2015年11月16日
2015年12月2日 改訂2版
2016年5月20日 改訂3版
2016年9月29日 改訂3A版
国環研GOSATプロジェクト「いぶき」の観測データに基づく全⼤気中の⽉別⼆酸化炭素濃度算出⽅法について
１．はじめに「いぶき」が宇宙からとらえた各地点の⼆酸化炭素濃度データは地球大気の上層から地表までの（カラム）濃度平均であり、通常の地上濃度観測値に⽐べより地球大気の平均濃度に近いものと考えられる。しかし、⼆酸化炭素カラム平均濃度（XCO2）（L2プロダクトと呼ぶ）を算出するための短波⻑⾚外（SWIR）帯の吸収スペクトルが得られるのは、太陽⾼度が⾼い昼間の、観測地点の視野内に雲が存在しない日照域の地点に限られる。そのため、季節によっても観測データが存在する地域（緯度帯）が変化する (図1)。

(a) 2013年4月（北半球の春）(b) 2013年7月（北半球の夏）(c) 2013年10月（北半球の秋）(d) 2014年1月（北半球の冬）図１ 「いぶき」の観測した⼆酸化炭素カラム平均濃度（L2プロダクト）の2.5度メッシュ
月平均値分布の例。着⾊している地域に観測データが存在している。⾊は⼆酸化炭素濃度に対応し、水⾊→⻩緑⾊→⻩⾊→⾚⾊の順に⾼濃度となることを⽰す。

－1－ここでは、GOSATのL2プロダクトである⼆酸化炭素カラム平均濃度（XCO2）を活用して、地球の大気全体の平均の濃度を推定する⽅法を検討した。
以下にその算出⽅法について解説する。
２．⼆酸化炭素全大気平均濃度の推定⽅法「いぶき」の観測データから算出されたXCO2データ（SWIR L2）を用いて、XCO2データが得られていない空白域も含め地球全体の大気の平均濃度を求めるため、ここでは大気輸送モデルに基づく⼆酸化炭素濃度の三次元分布である「GOSAT レベル4B（L4B）プロダクト」の緯度分布を利用して空間補完を⾏い、全大気のXCO2の月別平均値を推定した。
2.1 「いぶき」観測濃度値（SWIR L2プロダクト）の検証と補正に使用したデータ
衛星観測データに基づいて推定されたXCO2（SWIR L2プロダクト）の値のばらつきと絶対値のずれ（バイアス）を精度⾼く評価する（これを「検証」と呼ぶ）ために、地上から観測したカラム濃度観測（地上観測ネットワークTCCON注1））の値との⽐較を⾏った。実際には「いぶき」の観測と同期した地上観測ネットワークTCCON観測値を用いてばらつきとバイアスを推定し、次にそのバイアス値を用いて「いぶき」のXCO2データを補正した。バイアスは観測装置の特性変化、観測誤差、及びガス濃度解析⼿法に依存するため、SWIR L2プロダクトのバージョンによって異なる。本解析では、観測時期に応じて次の5バージョンのSWIR L2プロダクトを使用した；V02.21（2009年5月〜2014年5月），V02.31（2014年６月中旬〜12月中旬），V02.40（2015年2月〜8月初旬），V02.50（2015年8月初旬〜9月中旬），V02.60（2015年9月中旬〜）。
（「V**.**」は、プロダクトのバージョン番号を⽰す）。
V02.21プロダクトについては、地上観測ネットワークTCCONの観測データとの検証
解析から、バイアスには若⼲の時間的変化があることが明らかになっており、下記の回帰式で表すことができる。
バイアス = -1.76 + 2.30 × 10-3 × t - 7.83 × 10-7 × t2(ppm) (1)

ここで t は「いぶき」打ち上げ日（2009年1月23日）からの経過日数（日）である。
V02.21プロダクトに対して、(1)式より推定したバイアスで補正を⾏った。

