レーザセンシング学会誌

1巻2号

令和 2 年 10 月 30 日発行

ISSN 2435-6239

2020

Vol.1 No.2

◆特集◆

衛星搭載ライダー

45 ページの記事参照

レーザセンシング学会

Laser Radar Society of Japan
http://www.laser-sensing.jp/

レーザセンシング学会誌
Journal of Laser Radar Society of Japan
Volume 1, Number 2（October 2020）

特集：衛星搭載ライダー
Special Issue on Spaceborne Lidar
巻頭言Prefatory note

日本における衛星搭載ライダーの実現に向けてToward the Realization of Spaceborne Lidar in Japan内野 修 Osamu Uchino

43

解説Technical Review

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）
Lidar Mission of Vegetation Observation from Space Multiple-footprint Observation Lidar and Imager（MOLI）
浅井和弘，境澤大亮，水谷耕平，西澤智明
Kazuhiro Asai, Daisuke Sakaizawa, Kohei Mizutani, Tomoaki Nishizawa

45

解説Technical Review

衛星搭載高スペクトル分解ライダーによるエアロゾル・雲の全球観測
Global observation of aerosols and clouds by space-borne high spectral resolution lidar
西澤智明，神 慶孝，石井昌憲，岡本 創
Tomoaki Nishizawa, Yoshitaka Jin, Shoken Ishii, Hajime Okamoto55

解説Technical Review

衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観測
Global wind profiling with future space-based Doppler wind lidar
石井昌憲，岡本幸三，久保田拓志，藤平耕一，松本紋子，今井 正，境澤大亮，今村俊介，
石橋俊之，田中泰宙，佐藤 篤，西澤智明，村田健史，岡本 創，沖 理子，佐藤正樹，岩崎俊樹
Shoken Ishii, Kozo Okamoto, Takuji Kubota, Koichi Fujihira, Ayako Matsumoto, Tadashi Imai, Daisuke Sakaizawa,
Shunsuke Imamura, Toshiyuki Ishibashi, Taichu Y Tanaka, Atsushi Sato, Tomoaki Nishizawa, Takeshi Murata,
Hajime Okamoto, Riko Oki, Masaki Satoh, Toshiki Iwasaki

61

解説Technical Review

イメージング FTS とドップラーライダによる全球風観測
Global Measurement of Wind Using Imaging FTS and Doppler Lidar
岡本 創，木村俊義，境澤大亮，石井昌憲，西澤智明，石元裕史，佐藤可織，及川栄治
Hajime Okamoto, Toshiyoshi Kimura, Daisuke Sakaizawa, Shoken Ishii, Tomoaki Nishizawa, Hiroshi Ishimoto,
Kaori Sato, Eiji Oikawa

67

解説Technical Review

衛星搭載差分吸収ライダーによるグローバルな水蒸気分布観測の提案
Proposal on the Spaceborne Differential Absorption Lidar for Global Water Vapor Profiling
阿保 真，長澤親生，柴田泰邦，内野 修，酒井 哲，柴田 隆，勝俣昌己
Makoto Abo, Chikao Nagasawa, Yasukuni Shibata, Osamu Uchino, Tetsu Sakai, Takashi Shibata, Masaki Katsumata

72■

編集兼発行人：レーザセンシング学会（http://laser-sensing.jp/）■

企画：レーザセンシング学会編集委員会
委員長：藤井 隆，副委員長：境澤大亮
委員：柴田泰邦，染川智弘，津田卓雄，朝日一平

日本における衛星搭載ライダーの実現に向けて内野

修

国立環境研究所（〒305‒8506 茨城県つくば市小野川 16‒2）

Toward the Realization of Spaceborne Lidar in Japan
Osamu UCHINO
National Institute for Environmental Studies, 16 2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305 8506

（Received September 8, 2020）
The project research committee on spaceborne lidar was established in the Laser Radar Society of Japanin April 2019. The meeting was held 4 times in 2019. Scientific objectives and large contributions tosociety were discussed on the proposed spaceborne lidar systems by the members of the committee andexperts. Five spaceborne lidar proposals are published in this special issue. The committee will endorse
the realization of the proposed spaceborne lidar with many persons concerned.
キーワード：ライダー，衛星搭載，全球観測
Key Words: Lidar, Spaceborne, Global observation

本特集号の発行の経緯について述べる．レーザセ的にも支援していくことは大変重要であると考えら

ンシング学会（以下，本学会と略す）の前身であるれることから，衛星搭載ライダーに関するプロジェ

レーザーレーダー研究会の調査委員会による 2016

クト調査委員会の設置を 2019 年 4 月 10 日の本学会

年 12 月 19 日の第一次報告によると，今後，取り組理事会に提案し，設置が認められた．

むべき大規模プロジェクト研究課題の一つとして衛委員会のタスク（果たすべき作業）として，上記

星搭載ライダーが挙げられている．また，2019 年 3

各提案などについての社会的・科学的な必要性と現

月 1 日に開催された本学会の第 23 回大気ライダー

在の技術的達成度，今後解決すべき課題や米国，研究会では，衛星搭載大気ライダーミッションの将EU および中国などを中心とした世界的な動向など

来計画に関するパネルディスカッションが行われ，について調査を行い，その結果はレーザセンシング

25 の学会・関連団体からなる「今後の宇宙開発体

学会の論文や解説としてまとめることとした．委員制のあり方に関するタスクフォース会合・リモート会のメンバーは，

センシング分科会（TF）」が 2018 年 11 月に行った

委員長

内野修

衛星地球観測ミッション公募の一次審査を通過した

副委員長

石井昌憲

「衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観

委員

阿保真，五十嵐保，岡本創，久世宏明，

測」，「衛 星 搭 載 水 蒸 気 測 定 用 差 分 吸 収 ラ イ ダ ー（DIAL）の技術実証」，「多波長偏光・高スペクトル
分解ライダー」の発表が行われ，出席者による活発

酒井哲，境澤大亮，柴田隆，津田卓雄，
長澤親生，西澤智明の 12 名である．

な議論が行われた．一方，JAXA は森林の樹高など

委員会は，これまで 4 回（2019 年 5 月 8 日，7 月を計測する ISS 搭載植生観測用ライダー（MOLI）

1 日，9 月 25 日，12 月 16 日）開催され，2020 年 2の研究・開発を行い，搭載準備を進めている．

月 21 日に予定されていた第 5 回目は新型コロナウ

このような背景を基に，本学会として，将来の衛イルス感染拡大により開催を中止した．第 1 回目か星搭載ライダーの実現を目指して，科学的にも技術ら第 3 回までは首都大学秋葉原サテライトキャンパ©2020 Laser Radar Society of Japan43

日本における衛星搭載ライダーの実現に向けて（内野修）

スにおいて，第 4 回目は JAXA つくば宇宙センター

を，同年 12 月には GEDI（Global Ecosystem Dynamicsで行われた．会議では，委員以外の専門の方を招待

Investigation）を打ち上げ，観測を行っている．今後，し講演をお願いした．第 3 回委員会では，

ESA，JAXA，NICT による EarthCARE（Earth Clouds,

勝俣昌己（JAMSTEC）「衛星搭載水蒸気 DIAL の海面フラックス推定への応用」
松本紋子（ANA ホールディングス）「衛星搭載風ライダーの飛行機の経済的運航へのメリット」
岡本幸三（気象研究所）「衛星搭載風ライダーのOSSE（観測システムシミュレーション実験）」

Aerosols and Radiation Explorer）の打ち上げが予定
さ れ て い る．ESA が ラ イ ダ ー を， 日 本 側 か ら 雲レーダーを搭載する．また，DLR と CNES によるMERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）の打ち上げも予定されている．
一方，日本では，1991 年から 2000 年の早い時期

第 4 回委員会では木村俊義（JAXA）「JAXA 地球に ELISE（Experimental Lidar in Space Equipment）

観測の現状と将来」の各発表を基に活発な質疑・応が計画され，一部開発が行われたが，残念ながら途答がなされた．

中で中止された．ELISE の経緯については本学会のこれら専門家の意見や委員会での各提案に対するニュースレター第 4 号に笹野泰弘による「ELISE

質問・議論等を基にこの特集号では 5 つの衛星搭載（衛星搭載ライダー）―備忘録」で詳しく述べられてライダーの提案が詳しく記述されている．各提案にいる．また，ELISE の関係資料は本学会ホームペー

関する科学的目的や社会への貢献については議論をジの文書アーカイブに掲載されているので参照され行ったが，第 5 回目の委員会で行う予定であった技

たい．

術的検討などについては今後の課題である．

衛星搭載ライダーでは，パッシブセンサーでは達

ところで，海外における衛星搭載ライダーとして成できない高い高度分解能で全球の森林の樹高，は，NASA と CNES が 2006 年 に 打 ち 上 げ た

雲・エアロゾル特性，風向・風速，水蒸気などが観

CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder

測できることから，天気予報や気候モデルなどの改Satellite Observation）が 14 年経った現在も観測を継良，気候変動の理解と予測，炭素循環の監視等に大続中で，これまで数多くの科学的成果が得られていきく貢献すること，そしてそれらを基に適切な対応

る．2018 年 8 月には全球の風観測を行うための衛星策をとることにより，減災や経済的で安全・安心なAeolus が ESA によって打ち上げられ，観測された社会につながっていくことから，本委員会をはじめデータは ECMWF の数値予報に利用されている．

本学会員の多くの叡智と関係機関との協力を得て，最近では新型コロナウイルス感染拡大により世界のこの特集号に掲載されている衛星搭載ライダーを実

民間航空機による観測数の減少を補完する気象デー

現して行きたい．もちろん，面的に広く観測できる

タとしてその期待は大きい．NASA は 2018 年 9 月にパッシブセンサーとライダーの組み合わせによる相は ICESat-2（Ice, Cloud and Land Elevation Satellite-2）乗効果も検討して行く必要がある．

44

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

特集

衛星搭載ライダー

宇宙から植生を観測するライダーミッション

MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）
浅井 和弘 1，境澤 大亮 2，水谷 耕平 3，西澤 智明 41

東北工業大学（〒982‒8577 仙台市太白区八木山香澄町 35‒1）

2

宇宙航空研究開発機構（〒305‒8505 茨城県つくば市千現 2‒1‒1）

3

情報通信研究機構（〒184‒8795 東京都小金井市貫井北町 4‒2‒1）
4

国立環境研究所（〒305‒8506 茨城県つくば市小野川 16‒2）

Lidar Mission of Vegetation Observation from SpaceMultiple-footprint Observation Lidar and Imager（MOLI）
Kazuhiro ASAI 1, Daisuke SAKAIZAWA 2, Kohei MIZUTANI 3, and Tomoaki NISHIZAWA 4
1

Tohoku Institute of Technology, Sendai, 982‒8577

2

The Japan Aerospace Exploration Agency, Sengen 2‒1‒1, Tsukuba, 305‒8505

3

National Institute of Information and Communications Technology, Koganei 184‒8795
4

National Institute of Environmental Studies, Tsukuba 305‒8506（Received August 27, 2020）
The purpose of the MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）mission is to demonstrate
Japanʼs first space lidar and to obtain canopy height / three-dimensional forest structure information
required for the evaluation of Above Ground Biomass（AGB）, which plays an important role in the
carbon cycle and climate change mechanisms. The lidar also makes a possibility for observing clouds andaerosols. The results obtained by MOLI will bring a guideline for the future global vegetation observation
satellite. In addition, MOLI mission will provide a foothold for application development to Doppler lidar
aiming at global three-dimensional observation of wind vectors, the scanning lidar realizing precision
DEM, and H 2O DIAL for water vapor profiling.
キーワード：ライダー，樹高，森林バイオマス，数値表層モデル，イメージャー
Key Words: Lidar, Canopy heigh, Forest biomass, Imager, DSM

1．はじめに
本文は，現在 JAXA で検討中の日本初の地球観測用宇宙ライダーの技術実証と，科学的には炭素循環
や気候変動メカニズムにとって重要な役割を演じる

Observation Lidar and Imager， 以 下 MOLI と 称 す）ミッション」について研究開発の現状 1‒5）も含め紹介する．

2．MOLI ミッションの背景

地球規模での森林バイオマス（主に地上部バイオマ

森林は私たちの生存に強く影響を及ぼしている．

ス Above Ground Biomass: AGB，以下本文では AGB

例えば，森林は人間の生活や動物の生息地を供給と略す）の評価に必要な林冠高/樹冠高，三次元森

し，土壌侵食を防ぎ，流域保護に寄与している．ま林構造情報の高精度取得，雲エアロゾル・大気パラ

た，大雨や洪水などの自然災害の緩衝として生態系メータ観測を目的とした「衛星搭載・植生観測ライ

サービスに多大に関与している．一方，近年の地球

ダ ー お よ び イ メ ー ジ ャ ー（MOLI: Multi-footprint

温暖化に伴う気候変動，異常気象と大いに関連付け©2020 Laser Radar Society of Japan45

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

られるのが，海洋に次ぐ炭素貯蔵庫としての森林でを占めてしまう 6）．

ある．現在，世界の森林面積は約 41 億 ha で陸地面

地球規模で森林に蓄えられている総炭素蓄積量

積の 3 割を占めている．化石燃料消費/セメント工

662 GtC は，東南アジア（ボルネオ島など），中部

業生産から大気に排出される二酸化炭素（以下，アフリカ（コンゴなど），中米・南米（アマゾン流

CO 2）は年間約 8.3 Gt であり，その中の約半分が大域など）にある熱帯林がその内の約 50%，日本な

気中に留まり，残りが海洋と陸地（土壌，森林，食どが属している温帯の森林が同 20% とそれぞれ貯料畑，草地，湖沼など）に取り込まれる ．ご承知

蔵している．したがって，これ以上，森林破壊・劣のように，森林を含む植生は光合成を通して吸収し化による土地被覆変化を引き起こして CO 2 吸収容

た CO 2 を有機物であるバイオマスに変換して固定量を減らし更なる排出源とならないよう，地球上のする．世界全体の森林バイオマス蓄積量は，地上部

あらゆる生物の持続的生存を脅かさないために，大（AGB）＋地下部（根）の生体バイオマスで約 606

切な森林の評価・管理・保護の行動が求められる．

Gt（炭素重量換算で約 303 GtC）
，枯死木や落葉落

衛星リモートセンシング技術の発達により，森林

枝の堆積物で 59 Gt（同，約 29.5 GtC）と見積もらの評価・保護のための地球環境観測とくに熱帯林域れている．さらに森林の重要なことは，森林内にはでの森林バイオマス観測には合成開口レーダ

