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A-0803 革新的手法によるエアロゾル物理化学特性の解明と気候変動予測の高精度化に関する研究

## （３）放射観測に関する研究

国立大学法人 千葉大学

$$ 環境リモートセンシング研究センター \quad 基盤研究領域 \quad 高村民雄 $$

<研究協力者>

$$ 国立大学法人 \quad 千葉大学 \quad 環境リモートセンシング研究センター \quad Pradeep Khatri $$

平成20～22年度累計予算額 13,390千円（うち、平成22年度予算額 4,095千円）

上記の予算額には、間接経費を含む

[要旨] SKYNET辺戸岬（沖縄）及び福江島（長崎）観測サイトにおいて、スカイラジオメータ、日射計等を用いてエアロゾルの光学特性（光学的厚さ（AOT）、単一散乱アルベド（SSA）等）とその放射効果を明らかにした。2008年～2010年の観測に関する解析の結果、光学的厚さは0.2～0.4（500nm）で推移し、両サイトの変動傾向は類似している。しかし、吸収特性に違いが見られ、福江島サイトのエアロゾルの方がより吸収性が高いことが分かった。集中観測期間中の2009年～2010年3月～5月の平均で大気吸収が9-11 W/m²で、その差は2W/m²程度と小さかった。本研究では、新たに全天分光日射計が導入されAOTやSSAのスペクトルを得る手法が開発された。これによる評価では、吸収が更に強い可能性が示され、差が拡がると予想された。

[キーワード] エアロゾルの吸収特性、単一散乱アルベド、エアロゾル放射効果、直接効果、分光日射量

### 1. はじめに

エアロゾルが気候に与える影響が広く指摘され、多くの研究がなされてきている $ ^{1)} $ , $ ^{2)} $ 。アジアに拡がる吸収性の強いエアロゾルの影響 $ ^{3)} $ について注目されており、国連の枠組みのもとでの研究も進みつつある。

エアロブルの放射影響は、第4次IPCC報告書にも記載されているように、日射の散乱・吸収に寄与（直接効果）するだけでなく、凝結核となり雲生成に関与することで、さらに複雑に気候へ影響を与えると予想されている（間接効果）。この中には様々な形態があり、水循環への影響や局地循環への影響を含んでおり、熱構造の変容をもたらす可能性が指摘されている。

アジアに於ける急速な経済発展がもたらす大気環境の変化によって、こうした過程を通じて地球全体に影響が及ぶ可能性が危惧され、広域の観測とともにその物理過程解明にも力が注がれている。

SKYNET $ ^{4)} $ は、こうしたことを背景にして東アジアを中心にエアロゾル・雲に関する光学特性把握のために設置された観測ネットワークである。SKYNETでは、こうしたエアロゾルの光学的特性を様々な観測機材によって得ており、中でも中心器材は大気カラムの平均的な特性を計測するスカイラジオメータ(sky radiometer)である。同時に放射影響を評価する為に全天日射計、直達日射
計などが併設されている。

エアロゾルの放射影響を精度良く評価する為には、詳細な分光情報が必要である。スカイラジオメータはこれに応えてくれるが十分ではない。更に詳細に調べるために、今回新たに全天分光日射計が導入された。この器材には、自動太陽遮蔽装置が付加されており、全天日射量、散乱日射量をそれぞれ分光して得ることができる $ ^{5} $ 。こうした研究はこれまで殆ど無いことから、これによって、スカイラジオメータによる結果との比較、分光的な特徴を明らかにすることを目的している。

## 2 ．研究の目的

本サブテーマは、日本南西海域に於けるエアロブルの光学的性質とその放射影響を明らかにすることを主たる目的としている。南西海域は大陸に近く、また島嶼部の観測で比較的ローカルな汚染の影響を受けにくいことから、この地域の広い範囲の大気を代表していると考えられる。地理的位置から風系によって大陸の影響を受ける可能性も高い。こうした条件下でのエアロブルの観測は、東アジアの大陸から太平洋に至る地域の、エアロブル特性の一端を明らかにすることになる。

本研究では吸収性エアロゾルの挙動に焦点があり、本サブテーマではカラム平均のエアロゾルの吸収特性を含む光学的特性の把握と、その放射（日射）影響を観測から求める。エアロゾル自体の光学特性と、その日射への影響（放射強制量）の季節的な特徴を見ることとする。中でも吸収性エアロゾルで最も重要なカーボンに関わる知見が他グループから得られることから、これらとの整合性を検討する資料を提供することも目的の一つである。

SKYNETによる連続地上観測の結果をもとに議論する。

### 3. 研究手法

## （１）スカイラジオメータによるエアロゾルの解析手法

スカイラジオメータは、太陽直達光とその周辺光をほぼ同時に計測し、その天空輝度分布から大気浮遊微粒子の光学的性質を逆問題として推定しようとする観測機材である。推定の原理は、太陽直達光の減衰がエアロブルの光学的厚さに対応しており、天空輝度分布がその吸収・散乱特性（複素屈折率）に強く依存することによる $ ^{6)} $ 。解析の核となるアルゴリズムは、Tanaka et al.(1986) $ ^{7)} $ 、Nakajima et al.(1996) $ ^{8)} $ に基づいており、その解析コードはオープンソース（SKYRAD.PACK；http://www.ccsr.u-tokyo.ac.jp/~clastr/）として公開されている。今回の解析で用いられたバージョンはSKYRAD.pack v4.2である。水平均質の大気を仮定した解析であり、不均質なエアロブルの成層状態や積雲系の離散的な雲がある場合には、適切な解析が困難である。現在の雲検出アルゴリズムは、CSSR v1.0 $ ^{9)} $ を用いている。

