Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
東京大学博士論文.

3）日本エネルギー学会(2002): 新エネルギー等導入促進基礎調査（バイオマスエネルギーの利用・普及政策に関する調査）.

4）小原聡(2006)：高バイオマス量サトウキビを用いたバイオエタノール生産-沖縄県伊江島における実証試験-、

URL:http://www.kinkiagri.or.jp/activity/Sympo/sympo50%28100315%29/3ohara.pdf.

5）橋本紗希、Krissanndi Wijaya、乃田啓吾、吉田貢士、加藤亮(2011)：スウィートソルガム栽培における圃場レベルの窒素・リン収支解析、平成23年度農業農村工学会全国大会講演要旨集、pp.722-723.

6）小原聡、寺島義文、杉本明、早野達宏、氏原邦博、下ヶ橋雅樹、迫田章義(2005)：エネルギー用サトウキビからの食料共存型バイオマスエタノール生産、Journal of the Japan Institute of Energy, 84, pp.923-928.

7）朝野賢司、美野輪智朗(2007)：日本におけるバイオエタノールの生産コストとCO2削減コスト分析、日本エネルギー学会誌、vol.86，No.9，pp.682-687.

8）山田富明、斉木隆、斎藤熹敬、本波康由、横尾一(2006)：高効率エタノール発酵に基づくセルロース系バイオマスからの燃料用エタノール生産プロセスの開発と評価、第1回バイオマス科学会議発表論文集、(1), pp.28-29.

9）丸山利輔・三野徹（1999）：地域環境水文学，朝倉書店，p.34

10) Richard G. Allen, Luis S. Pereira, Dirk Raes, Martin Smith: Crop evapotranspiration, FAO Irrigation and drainage paper 56

11) 水野直次・南松雄（1980）：硫酸-過酸化水素による農産物中N,K,Mg,Ca,Mn定量のための迅速処理法、日本土壌肥料学会誌51，pp.418-420

12) 吉田貢士・加藤亮・乃田啓吾・Krissandi Wijaya・黒田久雄（2011）：播種日，施肥量の違いが燃料作物スイートソルガムの窒素吸収に及ぼす影響、応用水文No.23，pp.11-20

13)環境省(2004)：環境管理局水環境部「硝酸性窒素による地下水汚染対策事例集」平成16年7月 http://www.env.go.jp/water/chikasui/no3_taisaku/index.html

14) 農林統計協会 (2008) : 2005年農論集落力ード

15)茨城県（2009）：平成20年茨城県統計年鑑
# Construction of Sustainable and Regional Community Model Based on Agricultural Bio-fuel Production

Principal Investigator: Yasurou KURUSU

Institution: College of Agriculture, Ibaraki University

3-21-1 Chuo, Ami, Inashiki, Ibaraki 300-0393, Japan

Tel:+81-298-888-8646 Fax:+81-298-888-8525 E-mail: krsy@mx.ibaraki.ac.jp

Key Words: Bio-fuel, Sweet Sorghum, Ethanol production,

Soil and water assessment, Life cycle assessment

This project aims to construct regional systems for producing and using bio-fuel that contribute to the sustainability and independency of local communities and to assess their environmental impacts and effectiveness in the communities.

First, biomass productivity, optimum sowing date, harvesting date, and fertilizer (nitrogen, phosphoric acid, potassium) application rate of sweet sorghum were examined to establish the stable cultivation technique, and we developed the cultivation guidelines in Ibaraki prefecture. The possibility of development of frequency of polyploidization was examined. In consequence, two polyploid plants were first constructed. We revealed that biomass production and chlorophyll content were augmented by Phialocephala fortinii. Veronaeopsis simplex, a kind of Dark-septate endophytic fungus (DSE), was found for the promotion of shoot and root growth in sweet sorghum even in low temperature condition.

Second, the efficient ethanol production from sweet sorghum juice was examined by repeated-batch fermentation and high-conversion-rate was obtained. The use of sweet sorghum lees for livestock feed was tested and the fibers in the sweet sorghum were efficiently decomposed by steam-explosion by a short period. A butanol-torelant strain was isolated from the Clostridium beijerinckii that could produce butanol from sweet sorghum juice and it was found that butanol could be produced efficiently from the sugar by the continuous fermentation.

Third, the onsite distributed bio-ethanol system of sweet sorghum was evaluated in energy, economic, and environmental aspects. As a result, in case of A town scale calculation, the energy output/input rate was 1.9, which was the value of bio-ethanol energy per total input energy for its production. And cost estimation was 118.3 yen/L. About 70% of estimated cost was labor cost for sweet sorghum cultivation. Nutrients load from sorghum field were less than other vegetable crops. Those results show that more low input, more labor saving cultivation system should be established to improve the energy, economic and environmental system performances.
# バイオ燃料農業生産を基盤とした持続型地域社会モデルに関する研究

地域でのバイオ燃料供給

阿見町モデル (阿見町内に1プラントを建設した場合)

●1L 当たりの製造コスト：184.2円

●原料調達費（栽培に要する費用）が大きい↓

現在のままの栽培形態では製造コストが高い

→社会展開をはかるには栽培費用の低減が必要

→栽培パッケージモデルの開発（低投入持続的栽培方法）

●エネルギー収支はプラス，CO2削減効果もある

● エネルギー産出投入比：1.9

(＝産出エネルギー/投入エネルギー)

