1

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

マスタープラン2020 重点課題
「航空機観測による気候・地球システム
科学研究の推進」について
⾼橋暢宏（名古屋⼤学宇宙地球環境研究所附属⾶翔体観測推進センター）

2

本⽇の内容

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´マスタープラン2020 重点課題
「航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進」´現状と課題´名⼤ISEEの取り組みついての紹介´ ⽶国での⼤型航空機プラットフォーム（DC８）の後継に関する検討の紹介´⽇本での航空機観測の推進に役⽴つヒントがある︖

3

⽇本学術会議マスタープラン 2020 へ提案

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 学術の⼤型研究計画に関するマスタープランとは´ ⽇本学術会議 が 3 年ごとに公募・策定（６年ごとに⼤改訂）。
´ 5〜10 年計画。総額数⼗億円超（上限なし）。
´ 全学術分野について、 ボトムアップ 的に⼤型研究の指針を与える。
´ 2020 年度の 重点課題として３１課題を採択。（予算化とは別）´ 「航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進」´ ⽇本気象学会・⽇本⼤気化学会・⽇本航空宇宙学会の3学会の共同提案。
´ 「重点課題」に採択´ ⽂部科学省の予算化の必要条件の傾向。⽂科省のロードマップ 2020 には 採択されず。

´ 「重点課題に採択されたことを梃にして⼤型研究費を獲得してください」という状況´ 2020年度の重点課題（地球科学系）︓´ 航空機観測（東⼤理・名⼤ ISEE など）´ ⾚道MU レーダ・ EISCAT レーダ（京⼤⽣存研など）´ ミュオグラフィ（東⼤地震研など）´ 深海アルゴフロート（東⼤理など）

マスタープランへの提案⾻⼦
4Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ ⼈⼯衛星や地上観測では得られないミクロ量（素過程）の理解を通じた⼤気、海洋、
陸域⽣態系、雪氷、固体地球などの気候・地球システム科学研究の推進´ ⼤気分野︓温室効果気体・エアロゾル・降⽔システム´ 海洋分野︓海⽔温・塩分、⾚潮・⿂群・海洋ごみ、海氷´ 雪氷分野︓全般（地上観測が最も不⾜している）´ 陸域⽣態系分野︓衛星観測とタワー観測を結びつける´ 防災︓地震・⽕⼭の状況把握、台⾵観測（機動性）´ 共同利⽤の地球観測専⽤の航空機の導⼊´ G-IV（レンタル）を軸として、プロペラ機やUAVの活⽤´ 名⼤ISEEの⾶翔体観測推進センターが運⽤´ 国際連携´ ⽶国・台湾・韓国等´ ⼈材育成5

マスタープラン重点課題へ採択後の動き

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ ロードマップ2020は不採択（ヒアリングに進んだのは深海アルゴフロートのみ）´ ロードマップ2020採択課題（物理関係）︓次世代強磁場施設、KEKスーパー８、⼤強度陽⼦ビーム、アルマ２
計画、KAGRA計画、すばる２、LiteBIRD（宇宙マイクロ波背景放射偏光観測衛星）、スーパーカミオカンデ´ 詳細は

https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu4/021/1412963_00001.htm´ ISEEの⾶翔体観測推進センターの期限を延⻑（４年）´ 航空機観測推進室を設置（2021年４⽉より）´ 航空機観測のパンフレット作成（中）https://coso.isee.nagoya-u.ac.jp/aioo/img/pdf/data_0624PM-small.pdf´ 航空機観測セミナーの開始´ ⽇本学術会議

地球惑星科学委員会、地球惑星圏分科会

ヒアリング（2021.6.26)

コメント︓´ それぞれの分野に対する⾶⾏時間の分配を具体的に考えるべき。
´ 様々なタイプの航空機（UAVを含む）の柔軟な活⽤´ 「普遍的原理や事象の理解を説いた上で、さらに明らかにしたい学理や検証する仮説が具体的に、
２、３つ⽰す必要がある」・・・ブレークスルーとなる研究が必要、地球システムの理解の重要性を認識してもらう必要性
本⽇後半に紹介する⽶国での将来の⼤型プラットフォームの検討にヒントがある︖

⾶翔体観測推進センター
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

宇宙地球環境研究所

飛翔体観測推進センター
地球水循環観測推進室
宇宙開発利用推進室新設• 降⽔観測レーダ• 雲観測レーダ• ４⼤学VL• 超⼩型衛星開発• ⼩型衛星の⺠間利⽤（⼈材育成プログラム）

