特集

エアロゾル計測Ⅰ

アジアダストのライダー観測甲斐 憲次
茨城大学教育学部（〒310‒8512 茨城県水戸市文京 2‒1‒1）

Lidar Observation of Asian Dust
Kenji KAI
Ibaraki University, 2‒1‒1 Bunkyo, Mito 310‒8512（Received January 8, 2020）
The author has carried out lidar observations of the Asian dust since 1986. The present paper described
the results of the lidar observations over Tsukuba, Japan, the Taklimakan Desert, China, and Gobi Desert,
Mongolia. A combination of the ruby lidar observation at Tsukuba and a three-dimensional numericalsimulation showed a long-range transport of the Asian dust from the Gobi Desert to Japan. A
Mie-scattering depolarization lidar in Aksu, Xinjiang, China showed the structure of the dust layer in the
Taklimakan Desert that was affected by a great local circulation between the Tianshan Mountain andTarim Basin. A lidar network observation in the Gobi Desert showed a transport of the dust from theatmospheric boundary layer to the free troposphere by a cold frontal system, moving across the desert.
Finally, a model of the Mie-scattering depolarization lidar is proposed for observations in the atmosphericboundary layer and lower troposphere.
キーワード：アジアダスト（黄砂），ライダー，数値シミュレーション
Key Words: Asian dust（Kosa）, Lidar, Numerical simulation

1．はじめに層であるかが決定的に重要である．ダストの輸送を調べる際にも，その高度分布は重要である．なぜな

私は大気境界層の乱流エネルギー収支に関する研ら，高度によって，大気の循環系が異なるからだ．

究で学位（理学博士・筑波大学）を取得した後，気まず，本稿で取り上げるアジアダスト（黄砂）を

象庁・筑波大学・名古屋大学・茨城大学において，簡潔に説明したい．その模式図を Fig. 1 に示す 1）．

気象と大気環境に関わる研究・教育・行政に携わっ

シベリア高気圧に覆われた冬が終わり，春になるてきた．この間，中国のタクラマカン砂漠やゴビ砂と，アジア大陸内陸部の乾燥地域に低気圧が侵入し漠，モンゴル草原を対象とする大型の研究プロジェ
クトに参加する機会を得た．ライダーを用いて，アジアダスト（黄砂）の発生と輸送のプロセスを観測しようと試みた．
観測手法としてのライダーの利点は，ダストなど
エアロゾルの高度分布を正確に測ることができることである．通常の気象衛星等はダストの平面的な分布をとらえることはできるが，その高度分布を正確に求めることはできない．ダストの気候影響を考察する際，ダストがどの高度に分布するか，すなわ
ち，それは成層圏か，対流圏か，あるいは大気境界©2020 Laser Radar Society of Japan

Fig. 1

Occurence and tranport of the Asian dust 1）.

29

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

はじめる．低気圧に伴う強風により，乾燥した大地

ダー研究室は，成層圏エアロゾル・黄砂・対流圏のからしばしば砂塵嵐が発生する．英語では，ダスト

雲に焦点を絞り論文をまとめることになった．

ストーム（dust storm/sandstorm）と呼ばれる．巻き私は黄砂研究の担当となり，ライダーを用いた黄上げられた砂塵は，上空の偏西風に乗って日本，さ砂研究のレビューを始めた．気象研究所の図書館らには太平洋域に輸送される．黄砂が発生するため

で，黄砂に関する論文は手当たり次第に読んだ．先の基本的な条件は，①乾燥地域で砂塵嵐が発生する

行研究は大気中での黄砂の高度分布と輸送過程に焦こと，そして②日本の上空に偏西風帯があることの点が当てられていた．しかし，中国西域のタクラマ

2 点である．気象学的にみると，黄砂現象は，水平

カン砂漠，ゴビ砂漠，黄土高原などの発生源地域のスケール約 3 千 km，鉛直スケール約 5 km，時間ス

地表面状態に関する研究が著しく不足しているよう

ケール数日から 1 週間に及ぶ物質の長距離輸送現象に感じた．要するに，「○○あたりで発生した黄砂である．

が．．．」の記述がいい加減なのである．地表面状態

本稿では，ライダーを用いたアジアダストの発生が現地データで検証されていない．一方，大気中のと輸送に関する研究を紹介し，今後の課題を述べふるまいは丁寧に解析されている．黄砂の先行研究

る．

は「アンバランスだ」と感じながら，文献調査を進2．ルビーライダーによるアジアダスト観測
2.1 気象研究所への転勤めていた．

2.2 1986 年 3 月のアジアダスト

私は，1986 年 4 月，気象庁観測部産業気象課か

ライダーデータの吟味を始めると，大変興味深い

らつくば研究学園都市の気象研究所に転勤した．仕ダスト現象があった．Fig. 3 は，1986 年 3 月 13 日

事の内容は，それまでの気象災害の監視から，ライ

15 時 4 分から 20 時 48 分に観測されたライダー信ダーの開発と気象業務への応用に変わった．私に号のプロファイルである．通常，ライダー信号は高

とっては全く新しい研究分野への進出であり，学生

度と共に減衰するが，このプロファイルは高度 4時代に戻ったように基礎から勉強を始めた．1 年後

km 付近に強い散乱層がみられた．この散乱層は，の 1987 年，NASA のラングレー研究センターから黄砂がレーザー光線を散乱していると思われた．黄内野修主任研究官（当時）が帰国した．彼は最新の砂としたら，その数日前に，中国大陸でダストス