しかし、実用的には3以上が必要

↓

施肥・農薬等の削減・生産システムの改善が必要

茨城県モデル（茨城県内でスケールを拡大した場合）

プラント数	代表半径(km)	プラント処理能力(kL)	プラント建設費(定額、17年償却)(百万円)	運搬費(百万円)	人件費(百万円)	エタノール生産額(原料費抜き)(円/L)	スイートソルガム購入費*(百万円)	合計(百万円)	エタノール生産額(原料費込み)(円/L)
1	43.0	24093	255	599	38	37.0	361-1,806	1,254-2,699	52-112
2	30.4	12047	314	424	77	33.8	361-1,806	1,176-2,620	49-109
3	24.8	8031	354	346	116	33.9	361-1,806	1,177-2,622	49-109
4	21.5	6023	386	300	154	34.9	361-1,806	1,201-2,646	50-110
5	19.2	4819	413	268	193	36.2	361-1,806	1,234-2,679	51-111

*：ソルガム購入費を1000-5000円/トンと仮定した場合。

● スイートソルガムの栽培およびプラントのスケールを拡大すると、エタノール生産額を低減できる。
課題名 2RF-1304 水蒸気量変動の気候変化に関する研究

課題代表者名 藤田 実季子 （国立研究開発法人海洋研究開発機構 シームレス環境予測分野）

研究实施期间 平成25～27年度

累計予算額 18,440 千円（うち平成27年度：6,348 千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキーワード 水蒸気量（可降水量）、リモートセンシング、気候変動、極端現象

研究体制

(1) GPS可降水量を用いたアジア域の水蒸気変動の把握(国立研究開発法人海洋研究開発機構)

(2) 温暖化予測モデルにおける水蒸気量再現性と気候再現性の評価（首都大学東京）

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

大気中の水蒸気は氷粒・水滴・水蒸気と相転移を介し、その変化は気候感度における最大のフィードバックである(IPCC第4次報告書)。これらの変動は地球全体の水／エネルギー循環に大きく影響を及ぼすため、高精度かつ長期間の水蒸気の絶対量及び時空間変動の観測は大変重要であると考えられる。水蒸気量の観測は、現業のラジオゾンデやマイクロ波センサーを搭載した衛星によるものが主流であり、Ross and Elliott (2001)はラジオゾンデデータを用い、対流圏の水蒸気量の長期トレンドを調査した。Trenberth et al. (2005)では、Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I)によって観測された可降水量を用いて、1988年から2003年にかけての海上の可降水量の変化量を示した。

一方で、Global Positioning System(GPS)の衛星電波が大気中を通過時の遅れを計測して得られる積算水蒸気量（可降水量）は、高精度・高時間分解能が利点として挙げられる。環境省環境研究総合推進費革新型研究開発領域課題、RFa11-01「温暖化影響評価のための高精度水蒸気量データセットの作成」では、GPS衛星データから可降水量を算出し、データセットとして公開した（GPS p Recipitable wAter reSearch Project (GRASP）可降水量データ）。

RFa11-01課題では次の成果が得られている。可降水量の過去10年程度の水蒸気変化量が算出され、日本の筑波では1年あたり+0.02mmの変化量が見積もられた(Fujita et al., 2012)。また、水蒸気量データの相互比較では、再解析データには水蒸気量そのものに大きなばらつきが存在し、領域の降水量のみならず、全球規模の気温にまで大きく影響することが明らかとなった(Takahashi et al., 2012)。

しかし、水蒸気変動の詳細な把握にはいくつかの解析不十分な点が挙げられる。特に日本域の稠密で高時間分解能なGPS可降水量データについて、この特性を生かした、地域スケールの水蒸気変動の気候変化は、地域の降水量にも影響するため調査が必要と考えられる。また最新のCMIP5を用いた水蒸気変動の再現性の評価は、未だ行われていない。

以上のことから、水蒸気は、最大の温室効果気体であり、同時に最大の不確実性を伴っているとも言える。GRASP可降水量データを利用した、地域スケールの水蒸気変動の把握や、CMIP5モデル内での再現性の評価は気候変化を知る上で、重要な情報となると考えられる。

### 2. 研究開発目的

研究背景をふまえ、以下の通り目的を設定する。

GRASP可降水量データを元に地域スケールの水蒸気変動の気候変化の把握を行う。特に、日本域における詳細スケールの水蒸気変動・極値についての長期変動を調査する。また、気候変動に伴う気温変化によって可降水量がどの程度変動するのか、地上気温と可降水量の関係性の調査を行う。さらに近年運用が本格化している複数のナビゲーション衛星を用い、可降水量を算出し精度を評価する。

最大の温暖化気体である水蒸気の絶対量及び時空間分布変動についてCMIP5モデルでの再現性を比較検
証する。さらに、水蒸気量変動が、日本を含むアジアモンスーン域などの気候変動とどのような関係があるのかを調査する。その際に、空間解像度の細かいGRASP可降水量と空間解像度の粗いCMIP5の温暖化モデルの直接的な比較は難しいため、領域気候モデルを用いて、空間解像度のギャップをつなぐ。さらに、領域規模の気候変動における、水蒸気量変動の影響について、日本を含むアジアモンスーン域を対象に評価する。

### 3. 研究開発の方法

## (1) GPS可降水量を用いたアジア域の水蒸気変動の把握

GRASP可降水量を中心とした、水蒸気量変動把握のための解析を実施した。まず、水蒸気量の解析に関連する観測データの収集・整備した上で、季節毎の頻度分布を考慮し、夏季と冬季の極端値の出現特性をとその年々変動や長期変動傾向を解析した。さらに、水蒸気量（飽和水蒸気量）は気温のみに依存する物理量であることから、地上気温と可降水量の関係をクラウジウス・クラペイロンの関係に準ずるかに注目し調査した。また、GPS衛星のみで解析していたGRASP可降水量データについて、複数のナビゲーション衛星を用いる方式へシステムを更新し、現バージョンとの比較を実施し、可降水量推定における精度向上への効果を調査した。追加対象とする衛星はGLONASS（ロシア）とQZSS（日本、愛称：みちびき）とした。