航空機観測推進室 （R3.4 〜）• 共同利⽤・共同研究• 航空機観測コンソーシアム事務局• 観測調整（特任助教）概算要求• 研究者フォーラム運営（特任助教）
研究者間情報交換
ワークショップ• 専任教員（３）• 兼任教員（５）• 教授 ２• 教授 ３• 准教授 １
• 准教授 １
• 特任教員（３）• 助教 １• 教授 ２• 准教授 0
• 助教 1（+1名分を概算要求中）
航空機観測

航空機観測コンソーシアム（仮称）

航空機観測推進室• ドロップゾンデ観測 概算要求
（⽇本に襲来する台⾵：平均4回/年）••

体制図・活動計画

概算要求

運営母体
共同利用・共同研究
事務局

航空機観測推進委員会
研究計画立案
東大

千葉大

極地研

名大

気象研

JAXA

NICT

国内外の研究者

7

⽇本学術会議地球惑星科学分科会

ヒアリング（2021年5⽉）資料①

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

航空機観測による
気候・地球システム科学研究の推進

マスタープラン2020 重点課題

植⽣と温室効果気体

台⾵の眼

北極の海氷

御嶽⼭の
噴気孔s

⾼橋暢宏
名古屋⼤学宇宙地球環境研究所附属⾶翔体観測推進センター⻑
⽇本気象学会学術委員会航空機観測に関する検討部会⻑

１）計画の学術的意義

8

問題意識と学術的意義
なぜ航空機観測か︖

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 新たな眼としての航空機観測・・・⼈⼯衛星や地上観測では得られないミクロ量（素過程）の理解´ 航空機は地球惑星科学の多くの分野にわたる共通インフラになり得る´ これまで、観測専⽤の航空機が⽇本には存在していない

直接サンプリング・⾼分解能リモートセンシング

鉛直積算量

キーフレーズ１）計画の学術的意義
６）社会的価値
８）国家としての戦略性，緊急性

9

研究の⽬的・意義

研究の⽬的

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

わが国初となる共同利⽤の地球観測専⽤の航空機を導⼊し、⼤気、海洋、陸域⽣態系、雪氷、
固体地球などの地球科学分野を横断した気候・地球システム科学研究を⾶躍的に推進する。
これまでの事例解析的研究から体系的観測・研究という、質的に新しい研究の実現

研究の意義① 観測技術︓世界トップレベルの航空機観測技術の活⽤（CO2, O3, エアロゾル, レーダ等）② 研究︓アジア（ホットスポット）と北極域（急激な気候・環境変動）を観測対象とできるのは
⽇本の強み③ 国際連携︓アジアの航空機観測の国際連携推進④ 防災・減災︓⻑期間の⾼頻度・機動的観測の実
現（観測時間 30時間/年 → 200時間/年）⑤ 航空技術︓無⼈航空機のさらなる応⽤のための
研究開発
気候⼯学

2050カーボンニュートラルにおける各省庁の政策

航空機観測はこれらの政策の効果の評価にも重要な役割を果たす。

⑥ ⼈材育成︓⻑期ビジョンに基づく観測研究や戦略的な機器開発による若⼿研究者の育成
航空機の専有利⽤は機体改造・⼈材育成・機器開発・危機管理において不可⽋１）計画の学術的意義

10

⼤気科学分野温室効果気体・エアロゾル・降⽔システム

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 温室効果気体やエアロゾルの⽴体観測は航空機のみで可能である。また、定点での連続的観測のみならず、物質の3次元的輸送も重要な課題となっている´ ⼈為起源の排出量の監視

主な観測⼿段サンプリング
⾚外分光計
Umezawa et al. (2018)´ 特に気候変動の影響の⼤きい北極域での観測が重要

酸化鉄エアロゾルの観測に基づく、
大気から海洋生物生産への影響推定´ ⼈⼯衛星やモデル研究との橋渡し役としても重要´ 台⾵や線状降⽔帯などの⼤きな被害をもたらす降⽔システムの理解には、その場での⼤気構造の観測が不⼗分´ 台⾵では⽬や暖気核での⼒学的・熱⼒学構造の過程が未解明´ 台⾵の強度予測精度の改善が課題´ 線状降⽔帯の形成・強化メカニズムが解明が課題´ メカニズムの理解による予測の改善は防災・減災に直結する