生体バイオマスの炭素蓄積量と同程度の炭素が土壌（SAR）は欠かすことのできないアクティブセン

有機物として存在しており，森林の総炭素蓄積量はサーである 9, 10）．中でも，JAXA が打ち上げ，運用

662 GtC（2020 年）となるを行っている陸域観測技術衛星シリーズ，ALOS

6）

．

7, 8）

20 世紀に入って爆発的に人口が増加し，急増し（2006 年）
，ALOS-2（2014 年）にはフェーズドアレ

た人口を養うために食料の増産，薪燃料，家屋敷地

イレーダー（Phased Array type L-band Synthetic Aper-などが必要となり，森林の開墾，伐採など土地利用

ture Radar: PALSAR，PALSAR-2）が搭載されており変化が引き起こされ，これらによる森林破壊・劣化

国内外での自然災害状況の解析やグローバル森林観が森林減少の最大の原因と言われている．また近年測に活躍している 10）．PALSAR，PALSAR-2 は全天

では大規模森林火災が頻繁に北米大陸，アマゾン流

候観測が可能でありリアルタイムでの変化の抽出に

域，豪州で発生し大規模な森林破壊を引き起こし，も優れ，とくに近年，斜め観測によるデータの歪み

環境の面からも生物多様性の観点からも大きな問題の補正方法が改善されて以来，山岳地での森林解析を提起している．2019 年 9 月から 2020 年 3 月に懸精度も上がり大いに期待されている 11）．Fig. 2 は，けて発生した豪州での大規模な森林火災は，死んだ

送信偏波：水平（H），受信偏波：垂直（V）のクロ

り住む場所を失ったりした動物の数が約 30 億匹でス偏波による受信後方散乱信号（dB）強度と AGBあったことは悲惨な記憶として残っている．これら（Mg/ha）との相関を示している．受信信号とバイの森林破壊・劣化により 1990 年から 2020 年の 30
年間だけでも，推定 4 億 2000 万 ha（世界の全森林
面積の約 1 割），炭素蓄積量で約 6 GtC 減少した．
CO 2 収支の観点からは，この農業，林業，その他（違法伐採を含む）の土地利用や大規模森林火災などに伴う土地被覆の変化は，本来なら森林によって吸収蓄積されるべき CO 2 が森林の消失により吸収（sink）が行われなくなるので排出（source）として見なされる．そして，この排出として見なされる換
算 CO 2 量は，実に人間起源による CO 2 排出の 13%

Fig. 2
Fig. 146

Proportion and distribution of global forest area by
cli-matic domain, 2020 8）.

Relationship between backscatter power（in dB）at HV（horizontal transmit, vertical receive）polarization versus
aboveground dry biomass（tons/ha）13）.

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

オマスとの関係はバイオマス 150 Mg/ha までは良い相関にあるが，150 Mg/ha を超える様な高密度な熱帯林では飽和現象が顕著に表れ正確な AGB 観測が難しい 12‒14）．また国内の閉鎖した成熟林や，湿地林やマングローブ林では水面による 2 回反射のためにバイオマス推定値が過大に評価されるなどの問題点がある．
一方，NASA は 2003 年に世界初の宇宙ライダー
Geoscience Laser Altimeter System: GLAS を 打 ち 上げ，2004 年-2009 年の運用を通して，森林上部からの散乱信号と地表面からの散乱信号との時間差から
林冠高/樹冠高が直接計測できる事を明らかにし，且つ熱帯林での森林観測（高さとバイオマス）の可能性を示した 5‒19）．これらを踏まえ，雲天には弱いが森林高を精度よく測定できる（最終的には高密度
バイオマス推定も可能）光波領域の植生ライダー

Fig. 3

Waveform of return signal from earth surface throughatmosphere.

と，全天候型ではあるが高密度バイオマス観測では信号が飽和してしまう電波領域の L-band SAR が有ii）森林内では Cvc≠0，この項は林冠到達後の森林する各々の長所を有効に利用してそれぞれのセン内への透過光を表し林冠―地表間での森林内大気情

サーの短所を補完することにより，高密度な熱帯林報に対応している．一方，第 2 項は送信ビーム径

域での AGB 観測精度を高めることが可能となる．

xΔH の円筒内にある葉，幹，枝，梢，草本などに

以上の背景に基づき研究開発が進められているの関する植生情報を与え，送信パルス光は最終的に地が，筆者らも参加している MOLI ミッションであ表面に到達し後，地表面アルベドで反射され衛星上る．

のライダー受光系に戻る．Fig. 3 に，例として航空機ライダー（詳細は次節 4．
）で取得したリターン

3．MOLI 開発の現状
3.1 林冠高/樹冠高計測の原理と AGB 推定法

信号（青線）を示す．
横軸は受信光強度，縦軸はデジタイザーの Bin#

衛星搭載・植生ライダーの受信強度方程式は，森に各々対応している．リターン信号は，森林上部

林内大気も考慮すると以下の（1）式で記述でき（林冠）に到達した送信光による反射光から始まりる 20）．

（Signal start），送信パルス光は時々刻々森林内部の高木層，亜高木層，低木層を進み，草本層を経て最2

Prλ (H) =Ptλ · Ktλ · Krλ · Ar · T atmλH2c·τ×· βatmλ (H) · {(1 − Cvc (H) }2

後に地表面（Ground surface）に到達する．リター（1）

ρvcλ (H)+· ∆Cvc (H) · {(1 − Cvc (H) }π

ン信号は林冠高，各層での葉，幹，枝，梢の密度，
地表面などの情報を持っている．このデジタル化された信号は＂waveform＂と呼ばれ，林冠高/樹冠高は Signal start-Ground surface 間 の bin# x ΔH か ら 算

ここで，P tλ：送信レーザーエネルギー，K t λ，K r λ：出される．すなわち森林上部からのリターン信号

波長 λ での送信系，受信系の総合的な光学効率，

Signal start は必ず出現するので，地表面からのリ

Ar：受信望遠鏡の有効面積，T atm λ：衛星から距離

ターン信号 Ground surface が得られるならば，正確

H までの大気透過，c：光速，τ：レーザパルス幅，c・τ/2＝ΔH：高さ分解能，β atmλ：大気後方散乱係に か つ 確 実 に 林 冠 高/樹 冠 高 が 計 測 可 能 で あ る．
AGB の推定・算出は，上述の方法で得られた林冠

数，C vc：フットプリント面積に対する森林被覆率，高/樹冠高をパラメータとしたアロメトリー法によρ vcλ： 送 信 ビ ー ム 径 xΔH の 円 筒 内 に あ る 葉， 幹，

り求める方法とノイズレベルから或る閾値以上の信枝，梢，下草の合計反射率，または地表面アルベ

号を Signal stop 側から Siganl start まで積分し，そのド，ΔC vc＝C vc（H＋ΔH）－C vc（H）である．

面積との割合に達する相対高（Relative Height: RH）

大かっこ内第 1 項は衛星―森林―地表面間の大気情報を表し，i）衛星から林冠までの光路では Cvc（H）＝0 であり，通常の大気ライダー受信光強度，など waveform が持つ統計量を使った多重回帰解析法がある．
Waveform はフットプリント内の地盤が傾斜して47

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

いると，平地での waveform に対し波形が伸長してしまう．その結果，林冠/樹冠の推定高や，アロメ
トリー法による AGB 値，多重回帰法による AGB
値ともに誤差を含むようになる．この様に，AGB
値の推定精度は観測域の地形，気候区分，植生分
布，森林構造，うっぺい度などに大きく影響を受けるので正確な校正/検証が重要となる．MOLI ライ
ダーはフットプリント内の地盤情報取得のために，2 本の送信ビームを同時に地表に向け照射して地上に一対のフットプリントを出現させ，レーザーの高繰り返しを利用して多数のフットプリント対からのFig. 4

MOPA layout on the optical bench.

受信信号を解析して地盤傾斜を推定する新方式を取り入れた 21）．

と比較すると，レーザー単体で防護策を講じ，他の工程は確立された方式を用いるほうが合理的であ

3.2 Nd:YAG レーザー

る．MOLI のレーザー送信器は光学ベンチに組んだ

MOLI のレーザー送信器は，波長 1064 nm で 40

レーザー光学系を与圧筐体に封入し，レーザー自身

mJ の Qsw レーザーパルスを 7 ns 以下のパルス幅でで発生するコンタミネーションを抑制，他の機器か生成する．運用する環境は ISS が周回する宇宙空間

ら飛来するコンタミネーションの影響を最小化するであり，一般的な計測や加工に利用されるレーザー形態とした．

の運用環境と異なり，MOLI で使用するレーザーは

構成は主発振器と光増幅器からなる MOPA であ

製作終了後，ISS へ取付けられ運用が終了するまでる．試験モデルを Fig. 4 に示す．軌道上の運用開始の間，一切の調整は行うことができない．このた

後アライメント調整を行うことは難しく，ある程度め，輸送や取付，宇宙飛行士による取扱いで想定さの温度範囲に晒されることになる発振器は，可能なれる振動や衝撃に耐える必要がある．また真空環境

限り低出力化し，発熱に伴う共振器のアライメント

かつ放射線に晒されるため，使用する電子部品，光

変動や出力低下に対して，堅牢となるよう，励起光

学部品の放射線耐性やその防護措置が必要となる．

はファイバーカップリングレーザー（Fiber Coupled

ミッション機器を含めて，使用されている接着剤

Laser Diode: FCLD）に よ る 端 面 励 起 Qsw パ ル ス

や部材から排出される分子状の物質（溶剤など多岐

レーザーとした．FCLD は発振器より離れた場所ににわたり，コンタミネーションと呼ぶ）がレーザー配置することで，励起光源の発熱による Qsw 発振と相互作用することによって光学部品のレーザー照器のアライメント変動も抑制する．

射面に蓄積し，焼損させるレーザーの機能喪失を引発振器出力は光アイソレータを介して前段，後段

き起こす．このコンタミネーションにより引き起この 2 段増幅器により 40 mJ に増幅する．発振器およされるレーザーの機能喪失をどのように防ぐのか，び 光 増 幅 器 に 使 用 す る レ ー ザ ー 媒 質 と し て，その条件を明らかにすることは，軌道上での長期間

Nd:YAG セラミックスを採用している．MOPA 全体のレーザー動作を実現する上で必須であり，MOLI

は，レーザー構成部材に使用される接着剤や洗剤，

以降の地球環境計測用レーザー装置開発にも有用と部材そのものから発生するアウトガスやレーザー機

なる．コンタミネーションの発生源は製作工程で用器以外から飛来するアウトガスを除外するため，与いられる固化済接着剤が主である．コンタミネー

圧筐体に封入して使用する．筐体に封入する気体はション防護の方法として，レーザーの製作工程に接乾燥空気を 1 気圧とし，内部で使用する接着剤の重着剤不使用を徹底することが挙げられる．ただし量は別途試験を実施した条件を適用し，筐体を密閉レーザー製作工程で使用を禁止しても，それ以外のした．筐体内部には MOPA を配置した光学ベンチ

電源，望遠鏡，光検出器，信号処理部の製作工程にに加え，ポッケルスセル駆動用の高電圧電源，LD

も接着剤が利用されるため，レーザー以外からのコ波形モニタ，気圧センサー，温度センサー，冷却用

ンタミネーションの飛来は阻止できない．そのためコールドプレートが内蔵されている．

各製作工程において溶剤の使用禁止も手段として考えられるが，それまで蓄積された製作工程の見直し

3.3 ライダーとイメージャー

により，新規手順の作成・検証の作業が生まれ，

MOLI ミッションは，高度 330 km︲435 km，軌道レーザー制作以外にも開発リスクが発生する．これ

傾斜角 51.6° で現在飛行中の国際宇宙ステーション

48

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

（International Space Station: ISS）
︲日 本 実 験 棟（Japa-

重要な指標であるから，本ミッションで取得される

nese Experimental Module: JEM）
︲暴 露 部（Exposed

waveform は全球規模での生物多様性の理解や保全

Facility: EF）に搭載を予定している．したがって計画策定等に対し有用な情報提供源として期待され

MOLI の観測緯度範囲はこの傾斜角に挟まれた熱帯

る．

林，温帯林，および北方林の一部となる（Fig. 1 を③大気観測モード：5 節にて詳しく述べる

参照）．ライダーシステムは基本的には，次の三つ

先に述べたように，森林は光合成を通してバイオの観測モードを有している．Fig. 5 に，ISS-JEM-EF

マスを生成し生態系や生物圈の炭素循環メカニズに搭載された MOLI の概念図を示す．なお，ライム，CO 2 収支に寄与している．しかし森林を含む

ダーから射出された 2 本の送信ビーム（赤色）は，

陸域植生は，「人為的土地利用の変化」の影響によ後述する地盤面傾斜角度および方位角の自己決定用

りその CO 2 収支推定値が 1.4±0.8 PgC/年間と大きである．

な誤差を有している．本提案ミッションは未だ解決①レーザー高度計モード：

されていないバイオマス推定時の誤差の低減化を図

森林，人工物など標高より高い地表面の高さを測り，森林が関わる CO 2 収支の高精度な推定を目的る「数値表層モデル（Digital Surface Model: DSM）」とする．そのために，ライダー/イメージャーの設用データ，海面，植生や人口建造物のない土地や森

計/開発には ISS 飛行高度からレーザーを地表に照林内の林床に到達したレーザー送信光からの反射光射してフットプリント内の林冠/樹冠の高さを観測を使って標高を測る「数値標高モデル（Digital Ele-

し，最終的には地球規模で森林バイオマスを精度良vation Model: DEM）
」 用 デ ー タ， 得 ら れ た DSM

く算出できる様に以下の項目がミッション要求としデータから DEM データを差し引いて「林冠/樹冠て求められている高（Digital Canopy Height Model: DCHM）」データも・宇宙環境下で 24 時間，1 年間の稼働

同時に正確に取得する．

・地上の人間に対するアイセーフ基準の順守② waveform モード：・フットプリント内の測定精度

森林内の葉，枝は分布型散乱体として光学的には機能するために森林の内部構造が推察可能となり，また樹高，バイオマス，森林の立体構造（攪乱有無，単層/複層等）は生物多様性の保存にとっても＋/－3 m（林 冠 高/樹 冠 高＜15 m），＋/－25%（林冠高/樹冠高＞15 m）＋/－25 t/ha（バイオマス密度＜100 t/ha），＋/－25%（同＞100 t/ha）

Table 1 に，MOLI ミッション機器であるライダーとイメージャーの諸特性を示す．
過去に運用された GLAS，また 2018 年 12 月に打
ち 上 げ ら れ て 現 在 運 用 中 の Global Ecosystem
Dynamics Investigation Lidar: GEDI/NASA（2019年-2021 年予定）は，ライダーと画像センサーであTable 1

Fig. 5Characteristics of MOLI mission instruments（lidar and imager）.