## (2) 温暖化予測モデルにおける水蒸気量再現性と気候再現性の評価

温暖化予測モデルにおける水蒸気量の空間分布及び季節変化、経年変化の把握のための、温暖化予測モデルの出力データを収集する。水蒸気量に関するモデル出力データのみならず、降水量や気温等の気候変動に関連する物理要素についても収集・整備を行う。そこで、まずは、全球の水蒸気量が使用できる大気の再解析データを用いて、それらのばらつきを調べ、観測データが同化された再解析データでどの程度の再現性があるのかを調べる。

また、近年世界各地で、地上気温の上昇が報告されているが、同時に海面水温も上昇しており、特に黒潮域の海面水温の上昇が世界の海洋の平均よりも大きいことが指摘されている。また、夏季の地上気温の上昇は、熱中症リスクの増大や電力の需要逼迫など、私たちの健康や生活に大きな影響を及ぼす。地域スケールの気温変動には、地球温暖化に伴う広域的な気温上昇に加えて、近傍の海面水温による地域スケールの気温上昇が含まれているため、両者を区別して評価することで、その地域の気温変動の原因解明につながることが期待される。夏の関東地方の気候変動に着目し、海面水温変動が気温に及ぼす影響を、高解像度の長期間の数値シミュレーションから定量的に明らかにした。

### 4. 結果及び考察

## (1) GPS可降水量を用いたアジア域の水蒸気変動の把握

GRASP可降水量データの解析により、日本域では極端に湿润な可降水量を観測する頻度が、最近10年において緩やかに増えているということが明らかになった。この傾向は夏季だけでなく冬季でも見られた。すなわち近年の湿润化傾向が観測データから明らかとなった。これまでの現地観測では湿度センサーのシステマティックなバイアスのために長期変動を示すのが難しい状況であることからも、このような観測結果は貴重であると言える。

可降水量の地上気温に対する変化率についても解析した。（飽和）水蒸気量は気温により決定される（クラウジウス・クラペイロンの定理）が、高温時に大気はより深い水蒸気収束を形成する傾向があるため、地上気温による変化率は、クラウジウス・クラペイロンの関係を超えることが分かった。この変化率の上昇傾向は降水過程と関係していることも観測データの解析により明らかとなった。さらにCMIP5による降水量と、GPS遅延量による水蒸気量変動の傾向についても明らかになった。

マルチGNSSによる可降水量はGPS衛星のみから算出された値よりも精度が向上する結果が得られた。精度の向上は可降水量のみならず、観測点の座標値にもその効果が見られた。この成果は2014年の米国航法学会でBest Presentation Awardsを受賞した。

## (2) 温暖化予測モデルにおける水蒸気量再現性と気候再現性の評価（首都大学東京）

CMIP5モデルでの水蒸気の再現性を調べるために、CMIP5の過去再現実験のデータと、CMIP3の過去再現実験とも比較し、CMIP5モデルがCMIP3モデルに比べて可降水量の空間分布が良くなったことが分かった。一方で、空間標準偏差は、依然としてばらついているため、可降水量の空間的な凹凸の再現性の改善の必要性があることがわかった。

アジアモンスーン域である日本付近において、水蒸気量変動による領域規模の温室効果についても調査した。
シミュレーション結果から、海面水温変動のみに起因する気温などの変動を取り出し、海面水温の年々の変動が、関東地方の気温変動を増幅していることが分かり、関東地方の気温変動のうちの約3割が海面水温の変動によって説明されることが分かった。これは、領域規模の温室効果の強化を示唆していると考えられる。海面水温が平均よりも高い年は、地上気温だけではなく、水蒸気量も大きくなることが分かった。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

GRASP可降水量の極値の年々変動を調査することで、近年、日本の広い範囲で極端な湿润が増加、乾燥が減少している傾向が明らかとなった。これまでの現地観測では湿度センサーのシステマティックなバイアスのために長期変動を示すのが難しいことから、貴重な観測結果であると言える。

可降水量と気温によるスケーリングが、水蒸気のスケールハイトの概念を導入することで、クラウジウス・クラペイロンの定理との関係性が明らかになった。強雨による先行研究と同様に、気温が上昇するに従い水蒸気量は急激に増加する傾向が水蒸気の観測データから初めて得られた。

複数のナビゲーション衛星（マルチGNSS）を用いることで、可降水量算出の元となる大気遅延量の推定誤差に顕著な改善が見られた。CMIP5モデルの将来予測実験の不確実性に関連するモデル間のばらつきについて評価し、水蒸気量は、全球平均した年平均1.5 mmから2 mm程度であることがわかった。この成果は2014年の米国航法学会でBest Presentation Awardsを受賞した。また、GNSSを用いた視線方向の解析で通常の観測では捉えられない小規模の水蒸気収束を伴う乱流が観測された。大気海洋相互作用を理解する上で重要な証拠と言える。

地域規模の水蒸気量変動は、地域規模の温室効果の強化をもたらす可能性が示唆された。具体的な現象として、日本近海の海面水温が高い場合に、その近傍で、水蒸気量変動を通して高温多湿環境が形成されることがわかった。暖候期の海面水温が水蒸気量変動を通して、地域規模の気候に影響を及ぼしていることは、領域気候変動の視点と健康影響の視点から重要な結果である。

## (2) 環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載するべき事柄はない。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

準天頂衛星「みちびき」を有効的に使用できる。高精度・高時間分解能の可降水量データが気象予報へ導入されれば、より正確な防災情報を提供可能になる。さらには気温上昇に伴う定量的な水蒸気量の変化を考慮した、降水現象の予測や防災予測情報の予測が実施可能になる。

