地球観測連携拠点（温暖化分野）平成27年度ワークショップ 平成27年11月19日

温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」の観測の現状と今後(GOSAT及びGOSAT-2）
Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT)© JAXA© Mitsubishi Electric Corporation

横田 達也
国立研究開発法人 国立環境研究所 地球環境研究センター0《特徴１》 共同プロジェクト
GOSATプロジェクトにおける役割分担 環境省、国立環境研究所、宇宙航空開発研究機構(JAXA)の３者共同プロジェクト  （2005.8.1 協定書締結）

環境省

JAXA

地球環境局総務課研究調査室

宇宙航空研究開発機構

・観測センサの開発（一部）・観測結果の検証（経費）・データ利用推進

国立環境研究所

・観測センサの開発、・衛星本体の開発
・ロケット調達、打ち上げ・運用
・センサの校正、・衛星からのデータ受信、・観測データの一次処理 、・処理結果の提供（NASA, ESA等の宇宙機関に）・データ利用推進・データ処理手法の開発（研究）、・データの科学利用研究
・JAXAからの一次処理データを受けて二次処理（濃度等の算出）及び高次処理（二酸化炭素収支の導出等）、・データ質の検証作業・処理結果の提供（研究者及び一般登録ユーザに）、・データ利用推進1

《特徴2》 省庁・大学・研究機関の連携
GOSAT定常処理運用システム開発と運用
標準プロダクトGOSAT データ処理運用施設

利用者
計算機システム

観測要求

データ
研究者
参照データ

参照データ提供機関
気象庁










データベース

計算機システムの導入・追加更新
計算機システムの運用・管理処理ソフトウェアの開発・維持改訂
観測データの受信（JAXAより）提供機関からの参照データの取得・管理連携機関とのデータ処理調整・管理
データの定常処理、再処理、研究処理
データプロダクトの保存・管理
登録研究者の観測要求管理、データプロ
ダクト提供、情報提供
 JAXA及び一般ユーザへのデータプロダク
トの提供、情報提供

観測データ
要求に基づく
観測計画

JAXA

観測要求
標準プロダクト(NASA, ESA)

データ送信

協定機関

処理
結果

計算機センター
NIESスパコン（東大情報基盤センター）2

2

《特徴3》 チャレンジ！

地球の温室効果ガスの変動を宇宙から計測する先端技術• 宇宙から温室効果ガスの濃度を精密に測定する技術は最先端の技術です。
• 2000年代に入ってようやく実現した技術です。
ハードウェア技術
 短波長赤外フーリエ変換分光器
 衛星の安定した運用機構と冗長系

ソフトウェア（情報処理）技術
 目標精度の達成、誤差要因との戦い 【処理アルゴリズム】
 非線形システムの精密高速計算 【計算処理技術】• データ処理技術の研究開発は、国内の大学との連携によりなされ、海外でも進められています。

3

《特徴4》 今でも稼働中！（長生き）

衛星運用の現状（5 年間）
定常運用期間クリティカル運用
(2日間)

初期運用

初期校正
検証運用

H26.1.23

定常運用

（現時点）
★◎△
後期利用運用（約22ヶ月）打上げ(L)
H21.1.23

L+3ヶ月

L+6ヶ月
L+5年後
★ 2014年5月25日に太陽電池パドルの片翼が停止  問題なし
◎ 2015年1月26日にFTSポインティング系の切り替え  順調
△ 2015年8月 2日にFTS TIR検出器の冷凍器が停止  回復

クリティカル運用

太陽電池パドルの展開や標準姿勢制御モードへの移行など、打上げ直後の衛星を安定した状態に移行させるための運用

初期運用

衛星各部の初期機能の確認を行う期間

初期校正検証運用

観測センサや観測データの校正や検証を行う期間

定常運用

定常的に観測を継続する期間

後期利用運用

設計寿命を超えて観測を継続する期間（JAXA・GOSAT定常運用終了審査資料を改変）

4

サイズ

衛星本体

3.7 m x 1.8 m x 2.0 m（パドル翼端間13.7m）

質量

合計1750kg

発生電力

合計

3.8 KW
5年

設計寿命
軌道

打ち上げ

衛星GOSATと搭載センサ

太陽同期軌道
地方時

13:00+/-0:15

高度666km

傾斜角

98度

回帰日数

3日

ロケット

H-IIAロケット 15号機

打上日時

2009年１月23日12:54「温室効果ガス観測センサ」TANSO-FTS(Fourier TransformSpectrometer)

FTS『フーリエ変換分光器』

TANSO（炭素）=Thermal
And Near infrared
Sensor for carbon
Observation「雲・エアロソルセンサ」
TANSO-CAI(Cloud and Aerosol Imager)

CAI(JAXA提供)

5

CAIは一義的にはFTSの補助センサ：- FTS視野内の雲検出 更に、雲パラメータの抽出（研究）- FTS視野内のエアロソル特性の検出-  温室効果ガス導出時に情報を利用したい
バン
ドNo.