ライダー技術と研究成果を持ち帰った．

トームが発生しているはずである．

気象研究所は 1980 年のつくば研究学園都市移転

どのように調べたらよいか．かっての上司・小柴に伴い，多額の研究費が投入され，高層観測用大型

厚さん（気象庁産業気象課）のアドバイスに従っルビーライダーが整備された（Fig. 2）．ルビーライて，地上気象通報データ（SYNOP）で黄砂の発生

ダー（波長 694.4 nm）は 1982 年から稼働し，成層状況を調べた．SYNOP は，全世界の地上気象デー

3）

圏・対流圏のエアロゾル・雲の観測が行われた ．

タが収集されている．通常の気象データのほか，現

この装置を用いて，しっかりとした研究成果をあげ

在天気・過去天気の情報（砂塵嵐，煙霧など）がなければとの使命感があった．私たちは今後どのよあった．SYNOP データを Fig. 4（a）の地図にプロッ

うな研究をすべきであるか，毎日議論した．とにかトしてみた．数字の分布をみると，3 月 10‒11 日にく，研究論文を発表しようということなった．ライ

ゴビ砂漠と黄河中流でまとまって砂塵嵐が発生し，
3 月 12‒13 日，西日本を中心に黄砂が観測されたことがわかる．つまり，西日本の黄砂現象が発生する
3 日前にゴビ砂漠周辺に砂塵嵐が集中的に発生していた．Fig. 4（b）
は，アジア大陸における砂漠と黄土

Fig. 230

Lidar system of the Meteorological Research Institute（MRI）, JMA 2）.

Fig. 3

Profiles of lidar signals, temperature and relative humidity
on 13 March 1986 2）.

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

砂の輸送高度を推定した 6）．しかし，この方法も専門的になるが，等温位（空気塊の温位が変化しない）という仮定の制約があった．黄砂の移動中に低気圧などで降水現象があると，この方法では正確に推定することができなかった．

2.3 気象庁数値予報課との共同研究
どうしたら，中国から日本への黄砂の輸送を証明できるか，真剣に考えた．私は気象庁数値予報課の中村一さん（故人）に相談した．中村さんは，チェ
ルノブイリ原子力発電所の事故を契機に，放射性物質などの大気中での移流拡散モデルの開発を担当されていた 7）．1986 年 4 月 26 日未明，旧ソ連のチェ
ルノブイリ原子力発電所で大事故が発生し，大量の放射性物質が大気中に放出された．ご承知のように，この事故はその後の原子力政策に大きな影響を及ぼした．ソ連政府からの情報が乏しく，放射性物
質がどの程度，大気中に放出され，そしてどの国にどの程度の影響が出るのか，予測がつかなかった．
ヨーロッパでは，深刻な環境汚染が懸念されたが，日本への影響はどの程度あるのか．この点にマスコ
Fig. 4 （a）Dates of the occurrence of the duststorms, sandstorms
and Kosa during 8‒13 March 1986, and（b）geographicaldistribution of deserts and loesslands in the Asian Continentand the observation site 2）.

ミの質問は集中した．当時の天気予報は，予報官の経験に頼る部分があり，3 日先が実質的な予報の限界であった．チェルノブイリから日本間までの輸送
時間は約 1 週間であり，予報することは困難であった．この事件の教訓から，気象庁はグローバルスの分布を示す．北緯 35‒40 度沿にゴビ砂漠，黄土高

ケールの汚染物質の移動を的確に予報するには，全原，タクラマカン砂漠が分布している．アジアダス

球移流拡散モデルを開発するしかないと判断した．

トの発生情報と発生源分布を見比べながら天気図を中村さんのグループは，移流拡散モデルを開発

解析すると，ゴビ砂漠で発生した砂塵嵐が上空の偏し，実際の現象，たとえば中ソ国境沿いの山火事に西風に乗ってつくば市上空にやってきたと解釈でき

よる煙の拡散，火山灰の拡散などに応用を始めた時た．

期であった．中村さんは「黄砂の高度分布がわかる

この研究をまとめて，日本気象学会の英文誌（J.

ライダーデータは，全球移流拡散モデルの検証に使

Meteor. Soc. Japan）に投稿した．しばらくして，編える」と判断された．こうして，私たちと中村さん

集委員からレフリーコメントが届いた．そのコメンのグループの共同研究は始まった．

トによると，「中国で発生した砂塵嵐が日本上空に中村さんと同僚の高杉年且さんは，粒子移流拡散達したプロセスの証明がなされていない，あるのはモデルを用いて，黄砂粒子の長距離輸送を調べた．

状況証拠のみではないか」との指摘であった．レフ

私は黄砂の発生地の候補として，ゴビ砂漠・黄土高リーの指摘はまさに正論であるが，ないものねだり

原（北緯 40 度，東経 106 度）とタクラマカン砂漠に等しかった．当時，まだだれも黄砂が中国大陸か（北緯 40 度，東経 80 度）を選んだ．高杉さんらはら輸送されるプロセスをきちんと数値シミュレー

候補地にトレーサーの発生源をおき，大量のトレーションで証明したものはいなかった．当時，Duce

サーを連続的に放出し，その輸送経路を追跡した．

et al.（1980）4）や Shaw（1980）5）の先行研究があった

粒子移流拡散モデルは，気象庁の数値予報モデルかが，古い研究方法（等圧面流跡線解析）が使われてら供給される 3 次元の風の場と拡散係数を使用し，いた．この方法では，おおざっぱな輸送経路しかわ発生源から放出されたトレーサーの 3 次元のラグラ

からず，ましてや輸送高度の推定は不可能であっンジェ的運動（移流）と鉛直拡散を計算した．

た．岩坂泰信名古屋大学教授（当時）は等圧面流跡

しばらくして，中村さんから電話があった．
「ダ

線解析よりも高度な等温位面流跡線解析により，黄メだった．ゴビ砂漠上空 1 km 付近に黄砂の発生源

31アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

た．シンポジウムには，武田喬男（故人），岩坂泰信，植松光夫，岡田菊夫，角皆静男（故人），石廣玉，樋口敬二（故人）ら第一線の研究者が発表されていた．
「たかが黄砂」と思っていたが，いろいろな見方があるものだと感心した．大気中で採取した黄砂粒
子 1 個 1 個の形状や組成を丁寧に調べる人もいるし（ミクロな見方），黄砂を雲のような塊としてとらえる人もいる（マクロな見方）．気象学，海洋学，雪氷学，エアロゾル学，大気化学の分野の研究者の集まりであるが，それを束ねているコンセプトは「偏西風地帯での大陸・海洋間の物質移動」である．
このシンポジウムでの研究発表は，専門書『大気水圏の科学黄砂』8）として出版された．

3．タクラマカン砂漠のアジアダスト
タリム盆地は，三方を 5000 m 級の山脈・高原に
Fig. 5Predicted three-dimensional distributions of the tracers.
Vertical line segments at the corners indicate the height of
800 hPa 2）.