Conceptual diagram of MOLI onboard ISS-JEM-EF.

49

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

るイメージャーとの同時観測システムを採用していAPD を 1 個使っている．Nd:YAG パルスレーザーかない．我々は，上述したミッション要求を満たすた

らの送信光は約 0.6° に拡げられており，これを検めにはフットプリント内の画像情報による樹冠のサ

出器の各素子が円形のパターンで切り取った形とな

イズ，高さ，および圃場データが非常に重要である

る．したがって，波長 1064 nm での視野は 2×2 にとの認識の元に，高解像度イメージャーをライダー配置された直径 0.21° の各円形で，隣り合った視野に隣接させた同時観測方式を採用した．また 3.1 での中心は 0.22° 離れている．532 nm での視野は直径指摘をしたように，林冠高/樹冠高の算出に際して

約 0.5° の円形である．このライダー装置は 532 nm

は地盤情報が重要である．MOLI ライダーはこの地の（偏光）チャンネルを持つことにより，地表面の盤傾斜に起因する誤差低減を目的に，二分割した送波長反射特性を得られる可能性がある．また，海面信レーザー光を地表面に照射してフットプリント対上で測定を行えば 532 nm での海洋植物プランクトを作り，ショット毎に along-track 方向に連続的に出ン観測の可能性があるが，航空機実験ではそれに適現する多数のフットプリント対の中から近接した 3

したパラメータでの観測は行っていない．

フットプリントを選び出して，それぞれの衛星-地レーザー光は航空機の窓から下方に打ち出され，上間の往復時間の差より地盤面傾斜角度および方位反射光が望遠鏡で集光され各々の APD により検出

角を自己決定する機能を持たせている 21）．Fig. 5 にされる．スタートパルス，Qsw 信号も 6Ch の受信は，ライダーから射出された 2 本のビームを赤色で信号と共に 500 MHz の高速 AD ポストエレクトロ

模写してある．

ニクスでデジタル信号に変えられて信号取得開始時

4．航空機搭載植生ライダーと搭載実験

刻と共にコントロール用の PC に記録される．PCは GPS タ イ ム サ ー バ ー か ら NTP（Network TimeMOLI の植生観測における実証と解析アルゴリズ

Protocol）で時刻補正されるようになっている．一ムの開発，さらに MOLI が衛星搭載されたときの方，航空機の位置・姿勢は航空機に搭載されている

検証実験に使うため航空機搭載植生ライダーを開発

POS システム（INS＋GPS）により 0.5 msec 毎に記し，2016 年 11 月 に 航 空 機 搭 載 実 験 を 行 っ た．

録されており，この時刻と信号の記録時刻を突き合

MOLI はイメージャーとの組合せで観測位置確認，わせることによりレーザー発振時刻における航空機

森林状況確認，さらには観測幅を拡張することを考の位置・姿勢が分かるようになっている．

えており，航空機実験でも可視光用のカメラをライ

航空機搭載実験は 2016 年 11 月 16，17，18 日にダー装置に同架して MOLI の運用状況を模擬でき行われたが，その前の試験飛行において，窓からのるようにした．

レ ー ザ ー 光 の 反 射 が 強 す ぎ て 1064 nm 用 の 4 個

航空機搭載植生ライダー装置（Fig. 6）では 20 Hz（Ch1‒4）の検出器の内 Ch4 が壊れた．そこで，反の Nd:YAG パ ル ス レ ー ザ ー（Quantel 社：Ultra50

射光の方向をより望遠鏡から遠ざけ影響を小さくし

GRM のアッテネータ付き）の基本波と 2 倍波を受たうえで，Ch1‒3 で観測を行うことにした．3 素子

信望遠鏡の中心位置前方から約 0.6° の広角で送信あれば 1 ショットのデータから地盤の傾きは推定でする．受信望遠鏡は広視野を確保するため口径 10

きる．また，航空機の速度が 100 m/s 前後なので，

cmϕ の屈折望遠鏡にした．波長 1064 nm の受信は，ショットごとの進行方向の距離は約 5 m となり，試作した MOLI ライダー用検出器である 2x2 アレ

連続するデータからも地盤傾斜の推定が行える．

イ Si-APD の全 4 素子を使い，4Channel 分のリター

観測方向の初期同定では海岸線の地形を使うこと

ン信号出力を得る．532 nm の P，S 偏光受信用にはが有効であった．カメラ画像とライダーのリターン

単素子の APD を 2 個使い，スタートパルス用にも信号を比較することにより，大体の位置を推定し，その後 Fig. 7（縦軸は信号強度，横軸は bin#．右側
が低高度側．陸地構造物からのリターン信号，海面からのリターン信号が見られる．
）のように信号の形と地形写真を比べることにより航空機に対する視野の方向を視野の 1/10 程度で決めることができた．
Fig. 8 には 5600 m の高度（視野は直径約 20 m）から の 森 林 観 測 の 一 例 を 示 す． 室 戸 の あ る 谷 筋 にCh1，2 がかかっており山側は Ch1，Ch3 の方角である．これらの信号から地盤傾斜の導出が可能にな

Fig. 650

Optical and data flow configurations of the lidar.

る．実際，いくつかの現地検証地点において地盤面

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

偏光 Mie 散乱ライダーである CALIOP の解析では，測定データから大気粒子の検出，大気粒子のタイプ
識別，そして消散係数等の光学特性の全球推定が行われてきた 22）．CALIOP 解析の多くでは測定された
波長 532 nm での減衰付き後方散乱係数と偏光解消度が用いられているが，MOLI では波長 1064 nm の減衰付き後方散乱係数を用いた大気粒子推定を行う．
従来のライダー解析における雲検出の多くでは，
信号校正されたライダー測定値である減衰付き後方散乱係数を用いた閾値法が利用されている 22）．減Fig. 7Return signals of Ch1 and Ch2 at 1064 nm, and measured
positions indicated on a coastline picture.

衰付き後方散乱係数は大気粒子等の消散によるライダー信号の減衰補正がなされていない．よって，ス
ペースライダーからの雲検出では，検出対象高度より上空に光学的に厚い大気粒子層が存在した場合，
誤判定を引き起こす可能性がある（検出対象高度に
本来は雲が有るはずなのに雲無しと判定される）．
そこで，雲検出をより高確度に実施するために，大気粒子の光学特性を推定して信号減衰を補正した後に雲検出を行い，更に雲検出の判定結果を大気粒子の光学特性推定に反映するとした，雲検出と大気粒
子の光学特性推定を同時に行う解析手法の開発を進めている．大気粒子の光学特性推定では Fernald の手法 23）や Platt の手法 24）の応用を検討している．その際にライダー比をどのように設定するかは重要な検討事項となる．また，MOLI ライダーは植生計測を主目的として設計されているため，従来の大気粒子計測用のスペースライダーに比べると光学的に薄い大気粒子（バックグラウンドエアロゾル等）に対する感度は低いという欠点がある一方で，その高度・水平分解能は 10 倍以上と格段に高いといった特徴も備えている．解析の工夫により，これまで把Fig. 8Return signals at 1064 nm and on-board-camera picture.

握出来なかった細かな大気現象を広範囲・同時に捉えることのできる可能性を秘めている．加えて，
MOLI ミッションではライダーと共にイメージャーの傾斜補正をしたほうが平均的な樹冠高が精度よくによる計測も行われる．ライダーの高度分布計測と導出され，MOLI の要求精度を満たすとの結果も出

イメージャーの水平分布計測の複合解析から，雲層ている 4）．航空機搭載実験では各種の樹林を観測し検出や大気粒子の光学特性の推定精度の向上が期待ており，データは樹冠高や炭素蓄積量を精度よく見できる．

積もるためのアルゴリズム開発に使われている．

5．観測可能な大気パラメータ

上記解析から，雲検出による上空の雲の有無，大気粒子の光学特性推定からライダー信号の減衰に関する情報が得られ，これらの情報は本ミッションの

MOLI ライダーの測定データを用いることで，雲核となる森林パラメータの高精度推定の実現に活用の検出と共に雲・エアロゾル（以下，大気粒子）のされる．例えば，地表面近傍でのライダー測定デー

波長 1064 nm での消散係数，後方散乱係数，光学

タの品質検査・保持（森林パラメータ推定で用いる的深さといった光学特性の推定が可能と考えられ測定データの取捨選択など）に利用される．また，る．2006 年 に NASA に よ っ て 打 ち 上 げ ら れ た

MOLI ミッションからの大気粒子プロダクトの発信

CALIPSO 衛星に搭載された 2 波長（532, 1064 nm）

は，科学コミュニティー並びに国内外社会に貢献す

51

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

るものであり重要な価値をもつ．CALIOP による連が経った．本ミッション検討の立ち上げ時から強力

続観測は，大気粒子の巨視的・微視的特性に関するな推進者であった故下田陽久先生（元東海大学教

10 年以上にわたる全球データを創生し，大気粒子

授）に心より謝辞を述べる．

に関わる気候・大気環境の諸分野での科学的知見の創出に多大な貢献を果たした．この CALIOP 観測の功績に基づき，宇宙からのライダーによる大気粒子の高度分布計測の継続が期待されると共に，大気粒子プロダクトの長期・継続的な取得も切望されており，MOLI ミッションはこれに貢献するものともなる．

6．我が国の宇宙ライダーにとってのMOLI 開発の重要性
現在の所，MOLI のフライトモデル開発および打ち上げ時期については未だ確定していないが，目下の目標は 2023 年としている．本ミッションの将来展望として，MOLI の実用性が確認されたなら国内行政機関，研究機関などとの連携を通して，MOLI
後継機として本格的且つ継続的な植生観測ミッションへ展開して国際貢献に役立てたい．
次に，レーザー高度計モードでの MOLI は宇宙か ら 地 盤 面 ま で の 精 度 良 い 測 距 が 可 能 な た め，
DEM 情報，DSM 情報さらに陰になってフォトグラ
メ ト リ ー で は 得 ら れ な い 地 盤 高（Digital Terrain
Model: DTM）情報が精度よく得られる．これらは，
ALOS-PRISM（Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）で取得された全球数値地
表 モ デ ル（ALOS World 3D: AW3D）25）の 較 正/比 較用にも応用可能であり，世界に誇る AW3D の更なる高精度化に役立つ可能性を秘めている．
また将来の地球観測を考える上で，ライダーは絶対に欠かすことの出来ない衛星搭載アクティブセン
サーとなるであろう．現在，以下の様な高機能ライ
ダーミッションが提案されている．
・H 2O 濃度，CO 2 濃度などの大気組成分子の 3次元マッピング可能な DIAL など 26）
・全 球 3 次 元 観 測 を め ざ す ド ッ プ ラ ー ラ イ
ダー 27, 28）
・観測幅を有す DEM 情報取得用スキャンニング
ライダー
・大気粒子を計測するドップラー計測機能を備えた偏光高スペクトル分解ライダー 29）
我が国初のライダーミッション・MOLI の成功がもたらす基盤技術は，これら次世代ライダーの開発に必ず繋がる重要な技術でもあると信じている．
謝

辞

MOLI ミッションの検討が始まってから約 10 年

52

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レーザセンシング学会誌

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27）石井昌憲，岡本幸三，久保田拓志，松本紋子，佐藤 篤，
境澤大亮，西澤智明，津上哲也，石橋俊之，田中宙中，
沖 理子，佐藤正樹，岩崎俊樹，数値予報精度向上のための衛星搭載ドップラー風ライダーによる全球風観測
JpGU-AGU Joint Meeting（2020）MSD47‒08.
28）岡本 創，木村俊義，境澤大亮，石井昌憲，西澤智明，
衛星搭載イメージング FTS とドップラー風ライダによる 全 球 風 速 複 合 観 測 JpGU-AGU Joint Meeting（2020）
MSD47‒07.
29）岡本 創，鈴木健太郎，西澤智明，石井昌憲，富田英一，ドップラー雲レーダと多視野角・高スペクトル分解・偏光ドップラーライダによる雲・エアロゾル・鉛直流観測

ミッション JpGU-AGU Joint Meeting（2020）MSD47‒09.

