Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 2 ）JRA25とJRA55の比較

JRA-55の4次元データ同化システムは、2009年12月時点の気象庁現業システムに準拠しており、JRA-25が準拠していた2004年3月時点の現業システム以降の技術開発の成果が取り込まれた大気データ同化システムになっている $ ^{7} $ 。主要な変更としては、同化手法が3次元変分法から4次元変分法へ変更、同化に使用するモデルの解像度がT106L40（水平解像度120km、鉛直40層、最上層0.4hPa）からTL319L60（水平解像度60km、鉛直60層、最上層0.1hPa）へ変更、長波放射スキームがバンドモデルからラインバイラインモデルによるテーブル参照法へ変更、などがあり、他にも短波スキーム、放射過程による雲の取り扱い、積雲対流スキームへのトリガー関数の導入など、各種スキームの変更が行われている。さらに、データ同化に使用する観測データについても、例えば衛星観測データは、気象衛星センターや欧州気象衛星開発機構(EUMETSAT)において再処理されたものを新たに入手し、使用するようになっている。また、従来型観測データと呼ばれる地上観測や高層観測データについても、既存のデータのオフラインチェック、ブラックリストの作成、データエンコード・デコードの誤りの検出によるデータの修正、他機関で問題となったデータへの対処など、徹底した品質管理が行われており、JRA-55によるプロダクトはJRA-25よりも更に時間的な均質性の高い大気の長期データセットであると考えられる。

Iwasaki et al., (2009) $ ^{6)} $ では、各種大気再解析データによるBD循環の比較の中で、6月～8月(JJA)平均のJRA-25の平均子午面循環の気候値には、赤道上空の下部成層圏に他の再解析データには見られない逆転した循環が表現されていることを指摘した。まず、これを確認するため、図(1)-6にJJA平均のJRA-25とJRA-55の質量流線関数分布を示す。気候値としての平均期間が変わってもJRA-25には、赤道下部成層圏に逆転した循環が見られるが、JRA-55の平均子午面循環にはそのような循環は見られない。また、100hPaより上空における北半球循環と南半球循環の境目は上空ほど北半球側に傾く傾向があり、これは、GCMの結果や、ERA-40、Era-interimEra-interim再解析データと一致した。12月から2月(DJF)平均の平均子午面循環の気候値については、JRA-25とJRA-55に特に大きな差は見られなかった。

次に100hPaにおける質量流線関数の経度分布を図（(1)-7に示す。DJF平均では、北緯20度から60度において、JRA-55の循環がJRA-25と比べて0.2*10^{10}kg s^{-1}程度弱いが、最大値には大きな差は見られなかった。一方、JJA平均では、北緯20度から40度の正の循環（北半球側循環）については、JRA-55のほうがJRA-25より弱いが、南緯30度から北緯10度の負の循環（南半球側循環）は、JRA-55のほうが強い（絶対値として大きい）分布となっており、差は0.5*10^{10}kg s^{-1}程度と、DJFにおける差より大きかった。Iwasaki et al., (2009) $ ^{6)} $ の中で示された質量流線関数の経度分布と比較すると、JRA-55の経度分布はEra-interimの分布と似た分布となった。

100hPaにおける質量流線関数は、DJF平均ではJRA-25とJRA-55にあまり差は見られなかったが、JJA平均ではJRA-55のほうがJRA-25より南半球側循環が強い。そこで、循環強度変化の季節性を確認するため、100hPaにおけるJRA-25とJRA-55の月平均質量流線関数の最大値と最小値を図(1)-8に示した。質量流線関数の最大値は北半球循環の強さを示し、最小値の絶対値は南半球側循環の強さを示している。どちらの循環も、DJFにおいては、JRA-25とJRA-55にあまり差は見られないが、他の季節では差が大きい。北半球循環は、JRA-55のほうがJRA-25より弱く、南半球循環は、JRA-55のほうがJRA-25より強く表現されるようになった。Iwasaki et al., (2009) $ ^{6)} $ の中で示された季節性と比較すると、JRA-55の北半球循環は12月に、南半球循環は5月に最大となっており、
Era-interimと同様な季節性を示している。

図(1)－6　季節平均質量流線関数分布(1980-1996年平均)、単位： $ 10^{10} $ kg/s). 左上：JRA-25のDJF(12月-1月)平均 右上：JRA-55のDJF平均 左下：JRA-55のJJA(6月-8月)平均 右下：JRA-55のJJA平均

等値線は $ \pm25,\pm20,\pm15,\pm10,\pm7,\pm5,\pm3,\pm2,\pm1,\pm0.5,\pm0.3,\pm0.2,\pm0.1,\pm0.05,\pm0.01 $ 。

図(1)－7 100hPaにおける季節平均質量流線関数(1980-1996年平均)の緯度分布（単位： $ 10^{9} $ kg/s）左：DJF(12月－1月)平均右：JJA(6月－8月)平均黒がJRA-25、赤がJRA-55を示す。
図(1)－8　100hPaにおける月平均質量流線関数(1980-1996年平均)の最大値と最小値の季節変化（単位： $ 10^{9} $ kg/s）

左：最大値の季節変化（北半球側循環の強度） 右：最小値の季節変化（南半球側循環の強度） 黒がJRA-25、赤がJRA-55を示す。

次に、100hPaにおける質量流線関数の年々変動を示す。図(1)-9は、DJFにおける北緯15度と45度の質量流線関数の値と、JJAにおける南緯15度と45度の年々変動を示している。JRA-55のDJFにおける北緯15度の変動と、JJAにおける南緯45度の変動は、JRA-25とほとんど差がないが、DJFにおける北緯45度の変動は $ 0.2 \times 10^{10} \, kg s^{-1} $ 程度弱く、JJAにおける南緯15度の変動は $ 0.5 \times 10^{10} \, kg s^{-1} $ 程度強い。このようにバイアスは見られるが、1980年から1996年の期間でJRA-25とJRA-55の年々変動の相関は、DJFの北緯15度で0.53、北緯45度で0.65、また、JJAの南緯15度で0.79、南緯45度で0.82とそれぞれ高い相関を示している。