日本域において、領域規模の水蒸気量変動が領域スケールにおいて温室効果を強化している可能性がある。熱中症などの健康被害の観点からも、水蒸気量の監視が重要である。

### 6. 研究成果の主な発表状況

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1) Fujita M., H. G. Takahashi, N. N. Ishizaki, and F. Kimura: Atmos. Sci. Lett., 15: 275–281. (2014), "Long-term variation of winter precipitation linked to sea surface heat fluxes around the Japan/East Sea"

2) Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, C. Rocken, Proceedings of the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), 1085–1089. (2014), "Tropospheric Monitoring Over the Ocean using Shipborne GNSS Receiver"
3) Takahashi, H. G., S. A. Adachi, T. Sato, M. Hara, X. Ma, and F. Kimura (2015): An Oceanic Impact of the Kuroshio on Surface Air Temperature on the Pacific Coast of Japan in Summer: Regional $ H_{2}O $ Greenhouse Gas Effect. Journal of Climate, 28, 18, 7128–7144.

## (2) 主な口頭発表 (学会等)

1) Fujita, M., H. G. Takahashi, N. N. Ishizaki and F. Kimura: Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013 (Vienna, Austria) "Winter precipitation in the Sea of Japan side associated with the sea surface flux"

2）藤田実季子、高橋洋、原政之：2013年度日本気象学会秋季大会（仙台「インド洋ダイポールモード現象とスマトラ島降水日変化」

3）高橋洋、足立幸穂、原政之、馬燮銚、木村富士男：2013年度日本気象学会秋季大会（仙台）「東京および名古屋都市域での地上気温の年々変動に対する海面水温（SST）の影響」

4）町田駿一、高橋洋：2013年度日本気象学会秋季大会（仙台）「夏季晴天日における名古屋市周辺の雲分布とその時間変化」

5) Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, C. Rocken, the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, 2014. "Tropospheric Monitoring Over the Ocean using Shipborne GNSS Receiver"

6) Fujita, M., H. G. Takahashi and M. Hara: International Conference on Regional Climate – CORDEX 2013 (Brussels, Belgium) “Diurnal cycle of precipitation over the eastern Indian Ocean off Sumatra Island during different IOD phases”

7) Fujita, M., et al.: Issues in downscaling of climate change projection, Tsukuba, Japan, 2015

“Climatological characteristics of precipitation over Japan in NICAM AMIP-type 25-year simulation”

8）藤田実季子、川合義美、永野憲、谷口京子：日本海洋学会2016年度春季大会（2016）「黒潮続流域における水蒸気不均一性」

### 7. 研究者略壓

課題代表者:藤田 実季子

筑波大学大学院修了、博士（理学）、现在独立行政法人海洋研究開発機構技術研究員

研究分担者: 高橋洋

名古屋大学環境学研究科博士課程修了、博士（理学）、現在首都大学東京都市環境学部助教
（１）GPS可降水量を用いたアジア域の水蒸気変動の把握

国立研究開発法人海洋研究開発機構

シームレス環境予測分野

藤田実季子

平成25(開始年度)～27年度累計予算額：10,220千円（うち平成27年度：4,174千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

大気中の水蒸気の変動は地球全体のエネルギー循環に大きく影響を及ぼすため、高精度かつ長期間の水蒸気の絶対量及び時空間変動の観測は大変重要である。Global Positioning System (GPS)の衛星電波が大気中を通過時の遅れを計測して得られる積算水蒸気量（可降水量）は、高精度・高時間分解能が利点として挙げられる。本サブテーマでは、このGPSによる可降水量データセット（GPS p Recipitable w Ater re Search Project (GRASP）可降水量データ）を解析し気候変動に伴う地域スケールの水蒸気変動の特性を調査した。さらに、GPS衛星のみで解析していたGRASP可降水量データについて、複数のナビゲーション衛星（マルチGNSS）を用いる方式へ更新し現バージョンとの比較から可降水量推定における精度向上への効果を調査した。

GRASP可降水量データの解析により、日本域では極端に湿润な可降水量を観測する頻度が、最近10年において緩やかに増えているということが明らかになった。この傾向は夏季だけでなく冬季でも見られた。すなわち近年の湿润化傾向が観測データから明らかとなった。これまでの現地観測では湿度センサーのシステマティックなバイアスのために長期変動を示すのが難しい状況であることからも、このような観測結果は貴重であると言える。

可降水量の地上気温に対する変化率についても解析した。（飽和）水蒸気量は気温により決定される（クラウジウス・クラペイロンの定理）が、高温時に大気はより深い水蒸気収束を形成する傾向があるため、地上気温による変化率は、クラウジウス・クラペイロンの関係を超えることが分かった。この変化率の上昇傾向は降水過程と関係していることも観測データの解析により明らかとなった。さらにCMIP5による降水量と、GPS遅延量による水蒸気量変動の傾向についても明らかになった。

マルチGNSSによる可降水量はGPS衛星のみから算出された値よりも精度が向上する結果が得られた。精度の向上は可降水量のみならず、観測点の座標値にもその効果が見られた。この成果は2014年の米国航法学会でBest Presentation Awardsを受賞した。

## [キーワード]

水蒸気量（可降水量）、リモートセンシング、気候変動、極端現象
### 1. はじめに

大気中の水蒸気の変化は気候感度における最大のフィードバックであり（IPCC第4次報告書）、氷粒・水滴・水蒸気と相転移を介し、その変動は地球全体の水／エネルギー循環に大きく影響を及ぼすため、高精度かつ長期間の水蒸気の絶対量及び時空間変動の観測は大変重要であると考えられる。水蒸気量の観測は、現業のラジオゾンデやマイクロ波センサーを搭載した衛星によるものが主流であり、Ross and Elliott（2001）¹はラジオゾンデデータを用い、対流圈の水蒸気量の長期トレンドを調査した。Trenberth et al.（2005）²では、Special Sensor Microwave/Imager（SSM/I）によって観測された可降水量を用いて、1988年から2003年にかけての海上の可降水量の変化量を示した。