浅

井

和

弘

東北工業大学名誉教授．1968 年，東京電機大学工学部電気通信工学科卒．
東北大学電気通信研究所研究生・助手，郵政省電波研究所（現・情報通信研究機構）主任研究官，ジョージ
ア工科大学ポスト Dr.，東北工業大学
助教授・教授，同大学新技術創造研
究センター長を経て退職（2013 年）．
研究分野：飛翔体搭載ライダー，新波長固体レーザ．
NASDA 招へい開発部員（ライダー実証衛星（MDS・2
ELISE ミ ッ シ ョ ン 1995‒2000），JAXA 招 へ い/客 員（MOLI ミッション計画，2008‒2016 年，航空機搭載大気擾乱検出 CDL 開発，2010‒2017 年）．受賞：研究奨励賞（ト ー キ ン 科 学 技 術 振 興 財 団，1990 年），Order ofMerit 賞（ICLAS，2019 年），功労賞（レーザセンシン
グ学会，2019 年），所属学会：日本リモートセンシング
学会，レーザセンシング学会，日本地球惑星科学連合（JPGU）会員．
境

澤

大

亮

水

谷

耕

平

西

澤

智

明

宇宙航空研究開発機構 研究開発部門
センサ研究グループ主任研究開発員．
2008 年，東京都立大学大学院工学研
究科電気工学専攻修了 博士（工学），2008 年，宇宙航空研究開発機構地球観測研究センター招聘研究員，2013
年から同研究員を経て現職．地球観
測用ライダーの研究・開発に従事．

国立研究開発法人情報通信研究機
構 戦略的プログラムオフィス マ
ネージャー．1980 年，京都大学理学部卒．1985 年，京都大学理学博士．
1991 年 よ り 郵 政 省 通 信 総 合 研 究 所（現・ 情 報 通 信 研 究 機 構）． 研 究 分
野：リモートセンシング，ライダー．
首都大学東京客員教授（2001‒2017）．
JAXA 客員（2017‒）．
2004 年に東北大学大学院理学研究科
博士課程を修了し，理学博士の学位を取得．その後，日本学術振興会 PD（気 象 庁 気 象 研 究 所）を 経 て，2007
年より NIES 特別研究員として国立環境研究所に勤務し，2011 年に同研究所の主任研究員となる．現在は，
国立環境研究所環境計測研究セン
ター室長および九州大学客員教授．地上ネットワーク
ライダーや衛星・船舶搭載ライダーの観測データを用いたエアロゾル・雲の光学・微物理特性の解析研究や，
高スペクトル分解ライダー等のライダーシステムの開53

宇宙から植生を観測するライダーミッション MOLI（Multi-footprint Observation Lidar and Imager）（浅井 和弘）

発に従事している．現在は，日欧共同地球観測衛星
ミッション EarthCARE のサインエンスチームにも参加し，同衛星搭載ライダー等を用いたエアロゾル・雲推
定アルゴリズムの開発チームの PI を務めている．日本
気象学会会員，日本地球惑星科学連合（JPGU）会員．

54

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

特集

衛星搭載ライダー

衛星搭載高スペクトル分解ライダーによるエアロゾル・雲の全球観測
西澤 智明 1，神1

創3

国立環境研究所（〒305‒0053 茨城県つくば市小野川 16‒2）2

3

慶孝 1，石井 昌憲 2，岡本東京都立大学（〒192‒0397 東京都八王子市南大沢 1‒1）

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）

Global observation of aerosols and clouds
by space-borne high spectral resolution lidar
Tomoaki NISHIZAWA 1, Yoshitaka JIN 1, Shoken ISHII 2, Hajime OKAMOTO 3
1

National Institute for Environmental Studies, 16‒2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki-ken, 305‒0053
2

Tokyo Metropolitan University, 1‒1 Minamioosawa, Hachioji, Tokyo, 192‒0397

3

Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, 6‒1 Kasugakoen, Kasuga, Fukuoka-ken, 816‒8580（Received August 23, 2020）
We have proposed a synergy space-borne observation mission using lidar and 94 GHz Doppler cloudradar. The main purposes of this earth observation mission are to understand the interaction processes onaerosols, clouds, convection, radiation, and precipitation comprehensively; to improve cloud reproducibility and cloud-precipitation processes in climate change prediction model; and to contribute to reducing
uncertainty in climate change prediction. Expexted products include:（1）microphysics of clouds, aerosols
and precipitations,（2）fall velocity of clouds, rain and snow particles, and（3）air motion in cloud, above
clouds and in clear sky condition. To achive the purposes, development of a high spectral resolution lidar（HSRL）with doppler, multi-filed-of-view, and depolarization measurement functions is underway. In thisarticle, we report the outline of this proposed mission and the current status of development studies on thespace-borne HSRL. In addition, space lidar missions related to aerosol and cloud measurements studied athome and abroad are reported.
キーワード：高スペクトル分解ライダー，エアロゾル，雲，偏光，ドップラー計測
Key Words: High spectral resolution lidar, Aerosol, Cloud, Depolarization, Doppler measurement

1．はじめに（Aerosol, Cloud, Convection, and Precipitation）が立ち上げられた．ACCP ミッションの検討において，放大気粒子の気候影響指標である放射強制力の見積

射強制力の不確実性の低減や気候モデルの雲・エア

もりには今なお 100% 程度の不確実性があり，気候

ロゾル・放射・対流・降水プロセスの改善等に重要モデルの高度化に資する全球規模での観測情報の強となる具体的なパラメータがまとめられ，例えば，化・拡充が必要とされている 1）．2018 年 1 月に全米

エアロゾルに関しては消散係数と共に有効半径や化アカデミーズより発行された Decadal Survey 2017

学種の高度分布，雲に関しては雲水量，有効半径，（DS2017）2）において最重要観測対象として「エア

雲相の高度分布といった詳細な微物理特性が列挙さ

ロゾル・雲放射特性」，「エアロゾル鉛直分布」「雲，れている †1．これらのパラメタを包括的に計測・抽

対流，降水」が挙げられ，これらを一纏めにし，そ出可能な衛星観測ミッションの策定の中で，ライれ ら を 包 括 的 に 観 測 す る 衛 星 ミ ッ シ ョ ン ACCP

ダーは重要なセンサーの一つとして挙げられてい©2020 Laser Radar Society of Japan55

衛星搭載高スペクトル分解ライダーによるエアロゾル・雲の全球観測（西澤 智明）

る．また，エアロゾルの大気環境への影響評価やプ

ダー技術も ACCP における技術検討の基盤となっロセス理解そして環境予測の向上のための「エアロて い る．CALIOP の 実 績 を 基 に， 水 平 分 解 能 100

ゾル鉛直分布」計測も DS2017 では掲げられ，そのm， 高 度 分 解 能 30 m（高 度 8 km 以 下）
，60 m（高観点からもライダーは有力なセンサーとして位置付

度 8 km 以上）が計測分解能の指標として挙げられけられている．

ている．

エアロゾル・雲（大気粒子）の計測を主目的とし

欧 州 で は， 日 欧 共 同 地 球 衛 星 観 測 ミ ッ シ ョ ンたスペースライダーは，1994 年に打ち上げられた

EarthCARE で用いられるファブリ・ペロー干渉計

スペースシャトル搭載の 3 波長ミー散乱ライダーを用いた波長 355 nm での HSRL である ATLID の開

LITE に始まり，現在も運用中の 2006 年に打ち上げ発が進められており，打ち上げ後の ATLID の運用られた CALIPSO 衛星搭載の 2 波長偏光ライダー

も欧州が担う 3）．先んじて 2018 年に ESA より打ちCALIOP，2015 年に打ち上げられた国際宇宙ステー上げられた全球風観測衛星 ADM-Aeolus に搭載されション搭載の波長 532 nm の高スペクトル分解ライ

た波長 355 nm での HSRL である ALADIN では，風ダ ー（HSRL）計 測 機 能 を 有 し た CATS， そ し て

および大気粒子計測のためにファブリ・ペロー干渉

2022 年打ち上げ予定の EarthCARE 衛星搭載の波長計とフィゾー干渉計が用いられている．大気粒子プ

355 nm の HSRL である ATLID へと脈々と続いていロダクトはスピンオフプロダクトの扱いであり，波る．一方，ATLID 以降における大気粒子の計測を

長 355 nm での消散係数や後方散乱係数等が公開さ主目的としたスペースライダーミッションとしてれている 4）．

「確定されたもの」は国内・国外ともになく，大気

中国においても，ヨウ素吸収セルを用いた波長

粒子計測スペースライダーの将来計画の立案が世界

532 nm での HSRL による全球衛星観測ミッション的にも喫緊の課題となっている．そこで，我々はACDL（spaceborne Aerosol and Carbon dioxide Detec-

ATLID 以降の次世代スペースライダーによる大気tion Lidar）が検討されている 5）．ここでは，532 nm

粒子の全球観測計画について検討を進めている．

で の HSRL 計 測 に， 波 長 532 nm で の 偏 光 お よ び

本稿では，我々が検討を進めている大気粒子計測

1064 nm での Mie 散乱ライダー計測による大気粒子のための衛星搭載高スペクトル分解ライダーについ計測が加えられている．更に，1572 nm でのレーて報告すると共に，国内外で検討が進められている

ザー送信も合わせて行い，長光路差分吸収法による大気粒子計測に関連するスペースライダーミッショ

CO 2 の気柱濃度計測も行われる．

ンについて紹介する．

2．大気粒子計測に関わるスペースライダー
ミッションの動向

国内においても，HSRL 技術を用いた衛星搭載ラ
イダーミッションの検討を我々は進めており，内容については 3 章にて述べる．「今後の宇宙開発体制のあり方に関するタスクフォース会合・リモートセ

米 国 で は Decadal Survey に お い て 定 め ら れ た

ンシング分科会」による地球観測グランドデザイン

ACCP ミッションの策定が精力的に進められていの構築の一環として衛星地球観測ミッション公募がる．ACCP ミッションでは，センサーだけではな

2018 年より毎年実施されるようになり，次世代地く，搭載する衛星やその軌道等も含めたアーキテク

球観測ミッションの集約・精錬が進められている．

チャを多数挙げ，それらを精査・検討し選考すると我々も上記公募への応募を行なってきた 6）．また，いったユニークな決定行程を取っている．2022 年

国際宇宙ステーションを用いた植生・バイオマス観にアーキテクチャを決定し，2020 年代末に打ち上

測ミッション MOLI 7）が進行している．MOLI ミッ

げることが予定されている．大気粒子計測ライダー

ションでは波長 1064 nm での Mie 散乱ライダーがとして，偏光測定機能を有した Mie 散乱ライダー

主力センサーとして用いられ，国内初となるスペーや 高 ス ペ ク ト ル 分 解 ラ イ ダ ー を， 波 長 と し て はスライダーミッションとなる．1980 年代後半から1064, 532, 355 nm での複数波長の利用が検討されて1990 年代にかけて検討された Mie 散乱ライダーに

い る．CALIOP や CATS の 実 績 と 共 に， 前 回 のよる大気粒子衛星観測ミッション ELISE/MDS-2 8）

Decadal Survey（DS2007）において計画された ACEは実現には至らなかったが，ここでのレーザー等の（Aerosols, Clouds, Ecosystems）ミッションで検討さスペースライダーの技術検討が MOLI ミッション

れ た Mie 散 乱 ラ イ ダ ー や 高 ス ペ ク ト ル 分 解 ラ イ

へと繋がっている．MOLI ミッションでは森林の樹
冠高等の植生・バイオマスプロダクトと共に，スピhttps://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/†1materials

56

ンオフプロダクトとして，雲検出やエアロゾル消散
係数の抽出等による大気粒子プロダクトの発信が計

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

画されている．

そこで我々は，EarthCARE ミッションの次を見

3．雲・エアロゾル・対流・放射・降水観測
ミッション

3.1 背景・意義

据え，高スペクトル分解ライダーを含めた能動型センサーを主体とした雲・エアロゾル・対流・放射・降水の包括的な全球衛星観測ミッションの検討を進めている．

NASA 主導による CALIOP および CloudSat 衛星
搭載の雲レーダーによる全球観測は，大気粒子の 3

3.2 観測パラメータと能動型センサー

次元分布を詳らかにし，降水量や放射収支の評価の上記目的を果たすために，本ミッションでは以下

顕著な改善を果たした．一方で，これらの観測・解パラメータの全球抽出を目標としている．

析研究から，克服すべき課題も提示された．例え・雲・エアロゾル・降雨・降雪の微物理・放射特性

ば，これら衛星観測データを用いた雲量の推定結果

・雲・降水粒子の落下速度には手法の違いによる顕著なばらつきが見られた．

・雲内での鉛直流

その主な要因として，雲・エアロゾル層の識別手法

・晴天域での鉛直流（雲頂より上方の場も含める）の違い，ライダー信号に含まれる多重散乱成分の取これらパラメータを抽出するために，以下の特性

り扱いの違い，雲の相識別手法の違いが挙げられを持った雲レーダーとライダーを想定し，実現に向た 9）．また，雲量だけではなく，大気粒子の微物理

けた技術開発を進めている．

量の推定にも不確さが潜在する．更に，衛星観測

雲レーダー

データの解析結果と気候変動予測モデルの結果とのドップラー計測機能を有した 94 GHz 雲レーダー

間にも整合が見られず，（解析手法の改善だけではとする．レーダ反射因子，ドップラー速度，ドップなく）気候モデルの雲再現性や雲・降水の変換プロ

ラー速度幅を計測する．鉛直下での計測を最小構成

セスの改善が必要であることが指摘されている 10）．

とするが，3 方向計測による水平風抽出も視野にいこれらの改善のためには，雲・エアロゾル・対流・放射・降水プロセスを包括的に評価する観測シれた検討を行う．
ライダー

ステムが必要となる．EarthCARE ミッションでは，2 波長（532,1064 nm）で鉛直下方を計測するラATLID と共に，94 GHz のドップラー雲レーダー，イ ダ ー と す る． 波 長 532 nm で は HSRL 計 測 を 行