Iwasaki et al., (2009) $ ^{6)} $ では、20世紀の北半球冬循環に弱い減少トレンドがあることと、南半球循環に増加トレンドがあることが指摘されている。JRA-55のDJFにおける北緯15度の変動には、1980年代半ばから1990年代半ばにかけて、北半球冬循環に弱い減少トレンドがみられる。また、この期間には、南半球循環に増加トレンドがみられており、これらの結果は、Iwasaki et

al., (2009) $ ^{6)} $ で指摘された結果と整合的である。しかし、JRA-55において計算された1958年から1970年の期間をみると、北半球冬循環に増加トレンドが見られる。このような60年代と80年代のトレンドの違いは、数十年規模スケールの気候変動の一部を捉えている可能性も考えられるが、同化に用いた観測データの変遷（1980年代は衛星観測データがデータ同化の際に使用されている）が影響した人為的な変動を捉えている可能性もある。JRA-55では、同一のデータ同化システムを用いて衛星観測データを同化に使用せず、従来型観測データのみを同化して作成した長期再解析（JRA-55C）データの作成が計画されている。この結果などを用い、また、他機関で行われた再解析データを用いることで、60年代と80年代の成層圈循環におけるトレンドの差の原因についての知見が得られると考えられるが、これについては、今後の研究課題としたい。

最後に、帯状平均上昇流について示す。Iwasaki et al., (2009) $ ^{6)} $ では、JRA-25とEra-interim以外の再解析データには、GCMの結果とした場合に、帯状平均上昇流が非常に雑音が多いことが指摘されており、データ同化において、観測データが力学的な不安定をもたらし、鉛直速度の時間空間分布の雑音を多くしている。図(1)-10にJRA-55の50hPa高度における帯状平均上昇流の季節変化（1980から1996年の17年平均）を示す。JRA-55の帯状平均上昇流は、JRA-25よりもスムーズな分布となっており、JRA-25と同様にBD循環の下降域の識別をしやすくなっている。Ebita et
al., (2011) $ ^{7)} $ で指摘されているように、JRA-55の下部成層圏気温は同化に使用したモデルの放射過程の改善により、バイアス、RMSEともJRA-25と比べ大幅に改善されており、それが、帯状平均上昇流の表現に影響していると考えられる。JRA-25には、1998年ごろに、衛星観測測器のTOVS(TILOS Operational Vertical Sounder)からATOVS (Advanced TILOS Operational Vertical Sounder)への変更に伴う下部成層圏気温の不連続な変化があることが知られているが、これらが、JRA-55におけるBD循環の表現において、どのように改善されるのか、今後の調査課題としたい。

図(1)-9 100hPaにおける質量流線関数の年々変動（単位： $ 10^{9} $ kg/s） 左上：DJFの北緯15度。 右上：DJFの北緯45度 左下：JJAの南緯15度。 右下：JJAの南緯45度。 黒がJRA-25、赤がJRA-55を示す。

図(1)-10 50hPa高度における帯状平均上昇流の季節変化（1980から1996年の17年平均）。左：JRA-25。右：JRA-55。暖色が上昇域、寒色が下降域を示す。
## 3 ）JRA25を利用したオゾンの再現

化学輸送モデルを用いた過去数十年のオゾン層変動の解析研究では、大気の力学場として大気長期再解析の風や温度が用いられており、ヨーロッパ中期予報センター（ECMWF）で行われた長期再解析ERA-40の風速場や気温場を用いた研究が多くなされている。しかし、ERA40を用いたオゾンの再現実験では、実際の観測では見られない不自然なオゾン増加が1980年代の後半に北半球中緯度で再現されており $ ^{8,9} $ 、ERA40の風や気温によりその不自然なオゾンの変動が生成されていると考えられている $ ^{9} $ 。また、ERA40のBD循環が他の再解析データより強い傾向がみられること（例えばIwasaki et al.,（2009） $ ^{6} $ ）も知られており、このような大気の特徴が、下部成層圏オゾンの再現に影響を及ぼしていることが想像される。そこで、過去数十年のオゾン変動における力学場の変化、特に風速場の影響を、JRA-25を用いた3次元化学モデルによるオゾンの再現実験を行うことにより評価した。なお、この節の報告は、Kobayashi and Shibata, (2011) $ ^{10} $ を要約したものである。

実験に用いたモデルは、気象研究所で作成された化学気候モデル(MRI-CCM1, Shibata et al., (1999) $ ^{[11]} $ )である。このモデルの力学モジュールは、大気大循環モデルMRI-JMA 98 $ ^{[12]} $ が基になっており、T42L68（水平解像度300km、鉛直42層、最上層0.01hPa）の解像度を持っている。化学モジュールは、49の化学種、極成層圏雲(PSC)上で6種、硫酸エーロブル上で3種の不均一反応を扱っている。このMRI-CCM1に対し、JRA-25の6時間ごとの風速データをナッジング法により同化することで力学場を再現し、生成されたオゾン場の1980年から2006年までの結果を解析する。実験設定は2通り行った。一つは、オゾン層破壊物質であるCly, Bryの濃度の鉛直分布の経年変化を、あらかじめ1次元モデルで作成しておき、それをこの化学モデルに強制する方法（EX1）であり、もう一つは、Cly, Bryの濃度の鉛直分布を1979年の値で固定し、化学モデルに強制する方法（EX2）である。これらの実験は、ハロゲン類の与え方が異なるだけであるので、実験結果の差はハロゲン類の変化による影響とみなすことができる。また、EX2実験の設定のなかで年々変動する設定は、強制しているJRA-25の風速場だけであるので、EX2実験結果の年々変動やトレンドは、JRA-25の風による影響とみなすことができる。