波長帯(nm)中央波長(nm)空間分解能 幅(km) ピクセル数(IFOV) (km)(cross track)

1372 - 387

3800.51000

2000

2667 - 680

678

0.5

1000

2000

3866 - 877

870

0.5

1000

2000

41560 - 1640

1620

1.5750500
6TANSO-FTS Level 1B （分光放射輝度）
シミュレーションスペクトル

実測スペクトル

Band 1P
Band 1S
短波長赤外SWIR(NIR)

Band 2P
Band 2S
Band 3P
Band 3S

熱赤外TIR

Band 47

「いぶき」（TANSO-FTS）による２種類の赤外線の観測

主に国立環境研究所が担当
↑

熱赤外
短波長赤外

地球の大気

処理アルゴリズム開発はJAXAが中心に、東京大学AORI（かつ後に千葉大）と連携(JAXA提供)8

短波長赤外スペクトルから得られる
物理パラメータ：カラム平均濃度（XCO2）

XCO2: Column averaged
dry air mole fraction
CO2

O2

カラム量：
光路長に依存する

divide

XCO2(図はACOS提供)

カラム平均濃度
光路長には依存9しない巻雲とエアロゾルの影響と対処

巻雲
cirrusエアロゾル
aerosols

厚い巻雲を含む観測データは、バンド３の水蒸気飽和帯からの輝度信号を検出することで、除去（スクリーニング）することができる

大粒径のエアロゾルと高々度のエアロゾルによる濃度導出への誤差は大きいことが知られている。
10

二酸化炭素とメタンのカラム平均濃度(V02.11)の３日ずらし過去30日平均値」

二酸化炭素 (XCO )April 2009 - May 20152
 上記のアニメーションは、「いぶき」(GOSAT)の観測データから解析された晴天域のXCO2 とXCH4 を、2.5度メッシュで過去30日分の平均値を3日ごとに更新した結果です。着色されていない領域は、過去30日間に観測濃度値が存在しないことを示します。

メタン (XCH4) TANSO-FTS SWIR Level
2 (Ver.02.21, 02.31, 02.40)
 このアニメーションから、衛星からのXCO
2 ｙや XCH4.が導出される領域は季節によって変化することがわかります。

 （上記はバイアス補正は施していない濃度値の表示で、やや低めの値です）。
1111

北米とオーストラリアの二酸化炭素濃度（カラム平均濃度XCO2）の領域内月平均値の推移
二酸化炭素濃度 (ppm)

年増加量：1.9 ~ 2.0 ppm
北米
夏
夏

夏

夏

夏

夏

夏

夏

夏
夏

(バイアスは未補正)

オーストラリア

データ数

夏

年／月

12

北米とオーストラリアのメタン濃度（カラム平均濃度XCH4）の領域内月平均値の推移

メタン濃度 (ppm)(バイアスは未補正)
北米

データ数

オーストラリア

年／月

13

検証観測の概念図（観測値がどの程度ずれているか、ばらついているか）

14

GOSAT検証に利用する
世界の地上高分解能FTS観測地点
EurekaPoker Flat(CH4)

Ny Alesund
Sodankyla

BremenPark Falls

Yekaterinburg

Karlsruhe

Four Corners

Rikubetsu

Bialystok

Orleans

Moshiri

Garmisch

JPL / Caltech

Izana

Tsukuba

LamontSaga
ManausAscension
IslandDarwinReunionWollongong
Lauder：GOSATの検証に利用するサイト

TCCON=Total Carbon Column Observing Network（http://tccon.ornl.gov/）

15

TANSO‐FTS SWIR Level 2
XCO2とXCH4 (V02.21)の検証結果
TCCON サイトとの比較[ppm]

バイアス ~ -0.5 ppm,
ばらつき~ 2.2 ppm

XCO2[ppm]

TCCON FTS による XCO2 

GOSAT からのXCH4 

GOSAT からのXCO2 [ppm]

