気象研究所研究開発課題評価報告
衛星データの利用技術に関する研究
終了時評価
研究代表者
増田一彦（気象衛星・観測システム研究部 第一研究室長）
研究期間
平成21年度～平成25年度
終了時評価の総合所見
研究の動機・背景
近年運用が開始された多波長赤外サウンダのデータを全球数値予報モデルの初期値作成に導入しその予報精度を改善させるための、基盤技術を強化することが本研究の目的である。
放射伝達モデルは衛星データ処理の基本ツールであり、多波長赤外サウンダやマイクロ波サウンダの放射伝達モデルを自主開発しているが、雲粒や雪片の導入など、さらに性能を高めてゆく必要がある。また、放射伝達モデルや大気プロファイル推定アルゴリズムの性能評価を行うことも重要な課題である。さらに、衛星観測データをより効率的に利用するために、チャネル合成手法などの高度なデータ利用技術に関する研究を進める必要がある。
研究の成果の到達目標
数値予報モデルの将来の更なる初期値改善に向けての基盤技術を強化するために、次の3項目について研究を実施する。
①多波長サウンダによる大気プロファイル推定に必要な放射伝達モデルの開発
②①を基にした多波長サウンダによる大気プロファイル推定技術の開発。
③多波長赤外サウンダのより高度な利用技術に関する研究。
（用語に関する注釈）
本研究評価シートでは、「多波長サウンダ」は波長数が10程度以上の赤外やマイクロ波の放射計を総称するものとする。たとえばAMSUや地上設置型マイクロ波放射計が含まれる。一方、「多波長赤外サウンダ」は波長数が1000を超えるような赤外サウンダであり、「ハイパースペクトル赤外サウンダ」、「ハイパーサウンダ」とも記す。たとえば、AIRS、IASIが含まれる。
１．研究結果
（１）成果の概要
①多波長サウンダによる大気プロファイル推定に必要な放射伝達モデルの開発
[1] 放射伝達モデルにおける粒子の散乱・吸収計算を精緻化するために、雲・雪粒子の形状のフラクタル構造を使ったモデル化を行い、散乱分布関数の計算を行った。その結果は、衛星マイクロ波データ解析の放射伝達モデルに実装され衛星からの降水量推定の改善に寄与した。
[2] 強い対流性の雲に特徴的である複雑な凝集体形状の氷粒子モデルとして、航空機観測等によって得られたサイズ－形状特性を満足する粒子形状モデル（ボロノイ凝集体モデル）を開発した。この粒子モデルの散乱特性をFDTD法および改良型幾何光学近似法で計算した結果、位相関数や非対称性因子が衛星および地上観測などから推定されている平均的な雲氷の散乱特性に近いことがわかった。
[3] 回折格子型赤外サウンダAIRSに対応して開発した放射伝達モデル(MITRAN)を干渉計型サウンダIASIにも対応できるように拡張した。併せて、放射輝度の計算精度を向上させるために、吸収線データベース（HITRAN）の改訂への対応と海面での多重反射を導入することによる海面射出率モデルの改良を行った。
[4] ハイパースペクトル赤外サウンダ(IASI, AIRS)のヤコビアンについて、MITRANと現業で利用されている放射伝達モデル(RTTOV)の比較を行った。両者はほぼ一致しているが、大気最上層においてのRTTOVの結果はMITRANと比べて系統的に大きい値を示すことが分かった。
[5] 多波長マイクロ波サウンダの放射伝達モデルの開発・改良を行い、地上設置型マイクロ波放射計のデータ同化アルゴリズムに実装した。
②①を基にした多波長サウンダによる大気プロファイル推定技術の開発。
[1] MITRANを使ってAIRS/Aquaデータから求めた海域および陸域での水蒸気の鉛直分布を求めた。水蒸気ラマンライダーによる観測値と比較した結果は、おおむね良い一致を示した。また、陸域においては適切な陸面射出率モデルを利用することの重要性も明らかになった。
[2] 多波長赤外サウンダAIRSについて、陸域や下層雲より上の晴天領域に対する水蒸気のリトリーバルが行えるアルゴリズムを開発しMITRANを用いて解析を実施した。この処理によって解析対象領域は晴天海域のみの場合の約4倍になり、またこれまでの衛星観測からでは明瞭でなかった詳細な水蒸気の水平・鉛直分布や氷雲周辺域での水蒸気過飽和が推定可能になった。
③多波長赤外サウンダのより高度な利用技術に関する研究。
[1] ハイパースペクトル赤外サウンダAqua/AIRSの模擬データを使って、主成分を利用したチャネル合成手法の有効性を示した。
[2] ハイパースペクトル赤外サウンダのチャネル間の透過率の相関関係を調べた。その結果、サウンディングに使用しているチャネルの約3割は他チャネルから透過率を推定可能で、高速放射モデルの計算効率改善に利用できることが分かった。干渉計型サウンダIASIの場合、計算時間は概ね50%減少した。
[3] 一般的な雲域（多層雲・薄い雲領域）で赤外輝度温度を同化するため、ECMWFシステムを用いた観測・モデルの（誤差）特性調査や、一点同化実験、線形誤差推定理論に基づく雲域IASIデータの情報量の調査を行った。この中で雲の効果を適切に見積もるパラメータを考案し、それに基づいた誤差推定を行うことにより、O-B（観測値―計算値）がガウス分布となることが分かった。この結果を用いることにより、同化処理に置いて、雲に応じた動的な観測誤差推定や品質管理などが可能となることが分かった。