アジア域のCO2濃度３次元構造

ドロップゾンデ
レーダ

⾚が⼈為起源の寄与が⼤きい場所
Moteki et al., 2017, Matsui et al., 2018

令和元年台風19による被害（テレビ朝日）

１）計画の学術的意義

海洋・雪氷・陸域⽣態系・地球表⾯観測

11Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 海洋分野では、航空機によるリモートセンシングや直接観測が期待されている。
´ 直接観測︓海⽔温・塩分´ リモートセンシング︓⾚潮・⿂群・海洋ごみ、海氷´ 雪氷分野では地上観測の困難さから航空機観測への依存度が⼤きい´ 北極域では急激な変化が想定されているため、航空機による継続的な⾼精度観測が必要´ 陸域⽣態系´ 地上のタワー観測と⼈⼯衛星観測を結びつけるものとして必須´ 特に、炭素循環の評価にはバイオマス量・葉量・樹⾼・光合成量の航空機による定量的観測が必要´ 合成開⼝レーダによる地球表⾯観測は、⽕⼭噴⽕や地震災害の規模の推定、津波被害の推定に⼤きく貢献してきた。

主な観測⼿段ATBX/AXCTD
可視・⾚外放射計

航空機によ
る雪氷観測
のイメージ

合成開⼝レーダ
可視・⾚外放射計
レーザ

可視・⾚外放射計

表⾯温度は島⽥利元⽒（JAXA）、氷床内部
断⾯図は藤⽥秀⼆⽒（国⽴極地研究所）より提供頂いた。

樹高・バイオマス

レーザ
炭素量
合成開⼝レーダ´ 航空機観測の機動性が重要´ 継続的な平時データの取得も必要(Takagi et al. 2015)

８）国家としての戦略性，緊急性
４）計画の妥当性，成熟度

12

航空機・観測計画´ ジェット機ガルフストリームIV（G-IV）を専有利⽤（⺠間企業の機体をレンタル）

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 他の機体や無⼈機利⽤も⽀援´ アジア域、北極域をターゲット
G-IVの観測⾶⾏の可能エリア• 航続距離6500㎞• 最⼤⾶⾏⾼度 13㎞
垂直離発着可能な無⼈機

予算

年次計画

10年間で155億円

航空機（G-IV他）︓リース、改造、運⽤
無⼈機利⽤︓改造、運⽤
観測機器︓開発、整備
諸経費︓⼈件費、データベース作成など

130億円
10億円
10億円
5億円

年間200時間のフライト

1-2年⽬ ⽴ち上げフェーズ (機体改造、観測機器整備)
3-6年⽬ シナジー研究フェーズ （分野間連携）
7-10年⽬ 統合研究フェーズ• 随時︓災害等に対応した機動的観測の実施
10年後には低コストでの観測継続（無⼈航空機等への移⾏、機体共⽤）

３）計画の実施主体の明確性
４）計画の妥当性，成熟度
５）共同利⽤体制の充実度

13
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

研究計画書（2015年発⾏ 2019年改訂）
24学協会の科学者および⺠間事業者の協⼒により作成（233ページ）
⽇本気象学会HPで公開中
https://www.metsoc.jp/
2019/03/07/14824

実施体制
中核機関︓名古屋⼤学 宇宙地球環境研究所（ISEE）
ISEEの共同利⽤・共同研究の枠組みを活⽤
ISEE附属⾶翔体観測推進センターに航空機観測推進室を新設

（新設）

観測計画
14
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

スケジュール・⼈員計画
15

1年⽬

2年⽬

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

１．⼤気、海洋、陸域⽣
態系、雪氷圏、地震・⽕ 航空機・⼭の諸分野の観測研究
機器整備、( 各分野の単独での観測体制構築によるデータの蓄積 )２．統合地球科学研究( 分野間の連携観測のシ
ナジー効果による新たな知⾒の創出 )
３．災害対応( 台⾵初期の観測や災害発⽣時の観測による防災への貢献 )

