ライダー（レーザー光を使うレーダー）を用いた黄砂・
PM2.5・花粉・CO2・風の観測

独立行政法人情報通信研究機構
水谷耕平

ライダー（レーザーレーダー）
Lidar (Laser Radar)(Light Detection and Ranging)

大気分子
エアロゾル
（大気中微粒子）雲

パルス状のレーザー光を使うレーダー(Radar: Radio Detection and Ranging)
散乱比= (βa+βm)/ βm

信号強度

エアロゾル

(∝βa/ｒ2）
雲レーザー装置発射
検出空気分子(∝βm/ｒ2）
05

高度（ｋｍ）

10

信号・時間
測定器

望遠鏡
検出器

距離（高度）＝ｃ＊Δｔ／2

ライダー観測における信号強度
信号強度

巻雲

散乱比
下層のエ
アロゾル
巻雲

大気分子の散乱
高度（㎞）

高度（㎞）

信号強度＝大気分子の散乱＋エアロゾル・雲の散乱－吸収大気中の微粒子のサイズ分布の特徴（埼玉大学の資料より）
光の散乱特性と粒子サイズの関係
変化の大きい
波長域

微粒子による光の散乱は、可視光域〜近赤外域で光の波長と粒子サイズの関係の変化が大きい。
粒子のサイズ情報

可視・近赤外2波長以上

偏光と偏光解消度
光は進行方向に対して、垂直な電場と磁場の成分を持つ横波であり、その２つの独立な成分を持つ。
レーザー光は完全に直線偏光している。粒子によって散乱される光は、散乱体の粒子の形状によって、入射するレーザー光の偏光状態が保存されないことがある。

非球形粒子

球形粒子

入射光

後方散乱光
偏光状態は保存される

硫酸液滴、水滴粒子など（福大 白石先生のご厚意による）

偏光状態は保存されない

火山灰やダストなど

6観測の事例（沙坡頭）中国砂漠地帯ダスト層（黄砂）高度

2002年8月3-4日

後方散乱係数観測の事例（福岡）
黄砂、PM2.5（汚染大気）10km

2012年3月31日の観測事例
黄砂(高度2-3km)と汚染大気(1-2km)が福岡に飛来し、その高度分布が詳細に観測される

5km

黄砂

散乱比

高度0km
時間

非球形粒子が多く、偏光解消度が高い

偏光解消度

汚染大気 液滴が多く存在し、偏光解消度は低い。
湿度分布も高い
10km
波長依存性

水蒸気

5km
0km
19時

20時

21時

19時

20時

21時

（福大 白石先生のご厚意による）8

3月 21-31日, 2004年 Beijing 北京

黄砂

Dust 黄砂

高度

大気汚染エアロゾル

高度時間

Air pollution 大気汚染時間
偏光解消度を使って非球形粒子（黄砂）と球形粒子（大気汚染粒子）を分離して、それぞれの高度分布を推定できる（環境研 杉本室長のご厚意による）

PM2.5

粒径が2.5μm以下の粒子状物質の総称
μm（マイクロメートル、10-6m）は mm (10-3m)の1000分の1
髪の毛（50-70µm）

PM10（<10µm）

・SPM(≒PM7)
日本の粒子状物質の基準
・PM10
日本以外の従来の基準
海岸の砂（<90µm）（環境研 杉本室長のご厚意による）

PM2.5（<2.5µm）

US.EPA出典

北京の大気汚染
2004-4-28 (API=138)

2004-10-24 (API=142)

API: 大気汚染指数
API<50 優
API<100 良
API最悪で500

2006-12-30 (API=139)（環境研 杉本室長のご厚意による）

2010-2-25 (API=153)

大気汚染指数北京市の大気汚染の推移（環境研 杉本室長のご厚意による）

黄砂

中国環境保護部データセンター
ホームページのデータから作成

大気汚染

北京のアメリカ大使館で測定されたPM2.5（2013年１-2月）
記録的な高濃度
高濃度が数日間連続
春節の花火

中国の環境基準（良）(日平均値75μg/m3)