バイアス ~ - 0.004 ppm,
ばらつき~ 0.013 ppm

XCH4[ppm]

TCCON FTSによる XCH4 
16

航空機観測データとの比較：CONTRAIL, NOAA,DOE, NIES, HIPPO 及び NIES-JAXA

CO2 (47サイト)

CO2 の観測の不確実性 ~ 0.2 ppm
XCO2 への換算時の不確実性 ~ 1 ppm
航空機観測データからカラム量への換
算 : Araki et al. (2010, ACP)
Miyamoto et al. (2013, ACP)

CH4 (28サイト)
CH4の観測の不確実性 ~ 2 ppb
XCH4への換算時の不確実性 ~ 15 ppb
Inoue et al. (2013, ACP)CONTRAIL: 連続測定器
NOAA, DOE, NIES, NIES‐JAXA: フラスコサンプリング

検証に用いた観測サイト
・ CONTRAIL data (Machida et al., 2008):
20 sites (2007 - 2010)
・ NOAA/DOE data: 17 sites (2007 - 2011)
・ NIES data: 4 sites (2008 - 2010)
・ HIPPO data: 5-6 sites (2009 - 2010)
・ NIES-JAXA campaign data: 1 site (2010)

CONTRAIL (JAL project)

17航空機観測データによるGOSATの検証結果

r=0.85r=0.96

r=0.61Aircraft XCH4 (ppb)
Ocean: 34.1±9.4 ppb

GOSAT

Aircraft site
r=0.86
r=0.82

XCO2Aircraft XCO2 (ppm)

Land: 182
-0.99±2.51 ppm
GOSATXCH
XCO
GOSAT
2 (ppm)4 (ppb)GOSAT
GOSAT XCO
XCH24 (ppm)(ppb)

Aircraft XCO2 (ppm)
Land: 74
Ocean: 11-0.68±2.56 ppm-1.82±1.04 ppm

Land: 431.5±14.9 ppb±5 deg.
GOSAT XCO2 (ppm)

GOSAT XCO2 (ppm)±2 deg.

Ocean: 40-2.27±1.79 ppm

r=0.64r=0.93XCH4Aircraft XCH4 (ppb)
Land: 1022.0±16.0 ppb

Inoue et al.
(2013, ACP)

Ocean: 10
6.5±8.8 ppb

Inoue et al.
(2014, AMT)

18

GOSATデータ処理の流れ
L1A
L1B
L1→L2

L4B

L4A
L2
↓
地上観測
L3
データ
19

炭素収支推定へのGOSATの貢献

温室効果ガス観測

大気輸送モデルを用いた
インバージョン

地上観測局による濃度データ「いぶき」による濃度データ

CO2フラックス分布の推定（誤差の低減）

20地域別（64地域別）の月別二酸化炭素の吸収排出量の推定結果と推定誤差
2010年7月

2011年7月

2012年7月

上段: 吸収排出量推定の入力値データ： 四角はGOSATの XCO2 （5°×5°メッシュの月平均値），○はGLOBALVIEWデータ ， 中段： 43r地域におけるメタ64収排出量の推定値 (GOSAT Level 4ACO2, V02.03)，下段：各地域の吸収排出量の不確実性

21

月別吸収排出量の推定結果に基づく二酸化炭素濃度の年度間比較（レベル4B V02.03) モデルシミュレーションによる二酸化炭素濃度の6時間平均値
緯度経度2.5度間隔，高度約 800 m （2010年，2011年，2012年の比較）
GOSAT L4B Data Product

月 日 時

01 01 00

（高度は 0.925 sigma-level,）

2010

2011

©JAXA/NIES/MOE

2012

22

地域別（43地域別）の月別メタンの吸収排出量の推定結果と推定誤差
2010年1月

2011年1月

2012年1月

上段: GOSATの XCH4 （2.5°×2.5°メッシュの月平均値）， 中段： 43r地域におけるメタン吸収放出量の推定値 (GOSAT Level 4A CH4, V01.02)，下段：各地域の吸収放出量の不確実性

23

月別吸収排出量の推定結果に基づくメタンの年度間比較（レベル4B V0１.02)

当シミュレーションにおいては、人為起源の放出量は(EDGAR v4.2)に基づき、森林火災データは GFED に基づいて計算している。
(ppm)

