【別添資料2】プレゼン資料様式

次世代エアロゾルライダを用いた大気エアロゾルモニタリング技術

国立環境研究所 地球システム領域
主任研究員 神 慶孝
2023年3月9日

1

研究の背景：大気エアロゾルの大気環境への影響
u空気中には様々な種類の大気エアロゾルが存在している（大気汚染性粒子、黄砂、森林火災起源粒子など）。
uPM2.5などの微小な大気エアロゾルは肺の奥深くまで入るため、呼吸器系疾患等の原因となる。
u世界人口の90%が汚染した空気を呼吸して生活している。年間約700万人が大気汚染が原因で早死との推計（WHO, 2018）。
“大気エアロゾルの大きさの目安”

日本人の平均の髪の太さ0.08mm = 80µm

スギ花粉
30µm

PM2.5
(直径2.5µm以下)

ウイルス
0.1µm
2研究の背景：大気エアロゾルの気候影響
u大気エアロゾルは太陽光を宇宙空間に反射する“日傘効果”や雲の核として働くことで、地球の気候にも影響を与えている。
u人間活動による大気エアロゾルの放出によって地球を冷やす効
果があると考えられているが、気温変化の推定には大きな不確実性がある。
大気エアロゾルの分布や雲との関わりを知るには「どの高さに・何が・どれだけ存在」の計測が重要！
“日傘効果”雲

風の強さ

大気エアロゾルの発生源

Lidar

風下側の地域3

ライダーによる大気エアロゾル計測
uライダー（レーザーレーダー）は測距計として普及している（近年では自動運転のための３Dマッピング計測で注目されている）。
u本技術では、レーザー光が大気エアロゾルから反射して戻ってくるまでの時間と反射強度から距離（高さ）と濃度を計測。
Lidars in AD-Net
空気の分子
黄砂
大気汚染エアロゾル

国立環境研究所構内におけるライダーの外観

後方散乱光偏光
レーザー

受信
望遠鏡

光検出器
4

ライダーによる大気観測の例
ライダー信号強度（2017年・大阪）

雲

降水
高度
[km]
大気エアロゾル

5/6

5/7

5/8

5/9
日付

5/10

5/11
弱5/12
強

いつ・どの高さに・どんな粒子が・どれだけ存在しているのか、を測ることができる！
5black carbon, organic carbon, sea salt, CO, hydrocarband Radon and mineral dust (12 bins, ranging from 0.1
mm in radius). Mineral dust emissions are calculated onusing a vertical dust deflatation scheme as a powerfunction of surface friction42 - velocity u* [Gillette and P
1988]. Dust emission areas are defined as desert andblacksand Ru 東アジアでは様々なエアロゾルが飛散し大気環境に影響を及ぼしている。
mm indesert areas in the US Geological Survey vegetation
using
functibase (based on NOAA/AVHRR data obtained in 1992
1988]u 国立環境研究所では、約２０地点のライダー観測ネットワークを構築し、desert(Snow cover data is used to mask emission areas. base
Snow

ライダー観測網による大気エアロゾル監視
2

SUGIMOTO ET AL.: RECORD HEAVY D

大気エアロゾルの高度プロファイルを常時モニタリングしている。

3. R42 - 2

3. Results and Discussion

SUGIMOTO ET AL.: RECORD HEAVY DUST IN BEIJING IN 2002

black carbon, organic carbon, sea salt, CO, hydrocarbons,[9]Beijin
20 M
seen iand黄砂時
Radon and mineral dust (12 bins, ranging from 0.1 to 20
黄砂前mm in radius). Mineral dust emissions
are calculated
on-line[9] Figure 1 shows photographs
takenat SJFCE
using a vertical dust deflatation scheme as a power law
100mfunction of surface friction velocity u [Gillette and Passi,
Beijing on a clear day andduring
theare Asian
dust1988].
Dust emission areas
defined as desertand semi-even
1100m
desert
areas
in
theUS
Geological
Surveyvegetation
database (basedon NOAA/AVHRR
obtained inin 1992/93).
20 March. 800m
The visibility waslessthan 1datakm
thisca

シベリア
スモーク

*

Snow cover data is used to mask emission areas.

seen in400m
the photograph. Figure
2 depicts a time-height c
3. Results and Discussion
黄砂[9] Figure 1 shows photographs taken at SJFCEP inBeijing on a clear day and during the Asian dust event on20 March. The visibility was less than 1 km in this case asFigure
1. photograph.
View from Figure
SJFCEPin Beijing
on a clearcrossdayseenin the2 depicts
a time-heightand in the heavy dust event of March 20, 2002. Distanceswere 100 m to A, 400 m to B, 800 m to C, and 1100 m to D.