本課題で中心となるエアロブルの吸収特性を評価しようとする場合には、精度のよい光学的厚さの推定が必要であり、この機材は二つの方法で検定されている。第一は、Improved Langley法(I-L 法)であり、天空輝度計測を行うスカイラジオメータ独自の検定手法である。濃度変動があっても一定の質であれば検定常数を推定できることから通常の観測を行いながら、同時に検定値の推定を可能にするものである。特に、分光に干渉フィルターを用いることから、その経年的な劣化が常に懸念され、I-L法による頻繁なチェックは機材の安定運用に欠かせないものである。同
時に、これを補強する点から、毎年1回程度、一次基準器と比較検定を行い確認する。この基準器は、気象研究所が管理するもので、Mauna Loa Observatory(MLO)でLangley法により検定したものである。

## （２）分光日射計(MS-700) によるエアロゾルの解析手法

スカイラジオメータが天空輝度分布を観測してエアロゾルパラメータを求めるのに対して、全天分光日射計は、地表面における波長別の日射の放射束密度(spectral irradiance)を計測することによって求めようとするものである。吸収の性質を知るには、(吸収効果を含む)散乱光の強度を分離して計測する必要があることから、この分光日射計には直達光を遮蔽し、散乱光のみ計測するシャドーバンド装置が付加されている。これにより、1台の計測器でほぼ同時に全天日射と散乱日射を計測し、これから直達日射を推定し、散乱日射と併せてエアロゾルパラメータを推定する。使用した分光日射計は、350nm～1000nmまでを分解能10nm程度で分光計測する。

スカイラジオメータとの違いは、放射輝度(radiance)の計測か放射束密度(irradiance)の計測の違いであり、理想的な大気状態での観測から求められる結果は等しくなるものである。分光日射計は、全天および散乱日射を波長別に絶対値で計測するので、波長別の日射量が必要な場合に有効な観測機材である。一方、絶対値を得ることが必要なことから、正しい検定値をつけることが必須となる。全波長域で計測する通常の広帯域全天日射計や直達日射計と異なり、分光日射計の検定に関する基準を気象庁は規定していない。そのため、検定方法を含めて、どのように決定されているかを述べておくことが解析結果の検討を行う場合に参考となる。

本研究では、気象研究所（気候研究部第3研究室内山室長）の協力を得て、気象研究所構内において検定済み回折格子型サンフォト

図30 シャドーバンド付き全天分光日射計からエアロゾルの光学的厚さ（AOT）及び単一散乱アルベド(SSA)を求めるアルゴリズム

メータとの比較検定により値付けした。被検定機材を太陽追尾装置に載せ、常に太陽に正対させることで、検定機材との比較を行う。この時、被検定機材はコリメーションチューブを用いて散乱光を極力減少させる。検定済みサンフォトメータは、気象研究所により定期的に、前述のMLOでLangley法によって相対検定された一次基準器である。絶対値に変換する際、大気上端での太陽放射スペクトルは、Wehrli(1985) $ ^{10} $ を採用している。地上で観測されるスペクトル中には、水蒸気、オゾン、酸素等の気体吸収が含まれており、これらの波長域の検定では、両者のスペクトル分解能が異なり、単純比較はできない。ここでは得られたスペクトルから厳密な吸収気体量を推定し
ないことから、最も近い波長の値で近似した。

全天分光日射計を用いた観測の場合、受光センサーの上面に取り付けてある拡散板のcosine特性の精度が重要である。広帯域日射計の黒体センサーへの直接入力と異なり、拡散板をLambert面とすることは容易でなく、特に天頂角の増大につれて、一般にLambert面からのずれが大きくなる。従って、このずれを精度よく知ることがきわめて重要である。この特性は、単に天頂角方向だけでなく、方位角方向にも異なる可能性がある。さらに、拡散させるための拡散板内の散乱体の粒径分布や、拡散板自体の光学特性から、Lambert面からのずれは波長特性を持つことが予想される。製品には、このずれを評価するための資料が添付されている。これは任意方向を北としたときの東西南北4方向の方位角に対して、天頂角を変えた場合の、天頂出力に対する任意天頂角での相対出力値として、いくつかの波長で計測、記載されたものである。解析では、このデータを元にして、天頂角、方位角方向にそれぞれ内挿して任意の方向の補正係数とする。

実際の観測で得られるデータはこうした誤差を含むものであり、検定値を用いて補正した値がそのまま水平面分光日射量(spectral irradiance)に対応しない。得られるそれぞれの値は次式で示される。

$$ \gamma_{1}F_{dir}\cos(\theta_{0})=\frac{I_{obs2}+I_{obs3}}{2}-I_{obs4} $$

$$ \gamma_{_{2}}F_{_{dif}}=I_{_{obs1}}+I_{_{obs4}}-\frac{I_{_{obs2}}+I_{_{obs3}}}{2} $$

$ I_{obs1} $ , $ I_{obs2} $ , $ I_{obs3} $ , $ I_{obs4} $ は、シャドーバンドがセンサー位置より低い最初の観測値、次にセンサーを隠す直前および直後、さらにセンサーの中心を遮蔽する位置にあった時の、それぞれ観測値である。 $ F_{dir} $ , $ F_{dif} $ は、理想的な場合の直達日射量と散乱日射量を示し、これに対してそれぞれ拡散板の誤差の補正係数を $ \gamma_{1} $ 、 $ \gamma_{2} $ として、それぞれ直達成分と散乱成分に対応するものである。

そのため、ここでは次のように計測データを処理する。

直達日射量の推定は、製品添付の資料に基づいて太陽位置に相当する天頂角データ（方位角方向の違いは小さいのでそれぞれの方向の平均を使用） $ \gamma_{1} $ を用いることによって求めることができる。また、この補正された直達日射量から容易にその光学的厚さ(AOT)が求められる。