（２）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
本研究は平成22年度からの5年計画で開始された「衛星データの利用技術に関する研究」
（副課題１）衛星サウンダの数値予報モデルでの利用技術に関する研究（重点）
（副課題２）衛星サウンダ利用の基盤技術に関する研究（基礎・基盤）
の（副課題２）に相当する。以下にその経緯を記しておく。
当初計画の第一、二年度において、本庁で開発・利用されている全球大気同化システムの気象研究所への移植を関連研究部と協力して実施した。同全球大気データ同化システムを中核として、平成23年度から新規課題「全球大気データ同化の高度化に関する研究」（重点）が開始され、（副課題１）「衛星サウンダの数値予報モデルでの利用技術に関する研究」の全球大気データ同化にかかわる主要部分は、同新規課題の副課題「衛星データ同化技術の高度化に関する研究」に移行した。その結果、当初計画の（副課題２）衛星サウンダ利用の基盤技術に関する研究（基礎・基盤）が「衛星データの利用技術に関する研究」（基礎・基盤）として継続して実施されることとなった。
（３）成果の他の研究への波及状況
- 非球形粒子の形状のモデリング技術は、「エーロゾル
- 雲
- 微量気体に関する衛星リモートセンシングの数値モデルへの活用のための基礎研究（研究代表者：真野裕三）」、「地上観測による大気要素の放射収支の影響の実態解明に関する研究（研究代表者：内山明博）」、「意図的
- 非意図的気象改変に関する研究（研究代表者：村上正隆）」、「エーロゾル－雪氷相互作用に関する研究（研究代表者：青木輝夫）」において、雲
- エーロゾル、雪面等のリモートセンシングの高度化に寄与した。また、JAXA公募「マイクロ波放射計輝度温度の新しい前方計算法の開発（H22-24、研究代表者：青梨和正）」、「AMSR2用のマイクロ波降水リトリーバルアルゴリズムの改良（H23-25、研究代表者：青梨和正）」のデータ解析システムに実装され、衛星からの降水量推定の改善に成果をあげた。
- 開発した多波長マイクロ波サウンダの放射伝達モデルは、地上設置型マイクロ波放射計のデータ同化アルゴリズムに実装され、「メソスケールデータ同化とアンサンブル予報に関する研究（研究代表者：斉藤和雄）」の推進に寄与した。
- 放射伝達モデル(MITRAN)は、「全球大気データ同化の高度化に関する研究（研究代表者：青梨和正）」において、主成分を利用したハイパースペクトル赤外サウンダによる効率的な気温
- 水蒸気のリトリーバル手法の研究に活用された。
（４）今後の課題
本研究では、数値予報モデルの将来の更なる初期値改善に向けての様々な成果が得られた。特に、雲域でのハイパースペクトル赤外サウンダの利用に関する基盤技術が強化されたことから、その技術を発展させ、雲域さらには降水域での衛星データ同化の実践へと進むことが望まれる。
また、放射伝達モデルの開発・改良に関連して進められた非球形粒子の形状のモデリング技術は、多波長化などで大きく機能が向上する次期ひまわり衛星による雲やエーロゾルのプロダクトの改良への活用が期待される。
２．自己点検
（１）到達目標に対する達成度
項目①、放射伝達モデル(MITRAN)の改善が着実に進展、所内の他の研究課題での活用も進んだ。また、放射伝達モデルを精緻化するために開発した非球形粒子モデルは各種リモートセンシングの高度化に寄与した。以上のことから、目標達成度は高いと考える。
項目②、MITRANを利用して、水蒸気のプロファイルの推定技術についての知見が強化されたことから、達成度は満足できるものと判断している。
項目③、論文発表などで研究成果が適切に公表されている。特に、世界的にも精力的に研究が継続中の、多層雲や薄い雲域などでの赤外輝度温度の同化に関する知見が強化されたことから、達成度は高いといえる。
（２）研究手法及び到達目標の設定の妥当性
放射伝達プログラムの開発・改良、衛星データや地上観測データの事例解析を中心に研究を行った。研究成果は論文や学会等で適宜公表され、所内の他の研究課題や本庁等関連部署での利活用も進んでいることから、研究手法・目標設定は妥当であったといえる。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
[1] ハイパースペクトル赤外サウンダのデータ同化について、雲域でのデータ利用の現状と問題点を中心に、数値予報課報告・別冊57号で報告した。
[2] 開発中の放射伝達モデル(MITRAN)は現業で利用されている放射伝達モデル(RTTOV)との相互検証などに利用され、その結果を数値予報課の担当者に情報提供した。
[3] 放射伝達モデルに関連して改良した赤外海面射出率モデルは、気象衛星センターにおける海面温度推定アルゴリズムの改良に組み込まれ、その結果、現行アルゴリズムで問題になっている各種バイアスが解消されつつある。
