度はおよそ3×1017m-3程度であり、現代の日本での環境レベルでは検出が困難であるが、火山起源のより高濃度の場合は、オゾンとSO2の同時導出が可能であることがわかった。実際の観測結果から、三宅島起源と推測されるSO2の導出に成功した。NO2については、観測装置の構築を行っている。
（副課題２）衛星によるエーロゾル・雲・微量気体の観測技術の高度化
・非球形粒子の散乱計算
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。この粒子モデル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成果の公開を行った。
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。
対流性の雲に見られる不規則形状の氷晶について、物理1研が実施した人工降雨実験の観測データや報告されている氷晶の微物理特性などを利用して粒子の形状モデルを作成した。この氷粒子モデルに六角柱や二十面体などを加えた粒子形状について可視-赤外の散乱特性データベース構築のための計算を開始した。
改良型幾何光学近似手法のプログラム開発を行った。
これまで計算が困難であったサイズパラメータが50から200程度の非球形粒子の計算が可能になった。（衛星データ解析の高度化に資するために）、不規則形状の鉱物粒子や正6角柱をはじめとする様々な形状の氷晶粒子について、可視・近赤外域における散乱分布関数の計算を行いデータベースを構築中である。
・氷雲の放射過程
ボロノイ型の氷晶モデルを用いた氷晶雲特性のリトリーバルを行い、粒子モデルの違いによって光学的厚さ・粒径の推定値に大きな違いが生じることを明らかにした。
・陸域エーロゾル
中国大陸のAERONET観測点で光学的厚さの地上実測値と衛星推定値が合うように、黄砂とgray hazeの複素屈折率を調整した。
静止気象衛星MTSAT-2による陸域エーロゾルの光学的厚さの推定プログラムの開発とテストを行った。
・夜間の黄砂検出手法の改良
AIRS用のエーロゾルの赤外放射モデルの開発を行った。適切なAIRSのチャネルを用いて、ダストの赤外光学的厚さとダスト層の高度を求めるプログラムの開発とシミュレーションテストを行い、妥当な結果を得た。
・CO2リトリーバル手法の開発
CO2を変数とするAIRS用高速放射モデルを開発した。
AIRSを用いて対流圏中層のCO2濃度を求めるプログラムの開発に着手し、シミュレーションテストを行い、妥当な結果を得た。
（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
- 2011年1月からNASA/GSFCにおいて、ライダーを用いたエーロゾル微物理量導出に加えて、雲微物理量導出手法の開発をおこなっている。
- 水雲のリモートセンシングは研究要素に乏しいため、中止した。
（４）成果の他の研究への波及状況
次期衛星のプロダクトについて検討している「静止衛星利活用技術検討部会」で火山灰のリモートセンシングに、副課題２のエーロゾルリモートセンシングの成果の活用が期待される。
２．今後の研究の進め方
- ライダーによる雲微物理量導出の精度を向上するために、１）最適化手法を用いたライダーパラメータ（水蒸気ラマン散乱とエーロゾルFluorescence散乱の雲水チャンネルへの寄与率等）の推定をおこなう。
- 微量気体成分の観測手法の開発については、NO2の観測装置の開発を継続するとともに、対流圏オゾン、SO2との同時観測を目指す。
- 非球形粒子の散乱計算については、氷粒子の散乱計算を進める。
- 陸域エーロゾルについては、地上観測と衛星推定値との比較をすすめる。
- 夜間の黄砂検出手法の改良、およびCO2リトリーバル手法の改良については観測ノイズやリトリーバル初期値への敏感性についてチェックを行う。
３．自己点検
（１）到達目標に対する達成度
副課題１
- エーロゾルに加えて雲の微物理量導出を始めており、また新しい環境に対応するまでに時間がかかったため、研究の進行が若干遅れている。
- 対流圏オゾン、SO2については、順調に進捗している。
- NO2の観測装置の開発について、使用を予定しているレーザー装置の不具合が発生したため、進捗が遅れている。
副課題２については概ね順調に進捗しているが、一部に遅れが見られる。
（２）研究手法の妥当性
- 概ね進捗状況は順調であるため、研究手法は妥当と考えられる。
- 現在おこなっている研究手法は、NASA/GSFCのsupervisorとの議論をおこなった上で決めたものであり、妥当であると考える。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
- 副課題１については具体的な成果は未だ出ていないが、ライダーによる雲物理量導出手法の開発は、エーロゾル微物理量導出と同様に気候研究において重要な研究課題である。
- 副課題２については、衛星からの環境情報の充実に活用されることが期待できる。特に非球形粒子の散乱データベースの構築は、氷雲やダストのリモートセンシングへの適用が期待される。
（４）総合評価
具体的な成果がでる段階ではないが、意義のある研究成果に向けて概ね順調に推移している。