⼈員計画

3年⽬

4年⽬

5年⽬

6年⽬

8年⽬

9年⽬

10年⽬

個別テーマの航空機観測
無⼈機試験（単独および、
個別テーマと連携）
連携観測（２分野程度）

航空機・
機器整備

7年⽬

⑫

統合的観測
（全分野＋無⼈航空機）

台⾵発⽣時や災害発⽣時の機動的に観測（随時）

航空機のリース、運⽤を⺠間事業者に委託することで効率化を図る。
⼈員

観測研究

全体の事務局は名古屋⼤学宇宙地球環境研究所
共同研究公募に基づく研究計画の⽴案
航空機観測推進委員会の研究計画の⽴案・調整

13名
名⼤職員と
新規雇⽤

航空機運航

航空機会社への委託
ロジスティックスも⺠間事業者へ委託

33名

所要経費の内訳

16
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

①⾶⾏料（１８０万円×200H）

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

②機体拘束料132万円/⽇×（実働220⽇−⾶⾏⽇50⽇）

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

(単位：億円 税込価格）

2021

航空機運⽤費（改修×3③修理改造費⽤、設計費、その他経費等

4 （初度整備）1.2 回）

1.8

⼤規模改修（2026年と2096年想定）④DAS所有機器搭載料⑤衛星通信費⑥観測運⽤計画の⽴案/調整/⽴会

（初
期運
0.5
⽤検
討）

1.8

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

航空機運⽤費合計

4.5

9.1

9.1

9.1

9.1

10.9

9.1

9.1

10.9

9.1

観測機器整備

5.0

5.0

4.0

2.0

3.0

2.0

2.0

3.0

2.0

2.0

将来型無⼈航空機開発

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

3.0

事務局⼈件費

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

会議・データベース等

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

年度合計

13

17.6

16.6

14.6

15.6

16.4

14.6

15.6

16.4

14.6

ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ合計経費

155

台⾵観測（⽇本へ上陸する可能性のある台⾵）
︓5 個ｘ8時間＝ 40 時間
エアロゾル観測（アジア域、季節ごとに２フライト） ︓４ｘ２ｘ8時間 ＝ 64 時間
雪氷（極域、夏季・冬季それぞれ数⽇間実施）
︓２ｘ５ｘ８時間 ＝ 80 時間
合成開⼝レーダ（リファレンスデータ作成 5フライト）︓５ｘ８時間＝ 40 時間陸域⽣態系（季節ごとに1フライト）︓４ｘ８時間＝ 32 時間海洋や陸域⽣態系の観測では低⾼度⾶⾏のプロペラ機による観測も必要

256時間

２）科学者コミュニティの合意

コミュニティの合意・社会的価値⑩

17Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

マスタープラン2020提案における学協会のサポート

社会的価値︓地球科学分野全体をひとつのシステムとして統合的に理解するという共通認識• SDGｓ︓気候変動、海の豊かさ、陸の豊かさ、健康、技術⾰新• ⽇本学術会議「夢ロードマップ」︓⻑期気候データの蓄積による、⼤気、陸、海洋の諸過程と階層構造の解明・気候予測• 気候変動（温暖化問題）への貢献︓気候の将来予測精度向上と 緩和・適応策への貢献• 災害予測精度向上と 防災・減災への貢献

マスタープラン2020重点課題採択後の進捗
18
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 名古屋⼤学宇宙地球環境研究所（ISEE）の活動´ ⽂科省ロードマップ2020 不採択´ 附属⾶翔体観測推進センターの下に航空機観測推進室を新設（R3.４〜）´ 特任助教の新規雇⽤´ 宇宙地球環境研究所の第4期計画の概算要求に航空機観測の共同利⽤を要求´ まず、ドロップゾンデ観測の実施を要求´ 広報活動´ マスタープラン2020のパンフレット制作´ 航空機観測推進室の主催でのセミナーシリーズを計画中´ 外部資⾦獲得´ 2021年度科研費基盤研究S（名⼤ 坪⽊）申請中´ 内閣府ムーンショットプログラム提案（横国⼤ 筆保）申請中´ 国交省交通運輸技術開発推進制度（琉球⼤´ 2022年度科研費（準備中）伊藤）申請中台⾵LANの⽬のドロップゾンデ
観測（2017年10⽉）

まとめ（評価の観点との対応）⑭

19Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

計画の妥当性・成熟度

計画の学術的意義

研究者コミュニテイの合意

計画の実施主体• 様々な物理・化学のミク
ロ量の観測による地球科
学のパラダイムシフト• 航空機観測は地球科学を横断する新分野創⽣が可能• 最先端の無⼈機を地球観測に投⼊し、理⼯両分野の相乗的な開発・研究• 観測空⽩域のアジアや北極域を対象とし、⽇本主
導の国際共同研究を推進

マスタープラン提案• ⽇本気象学会• ⽇本⼤気化学会• ⽇本航空宇宙学会
正式連携学会• JpGU(⼤気⽔圏科学セクション)等の12の学協会
研究計画書作成(2015/19)• 国内24の学協会の研究者と事業者の協⼒
サポートレター• 気象庁、NASA等の世界
15の国際組織・研究機関