多波長イメージャー，広帯域放射計が搭載され，い，2 波長での偏光測定も行う．また，直接検波方

CALIPSO・CloudSat ミッションの後継となる包括式のドップラー計測機能を加え，風速の同時計測を的な全球観測ミッションとなっている．雲レーダー実現する．新たな試みとして，狭視野角と広視野角のドップラー計測機能の付加により，雲・降水微物の多視野角計測を実現し，多重散乱信号を活用した

理特性と対流性雲の内部の鉛直速度の推定が可能と光学的に厚い雲の内部の計測を行う．本ライダーのなり，フラックス抽出の改善が見込まれている．更

高機能化としては，波長 355 nm での HSRL 機能のに，HSRL 技術を導入して，大気粒子の消散係数・追加やドップラー計測の 3 方向化が想定され，その後方散乱係数の推定精度が向上することによる知見

技術検討も進める．

の創出や改善も期待されている．一方，EarthCARE
ミッション以降の能動型センサーを用いた大気粒子

3.3 ライダー要素技術の開発

衛星観測ミッションは現在のところ白紙（未確定）

科研費助成のもと，EarthCARE そして ADM-Aeo-となっている．

lus 衛星の観測条件を模擬する最先端の能動型セン

大気粒子計測スペースライダーの勃興期にはミーサーによる地上複合観測システムの構築を進めてい散 乱 ラ イ ダ ー 技 術 が 用 い ら れ，LITE お よ びる 11）．また，この地上観測システムの観測データ

CALIOP により成功が修められた．その後，消散係を用いて，EarthCARE，ADM-Aeolus 衛星データか数および後方散乱係数の独立測定による測定値の不ら大気粒子の微物理特性と雲内鉛直流を導出するた確実性の低減と情報量の増加等を狙い，HSRL 技術

めの推定手法の開発を行なっている．この開発したが導入された．CATS ではヨウ素吸収セルを用いた推定手法を用いて上記衛星による全球データを解析

波長 532 nm での HSRL 技術が用いられ，次期衛星

し，雲対流および雲・降水粒子落下速度のパラメタ

ライダー ATLID ではファブリ・ペロー干渉計を用

リゼーションの検証・改良等を行い，雲の気候変動

いた波長 355 nm での HSRL 技術が用いられるに至研究へ貢献することを，我々は目指している．

り，HSRL 技術の利用は大気粒子計測用スペースラ
イダーのスタンダードとなりつつある．

上 記 課 題 で は 波 長 355 nm で の 偏 光 HSRL（Fig.
1）と共に，多視野角・多重散乱偏光ライダー 12）57

衛星搭載高スペクトル分解ライダーによるエアロゾル・雲の全球観測（西澤 智明）

断面図を示す．時間と高度の分解能はそれぞれ 5 分と 30 m である．ATLID や ALADIN に相当するパラメータを測定しており，地上検証用ライダーとしても有用である．同時計測したラマンライダーともよ
く整合し，本システムの妥当性が実証されている．
本ライダーでは，干渉計は 1 フリンジ分だけ周期的に掃引し，スキャン毎に干渉縞の位相をモニターするため，従来の HSRL 手法でネックとなる波長制御が不要となることが特徴の一つとなっている．
Polarization HSRL at 355 nm（left）and Multiple-field-ofview multiple-scattering polarization lidar at 355 nm（Right）constructed at National Institute of Comunication
and Technology in Koganei, Tokyo.

一方で常時スキャンするために測定効率は悪くなる（Fig. 1）そして直接検波方式ドップラーライダー 13）

く異なってしまうことが想定されるため，本システの開発も行い，情報通信研究機構（東京都小金井

ムのそのままの適用は好ましくない．よって，ス市）構内にてこれらを設置・運用する．そして，同

キャン方式の改良，レーザーや干渉計の波長制御，研究所のドップラー雲レーダーを組み合わせ，ライないしはショット毎にフリンジの位相を検出するシ

ダー・雲レーダーによる地上複合観測システムを実

ステム 15）等の検討を今後進めていく．

Fig. 1が，エアロゾル消散係数の連続測定は十分に可能である．衛星観測では衛星の高速移動により，計測地
点の大気状態が 1 フリンジのスキャン計測時に大き現する．そこで我々は，上記課題で開発したライ

上記システムを応用した衛星搭載 HSRL の検討

ダー技術を基に大気粒子計測スペースライダーの検として，上記システムの受信系の諸元を元に，現行討を進めている．

の衛星搭載ライダーで用いられているレーザー出力

以 下， こ の 検 討 で キ ー と な る HSRL に 焦 点 をや望遠鏡の諸元を用いて（Table 1），期待される波絞って述べる．走査型マイケルソン干渉計を用いた

長 532 nm での測定信号とそこから推定される消散

波長 355 nm での HSRL システムを開発し，連続観係数および後方散乱係数の推定誤差のシミュレー

測を実施している 14）．本システムは波長 532 nm でションを行った．シミュレーションで用いた大気粒の HSRL へ の 転 用 も 可 能 で あ る． 更 に，2 波 長子の光学特性や高度分布を Table 2 にまとめる．

（355, 532 nm）での同時計測の実現可能性も有して

Figure 3 にシミュレーション結果を示す．大気分

おり，2 波長同時計測 HSRL の開発も進めている．

子からの後方散乱を主に計測する Rayleigh チャン

Figure 2 に情報通信研究機構構内にて 2019 年 10 月

ネルによる測定信号では，昼夜共に高度 15 km 程

2 日に 355 nm 偏光 HSRL で測定された後方散乱係

度まで SN で 10 を超える測定精度が期待できるこ

数，消散係数，ライダー比，偏光解消度の時間高度とが判明した．また，大気粒子からの後方散乱を主に計測する Mie チャンネルによる測定信号も，エアロゾル層（0‒2 km，3‒5 km）や雲層で昼夜共にSN で 20 を超える測定精度となっている（但し，雲層以下では雲による大きな減衰により SN は悪くなる）
．これらの信号から抽出される大気粒子の消散
Table 1

Fig. 258

Calculation condition used in the simulation analysis forthe space-borne HSRL at 532 nm.

Observation results by 355 nm polarization HSRL on 2
October, 2019.

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

Table 2

Optical properties of aerosols and clouds at 532 nm usedin the simulation analysis a.

タを用いた大気粒子等の巨視的特性および微物理特性の推定も等しく重要であり，データ解析手法についての開発・検討も同時に進めている．CALIOP お
よび CloudSat レーダーを用いた雲の検出・タイプ
識別・微物理特性 16）や，HSRL やラマンライダーを用いたエアロゾル微物理特性 17）の推定手法の開発を行ってきた．これらの解析手法を応用し，EarthCARE ミッションにおけるライダー・雲レーダーを用いた雲・エアロゾル解析手法の開発を JAXA 助成の下で進めている 18, 19）．また，解析手法の高度化として，ライダーの多重散乱信号を含めた高速フォ
ワード計算手法の開発も進めている 20）．これらの手法を応用・発展することで本ミッションで用いる
解 析 手 法 へ と 昇 華 す る． ま た， こ れ に よ り
CALIPSO/CloudSat, EarthCARE，そして本研究で提案する次世代衛星ミッション間のセンサの違いを包含したシームレスな 3 次元雲・エアロゾル・降水の
長期プロダクトの創生を果たすことも本研究の大きな目標の一つである．

4．おわりに本稿では，本研究で検討を進めているライダー・雲レーダーを主力とした雲・エアロゾル・放射・対流・降水の包括的な衛星観測ミッションの概要と，その衛星ミッションで用いられる HSRL の開発・検討状況について報告すると共に，大気粒子計測に関わるスペースライダーミッションの国内外での動向についても合わせて紹介した．各国で近年実施そFig. 3

Simulation of the space-borne 532 nm HSRL measurements. Signals detected by Mie channle （Black） orRayleigh channel （Green） during day （dotted line） ornight（solid line）and their uncertainties are plotted. The
extinction and backscatter coefficients derived from the signals and their retrieval uncertaines are also plotted.

して検討されている大気粒子計測スペースライダー
は，CALIOP の成功に伴い，Mie 散乱ライダーから
HSRL へとその軸足が移り，高度化されてきている．日本国ではスペースライダーの技術的知見・経験を有するものの限定的であり，スペースライダーの実績はまだ無い．ライダー技術の成熟度を高める

係数の推定誤差は，晴天下でのエアロゾル層に対しと共に，スペースライダーミッションの具体化へ向ては 30‒50% 程度，雲層に対しても減衰の低い上層

けたより一層の尽力が必要とされている．

部に対しては 30% 以下と算出された．後方散乱係謝数に対してはエアロゾル・雲そして昼夜共に 10%以下となっている．上記シミュレーション結果は，

辞

本研究は，科研費基盤研究 S（JP17H06139）およ装置設定が未確定な部分も多く，雲等の多重散乱効

び JAXA 受託研究（EarthCARE RA）の支援を受け果を含んでいないなど簡易なものではあるが，装置て進められている．

および解析手法の改良による測定・推定精度の向上
を含め，現在開発を進めている HSRL 技術の大気粒子計測スペースライダーへの応用に十分に期待のもてる結果と考えられる．

3.4 解析手法の開発
衛星ミッションにおいては，計測と共に計測デー

参考文献
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2）National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine
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National Academies Press. https://doi.org/10.17226/24938.
3）Illingworth A. J., Barker H. W., Beljaars A., Ceccaldi M.,

59

衛星搭載高スペクトル分解ライダーによるエアロゾル・雲の全球観測（西澤 智明）
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32, 2015.
4）Atmospheric Dynamics Mission, ESA publication SP-1233（4）, 1999.
5）Chen W., Liu J., Hou X., Zang H., Ma X., Wan Y., Li R., and
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CO 2 measurement in SIOM, Proceeding of ILRC29, S1‒23,2019.
6）岡本 創，鈴木健太郎，西澤智明，石井昌憲，富田英一，ドップラー雲レーダと多視野角・高スペクトル分解・偏光ドップラーライダによる雲・エアロゾル・鉛直流観測
ミッション，MSD47‒09, JpGU-AGU Joint Meeting 2020,2020.
7）浅井和弘，平田泰雅，鷹尾 元，本多嘉明，梶原康司，
粟屋善雄，他，植生ライダー（MOLI）, MSD47‒10, JpGUAGU Joint Meeting 2020, 2020.
8）今井 正，辰巳賢二，川村恭明，実証衛星搭載用ライダーの開発，第 19 回レーザセンシングシンポジウム，
55‒56, 1998.
9）Cesana G., Chepfer H., Winker D., Getzewich B., Cai X.,
Jourdan O., Mioche G., Okamoto H., Hagihara Y., Noel V., andReverdy M., Using in situ airborne measurements to evaluate
three cloud phase products derived from CALIPSO, J. Geophys. Res., 121, 5788‒5808, 2016.
10）Jing X., Suzuki K., and Michibata T., The key role of warm
rain parameterization in determining the aerosol indirect effectin a global climate model, J. Climate, 32, 4409‒4430, 2019.
11）Okamoto H., Sato K., Fujikawa M., Oikawa E., Nishizawa T.,
Ishii S., Jin Y., Aoki M., and Sugimoto N., Development ofsynergetic active sensor system for evaluation of observations
by EARTHCARE, EPJ Web Conferences 237, 07011, 2020.
12）Nishizawa T., Jin Y., Sugimoto N., Okamoto H., Fujikawa M.,
and Ishii S., Development of a multiple-field-of-view multiple-scattering polarization lidar system at 355 nm for cloudmeasurements, EPJ Web Conferences 237, 07009, 2020.
13）富永寛菜，石井昌憲，青木 誠，柴田泰邦，西澤智明，
神 慶孝，岡本 創，鉛直風計測のためのインコヒーレン
トドップラー用エタロンの特性評価，第 37 回レーザー
センシングシンポジウム，65‒66, 2019.
14）Jin Y., Nishizawa T., Sugimoto N., Ishii S., Aoki M., Sato K.,
and Okamoto H., Development of a 355 nm high-spectral resolution lidar using a scanning Michelson interferometer foraerosol profile measurement, Opt. Express, 28, 23209‒23222,

60

2020.
15）Tucker S. C., and Weimer C. S., The optical autocovariancewind lidar. Part I: OAWL instrument development and demonstration, J. Atmos. Ocenan. Tech., 35, 2079‒2097, 2018.
16）Okamoto H., Sato K., and Hagihara Y., Global analysis of ice
microphysics from CloudSat and CALIPSO: Incorporation of
specular reflection in lidar signals, J. Geophys. Res., 115,
D22209, 2010.
17）Nishizawa T., N. Sugimoto, I. Matsui, A. Shimizu, Y. Hara, I.
Uno, K. Yasunaga, R. Kudo, S.-W. Kim, Ground-based network observation using Mie-Raman lidars and multi-wavelength Raman lidars and algorithm to retrieve distributions ofaerosol components, Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2017; 188, 79‒93.
18）岡 本 創， 佐 藤 可 織，CloudSat/CALIPSO/EarthCARE 衛
星による雲物理特性解析，日本リモートセンシング学会
誌，39, 197‒206, 2019.
19）西澤智明，工藤 玲，日暮明子，及川栄治，岡本 創，
EarthCARE 衛星搭載ライダーデータを用いたエアロゾ
ル・雲推定アルゴリズム，日本リモートセンシング学会
誌，39, 215‒224, 2019.
20）Sato K., Okamoto H., and Ishimoto H., Modeling the depolarization of space-borne lidar signals, Opt. Express, 27, A117A132, 2019.