[4] 非球形粒子の形状モデルの開発は他の多くの研究課題にも活用され、雲・エーロゾル等のリモートセンシングの高度化に寄与するものである。また、「気象研究ノート」への掲載にみられるように、我が国のこの分野をリードするものであり学術的意義も大きいといえる。
[5] 多層雲・薄い雲領域における赤外雲域輝度温度同化に関する研究成果は、関連分野で世界をリードする欧州中期予報センター(ECMWF)の研究者との共著で論文発表がされ、学術的意義が高いものである。
（補足）
平成２１－２２年度に当初計画の（副課題１）「衛星サウンダの数値予報モデルでの利用技術に関する研究」において行ったハイパースペクトル赤外サウンダ（IASI）の最適チャネルの選択結果は、気象庁モデル技術開発推進本部の衛星サブグループの課題（ハイパースペクトル赤外サウンダ（AIRS, IASI）の全球モデルでの同化）推進に活用された。
（４）総合評価
研究成果は次項に示すように論文や学会等で適宜公表され、所内の他の研究課題や本庁等関連部署での活用が進んでいることから、研究は総合的にみて順調に進んだと判断している。
．参考資料
３．１ 研究成果リスト
（１）査読論文
1. Mano, Y. , 2009 :Maximum information composite channels of a high-resolution satellite sounder. Papers in Meteorology and Geophysics , 60, 1-6, doi:10.2467/mripapers.60.1.
2. Ishimoto, H. , 2009 :Retrieval of upper tropospheric relative humidity profiles over low clouds from the Atmospheric Infrared Sounder. Geophysical Research Letters , 36, L11814, doi:10.1029/2009GL037665.
3. Ishimoto H., Zaizen Y., Uchiyama A., Masuda K., Mano Y., 2010: Shape modeling of mineral dust particles for light-scattering calculations using the spatial Poisson-Voronoi tessellation, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer , 111, 2434-2443.
4. Mano, Y. , 2011 : Inter-channel correlation of transmittances in a high-resolution satellite sounder. Papers in Meteorology and Geophysics , 62, 57-62, doi:10.2467/mripapers.62.57.
5. Masuda, K., 2012: Influence of wind direction on the infrared sea surface emissivity model including multiple reflection effect. Papers in Meteorology and Geophysics, 63, 1-13.
6. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchiyama A. 2012: Irregularly shaped ice aggregates in optical modeling of convectively generated ice clouds. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer , 113, 632-643.
7. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchiyama A. 2012: Optical modeling of irregularly shaped particles in convective cirrus. Proceedings of the International Radiation Symposium (IRS2012), in press.
8. Okamoto K., McNally A.P., Bell W. 2013: Progress towards the assimilation of all-sky infrared radiances: an evaluation of cloud effects. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, doi:10.1002/qj.2242.