囲まれ，その面積はほぼ日本の面積に相当する．広大なタリム盆地の大半を占めているのが，タクラマ
カン砂漠である．地形をみると，ゴビ砂漠が平原に拡がる開放系の砂漠であるのに対して，タクラマカをおいて，数値シミュレーションしてみると，黄砂

ン砂漠は山脈や高原に囲まれた閉鎖系の砂漠と言えは日本にはほとんど来なかった．ライダー観測の結る．唯一低くなっているのは，東側の楼蘭～敦煌付果とは大きく違いが生じた」．私は中村さんに，「黄近である．ここがタリム盆地の出口になっている．

砂の論文を読むと，高度 4 km 付近に舞い上がるとこの地域の大気循環系と 3 次元地形との関係は，気の報告があります．ゴビ砂漠上空 4 km まで発生源

象学的にも興味深い．

を置き直して，再度，数値シミュレーションをお願

2000‒2004 年度科学技術振興調整費「風送ダスト

いできませんでしょうか．
」と伝えた．数日後，中の大気中への供給量と気候への影響に関する研究村さんから電話があり，「素晴らしい結果だ．数値（ADEC）」がスタートした 9）．風送ダスト（ADEC）

シミュレーションとライダー観測がほぼ一致した．」

は Fig. 6 に示す通り，中国西域の砂漠域で発生したとの連絡があった．その日の夕方，つくばから大手

アジアダストを連続的に観測し，その輸送経路や気町の気象庁に向かった．中村さんがプリントアウト

候学的影響を調べようとするものである．

した図をもとに説明された．思わず息をのむほど，
精密で，美しさのある図である（Fig. 5）．数値予報課が開発したモデルだけのことはあると感じた．当時はカラーの図が一般的ではなく，白黒だけで大気中に浮遊する黄砂の 3 次元の図を作図することにな
る．黄砂粒子から地上に線を引き，立体感をだす工夫がなされた．
黄砂の投稿論文は，数値シミュレーションの結果を追加して，中村さんらと連名で学会誌に再投稿した．今度は見事に受理された 2）．

2.4 黄砂シンポジウム
1988 年 12 月，シンポジウム「偏西風地帯での大陸・海洋間の物質移動―黄砂を例としてー」が名古屋大学水圏科学研究所で開催された．コンビーナー

Fig. 6

Japan-China Joint Studies on Aeolian Dust Experiment on
Climate Impact（ADEC）9）.

の岩坂先生に連絡を取って，私も飛び込みで参加し

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

Fig. 7

Japan-China Joint Studies on Aeolian Dust and its Impact
on Climate（ADEC）10, 11）.

3.1 タクラマカン砂漠のライダーシステム

Fig. 8

Surface wind field around the Taklimakan Desert at aheight of 10 m at 18:00 UTC on April 13, 2002, as simulated by MM5. The grid resolution of MM5 is 12 km. The
arrows indicate the wind vector 11）.

筆者のグループは，風送ダストの一環として，
2001 年，中国科学院新彊生態地理研究所と共同し（大気境界層，下部対流圏）からの強い散乱信号を，て，タクラマカン砂漠にライダーステーションを立

大きい望遠鏡（直径 35 cm）は上層大気（上部対流

ち上げ，2002 年より現地観測を行った．観測場所

圏から成層圏）からの微弱な散乱信号を受信する．

は中国北西部，タクラマカン砂漠のオアシス都市・

このような工夫により，地表面に極めて近い高度か

アクスにある中国科学院新疆生態地理学研究所アクら成層圏までの幅広い高度範囲を観測できるよう設ス観測所内の圃場（北緯 40.6 度，東経 80.8 度，標計されている．しかし，後述するように，私たちは

高 1028 m）である．偶然ではあるが，アクスは，ダスト層の光学的厚さを甘く見ていた．

中村さんらと実施した数値シミュレーションのダス
トソースとほぼ一致する 2）．

3.2 東風による砂塵嵐とダスト層高度の日変化

タクラマカン砂漠はユーラシア大陸の中央部に位2002 年 4 月，科学技術振興調整費「風送ダスト」

置している．砂漠の気候は過酷で，夏は 40℃を超の集中観測が，中国北西部から日本に至る領域で，え，冬はマイナス 10℃以下になる．当然のことな

2 週間ほど実施された．観測期間中の 4 月 13 日，

がらレーザー，光学機器などの精密機器は砂塵，温ダストストームが発生し，ダストはその後数日間，度変化，電圧変動に弱いので，システム全体を防塵

タクラマカン砂漠上に滞留した．

防水型のコンテナ（6 m×2 m×2 m）に収納し，エFig. 8 は，数値モデルで再現したタクラマカン砂

アコンで温度調節を行うなどの工夫を試みた（Fig.