日本の環境基準(日平均値35μg/m3)（環境研 杉本室長のご厚意による）

PM2.5の種別（北京の一例）
その他
海塩
スス

硫酸塩

有機炭素
硝酸塩

（環境研 杉本室長のご厚意による）

J. JungらJGR 2009より引用

SO2の排出量マップ

2008
Z. Liu, Q. Zhang, D. Streets, Atmos. Chem. Phys.
（環境研 杉本室長のご厚意による）2011より引用

黄砂や大気汚染物質のモデルによる予測とライダーデータの比較
より正確な予報へ
気象庁
黄砂予測図（地表付近の黄砂の濃度）

http://www.jma.go.jp/jp/kosafcst/

硫酸塩エアロゾル(大気汚染物質)の予想分布(高度0-1km平均値)

http://www-cfors.nies.go.jp/~cfors/index-j.html

中国での発生源対策が大事であり 日本は貢献できるはず！

環境省花粉観測システム（はなこさん）

大気汚染物質はスギ花粉症を増強するといわれている。

埼玉大学の資料から

スギ花粉のライダー計測

Laser
355 nm
10 mJ/pulse
6 ns 10 Hz
TelescopeCassegrainian Type 25 cm
Spectrometer
220-860 nm Resolution 3 nm
Detector
MCP-Gated-ICCD(synchlonized detection)

信州大学 斉藤教授のご厚意によるライダーによるエアロゾルからの蛍光の観測
2009/11/09 17:30-17:38

Intensity (a. u.)

Altitude405-435 m

210-245 m

105-135 m

60-95 m300

400500波長 Wavelength (nm)600700

信州大学 斉藤教授のご厚意によるライダーによるエアロゾルからの蛍光の観測

分光ライダーにより
O2, N2, H2Oラマン散乱とブロードな蛍光が見えてくる。

黄砂、花粉、大気汚染エアロゾル等の区別ができる可能性がある。

本他（LSS 2012）

長波長側ライダーによる火山雲の観測

2006年1月2月
Augustine山の噴火
Puff model
22:00 UTC 2 Feb.

フェアバンクスのライダーによる火山雲の観測

高度
火山灰と推定される層

信号強度

高度
火山灰

偏光解消度

信号強度
Puff operational prediction of location of volcanic
ash across Alaska for 0400 UTC 1 February 2006
(2000 AKST 31 January) as (top left) airborne ash
concentrations and (lower right) airborne ash
colorcoded by altitude.
1989年12月15日、ボーイング747型機はアンカレジ空港に着陸態勢に入り、Redoubt火山の小噴火に伴う火山灰の雲の中を通過した。 その時、4つのエンジンがすべて停止し、飛行機は8分間の間エンジン停止したまま 高度28,000フィートから14,000フィートまで落下した。

Cirrus Clouds
巻雲

Stratospheric aerosols
成層圏エアロゾル

Scattering ratio
散乱比

Depolarization
偏光

高度（m）
Scattering Ratio and Depolarization Ratio
observed in Thailand.

ピナツボ火山噴火後の成層圏ＩＢＣの推移

アラスカの平均IBC
小金井の平均IBC

データ提供：気象研、永井氏

ライダーによるPM2.5関連物質モニタリングの概念図 at 福岡どこの高さにどんな粒子があるか、わかりやすい情報可視化提示方法を開発。

気温
 粒子濃度（光学量）
355nm, 532nm, 1064nm
589nm, 700nm
 偏光解消度（532nm）
 水蒸気（ラマン） 気温（回転ラマン）
 蛍光（花粉）

受信望遠鏡（光学望遠鏡） 蛍光観測により、花粉とそれ以外の粒子を分離。

時刻

 ラマン散乱観測により湿度、温度を可視化。

分光器

花粉
レーザー：
Nd:YAG、色素

グレーティング

蛍光及びラマン用
アレイ型ディテクタ

高度

 波長による見え方の違いから粒子サイズの大小を判断。

【計測するパラメータ】

大きい粒子
砂塵粒子（黄砂）

弾性散乱用
ディテクタ
（偏光を含む）小さい粒子
水蒸気 ライダーにより大気中浮遊微粒子（エアロゾル：黄砂、汚染物質（含むPM2.5）、花粉、雲、火山灰等）の高度分布を計測することができる。
 散乱光の波長依存性、偏光等からエアロゾルの種類分けができる。
 肺の奥まで入りやすく健康被害の大きいPM2.5は主に大気汚染で生成する硫酸塩、硝酸塩、有機エアロゾル、ススなど。小粒径の黄砂粒子もPM2.5に含まれる。
 多波長分光ライダーにより、黄砂、PM2.5,有機エアロゾル、花粉等を観測できる。これらのデータを疫学調査と比較できる可能性がある。
 観測データとモデルの比較により予測精度を上げる必要がある。