中核機関
スケジュール• 名古屋⼤学宇宙地球環境• 1年半︓航空機整備と共同研究所（ISEE）
利⽤体制の構築• 共同利⽤・共同研究拠点• 4年半︓個別分野研究• 航空機観測推進室を新設• 4年間︓統合的な研
航空機観測推進委員会• 災害対応観測は随時• ⼤気、海洋、陸域⽣態系、 航空機のリース
雪氷、地震・⽕⼭分野の• 予算と⼈的資源を効率化• 責任分界の明確化
観測部会• 横断型の防災WGと航空
10年後を⾒据えた計画
機技術WG• 無⼈機による地球観測技術
開発と移⾏• 国内の⼤学・研究機関の参画共同利⽤体制• 名古屋⼤学ISEEの共同利
⽤・共同研究の枠組み
を活⽤• 航空機観測推進委員会の設置• 地球科学観測のために共同利⽤研究船を過去50年以上にわたって運⽤している東京⼤学⼤気海洋研究所のシステ
ムのノウハウを活⽤

社会的価値（国⺠の理解，知的価値，経⼤型研究計画としての適否国家としての戦略性・緊急性激甚化する台⾵・豪⾬災害• 経済損失の軽減
越境⼤気汚染問題の解決• 国⺠の健康
地球温暖化問題• 持続的な社会（SDGs）3, 9, 13, 14, 15

10年間で155億円の予算規模
新たな「眼」の⻑期継続観測による新しい科
学的知⾒・発⾒
低コスト化への道筋で⼤型研究に頼らない研究の推進

最先端の観測機器の開発をリード• 温室効果気体/オゾン・窒素酸化物/エアロゾル/
雲・降⽔レーダ
観測の空⽩域のアジア域をターゲット
国際共同観測の推進
早急に解決すべき社会的課題
地球温暖化問題/激甚化する台⾵・豪⾬災害/越境
⼤気汚染/第3期海洋基本計画における北極政策

済的・産業的価値）

20Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

参考資料
⽇本気象学会「航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進 研究計画書」

https://www.metsoc.jp/default/wpcontent/uploads/2015/10/1eb0dc5d7ff364599db9d8d921296ccc.pdf

ISEE「航空機観測パンフレット」（暫定版）
https://coso.isee.nagoya-u.ac.jp/aioo/img/pdf/data_0624PM-small.pdf
次スライド〜21
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

22Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

23Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

24Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

25
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

26

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

⽶国 National Academiesにおける Decadal Surveyに関連したと将来の⼤型航空機観測に関する検討の紹介

https://www.nap.edu/read/26079/chapter/1
からダウンロード可能

Contents
27
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

28
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

29Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

2.1 Future of Earth System Science
30
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ It emphasizes that Earth is a dynamic planet on which the interconnected
atmosphere, ocean, land, and ice interact across a range of spatial and temporalscales, irrespective of geographic, political, or disciplinary boundaries.
´ 地球はダイナミックな惑星であり、⼤気、海洋、陸地、氷が、(地理的、政治的、学問的な境界に関係なく)、さまざまな空間的、時間的スケールで相互に影響し合っている。
´ 将来の⽅向性は、上記の要素からなる地球システム全体や要素間をつなぐプロセス、ある要素の変化に対する他の要素の感度などの理解を深めること。
´ 地球システムへの理解が深まり、より広範な観測が可能になったことで 社会的・経済的な意思決定に利⽤されるようになった。ニーズの拡⼤・複雑化により、地球システムの観測・研究もそのニーズを満たすための進展が必要である。
´ 取り組むべき課題︓⼤気汚染リスクの管理、⽔質管理、⾷糧安全保障、極端気象の予測性改善（激しい嵐、⻯巻、ハリケーン、冬の嵐、森林⽕災など）、地球規模での⼟地や海洋の健全性や⽣産性の測定、海⾯上昇によるリスクの評価、⼤規模な地質災害の予測と、地質災害
が地球システムや社会に与える影響の研究

31

2.2 INTEGRATED EARTH SYSTEM SCIENCERESEARCH

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ Because Earth is a complex,
interconnected system, Earth systemscience research has developed anarray of tools to understand it and its
processes.
´ 地球は複雑に絡み合ったシステムである
ため、地球システム科学研究では、地球とそのプロセスを理解するための様々なツールを開発してきました。
´ ⼈⼯衛星・航空機・地上・地下観測、数値モデル、実験室での研究´ 衛星観測︓局所〜地球規模の観測´ 突発的な極端現象の観測（⽕⼭、⼭⽕事、
オゾンホール）´ モデルの改良´ 航空機観測︓衛星観測の補完、機動的な
災害の観測

