特集

衛星搭載ライダー

衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観測石井 昌憲 1，岡本 幸三 2，久保田 拓志 3，藤平 耕一 3，松本 紋子 4，今井 正 3，境澤 大亮 3，今村 俊介 3，石橋 俊之 2，田中 泰宙 2，
佐藤 篤 5，西澤 智明 6，村田 健史 7，岡本 創 8，沖 理子 3，
佐藤 正樹 9，岩崎 俊樹 10
1
2
3

東京都立大学（〒195‒0065 東京都日野市旭が丘 6‒6）気象庁気象研究所（〒305‒0052 茨城県つくば市長峰 1‒1）

宇宙航空研究開発機構（〒305‒8505 茨城県つくば市千現 2‒1‒1）

ANA ホールディングス株式会社（〒105‒0021 東京都港区東新橋 1‒5‒2 汐留シティセンター）

45

東北工業大学（〒982‒8577 宮城県仙台市太白区八木山香澄町 35‒1）
6
7

国立環境研究所（〒305‒0053 茨城県つくば市小野川 16‒2）

情報通信研究機構（〒184‒8795 東京都小金井市貫井北町 4‒2‒1）

8

九州大学応用力学研究所（〒816‒8580 福岡県春日市春日公園 6‒1）

9東京大学大気海洋研究所（〒277‒8564 千葉県柏市柏野の葉 5‒1‒5）
10

東北大学（〒980‒8578 仙台市青葉区荒巻字青葉 6‒3）

Global wind profiling with future space-based Doppler wind lidar
Shoken ISHII 1, Kozo OKAMOTO 2, Takuji KUBOTA 3, Koichi FUJIHIRA 3,
Ayako MATSUMOTO 4, Tadashi IMAI 3, Daisuke SAKAIZAWA 3, Shunsuke IMAMURA 3,Toshiyuki ISHIBASHI 2, Taichu Y TANAKA 2, Atsushi SATO 5, Tomoaki NISHIZAWA 6,Takeshi MURATA 7, Hajime OKAMOTO 8, Riko OKI 3, Masaki SATOH 9, and Toshiki IWASAKI 10
123Tokyo Metropolitan University, 6‒6 Asahigaoka Hino, Tokyo, 191‒0065

Meteorological Research Institute, 1‒1 Nagamine Tsukuba, Ibaraki 305‒0052

Japan Aerospace Exploration Agency, 2‒1‒1 Sengen Tsukuba, Ibaraki 305‒8505
4ANA HOLDINGS INC., 1‒5‒2 Higashi-Shimbashi Minato-ku, Tokyo 105‒7140

5Tohoku Institute of Technology, 35‒1 Yagiyama Kasumi-cho Taihaku-ku, Sendai, Miyagi 982‒8577
6

National Institute for Environmental Studies, 16‒2 Onogawa Tsukuba, Ibaraki 305‒8506

7National Institute of Information and Communications Technology, 4‒2‒1 Nukuikitamachi Koganei, Tokyo 184‒8795
89Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, 6‒1 Kasuga Park Kasuga, Fukuoka 816‒8580

Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo, 5‒1‒5 Kashiwanoha Kashiwa, Chiba 277‒8564
10Tohoku University, 6‒3 Aoba Aramaki Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980‒8578（Received August 1, 2020）
Wind profile is very important especially for numerical weather prediction and investigation of spatial
atmospheric structure. Current global observation is significantly biased to water- and heat-related measurements with relatively low vertical resolution. Global wind profiling with high vertical resolution
would improve the numerical weather prediction skills. Space-based Doppler Wind Lidar（DWL）is oneof useful approaches for global wind profiling with the high vertical resolution. In the paper, we describe
a space-based DWL.
キーワード：レーザー，ライダー，ドップラー風ライダー，衛星観測，全球風高度分布
Key Words: Lidar, Doppler Wind Lidar, Space-based, Global wind profiling©2020 Laser Radar Society of Japan61

衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観測（石井 昌憲）

1．はじめに衛星搭載のマイクロ波散乱計は，地表面付近のみであるもののベクトル風観測ができる．衛星搭載イ

近年，地球規模で起こっている気候変動は，豪

メージャーは，雲や水蒸気の動きから大気追跡風

雨，暴風，台風の大型化や強い熱帯低気圧の活動度（Atmospheric Motion Vector: AMV）により，1～2 層の増加 ，洪水，干ばつ等の気象災害を世界各地にのベクトル風観測を与えることができる．AMV はもたらし，その深刻さは増している．深刻な気象災