一方で、Global Positioning System（GPS）の衛星電波が大気中を通過時の遅れを計測して得られる積算水蒸気量（可降水量）は、高精度・高時間分解能が利点として挙げられる。環境省環境研究総合推進費革新型研究開発領域課題、RFa11-01「温暖化影響評価のための高精度水蒸気量データセットの作成」では、GPS衛星データから可降水量を算出し、データセットとして公開した。RFa11-01課題では可降水量の比較的長期の水蒸気量の変化が算出され、日本の筑波では1年あたり+0.02mmの変化量が見積もられた（Fujita et al., 2012 $ ^{3} $ ）。しかしながら、類似した変化量は先述の衛星データでも確認されており、GPSデータの利点である高時間分解能を生かした解析は行われていない。降水現象は急速な水蒸気量変動を伴うことを考慮すると、1時間値以上の高時間分解能な水蒸気量変動、またその長期変動の把握は急務である。

さらに近年、米国GPS衛星に続く複数のナビゲーション衛星の運用が日本を含む各国始まっており、衛星軌道情報を含め安定したデータ提供がされつつある。衛星数の増加は、大気を通過するデータの増加することであるから、より稠密で正確な水蒸気データを算出可能になると期待されるが、これまで定量的な検定は行われていないため調査が必要である。

## 2 ．研究開発目的

以上をふまえ以下の目的を設定した。

(1) GRASP可降水量の変動特性の調査

GRASP可降水量データを利用した、地域スケールの水蒸気変動の気候変化の把握を行う。特に、アジア・日本域における詳細スケールの水蒸気変動・極値についての長期変動を調査する。

(2) 地上気温と可降水量の関係性の調査

気候変動に伴う気温変化によって可降水量がどの程度変動するのか、関係性の調査を行う。

(3) マルチGNSSの効果の調査

複数のナビゲーション衛星を用いて算出された可降水量の精度を評価する。
## 3 ．研究開発方法

まず、水蒸気量の解析に関連する観測データの収集・整備した。収集したデータは地上観測の気象要素（気温・気圧・降水量・混合比・風向風速・日射量）、台風経路データ、気象再解析データ等である。

GRASP可降水量の変動特性の調査において、日本域の季節毎の頻度分布を考慮し、夏季と冬季の可降水量の出現頻度の把握を行った。出現特性をふまえ気候学的な極端値を算出し、その基準値をもとに、極端な高（低）値の頻度の年々変動や長期変動傾向を解析した。

水蒸気量（飽和水蒸気量）は気温のみに依存する物理量であることから、地上気温と可降水量の関係をクラウジウス・クラペイロンの関係に準ずるか調査した。さらに世界的な地上気温と可降水量の関係性を示すために、乾燥大気に対する湿潤大気の割合をGRASP可降水量算出の元である、大気遅延量から算出（大気遅延量比）し、気候帯との関連性を議論した。

また、GPS衛星のみで解析していたGRASP可降水量データについて、複数のナビゲーション衛星を用いる方式へシステムを更新し、現バージョンとの比較を実施し、可降水量推定における精度向上への効果を調査した。追加対象とする衛星はGLONASS（ロシア）とQZSS（日本、愛称：みちびき）とする。衛星観測のイメージを図(1)-1に示す。

図(1)-1 マルチ衛星観測のイメージ（Iwabuchi et al. 2011 $ ^{4)} $ ）
## 4 ．結果及び考察

## （１）GRASP可降水量の変動特性の調査

GRASP可降水量の変動特性を解析するために、まず、日本域のGRASPデータから比較的欠測が少なく、均一的にデータがそろっている観測点を100点程抽出した。1998年から2010年における、全点の可降水量による頻度分布を図(1)-2に示す。頻度は観測データ数で正規化している。全期間の頻度分布（all）は、可降水量5mm前後と25mm前後の2つの極大を持つような確率分布を示した。この2つの極大は、冬（12月から2月）と夏（6月から8月）の極大を反映しており、基本的には気温の頻度分布により、一部梅雨入りの総観規模の水蒸気増加の影響が捉えられている。観測点別にみても（図(1)-3）、分布傾向は緯度などによらずほぼ類似していた。このような二極大をもつ頻度分布は地上気温の頻度にも見られることが分かっている。

図(1)-2 GRASP可降水量の強度別頻度分布

図(1)-3 季節・地点別のGRASP可降水量の強度別頻度分布
気候変動で懸念されるのが、気象現象の極端化である。水蒸気量の降水イベントなどへの影響は直接的には説明できないが、大量の水蒸気が激しい降水が起こっている場所に吹き込んだ場合、降水強度や持続時間が変化するだろう。そこで次に極端な水蒸気量の年変動を調査した。先に得られた各観測点の夏季・冬季の頻度分布（図(1)-3）から、上位5％と下位5％値を算出した。これを統計的な極値の基準値として、この値を超える頻度を各年の上位5％と下位5％値で算出し、観測点平均を求めたものが図(1)-4と図(1)-5である（各観測点の値は図(1)-6,7,8を参照）。上位5％を上回る頻度（図(1)-4）は、年々変動が大きいものの緩やかな増加傾向が観測された。したがって、極端な水蒸気絶対量の観測される頻度が、最近10年において緩やかに増えているということが明らかになった。この傾向は夏季だけでなく冬季でも見られた。一方、下位5％を下回る頻度（図(1)-5）は、上位の場合と同様の年々変動が見られ、特に冬季は極端に乾燥する頻度が減る、すなわち湿潤化傾向が見られた。上位の結果をふまえると、図(1)-2の冬季の頻度分布が右にシフトするような傾向と言える。夏季の低位値には顕著な増加／減少傾向はみられなかった。