漠の地上風系である．天山山脈を迂回した気流が東7）．ライダーの光源として，ネオジウム・ヤグレー

風となって，タクラマカン砂漠に侵入している．こザー（Nd:YAG）を使用した．このレーザーは，グの東風が乾燥した砂漠域から大量の砂塵を巻き上げ

リーンのレーザー（波長 532 nm，1064 nm）を発振

た．ライダーの観測結果によると，この砂塵嵐の先する．レーザーパルスを大気中に発射し，後方に散端部分はくさび状になっているので，重力流の性質

乱される光を光電子増倍管で受信する．さらに，散を持っていた．このことから，タリム盆地の東部か

乱強度や偏光特性より，大気中に浮遊する散乱体のら重力流のような形で侵入した気流が，タクラマカ

量や形状の情報が得られる．

ン砂漠の広域にわたって，砂塵嵐を発生させたと推

最下層の大気境界層では，大気中に浮遊する微粒察される．

子が多く，一般に散乱強度が極めて大きい．一方，

Fig. 9 は， ラ イ ダ ー で 観 測 し た，2002 年 4 月

成層圏などの上層大気では，空気が澄んでいて，散13‒16 日，激しいダストストームの様子を示す．こ

乱強度は微弱である．最下層の大気境界層から上空

こでは，ライダーで観測されたダスト現象とダストの成層圏まで連続的に観測しようとすると，散乱強の除去プロセスを述べる．

度（距離自乗で反比例）のレベルは 6 桁くらい変化

ダストストームの前の 4 月 11‒12 日，快晴で視程する．タクラマカン砂漠のライダーでは，ダイナ

は 40 km であった．ダスト層は 3‒4 km の厚さがあ

ミックレンジを広げるため，受光用の望遠鏡を二つり， 後 方 散 乱 比 は 4‒8， 偏 光 解 消 度 は 8‒10% で用意した．小さい望遠鏡（直径 20 cm）は下層大気あった．上層雲がしばしば高度 10‒13 km 付近に現33

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

Fig. 9

Time‒altitude cross-sections of backscattering ratio（a）anddepolarization ratio（b）over Aksu on April 11‒21, 2002 11）.

Fig. 11

Surface wind fields（a, b）and vertical cross section ofwind files in east-west（c, d）and north-west（e, f）at 1300
LST and 2330 LST 11 April 2002 over Aksu. Red dot andthick red arrow indicate the location of Aksu. Black contours and colored contours indicate topography and potential temperature, respectively 12）.

徐々に減衰した．この結果は，地表近くの比較的粒Fig. 10

Time‒altitude cross-sections of backscattering ratio（a）
and depolarization ratio（b）over Aksu on April 11‒21,
2002 11）.

径の大きいダスト（直径 10 μm かそれ以上の粗大粒子）が徐々に重力沈降していることを示す．他
方，高度 2‒4 km のライダー信号は，夕方から深夜にピークをもつ，明瞭な日変化を示した．このピーれた．この雲は，おそらく周囲の山脈や高原に対応

クはほかの場所で巻き上げられた比較的粒径の小さするものと思われる．

いダスト（直径 1‒10 μm 位）が天山山脈―タリム

4 月 13 日，上空の雲が高度数 km まで下がった．
この現象は，前線面上に雲を伴う気圧の谷が通過し盆地の局地循環により移流してきたことが示唆される．

たことを示す．これに呼応して 14:30 地方時，ダス

ダストストーム前の 4 月 11 日には，ダスト層高トストームが発生した．強い東風が吹き，ピーク時

度の日変化は小さかった．4 月 18 日以降，ダストの風速は 6 m/s 以上であった．視程は 1 km となっ層高度は日中低く，夜間に増加する傾向があった．

た．このダストストームは 4 日間続いた．密なダス

この原因を調べるため，メソ気象モデルを用いて数ト層が地上から高度 5.5 km まで発達した．後方散値シミュレーションを行った（Fig. 11）12）．その結乱比は 20 かそれ以上で，偏光解消度は 15‒25% で

果，4 月 11 日は，大気混合層が十分発達せず，大あった．密なダストによるレーザー光線の吸収のた

気下層は比較的静穏で，上空の自由対流圏と分離さめ，ダストストーム中のライダー観測は，数時間にれた状態であった．一方，4 月 18 日は上空の空気

わたって，できなかった．本研究では，ライダー方の流入と高い山脈に囲まれたタクラマカン砂漠上の程式を直接解くことにより，ダストストーム中の最局地循環により，顕著なダスト層の日変化が現れ下層における後方散乱比を推定した．

た．

Fig. 10 は高度 187 m，1‒5 km における後方散乱比の時間変化を示す．ダストストームの後，ダスト

3.3 パミール越えの気流による砂塵嵐

層上端高度の日変化がはっきりと観測された．この2003 年 3 月，パミール高原越えの気流により砂期間，下層（高度 2 km 以下）のライダー信号は，塵嵐が発生した．珍しいケースである．常松展充君

34

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

Fig. 12Time-height cross section of the backscattering ratio（R）
at the lidar observation site from 0000 UTC 25 March to0000 UTC 27 March 2004. An altitude of the observationsite is 1028 m ASL 13）.

Fig. 14

Fig. 13Satellite image of the Taklimakan Desert at 0750 UTC 26
March 2004 by MODIS/AQUA:（a）large image and（b）
sketch of the large image 13）.

Calculated dust distributions in the Taklimakan Desert on
26 March 2004:（a）0200 UTC,（b）0400 UTC,（c）0600
UTC, and（d）0800 UTC. Each dot represents a dust particle. The star in Figures 10a and 10d indicates the lidar
observation site 13）.