－2－

V02.31プロダクトは、観測期間が半年と短いため時間的変化は考慮せず、TCCONデータとの検証解析に基づく-0.62 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した。同様にV02.40プロダクトについても観測期間が半年と短いため時間的変化は考慮せず、
TCCONデータと検証解析に基づく-1.35 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した。V02.50とV02.60プロダクトについては、⽐較できる検証用データがまだ揃っていないことから、V02.21からV02.60の全てのプロダクトにおけるTCCONデータとの検証解析に基づく-0.52 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した注2）。
また、以下の理由により、使用する「いぶき」のXCO2データを絞った。「いぶき」
観測装置は、地球表⾯の太陽光の反射の強さに応じ、観測装置の増幅器（アンプ）の利得（ゲイン）を⾼（H）、中（M）、低（L）の三段階に切り替えて観測することができる。砂漠などの⾼い地表⾯反射の地点の観測にMゲインを、その他の陸上と海上の観測にHゲインを利用しており、SWIR L2プロダクトにはゲインと観測点により、陸上Hゲイン、陸上Mゲイン、海上Hゲインの三種類が存在する。これまでの研究から、同一時期・同一緯度帯であっても、三種のデータ間でバイアスはわずかに異なることが⽰唆されてきた。上記の検証用データのほとんどは陸上Hゲインに相当する観測点において取得されているため、上記のバイアスは陸上ゲインHのL2プロダクトでの信頼性が⾼い。
そこで⼆酸化炭素の全大気平均濃度の推定には、「いぶき」のSWIR L2プロダクトのうち、陸上Hゲインのデータのみについてバイアス補正を⾏って以降の全大気平均濃度の算出に使用した。
（注1）Total Carbon Column Observing Network. 炭素カラム全量観測ネットワーク(http://tccon.ornl.gov)。 地上に設置した⾼波数分解能フーリエ変換型⾚外分光計(FTS, Fourier transform infrared spectrometer)による全球観測網。この分光計を用いて太陽⾚外光を地上で観測することで、地球大気中の⼆酸化炭素、メタン、一酸化炭素、一酸化⼆窒素や他の大気中微量成分の濃度データを得ることが出来る。
「いぶき」
等の衛星による温室効果ガス観測の精度確認には無くてはならないものとなっている。
（注2）現時点では2015年2月以降の⼆酸化炭素全大気平均濃度の推定値は予備的な結果であり、今後の検証作業完了後にデータの更新を予定している。

－3－

2.2 XCO2の月別・経度帯別の緯度分布のモデル推定「いぶき」のL4Bプロダクトは⼆酸化炭素濃度の6時間ごとの三次元分布データ（緯度経度で2.5°ごと）であり、2009年6月から2012年5月までの期間についてバイアス補正済みのXCO2濃度データ（SWIR L2プロダクト）および地上観測データに基づいて推定計算した⼆酸化炭素の月別地域別の吸収排出量から、大気輸送モデルを用いてシミュレーション計算されている。⼆酸化炭素の全大気平均濃度の推定にあたり、「いぶき」のSWIR L2プロダクトが存在しない領域も含めて全球すべての地域でのXCO2を推定するために、月別・経度帯別にXCO2の平均的な緯度分布をこのL4Bプロダクトから以下のように推定した。
2011 年１月

図２2011 年 7 月

GOSAT L4Bプロダクトから計算した2011年1月と7月におけるXCO2平均値の分布（上図）と、各経度帯における緯度10°ごとのXCO2平均値の緯度分布（下図）。上図の経度帯ごとの枠の⾊は下図の折れ線の⾊と対応する。

まず、L４Bプロダクトについて、全球の経度帯を60°ごとに６分割し、さらに緯度10°ごとに分けた範囲内のXCO2平均値の月平均を計算した（図２）。次に、南緯80~90°（南極）は、異なる経度帯であっても地理的条件が近く、かつ⼆酸化炭素の放出源や吸収源の影響が少なくXCO2の月平均値が⽐較的安定していることから、この場所のXCO2－4－をXCO2の緯度分布を求める際の基準値とし、各経度帯について緯度10°ごとに下記のように偏差Dを計算した。
D =（各緯度帯におけるXCO2平均値）—（南緯80~90°におけるXCO2平均値） (2)2009年6月〜2012年5月のすべての年の月についてDを計算して、1月から12月までの各月3年分のDの平均値 Dmeanを求め、この値を月ごと・経度帯ごとのXCO2の平均的な緯度分布とした（図3）。
7月

南緯 80～90°におけるXCO2 の値との偏差

１月

図３

各経度帯における月ごとのXCO2の緯度分布平均値（1月と7月の例）。各緯度のXCO2平均値を⽰す点における縦棒は、3年間のXCO2の標準偏差を⽰す。

2.3 月別全球XCO2の推定2.1節でバイアス補正を⾏った「いぶき」のXCO2観測値（L2値）について、2.2節と同様に経度60°ごとに分割した各経度帯について緯度10°ごとの範囲内で平均値を各年の月ごとに求めた。このとき、観測値の代表性を⾼めるために、各経度帯・緯度帯・年月におけるL2観測値が5個以上の場合についてのみ平均値を求めた。（以下、『「いぶき」XCO2値』とはL2 XCO2のバイアス補正済みのデータの平均値を意味する）。
これらのL2観測値には空白域があるので、2.2節で求めた各経度帯・各月におけるDmeanの緯度分布を用いて空白域を補完するために、L2観測値に次のように(3)式を当てはめ、最小⼆乗法により a の値を推定した。
（経度60°×緯度10°ごとの「いぶき」XCO2値） = a + Dmean(3)

aは南緯80~90°におけるXCO2平均値にあたるため、a の値はすべての経度帯について共通となる。このように推定した a とDmeanの和を経度60°× 緯度10°ごとのXCO2月平均値とした。「いぶき」XCO2値と、緯度分布とを図4に⽰す。
以上のようにして各年の月ごとに経度帯別の緯度10度ごとのXCO2を推定し、全球に－5－ついて地表⾯⾯積に応じた重み付け平均した値を、各年の月ごとのXCO2全球平均値（地球大気全体の平均値）とした。重み付け平均の際の緯度10度ごとの「重み」は、各範囲の中央の緯度（例えば緯度-90~-80°の範囲なら-85°、緯度40~50°の範囲なら45°）の余弦、すなわち
重み ＝ cos (-85 + 10 n)°(4)とした。ここでnは0~17の整数を⽰す。