衛星観測データ（TOMS/SBUV）及び再現実験結果の月平均北半球中緯度平均オゾン全量時系列を図(1)-11に示した。1980年から2006年の各月平均値を差し引き、同期間の年平均値を加えることによって、季節変化成分を取り除いた時系列である。どちらの実験結果のオゾン全量も、10から40DU（ドブソン単位）程度のバイアスがあるものの、観測と同様な時間変化をしていることが分かる。例えば、観測には1993年に減少し、1994年に回復するような時間変動が見られるが、両方の実験において、その様子が再現されている。この観測に見られる一時的なオゾン減少は1991年のピナツボ火山噴火による効果と考えられている $ ^{8)} $ が、ここで行ったシミュレーション実験では火山性エーロゾルの化学効果が考慮されていないにも関わらず、どちらの実験においても1993年のオゾン全量の一時的な減少が再現されていることは興味深い。また、ERA40の力学場を用いたHadjinicolaou et al.,(2005) $ ^{8)} $ の実験でも、この一時的なオゾン減少が再現されていることが指摘されている。このことから、JRA-25やERA40により解析された風速場には、ピナツボ噴火による火山性エーロゾルに起因する成層圏循環の変化の情報が含まれており、その力学場で駆動された化学モデルが再現するオゾンにその情報が反映され、一時的なオゾン全量の減少が再現されたのではないか、と考えられる。
図(1)-11 季節変動成分を取り除いた北半球中緯度における月平均オゾン全量時系列。

緑：TOMS/SBUV。 黒：再現実験EX1 赤：再現実験EX2

実験により再現された北半球中緯度域のオゾン全量時系列に関して、Feng et al., (2007) $ ^{4)} $ は、ERA40を用いたオゾンの再現実験において、観測では見られない不自然なオゾン全量の正偏差が1980年代後半に再現されることを指摘していた。これは、Hadjinicolaou et al., (2005) $ ^{8)} $ の実験でも見られている。図(1)-11で示したように、今回行ったJRA-25を用いたオゾンの再現実験では、そのような不自然なオゾン全量の偏差は再現されていない。これは、1980年代から1990年代半ばにおけるオゾン減少トレンドの評価において有利であると思われる。そこで、再現実験を行った全期間（1980年-2006年）とオゾン減少トレンドが顕著な1980年から1993年までの期間について、衛星観測データ及びオゾン再現実験結果の帯状平均オゾン全量のトレンド解析を行い、その緯度分布を図(1)-12に示した。どちらの期間においても、衛星観測によるオゾン全量トレンドは、北半球中緯度域では統計的に有意な負のトレンドを示している。オゾン再現実験EX1では、北半球中緯度域で過小評価ではあるが、観測のトレンドをほぼ再現している。一方、オゾン層破壊物質の濃度を1979年に固定したオゾン再現実験EX2のトレンドは、1980年-2006年の期間では、EX1のほぼ半分、1980年から1993年の期間では、EX1の3分の2の大きさの負のトレンドを示している。この結果は、オゾン全量の負のトレンドの内、半分から3分の2は輸送などによる力学の効果により生じていることを示しており、Hadjinicolaou et al., (2005) $ ^{8)} $ が示したオゾントレンドにおける力学の効果の見積もりよりやや値が大きいものの、整合した結果になっている。

図(1)-13に、成層圏上部と下部における北半球中緯度のオゾン濃度の年々変動の様子を示す。衛星観測、及び、オゾン再現実験とも、1980年との比で示しており、成層圏準2年周期変動(QBO)に伴う変動を除くため25か月移動平均したものを太線で示している。

QBOを除いた成層圏上部の衛星観測によるオゾン濃度の年々変動は、6，7年程度の変動と重なってはいるが、1980年から1990年代後半にかけて長期的な減少傾向がみられる。オゾン再現実験EX1では、1980年から1990年代後半にかけて長期的な減少傾向が再現されているが、6，7年程度の変動はみられない。一方、ハロゲン類の濃度を1979年に固定したオゾン再現実験EX2の結果は、1980年から2006年までほぼ一定を保っている。EX1とEX2の実験設定の差はハロゲン類の長期変化であるので、成層圏上部のオゾンの長期変化にはハロゲン類の濃度の変化が大きく寄与していることがわかる。
図(1)-12 北半球帯状平均オゾン全量トレンド緯度分布。左：統計期間1980年-2006年 右：統計期間1980年-1993年。緑：TOMS/SBUV。黒：再現実験EX1。赤：再現実験EX2。エラーバーは標準偏差の2倍の範囲

一方、成層圈下部のオゾン濃度の年々変動は、衛星観測データでみると、1980年から1990年代前半にかけてオゾン濃度が減少しているが、その後、緩やかな上昇傾向が見られる。EX1とEX2はともに、1980年から1990年代前半にかけて減少傾向を示しており、観測結果を良く再現している。その後、1990年代後半まで上昇したあと2006年まで下降しており、成層圈下部のオゾン濃度の年々変動は、EX1とEX2の差があまりない。この結果は、成層圈上部とは異なり、成層圈下部のオゾン濃度の変動には、力学場の変動の寄与が重要であることを示している。

図(1)-13 成層圏上部(3hPa)と下部(50hPa)における月平均及び25か月移動平均オゾン濃度時系列

緑：SBUV。青：SAGE。黑：再現実験EX1。赤：再現実験EX2。

北半球中緯度におけるオゾン濃度トレンドの高度分布を図(1)-14に示す。図(1)-12と同様、再
現実験を行った全期間（1980年-2006年）とオゾン減少トレンドが顕著な1980年から1993年までの期間について、トレンドを評価した。衛星観測では、どちらの期間においても成層圏上部と成層圏下部にオゾン濃度減少トレンドのピークが見られ、鉛直分布はダブルピーク構造をしている。EX1で再現されたオゾン濃度トレンドは、成層圏上部では過大評価ではあるが、成層圏下部にもオゾントレンドのピークがありダブルピーク構造を再現している。一方、EX2では、どちらの期間においても成層圏下部にオゾントレンドのピークがあるが、上部のトレンドは小さく、ダブルピーク構造を再現していない。EX2実験の設定のなかで年々変動する要素は強制しているJRA-25の風だけであるので、EX2実験で再現した成層圏下部のオゾントレンドは、力学場の変動の寄与が大きいと考えられる。EX1におけるオゾントレンドとの比から考えると、成層圏下部においては、オゾン減少トレンドの3分の2程度は力学場の変動が寄与していると評価することができる。