NICTのCO2・風計測用ライダー (コヒーレントドップラーライダー)
ビーム
直径8cm

レンジ分解能~76 m
eye-safeなパルスレーザ光（波長2μmの近赤外光）

大気中のエアロゾル（数μm）により散乱光がドップラーシフト

散乱光

仰角（EL）
方位角方向のスキャン
NICT本部（東京都小金井市）の4階建ての建物の屋上（地上高約20m）に設置

コヒーレント（ドップラー）ライダーでは光の波としての性質を使い、受信はヘテロダイン検出（電波と同じ）で行います。

Beat signal

0.005
バランスドレシーバーの出力 （ V）

コヒーレントライダーの受信信号

受信ビート信号0.004

距離範囲：
9.75km～ 11.25km

0.003
0.002
0.001
0-0.001-0.002-0.003-0.004-0.005
65.0

67.0

69.0

71.0

73.0

75.0

レーザーパルス出射後の時間 （μsec）-70-10+1.7MHz（LOS方向の風速 +1.7m/sec)

受信光のPower Spectrum

送信レーザー光のPower Spectrum-75-80-15-20-8595100105周波数(MHz)

110-25115

送信信号のPower Spectrum(dB)

Spectrum

受信信号のPower Spectrum(dB)

レーザ出力:約50mJ
レーザパルス幅:約170nsec

CDL 08:48LT

CDL 08:51LT

VR 08:54LT

Sonde 09LT

VR 08:49LT

1514131211109876543210

Altitude (km)Altitude (km)地上設置コヒーレントドップラーライダーによる風の高度分布計測

05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Horizontal Velocity (m/sec)

CDL 08:48LT

CDL 08:51LT

VR 08:54LT

Sonde 09LT

VR 08:49LT

1514131211109876543210

風速（m/s）

04590 135 180 225 270 315 360
Wind Direction (degree)

風向（°）

稚内で観測（Sep.04, 2002）されたコヒーレントドップラーライダー（CDL）、VHF レーダー(VR)、と気球(Sonde)による風速・風向観測の比較（左図は1軸ウェッジスキャナーをつけたCDL）CDL地上観測

CDL航空機観測

仰角1度

航空機搭載ドップラーライダーによる風観測 海面反射による速度補正後
12:14:55 北進①:HWS
12:29:32 東進①:HWS
12:29:32 南進①:HWS
12:29:32 南進②:HWS
Wind Spd1098987766

Altitude (km)Altitude (km)5㎞

12:14:55 北進①:HWS
12:29:32 東進①:HWS
南進①:WD
南進②:HWS
Sonde WD

1054543322110005101520

HWS (m/sec)

風速253004590135 180 225 270 315 360
HWD (deg)

風向NICTのCO2・風計測用ライダーによる風の計測例
16km

狭山湖

0

所沢

荒川

立川
中野
新宿 皇居
八王子
相模原

16km
16km

0

多摩川
16km

Co2DiaWiLによる小金井からのEL＝2°でのPPI観測

降雨域とその周辺の風速場
降雨域（ XバンドMPレーダの合成雨量）とその周辺の風速場（ドップラーライダー）

カラー：NICTドップラーラ
イダーの視線方向風速（暖色が追い風、寒色が向い風）

白黒：国土交通省Xバン
ドMPレーダの合成雨量
2010年7月5日の板橋豪雨の時の、東京都西部の雨量(黒で表示)と、ドップ
ラーライダーで観測した風(カラーで表示)の分布を表しています。猛烈な雨をもたらした積乱雲に向かって強い南東風が吹き込んでいる様子が、ドップラーライダーによって捉えられています。

ドップラーライダーによる首都圏風、雲・エアロゾル観測網
豪雨、突風他の気象予測と港湾（空港、東京湾）の安全航行
大気分子の高精度計測

ドップラーライ
ダーは晴天時（雲・雨の無い時）に風を計測。
ドップラーレー
ダと相補的。しかし、現在のドップラーライ
ダーは測定距
離がNICT製でも15km程度（レーダは50km以上を計測）。