一方散乱日射量は、太陽位置を含む大気状態によって天空輝度分布が異なることから、Lambert 面からずれた場合の放射束密度を正しく補正することは容易でない。観測値から cosine 特性を補正した散乱光 $ (F_{dif}) $ を求めるためには、直達光の場合と同様に、補正係数 $ \gamma_{2} $ を知ることが必要である。しかし補正係数 $ \gamma_{2} $ は、放射束密度に対する補正係数であり、天空輝度分布によって変わるものである。従って厳密な補正は、太陽位置と大気の組成、とりわけ快晴時にはエアロゾルの光学特性に依存する。 $ I(\theta,\varphi;\theta_{0},\varphi_{0}) $ を $ (\theta_{0},\varphi_{0}) $ 方向の散乱光とすると、観測される散乱光は次式となる：

$$ \gamma_{2}(\theta_{0},\varphi_{0})F_{d i f.\lambda}(\theta_{0},\varphi_{0})=\int_{\varphi}\int_{\theta}\gamma_{1}(\theta,\varphi)I_{\lambda}(\theta,\varphi;\theta_{0},\varphi_{0})\cos(\theta)\sin(\theta)d\theta d\varphi\mathrm{、} $$

そこで今回は上式を、エアロゾルパラメータ(SSA)を変えながらそのまま計算し、観測値と比較して最適のSSAを推定することとした。このアルゴリズムを図30に示す。
## （３）全天日射計による放射影響評価

エアロゾルの放射効果は、水蒸気などの吸収性気体を含むエアロゾルのない大気と比較して、実際の大気の日射の散乱・減衰退量として評価するものであり、ここではこれを放射強制量と定義する。放射効果は、地表面、大気自身、および大気上端での値として示されるが、観測によって直接得られるものは、地表面のもののみである。大気自身と大気上端での値は、放射計算を通じて推定する。地上での放射強制量は次式で定義する。

$$ \begin{aligned}A R F_{S F C}=&\frac{\iint\left[F_{o b s}^{\downarrow}(\lambda,t)-F_{S F C,R a y}^{\downarrow}(\lambda,t)\right]1-R(\lambda)]d\lambda d t}{24*3600}\\ \cong&\frac{(1-\overline{R})\int\left[F_{o b s}^{\downarrow}(t)-F_{S F C,R a y}^{\downarrow}(t)\right]d t}{24*3600}\end{aligned} $$

ここで、$\overline{R}$ は太陽スペクトルで加重平均した地表面反射率であり、$F_{SFC.Ray}(t)$ は時刻 $t$ におけるエアロゾルフリー大気の予想日射量を示している。一方、大気および大気上端での放射強制量は、次式によって求める。

$$ \begin{aligned}&A R F_{T O A}=\overline{F}_{T O A}-\overline{F}_{T O A.R a y},\\&A R F_{A T M}=A R F_{T O A}-A R F_{S F C}.\\ \end{aligned} $$

この放射計算では、スカイラジオメータによって得られる光学的厚さ、単一散乱アルベド、非対称因子などを用いる。また、吸収物質量は分光日射計データ処理に用いられたものと同様である。得られた地表面日射量が観測日射量と整合性がとれていることを確認し、大気上端および大気自体の放射強制量の妥当性をはかる。

本研究では、二つの点に着目して解析を行う。最初に、SKYNET辺戸岬および福江島サイトにおけるエアロゾルの放射特性の傾向を知るために、月平均の変化を調査する。この計算ではエアロゾル、水蒸気パラメータ等の月平均を求め、これをもとに放射計算を行い推定する。

次に、福江島上空で航空機観測が行われた2009年3月31日および4月5日の事例解析を、上記に従って行う。

## 4 ．結果と考察

（１）スカイラジオメータによる SKYNET 福江島、辺戸岬サイトの観測結果

研究期間（2008-2010）中のエアロゾルの光学的厚さ（AOT）の月平均の変化を、SKYNET 福江島（図31a）及び辺戸岬サイト（図31b）についてまとめた。
図31 SKYNET福江島(a)と辺戸岬(b)で観測されたエアロブルの光学的厚さ(500nm)。2008年から2010年までの各月の平均を示す。バーは標準偏差を表す。

煩雑さを避ける為に、波長500nmの結果のみ示したが、他の波長でも絶対値は異なるが概ね類似の傾向をもっている。図から分かるように、両サイトに共通する特徴は、春に高くなり夏から秋にかけて小さくなることである。また、絶対値で比較すると、3月・4月ほぼ同程度で、夏から秋に福江島のほうがやや高く出る傾向にある。その差は500nmで、6月を除き最大0.14(期間平均、9月)程度ある。

エアロブルの光学特性との関係を見る為に示したものが図32である。これらの図は、3年間の月ごとの可能なデータの全ての平均である。図の左のカラムは福江島を示しており、右カラムが辺戸岬のデータである。また、上段からオングストロームの関係から得られる混濁係数β(1μm)及びオングストローム指数α（中段）、下段がSSA(500nm)のそれぞれの全期間の月平均である。
図32 SKYNET福江島(a:Beta, c:Alfa, d:SSA)及び辺戸岬(b:Beta, d:Alfa, f:SSA)で観測された月平均の1・mの光学的厚さ(上段図:Beta)，オングストローム指数(中段図:Alfa)及び単一散乱アルベド(最下段図:SSA)の変化。2008～2010年のSKYNETプロダクトレベル2の平均を示す。

混濁係数βは、図31と同様の傾向を示しており、6月を除き、両サイトでよく似た傾向を示す。一方、オングストローム指数（α）の変動を見ると、全般に類似しているが、福江では3月を最小にゆっくりと上昇傾向を示すのに対して、辺戸岬では7月を除き殆ど変化せず、11月、12月にやや高い値を示している。福江島サイトの方が緯度が高く、春季の黄砂シーズンにはより影響を受けやすいと予想されるが、バラツキが大きく確定的ではない。また10月から12月にかけて大きくなる傾向は、大陸の汚染大気の影響の可能性を示唆しており、福江島サイトの方が早くから影響が出る可能性を示している。しかし、こうした傾向を単一散乱アルベドSSA(500nm)でみると、上記の予想を裏付けるものではない。特に福江島サイトでの年明けから一貫して7月まで低下する傾向の原因は、他の要因も併せて検討する必要がある。