32

2.3 ROLE OF AIRBORNE OBSERVATIONCOMPONENT

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 航空機観測は、現象の時空間スケールをカバーできる利点がある。
´ 最も短い時間スケールにより観測要求が決まってくる。
´ ⼤気化学・物理・⼒学︓秒単位から分単位´ 環境変動︓数時間以上´ 地表⾯物理、海⾯上昇、⽔・エネルギー循環︓時間単位から⽇単位以上´ ⼤気研究では、⼤型プラットフォームによる分単位・多数の測器による同時観測が必要´ 地表⾯観測は時間スケールが⻑いため、⼩型航空機での測器を変えて複数回観測することも可´ その場観測・・・⼤気⼒学、気象、⼤気成分に必要であり、必要な時空間分解能＋鉛直プロ
ファイルの観測ができ、多数の⼤気成分、エアロゾルの化学・微物理過程、⼤気フラックスの観測。雷雲などの観測は、その場観測が難しいためリモートセンシングを⽤いる。
´ 衛星観測と⽐較すると、機動性・⾼い時空間分解能がある´ 航空機観測は衛星の機器開発・校正・試験に必要なだけでなく、衛星の観測間のギャップを埋めることも可能Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

⽶国の観測航空機
33

34
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

4 The Role of Airborne Platforms in
Addressing Emerging Science
航空機（UAVやバルーン観測を含む）の観測が必要な重点科学分野
a. ⽔循環とエネルギー循環の結合
b. 気象予測を改善するための物理学と⼒学
c. ⼤気の質と⼤気化学-化学と⼒学の結合
d. 陸と海の⽣態系の変化
e. 気候変動下での海⾯上昇と沿岸の影響
f. 地表の⼒学、地質災害、災害

4.1a Coupling of the Water and Energy Cycles
35
Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ ⽔とエネルギーの循環は、地球システムダイナミクスの中核をなすプロセスです。⽔は ある状態から別の状態へ（蒸気、液体、固体）、またある貯蔵から別の貯蔵（海洋、雲、⼟壌⽔分、地下⽔、植⽣、表層⽔、雪、氷河）へと、熱⼒学的に連続的に変化する（熱⼒学的プロセス（昇華、蒸発、融雪など）と輸送プロセス（浸透、河川、⼤気循環など）を介して）（図4.1）。⽔とエネルギーの循環を理解するた
めには、⼤気のプロセスや放射特性によって変化する短波や⻑波のエネルギーも定量化して理解する必要があります。
´ ⼤気科学は ⽔の状態、貯蔵、流れ、そしてこれらの変化に関わるエネルギーを定量化するための基本的な役
割を果たしています。定量化するための基本的な役割を担っています。
´ 航空機による観測は、⽔・エネルギー循環の重要な変数とプロセスの観測に貢献しています。また、機器開発のテストベッドとしての役割を果たし、アルゴリズ
ムのテストや衛星の校正・検証（Cal-Val）をサポー
トしています。

36

4.1b Physics and Dynamics for Improving
Weather Forecasts

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 気象・気候モデルの改善に必要なのは⼤気中で発⽣している物理的・⼒学的プ
ロセスをより深く理解すること、すなわち、以下のことの理解が不可⽋
´
´
´
´
´

⼤気と陸・海・海氷⾯との相互作⽤
太陽からの放射、それの潜熱や輻射熱の放出を通じた再配分
地表⾯ー惑星境界層（PBL）間やPBLー⾃由⼤気間の質量、運動量、エネルギー交換
対流システムと周辺環境との相互作⽤や雲の微物理過程
⼤気成分と放射線との相互作⽤´ ⽔の相変化を伴う対流プロセスは気象や気候に対するインパクトが最も⼤きい。
´ 対流の組織化と⼤規模な気象システムとの結合を理解することが天気予報の信頼度を2週間以上に拡張するための鍵となる。

´ 雲と⼤気循環の相互作⽤の理解は、地球気候の将来的な変化予測にも不可⽋´ PBL内で他の構成要素と相互作⽤する低層雲´ 対流圏の上部に質量、運動量、エネルギーを効果的に分配する深い対流雲´ ⽔の相変化、雲と太陽放射や⾚外線放射との相互作⽤などの、雲微物理学、雲⼒学、放射、⼤気循環の複雑な関係性の理解。