CH4 の 1×1 緯度・経度グリッドにおける高度約 800 m (Eta Level =.925) の日平均値のアニメーション(2009年6月 〜 2012年5月)

24一般ユーザのデータ注文数の割合（平成27年6月まで）（国立環境研究所からの内部アクセスを除く）

GOSATデータ提供Web（GUIG）への登録一般ユーザ数：605名※過去２年以内にアクセスのあるユーザ数（平成27年10月16日現在）

25

GOSAT研究公募（ResearchAnnouncement, RA)と採択課題数
RA研究分野別採択者数

研究分野
校正（Ca）
データ処理アルゴリズ
ム（Al）
検証（Va）
炭素収支推定、大気輸送モデル（Mo）
データ利用研究（Ap）

第1回 第2回 第3回 第4回 第5回 第6回 第7回 第8回
合計2008 2009 2010 2012 2013 2013 2014 2014
441172

11571268316149212

1129
17232

1148

複合分野 (Ap / Va)

22複合分野 (Mo / Ap)

11

採択者合計

5236

18

55312

122
26

GOSAT研究公募（ResearchAnnouncement, RA)と採択課題数
RA国別採択者数
CountryJapan
USA
Germany
China
CanadaFranceNetherlands
UK
RussiaFinland
Australia
India
Italy
Korea
Spain
Indonesia
BelgiumBrazilCzech
NewZealand
NorwaySingapore
Taiwan, ROC
Malaysia
Total

第1回
2008
23
7
6
1
32
3
2
4

第2回
2009
8
8
2
2
1
3
2
12
1
1

152

1
1
1
1
1
36

第3回
2010
132
2
11

第4回
2012
11
11121

第5回
2013
112

第6回
2013
3

1

18

第8回
2014
111
1
11第7回
2014

1155312Total
35
2210655554432222211111111122

27

GOSAT公募研究活動
研究課題代表者（PI）会議の開催①2008年③2011年

1st RA PI Meeting @ Tokyo, Japan, November6‐7, 2008

②2010年

3rd RA PI Meeting @ Edinburgh, UK, May 19‐20, 2011④2012年
2nd RA PI Meeting @ Kyoto, Japan, January 28‐29, 2010⑤2013年

28GOSAT公募研究活動
研究課題代表者（PI）会議の開催⑥2014年

第６回GOSAT公募研究代表者会議＠つくば国際会議場
2014.6.9-12⑦2015年

第7回GOSAT公募研究代表者会議＠カリフォルニア工科大学
2015.6.15 (+ 6.16-18 IWGGMS-11)

29

欧州宇宙機関（ESA)の研究者グループとの協力：GHG-CCI (SCIAMACHY + GOSAT)(Greenhouse Gas Climate Change Initiative)

30

報道発表
2015年11月16日
公開用Webページ：
http://www.gosat.nies.go.jp/recent-global-co2.html
または
http://www.gosat.nies.go.jp/
より「月別二酸化炭素平均濃度」のページへ

31
31

米国（OCO-2)の研究者グループとの協力（D. Crisp 氏の第6回GOSAT公募研究代表者会議 2014 の資料より）

相互校正導出アルゴリズム開発

検証とデータ質評価

GOSAT CAI

Forward Radiative
Transfer Model
Instrument Model

Spectral+Polarization

Inverse Model

AMES AJAX?

converged

NASA DC-8• Compare obs. &simulated spectra• Update StateVector

not converged

Spectra + Jacobians

LSPEC

AERONET

Crisp: OCO-2 Mission

Page 3232

OCO-2 報道発表 (2015年10月29日)

33

「いぶき」（GOSAT）による大都市等における二酸化炭素観測データと人為起源排出量との関係
平成21年6月から平成24年12月までの3年半に大都市等とその周辺で取得された「いぶき」データを解析
・世界の大都市等においてその周辺よりも二酸化炭素濃度が高い傾向
・濃度差と化石燃料消費量データから算出した濃度差との間に正の相関→「いぶき」は大都市等における化石燃料消費による二酸化炭素濃度の上昇を捉えている可能性が高い

全世界

北米と東アジア日本●今回の研究結果により・衛星で二酸化炭素濃度を観測することが、化石燃料による温室効果ガス排出（インベントリ）の監視ツールとして有効利用できる可能性がある
インベントリ等による人為起源CO2濃度と「いぶき」による人為起源CO2濃度との関係