本解析では SKYRAD. PACK v4.2 を使用しており、これまで AERONET の結果と比較されてきた。その結果、AOT は良く一致するものの、SSA が大きめに出ることが指摘されてきた $ ^{11} $ 。最近この原因の一部が究明され、数ミクロン以上の巨大粒子や非球形粒子の取り扱い、雲影響データの除去の不徹底等が指摘されている。こうした新たな知見を考慮した解析プログラムの更新が進んでおり、今後の再解析に反映される予定である。

福江島の SSA の傾向は、こうした改良コードによる再解析の結果や、他の地上観測（吸収計等）やモデルの結果を併せて再度検討する必要がある。
## （２）分光日射計MS-700を用いた観測結果

前節で述べたように、本研究ではエアロブルの光学的厚さだけでなく、吸収特性を知ることに大きな比重がある。放射効果を推定するに必要なエアロブルのパラメータは単一散乱アルベド(SSA)であり、この波長特性を知る必要がある。スカイラジオメータは干渉フィルターを内蔵して分光を行い、波長特性を明らかにしようとするものであるが、より連続的に知るには分光器による観測が必要である。本研究では、直達光の遮蔽装置をつけた全天分光日射計を導入し、スカイラジメータとは異なる手法でSSAの推定を行った。

解析手法は、前節で述べたので、その結果を以下にまとめる。解析は、SKYNET 福江島及び辺戸岬データで、研究対象期間の2009年及び2010年の3～5月である。本研究では、全天分光日射計を用いた解析に二つの目標があり、第一はこの手法と標準器材であるスカイラジオメータとの対応を検討することである。第二は、この器材の特徴であるSSAのスペクトルを得ることである。

この節では、第一の目標について述べ、次節に航空機観測と同期した日のスペクトル解析の結果を述べる。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

図33 SKYNET辺戸岬における全天分光日射計(MS-700)及びスカイラジオメータ(POM-02)によるエアロブルのAOT（(a）500nm）、SSA（(b）500nm）の日平均の変動。両者の対応をAOT(c)及びSSA(d)に示す。図(e)は、AOT>0.3以上でのSSAの対応を示す。

図 33 に、2009 年 3 月～5 月に観測された結果を示す。図 33(a)、(b)は、それぞれ AOT、SSA の日平均の変動の様子を全天分光日射計及びスカイラジオメータについて示した。AOT の両者の違い（図 33(c)）は、異常な 2 点を除くと平均 0.016(500nm) 程度スカイラジオメータが一貫して大きく評価される。しかしこの差はスカイラジオメータの検定精度に近いものであり、全天分光日射計で AOT を充分精度良く推定できることを示している。

解析可能なデータによる SSA は、いずれも 0.9(500nm) 以上の値を示しており、比較的散乱性の強いエアロゾルがこの時期の辺戸岬では多いことを示唆している。しかし、両者には、図 33(c)
に見られるような一貫した差があり、AOTと異なりその差は比較的顕著である。また、スカイラジオメータのSSAが概ね大きめに出ていることが特徴である。AERONET（http://aeronet.gsfc.nasa.gov/index.html）では、SSAをAOTの一定値（AOT(500nm)>0.3）以上の場合に推定している。それに倣って抽出したものが図33(e)である。本質的に図33(d)と違いはなく、違いの平均は、0.026程度である。この時、AOTの一致度の悪い2点を除いても違いは殆ど変わらなかった。

スカイラジオメータの他の波長でも同様の比較を試みたが、その傾向は400nmチャンネルを除いて変わらなかった。400nmチャンネルでは、分光日射計からのSSA推定で、適切な解の無い場合が多く、その原因を究明中である。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

図34 図33と同様であるが、SKYNET福江島における例。福江島では、2009年及び2010年の例を示している。

図34は福江島のケースであり、2009年及び2010年の3月～5月の2年分のデータを対象としている。辺戸岬データと同様に解析を進めた結果、福江島の分光日射計から求められるAOTが、スカイラジオメータの同時観測データから得られるものと系統的に違い、その違いが太陽高度に強く依存していることが明らかとなった。これは、使用した分光日射計のcosine特性に問題のあることを示している。このため、SSAを主とする今回の解析では、スカイラジオメータの解析を真値とし、これを再現するように新たにcosine特性を推定し、この特性をもとに散乱光量を推定して最適のSSAを推定する手法とした(図21)。従って、図34(c)に示したスカイラジオメータと全天分光日射計の相関は1になるはずのものである。しかし、計算上の制約からこの新しいcosine特性の導出には限られた日数のデータのみ使用して求め（2009/3/30及び4/5の航空機観測時のもの）、これを他の日のデータにも適用した。その結果、図に見られるようなバラツキが発生している。しかし、このバラツキは500nmのAOTで見ると、バイアス0.004、標準偏差0.024程度と
なっている。これによって、より正しい cosine 特性が得られたので、このデータを散乱光の計算に用いて、最適の SSA を推定することとした。その結果が、図 34(b) である。

辺戸岬のものと同時期であるが、明らかにSSAの小さな値が多いことが分かる。スカイラジオメータとの比較を、全解析例に対して図34(d)に、AOT(500nm)>0.3の場合を図34(e)に示す。この場合の差の平均は-0.058±0.039であり、辺戸岬の違いよりかなり大きい。

福江島、辺戸岬のいずれの比較からも分光日射計からのSSAのほうが低く出る傾向があることがわかる。期間全部の解析可能なケースに対する両サイトのAOTとSSAの単純平均とその違いを表2に示す。

表2 SKYNETサイト福江島及び辺戸岬における、2009年及び2010年3月—5月の平均の

光学的厚さ（AOT, 500nm）と単一散乱アルベド(SSA, 500nm)のまとめ. スカイラジオメータ及び分光日射計による結果を示す。

Mean values of AOT and SSA at 500nm for a period of Mar.-May, 2009-2010
SKYNET site	Sky radiometer POM-02	Spectral pyranometer MS-700	Difference (MS700) - (POM02)
Fukuejima (福江島)	AOT	0.376±0.192	0.372±0.179	$ ---(*) $
SSA	0.940±0.043	0.864±0.056	-0.075
Cape Hedo (迈戸岬)	AOT	0.298±0.139	0.282±0.131	-0.016
SSA	0.975±0.022	0.943±0.024	-0.032