図(1)-14 北半球中緯度におけるオゾン濃度トレンド高度分布。

以上のように、オゾン分布の変動、特に下部成層圏オゾンの変動には力学場が大きな影響を及ぼしており、正確にオゾン分布を再現するためには、正確な風速場の情報が必要となる。前節で述べたように、現在作成中の大気長期再解析データ JRA-55 では、下部成層圏の循環が JRA-25 よりも精度よく表現されていると考えられており、今後の課題として、JRA-55 の風速場を利用したオゾン分布の再現実験も行いたい。
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

二酸化炭素、エアロゾル、オゾンというそれぞれ性質の異なる大気微量成分に対して、アンサンブルカルマンフィルターによる4次元データ同化システムが十分な機能を発揮することが実証された。今後は、大気微量成分の研究基盤として引き続き精度向上を図る。また、衛星観測システムの開発グループとの連携を深め、大気微量成分の実況監視システムの構築や再解析の実施に向けて、気象学の研究基盤として発展させる。

大気の歴史的な再解析について、平均子午面循環に関する精度が定性的に明らかとなった。大気微量成分の子午面輸送のみならず、大気大循環の最も基本的物理量の不確実性に関する情報が得られた。本研究で行ったMIM(等温位面質量加重付帯状平均)による診断は、ユニークな解析手法である。今後、利用を推進する。

JRA-55の平均子午面循環はJRA-25から改善されていることが明らかとなった。また、数十年程度で均質な大気解析場が得られる見込みがあることも明らかになった。本研究において、JRA-55解析値は使用されなかったが、大気微量成分は子午面輸送に大きく影響されるので、今後、大気微量成分の4次元データ同化を行うにあたり、さらに精度の良い結果が得られる可能性を示すことができた。

オゾン濃度分布の変動、特に下部成層圏オゾンの変動には、風速などの大気場が大きく貢献していることが、過去30年にわたるオゾン分布再現実験によって確認できた。長期にわたる精度のよいオゾン濃度分布を再現するためには、対象期間の正確な大気場の均質な情報が必要であることが分かった。従来の同化システムによるオゾン分布再現実験ではあったが、同化システムの精度の状態を示す基準となるデータセットを作成することができた。

## （２）環境政策への貢献

大気微量成分の4次元データ同化は今後実用的な利用が始まることが期待される。二酸化炭素については、濃度の3次元グローバル分布の解析に、その後精度が向上すれば、地表面フラックスの推定に利用される。エアロゾルのデータ同化システムは気象庁の黄砂予測のための初期値作成に利用される見込みである。Earth CARE衛星が実用化されれば一層の予測精度の向上が期待される。オゾンのデータ同化システムは紫外線予測のためのオゾン予測の初期値作成に利用される。また、広域大気汚染を含むグローバルな地球環境の監視と予測に応用が可能である。

大気再解析の平均子午面循環の検証結果は、大気微量成分4次元データ同化結果の誤差推定に有効である。ブリューワー・ドブソン循環の解析誤差要因についての情報は、現在実行中の再解析（JRA-55）の精度向上に寄与した。また、JRA-55の平均子午面循環の速報的な解析を実施した。今後JRA-55は大気微量成分解析に利用が見込まれるが、その時、精度評価に利用される。オゾンの長期変動に関する解析結果は、紫外線予測や大気汚染情報作成を行う同化システムと同等のシステムを用いており、このシステムの精度の把握や、問題点の把握に貢献している。
## 6 ．国際共同研究等の状況

大気微量成分のデータ同化研究 T. Miyoshi University of Maryland アメリカ

アンサンブルカルマンフィルターに関するアドバイザー

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) T. Iwasaki, H. Hamada and K. Miyazaki: J. Meteor. Soc. Japan, 87, 997–1006 (2009) "Comparisons of Brewer-Dobson Circulations diagnosed from Reanalyses"

2) C. Kobayashi and K. Shibata: J. Meteor. Soc. Japan, 89, 363-376 (2011) “Evaluation of Dynamical Contribution to Lower Stratospheric Ozone Trends in Northern Mid-latitudes over the Last Three Decades (1980-2006) Using a Chemical Transport Model”

## 〈査読付論文に準ずる成果発表〉

なし

## くその他誌上発表（査読なし）>

岩崎俊樹、地球環境研究センターニュース、2012年2月号 [Vol.22 No.11]

“地球環境の実況監視と予測に向けて”

## （2） 口頭発表（学会等）

1) K. Miyazaki, T. Machida, P.K. Patra, T. Iwasaki, Y. Sawa, H. Matsueda, M. Takigawa, and T. Nakazawa: Global-scale transport of carbon dioxide in the troposphere, 8th International Carbon Dioxide Conference, September, 2009.

2) T. Iwasaki, H. Hamada and K. Miyazaki: Comparisons of Brewer-Dobson Circulations diagnosed from Reanalyses. The 5th WMO Symposium on Date Assimilation, Melbourne, Australia, October, 2009

3) T. Iwasaki, T. Maki and K. Miyazaki: Four Dimensional Data Assimilation of GOSAT Observation Data Using a Local Ensemble Transform Karman Filter. 2nd GOSAT RA PI Meeting, Kyoto, January, 2010

4) 中村哲、秋吉英治、宮崎和幸、岩崎俊樹、化学気候モデルへ適用したLETKFによるオゾン同化シミュレーション実験、日本気象学会2010年度秋季大会、京都, October 2010.

5) 真木貴史、関山剛、柴田清孝、宮崎和幸、三好建正、岩崎俊樹、炭素循環解析へのGOSAT観測データの利用について、日本気象学会2010年度秋季大会、京都, October 2010.