34

これまでの事業成果- GOSATに関連した学術論文数–（平成27年3月末現在）

60
GOSATデータを利用した論文数

50

論文数

50

GOSATデータを利用していない論文数

43

年別合計論文数

4040

計︓193本3032305017202015115123422513100605415208101457481002007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

年

35

GOSAT-2 CG

GOSAT-2

CAI-2

FTS-2

GOSAT-2プロジェクト
平成29年度(2017年度)後半に打ち上げ予定
3636(c)MELCOGOSATとGOSAT-2の主要諸元の比較
打ち上げ年と寿命

GOSAT

GOSAT-2

2009年1月, 5年

2017年度, 5年

衛星の諸元（本体の大きさ、重量、 3.7 x 1.8 x 2.0 m,発電電力）
1750kg, 3.8KW (5年後)

5.3 x 2.0 x 2.8 m,<2000kg, 5.0KW衛星の軌道（種類、高度、回帰日数、赤道通過時刻）

太陽同期軌道,666 km, 3日, 13:00

太陽同期軌道,613 km, 6日, 13:00±15 min

観測対象気体二酸化炭素、メタン、酸素、水蒸気二酸化炭素、メタン、酸素、オゾン、水蒸気、一酸化炭素

Band 1 : 0.76 – 0.78 µm
Band 2 : 1.56 – 1.72 µm
Band 3 : 1.92 – 2.08 µm
Band 4 : 5.6 – 14.3 µm

Band 1 : 0.75 – 0.77 µm
Band 2 : 1.56 – 1.69 µm
Band 3 : 1.92 – 2.33 µm
Band 4 : 5.5 – 8.4 µm
Band 5 : 8.4 – 14.3 µm
瞬時視野= 9.7 kmf

フーリエ変換分光計（波長範囲及び瞬時視野）

瞬時視野= 10.5 kmf
直下視のみ
B1 = 380 nm
B2 = 674 nm
B3 = 870 nm
雲・エアロソルセンサ(観測方向、各バンドの中心波長、 B4 = 1600 nm空間分解能、刈り幅）
B1-B3 = 500 m / 1000 km,
B4 = 1.5 km / 750 km
GOSAT-2 FTS-2における改良点

B1-5: 前方視, B6-10:後方視B1 = 343 nm B6 = 380 nm
B2 = 443 nm B7 = 550 nm
B3 = 674 nm B8 = 674 nm
B4 = 869 nm B9 = 869 nm
B5 = 1630 nm B10= 1630 nm
B1-B4, B6-B9=460 m/920 km
B5, B10 = 0.92km / 920 km

・インテリジェントポインティング，AT角の拡張，SN比の向上

3737

世界の温室効果ガス観測衛星計画 （2015年11月時点）
ミッション

運用期間

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025(西暦)(年月〜年月）

ESA ENVISAT 2002/3
SCIAMACHY‐ 2012/4
日本GOSAT

2009/1+ 5 年間米国・NASAOCO‐2

2014/7+ 2 年間中国TanSat

2015/6+ 3 年間米国・NASAOCO‐3(ISS)2017 Fall+ 3 年間

日本
GOSAT‐2

2018/1+ 5 年間仏・CNES
MicroCarb2018+ 3 年間欧州・ESA
CarbonSat

2020+ 5 年間欧州 ESA ENVISAT (2002〜2012)中国 TanSat (2015〜)

緑黄色
ピンク

SCIAMACHY
GOSAT

計画運用期間
延長運用期間ミッション終了年

OCO‐2TanSat
OCO‐3

GOSAT‐2
MicroCarb
2015年11月
日本 GOSAT (2009〜)

仏 CNES MicroCarb (2018〜)

CarbonSat
米国 NASA OCO‐2 (2014〜)

欧州 ESA CarbonSat (2020〜)

38まとめ

温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」の観測の現状と今後

 温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」（GOSAT）は、5年間の定常運用の後、何回か装置にトラブルは生じたものの、全て克服して7年目の運用に入った現在も観測を続けている。
 装置のトラブルによってデータの特性に若干の変化が生じたが、貴重なデータは科学利用されている。
 2017年度末にはGOSATの性能を向上したGOSAT-2の打ち上げが予定されており、それに向けて三者はそれぞれの準備を進めている。また、GOSAT-2サイエンスチームも活動を始めている。
 温室効果ガスの衛星観測の世界の状況は、GOSAT OCO-2 (米国二酸化炭素観測衛星)  （TanSat (中国二酸化炭素観測衛星)）  GOSAT-2 と進むことになる。
39