(*) Fukuejima の MS-700 の AOT は、POM-02 の AOT で調整。詳細は本文参照。

表 2 に見られるように、両サイトの SSA を比較すると、この時期における福江島サイトのエアロゾルは辺戸岬に較べて明らかに吸収性の高いことを示している。図 32 に、スカイラジオメータで計測した 3 年間の平均の月平均の両サイトの違いで明らかにされているが、分光日射計でも同様の結果を示していることは、この傾向が確かなものであることを示している。一方、両器材による SSA の差は、福江島の結果ではかなり大きな違いがあり、違いの量的評価とその精度検証を行う必要がある。

## （３） 辺戸岬、福江島における放射影響評価

前項で得たエアロゾルの平均的な光学特性について、その放射効果を評価する。ここでは、この平均的なエアロゾルが存在する場合、太陽は各月の平均的な位置（各月の14日または15日）とし、水蒸気はマイクロ波放射計による現地観測の平均値、オゾン量はTOMSのものを利用する。従って、個々の解析の平均とはずれる可能性がある。しかし、放射強制量はその光学的厚さに強く依存することから、大きな違いはない。ただし、SSAによって変化することから、スカイラジオメータによって推定されるものに対して、さらにこれより0.05及び0.1各波長に対して一律に減少した場合の放射強制量の違いを併せて評価した。
図35は、SKYNET辺戸岬のエアロゾルによる放射強制量である。図の上段に、大気上端及び下端（地表面）でのものを、下段の図は上段と同じAOTであるが、SSAを実際の平均より0.05及び0.1小さく推定した時の強制量の差を示している。これは、前述のようにスカイラジオメータによるSSAの推定と全天分光日射計による推定に違いがあり、この影

響を評価する為である。

季節や年によって大きく変動しているが、春の高濃度に対応して大きな強制量をもっていることがわかる。これは図31(b)に対応するものである。図中で大気上下端での強制量に大きな差がない月は、エアロゾルが非吸収性であることを示している。下段の図は、SSAが観測値よりそれぞれ0.05，0.1小さくなった場合（吸収性が強くなった場合）の、放射強制量の違いを示したものである。SSAが減少する

Aerosol Radiative Effect at Cape Hedo

図36に、SKYNET福江島の結果を示す。AOTの違いから予想されるように、放射強制量にも違いが見られる。

図35 SKYNET辺戸岬における月平均のエアロブルパラメータから推定される大気上下端の放射強制量（上図）。下段の図は、同じAOTで、SSAが0.05及び0.1減少したときの強制力の差を示す。

と、図中の $ 0W/m^{2} $ の線から離れ、地表ではより暗く、宇宙から見た地球も暗くなることになる。

Aerosol Radiative Effect at Fukuejima

図36 SKYNET福江島における放射強制量。他は、図35に同じ。
表3 SKYNET福江島及び辺戸岬における2009-2010年3月－5月のエアロブル放射強制量の平均。カラムSSAの"Present"に、観測された平均値を用いたものを、また、SSAが観測値より"0.05"及び"0.10"減少した場合の強制量の変化を示す。

Fukuejima(福江島)AOT(500)=0.363±0.032SSA(500)=0.946±0.028	SSA	TOA(W/m²)	Surf.(W/m²)	Atmos.(W/m²)
Present	-11.6±1.9	22.4±3.7	10.8±5.1
D: -0.05	2.8	-5.5	8.3
D: -0.10	5.4	-10.8	16.3
Cape Hedo(迈戸岬)AOT(500)=0.397±0.078SSA(500)=0.968±0.013	SSA	TOA(W/m²)	Surf.(W/m²)	Atmos.(W/m²)
Present	-13.1±2.7	-21.4±6.4-	8.3±4.6
D: -0.05	3.1	-6.1	9.3
D: -0.10	6.0	-12.0	18.0

表3に、集中観測期間中の2009-2010年3～5月の放射強制量の平均についてまとめを示す。表中のAOT(500)及びSSA(500)の値が表2と異なるのは、表2の平均は対象となる全ケースの単純平均であるのに対して、表3はそれぞれの月平均値を平均したことによる。平均の放射強制量は、それぞれの月の値の平均を示してい

れの月の値の平均を示してい

れの月の値の平均を示してい

る。この時期の放射強制量は、

それぞれ11-13W/m²（上端）、

21-22 W/m²（地表面）、及び

9-11 W/m²を示している。AOT

に顕著な違いがないため両サ

イトでの違いはそれほど大き

くない。さらに、エアロゾル

の吸収性が強くなり、SSAで

0.05程度小さくなると大気上

端でおよそ3 W/m²、地表面で6

W/m²、大気の吸収8 W/m²程度

の強制量の強化となる。さら

に0.1になるとおよそこの倍

の強制量が見込まれる。

大気中での日射吸収の増加は、大気安定度を変えることから重要な量であり、図37

Aerosol Radiative Effect in the Atmosphere at Fukuejima and Cape Hedo

図37 SKYNET福江島（上図）及び辺戸岬（下図）での、日平均のエアロゾルによる日射吸収量。ΔSSAは、図35に同じ。

にそれぞれのサイトについての変動の様子を示した。
## （４）航空機観測時の地上観測のまとめ

航空機観測と同期した地上観測で、エアロゾルのカラム平均の光学特性について、全天分光日射計データの詳細解析をおこない、エアロゾルの分光特性のスペクトルを得ることを試みた。

