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
2Tokyo 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, aboveclouds 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

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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 1Fig. 258

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

Observation results by 355 nm polarization HSRL on 2October, 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

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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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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）