7) 真木貴史, 山田和孝, 岩崎俊樹: 「気象庁二酸化炭素分布情報を用いたGOSATのバイアス調査」, 日本気象学会春季大会専門分科会「気象庁が提供する気象データの利用と数値モデル開発の現状・課題」、国立オリンピック記念青少年総合センター、May, 2011.

8) K. Miyazaki, T. Iwasaki, T. Maki: Four-dimensional data assimilation of GOSAT data using an ensemble Kalman filter, The 3rd GOSAT RA PI Meeting, John McIntyre Conference Centre, Edinburgh, Scotland, UK, May 20, 2011.

9) 岩崎俊樹、横尾好朗、沢田雅洋、中澤高清、青木周司、柴田清孝、小林ちあき、真木貴史、
関山剛、出牛真、宮崎和幸、中村哲、秋吉英治、大気環境に関する次世代実況監視及び排出量推定システムの開発、幕張、May, 2011

10)横尾好朗、貞木貴史、宮崎和幸、岩崎俊樹、CO2輸送モデルMJ98-CDTMによる鉛直拡散及び地表面フラックスの影響評価、幕張、May, 2011

11) T. Nakamura, M. Deushi, K. Miyazaki, C. Kobayashi, H. Akiyoshi, K. Shibata, and T. Iwasaki: An Inter-comparison of Observation System Experiments for Stratospheric Ozone between LETKF Data Assimilation Systems with CCSR/NIES CCM, MRI CCM, and CHASER CTM, IUGG General Assembly 2011, JM02-#4800, Melbourne, Australia, July, 2011.

12) 真木貴史, 関山剛, 柴田清孝, 宮崎和幸, 三好建正, 横尾好朗, 岩崎俊樹: 「実観測データを用いた炭素循環解析システムの構築」, 日本気象学会秋季大会スペシャルセッション「大気中の二酸化炭素観測手法の新たな展開とそのデータ利用」, 名古屋大学, 2011年11月18日

13)横尾好朗、真木貴史、関山剛、柴田清孝、宮崎和幸、三好建正、岩崎俊樹、MJ98-CDTMを用いた二酸化炭素データ同化実験、名古屋、November 2011

14) T. Maki, T. T. Sekiyama, K. Shibata, K. Miyazaki, T. Miyoshi, K. Yamada, Y. Yokoo and T. Iwasaki: Carbon Cycle Analysis using real observation data and LETKF, The GOSAT WORKSHOP 2012 - towards GOSAT-2 mission, Tokyo, 29 February 2012.

15) 貢木貴史, 関山剛, 柴田清孝, 宮崎和幸, 三好建正, 横尾好朗, 岩崎俊樹: 衛星観測データを用いた炭素循環解析, 日本気象学会春季大会専門分科会「温室効果ガス観測技術衛星GOSAT「いぶき」の利用研究」, つくば国際会議場, 2012年5月29日（予定）

（3）出願特許

なし

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

気象サイエンスカフェ東北

日時：平成23年11月12日 15:00～16:30 会場：仙台市天文台

青木周司「二酸化炭素はどこから来てどこに行くのか？

-地球温暖化とのかかわりについて考えてみよう~」

（５）マスコミ等への公表・報道等

なし

(6) その他

なし

8\. 引用文献

1) G. Evansen: Ocean Dynamics, 53, 343-367 (2003) "The ensemble Kalman filter: Theoretical formulation and practical implementation"

2) T. M. Hamill: NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center, pp.1-46 (2003) "Ensemble-based
atmospheric data assimilation, A tutorial".

3) T. Miyoshi and S. Yamane: Mon. Wea. Rev., 135, 3841-3861 (2007) "Local Ensemble Transform Kalman Filtering with an AGCM at a T159/L48 resolution".

4) T. Iwasaki: J. Meteor. Soc. Japan, 67, 293-312 (1989) “A diagnostic formulation for wave-mean flow interactions and Lagrangian-mean circulation with a hybrid vertical coordinate of pressure and isentrope”

5) K. Miyazaki, and T. Iwasaki: J. Atmos. Sci., 62, 1192-1208 (2005) “Diagnosis of meridional ozone transport based on mass weighted isentropic zonal means”

6) T. Iwasaki, H. Hamada and K. Miyazaki: J. Meteor. Soc. Japan., 87, 997-1006 (2009) “Comparisons of Brewer-Dobson Circulations diagnosed from Reanalyses”

7) A. Ebita, S. Kobayashi, Y. Ota, M. Moriya, R. Kumabe, K. onogi, Y. Harada, S. Yasui, K. Miyaoka, K. Takahashi, H. Kamahori, C. Kobayashi, H. Endo, M. Soma, Y. Oikawa, and T. Ishimizu: SOLA, 7, 149-152 (2011) "The Japanese 55-year Reanalysis JRA-55: An Interim Report"

8) P. Hadjinicolaou, J. A. Pyle and N. R. P. Harris: Geophys. Res. Lett., 32, L12821 (2005) “The recent turnaround in stratospheric ozone over northern middle latitudes: A dynamical modeling perspective”

9) W. Feng, M. P. Chipperfield, M. Dorf, K. Pfeilsticker, and P. Ricaud: Atmos. Chem. Phys., 7, 2357-2369 (2007) "Mid-latitude ozone changes: studies with a 3-D CTM forced by ERA-40 analyses"

10) C. Kobayashi and K. Shibata: J. Meteor. Soc. Japan, 89, 363-376 (2011) "Evaluation of Dynamical Contribution to Lower Stratospheric Ozone Trends in Northern Mid-latitudes over the Last Three Decades (1980–2006) Using a Chemical Transport Model"

11) K. Shibata, H. Yoshimura, M. Ohizumi, M. Hosaka, and M. Sugi: Pap. Meteorol. Geophys., 50, 15–53 (1999) “A simulation of troposphere, stratosphere and mesosphere with an MRI/JMA98 GCM”

12) K. Shibata M. Deushi, T. T. Sekiyama, and H. Yoshimura: Pap. Meteorol. Geophys., 55, 75–119 (2005) "Development of an MRI chemical transport model for the study of stratospheric chemistry"