る．そうすると，この大気混合層により，上下の空気の混合が生じ，上空の強風が地上に降りてくることが分かった．
砂塵嵐は地上風速が何 m/s になると発生するの（現・東京都環境科学研究所）が中心となって，こであろうか．砂漠の砂塵が舞い上がる風速を臨界風の砂塵嵐の全容を明らかにした13）．Fig. 12 に示す通速という．黄砂の発生を予測するモデルが中国，韓り，3 月 26 日 05UTC，砂塵嵐が侵入し，黄砂は高国，日本で相次いで開発されているが，予報の重要度 6 km まで舞い上がった．砂塵嵐は 6 時間継続し，なポイントはこの臨界風速である 14）．従来の研究に

12UTC 頃終息した．

よると，地表面状態（乾湿，凹凸，植生など）でば

大気循環系をみると，この時期，上空は偏西風がらつきがあるものの，タクラマカン砂漠ではおおよ

卓越している．ところがある条件が加わると，このそ 6.5 m/s とした．この仮定を用いて，数値シミュ

強い偏西風が地上に降りて，砂塵嵐を発生させるこ

レーションを行った結果が Fig. 14 である．黄砂のとがある．Fig. 13 の衛星写真は，このように発生

分布は，衛星画像に見られる黄砂の水平分布をよくした砂塵嵐を示している．この写真の乳白色の部分再現している．

が砂塵嵐の発生しているところである．タリム盆地

ライダーの連続観測から，タクラマカン砂漠北部の北西部から東部に向かって分布している．よくみのダスト層高度は，海抜 2.5‒5 km の間で変動してると，熱いみそ汁のように，蜂の巣状の対流が発生おり，それは総観場の気流およびタリム盆地の局地している．大気が不安定であることが分かる．

風 循 環（山 谷 風）と 関 連 し て い る こ と が 分 か っ

この様子を数値モデルで再現すると，Fig. 14 のた 15）．数値モデルにより天山山脈の感度実験（on/ようになる．地上で強風が出現している領域（北西off）を行い，タリム盆地における天山山脈の効果部から南東部）は，衛星画像で黄砂が発生しているを明らかにした．

領域に対応する．この強風が黄砂を引き起こしたこ

2003 年 3 月，日本の各地で黄砂が観測された．

とがわかる．それでは，この強風はどこからやって

当初，アジアの砂漠から飛来したものと思われたきたのだろうか．タリム盆地に日射が差し込むと，が，Tanaka et al.（2005）16）は全球ダスト輸送シミュ

砂漠の地上付近が加熱される．夜間に形成された安レーションモデルを用いて，中東を起源とするダス

定層は次第に破壊される．大気が不安定になる．対トが輸送されてきたことを示した．途中のアクスの流が発生し，大気混合層が形成される．この大気混

ライダー観測からもそのことが裏付けられた（Fig.

合層は次第に成長し，偏西風が卓越する領域に達す

15）
．

35

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

Fig. 15

Time-height sections of lidar total depolarization ratios d（unit: %）and simulated dust concentrations（unit:
mgm －3）at（a）Aksu（40.41N, 80.81E）,（b）Tsukuba（36.01N, 140.11E）, and（c）Naha（26.11N, 127.41E）.
Exceptionally high d signals correspond to clouds 16）.

Fig. 16

CALIPSO ground track and distance circle from the
Aksu-lidar station. CALIPSO passed within 100 km of the
Aksu-lidar station from 20:56:57 to 20:57:19（UTC）18）.

Fig. 17CALIOP and Aksu-lidar backscattering coefficients at 532
nm and 1,064 nm. The dotted line indicates the molecular
backscattering coefficient 18）.

Fig. 18

Comparison of color ratio versus backscatter coeffient at
532 nm between model and observation results 18）.

トの後方散乱係数，消散係数，ライダー比（消散係数と後方散乱係数の比），偏光解消度，カラー比な

3.4 スペースライダー CALIOP との同期観測

どの光学的特性を推定した（Fig. 17‒18）18）．

2008 年，科研費・基盤研究（B）「タクラマカン

Fig. 18 は，後方散乱係数とカラー比の散布図よ

砂漠上の局地循環と黄砂の発生機構の解明」が採択

り，エアロゾルの種類を分類したものである．これ

され，アクスでのライダー観測を再開した．その前らの結果は，現地観測の空白地帯とも言えるタクラ

年，NASA ラングレー研究センターの Winker さん

マカン砂漠では，初めて得られたものが多く，学問とお話をする機会があった．画期的ともいえるス

的にも貴重である

ペースライダー CALIOP が NASA の CALIPSO 衛星

ダストの気候への影響を正しく評価するためにに搭載されている 17）．タクラマカン砂漠の地上ライ

は，ダストの鉛直分布に関する情報が不可欠であダーと CALIOP との同期観測の話をすると，彼はる． こ の 同 期 観 測 よ り，NASA が 提 供 し て い る

しつこく「いつ現地に行くのか」と尋ねた．私が詳CALIOP の標準雲マスク（VFM）に雲/ダストの誤しい日程を答えると，彼はノートを確認して「良判 別 の 問 題 が あ る こ と を 指 摘 し た． 次 い で，かった」と言った．幸運なことに，CALIOP のメン

CALIOP データの解析において問題となっている

テナンス期間は，私たちの観測期間と 1 週間ずれて雲/ダストの誤判別を解決するため，標準雲マスク

いた．

の改良を試みた．

2009 年，神慶孝君（現・国立環境研究所）と再地上ライダーと CALIOP の同期観測から，タク

びアクスに行き，ライダーシステムを再稼働した．

ラマカン砂漠におけるライダー比を推定すると，波

地上ライダーとスペースライダー CALIOP との同長 532 nm に対して 42.0 sr，波長 1064 nm に対して期観測を行い（Fig. 16），発生源地域におけるダス

45.9 sr である．このライダー比を使って後方散乱係

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

イダー CALIOP，地球観測衛星 MODIS，SPOT 等を用いてアジアダストと植生の分布を，ホスタイ国立公園ではモンゴル草原における環境レジームシフト
を調査した．発生源地域と風下の能登半島と北海道でバイオエアロゾルを採取し，遺伝子レベルで解析した 22）．