日本で観測される黄砂の約100倍の濃度を観測！ 黄砂濃度

大気汚染物質焼畑スモーク3 component of aerosol scattering, indicates the non~10 mg/mparallel

高度
[km]

ライダー設置地点

東アジアにおけるライダー観測網（約２０地点）

3月19日

sphericitiy of aerosol [Browell et al., 1990; Murayama etal., 1999]. We estimated the rate of contribution of dust in
extinction coefficient R with the following equations assuming external mixing of dust and spherical aerosols[Chen et al. 2001; Sugimoto 2002]. R = {(d ! d2)(1 + d1)/{(1 + d)(d1 ! d2)}, where d1 and d2 are ADRs of dust andair-pollution aerosols. d is the observed ADR. Values of d1
and d2 were determined empirically. Observed ADR inBeijing was about 0.05 in the clear cases and 0.35 in heavy
dust cases. We consequently used d1 = 0.35 and d2 = 0.05.
[7] The measurement with an optical particle counter(OPC) was performed every hour. The OPC was a handheld model (Sibata GT-521) with two counter channels. It
was controlled with a compact PC to perform one-minutemeasurements five times with different size settings(10 sizes). The total suspended particle density (TSP) werealso measured with a high-volume sampler. Both the OPC
and the sampler were set on the top of the SJFCEP building.
[8] The real-time Chemical Weather Forecast System

3月20日
3月21日
日付（現地時間）

Figure 1. View from SJFCEP in Beijing on a clear day
and in the heavy dust event of March 20, 2002. Distanceswere 100 m to A, 400 m to B, 800 m to C, and 1100 m to D.
parallel component of aerosol scattering, indicates the nonsphericitiy of aerosol [Browell et al., 1990; Murayama etal., 1999]. We estimated the rate of contribution of dust in
extinction coefficient R with the following equations assuming external mixing of dust and spherical aerosols[Chen et al. 2001; Sugimoto 2002]. R = {(d ! d2)(1 + d1)/

3月22日
（2002年）

中国・北京における大規模な黄砂の観測例（Sugimoto et al. 2003 を一部改変）

6Figur

黄砂飛来情報の提供と疫学研究への活用
u ライダーで測定された黄砂濃度のデータは環境省の黄砂飛来情報のHPを通じて国民に提供されている。
u 黄砂濃度データは疫学研究にも活用されている（高濃度黄砂と小児喘息の調査など）。
黄砂濃度と小児喘息リスク（１以上で喘息による入院が増加）

オッズ
比環境省

⻩砂ライダー

カットオフ黄砂濃度 [µg/m3]（Kanatani et al. 2010 より抜粋）
7

従来技術とその問題点
既に実用化されているものは、偏光ミー散乱ライダー手法があるが、光学的濃度（消散）の推定には仮定が必要
黄砂以外のエアロゾル種は分類が困難
等の問題があり、世界的にも研究ベースでの利用が主流となっている。
多様なエアロゾルの濃度測定には、ライダーの高度化（消散・散乱の独立測定）が必要である。
8大気エアロゾルの消散と散乱を測定する方法
エアロゾル

全散乱信号
レーザー光

大気分子散乱信号

レーザー光の減衰（消散）
大気分子◎信号に含まれる情報
全散乱信号：エアロゾル＋大気分子の散乱
大気分子散乱信号：大気分子の散乱のみ➡消散が推定可能
大気分子散乱信号を測定することが重要
9大気分子散乱信号の測定方法
全散乱信号（エアロゾル＋大気分子）~~

大気分子によるラマン散乱（昼は測定不可）

エアロゾルによるミー散乱

Intensity

大気分子によるレイリー散乱（昼夜測定可）ラマンライダー手法

高分解能フィルター
透過率
ミー散乱のブロック＆レイリー散乱の透過強度

大気分子散乱信号

周波数

高スペクトル分解ライダー（HSRL）手法
10

ライダー高度化に係る従来手法の課題点◎ ラマンライダー手法：
簡易的で製品化されているが、信号強度が微弱で昼間の測定が困難。
◎ 高スペクトル分解ライダー（HSRL）手法：
高感度で昼間の測定も可能だが、高コストかつ安定性に欠ける。
→世界的にも製品化に至っていない。
11

新技術の特徴・従来技術との比較従来のHSRL手法

新技術のHSRL手法

光源：シングルモードレーザー

光源：マルチモードレーザー

強度

強度

周波数

周波数

u 高コストのレーザーが必要

u 低コストレーザーを使用

u 測定波長毎に分光素子が必要

u １つの干渉計で多波長化を可能に→従来手法と比べてコスト半減

u レーザーないしは分光器の複雑な波長制御が必要

u 干渉計（分光器）を常時スキャンする方式で複雑な波長制御を不要に→従来手法と比べて簡易的
12

走査型干渉計を用いた革新的手法

マルチモードレーザー














p 安価なマルチモードを使うことで低コスト化
p 干渉計を制御しない簡易なシステム
λ/2

p 特許（第6243088号）取得済みの技術
13

本技術によるライダー信号の概念図
1. リファレンス信号
2. 大気散乱信号λ/212変動の大きさ（振幅）からエアロゾル濃度を推定
エアロゾルありエアロゾルなし

14環境総合推進費で開発中のシステム
推進費課題5RF-2001（令和2年度〜令和4年度）で実施中
汚染大気後方散乱光レーザーを小型化することでシステムの効率化とメンテナンスフリー化を実現する