航空機観測のうち、SKYNETサイト上空を飛行し、快晴で地上観測が収集されたものは2009年3月30日、4月5日の2日であった。当日の日射データを図38に示す。

3月30日は15時前後から機材の不調により欠測となった。また両日とも、昼前後に離散雲が見られる。放射強制に利用するデータは、3月30日は10時前後まで、4月5日は15時前後以降の雲の影響のない時のみである。スカイラジオメータの観測と日射観測の併用による推定結果については、2009年度報告書に載せたので割愛する。

同時に計測した全天分光日射計(MS-700)による観測結果の例を紹介する。3の（2）節で述べたように、MS-700は散乱光を計測するためにシャドーバンドを併設しており、一組の観測で全天分光日射量と直達光をカットした散乱光のみの観測をほぼ同時に、定期的に繰り返し観測する。全天分光日射量と散乱日射量の差が、直達日射量となり、これからAOTの波長分布を推定する。図39(a)及び(c)が3月30日のもの、(b)及び(d)が4月5日のものである。AOTスペ

図38 航空機観測に同期した地上日射観測(2009/3/30,4/5)。

クトルの図中、赤丸は同時計測したスカイラジオメータ(POM-02)から得られたものを示している。福江島設置のMS-700のcosine特性が十分な精度を持っていないことが判明しており、POM-02のAOTに合うようMS-700のcosine特性データを修正して他のチャンネルデータも補正している。従って、両者のAOTは一致している一方、図中の三角は広帯域全天直達日射計出力から推定されたものである。

AOTスペクトルに見られる760nm及び940nm前後の大きな値は、酸素と水蒸気の吸収である。しかし、それ以外の気体吸収が弱く比較的平坦が期待される可視中心部でもAOTに振動が見られる。この振動はエアロブル負荷の小さい3月30日の方が顕著にみられ、MS-700の検定時に使用した太陽スペクトルと、推定時に用いたスペクトルの違いに起因すると考えられる。

SSAのスペクトルを図39（c）及び（d）に示す。図中の赤丸をもつ線で、20nm間隔で求められている。前年度の報告で、スカイラジオメータの解析結果でも、3月30日は薄い濃度で吸収性が強く、4月5日は濃度が濃く吸収性が弱いことが示されているが、同様の結果を得ている。SSAスペクトルが振動しているのは、AOTスペクトルと同様の理由によると思われる。図には、WCP-55 $ ^{12)} $ に示されたSSAを併せて示した。これによると、3月30日のケースでは600-700nmを中心に吸収が強くなっており、「Continental model」と「Urban model」の間にあることが示されている。一方、4月5日のケースでは、可視中心部で「Continental model」に近い。しかし、両データとも近赤外域で吸収が弱くなる傾向がでており、この原因を検討中である。SSAを求める時の各波長での散乱光量の再現性は、いずれの波長でも図30に示した基準(差が10W/m²以下)より遙かに小さく、1-2W/m²程度に収まっている。

こうしたことから、SSAの分光特性の精度のよい観測・解析によって、エアロゾルの特徴をより
正確に記述することが可能であることが分かる。

(a)

(b)

(c)

(d)

図39 全天分光日射計から推定されるAOTとSSAのスペクトル。図中のSSA（下段）には、比較のためにエアロゾルモデル（WCP-55）の値が同時に示されている。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

日本南西海域のSKYNET観測サイトである福江島（長崎県）及び辺戸岬（沖罠県）におけるエアロブルの光学的特性を、スカイラジオメータ、全天分光日射計、及び広帯域直達・全天日射計等の地上放射観測データから求めた。航空機観測の行われた3～5月を中心にまとめた結果、いくつかの特徴が明らかとなった；

① 2008～2010 年の月平均の光学的厚さ（AOT(500nm)）で見ると、3～5 月を中心に大気は混濁し、AOT(500)が 0.4 程度に達する。その後夏季後半から冬季にかけて小さくなり、およそ半分程度で推移する。この傾向は両サイトともよく一致している。sky radiometer による単一散乱アルベド(SSA)の変化を見ると、全般に福江島のそれは辺戸岬より強い吸収性を示している。福江島では2月から7月にかけて減少していき、その後に回復する特異な形を示しているが、辺戸岬では、変動はあるものの、ほぼ一定の値を示している。

② 全天分光日射計による2009-2010年3-5月の解析結果では、両サイトともスカイラジオメータと同様の解析結果が得られたが、SSAの絶対値はスカイラジオメータよりさらに小さくなる傾向が見られた。

③ 同時期の放射強制量をみると、光学的厚さに顕著な違いがないために、平均で $ 12-13\mathrm{W/m^{2}(TOA)} $ ，21-22 W/m²(Surface)，9-11 W/m²(Atmosphere)程度と見積もられた。吸収性の弱い辺戸岬の方が大気中での強制量（吸収量）は2 W/m²程度小さくなった。
④ 分光日射計の観測から SSA のスペクトル分布が推定され、エアロゾルのより詳しい特性の推定が可能となった。

以上の成果は、今後モデル構築やその検証に必要な貴重なデータである。

## （２）環境政策への貢献

日本南西海域におけるエアロゾルの光学特性とその放射影響の経年的な変動が明らかになってきた。これは、エアロゾルの起源と輸送を考察する上で重要な資料であり、モデル研究と併せることにより東アジア域のエアロゾル環境とその影響に関する政策を考える上で重要なものと考えている。

### 6 \. 引用文献

1) IPCC, Climate Change 2007, 2007: The Physical Science Basis, Summary for Policymakers, IPCC WGI, Fourth Assessment Report, 18pp, UNEP/WMO.