西

澤

智

明

2004 年に東北大学大学院理学研究科
博士課程を修了し，理学博士の学位を取得．その後，日本学術振興会 PD（気 象 庁 気 象 研 究 所）を 経 て，2007
年より NIES 特別研究員として国立環境研究所に勤務し，2011 年に同研究所の主任研究員となる．現在は，
国立環境研究所環境計測研究セン
ター室長および九州大学客員教授．地上ネットワーク
ライダーや衛星・船舶搭載ライダーの観測データを用いたエアロゾル・雲の光学・微物理特性の解析研究や，
高スペクトル分解ライダー等のライダーシステムの開発に従事している．現在は，日欧共同地球観測衛星
ミッション EarthCARE のサインエンスチームにも参加し，同衛星搭載ライダー等を用いたエアロゾル・雲推
定アルゴリズムの開発チームの PI を務めている．日本
気象学会会員，日本地球惑星科学連合（JPGU）会員．

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

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）

4

5

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 101
23Tokyo 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
4

ANA HOLDINGS INC., 1‒5‒2 Higashi-Shimbashi Minato-ku, Tokyo 105‒7140

5

Tohoku 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

7

National Institute of Information and Communications Technology, 4‒2‒1 Nukuikitamachi Koganei, Tokyo 184‒8795
8

9Research 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
10

Tohoku 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

62

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

64

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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Wind Lidar, Part 1: Instrumental Overview for Global Wind
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Lidar, Part 2: Measurement simulation algorithms and retrieval
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19）K. Okamoto, T. Ishibashi, S. Ishii, P. Baron, K. Gamo, T. Y.
Tanaka, K. Yamashita, T. Kubota: “Feasibility Study for FutureSpace-Borne Coherent Doppler Wind Lidar, Part 3: Impact
Assessment Using Sensitivity Observing System Simulation
Experiments”, J. Meteor. Soc. Japan, 96,（2018）179.

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）

特集

衛星搭載ライダー

イメージング FTS とドップラーライダによる
全球風観測
岡本

創 1，木村 俊義 2，境澤 大亮 2，石井 昌憲 3，西澤 智明 4，
石元 裕史 5，佐藤 可織 1，及川 栄治 1
1

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）
2

宇宙航空研究開発機構（〒305‒8505 茨城県つくば市千現 2‒1‒1）
3
4

東京都立大学（〒195‒0065 東京都日野市旭が丘 6‒6）

国立環境研究所（〒305‒0053 茨城県つくば市小野川 16‒2）5気象庁気象研究所（〒305‒0052 茨城県つくば市長峰 1‒1）

Global Measurement of Wind Using Imaging FTS and Doppler Lidar
Hajime OKAMOTO 1, Toshiyoshi KIMURA 2, Daisuke SAKAIZAWA 2, Shoken ISHII 3,
Tomoaki NISHIZAWA 4, Hiroshi ISHIMOTO 5, Kaori SATO 1 and Eiji OIKAWA 1
1

Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, 6‒1 Kasuga Park, Kasuga Fukuoka, 816‒8580
2

Japan Aerospace Exploration Agency, 2‒1‒1 Sengen Tsukuba-shi, Ibaraki 305‒8505
3

4Tokyo Metropolitan University, 6‒6 Asahigaoka Hino, Tokyo, Japan 191‒0065

National Institute for Environmental Studies, 16‒2 Onogawa Tsukuba, Ibaraki 305‒8506
5

Meteorological Research Institute, 1‒1 Nagamine Tsukuba, Ibaraki 305‒0052（Received September 2, 2020）
We propose the concept of space-borne synergetic system to measure wind velocity by using the next generation imaging Fourier Transform Spectrometer（imaging FTS）and Doppler lidar. The system consistsof imaging FTS technique on Geostationary satellites and Doppler lidar and Doppler cloud profiling radarin polar orbit. Main objectives of the space-borne system are to provide（1）four-dimensional wind withhigh vertical resolution,（2）four-dimensional water vapor and temperature fields and（3）four-dimensional clouds and aerosols. Simultaneous retrievals of temperature and water vapor will be carried out by
the imaging FTS as done by AIRS on Aqua satellite. Atmospheric motion can then be estimated by applying similar technique as AMVs. Observing system that consists of the imaging FTS and Doppler lidar（and/or Doppler cloud radar）will open the new era for improving the numerical weather prediction
models and interaction among atmospheric dynamics, water vapor and cloud systems.
キーワード：ライダ，ドップラー，FTS，静止衛星，極軌道衛星
Key Words: Lidar, Doppler, FTS, Geostationary Satellite, Polar orbit satellite

1．はじめに

法には，上層では抽出される風速の値に誤差が大き
く，また中層では，解析可能な風速の観測数が少な

従来，風速観測は，地上設置型のウインドプロ

くなる問題や，高度推定に課題があることが知られファイラ，ラジオゾンデ，航空機による直接観測がて い る 1）． 結 果 と し て European Centre for Medi-

知られている．また，全球観測では静止衛星に搭載

um-Range Weather Forecast（ECMWF）の予報精度向されたイメージャーによって得られた雲や水蒸気を上に対する貢献度は，30% 以上であるマイクロ波

追跡し，それらの位置の変化から，水平風速が求めサウンダー，ハイパースペクトル赤外サウンダーとられてきた．この Atmospheric Motion Vector（AMVs）

比較すると，6.5% 程度にとどまる結果となってい©2020 Laser Radar Society of Japan67

イメージング FTS とドップラーライダによる全球風観測（岡本創）

る．また ECMWF と National Centers for Environmental Prediction（NCEP）の再解析データにおける風速の比較から，プロダクト間に大きな開きが存在している事が指摘されている 2）．
これらの背景から 2018 年 8 月に European Space
Agency（ESA）に よ っ て 衛 星 ラ イ ダ を 搭 載 し た
Aeolus 衛星が打ち上げられ，初めて水平風速が得られるようになった．Aeolus 衛星には波長 355 nmの直接検波方式でドップラー速度を求めるライダが搭載され，エアロゾル濃度が薄く，大気分子からの後方散乱が支配的な高高度から地表面までの幅広い
高度で視線方向のドップラー速度の鉛直分布が得られるようになった 3）．
水蒸気と気温観測に関しては受動型観測でも大きな進展があった．ハイパースペクトル赤外サウン
ダー Atmospheric Infrared Sounder（AIRS）センサー
が National Aeronautics and Space Administration

Fig. 1

Imaging FTS instrument developed in JAXA.

（NASA）の Aqua 衛星に搭載され，2002 年に打ち
上 げ ら れ 観 測 を 開 始 し て い る． 赤 外 領 域 に 2378

Table 1

Specifications of imaging FTS.

チャンネルを持ち，気温，水蒸気，オゾン，二酸化炭素等の温室効果ガスの観測に用いられている．さら に 2011 年 に は， そ の 後 継 と し て，The Suomi
National Polar-orbiting Partnership（Suomi NPP）衛星に搭載された Cross-track Infrared Sounder（CrIS）が観測を開始している．これらハイパースペクトルセ
ンサーを用いることで，晴天域や雲域の上部で気温と水蒸気量を高度 1 km，水平解像度 10 km で解析することが可能となる 4）．
本研究では，静止衛星にイメージングフーリエ変
換赤外分光計（イメージング FTS）を搭載し，これルもしくは，15.4 μm まで測定できるものだと，合と極軌道衛星に搭載されるドップラーライダやドッ

計 2020 チャンネルとなる．

プラー雲レーダで構成される衛星複合観測システム

このイメージング FTS を静止衛星に搭載するこを構築し，高解像度全球 4 次元風速と水蒸気抽出をと を 考 え る．Field of View（FOV）は 512 km×512

行うシステムの構築の提案を行う．

km で， そ れ を 4 km×4 km の 解 像 度 で 観 測 す る．

2．要素技術
静止衛星ひまわり 8，9 号衛星では，水蒸気の高512 km ずつ動かし，各点で 10 秒間測定する．こうして 1 時間以内（もしくは 30 分以内）ごとにフルディスクでの風速観測を実現する．

度分布抽出に上層，下層，中層用の赤外 3 チャンネ

静止軌道上からの半球観測による観測結果から，

ルを利用している．これらの限られたチャンネル数

雲や水蒸気の 3 次元分布を求め，そこに AMV 法をから，鉛直方向に，これ以上高分解能な風速を求め適用し，高空間分解能で風速抽出を実現する事を考る事ができないという問題があった．Japan Aero-

える．視野角は 10 km 以下が計画されている．ヨー

space Exploration Agency（JAXA）ではハイパースペ

ロッパや米国でもハイパースペクトルセンサーを静クトルセンサ―として，次世代型イメージング FTS

止衛星に搭載する計画が立案されている．これらをの開発が検討されている（Fig. 1）．

組み合わせることで，全球の高時間分解能観測が実イメージング FTS の諸元を表 1 に記述する．
波 長 4.45 μm～6.25 μm，8.3 μm～14 μm を， 波 数
分解能 0.6 cm －1 で観測を行う（Table 1）．
チャンネル数は 1083 と 833 で合計 1916 チャンネ

68

現する．
検証と校正には，ドップラーライダを搭載する極軌道衛星との同時解析を行うことを計画している．
ドップラーライダには，直接検波方式とコヒーレ

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

ント方式が存在する．ドップラーは視線方向に周波数シフトが起きることを利用するもので，周波数シフトを測定できれば，そこから風速を求めることができる．前者では，地上で可視波長 532 nm で直接検波方式で高度 60 km 以下の風速を抽出可能とした研究等がある 5）．これと同様の原理だが波長 355
nm を用いたものが Aeolus 衛星搭載のドップラーライダである．Aeolus 衛星では斜め 35 度下向きの観測を行い，大気分子の周波数シフトがエアロゾルや雲粒子と比較して大きい事を利用する．Aeolus 衛星の観測から，高度 25 km 以下で水平風速の鉛直分布の抽出が可能である事が実際に示されている．
さらに今後 3 km と 90 km の水平解像度の風速，粒子後方散乱係数，粒子消散係数解析からより多くの情報が抽出可能であると期待される．
National Institute of Information and Communications
Technology（NICT），JAXA や NASA ではこれまで
波長 2 μm や 1.5 μm のコヒーレントドップラーライ
ダが検討されてきた 6）．この手法では高精度でより
ローバストな風速の抽出が期待できる．大気分子の信号はこの波長では使うことができないため，エアロゾルの多い下層か，ライダ信号が完全には減衰しない巻雲等の光学的に薄い雲の存在する領域で視線Fig. 2 （Upper）Time-height plot of super saturation respect to icefrom AIRS,（Middle）Backscattering coefficient of clouds
detected by CALIPSO,（Lower）Radar reflectivity factor
by CloudSat on 6 February 2009 in Arctic region（modified
from Ref. 4）.

方向の風速を得る事になる．
sol-Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations

3．解析手法（CALIPSO）に雲識別手法である KU-mask 7）よって

雲検出と水蒸気量や気温の抽出には，赤外サウン

求めた雲域と比較検証を実施した所，事例解析と全ダー AIRS センサ解析用に開発した高分解能解析手

球解析の両方で非常に良い対応関係を示しており，法を用いることを考える．AIRS センサを搭載する

ハイパースペクトルサウンダーの高分解解析手法のAqua 衛星は，雲レーダを搭載した CloudSat 衛星や有効性が確認されている（Fig. 2）．このように抽出ライダを搭載した CALIPSO 衛星と同じ極軌道であされた高時空間分解能の水蒸気や雲域の時間変化をる A-Train 軌道上をわずかな時間差で周回する．3.7

追う AMV 法を適用することで，鉛直流を含む 3 次

μm から 15.4 μm の間を波長方向に 2378 チャンネル

元風速とその時間変化が得られると期待できる．

でサンプルする．AIRS の標準プロダクトは，水平

これら静止衛星搭載イメージング FTS を中心と解像度 45 km，鉛直解像度 2‒3 km で気温と水蒸気

し て，JAXA/NICT で 開 発 中 の ド ッ プ ラ ー ラ イ ダを提供している．この 45 km という水平解像度は，や，ESA の Aeolus 衛星，NASA で開発中のコヒー

AIRS のもとの FOV の 3 倍に相当する．これは雲のレントドップラーライダ，2022 年度打ち上げ予定

スクリーニングに水平解像度が 45 km のマイクロの日欧共同衛星計画 EarthCARE で搭載予定のドッ波放射計 AMSU を利用しているためである．この

プラー雲レーダ CPR と波長 355 nm の高スペクトル問題は，Channel ranking 法を用いることで AMSU

分解ライダ ATLID，2028 年度内打ち上げを目指すを利用することなく雲検出することが可能であるこNASA decadal survey の A-CCP（Aerosol Cloud Con-とから克服できる．いったん雲域検出ができれば，vection Precipitation）計画で搭載が検討されている

雲のない領域で気温と水蒸気抽出用に，それぞれドップラー雲レーダやドップラー降雨レーダを組み

110 と 46 チ ャ ン ネ ル を 用 い る 事 で， 水 平 解 像 度合わせた観測システムが考えられる（Fig. 3）．

13.5 km・鉛直解像度 1 km で，気温と水蒸気の鉛直

4 次元風速のデータは，第一義的には数値予測モ

分布抽出が実現できることになる ．ラジオゾンデ

デルに同化することで，予報性能の向上に貢献するによる検証や，AIRS から求められた水蒸気と気温と考えられる．予報向上の他には，気候変動研究へ

か ら 氷 過 飽 和 度 を 計 算 し CloudSat と Cloud-Aero-の貢献が期待できる．2006 年の打ち上げ以来 14 年

6）69

イメージング FTS とドップラーライダによる全球風観測（岡本創）

散 乱 強 度 の 解 析 可 能 な 手 法 Physical Model 法（PM）11），偏光解消度等の偏光情報の解析が高速に計算可能な初めての手法 Vectorized Physical Model
法（VPM）12）の開発にそれぞれ成功し，この課題を克服できたと考えている．衛星搭載ライダ観測ではこのような多重散乱過程が，地上ライダ観測と比較して大きくなるが，これら衛星の観測状況を地上でオンビーム方向とオフビーム方向を分離した観測が可能で衛星観測の詳細な再現可能が多視野角・多重散乱偏光ライダ 13），多視野角高スペクトル分解ライダの開発にも成功し 14），連続観測を開始している．これらの新たなライダと同時観測可能なものとFig. 3Global wind observing system by using imaging-FTS,
Doppler wind lidars and Doppler cloud radar.