広い観測範囲，高い観測時間分解能及び水平解像度

害によって，人々はこれまで以上に危険にさらされ（2.5 及び 10 分，0.5º×0.5º）を実現しているが，鉛ている．気象災害から命や財産を守るために，予測直分解能は低い（1‒2 km）．ベクトル風におけるラ1）に基づいた準備や行動が必要であり，そのために，ジオゾンデに対する AMV のバイアスと二乗平均差

数値予報（Numerical Weather Prediction: NWP）精度（Root Mean Square）は大きい（バイアスは 2 m/s 程の向上は，防災や災害リスク軽減のため非常に重要

度，RMS ベクトル誤差は 4 m/s）4, 5）．さらに AMVな課題である．

は，厚い雲の下，乾燥した地域，晴天域，雲の少な

風は，圧力，気温，湿度等のように大気の状態をい地域，内陸地域の地表近くの大気，低風速地域等

表す基本的かつ重要な気象変数の 1 つであり，風観では，ベクトル風の算出が困難である．AMV の高測は総観規模から局所的なスケールの大気物理，雲さ推定は非常に難しく，他の観測機器との比較で数対流・大気循環の総合作用等の理解に必要不可欠で百 m（30‒60 hPa）の違いが生じる 6, 7）．

ある．風の高度分布観測は，全球・領域モデルによドップラー風ライダー（DWL）は，高い観測分る数値予報，大気質予測に必要な初期値の改善や，解能，低いバイアス，高い観測精度による風の高度気候変動や様々な気象現象の研究において非常に重分布を与えることができるので，これまでの衛星観要である．

測のギャップを埋める事ができる．欧州宇宙機関

世界気象機関（World Meteorological Organization:（European Space Agency: ESA）は，全球で風の高度WMO）は，様々な気象現象にわたって解析を行え分布を得るために，世界で初めてとなる衛星搭載るように，様々な気象観測ネットワークと気象観測

ドップラー風ライダー Aeolus 8, 9）を 2018 年 8 月にシステムを構築している．地球規模で気象データを打ち上げ，大気風の観測を開始した．Aeolus は，取得できる衛星観測システムの重要性は増している

衛星の進行方向に対して 90 度真横に紫外域のレーが，現在の衛星観測システムは，風観測に比べて温ザ光を射出し，1 視線方向（Line Of Sight: LOS）風度および水蒸気に関連する観測に偏っている 2）．

速の高度分布を与える．米国では，NOAA と NASAWMO は全球風観測で求められる観測要求精度をがスペースシャトル，宇宙ステーション，あるい＂Observing Systems Capability Analysis and Review＂

は，単独衛星に搭載する DWL を検討してきているとして WMO のホームページ上に公開している 3）．

が，ミッション化までには至っていない 2）, 10‒13）．

現在の全球風観測システムがこれらの要件を必ずし日本では，JEM-CDWL と呼ばれる国際宇宙ステーも満たすわけではない．

ション（ISS）搭載の Coherent DWL（CDWL）の実

直接観測である海洋ブイや船舶，自動気象観測ス
テーションは地表面付近の気象情報を広範囲に与え現可能性に関する研究が 1990 年代後半に行われたが，ミッション化までに至らなかった 14）．

るが，風の高度分布は与えない．地上設置型ウィン

本記事では，2 章では観測が継続中の衛星搭載

ドプロファイラーは風の高度分布を与えてくれるも

ド ッ プ ラ ー 風 ラ イ ダ ー Aeolus に つ い て ESA ののの，日本，西欧州及び北米等限られた地域にしかAeolus ポータルサイトの内容を参照しつつ紹介す設置されていない．風の高度分布は，ラジオゾンデる．3 章と 4 章で現在提案中の日本の衛星搭載ドッや航空機観測によって与えられる．ラジオゾンデとプラー風ライダーと衛星搭載ドップラー風ライダー

航空機による観測は，北半球の人口の多い地域で行の風データを用いた宇宙ビジネスについて述べ，5われており，南半球ではほとんど行われていない．

章でまとめる．

さらに，上層大気を観測する気象観測局数は減少している，航空機観測は航空航路上に限定される等の2．衛星搭載ドップラー風ライダー Aeolus

課題がある．大陸内陸部や海洋域は非常に大きな観

Aeolus（Fig. 1）は ESA の Earth Explorer Core Mis-測の空白域となっている．海，南半球及びその他のsion-Living Planet Program の一つである．主な目的

疎な地域での風観測の欠如は，数値予報や数値予報は，WMO の要求する鉛直分解能と風観測精度で風を用いる解析において，不均一誤差といった問題をの高度分布を提供し，1）現在の全球観測システム起こしている．

が抱える風観測における課題の解決，2）全球エネ

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

Table 1

Table 2

Specifications of Aeolus.