!
"#"

望遠鏡
分光器＆検出器

干渉計のスキャンをレーザーと同期することでデータの積算処理を可能に（高速化）

データ解析
各種エアロゾルの濃度（消散係数）を抽出
鉱物ダスト

海塩粒子

ブラックカーボン

その他
大気汚染性粒子15

現在の開発状況
u 小型レーザーの導入（特願2023-22663）によってシステムの安定性が向上（エアロゾル高度分布の連続観測に成功）
u レーザー出力は先行研究と比べて約400の１にもかかわらず高感度・高精度測定を実現（→測定効率が格段に向上）
受信望遠鏡

エアロゾル後方散乱係数

干渉計

マルチモードレーザー

時

時

時

2022年4月10日＠国立環境研究所

時

時

ライダー試作機16

from ranged
1.38 km
to 1.62 km. The seasonal variations of median mass concentration withinfrom 1.38 km to 1.62 km. The seasonal variations of median mass concentration within PBL
h aerosol
component
estimated
using
lidar
match
ground-based
aefor eachaerosol component
estimatedusing
lidar mostly
mostly match
withwith
in-situin-situ
ground-based
aerosolmeasurements
for BC
andin
APsummer.
in summer.
ementsexcept forexcept
BC andAP

大気エアロゾル濃度の測定例

ブラックカーボン

Fukuoka

夜間データのみ使用

海塩

大気汚染粒子

鉱物ダスト（黄砂）Hara et al., (2018)
ラマンライダーによる各種エアロゾル濃度の測定の例（夜間のみ）→高スペクトル分解ライダー（HSRL）で昼夜で高分解能測定を実現可能にする
17

新技術と従来技術の違いまとめ
ライダーの種類

測定感度

測定精度
・定量性

成分測定

安定性

初期コスト

運用コスト

サイズ

偏光ミー散乱ライダー（現行の環境省ライダー）

○△DS

◎

◎△

○

ラマンライダー（一部地点で設置）△（昼間×）◎DS, AP,SS, BC◎◎△△

高スペクトル分解ライダー（従来手法）◎◎

DS, AP,SS, BC△×△×

高スペクトル分解ライダー
（本研究）

◎◎

DS, AP,SS, BC

○○

◎

○

（成分測定の表記） DS：鉱物ダスト、SS：海塩粒子、AP：大気汚染性粒子、BC：ブラックカーボン（運用コストが良い理由） 空冷式レーザーダイオード励起レーザーの導入でメンテナンスフリー化（サイズ） 現状では1,000mm×700mmの光学定盤に搭載（初期コスト） 干渉計と高速A/D変換器を使用するため偏光ミー散乱ライダーよりも＋約500万円（安定性） 干渉計を利用するため相対的に安定性は低いが、長期連続測定の実績がある

18

想定される用途• 本技術により、多様な大気エアロゾル（黄砂やブラックカーボンなど）高度分布の連続的なモニタリングが可能となる。
• エアロゾル種毎のPM2.5濃度を計測すること
で健康影響評価への活用が期待される。
• エアロゾルだけでなく、雲底高度や雲粒子タイプ（水・氷などの相識別）の計測が可能である。
19

実用化に向けた課題• 現在、可視波長のシステムは開発済みである。しかし、ブラックカーボンの濃度計測には紫外波長の追加が必要であり、現在開発中。
• 今春には紫外波長システムによる計測データが得られる予定であり、今後長期運用の可能性を評価していく。
• ブラックカーボン濃度の計測精度は、他の計測機器との比較により検証する必要がある。
• また、実用化に向けて、エアロゾル濃度をリアルタイムに解析するソフトの開発が必要。
20

企業への期待• 高スペクトル分解ライダーの製品化は世界初であり、ライダーやシーロメーターを開発中の企業、またはエアロゾル計測を検討している企業には、本技術の導入が有効と思われる。
• 既にエアロゾル濃度の計測技術がある企業
は、ライダーの製品化にあたって比較測定による精度保証が可能である。→共同研究を希望する。
21

本技術に関する知的財産権① ライダー装置の仕組みに係る知的財産（特許取得済み）
•
••

発明の名称
出願番号
出願人

•

発明者

：ライダーシステム及び計測方法：特願2017-516007：国立環境研究所、アルゼンチン国立科学技術研究評議会、アルゼンチン国防省：神慶孝、杉本伸夫、西澤智明、Pablo Ristori、Lidia Otero、
Eduardo Quel

② ライダー用光源に係る知的財産（特許出願済み）
••
•
•

発明の名称
出願番号
出願人
発明者

：固体パルスレーザー装置およびそれを用いたライダー装置：特願2023-22663：情報通信研究機構、国立環境研究所：青木誠、神慶孝

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お問い合わせ先
国立環境研究所
連携推進部研究連携・支援室
ＴＥＬ 029－850 － 2956
ＦＡＸ 029－850 － 2716
e-mail kikaku-ip@nies.go.jp

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