13) S. Solomon, R. W. Portmann, R. R. Garcia, W. Randel, F. Wu, R. Nagatani, J. Gleason, L. Thomason, L. R. Poole, and M. P. McCormick: Geophys. Res. Lett., 25, 1871–1874 (1998) “Ozone depletion at mid-latitudes: Coupling of volcanic aerosols and temperature variability to anthropogenic chlorine”
# (2) 二酸化炭素およびエアロゾル地表面フラックス推定に関する研究

環境・応用気象研究部 第一研究室 柴田 清孝

（独）海洋研究開発機構 宮崎 和幸

平成21～23年度累計予算額：34,403千円

（うち、平成23年度予算額：12,701千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 二酸化炭素に関しては、地上観測データ、航空機観測データ、衛星観測データを一体的に同化し、二酸化炭素濃度と二酸化炭素フラックスを一体的に解析するシステムを構築した。観測データの品質管理に輸送モデルと逆解析を組み合わせる客観的な手法を考案して実装した。現時点では衛星観測データに無視できないバイアスが残っていることが判明したため、輸送モデルと逆解析を用いた衛星観測データのバイアス補正システムを構築した。その結果、温室効果ガス観測衛星(GOSAT)GOSATでは8ppm程度の、大気赤外サウンダ(AIRS)は3ppm程度のバイアスを補正した。解析された二酸化炭素濃度は解析値に近くなる傾向を示すと共に、主に陸域のフラックスを修正することができた。二酸化炭素濃度、フラックス推定精度に大きな影響を与える輸送モデルに関しては、気象研・気象庁大気大循環モデルとの直接結合を行い、鉛直輸送過程に新しい積雲対流スキームを導入するなど改良を施した。

エーロブルに関しては、衛星搭載ライダーによるエアロブル観測とアンサンブルカルマンフィルターを用いることによってエアロブルのデータ同化システムを新規開発したこのデータ同化システムの動作を確かめるために観測システムシミュレーション実験と呼ばれる理想実験を行い、良好な結果を得た。実観測データによる現実大気のデータ同化では、特に東アジアのダストエアロブル（黄砂）に着目してその解析結果を検証した。データ同化結果と独立観測との比較によって、黄砂の発生域から日本へかけての移流の様子が正確に把握できるようになっただけでなく、発生域での地表面フラックス量（黄砂発生量）をデータ同化で逆推定できていることが確認できた。衛星搭載ライダーのデータ同化に成功したのは我々が世界初であり、この技術を応用することによって黄砂予報の精度を劇的に改善することが可能である。

[キーワード] 二酸化炭素、黄砂、データ同化、逆解析、放出量推定
### 1. はじめに

## （１）二酸化炭素フラックス推定

地球温暖化の主要な原因物質とされている二酸化炭素濃度の将来予測は、排出シナリオに依存する部分も大きいが、まだ地表面（陸域・海洋）との交換過程が十分に理解されていないこともあり、各機関の予測モデル間の違いは大きい¹）。この交換過程を理解し、二酸化炭素収支を定量的に理解するためには二酸化炭素収支の直接測定が理想であるが、現在の技術的かつ人的資源の制約から極めて困難である。加えて、衛星等のリモートセンシング観測においても二酸化炭素収支を直接測定できる観測は現時点では存在しない。別のアプローチとして、現在様々な機関の元で陸域や海洋の素過程から二酸化炭素収支を定量的に計算する数値モデルの開発も進められてきたが、まだモデル間の結果の違いは大きく、我々が必要とする知見を得るに至っていない。このように観測あるいはモデルから二酸化炭素収支を直接解明する試みは現時点では成功していない。

一方、二酸化炭素は大気中で極めて安定であり、その輸送は基本的に大気の輸送と共に行われるという特徴がある。近年、計算機や気象学の進展に伴い、大気をシミュレートする数値モデルの進展は著しい。加えて、大気中の二酸化炭素濃度観測は従来から行われてきた地上観測に加え、近年は航空機、衛星等による移動体観測が行われるようになり、大気中の二酸化炭素濃度観測データ数も増加している。そこで、これらの観測データと数値モデルを組み合わせることによって、大気中の濃度から二酸化炭素収支を推定するという手法（逆解析）が盛んに行われるようになり、国際的な相互比較プロジェクトも行われるようになってきた¹）。これまでの主流として使われてきた方法は、地表面の領域・期間を区切りそこから一定量の二酸化炭素を放出して数値モデルでその輸送過程をシミュレートし、用いた観測データ群を最もよく表現できるよう二酸化炭素収支を調整するという手法であった。この手法によって亜大陸規模での二酸化炭素収支を解析できるようになった¹が、より詳細な解析を実施しようとすると必要な計算機コストが飛躍的に増大するという問題点があった。この問題点に対応できるという特徴からアンサンブルカルマンフィルター（EnKF）の優位性が着目され、様々な機関で研究が始められている。本研究課題でもEnKFを用いた二酸化炭素収支解析システムの構築を行った。また、先に挙げた異なるプラットフォームの観測データを統合して解析に利用することで、フラックス推定精度は著しく改善するものと期待できる。しかしながら、これまでのところ、それらのデータを統合利用した研究は行われておらず、各観測の相対的な重要性は自明ではない。

## （２）エアロゾルデータ同化

今後の気候変動の予測は人類に課せられた喫緊の課題であり、その重要なファクターの一つとして大気エアロゾルが挙げられる。大気エアロゾルの気候へ与える直接効果（短波・長波放射の散乱・吸収による放射強制力への影響）および間接効果（雲核として働くことによる降水過程や雲アルベドへの影響）について、これまでの定性的な議論を超えて定量的な議論が必要となっている $ ^{1,2} $ 。また日々の天気予報の高精度化を求める立場からも、大気エアロゾルの挙動把握が強く求められるようになっている $ ^{3} $ 。また、雪氷の表面に沈着したエアロゾルが地表のアルベドを低下させる効果、遠洋の海水に沈着して植物プランクトンの栄養塩となる効果など、これまで考えられてこなかった環境への影響も指摘されている $ ^{2} $ 。さらに、大気環境への影響においては、対流圏の硫酸エアロゾル、ダストエアロゾル（いわゆる黄砂）、黒色炭素エアロゾル（いわゆるスス）など
は人間の健康を著しく害し、あるいは農業や産業などの社会活動に深刻な影響を与えている $ ^{4,5)} $ 。