Observation Requirements. PBL: Planetary Boundary
Layer

Tables 1, 2 に Aeolus のシステム諸元と風観測要求を示す．Aeolus は，送信機として繰り返し周波数
100 Hz・パルスエネルギー 130 mJ（目標値 150 mJ）で動作するダイオード励起・伝導冷却の Nd:YAG
レーザの第三高調波である波長 355 nm のレーザ光（バーストモード動作），受信機として直接検波方式を採用し，口径 1.1 m のカセグレン望遠鏡，レイリーチャンネル用としてエタロンフィルターを用いるダブルエッジ方式の分光計，ミーチャンネル用としてフィゾー干渉計を用いるリング方式の分光計，Fig. 1

Measurement geometry and coverage of Aeolus for（a）
design in early 2000 and（b）launch in 2018.（https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/a/adm-aeolus）©ESA

検出器として積分型 CCD を用いるライダーとして設計された．その後，2003 年までに望遠鏡の口径を 1.1 m から口径 1.5 m へ，2010 年にレーザに関する詳細レビューにおいて，3 年間の軌道上運用を可能とし，故障リスクへ十分なマージンを確保するた

ルギー収支に関する研究への貢献，3）全球大気循めに，レーザ動作を「バーストモード」から「連続環，降水システム，エルニーニョ現象，南方振動現モード」へ，繰り返し周波数を 100 Hz から 50 Hz

象，成層圏/対流圏交換等の大気大循環に関連するへ，パルスエネルギーを 130 mJ から 80 mJ へ（目研究へのデータ提供，を一次の衛星観測ミッション

標値 120 mJ）へ，と大きな仕様変更が行われた．

目的としている．また，二次の衛星観測ミッション

Aeolus は，当初は 2007 年に打上げられることが目的として，4）高品質な全球の風高度分布の利用計画されていたが，レーザ開発の遅れ等により打上による気候モデルの検証，5）大気力学，エネルげが遅れ，2018 年 8 月 22 日 21 時 20 分（GMT）に

ギー，水，エアロゾル，化学物質等の地球規模の大

フランス領ギアナのクーローからヴェガロケットで気輸送及び循環に関する理解の向上，6）雲頂高度，打ち上げられた．Aeolus のレーザは，レーザ誘起エーロゾルの分布や光学的特性等の Spin-off プロダによるコンタミネーションが発生しないように酸素クトのデータセットの提供をあげている．

供給が行われた後，レーザ用電源が投入され，パル63

衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観測（石井 昌憲）

スエネルギー 65 mJ の出力でフライトモデルレーザの位置関係等により複雑に影響を受け，主鏡の形状A（FM-A）の運用が開始された．レーザ FM-A のが 変 形 し た た め バ イ ア ス が 生 じ た と し て い る．

出力は，運用 2 週間で約 60 mJ まで低下したため

Aeolus では 2020 年 4 月下旬に補正を行い，このバ（0.4 mJ/日の低下），増幅器の温度調整が行われた．

イアスを取り除いている．

レーザ用光学ベンチの温度分布がより適正化された

ECMWF では，2 番目のレーザ FM-B によって観結果，パルスエネルギー低下は 1 日あたり 0.14 mJ測された風プロダクトを用いて，全球数値予報へ与まで抑えられた．その後，2018 年 12 月中旬まで同えるインパクトについて評価を進めている．Aeolus

じ傾向が続いた．この傾向は，増幅器が動作していの風観測は，IR 放射輝度，GNNS 電波掩蔽，大気ない時でも発生したことから，出力低下の原因は，追跡風のように，これまで十分に確立された観測シQ-sw レーザ発振器の進行性ミスアライメントと推ステムと同じ様に『中から大』の統計的に有意な正測されている．レーザ FM-A の出力は，2019 年 6の影響を与えることを示している．また，観測シス月にはパルスエネルギー 40 mJ まで低下したため，