水蒸気の直接観測にラジオゾンデ観測が挙げられる。しかしながら、ラジオゾンデ観測点の水平解像度や観測頻度は地上観測点と比べ高いとは言えず（日本国内でも16カ所／1日2回）、国によっては公開データが限られている。さらにラジオゾンデの湿度センサーには系統的なバイアスの存在が明らかになっており（Vomel et al., 2007） $ ^{5} $ 、各製造元やセンサーのバージョンによりバイアスの傾向が異なるため（Wang et al., 2007） $ ^{6} $ 、水蒸気量の長期変動を議論する際には注意が必要である。以上の理由から、これまでの観測では長期変動を示すのが難しい。今回得られた観測結果は貴重であると言える。

図(1)-4 上位5%値を超える可降水量を観測した頻度（5%値は全統計量から算出）。
図(1)-5 下位5%値を超える可降水量を観測した頻度（5%値は全統計量から算出）。

図(1)-6 各観測点の年平均値（可降水量15mm～30mm）。

図(1)-7 各観測点の下位5%値（可降水量0.5mm～3mm）。
図(1)-8 各観測点の上位5%値（可降水量50mm～75mm）。

## （２）地上気温と可降水量の関係性の調査

飽和水蒸気量の変動は気温によって決定される。クラウジウス・クラペイロンの定理により、水蒸気量は気温1℃あたりおよそ7％増加する。将来気候において相対湿度の変化が無視できれば、可降水量も同等の増加率を示すと推測できる。一方で、過去の研究では時間降水量の極値と地上気温の関係が、ある気温を境にして7％/1℃の増加率を超えることが指摘されている(Lenderink and Meijgaard 2008 $ ^{7} $ )。これは可降水量（実際には飽和可降水量）と地上気温の関係を示していることに他ならない。

そこでGRASP可降水量と近傍点の地上気温を用いて同様の変化率について調査した。まず日本域を対象に、地上気温と可降水量の関係性を探るため、先行研究に基づき日平均地上気温とGRASP可降水量の時間値を用いて解析を行った。日平均の地上気温を基準にするため、地上気温の影響範囲、すなわち大気境界層での議論が必要となる。図(1)-9は地上比湿と可降水量の比から推定される水蒸気のスケールハイトの高度と、図(1)-10はその高度までの飽和水蒸気量の鉛直積算値である。得られた飽和水蒸気量は、日平均地上気温で代表される大気が保持できる水蒸気量の最大値といえる。この水蒸気量はクラウジウス・クラペイロンの定理により、水蒸気量は気温1℃あたり7％程度増加している様子が得られた。
図(1)-9 日平均地上気温と水蒸気のスケールハイトの関係。 赤プロットは気温ビンにおける平均値。

図(1)-10 日平均地上気温と水蒸気のスケールハイト(Hw)まで積算された飽和水蒸気量の関係。赤プロットは気温ビンにおける平均値。

次に、先に求めた境界層内の飽和可降水量と、気柱全層積算値である実際に観測された可降水量の気温依存性を求めた。図(1)-11は境界層内の飽和可降水量に対する可降水量の割合（以下、相対可降水量とする）を示す。特に日平均気温が10℃を超える場合に相対可降水量が100%を超過する傾向が見られた。すなわち境界層内の飽和可降水量を超過する水蒸気が高温時に出現する傾向にあることから、より上空の水蒸気の収束が関係していると考えられる。
図(1)-11 日平均地上気温と境界層内の飽和可降水量に対する可降水量の割合の関係。 棒グラフは各気温ビンでの平均の標準偏差を示す（右軸）。

そこで、各気温帯による相対可降水量と同時期に観測された時間雨量の強度別頻度分布求めた。図(1)-12に示す。高温時かつ高相対可降水量時に、より強い降水が観測されていることが明らかとなった。以上から、水蒸気量（可降水量）の気温依存性の正確な理解には、境界層から自由大気への鉛直方向の水蒸気変動の理解が不可欠であると考えられる。これには降水過程も含まれる。温暖化予測モデルを含む多くの数値モデルは、該当部分を各モデルのために調節されたスキームを用いているため、未だ正確な表現が難しい状況であり、モデル間のばらつきが生じていると推測される。
図(1)-12 気温別の強度別降水頻度。赤線は相対可降水量が120%を超える場合。黒線はそれ以外。

さらに世界的な地上気温と水蒸気量の関係性を、乾燥大気に対する湿润大気の比をGRASP可降水量算出の元である、大気遅延量から算出（大気遅延量比）し、気候帯との関連性を議論した。大気の屈折率は気温(T)、乾燥大気の分圧(P_{d})、水蒸気の分圧(P_{v})に関係しており、以下のような関係がある。(Thayer, 1974 $ ^{8} $ )。係数k_{1}, k_{2}, k_{3}には実験的な値が代入される。
$$ \begin{aligned}&10^{6}[n-1]=\\ &k_{l}\bigg(\frac{P_{d}}{T}\bigg)+k_{2}\bigg(\frac{P_{v}}{T}\bigg)+k_{3}\bigg(\frac{P_{v}}{T^{2}}\bigg)\\ \end{aligned} $$