2) Ramanathan, V., P.J. Crutzen, J. Lelieveld, A.P. Mitra, D. Althausen, J. Anderson, M.O. Andreae, W. Cantrell, G.R. Cass, C.E. Chung, A.D. Clarke, J.A. Coakley, W.D. Collins, W.C. Conant, F. Dulac, J. Heintzenberg, A.J. Heymsfield, B. Holben, S. Howell, J. Hudson, A. Jayaraman, J.T. Kiehl, T.N. Krishnamurti, D. Lubin, G. McFarquhar, T. Novakov, J.A. Ogren, I.A. Podgorny, K. Prather, K. Priestley, J.M. Prospero, P.K. Quinn, K. Rajeev, P. Rasch, S. Rupert, R. Sadourny, S.K. Satheesh, G.E. Shaw, P. Sheridan, And F.P. J. Valero, 2001: Indian Ocean Experiment: An integrated analysis of the climate forcing and effects of the great Indo-Asian haze, J. Geophys. Res., 106(D22), 28371-28398.

3) Ramanathan, V., P. J. Crutzen, 2003: New Directions: Atmospheric Brown "Clouds", Atmospheric Environment, 37, 4033-4035.

4) Takamura, T., T. Nakajima and SKYNET community group, 2004: Overview of SKYNET and its Activities, OPTICA PURA Y APLICADA, 37(3), 3303–3308.

5) Reynolds, R.M., Mark A. Miller, Mary J. Bartholomew, 2001: Design, operation, and calibration of a shipboard fast-rotating shadowband spectral radiometer, J. Atmos. Ocean. Tech., 18, 200–214.

6) van de Hulst, H.C., 1957: Light Scattering by Small Particles, John Wiley & Sons, New York, NY.

7) Tanaka M., T. Nakajima, and M. Shiobara, 1986: Calibration of a sunphotometer by simultaneous measurements of direct-solar and circumsolar radiations, Appl. Opt., 25, 1170–1176.

8) Nakajima, T., G. Tonna, R. Rao, P. Boi, Y. Kaufman, and B. Holben, 1996: Use of sky brightness measurements from ground for remote sensing of particulate polydispersions, Appl. Opt., 35, 2672–2686.

9) Khatri, P. and T. Takamura, 2009: An algorithm to screen cloud-affected data for sky radiometer data analysis, J. Meteorol Soc. Japan, 87 (1), 189–204.
10) Wehrli, C., 1985: Extraterrestrial Solar Spectrum, Publication no. 615, Physikalisch-Meteorologisches Observatorium + World Radiation Center (PMO/WRC) Davos Dorf, Switzerland.

11）橋本真喜子、2011:天空木戸観測から導出されるエアロゾル光学特性に関する研究、2010年度東京大学理学系研究科修士学位論文.

12) Deepak, A., and H. E. Gerber (Eds.), 1983: WCP-55, “Report of the Experts Meetings on Aerosols and Their Climatic Effects”, International Council of Scientific Unions, WMO.

## 7 ．国際共同研究等の状況

東アジアを中心としたエアロブル・雲の放射影響評価を行うための観測ネットワーク SKYNET 活動を通じて、関係国（モンゴル、中国、韓国、タイ、インド）と共同研究を実施している。本研究の枠組みと解析では、中国、韓国のデータを使用しておらず、共同研究も実施していない。

### 8. 研究成果の発表状況

(1) 纸上発表

〈論文(査読あり)〉

1. Khatri, P. and T. Takamura, 2009: An algorithm to screen cloud-affected data for sky radiometer data analysis, J. Meteorol. Soc. Japan, 87 (1), 189–204.

2. Khatri, P., T. Takamura, A. Shimizu, and N. Sugimoto, 2010: Spectral dependency of aerosol absorption over the East China Sea region, Sci. Online Lett. Atmos., 6, 1–4.

## (2) 口頭発表(学会)

1. Khatri, P. and T. Takamura, 2008: A method to screen cloud affected data for sky radiometer data analysis, 2008 年度日本気象学会秋季大会講演予稿集, B212, P158, 2008 年 11 月 19 日～21 日, 仙台国際センター.

2. Khatri, P. and T. Takamura, Cloud screening of sky radiometer data of SKYNET network, 2009: AERONET, Network Sun Photometry and MODIS RS Training Workshop, August 16–21, 2009, Zhejiang Forestry University, Hangzhou, China.

3. Takamura, T., and T. Nakajima, 2009: SKYNET Observation Network Activities for Climate change monitoring on aerosol and cloud, AERONET, Network Sun Photometry and MODIS RS Training Workshop, August 16–21, 2009, Zhejiang Forestry University, Hangzhou, China.

4. 高村民雄、P. KHATRI、近藤豊、2009: 2009年3月－4月の福江島におけるエアロソルの放射効果、日本気象学会秋季大会、2009年度秋季大会講演予稿集、C209, P215, 2009年11月25日～27日、アクロス福岡.

5. Khatri, P. T. Takamura, and A. Shimizu, 2009: A study of spectral dependency of
aerosol light absorption over East China Sea region using sky radiometer data, 日本気象学会秋季大会、2009年度秋季大会講演予稿集、C211，P217,2009年11月25日～27日、アクロス福岡.

6. Khatri, P. T. Takamura, A. Yamazakai, Y. Kondo, 2010: Retrieval of aerosol optical parameters using spectral irradiances measured at surface, 日本地球惑星科学連合 2010 年大会、AAS005-P01、幕張メッセ国際会議場、2010 年 5 月 27 日.

7. Khatri, P., T. Takamura, A. Yamazaki, and Y. Kondo, 2010: Aerosol optical parameters of SKYNET sites retrieved by using spectral irradiances measured at surface, 日本リモートセンシング学会第 49 回 (平成 22 年度秋季) 学術講演会論文集, 2010 年 11 月 9 日-10 日, 鹿児島市, pp79-80.

8. Takamura, T., P. Khatri, and Y. Kondoh, 2011: AOT and SSA derivation by a shadowband spectral pyranometer at SKYNET site, International Symposium on Radiative Effect of Atmospheric Brown Clouds, January 12–16, 2011, Jinghong Yunnan, China.