4.2 シーロメーターによる自動観測
ゴビ砂漠におけるアジアダストの鉛直構造を観測するために，モンゴル情報・気象水文環境研究所と共同で，2013 年 5 月，モンゴル南部のダランザド
ガ ド 気 象 台（北 緯 43 度 34 分， 東 経 104 度 26 分，
海抜 1470 m）にシーロメーター（Vaisala 製 CL51，
波長 910 nm）を設置した．ダランザドガドは，ゴビ砂漠の中心に位置し，アルタイ山脈の風下効果でFig. 19

よく低気圧・砂塵嵐が発生する場所である．

An example of dust misclassification as clouds in the
VFM cloud mask. Latitude‒altitude cross sections of（a）
the attenuated backscattering coefficient at 532 nm,（b）the data mask based on the C2ʼ cloud mask,（c）the data
mask based on the VFM cloud mask, and（d）the horizontal resolution in the VFM cloud mask 19）.

計測器および NASA・AERONET のサンフォトメー数を再計算すると，CALIOP level 2 データの後方散電気が比較的安定供給されることとホテルがあるこ

乱係数は本研究による結果と比べて 21% 小さいことも重要な選定理由の一つであった．

とがわかった．この違いは，CALIOP level 2 データ

この気象台は，この地域の中核的な気象台で，ルーチン的にラジオゾンデ観測が行われている．圃
場には，国立環境研究所（NIES）の PM10/PM2.5
ターも設置されている．さらに，砂漠地域としては

次に，観測システムの選定では，タクラマカン砂で使用されている VFM 雲マスクがダストを雲と誤漠での経験から，次の方針を取った．

判別し，ライダー比の選択が誤っていたことが原因

1）基本的にメンテナンス・フリーで，タフなシスであると示唆される（Fig. 19）19）．

4．ゴビ砂漠のシーロメーター観測テムであること．
2）自動観測によりインターネットを通じて日本にデータを転送できる．

4.1 タクラマカン砂漠からゴビ砂漠へ

当時，この条件を満たす装置として，ヴァイサラの2014 年，JSPS 研究拠点形成事業「アジアダスト

シーロメーター CL51 を選んだ．

と環境レジームシフトに関する研究拠点の構築」が採択されるとFig. 21 は， シ ー ロ メ ー タ ー に よ る 観 測 と イ ン，私はライダー観測のフィールド

ターネットを介したデータ転送のシステムを示す．

をモンゴルのゴビ砂漠・草原に移した．ゴビ砂漠はシーロメーター CL51 は，観測窓の汚れを吹き飛ばアジアダストの主要な発生源の一つである．アジア

す窓ブロワーや凍結防止用の内部ヒーター，約 2 時

ダストは偏西風による長距離輸送を通して，気候シ

間の電源バッテリーを搭載し，気象条件や電気設備

20, 21）

ステムに直接的・間接的に影響を与える．本事業の観測概要を Fig. 20 に示す．モンゴル・中国・日本の研究機関がアジアダストの輸送経路上で地上・大気境界層・自由対流圏に分布するアジアダストの集中観測（IOP）を実施した．モンゴルの研究機関はモンゴル情報・気象水文環境研究所，モンゴル国立大学，中国は蘭州大学，中国科学院新疆生態地理研究所，日本は名古屋大学，金沢大学，酪農学園大学，国立環境研究所等である．各研究機関が所有するライダー，シーロメーター，PM2.5/PM10 測定器，パーティクルカウンター，エアロゾルサンプ
ラー，係留気球を用いて，IOP を実施した．衛星ラFig. 20

Observation plan of the JSPS Core-to-Core Program 20, 21）.

37

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

Fig. 21

Automated observation of the Asian dust by the ceilometerin Dalanzadgad, Mongolia and its data processing system.

Fig. 23

Fig. 22

Ceilometer observation at Dalanzadgad on 22‒23 May
2013.（a）Time-height cross section of attenuated backscatter coefficient.（b）Observational model of the dust
storm 23）.

Observational models for（a）Dalanzadgad,（b）Sainshand, and（c）Zamyn-Uud at a height of 0‒4 km during
the dust event 25）.

冷前線面上に弱い後方散乱が見られ，一部のダストが寒冷前線前面の暖気の上昇に伴って上昇したことがわかる．Fig. 22（b）は，寒冷前線付近の強風で巻き上げられたダストが寒冷前線面上を上昇して，自由対流圏に輸送されるプロセスを模式的にまとめた

状況の悪い観測場所においても，ほぼメンテナンス

ものである．

フリーの長期連続観測を行うことが可能である．河

ダランザドガドはゴビ砂漠中央部に位置するが，合慶君（現・名古屋大学ポスドク）が中心となっ東部のサインシャンドとザミンウドには AD-Net ラて，観測データを 1 時間毎にインターネット経由でイダーネットワークの 2 波長ミー散乱偏光ライダー

名古屋大学に転送し，シーロメーターの稼働状況やが設置されている 24）．この 3 台のライダーを使う

観測結果を web サイト上で確認できるようにした．

と，ゴビ砂漠を横断中におけるダストの輸送プロセ
スをとらえることができる（Fig. 23）．2013 年 5 月

4.3 大気境界層から自由対流圏へのダスト輸送

22‒23 日にゴビ砂漠で発生したダストストームは寒Fig. 22 は，2013 年 5 月 22‒23 日に発生したダス

冷前線と共にゴビ砂漠を北西から南東へ移動し，ダトイベントの事例解析である．発達中の低気圧とそ

ランザドガド，サインシャンド，ザミンウドの順にれに伴う寒冷前線の通過によって，ダストストーム

通過した．このダストの分布範囲は，ダランザドガ

がゴビ砂漠で発生した．ダランザドガドでは，22

ドでは高度 1.8 km まで，サインシャンドとザミン

日午前中から 6 m/s 以上の風の強い状態が続き，ダ

ウドでは高度 4 km まで広がり，自由対流圏に到達

ストが舞い上がった．16 時半から 23 時半にかけしていた 25）．

て，地上付近で後方散乱が強くなり（Fig. 22（a）
で以上のことから，このダスト層は，寒冷前線シス

赤くなっている部分），21 時頃には高度 1.5 km ま

テムとともにゴビ砂漠を横切る間に自由対流圏までで上昇した．PM10，PM2.5 の値は地上付近の後方発達したことが明らかになった．このメカニズムは散乱に対応して大きくなり，22 時にはそれぞれ 119