して，直接検波ドップラーライダも開発中である．
これらの次世代型複合地上観測システムを利用する
ことで，衛星解析アルゴリズムの開発と検証を進めのデータ蓄積のある CALIPSO 衛星では波長 532 nmている．これら進展しつつある解析手法を衛星観測と 1064 nm の 2 波長で後方散乱係数を観測し，波に適用することで，雲やエアロゾルの情報と，水蒸

長 532 nm では偏光解消度の情報が得られる．これ

気，気温，鉛直流を含む 4 次元風速の情報を合わせまで波長 1064 nm の情報はあまり利用されてこなて解析することが可能になる．気候変動における最かった．近年氷粒子に関して，ライダの波長に適用

大の不確定性要素である雲の理解を大幅に進展させ可 能 な 非 球 形 散 乱 理 論 に 進 展 が あ り，Physical

る事につながり，不確定性の低減に貢献できると考Optics（PO）/ Geometrical Integral Equation Methods

えられる．

（GOIE）を様々なサイズ，形状や配向状態の氷粒子を考慮した後方散乱特性の理論的解析が可能になってきた．これらを適用した結果，CALIPSO で得ら

謝

辞

本 研 究 は 科 研 費 基 盤 研 究（S）
（JSPS Kakenhi

れる 2 波長の後方散乱係数の比で定義される，カJP17H06139）， 基 盤 研 究（C）（JSPS Kakenhi

ラ ー 比（color ratio）χ＝β（1064）/β（532）と 偏 光 解JP18K03745），Arctic Challenge for Sustainability（ArCS）

消度の二次元ダイアグラムから，氷粒子タイプの識

Project（Program Grant Number JPMXD1300000000），

別に有効であることがわかってきた ．氷粒子の形

JAXA EarthCARE RA，Collaborative Research Program

状や配向を特定できれば，雲レーダとライダの同時of the Research Institute for Applied Mechanics，Kyushu

解析から氷粒子微物理特性抽出する場合の解析精度

University の支援を受けました．

8）を大幅に向上させることができる 9）．またそれらか
ら見積もられる放射効果の不確定性を軽減できることにつながる．
EarthCARE 搭載予定の ATLID では，ライダー比と偏光解消度の関係から，エアロゾルタイプの同定が可能になると期待されている．氷粒子に対するPO 法や GOIE 法を用いた同様な理論的解析から，ライダー比と偏光解消度の 2 次元ダイアグラムに
よって氷粒子タイプ識別が可能になる事がわかった 10）．ライダー比とカラー比の情報は相補的に利用可能である 8）．
衛星ライダ観測においては，光学的に厚い領域では，多重散乱の影響が地上と比較してより顕著になる．このような計算には従来モンテカルロ法が適用されてきたが，時間がかかりすぎ衛星解析には適用できないという問題があった．これに対しては，モンテカルロ法より 6 桁以上高速に同等の精度で後方

70

参考文献
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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

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10）H. Okamoto, K. Sato, A. Borovoi, H. Ishimoto, K. Masuda, A.
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and depolarization ratio of ice clouds using spaceborne
high-spectral-resolution polarization lidar,” Opt. Express, 27（2019）25.
11）K. Sato, H. Okamoto, and H. Ishimoto, “Physical model for

multiple scattered spaceborne lidar returns from clouds,” Opt.
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12）K. Sato, H. Okamoto, and H. Ishimoto, “Modeling the depolarization of space-borne lidar signals,” Opt. Express 27（2019）4.
13）H. Okamoto, K. Sato, T. Nishizawa, N. Sugimoto, T. Makino,
Y. Jin, A. Shimizu, T. Takano, and M. Fujikawa, “Developmentof a multiple-field-of-view multiple-scattering polarization
lidar: Comparison with cloud radar,” Opt. Express 24（2016）
26.
14）Y. Jin, T. Nishizawa, N. Sugimoto, S. Ishii, M. Aoki, K. Satoand H. Okamoto, “Development of a 355-nm high-spectral-resolution lidar using a scanning Michelson interferometer foraerosol profile measurement,” Opt. Express 28（2020）16.

岡

本

創

九州大学応用力学研究所 教授．博士（理 学）．1996 年 東 京 大 学 気 候 シ
ステム研究センター 日本学術振興会特別研究員（PD），1998 年郵政省
通信総合研究所（現情報通信研究機構）研究官，2001 年東北大学大学院
理学研究科 助教授，2007 年同大学
准 教 授，2010 年 よ り 現 職．2017 年
同大学主幹教授．2018 年 10 月より同大学先導的研究学
術 拠 点 大 気 物 理 統 合 解 析 セ ン タ ー セ ン タ ー 長．
2020 年 4 月より 同大学応用力学研究所 所長．

71

特集

衛星搭載ライダー

衛星搭載差分吸収ライダーによるグローバルな水蒸気分布観測の提案
阿保真 1，長澤 親生 1，柴田 泰邦 1，内野酒井 哲 2，柴田 隆 3，勝俣 昌己 41

東京都立大学（〒191‒0065 東京都日野市旭が丘 6‒6）2

気象研究所（〒305‒0052 茨城県つくば市長峰 1‒1）

名古屋大学（〒464‒8601 愛知県名古屋市千種区不老町）

3
4

修 2，

海洋研究開発機構（〒237‒0061 神奈川県横須賀市夏島町 2‒15）

Proposal on the Spaceborne Differential Absorption Lidar
for Global Water Vapor Profiling
Makoto ABO 1, Chikao NAGASAWA 1, Yasukuni SHIBATA 1, Osamu UCHINO 2, Tetsu SAKAI 2,
Takashi SHIBATA 3, and Masaki KATSUMATA 3
1

Tokyo Metropolitan Univ., 6‒6 Asahigaoka, Hino, Tokyo 191‒0065

2

Meteorological Research Institute, 1‒1 Nagamine, Tsukuba, Ibaraki 305‒0052
3

Nagoya Univ., Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464‒8601

4Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, 2‒15 Natsushima-cho, Yokosuka, Kanagawa 237‒0061（Received August 19, 2020）
Abstract: Measurements of water vapor profiles are very important in the studies of atmospheric dynamics, clouds, aerosols and radiation. Water vapor is the predominant greenhouse gas and its vertical distributions are especially important in the global climate system. Water vapor data would lead to benefits innumerical weather prediction such as localized heavy rainfall events and typhoon forecasting. We propose
two-beam spaceborne water vapor DIAL with the OPG/OPA transmitter using the absorption line of the1300 nm band. An error simulation is performed assuming that the platform altitude is 250 km, thereceiver diameter is 0.8 m, the laser energy is 20 mJ, and the repetition rate of the laser shot pair（on-off）is 500 Hz. It is shown that water vapor profile measurement relative error of less than 10% is possible
between 0‒2 km altitudes with spatial resolutions of 300 m vertically and 20 km horizontally in East Asia
in summer.
キーワード：衛星搭載ライダー，差分吸収ライダー，水蒸気，気候モデル，数値予報
Key Words: spaceborne lidar, DIAL, water vapor, climate model, numerical weather prediction

1．はじめにある．これは，個々の対流スケール現象を予測する
数値予報においても同様である 1）．

気候システムにおいて水蒸気は中心的な役割を

また，近年気候変動の影響により日本では線状降担っているが，そのプロセスが十分解明されていな

水帯による豪雨の発生や台風の大型化による自然災

いことが気候変動予測のばらつきに現れている．気害の頻発化や激甚化が防災面から大きな社会問題と候モデルの課題の 1 つは，水蒸気プロセスを正確になっている．これらの災害は事前の予測精度を上げ説明し，計算グリッド内の現実的な三次元放射，ることにより減災が可能であるが，これらの現象予

雲，降水現象をパラメータ化（数式化）することで測には，特に海上の下部対流圏の水蒸気分布情報が©2020 Laser Radar Society of Japan72

衛星搭載差分吸収ライダーによるグローバルな水蒸気分布観測の提案（阿保真）重要であることが指摘されている 2）．衛星搭載水蒸気ライダーでは地上からのラジオゾンデや GNSS
（Global Navigation Satellite System）などの観測では不可能な日本周辺の海上での水蒸気観測が可能であり，観測データを数値予報モデルに同化することにより予測精度の向上が期待できる．
衛星搭載水蒸気ライダーは単独でも高品質データ
による数値予報の精度向上並びにそれに伴う天気予報精度（特に降雨予測）の飛躍的向上が期待できるとともに，他の赤外線やマイクロ波のパッシブリ
モートセンシング機器の校正，モデルのバイアス誤差の検出にも有効であり，衛星搭載のパッシブセン
サーによる面的な観測とのシナジー効果が期待できる．

Fig. 1Main links of water vapor in the earthʼs atmosphere.

本稿ではサイエンスと防災の両面から衛星搭載水蒸気ライダーの必要性，衛星搭載ライダーと他のが科学的意義のポイントであり，これにより，地球

パッシブセンサーとの違い，国内外の動向を説明し温暖化シナリオで現実的な水蒸気の増加レベルをシた後，提案する衛星搭載ライダー技術と，誤差シ

ミュレーションすることが可能となる．

ミュレーション結果について述べ，最後に今後の展

2.2 防災的側面

望を示す．

2．宇宙からの水蒸気分布計測の必要性

地球の気温上昇が続いた場合，大型熱帯低気圧（カテゴリー 4，5）の発生頻度が日本南方海洋で上2.1 科学的側面

昇するというシミュレーション結果が示されてい地球大気中の水蒸気の温室効果に対する寄与はる 6）．さらに熱帯低気圧の移動速度がこの 60 年間

48% と，二酸化炭素の 21% やオゾンの 6% を大きで遅くなっているという解析結果も報告されてい

く凌いでいる．人為起源の CO 2 の増加により気温

る 7）．このため日本では台風による被害の増大が想が上昇すると，飽和水蒸気量が増加することによっ定される．また，IPCC 第 5 次報告ではリスクの増て大気中の水蒸気量が増加し，温室効果が加速され大に備えて早期警戒システムの整備が勧告されている「水蒸気フィードバック」によって，温暖化が顕る．台風は主に下層水蒸気の流入によって発達する著になる可能性がある．一方，水蒸気の増加が雲のため，高度分解能を持った衛星搭載ライダーによる発生量を高める「日傘効果」による温暖化の抑制

海上の水蒸気観測は，台風の発達予測に有用であ（雲フィードバック）は主に下層雲に対して不確実る．

性が指摘されている ．
3）

また近年日本では線状降水帯による大雨の発生と成層圏の水蒸気量は，衛星観測データから 2001

それによる災害の頻発化や激甚化が防災面から大き

年以降減少傾向を示したことが報告され，これがな社会問題となっている．線状降水帯は組織化した

21 世紀の温暖化の鈍化の原因と主張された 4）．しか

積乱雲群が長時間にわたってほぼ同じ場所に降水をしながら，現状では温暖化の議論に耐える地球全域もたらすシステムであるが，現状の気象予報システに亘る水蒸気分布の観測データが不足しており，精ムでは発生場所や雨量を事前に予測することは困難

度の高い議論はできていない．

である．線状降水帯の維持形成にも下層の水蒸気が水蒸気は，OH ラジカルの生成を通して，メタン

大きな役割を果たしていることが指摘されていの酸化など対流圏・成層圏の重要な化学プロセスにる 8）．2014 年 8 月の広島県で発生した線状降水帯事も関与している 5）．これら水蒸気の重要性から，世例において水蒸気ラマンライダーの観測システムシ界的な水蒸気分布データの質の向上が必要である．

ミュレーション実験（OSSE）の結果によると，線

これは，長期の気候変動解析と短期の数値予報どち状降水帯の風上側に下層水蒸気ライダー観測のデーらにも有用である．

タ同化を行うことにより，予報降水量が 28% 増加

衛星搭載水蒸気ライダーで全地球的な水蒸気計測

し実測値に近づくことが示されている 9）．

を行うことにより，Fig. 1 に示す各構成要素を結ん

日本の場合，線状降水帯の風上は東シナ海や太平でいるフィードバックプロセスの理解を進めること

洋の海上となることが多いため，衛星搭載水蒸気ラ

73

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

イダーで地上からの観測が不可能な日本周辺の海上循環を決める風と温度の計測が優先され，水蒸気のでの水蒸気観測を行い，衛星観測データを数値予報

高い鉛直分解能と精度を持った観測は不十分であモデルにデータ同化することにより線状降水帯の大る．現在の数値モデルでは，対流圏の 1 km の厚さ

雨予測精度の向上が期待でき，事前の予測精度を上の層を気温を 1.5 K の精度で再現できるが，対照的げることにより減災が可能となる．

3．衛星搭載水蒸気ライダーの特徴に比湿の 6 時間予報値の相対誤差は 20‒40% にな
る 10）．全地球大気モデルの鉛直分解能は境界層付
近 の 100 m か ら 成 層 圏 の 1 km の 間 に あ る． し か

現在の水蒸気計測は，地表面や船での直接測定，し，現在の水蒸気観測データはこれより粗く，逆にラジオゾンデ，地上リモートセンシングシステム

水蒸気や雲はしばしばこれより狭い層構造を形成す（ラ イ ダ ー， 分 光 計，GNSS に よ る ト ー タ ル 量 測る．これらを，衛星搭載水蒸気ライダーで全地球的定），衛星による受動的な赤外線とマイクロ波センに計測することにより，以下のような優位性があサーによる測定が行われている．地表面観測は鉛直