W180～120°

W120～60°

W60～0°

E0～60°

E120～60°

E120～180°

緯

図4度

2011年8月の6つの経度帯における、SWIR L2 XCO2観測値（◯）と、推定されたXCO2（◆）の緯度帯分布

３．⼆酸化炭素全大気平均濃度の推定経年平均濃度（経年トレンド）
⼆酸化炭素の全大気平均濃度は北半球の冬季から春季にかけて⾼く、夏季に低い季節変動を伴って年々上昇している。統計計算によって平均的な季節変動を求めて観測値から差し引いたものを「経年トレンド」とよぶ。ある月の経年トレンド濃度はその前後半年の1年間の平均値とほぼ同じ値を⽰す。
このようにして算出した⼆酸化炭素全大気平均濃度の経年トレンドは観測期間中に一定ではなく、増加率の大きい年と小さい年がある。図5の⾚線は⼆酸化炭素全大気平均濃度の経年トレンドおよび年増加率を⽰しており、経年トレンドを微分したものが増加率に相当する。⼆酸化炭素全大気平均濃度は2011年に増加率が小さく、2012年末から2013年始めにかけて大きな増加率があったことがわかる。これに対して⽶国海洋大気庁が地上の観測網を利用して算出した地表の全球平均濃度[Ed Dlugokencky andPieter Tans, NOAA/ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/)]の経年変動と増加率が図5の⻘線である。両者の増加率は位相がやや違っているものの、全体的にほ－6－ぼ同様の変動を⽰している。地表の観測は、標準になるガスと⽐較することで非常に⾼い精度で実施されている。よって、両者の一致から、GOSATの観測センサも⾼い安定性を持って観測を⾏っていることが分かる。

図5

⼆酸化炭素濃度の全大気平均（⾚）と地表のみの全球平均（⻘）の経年トレンド（上図）と増加率（下図）４．⼆酸化炭素全大気平均濃度の特徴
図6に例として2009年5月〜2016年4月の「いぶき」による月別⼆酸化炭素の全大気平均濃度と経年トレンドを⽰す。⼆酸化炭素全大気平均濃度は大局的には増加をしながら周期的な季節変動を⽰し、2015年12月の時点で月平均として初めて400 ppmを超えた。また、その経年トレンドは単調に増加しており、2016年4月までの観測データの解析に基づくと、2016年2月に初めて400 ppmを超えた。
（補足：第2版からの第3版への改訂事項）
・最新の検証解析の結果に基づき、2.1に⽰したV02.31~V02.60プロダクトのバイアス値を変更した。
・再解析の結果、V02.21プロダクトのバイアスの時間依存性を⽰す(1)式の係数が若⼲変化した。
・上記のバイアスの再評価結果に基づいて、全期間の⼆酸化炭素全大気平均濃度の再計算を⾏った。
・上記に伴い、３章として記述していた⼆酸化炭素全大気平均濃度推定値の誤差の記述について－7－

再検討を⾏うため、記述を省略した。
・「4. ⼆酸化炭素全大気平均濃度の特徴」における記述内容を2016年5月に公表する結果に基づいて変更した。
・図6を2016年5月に公表するグラフに差し替えた。

（補足：第3版からの第3A版への改訂事項）
・「4. ⼆酸化炭素全大気平均濃度の特徴」における記述内容を2016年9月に公表する結果に基づいて変更した。
・図6を2016年9月に公表するグラフに差し替えた。
なお、第3A版では、第3版と同じ全大気中の月別⼆酸化炭素濃度算出⽅法を踏襲している。

図6「いぶき」による月別⼆酸化炭素の全大気平均濃度と経年トレンド。

謝辞「いぶき」観測データの濃度算出処理（FTS L2処理）には、気象庁提供の気象予報数値データGPV（Grid Point Value）を利用している。また、「いぶき」観測濃度データの検証と補正にはTCCONデータ(http://tccon.ornl.gov)を用いた。ここにGOSATプロジェクトとして謝意を表する。なお、国⽴環境研究所の所有するTCCON観測地点つくばと陸別の運用は、GOSATプロジェクトの一環として実施されている。

－8－