（２）査読論文以外の著作物（翻訳、著書、解説）
1. Okamoto, K., M. Kazumori, T. Egawa, T. Ishibashi, H. Owada, A. Murata, and H. Nishihata, 2010: Recent development of satellite data assimilation at JMA. Proceedings of The 17th International TOVS Study Conferences, Monterey, USA, 14–20 April 2010.
2. 岡本幸三, 2011: 衛星データ同化に関する諸外国の状況, 数値予報課報告・別冊57号, 第1.3節, 7-10.
3. 岡本幸三, 2011: 衛星データの高度利用に向けて, 数値予報課報告・別冊57号, 第1.5節, 18-24.
4. 岡本幸三, 2011: ハイパースペクトル赤外サウンダ, 数値予報課報告・別冊57号, 第2.1節, 25-36.
5. 岡本幸三, 2011: 赤外雲域同化, 数値予報課報告・別冊57号, 第2.6節, 84-92.
6. 増田一彦, 石元裕史, 岡本幸三, 真野裕三, 2011: 衛星データ利用技術に関する研究, 平成22年度気象研究所研究成果発表会発表要旨集, 8-9.
7. 石元裕史, 2011: 複雑形状粒子のモデル化, 気象研究ノート 223号, 第4.5節, 108-115.
8. Ishimoto H., Zaizen Y., Masuda K., Mano Y., Uchiyama A. 2013: Shape modeling of dust and soot particles for remote sensing applications considering the geometrical features of sampled aerosols. Technical Reports of the Meteorological Research Institute, No.68, 40-43.
9. Okamoto, K, T. McNally and W. Bell, 2012: Cloud information from high spectral resolution IR sounders, EUMETSAT NWP SAF Visiting Scientist Report, NWPSAF-EC-VS-022,http://research.metoffice.gov.uk/research/interproj/nwpsaf/vs_reports/nwpsaf-ec-vs-022.pdf, pp. 34.
10. 笹野泰弘, 祖父江真一, 江淵直人, 岡本幸三, 佐藤正樹, 沢田治雄, 中村健治, 早坂忠裕, 本多嘉明, 2013: わが国の今後の衛星観測計画について, 天気, 60, 433-444.
（３）学会等発表
ア．口頭発表
・国際的な会議・学会等：6件
1. Ishimoto H., Zaizen Y., Uchiyama A., Masuda K., Mano Y., 2010: Voronoi aggregates for a shape model of mineral dust particles, 2010 APRS (Asia-Pacific Radiation Symposium), Seoul, O5_02.
2. Ishimoto H., 2013: Numerical simulations of melting snowflakes by using Moving Particle Semi-Implicit (MPS) method, Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013, Davos, A-544-0057-01200.
3. Okamoto, K., Y.Sato, H. Owada, M. Kazumori, A. Okagaki, M. Moriya, 2013: Recent development of satellite data assimilation at JMA. Expert meeting on satellite data assimilation, Seoul, Korea, 29 October - 1 November 2013.
4. Okamoto, K., K. Yamashita, 2013: Assimilation of geostationary satellite at JMA. Expert meeting on satellite data assimilation, Seoul, Korea, 29 October - 1 November 2013.
5. Okamoto, K., 2013: Assimilation of cloudy radiances from satellite infrared imagers and sounders. Expert meeting on satellite data assimilation, Seoul, Korea, 29 October - 1 November 2013.
6. Okamoto, K., T. McNally, W. Bell, 2013: Assimilation of cloudy radiances from satellite infrared imagers and sounders. AICS international workshop on data assimilation, Kobe, Japan, 26-27 February 2013.
・国内の会議・学会等：10件
1. 青梨和正, 永戸久喜, 石元裕史, 今岡啓治, 劉國勝, 2009: GCOM-Wとマイクロ波降水強度リトリーバルアルゴリズムの開発. 日本気象学会2009年度春季大会講演予稿集, P41.
2. 青梨和正, 永戸久喜, 石元裕史, 今岡啓治, 劉國勝, 2009:マイクロ放射計の高周波の輝度温度とその前方計算法の開発. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P324.
3. 上清直隆, 真野裕三, 2009: ハイパースペクトル赤外サウンダの再編成チャネルの有効性について. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P325.
4. 岡本幸三, 西畑秀則, 2010: 雲・降水域の衛星輝度温度データの同化に向けて, 日本気象学会2010年度秋季大会講演予稿集, P41.