´ 航空機観測の役割´ PBL、⾃由対流圏、⼤気-海洋フラックス、雲、エアロゾル、対流特性、放射特性の統合観
測´ 宇宙からの観測の補完と検証。宇宙からの観測と地上からの観測をつなぐ役割´ 陸上、雪上、氷上での観測や地上からの⼤気観測の検証プラットフォーム´ 気候モデルにデータを提供

37

4.1c Air Quality and Atmospheric Chemistry—
Chemistry Coupled to Dynamics

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ ⼤気の組成の⼈為的な活動による急速な変化´ 経済発展、エネルギー利⽤、農業、⼟地利⽤、等´ ⼤気質、成層圏オゾン、気候、⽣態系の動態とのフィードバック（例︓森林⽕災、北極圏永久凍⼟の融解）へ影響´ ⼤気組成の変化とその地球システムへの影響を地域スケール
から地球スケールまで理解する必要´ 空間と時間に同居する多数の変数（多種多様な⼤気成分・物質）とその化学過程、排出、輸送など測定が必要。

´ 陸域、海洋、雪氷圏の観測と異なり、⼤気では、移動速度が⾮常に速いことを考慮する必要´ 航空機観測には、対流圏および下部成層圏の⼀部において、
⼤気全体を詳細にその場で観測することが求められている。
´ 衛星観測とコンピュータモデルを組み合わせによる相互補完38

4.1d Ecosystem Change—Land and Ocean

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ ⽣態系科学は、単細胞⽣物の研究から、⽣物圏全体を制御する組織構
造や統治機構の研究まで、幅広い分野を対象であるが、主に、地上の植⽣と露出した⼟壌の研究である。
´ 植⽣の役割は、⽔と⼤気と地球環境の間でのエネルギー・物質交換を促す。
´ ⽣態系は、複雑な相互作⽤とフィードバックを持っており、´ 空間スケールは、分⼦から地球の⽣物圏まで（化学プロセスから地球まで）´ 時間スケールは、サブ秒から数世紀まで´ ⽣態系科学のための様々な種類のリモートセンシング機器を搭載した
航空機プラットフォームのターゲットは、主に次の2つ︓
1. バイオマスや⽣物群集の種類、⽣物多様性、種の消失や絶滅、侵⼊種など、⽣態系の構成と構造
2. 蒸散、光合成、呼吸など、エネルギーや物質の交換を⽀配するプロセス

39

（つづき）

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ より狭い範囲での「検証」研究から、広⼤な地域での⽣物地球化
学的パターンを理解する研究へシフト´ 複数の機器による同時観測（光学センサ、レーダ）´ ⼤型航空機やその他の航空機での共同観測、地上やタワーでのその場測定も必要´ 陸上では、ハイパースペクトルやマルチスペクトルの光学機器をライダやレーダと⼀緒に⾶⾏させることで、植⽣分布の分類精度が向上し、⾼さや構造のモデリングは、データを組み合わせることで改善される。また、熱画像を追加した場合にも改善が⾒られている´ 海洋⽣態系では、WozencraftとMillar（2005）が、⽔深計ライダ、
地形計ライダ、⾼解像度デジタルカメラ、ハイパースペクトルイ
メージャを組み合わせて、⽔深、地形、光学特性を測定し、海底と⽔柱・⽔⾯の特性をマッピングしました。

´ 航空機プラットフォームは、⽣態系研究に関連するモデルの評価と検証に重要な役割´ 炭素循環研究 炭素循環分⼦と多数の共存・相互作⽤する化学成分を同時に測定するために、多くの機器（炭素循環ガス、その他の微量ガス、エアロゾル、汚染物質、その他の成分など）が必要

40

4.1e Sea level Rise in a Changing
Climate and Coastal Impacts

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 海⾯上昇´ 特に海岸線への影響が⼤きい´ 熱帯・冬季の暴⾵⾬時の沿岸洪⽔の急激な増加も問題´ 海⾯上昇の原因
1. 熱膨張をもたらす海洋の温暖化
2. 主に南極とグリーンランドの氷床の融解に伴う海洋への質
量投⼊´ 氷床については、マスバランス（固体降⾬による氷の純増と、融解、昇華、地表⽔の流出、氷河の決壊による純減のバランス）が重要なポイント´ 観測とモデリングの両⽅が必要で、衛星リモートセンシ
ング機器は、これらのパラメータのデータ収集の役割´ 航空機観測は、衛星ミッションの間のギャップを埋めた
り、衛星データの校正や相互校正を容易にしたり、複数の観測機器から⽬標とする⾼解像度の同時観測を⾏う。