しかしながら、エアロゾルの発生沈着過程、大気中での3次元分布、さらにそれらの経時変化には不明な点があまりに多い。そのため、データ同化すなわち観測とモデルの情報統合によって、エアロゾルの広範囲かつ正確な解析値を得ることが大変期待されている。特にエアロゾルの地表面フラックス（放出量および沈着量）は総観規模での直接観測がほとんど不可能であり、データ同化によって逆推定することができれば極めて有益な知見となりうる。近年、数値気象予報モデルあるいは化学輸送モデルと高度なデータ同化スキーム（変分法あるいはアンサンブルカルマンフィルターなど）を組み合わせた研究開発が世界的に進んでいるが、エアロゾルに関しては未だ実用化に至ったシステムは無い。これら先行研究ではデータ同化スキームの精度が低いこと、解析値のエラーや感度を定量的に調べていないこと、利用できる観測値が時間的・空間的に極めて疎であること、などが問題点として挙げられる。さらに現業の数値気象予報システムにおいては、エアロゾルのデータ同化を導入することによって放射や雲物理の精度向上が望めるだけでなく、トレーサーとして利用することによる風の改善も将来的に期待できる $ ^{3)} $ 。エアロゾルのデータ同化は大気物理学・大気化学における非常にチャレンジングな最先端の技術開発と言える。

## 2 ．研究開発目的

## (1) 二酸化炭素のデータ同化

本研究では、最先端のデータ同化手法であるEnKFと高性能の化学輸送モデルを用いて、大気微量成分のための4次元データ同化システムを開発することを目的とする。本サブテーマでは二酸化炭素、エアロゾルについて、衛星観測データの利用環境の整備、EnKFの最適化、化学輸送モデルの精度向上を図り、4次元データ同化システムの性能向上を図る。従来手法の逆解析等によるデータ同化結果と比較し、性能を評価する。特に、EnKFの大気微量成分解析の応用例は欧米でもまだ少ないので日本独自の研究として発展させる。

二酸化炭素フラックス推定における本研究課題の達成目標は、構築した4次元データ同化システムを用いて、二酸化炭素の高精度な地表フラックス推定を実現することである。実験的再解析データの解析から、各種衛星観測データを同化して全球の大気環境の実況監視に役立つデータセットを作成できるかを明らかにする。この取り組みにより、将来の数十年に及ぶ長期間の観測データを用いた再解析の足がかりとする。

このために可能な限り多くの観測データ（地上、航空機、衛星等）を収集して客観的な品質管理を施し、データ同化システムに導入できるようにする。地上・航空機観測に関しては精度の高い（誤差0.1ppm程度）二酸化炭素濃度観測データが利用可能であるが、空間代表性誤差を考慮する必要がある。衛星観測データに関しては、測器の特性に応じた気柱積算量が利用できるが地上・航空機観測と比較して精度は一桁程度悪くなる。また、同一の測器で全球を観測することやデータ数が他の観測よりも多いことなどからバイアスの存在は致命的である。このため、衛星観測データのバイアスに関する調査を行い、必要であれば修正法を実装する。

データ同化の鍵となる輸送モデルに関してもフレームの変更や鉛直輸送過程の改良を通じて輸送モデルのバイアスを減らし、フラックス推定精度の向上を目指す。本研究における気象データは計算効率の面などからJRA-25 $ ^{6)} $ 等の再解析値をナッジングすることとし、気象場の解析は行わないこととした。
また、GOSATの観測誤差などの諸条件を考慮し、GOSATデータの利用により地表フラックスの推定精度がどの程度改善するのかを、4次元データ同化システムに基づく数値実験から明らかにする。実際のGOSATデータが利用可能となった時点で、構築した4次元データ同化システムにより二酸化炭素の地表面フラックスの推定を高度化することでIPCC第5次評価報告書への貢献を目指す。

## (2) エアロゾルのデータ同化

対流圏エアロゾルの全球分布、特に東アジア域分布の再解析値作成を可能とする高精度データ同化システムの技術確立を目指す。このデータ同化システムを利用して、エアロゾルの地表面フラックス推定を目指す。エアロゾルモデルでは主要なエアロゾルすべて（硫酸塩、ダスト（いわゆる黄砂）、海塩、有機物、黒色炭素）をシミュレーションするが、データ同化の制御変数としては硫酸エアロゾルとダストエアロゾル（黄砂）のみを選択する。他のエアロゾル種は観測のバックグラウンドとしてのみ扱う。データ同化スキームには4次元アンサンブルカルマンフィルター（4D-EnKF）を採用し、4D-EnKFの有効性を検証する。

広範囲かつ高精度な鉛直プロファイル情報が入手可能な衛星搭載LIDAR（CALIPSO）の全球エアロブル観測値をデータ同化対象の観測値として利用し、そのCALIPSOデータの中でもレベル1（リトリーブ処理前）データの利用を目標とする。そのために必要となる詳細なLIDAR観測演算子のソースコード開発が可能であるかどうかの検証も行う。

開発した高精度データ同化システムを用いて、東アジア域のダストエアロブル（黄砂）の発生源、すなわち中国やモンゴルの乾燥地帯（主にタクラマカン砂漠およびゴビ砂漠）における地表面フラックスの強度を逆推定する。また、東アジア域の越境汚染を実況監視する基礎技術の一つとして、このデータ同化システムが利用可能であるかどうか検証する。