る．①全球域の高品質データによる数値予報の精度

方向の測定範囲が，ラジオゾンデと地上リモートセ向上．それに伴う天気予報精度（特に降雨予測）のンシングでは水平方向の測定範囲が，受動センサー

飛躍的向上．②他の赤外線やマイクロ波のパッシブ

では鉛直分解能に問題がある．さらにこれらを組みリモートセンシング機器の校正に利用するととも合わせたとしても，上部対流圏・下部成層圏の境界に，衛星搭載のパッシブセンサーによる面的な観測領域のグローバル観測には空白域が生じている．しとのシナジー効果が期待できる．

たがって，現状ではグローバルな水蒸気循環を精度よく定量的に評価するには，精度，鉛直分解能及び測定範囲とも不足している．
衛星搭載水蒸気差分吸収ライダー（DIAL: Differ-

4．国内外の開発動向
衛星搭載水蒸気ライダーに向けた国内外の取組としては，これまで波長 730 nm, 820 nm 及び 930 nm

ential absorption lidar）は以下のような特徴がある．

付近の吸収線を利用した水蒸気 DIAL の開発が行な①高精度，低バイアス，高鉛直分解能で水蒸気の高

われてきた．米国の NASA では LASE として航空

度プロファイルが地上から上部対流圏，下部成層圏機搭載水蒸気 DIAL の実用化が行われ，多くの成果まで得られる．②水蒸気の各高度プロファイル毎にを 得 て い る 11）．
＂A Decadal Strategy for Earth Obser-

エラープロファイルが得られる．③低温領域で測定

vation from Space＂に お い て PBL 内 の 水 蒸 気 プ ロ

が困難なラジオゾンデと異なり，どんな温度領域でファイリングが記載されているが，具体的な衛星も水蒸気濃度が得られる．④光学的厚さの小さい雲ミッションの計画は現時点では無い．また，欧州のでは，雲底から雲頂までの水蒸気プロファイルが得

ESA では WALES（Water Vapour Lidar Experiment in

られる．⑤水蒸気，雲頂高度，エアロゾルの光学的Space）と呼ばれる衛星搭載水蒸気 DIAL が 2004 年

厚さ，境界層高度などの情報が同時に得られる．⑥にミッション提案されたが不採択になった 1）．その他のリモートセンシング測定法では水蒸気以外のパ

後波長 935 nm 帯の OPO レーザを搭載した航空機

ラメータ（例えば表面の放射率，温度プロファイ

搭載水蒸気 DIAL が開発され，日本周辺で観測され

ル，他のガスの濃度，エアロゾル）の影響を受ける

た 水 蒸 気 プ ロ フ ァ イ ル を ECMWF 全 球 モ デ ル にが，2 波長測定の DIAL ではこれらの影響がキャン

データ同化することにより降雨強度の予報値が改善

セルされ鈍感であるため，赤外線やマイクロ波のしたとの結果が報告されているが 12），現時点で具

パッシブリモートセンシング機器の校正に利用でき体的な衛星搭載計画はない．これら衛星搭載 DIAL

る．これは，特にモデルのバイアス誤差の検出に有が実現しない要因の一つとして波長可変レーザの安効となる．一方，⑦厚い雲の雲頂より低高度は測定定性への疑念が考えられる．

できない．⑧高い水平分解能・時間分解能データは

日本では，衛星搭載を目指した航空機搭載 DIAL

軌道直下のみという制約がある．このように制約はの 開 発 が 気 象 研 究 所， 東 京 都 立 大 学，NASADA

あるが他の測定法にない特徴が多くあるため，相補（現 JAXA）を中心に行なわれたが 13, 14），現時点で的な利用が有効である．特に，下部対流圏の高分解後継の計画はない．今回「今後の宇宙開発体制のあ

能水蒸気観測は，豪雨や台風予測精度向上による防り方に関するタスクフォース会合リモートセンシン

災面への貢献が期待できる．

グ分科会」による衛星地球観測ミッション公募に応

地球の 3 分の 2 が海であることから，宇宙からの募する形で，本稿の提案を行っている．

リモートセンシングが水平，垂直及び時間分解能を確保する唯一の方法である．しかし，従来は大気の74

衛星搭載差分吸収ライダーによるグローバルな水蒸気分布観測の提案（阿保Fig. 2

真）Absorption cross section of water vapor.
Fig. 3Block diagram of the proposed spaceborne water vapor
DIAL system.

Fig. 4

Schematics of the scan-less two-beam water vapor DIAL.

5．システムの提案
地上からの水蒸気測定ライダーとしてはラマンラ
イダーと差分吸収ライダー方式がある．ラマンライ
ダーは散乱強度が弱いことから高出力のライダーを用いる必要があるため，安全性及び電力の制限から衛星搭載には適さない．差分吸収ライダーは 15）水
蒸気の吸収を利用して水蒸気濃度を測定するが，地上付近の水蒸気の近赤外域吸収線は Fig. 2 に示すよう に 波 長 の 短 い 方 か ら，820 nm，930 nm，1130
nm，1360 nm，1850 nm 付近を中心とした吸収帯が存在する．
従来の航空機搭載水蒸気 DIAL では 730 nm，820
nm，930 nm 帯が利用されているが，我々は衛星搭
載と下部対流圏から対流圏界面高度までの水蒸気量の観測を考慮し，レーザの効率が良く，かつ吸収断面積の大きい 1.3 μm 付近の吸収線を利用した衛星搭載水蒸気 DIAL を提案する．

5.1 送信レーザ
衛星搭載ライダーで技術的に最も困難なレーザ光

CALIPSO などでも実績のある 1064 nm や 532 nm の源 に つ い て は，1.57 μmCO 2-DIAL の 技 術 16）で 開 発

2 波長を取り出すことが出来るため，水蒸気とエアし た QPM（Quasi Phase Matching）結 晶 を 用 い た

ロゾルの同時観測も容易に実現可能である．

OPG/OPA（Optical Parametric Generator/Amplifier）

シ ス テ ム の 採 用 を 提 案 す る．OPG/OPA は，one

5.2 2 ビーム観測

path amplifier であり，通常の共振器構成の位相整合

衛星搭載ライダーは高度分布情報が得られるのがOPO（Optical Parametric Oscillator）より，制約条件

他のパッシブ観測と比べた大きな利点であるが，一が緩和されるため宇宙利用には有利である．

方レーザビーム方向の情報しか得られないため，周Fig. 3 に提案する OPG/OPA 光源をベースにした

回軌道の場合でも線状のフットプリントとなる．水

衛星搭載水蒸気 DIAL のブロック図を示す．励起光

蒸気は空間的・時間的に変動が大きいため，空間分源は半導体レーザ励起 Nd:YAG レーザを想定してい解能の向上と測定頻度の向上が求められる．

るが，これは日本の衛星搭載植生ライダー（MOLI:

そこで Fig. 4 に示すような斜め 2 方向の測定を同Multi-footprint Observation lidar and Imager）17）の開発時に行うスキャンレス 2 ビーム方式を提案する．一で得られるノウハウを継承発展することにより開発

般のスキャン観測に用いられる可動ミラーなどを用の効率化が期待出来る．また，Nd:YAG レーザをいずに，シンプルに送信レーザビームを 2 方向に分

ベ ー ス と し て い る た め， 衛 星 搭 載 ラ イ ダ ー

岐している．また受信望遠鏡も 1 台を広角で利用

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

Table 1

Fig. 5

Parameters of the two-beam spaceborne water vapor
DIAL.

One-day orbit（yellow line）and footprints（red）of twobeam space borne water vapor DIAL.（Orbit altitude is
250 km, orbit inclination is 35°and nadir angle is 22°）

し，2 方向を 2 つの検出器で同時に測定することにより 1 ビーム装置に比べて簡略化・軽量化が可能である．
Fig. 5 に衛星軌道高度 250 km，軌道傾斜角 35°，
ビームの天底角 22° とした時の日本付近の 2 ビーム
観測の 1 日のフットプリントの軌跡の例を示す．このフットプリントは太陽非同期準回帰軌道の熱帯降雨観測衛星（TRMM）と同等である．図で黄色い線が衛星直下の軌跡で赤い点線が実際のフットプリントとなる．このように，1 台の衛星搭載ライダー
でも日本周辺の海洋上空の水蒸気が高頻度で観測出来ることがわかる．

6．測定誤差シミュレーション

Fig. 6

Random error of water vapor density for the two-beamspace borne DIAL with spatial resolutions of 300 m/600
m/1000 m vertically and 20 km horizontally with asummer water vapor profile model over Japan.

Table 1 に示すパラメータを用い，高度 250 km から 2 ビームで測定を行う衛星搭載水蒸気 DIAL により，水平分解能を 20 km とした場合の測定誤差シ

Table 2

Remote sensing of environment thresholdrequirements for spaceborne DIAL.

ミュレーションを，文献 18，19 の式を用いて行った．水蒸気の高度分布モデルは夏季日本の水蒸気モデルを用いた．高度分解能を 300 m，600 m，1000
m とした時の統計誤差を Fig. 6 に示す．高度分解能
300 m で高度 2.1 km まで誤差 10% 以下，高度分解能 600 m で高度 3.2 km まで誤差 10% 以下，高度分
解能 1000 m で高度 5.6 km まで誤差 20% 以下で水蒸気の測定が可能である．
次に，吸収断面積の異なる 3 つの吸収線を用い，あわせて 4 波長を用い，Table 2 に示す WMO の水
蒸気の衛星観測に対する要求分解能

7．さらなる発展の可能性
7.1 海洋‑大気間のフラックス観測への貢献
海洋︲大気間の熱交換量（フラックス）は，気候で熱帯モデシステムにとっても，より短期の気象現象にとってル水蒸気分布を用いて行った誤差シミュレーション

も，重要なパラメータである．そのうち「潜熱」は結果を Fig. 7 に示す．熱帯領域の地表付近から高度

放射フラックスに比べて絶対量こそ小さいものの，

20 km の下部成層圏までの水蒸気が，誤差 20% 以

大気への水蒸気供給量と同義であり，特に熱帯～亜下で計測可能であることがわかる．

熱帯において，雲・雨の形成や大気放射などに重要

20）

なパラメータである．しかし，全球分布を推定した
プロダクトにおいて，プロダクト間の差異が大き76衛星搭載差分吸収ライダーによるグローバルな水蒸気分布観測の提案（阿保真）

誤差は 5% でも十分であるが，気温誤差は 1% の測定誤差でも 3 K に相当するため，実際に水蒸気の吸収線を用いた場合の気温測定誤差がどの程度になる
かは，詳細な検討が必要である．

8．おわりに提案した衛星搭載水蒸気 DIAL では①全地球域の高品質水蒸気データによる数値予報の精度向上，②
集中豪雨，竜巻，台風などの予報精度向上，③測定
手段がきわめて限られている上部対流圏・下部成層圏領域における水蒸気の高精度，高鉛直分解能観測による気候フィードバックの理解とモデル化の進展などの成果が期待できる．
今後の課題としては，技術的には①衛星搭載用
Fig. 7

Random error of water vapor density for the four wavelengths space borne DIAL using the parameters summarized in Table 2 with a tropical water vapor profile model.

QPM 素子の開発（対宇宙線等の検討），②高増倍率の APD の開発がある．開発体制としては①他の水蒸気パッシブセンサーとの融合の検討，②データ同化によるインパクトの検討（OSSE の実施），③サ
イエンスコミュニティの立ち上げ，④具体的なミッ

く，海上のブイの計測値（真値）との誤差もまだ大ション計画の策定などを進めていく必要がある．現

きいことが指摘されている 21）．潜熱フラックスの在は衛星搭載システム開発の前に，実証用 DIAL 装測定に広く用いられている「バルク式」には，主置を開発し，航空機搭載検証実験を計画している．

に，海面付近の水蒸気量，海面付近の風速，海面水謝温が必要とされ，このうち風速と水温については，辞

衛星搭載型の各種センサーにて全球分布の計測が続本提案に際して，気象庁気象研究所気象観測研究

けられている．しかし海面付近の水蒸気量は，現状

部の皆さま，レーザセンシング学会衛星搭載ライ

全球分布を精度良く計測する手段がなく，限られたダーに関するプロジェクト調査委員会委員の皆さま

点のブイ等での現場直接計測か，衛星搭載サウンから貴重なご意見をいただきましたことを感謝いた

ダーによる大気混合層よりも上空の情報も含んだ計します．

測結果からの推定などに頼っている．
衛星搭載ライダーで大気混合層（熱帯では海面から高度 500 m 前後）の水蒸気量が測定できれば，潜熱フラックス計測精度向上が期待できる．また，もし水蒸気量と同時に，海面付近の風速や気温が計測できれば，潜熱・顕熱のスナップショット毎の計算が可能になる．

7.2 気温の同時観測
気温情報は飽和水蒸気量を知る上で重要なパラメータであり，水蒸気との同時観測ができれば，数値予報へのデータ同化によるインパクトは大きい．
DIAL では吸収スペクトル拡がりの温度依存性を利用して気温の測定が可能である．すでに CO 2 測定
用 DIAL では，on/off の 2 波長に加えて吸収スペク
トルの裾野の第 3 波長を用いることにより CO 2 密度と気温の同時観測に成功している 22）．原理的には水蒸気でも同様の測定法により水蒸気密度と気温の同時観測が可能である．しかし水蒸気濃度の測定

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阿

保

真

1984 年東京都立大学大学院工学研究科電気工学専攻修士課程修了．1986
年東京都立大学工学部電気工学科助手，助教授を経て現在，東京都立大学システムデザイン研究科教授．博士（工学）．国立極地研究所客員教
授．半導体レーザ，固体レーザなどを用いた大気環境・気象計測技術に関する研究に従事．
所属学会：レーザセンシング学会．計測自動制御学会，
応用物理学会，日本リモートセンシング学会，日本気象学会，日本エアロゾル学会，地球電磁気・惑星圏学会，日本光学会，電子情報通信学会，日本火山学会，
大気環境学会，レーザー学会，IEEE，SPIE，OSA，AGU.

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