41

4.1f Surface Dynamics, Geological
Hazards, and Disasters

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´ 地表の⼒学・地質学的脅威・災害は、地殻変動、⽔⽂学、⽣態学、気候学の過程や⼈為的活動に対する地球表⾯の応答´ 時間スケール︓数分から数⽇、数⼗年、数百年´ 局所的から⼤きな領域での被害をもたらすことがある。

´ 地表のダイナミクスの時空間的特徴を捉えることが必要´ ⼈⼯衛星や航空機プラットフォームからのリモートセンシング観測と、現場での測定´ ⼈⼯衛星は⽐較的粗い空間と時間の解像度で全球の観測を⾏う。
´ 航空機はより細かい空間と時間の解像度で局所的な観測を⾏う。

´ 地表のダイナミクスを研究するための主なリモー
トセンシング機器には、⼲渉型合成開⼝レーダー（InSAR）、ライダー、光学機器（マルチスペク
トルおよびハイパースペクトル）などがある。
´ SAR画像を異なる時刻に取得した場合、得られた
InSAR画像（リピートパスInSAR）で地表⾯の変形をマッピングすることができる。
´ 2つのSAR画像を同時に取得した場合は、SAR画像（シングルパスSAR）を⽤いてデジタル地表⾯モデ
ル（DSM）を構築できる。このDSMの標⾼は、裸地と植⽣地域のキャノピートップの間に位置します。
´ ライダーは、裸地の標⾼モデルと植⽣、雪、氷のキャノピーの⾼さの両⽅を計測できる。

42

4.2 Providing Capacity for Expanding Future
Earth system Research Needs

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

4.2 将来拡⼤する地球システム研究のニーズのための機会の提供

分野をまたぐ学際的な研究の推進´ 近年の地球上で発⽣する極端現象は、様々な地球システムの構成要素間の相互作⽤またはそれぞれの内部プロセスによる。
´ 気候変動などの地球システムの変動が社会に対する影響が⼤きくなってきており、地球システム科学における学際的なアプローチの必要性が増してきていると同時に航空機プラットフォームの重要性も増している。
´ 既存の技術や新しい技術に基づいた機器を搭載した航空機観測´ ⼩型航空機やUASは、学際的で社会的に重要なニーズを満たすために不可⽋なもの´ ハリケーンや暴⾵⾬の急激な強まりや、PBLや上層海洋などの地表付近の特性は、宇宙からの観測が困難

43

航空機観測に求められるもの

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU´⼤型プラットフォームの条件´約10〜12時間の⻑時間⾶⾏´12-15kmまでの広い範囲の⾼度能⼒´氷結や乱気流の中でも安全に⾶⾏可能な堅牢な機体´レーダー、ライダー、空中投下型のドロップゾンデ、海洋漂流物、フロート、UASを扱うことができるペイロード´降⽔量が多く、⾵が強い状況でもターゲットを絞った観測が可能なス
キャニング降⽔レーダー´⼤型航空機が有効な対象︓ハリケーンや冬の嵐´宇宙機や地上ベースのプラットフォームでは、多⾯的な同時観測
やリモートセンシングの測定、機動性に限界がある。

44

熱帯低気圧Cindy上陸前におけるDC８による観測 (Chen 2019)

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

搭載機器´ ドップラーライダー´ レーダ´ ドロップゾンデ´ マイクロ波・⾚外放射計

45

Coupled Boundary Layers/Air-Sea Transfer(CBLAST) フィールド観測 (Black et al., 2007)

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

観測項⽬
• 強⾵
• 降⽔
• 波浪
• 海流
• 海⽔温
搭載機器
• レーダ
• ライダー• ドロップゾンデ• 海洋フロート• 海洋ドリフター46

まとめ（今後の⽅向性）

Center for Orbital and Suborbital Observations, ISEE, NU

2022年度にはマスタープラン2023の公募の可能性があり、継続的に重点課題に採択されるための改善を⾏ってゆく必要がある。
´ コミュニティのアクティビティ向上、分野間での連携の強化´ コミュニティの中での議論の熟成´ JpGUの航空機観測セッションの活⽤（ぜひ、参加をお願いいたします）´ 計画の具体化´ ISEEでの航空機観測の実績の蓄積が必要´ 坪⽊先⽣科研費S（TPARC-II）、村上先⽣´ データ（・観測）の共同利⽤の推進´ 本セミナーシリーズなどの継続