テ ム 実 験（Observing System Experiment: OSE）で風観測誤差を小さくすることを目的として十分なは，データ同化のために提供された Aeolus の風観

SNR を得るために，レーザ FM-A から FM-B への切測データは観測総数の 1% 未満にも関わらず，短期り替えが 6 月末に行われ，パルスエネルギーは 67予報および中期予報（最大 10 日）において，ジオmJ まで回復した．その後，パルスエネルギーは少ポテンシャル高度とベクトル風の予測誤差が，熱帯し ず つ 低 下 し，2019 年 11 月 末 の 時 点 で 60 mJ と地域で約 2%，南半球で 2‒3% 減少したと報告されなったが，12 月上旬にレーザ用コールドプレートて い る 16）．2020 年 は， 新 型 コ ロ ナ ウ ィ ル スの温度調整により 63 mJ に上昇した．パルスエネル

COVID-19 が発生し，我々の日常生活や様々な産業

ギーは 2020 年 6 月末時点で 62 mJ と設計値よりもに大きな影響を及ぼしている．旅行業界では国を超低 い が， 非 常 に 安 定 し た 出 力 で 運 用 を 続 け て い

えた移動が制限され，商用航空機からの気象データ

る15）が減少した．そのため，数値予報精度の低下が懸念

受光部では，光検出器（CCD 素子）と望遠鏡のされたが，Aeolus の風プロダクトは，商用航空機主鏡に問題が発生した．CCD 等のようなイメージからの気象データ減少を補完するのに非常に役立っ

検出器では画素に欠陥がある場合があり，種類にている．Aeolus による全球風観測は，数値予報へよって，ホットピクセル（常に点灯状態，信号レベの有用性と衛星観測の価値を示している．

．

ルの上昇），デッドピクセル（常に消灯状態），スタックピクセル（常に点灯か常に消灯）等の種類が3．日本の衛星搭載ドップラー風ライダーある．Aeolus では，レイリー用とミー用の両方の

日 本 で は，JEM-CDWL と 呼 ば れ る 国 際 宇 宙 ス

分光チャンネルに組み込まれている CCD にホット

テ ー シ ョ ン（ISS）搭 載 の Coherent Doppler Windピクセルが存在することが，打ち上げ直後の初期段Lidar（CDWL）の実現可能性に関する研究が 1990

階から判明し，時間とともに発生箇所の数が増加年代後半に行われた（Iwasaki 1999）．その後，技術し，風プロダクトにバイアスを生じ，データ品質に的および科学的観点から衛星搭載 CDWL の実現可影響を与える要因となった．この問題を解決するた

能 性 を 検 討 す る た め に，2011 年 に ワ ー キ ン グ グ

めに，Aeolus は定期的に地表面信号後の信号からループが組織され，衛星搭載 CDWL 用シミュレー疑似暗電流を求め，2019 年 6 月中旬以降，ホットタによるシミュレーションや観測システムシミュピクセルによるバイアスを取り除いている．このレーション実験（Observing System Simulation Exper-

ホットピクセルの発生原因については，調査研究がiment: OSSE）が 実 施 さ れ， 検 討 が 進 め ら れ て い

進められている．

る 17‒19）．日本の衛星搭載 DWL においても，十分な次に，望遠鏡の主鏡に発生した課題について述べ

鉛直分解能を有する風の高度分布観測を全球規模でる． 欧 州 中 期 気 象 予 報 セ ン タ ー（ECMWF）は，実現し，1）数値予報精度の向上，2）台風の進路や2020 年 1 月 上 旬 か ら 全 球 数 値 予 報 モ デ ル で，強度等の予測の向上，3）気候モデル，大気輸送モ

Aeolus のレベル 2B 風プロダクトを用いてデータ同デル精度の向上，4）大気追跡風の風観測検証，観化を開始した．ECMWF は，全球数値予報モデルと測精度，高度推定精度の向上等に貢献することを目レイリー用分光チャンネルのレベル 2B 風プロダク的としている．また，社会貢献として 5）高い観測トの差を統計的に評価したところ，大きな系統誤差精度を持つ風の全球 3 次元分布を全てのステークホがあることが判明し，望遠鏡の主鏡の温度と非常にルダーに提供し，6）衛星データの利活用の促進を相関が強いことがわかった．主鏡の温度は，太陽と通して航空や海運ビジネスにおける新たな宇宙ビジ

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

Table 3

Specifications of future Japanese space-based CDWL andobservation requirements.