0.1m/s以下の測定精度に挑戦
雲・エアロゾル

雲の生成・消滅モデル精度向上
構造物の振動等

コヒーレント光制御

空間分解能向上乱流・突風による航空機事故例
FeDEX80便(成田） 2009
American587便（NY) 2001

現行のドップラー
ライダー計測範囲20km以上を測定できるようにする

首都圏を数台のドップ
ラーライダーでカバー

乱流や突風の実況計測
気象予測改善NICTでは地球温暖化対策に貢献するためCO2 差分吸収ライダーの研究開発を行っている

CO2 計測方法（差分吸収）
強度50-100mJ at 20-40Hz
波長距離Uncertainty
GOSAT
aerosols

Nighthigh latitude

Active Sensing

NICTのCO2・風計測用ライダーによるCO2観測
Coherent 2-m Differential Absorption and Wind Lidar(CoDiaWiL)•••

地上でのCO2分布計測 局地的なCO2吸排出
将来の衛星観測を目指した技術開発
GOSAT（いぶき）による CO2観測の検証

CO2・風計測用ライダーによるCO2 観測例(10分積分 1500m-柱密度, 水平方向 )Co2DiaWiL
In situ sensor

450400

5/2 12:005/2 0:00

5/1 12:00

5/1 0:00

4/30 12:00

4/30 0:00

4/29 12:00

300

4/29 0:00

350

4/28 12:00

CO2 concentration (ppm)

500Time (JST)Error was in the range between 0.7 to 1.3% for 10 minutes integration measurement.
CO2 concentration estimated by using the modified HITRAN2004 was 3 % smaller than thoseby using modified HITRAN2008.

CO2・風計測用ライダーによるCO2 密度分布観測（Dec. 17, 2009 16:47-17:20 JST, AZ=277-337, EL=2.0）
CO2(ppm)
500

商業地域

480

460

440420工場

400

380360平面分布観測にはまだSN不足 → より高感度のライダー開発

CO2混合比（XCO2）観測例
GOSATとの比較実験 February 14, 20, and 23, 2010
February 14, 2010
Integralinterval

In‐SituDIAL

0.4‐1.0406.2

0.4‐2.0

February 20, 2010
In‐SituDIAL

408.9±4.2

402.4

401.8

‐

0.4‐3.0398.9

0.4‐10.5

394.7

0.066‐* Cloud.

In‐SituDIAL

401.7±4.6

No data

400.6±4.4

399.2

393.5±4.0

No data

407.3±4.7

‐

397.4

‐

No data

400.0±4.5

390.6±5.1*‐‐

No data

‐

391.3

GOSAT

February 23, 2010

394.6

35.708,(Ver.02.09139.488 35.706,139.494)

GOSATによる観測地点画像

GOSATGOSAT

390.3

395‐396(Ver.02.09
35.705,139.493)(Ver.02.00/.09
35.703,139.709
35.564,139.695)

Error source

Uncertainty

Measurement Error

Meteorological elements
Pressure
Temperature
RH±1 hPa±0.5 ºC±5%0.0%< 0.1%< 0.1%

Frequency stability of Laser
On‐lineOff‐line

1.0 MHz
1.0 MHz< 0.1%
0.0%

GOSAT data ©JAXA/NIES/MOE

NICTで進めつつあるコヒーレントライダーの研究開発
可動型システムの開発
高効率なレーザーシステムの開発

ライダーデータの情報利用高度化

神戸・沖縄にレーダ・ライダ複合システム（H24補正）衛星搭載ライダーの研究航空機と衛星搭載による風やCO2分布観測
航空機

日本列島とその周辺部

衛星グローバル（全地球） 離れた場所から風やCO2濃度分布を測定するCO2・風計測用ライダーを開発した。
 光源は目に安全な2μmで発振する高出力のLD励
起伝導冷却型固体レーザー
 可動型の装置を開発中である。
コンテナー設置や航空機搭載による機動的な観測が可能になる。
 より遠くまで観測を可能にする技術開発を行っている。
 衛星搭載によるグローバルな風・CO2観測のための基盤研究を行っている。