自由対流圏における偏西風によるダストの長距離輸

μg /m ，76 μg/m に達した．22 時頃から寒気内の送をもたらす．

3

3

クリアな空気がくさび状に入り始め，23 日 2 時に

いくつかの観測例を検討すると，ダストが自由対

は地上から高度 1.6 km まで後方散乱が弱くなった．

流圏に輸送されないケースもあった．Fig. 24 は，

この寒気の縁に後方散乱の境界が見られるが，これ2015 年 4 月 29‒30 日にゴビ砂漠で発生したダストは寒冷前線面に対応するものである．また，この寒イベントの事例である．ダストストームが発生した

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

Fig. 24

Time-height cross section of attenuated backscatter coefficients observed by the ceilometer at Dalanzadgad on
29‒30 April 2015. The letters A-D mark the dust storm,clean air, floating dust layer, and clouds, respectively 26）.

Fig. 26

Fig. 25

JMA Geostationary meteorological satellite Himawari-8
and Advanced Himawari Imager（AHI）28, 29）.

ものの（図の A），高度 1.2‒1.5 km 付近の安定層にトラップされ，上空へは到達できず，安定層高度でDust RGB imagery with sea level pressure（contours;
every 4 hPa）and surface wind during 2‒7 May 2017. In
the Dust RGB imagery, pink indicates dust, whereas
yellow, brown, green, and black show clouds. The whitelines and double red lines represent cold fronts andtroughs, respectively. The red, yellow, and blue circles
show dust storms, blowing dust, and floating dust, respectively. The black dotted circle in panel（d）and（e）shows
the location of the Horqin Sandy Land 30）.

漂っている（図の C）26）．本事例のようにダストの鉛直分布は，気象状況，とくに気温の鉛直分布と密接に関係している．

トームがあることが分かった（図の d）．このダス
トの塊は，寒冷前線と共に東に移動し，2017 年 5

4.4 ひまわり 8 号 Dust RGB によるダスト解析
静止気象衛星ひまわり 8 号に搭載された可視赤外放射計（AHI）は，観測バンド数の増加と時空間分

月 5‒6 日，日本全国に黄砂現象をもたらした．この衛星観測は，地上ライダーや CALIOP との良い対応が見られた．

解の向上により，きめ細かい観測を可能とし，多く

5．終わりにの分野にインパクトをあたえている（Fig. 25）27）．
ダスト研究の分野でも，ひまわり 8 号のプロダクト

私は 1986 年，気象研究所のルビーライダーを用である Dust RGB を用いることにより，広大な砂漠

いたアジアダストの研究を皮切りに，タクラマカン域で発生する中小規模のダストストームを抽出し，砂漠やゴビ砂漠の研究プロジェクトに参加する機会

その輸送過程を詳細に研究することができるようにを得た．本稿では，ナラティブとして，現地での体なった．

験や観測成果を中心に述べた．タリム盆地の出口に

Fig. 26 は， 高 時 空 間 分 解 能 を 有 す る 気 象 衛 星

あたる敦煌での研究成果は，岩坂泰信名古屋大学名「ひまわり 8 号」の Dust RGB データの解析により，

誉教授らによる著書にまとめられている 31）．最後

ゴビ砂漠からモンゴル草原にかけてのダストの発生に，これまでの観測の反省と今後の展望を述べたと輸送を調べたものである 30）．図中で，ピンク色でい．

示される領域がダストである．ダランザドガド付近

2000 年，科学技術振興調整費「風送ダスト」でを通過した寒冷前線がダストを巻き上げ，寒冷前線

は，タクラマカン砂漠にライダーステーションを建の後面に分布している（図の b と c）
．新しい発見設し，発源地におけるアジアダストのデータをとるとしては，ゴビ砂漠起源のダストとは独立に，中国というのがミッションンとなった．共同研究者の永内モンゴルのホルチン砂地を起源とするダストス

井智広気象研究所主任研究官（当時）と阿保真東京

39

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）

都立大学助教授（当時）の指導のもと，八十嶋恒和
君（現・トヨタ自動車）らの優秀な院生に恵まれ装置 は 完 成 し た．2001 年 8 月， 気 象 研 究 所 で ラ イ
ダーの試験観測を行った後，装置をバラバラに分解して，中国に輸出した．その年の 11 月，現地アクスでライダーの再組み立てを行い，2002 年 4 月の集中観測に間に合わせた．2009 年には，神慶孝君
ら が 中 心 と な って地上ライダーと衛星ラ イ ダ ー
CALIOP との同時観測を実施した．
反省点は，ライダーを設計する際，私たちはダスト層の光学的厚さを甘く見ていたことである．アクスのライダーは，光源として高出力のレーザー（パFig. 27

Attenuated backscattering coefficient at 1064 nm observedfor（a）CHM15k and（b）NIES Lidar in August 20 to 29,
2016. Time and height resolutions are 5 min and 30 m,
respectively 32）.