搭載 DWL の風観測は数値予報精度向上による科学的な貢献だけでなく，宇宙ビジネス産業発展へも貢Fig. 2

Image of future Japanese space-based DWL. ©TMU

ネス産業の創出に役立てる．

献出来ることを示し，社会的価値のある衛星ミッションとして期待されている．

5．まとめ

Table 3 に 検 討 が 進 め ら れ る 日 本 の 衛 星 搭 載

現在，超低高度衛星搭載 DWL の実現を目指し，CDWL の諸元を示す．検討されている CDWL シス

JAXA，気象研究所，ANA ホールディングス，大テムでは，送信機として目に安全な波長帯である学，国立研究機関が参加し，技術的および科学的観1.5-μm もしくは 2-μm のパルスレーザ，光ヘテロダ点からの検討だけでなく，宇宙ビジネスという新しイン検波方式の受信機から構成される．受信望遠鏡

い観点からの検討も行われている．超低高度衛星搭の口径は 60 cm，観測視線方向数は 1 ないし 2 であ載 CDWL の実現は，数値予報精度の向上，気候モる．打上げロケットとしてイプシロンロケット，衛デルや大気輸送モデル等の予測精度向上，現行の衛星バスとして超低高度衛星が想定されている．これ星観測システムとのシナジー観測による観測精度向までの検討では，水平分解能 50 km・高度範囲 0‒3，上等の科学的な貢献だけでなく，観測データが新た3‒8，8‒20 km に対し，鉛直分解能と観測要求精度な価値を創出することにより，新たな宇宙ビジネス

は， そ れ ぞ れ，0.5 km・1 m/s，1 km・2 m/s，2創出への期待も大きい．ESA は，衛星搭載 DWL にkm・4 m/s である．

4．宇宙ビジネスへの展開

よ る 全 球 風 観 測 を 継 続 す る た め に Aeolus の フ ォ
ローオンミッションの検討を開始した．観測要求仕様等詳細内容は，今後，明らかになる予定である．

2020 年 6 月 30 日に閣議設定された『宇宙基本計

超 低 高 度 衛 星 搭 載 CDWL の 観 測 要 求 仕 様 は，画』では，日本の宇宙産業を持続的に発展させていAeolus のフォローオンミッションの検討を踏まえくために，宇宙を推進力とする経済的発展が述べらながら進めて行く予定である．

れている．Beyond 5G や 6G，AI，IoT，量子暗号等の革新的な技術の導入や＂ニュースペース＂と呼ば謝

辞れるベンチャー企業の新規参入を背景に，これまで衛星搭載ドップラー風ライダーの検討に関する研のように単に衛星データを提供するだけではなく，究（の一部）では，JSPS 科研費 17H06139，19K04849，

地上データ等の組合せによって，様々な分野におけ19H01973 の助成を受けたものである．

る社会課題を解決するためのソリューションの提供等，これまでに無かったサービスや新しい価値の創造が求められている．そのような中，2017 年に開催された宇宙ビジネスコンテスト S-Booster 2017 において，著者の 1 人である松本が提案した『超低高度衛星搭載ドップラー風ライダーによる飛行経路・高度最適化システムの構築』が大賞に輝いた．衛星

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石井昌

憲

2000 年 名 古 屋 大 学 大 学 院（理 学 専攻）を満了退学，2001 年に名古屋大学大学院より博士（理学）の学位を取得．2000 年 郵政省通信総合研究所専攻研究員，2002 年 独立行政法人 通 信 総 合 研 究 所 任 期 付 研 究 員，
2005 年 独立行政法人情報通信研究機構研究員，2006 年 同機構主任研究員，2014 年 NASA ラングレー研究センター客員研究 員，2017‒2020 年 首 都 大 学 東 京 連 携 大 学 院 教 授，2018 年 同機構プラニングマネージャー，2020 年 4 月
より東京都立大学システムデザイン学部教授．光ヘテ
ロダイン方式や直接検波方式を用いる光能動遠隔計測のための基盤技術に関する研究開発や観測的研究に従事． 所 属 学 協 会 は， レ ー ザ セ ン シ ン グ 学 会， 日 本 リ
モートセンシング学会，日本気象学会．専門分野は光リモートセンシング，光工学，衛星リモートセンシン
グ．CLRC Advisory member．

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）