5. 青梨和正, 石元裕史, 2010: 新しい陸上のマイクロ波放射計降水リトリーバルアルゴリズムの開発（その1）, 日本気象学会2010年度秋季大会講演予稿集, P287.
6. 石元裕史, 2011: 降雪粒子のモデリング. 防災科学技術研究所 降雪に関するレーダーと数値モデルによる研究（第９回）講演Abstract集, P5.
7. 石元裕史，2013: MPS法を用いた氷粒子の融解シミュレーション，日本気象学会2013年度春季大会講演予稿集, P259.
8. 石元裕史，岡本幸三，岡本 創，佐藤可織，2013: 赤外サウンダAIRS輝度温度データの1D-Var解析から求まる対流圏中層の水蒸気場，日本気象学会2013年度秋季大会講演予稿集, P588.
9. 石元裕史，2013: マイクロ波リモートセンシングを目的とした、MPS法による落下氷粒子の融解シミュレーション，防災科学技術研究所 降雪に関するレーダーと数値モデルによる研究（第１２回）講演Abstract集, P3.
10. 岡本幸三, 2013: 気象庁における地球観測衛星データの利用. 日本地球惑星科学連合大会, 幕張, 2013年5月20日
イ．ポスター発表
・国際的な会議・学会等：3件
1. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchiyama A., 2011: Irregularly shaped ice aggregates in optical modeling of convective ice clouds, World Climate Research Program (WCRP) Open Science Conference, M40B.
2. Ishimoto H., Aonashi K., 2012: Microwave scattering properties of complex shaped snowflakes, AGU Chapman Conference on Remote Sensing of the Terrestrial Water Cycle, Kona.
3. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchiyama A., Optical modeling of irregularly shaped ice particles in convective cirrus, International Radiation Symposium 2012, August 2012, Berlin, Germany.
・国内の会議・学会等：13件
1. 増田一彦, 岡本幸三, 2009: ハイパースペクトル赤外サウンダとマイクロ波サウンダの複合利用. 日本気象学会2009年度春季大会講演予稿集, P328.
2. 岡本幸三, 増田一彦, 2009: ハイパースペクトル赤外サウンダの輝度温度の同化（３） ―Aqua/AIRSとMetop/IASIの同化―. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P454.
3. 増田一彦、石元裕史、真野裕三, 2009: ボロノイ型氷晶粒子の散乱分布関数, 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P463.
4. 石元裕史, 橋本明弘, 川畑拓矢, 村上正隆, 2009: 地上多波長マイクロ波放射計による雲域での温度・水蒸気 1D-Var リトリーバル. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P348.
5. 石元裕史, 青梨和正, 折笠成宏, 村上正隆, 2009: 2DPデータを用いた雪片形状の推定. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P448.
6. 真野裕三, 2009: 高波数分解能の衛星サウンダーにおける透過率のチャネル間相関. 日本気象学会2009年度秋季大会講演予稿集, P465.
7. 青梨和正, 永戸久喜, 石元裕史, 2010: 非球形固体降水粒子のマイクロ波特性の導入によるGSMaP前方計算法の改良, 日本気象学会2010年度春季大会講演予稿集, P329.
8. 増田一彦, 岡本幸三, 2010: IASIの最適チャネル選択におけるアポダイゼーションの影響, 日本気象学会2010年度秋季大会講演予稿集, P522.
9. 真野裕三, 酒井哲, 永井智広, 2010: 衛星サウンダーによる陸上の水蒸気分布と水蒸気ライダー観測値との比較, 日本気象学会2010年度秋季大会講演予稿集, P523.
10. 岩崎杉紀, 石元裕史, 柴田隆, 2010: 下部成層圏の雲の性質, 日本気象学会2010年度秋季大会講演予稿集, P531.
11. 増田一彦、石元裕史、真野裕三, 2012: 非球形粒子の赤外域での吸収・散乱特性, 日本気象学会2012年度春季大会講演予稿集, P348.
12. 石元裕史、岡本幸三、岡本 創 2012: AIRS輝度温度データを用いた対流圏中層水蒸気プロファイル推定，日本気象学会2012年度秋季大会予稿集，P194.
13. 岡本幸三他, 2012: 雲・降水域の衛星輝度温度データの同化に向けて（その３）, 日本気象学会2012年度秋季大会講演予稿集，P285.
３．２ 報道・記事
なし