ルスエネルギー 300 mJ），直径 35 cm の受信望遠鏡を使用した．これがあだとなった．現地でダストス

圏には，大気混合層，大気汚染層，気温逆転層，トームが発生すると，昼間でも大量のダストによっ

海陸風，海陸風，山谷風，積乱雲などの諸現象て太陽光が遮られ，夜のようになることがある．

があり，大気環境を支配する．ライダーを用いレーザー光はほぼ消散されて，このダスト層を通過て，これらの現象の時空間構造を正確に調べるできない．また，レーザーパルスは強い後方散乱光

ことは極めて重要と考えられる．

となって戻り，大望遠鏡で受光される．当然，光電2）大学でライダーが手軽に使用できれば，若手研

子増倍管（PMT）は飽和する．私たちは，望遠鏡

究者のすそ野が広がる．数千万円もする高額なや PMT に ND フィル―ターを入れて，1000 分の 1

ライダーを大学の研究室レベルで維持するのは以下に強度を落として観測した．それでも，強いダ困難である．

ストストームの最中は，PMT が飽和して，観測で3）大学の教員がある程度の研究実績をあげれば，きなかった．常時観測をするためには，もう少し小科研費の基盤研究（B）に手が届く．この申請

型のレーザー・望遠鏡がよかったかもしれない．ま

額の上限は 2000 万円である．500 万円のライた，現地の電力とインターネットの事情により，自ダーであれば，設備備品費として無理なく，申動観測はあきらめざるを得なかった．

請書に計上することができる．基盤研究（A）

しかしながら，アクスのライダーにより，タクラの申請額の上限は 5000 万円であるが，採択率がマカン砂漠の貴重なデータが得られた．欠測の多低いのであまり期待できない．

い，不完全なデータではあったが，発生源での観測候補となるライダーは，独・ルフト社のシーロデータとして，多くの研究者に使って頂いたのは幸メーター CHM15k に偏光機能が追加されたものでいである．

ある．Fig. 27 は CHM15k と国立環境研究所のライ

タ ク ラ マ カ ン 砂 漠 の 反 省 か ら，2014 年 か ら ス

ダーの比較観測を示す．かなり良い対応が見られタートした JSPS 研究拠点形成事業では，基本的にる 32）．印象としては，コンパクトなミー散乱・偏光

メンテナンスフリーのシーロメーターを使用した．

ライダーとして大気境界層や下部対流圏のエアロゾ

インターネットで観測データを名古屋大学の研究室

ル観測には十分役立つと思われる．

に転送できるので，大変重宝した．私たちのグルー
プでは，河合慶君が中心となってシーロメーターと衛星データ・再解析気象データ等を組み合わせて，
ゴビ砂漠のダストストームの構造と自由対流圏への最後に現金な話になったが，ハードウエアの専門家にぜひご検討いただきたい．
謝辞

ダスト輸送を解明した．ただし，1 波長しか使えな

ここで紹介した研究は，2000‒2004 年度科学技術

いので，エアロゾルの性状を議論することはできな

振興調整費「風送ダストの大気中への供給量と気候

い．ライダーの専門家にとっては物足りないかもしへの影響に関する研究（ADEC）」（代表：三上正れない．
筆者はライダーのユーザーとして，大気境界層・男），2008‒2010 年 度 科 学 研 究 費・ 基 盤 研 究（B）
「タクラマカン砂漠上の局地循環と黄砂の発生機構

下部対流圏観測用の 500 万円ライダーの実現を提唱の 解 明」（No.20403008

したい．その根拠は次の 3 点である．

2016 年度 JSPS 研究拠点形成事業「アジアダストと

1）人類の生存圏とも言える大気境界層・下部対流

環 境 レ ジ ー ム シ フ ト に 関 す る 研 究 拠 点 の 構 築」

40

代 表： 甲 斐 憲 次）
，2014‒

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

（コーディネーター：甲斐憲次），2016‒2019 年度科学研究費・基盤研究（A） 海外学術調査「発生源地域におけるアジアダストと環境レジームシフトの国 際 共 同 研 究」
（No.16H02703

代 表： 甲 斐 憲 次）

および 2017‒2019 年度科学研究費・基盤研究（A）
海外学術調査「東アジア沙漠地帯における黄砂バイ
オエアロゾルの発生過程とその越境輸送ルートの解明」（No.17H01616

代表：牧 輝弥）の支援を受けた．現地調査では，中国科学院振興生態地理研究所の H. Zhou 教授，S. Hu 氏，蘭州大学の J. Huang 教授， モ ン ゴ ル 情 報・ 気 象 水 文 環 境 研 究 所 の G.
Sarantuya 所長，E. Munkhjargal 氏，E. Davaanyam 氏，モンゴル気象環境監視庁の D. Batdorj 部長，柴田隆
名古屋大学名誉教授にお世話になった．岩坂泰信名
古屋大学名誉教授，星野仏方酪農学園大学教授，牧輝弥金沢大学准教授，杉本伸夫国立環境研究所フェローからご助言を頂いた．以上の方々に謝意を表す．
参考文献
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41

アジアダストのライダー観測（甲斐 憲次）
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profile measurement”, J. Applied Remote Sensing, 12（2018）042604‒1.

甲

斐

憲

次

1952 年，島根県生まれ．1981 年，筑波大学大学院博士課程地球科学研究科修了，理学博士．気象庁観測部運輸 技 官， 気 象 庁 気 象 研 究 所 気 象 衛
星・観測システム研究部主任研究官，
筑波大学地球科学系講師，名古屋大学大学院環境学研究科教授を経て，茨城大学教育学部特任教授．人間活動と大気環境の相互作用という視点から，黄砂と都市の大気環境を研究している．専門は気象学・気候学．
【著書】「スペクトル解析ハンドブック」（2004 年分担執筆，朝倉書店），「黄砂の科学」（2007 年単著，成山堂書店），「二 つ の 温 暖 化― 地 球 温 暖 化 と ヒ ー ト ア イ ラ ン ド」
（2012 年編著，成山堂書店）など．

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）