（3）出願特許

（４）シンポジウム、セミナーの開催

該当なし

（５）マスコミ等への公表・報道等

該当なし

(6) その他

該当なし
1 経営体当たり漁労収入は929万円で、漁獲量は減少したものの、価格の上昇などから、前年に比べて7.4%増加した。

一方、漁労支出は641万円で、油費が減少したものの、雇用労賃が増加したことなどから、前年に比べて0.3%増加した。

この結果、漁労収入から漁労支出を差し引いた漁労所得は288万円となり、前年に比べて27.7%増加した。

図1 個人経営体（漁船漁業）の 漁労支出の構成割合

表 1 個人経営体（漁船漁業：1 経営体当たり）の経営収支

区分	平成26年	27	対前年差	対前年増減率
千円	千円	千円	%
漁労収入	8,647	9,291	644	7.4
漁労支出	6,393	6,412	19	0.3
うち雇用労賃	1,166	1,246	80	6.9
油費	1,320	1,061	△ 259	△ 19.6
販売手数料	537	600	63	11.7
修繕費	477	504	27	5.7
減価償却費	731	725	△ 6	△ 0.8
漁労所得	2,254	2,879	625	27.7
補助・補償金(漁業)	682	529	△ 153	△ 22.4
漁獲量(kg)	19,243	18,279	△ 964	△ 5.0
1 経営体当たり漁労売上高は3億2,770万円で、漁獲量の増加などから、前年に比べて14.7%増加した。

一方、漁労支出は3億3,596万円で、油費が減少したものの、労務費が増加したことなどから、前年に比べて10.0%増加した。

この結果、漁労売上高から漁労支出を差し引いた漁労利益はマイナス826万円となり、前年に比べて1,125万円マイナス幅が縮小した。

図２ 会社経営体（漁船漁業）の 漁労支出の構成割合

注：割合の計が100%とならないのは、四捨五入によるものである。

表 2 会社経営体（漁船漁業：1 経営体当たり）の経営収支

区 分	平成26年度	27	対前年差	対前年増減率
千円	千円	千円	%
漁労売上高	285,787	327,699	41,912	14.7
漁労支出(①+②)	305,295	335,955	30,660	10.0
漁労売上原価①	261,011	284,052	23,041	8.8
うち労務費	92,981	105,940	12,959	13.9
油費	60,854	54,299	△6,555	△10.8
減価償却費	25,387	32,390	7,003	27.6
修繕費	22,392	24,873	2,481	11.1
漁労販売費及び一般管理費②	44,284	51,903	7,619	17.2
漁労利益	△19,508	△8,256	11,252	nc
漁労外利益	11,752	18,672	6,920	58.9
営業利益	△7,756	10,416	18,172	nc
営業外収益	21,725	20,307	△1,418	△6.5
営業外費用	4,573	3,486	△1,087	△23.8
経常利益	9,396	27,237	17,841	189.9
漁獲量(t)	1,397	1,788	391	28.0
【S-9】アジア規模での生物多様性観測・予測・評価に関する総合的研究（H23～H27；累計予算額 1,564,174 千円）

矢原徹一（九州大学）

### 1. 研究实施体制

（１）生物多様性評価予測モデルの開発・適用と自然共生社会への政策提言（東京大学、国立研究開発法人農業環境技術研究所、国立研究開発法人国立環境研究所、九州大学、京都大学、横浜国立大学）

（２）アジアの森林における遺伝子・種多様性アセスメント（九州大学、独立行政法人国立科学博物館、人間環境大学、京都大学、鹿児島大学、首都大学東京、琉球大学、東北大学、京都大学、日本大学）

（３）アジア地域における生物多様性劣化が生態系の機能・サービスに及ぼす影響の定量的解明（東北大学、国立研究開発法人森林総合研究所、国立研究開発法人海洋研究開発機構、北海道大学）

（４）陸水生態系における生物多様性損失の定量的評価に関する研究（国立研究開発法人国立環境研究所、筑波大学、東邦大学、北海道大学、京都大学、九州大学）

（５）海洋生態系における生物多様性損失の定量的評価と将来予測（国立研究開発法人海洋研究開発機構、国立研究開発法人国立環境研究所、国立研究開発法人水産総合研究センター、北海道大学、東京大学）

（６）プロジェクト全体の管理（九州大学）

## 2 ．研究開発目的

プロジェクト S-9「アジア規模での生物多様性観測・予測・評価に関する総合的研究」の目標達成のために、全体の目標・計画、各公募領域の目標・計画を調整し、進捗を管理するとともに到達度を評価し、研究計画および実施体制の改善策を提案する。また、関連分野の研究開発と国際動向について、最新の情報を収集するとともに、最新の研究成果を国内外に発信する。

### 3. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

1）アジア規模での、陸上・陸水・海洋をカバーした総合的な生物多様性観測・評価の枠組みを発展させた。さらに、この戦略・目標・計画を、AP-BONワークショップ、GEOSS-APシンポジウム、GEOBONall-hands meetingなどの国際会議や、単行本の出版を通じて国際的に発信し、生物多様性観測・評価を国際的にリードすることができた。

2) 東南アジア各地で植物多様性調査を実施し、ボルネオ島・スマトラ島・ベトナム南部に種多様性のホットスポットがあることを明らかにした。さらにこれらのホットスポットにはこれまでに花・果実が採集されたことがない多数の新種があることを明らかにした。国際マメ科植物観測計画のコンセプト論文を発表し、国際的なリーダーシップを執ることができた。

3) 国際的な「遺伝子多様性アセスメント」を提案した。これまで、主に農産物を対象としている FAO 以外に国際的な観測・評価メカニズムがなかったために、この提案に国際的な期待が寄せられている。

4）森林構成樹種の機能形質（光合成速度、分解速度、成長速度などの機能量を反映する形質）のデータベースを構築し、形質の多様性と機能を関連付けた。また、送粉者の保全に関する国際シンポジウムを開催し、世界各国の指導的研究者とのネットワークを構築した。このネットワークは、送粉者に関するIPBESアセスメントにつながる成果を生んだ。

5）メコン川流域での4カ国共同調査を組織し、淡水魚分布モデルを構築し、温暖化とダムの影