東アジア域のエアロゾル、特に黄砂を主なターゲットとする理由は、一つにはそれが我が国の大気環境に非常に大きな影響を及ぼしているという環境政策上の重要性のためであり、もう一つには地表面フラックス推定の対象として黄砂の発生源と輸送過程が比較的詳細に把握されているという科学技術上の優位性がある。また黄砂は他のエアロゾル種と比較して観測値が多く蓄積されており、データ同化結果の検証が比較的容易であることも見逃せない。しかし一方で、本研究によって開発予定のデータ同化システムは全球をカバーしており、本研究によって黄砂のデータ同化解析の有用性が確認されれば、他の地域のダストエアロゾルを対象としたデータ同化解析も十分期待できる。

## 3 ．研究開発方法

## （１）二酸化炭素のデータ同化

二酸化炭素に関しては、アンサンブルカルマンフィルターを用いた二酸化炭素フラックス解析システムの構築を行った。このために必要な技術開発研究（観測データ整備、輸送モデル改良、データ同化システム開発）を行った。

観測データ整備に関しては、可能な限り多くのデータを収集し、品質管理を行った。観測データの品質管理システムとして、統計的な品質管理に加えて逆解析を用いた品質管理手法の開発を行った。この手法の長所としては、解析する数値モデルの時間・空間代表性に応じた観測データ品質管理を行うことができる点である。地上観測データに関しては観測所選別や不確かさの設定
に、衛星観測データに関してはバイアスの補正システムに逆解析から得られる情報を利用した。特に当初想定していなかった衛星観測データのバイアス補正に本手法を用いることができた。

輸送モデル改良に関しては、これまで逆解析で利用してきたオフラインモデル（CDTM）を大気大循環モデル（MJ98）に直接結合（オンラインモデル）した。このことによって、MJ98が毎ステップ計算する気象データを物質の輸送計算に利用できることから輸送精度の向上が見込まれる。比較実験の結果では、成層圈界面の表現の向上などが見られた。さらに積雲対流による輸送過程としてMJ98で採用されているArakawa-Schbert積雲対流スキームのマスフラックスを利用するようにし、これまで他のモデルと比較して弱めであった鉛直輸送を強化することができた。

海洋研究開発機構では、アンサンブルカルマンフィルターに基づく4次元データ同化システムを開発し、二酸化炭素フラックスの推定に適用した。解析するフラックスの分解能は水平空間に2.8度、時間間隔は1.5日と高分解能であることが特徴である。理想化状況下で作成した擬似観測データを利用して、地上観測、GOSATによる衛星観測、民間航空機による観測（CONTRAIL）、それぞれがフラックス改善に対して持つ相対的な重要性を評価した。図(2)-1には開発した二酸化炭素フラックス推定のためのデータ同化システムの概念図を示す。図(2)-2には理想化実験で想定した真の二酸化炭素フラックスの分布と初期の誤差分布を示す。

図(2)-1 二酸化炭素地表面フラックス推定のための4次元データ同化システムの概念図。

二酸化炭素フラックスの推定のためには、図(2)-3に示す背景誤差共分散情報を利用して、二酸
化炭素のフラックスと大気中濃度を同時に最適化可能となる。本システムでは、二酸化炭素フラックスに関する予報モデルは利用しない。結果として、そのスプレッドは継続して縮小することとなる。フラックス共分散の過小評価を回避する目的で、共分散膨張テクニックを導入した。本テクニックの導入は全ての観測データの同化に重要であった。また、航空機観測データの同化のためにはスーパーオブザーベーション法を適用した。この手法は、より代表性の高い観測データを作成する上で大変に役に立ち、特にヨーロッパにおいてフラックス推定を大きく改善した（図(2)-4）。GOSATデータの同化のためにはアベレージングカーネル情報を利用した。

(b) CO $ _{2} $ flux: Initial error

図(2)-2 理想化実験において想定した二酸化炭素フラックスの分布とその初期誤差

図(2)-3 全球平均した背景誤差共分散行列の構造。1−30 は各モデルレベルにおける二酸化炭素の大気中濃度、31 は二酸化炭素鉛直積算濃度、32 は二酸化炭素の地表フラックスを示す。理想化条件における感度実験より、3日の同化ウィンドウと900kmの局所化半径を持つ4次元デー
タ同化システムを解析に適用した。本枠組みは、解析地点から遠く離れた解析時刻とずれた時刻に取得される観測データを利用する上で効果的である。CONTRAILデータの同化には長い鉛直局所化を適用し、上空の観測データが地表面解析に大きな影響を持つ事を可能とした。長い鉛直局所化を適用することで、ユーラシア大陸の広範囲においてフラックス推定の改善が見られた（図(2)-5）。これらの取り組みを通して、開発したデータ同化システムは様々な観測情報を反映し二酸化炭素のフラックスを精度良く推定可能となることを確認した。

(a) Normal CONTRAIL observations

(b) Super CONTRAIL observations

図(2)-4 通常のCONTRAIL航空機観測データと、そのスーパーオブザーベーションを利用した場合の地表フラックス改善率。

図(2)-5. CONTRAIL航空機観測データ同化時に鉛直局所化長を変更した場合の地表フラックス改善率の違い。正の値は、鉛直局所化長を長くすることで解析が改善された領域を示す。
理想化実験はデータ同化システムの性能を評価するためにも利用した。非常に密で高精度な観測データを用いた擬似観測データ同化実験から、データ同化システムは問題なく動作しており、二酸化炭素フラックスの分布を高精度に推定可能である事を確認した。図(2)-6には本理想化実験から取得された二酸化炭素フラックスの誤差修正率を示す。フラックス絶対量の小さな海上などを除いて、修正率はおおむね100パーセントに近く、高精度な解析が行われていることを示す結果である。全球平均した解析誤差もデータ同化サイクルを介して効果的に減少していることが分かる（図(2)-7）。

Error reduction with very dense data

図(2)-6 高分解能・高精度観測データの同化により取得された二酸化炭素フラックスの誤差修正率。

図(2)-7 高分解能・高精度観測データの同化により取得された二酸化炭素フラックス誤差の時系列（細い実線）。太線には地上観測データの同化によって得られたフラックス誤差の時系列を合わせて示す。