GPS衛星による大気遅延量は乾燥大気による静水圧遅延量と湿润大気による湿润遅延量ものに分類される。可降水量は湿润大気による遅延量から算出される。ここで上式の第1項が静水圧遅延量、第2-3項が湿润遅延量を示す。これらの地上気温との関連性を、静水圧遅延量に対する湿润遅延量の割合（大気遅延量比）を用いて解析した。すなわち、気温上昇に対して湿润遅延量の割合が増えれば、温暖化時により湿润化する傾向がある。図(1)-13は日本域における、大気遅延量比の気温ビン毎の平均値の分布である。降水の有無に関わらず、気温上昇とともに湿润遅延量の割合が増加している傾向が明らかであった。

図(1)-13 日本域の気温別の大気遅延量比 [%]。赤線は降水が観測された際の上位75パーセンタイル値、青線は無降水時の平均値、灰線は全ての平均値を示す。

同様の解析を比較的長期的に観測されている世界の観測点について抽出し実施した。図(1)-14は代表的な観測点の大気遅延量比を示したものである。先述の日本域と同様に気温とともに湿润遅延量が増加する観測点だけでなく、減少する傾向の観測点（ギアナ）も存在した。ギアナの観測点は赤道直下のため気温変化が小さいが乾燥化が顕著であった。この傾向をCMIP5による降水量の将来変化量(図(1)-15)と比較すると、ギアナのみが降水量が減少する地域であり、大気遅延量比による傾向と一致した。気温上昇とともに静水圧遅延量の割合が増加していることから、大気循環による気圧変化、すなわち高気圧性循環が強化する傾向が強いことが推測される。

以上のように、今回導入した大気遅延量比は乾燥大気と湿润大気を、定量的に分類して気温変化に伴う大気循環の変化を読み取ることができる。
図(1)-14 世界代表地点の気温別の大気遅延量比[%]。赤線が平均値。黒線は高値から99，95，90，80，70パーセンタイル値を示す。

図(1)-15 降水量の将来変化との比較(参考値)
## （３）マルチGNSSの効果の調査

GRASP可降水量データについて、複数のナビゲーション衛星を用いる方式へシステムへの更新作業を行った。主な変更点としては、解析に用いるGLONASS、QZSSの衛星情報の取得と衛星コード使用を有効にする設定変更が挙げられる。変更したシステムを用い、GPS衛星のみを用いた現バージョンと、複数ナビゲーション衛星を用いた（マルチGNSS）場合の、可降水量に与える影響を調査した。解析から得られた大気遅延量から、Elgered et al.（1991）⁹）により大気遅延量のうちの乾燥大気による部分を取り除き、湿润大気遅延量を取り出した。取り出された湿润大気遅延量と地上気象要素(気温、気圧)を用いて、Bavis et al.（1992）¹⁰）により可降水量に変換を行った。大気状態を仮定する際に大気モデルを用いるが、今回はSaastamoine model（Saastamoinen, 1972¹¹）を用い、マッピング関数はGlobal Mapping Function (Boehm et al., 2006¹²）を用いた。

図(1)-13は、試験的に移動体上で観測されたGPSまたはマルチGNSSによる大気遅延量から算出された可降水量と、121回のラジオゾンデ観測により観測された可降水量の散布図である。GPSまたはマルチGNSSによる可降水量はラジオゾンデが放球された時刻の前後30分について平均した値を用いた。結果として、特にGPSで大きかった観測誤差がかなり改善される傾向が得られた。GPSのみ使用の場合（図(1)-16上）は二乗平均平方根が5.55 mm、バイアスが1.40 mmであったのに対し、マルチGNSSを使用した場合（図(1)-16下）では、二乗平均平方根が2.22 mm、バイアスが0.17 mmであった。また、大気遅延量を求める元となる座標値の推定誤算の改善も見られた。これはマルチGNSSデータを用いることによって、平均観測衛星数が、8.9個から13.0個に増加し観測範囲が広がることで、データの空間代表性が改善したと考えられる。

図(1)-16 GPS可降水量とラジオゾンデ可降水量の比較散布図。（左）GPSのみで算出された可降水量、（右）複数のナビゲーション衛星を追加して算出した可降水量による比較。ラジオゾンデの可降水量は双方同一のものを使用。
さらに、可降水量推定の元となる座標値推定時の、推定誤差の頻度分布を図(1)-17に示す。平均の二乗平均は水平方向にはほとんど影響しないが、鉛直方向について10cmほどの改善が見られた。鉛直方向は大気の厚さと直接関係するため、可降水量との関係性が非常に高い。従って、マルチGNSSを用いる事で可降水量のみならず座標値推定にも良い影響をおよぼしていることが分かった。

図(1)-17 座標値推定時の推定誤差の頻度分布

精度向上が確認された複数のナビゲーション衛星のデータについて、視線方向の解析を行い得られた現象を調査実施した。これまで用いてきたGPS可降水量は、同一観測点で同時に観測される複数のGPS衛星からの伝搬電波を全て用い、半径20-30kmの範囲の平均的な可降水量を求めている。一方でそれぞれの視線方向の電波を分離して扱う（図(1)-18参照）ことで、平均的な可降水量からの空間的な水蒸気のずれ（水蒸気不均一性）を推定することができる（Shoji et al. 2013 $ ^{13} $ ）。図(1)-19は暖水域通過時の可降水量と水蒸気不均一性の変化である。暖水域が北緯36.8度から37.3度付近に存在するが、これに対応して水蒸気不均一性の極大が北緯36.9度付近で観測された。可降水量はこれよりも大規模なスケールの影響を受けて減少傾向であった。したがって、暖水域上ではそれ以外に比べて乱流拡散が盛んであり、小規模な水蒸気の対流が分布していることが示唆された。同様の結果も数値実験から得られた（図(1)-20参照）。暖水分布が含まれる海面水温を境界値に与えた実験で、観測に近い結果が得られた。一方、粗い海面水温を用いた場合は水蒸気不均一性が不明瞭であった。このような観測手法は雲のように視覚化されていない現象が捉えられるため、大気海洋相互作用を知る上で役立つと考えられる。
図(1)-18 海面水温(SST)による水蒸気不均一性観測の概念図。黒線が衛星からの伝搬電波を示す。

