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
3Nagoya 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，1130nm，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，820nm，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

75

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 2 号（2020）

Table 1Fig. 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 is250 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，1000m 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. 7Random 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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参考文献
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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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