図(1)-19 観測された水蒸気不均一性(WVI)と可降水量(PWV)の緯度方向の変化。

図(1)-20 領域モデルを用いた数値実験による水蒸気不均一性(WVI)。

実線は現実の海面水温を境界値に与えた結果、破線は空間解像度が粗い海面水温を与えた結果。
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

GRASP可降水量の極値の年々変動を調査することで、近年、日本の広い範囲で極端な湿潤が増加、乾燥が減少している傾向が明らかとなった。これまでの現地観測では湿度センサーのシステマティックなバイアスのために長期変動を示すのが難しいことから、貴重な観測結果であると言える。

可降水量と気温によるスケーリングが、水蒸気のスケールハイトの概念を導入することで、クラウジウス・クラペイロンの定理との関係性が明らかになった。強雨による先行研究と同様に、気温が上昇するに従い水蒸気量は急激に増加する傾向が水蒸気の観測データから初めて得られた。さらにGRASP可降水量の元となる遅延量から算出された大気遅延量比の地上気温との関連性は、CMIP5による降水量将来変化と傾向が一致していることが明らかになった。大気遅延量比は乾燥大気と湿润大気を、定量的に分類して気温変化に伴う大気循環の変化を読み取ることができる。

複数のナビゲーション衛星（マルチGNSS）を用いることで、可降水量算出の元となる大気遅延量の推定誤差に顕著な改善が見られた。CMIP5モデルの将来予測実験の不確実性に関連するモデル間のばらつきについて評価し、水蒸気量は、全球平均した年平均1.5 mmから2 mm程度であることがわかった。この成果は2014年の米国航法学会でBest Presentation Awardsを受賞した。また、GNSSを用いた視線方向の解析で通常の観測では捉えられない小規模の水蒸気収束を伴う乱流が観測された。大気海洋相互作用を理解する上で重要な証拠と言える。

## （２）環境政策への貢献

近年使用可能となったマルチGNSS衛星を用い、より高精度の可降水量データセットが整備される。また気温に伴う水蒸気量の増加傾向が定量的に明らかになり、降水イベントの極端化・継続時間への提言が可能となる。

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

準天頂衛星「みちびき」を有効的に使用できる。高精度・高時間分解能の可降水量データが気象予報へ導入されれば、より正確な防災情報を提供可能になる。さらには気温上昇に伴う定量的な水蒸気量の変化を考慮した、降水現象の予測や防災予測情報の予測が実施可能になる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

## 以下、研究者間の国際連携

GNSS解析ソフトウェア開発: Dr. Chris Rocken, Dr. Ted Iwabuchi (GPS Solutions, Inc./UCAR)

GPS可降水量データセット連携: Dr. Junhong Wang (University at Albany)
## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) Fujita M., H. G. Takahashi, N. N. Ishizaki, and F. Kimura: Atmos. Sci. Lett., 15: 275–281. (2014),

“Long-term variation of winter precipitation linked to sea surface heat fluxes around the Japan/East Sea”

2) Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, C. Rocken, Proceedings of the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+2014), 1085-1089. (2014), "Tropospheric Monitoring Over the Ocean using Shipborne GNSS Receiver"

## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) Fujita, M., H. G. Takahashi, N. N. Ishizaki and F. Kimura: Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013 (Vienna, Austria)

“Winter precipitation in the Sea of Japan side associated with the sea surface flux”

2）藤田実季子、高橋洋、原政之：2013年度日本気象学会秋季大会（仙台）「インド洋ダイポールモード現象とスマトラ島降水日変化」

3) Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, C. Rocken, the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, 2014.

"Tropospheric Monitoring Over the Ocean using Shipborne GNSS Receiver"

4) Fujita, M., H. G. Takahashi and M. Hara: International Conference on Regional Climate – CORDEX 2013 (Brussels, Belgium)

“Diurnal cycle of precipitation over the eastern Indian Ocean off Sumatra Island during different IOD phases”

5) M. Fujita et al.: Issues in downscaling of climate change projection, Tsukuba, Japan, 2015
“Climatological characteristics of precipitation over Japan in NICAM AMIP-type 25-year simulation”

6）藤田実季子、川合義美、永野憲、谷口京子：日本海洋学会2016年度春季大会（2016）「黒潮続流域における水蒸気不均一性」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）「国民との科学・技術対話」の実施

特に記載すべき事項はない

（５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## (6) その他

1) Best Presentation Awards ION GNSS+ 2014 受賞

Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, C. Rocken, the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, 2014.

"Tropospheric Monitoring Over the Ocean using Shipborne GNSS Receiver"

http://www.ion.org/gnss/upload/GNSS14_Best_Presentations.pdf

### 8 \. 引用文献

1) Ross, Rebecca J., William P. Elliott: J. Climate, 14, 1602-1612 (2001) "Radiosonde-Based Northern Hemisphere Tropospheric Water Vapor Trends."

2) Trenberth, K. E., J. Fasullo, and L. Smith: Climate Dynamics, 24, 741 - 758 (2005) "Trends and variability in column-integrated water vapor."

3) Fujita, M., A. Wada, T. Iwabuchi, and C. Roken: Proceedings of the ION GNSS 2012, 3454–3458 (2012)

“GPS Precipitable Water Vapor Dataset for Climate Science”.

4) Iwabuchi T, C. Roken, A. Wada, M. Kanzaki: Proceedings of the ION GNSS 2011, 579–587 (2011)