Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## スクリーニング:青:GU(一般向け)<緑:RA(研究者向け)<茶:PSN(フィルタリングのみ)

GOSAT(Ver.02.11)

FTS TTCON(GGG2012)

(GOSAT観測点がFTSの緯度経度±0.5度以内のみプロット)

図（2）-4 巻雲やエアロブルの分布で分類した $ XCO_{2} $ の散布図（横軸-FTS、縦軸-「いぶき」）（左上：Tsukuba、右上：Saga、左下：Lauder、右下：Moshiri）「いぶき」観測点がFTSの緯度経度±0.5度以内のみプロットした。マゼンダ色の●がTCCONデータ、白抜きの記号で青色が一般に公開されている「いぶき」データ、青色が研究公募で採択された研究者に公開されている「いぶき」データ、茶色が非公開の「いぶき」データである。白抜きの形は、大気中浮遊物質の状況を示す。

## b）大気下層の高濃度エアロゾル

Sagaのデータのうち、スクリーニングにおいて一般向けに分類されているが、「いぶき」データがFTSに比べて $ XCO_{2} $ を大きく過小評価しているケースがあった（図（2）-5）。具体的には2012年5月29日のデータで、「いぶき」データがFTSデータに比べて5.5 ppm小さかった。このケースにおける光学的厚さはライダー推定値が1.29、スカイラジオメーター観測値が1.33で、高濃度のエアロゾルが分布していた。これに比べて「いぶき」データから求めた光学的厚さは0.30と低い値を示した。ライダーデータからそのエアロゾルは高度3km以下に分布しており、球形の微小（サブミクロン）粒子が卓越している事が分かった（図（2）-5右上）。NOAA HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）による後方流跡線解析からは、エアロゾルは主に中国大陆から輸送されてきている事が分かった。したがって、この粒子は中国大陆から輸送された汚染物質であったと推測される。このように下層に高濃度のエアロゾルが分布している場合、「いぶき」データが $ XCO_{2} $ を過小評価する可能性があることが示された。
スカイラジオメータAOT=1.33 (500 nm)

図（2）-5 Sagaで観測された高濃度エアロブルの事例（2012年5月29日、図左赤丸で囲んだデータ）。図右上：同時刻にライダーで観測した後方散乱比（青線）と偏光解消度（緑線）、後方散乱係数の波長依存性（マゼンタ線）の高度プロファイル。図右下：同時刻におけるスカイビューカメラの画像。マゼンタ色の●がTCCONデータ、白抜きの記号で青色が一般に公開されている「いぶき」データ、青色が研究公募で採択された研究者に公開されている「いぶき」データ、茶色が非公開の「いぶき」データである。白抜きの形は、大気中浮遊物質の状況を示す。

## c）巻雲の影響（スクリーニング）

巻雲スクリーニングの効果を確かめるために、ライダーで観測した巻雲の光学的厚さに対する「いぶき」と地上FTSで観測した $ XCO_{2} $ の差の分布を図（2）-6に示す。この図から、スクリーニングにより非公開とされているが、巻雲の光学的厚さが小さく（0.2以下）、GOSATと地上FTSがよく一致している場合があった。このデータが巻雲（2 μm帯）でスクリーニングされたかどうかは不明だが、解析方法を改善してデータ数を増やせる可能性が示された。アルゴリズムチームではこの結果を参考にして、新しい解析アルゴリズムでは巻雲も考慮したリリーバルを行うことになった。
図（2）-6 ライダーで観測した巻雲の光学的厚さに対するGOSATと地上FTSで観測したXC02の差の分布（左）。青色が研究公募で採択された研究者に公開されている「いぶき」データ、茶色が非公開の「いぶき」データである。2012年9月7日にLauderで観測された巻雲の高度-時間断面図（右上）と光学パラメータの高度分布（右下）。

## d）成層圈エアロゾルの $ XCO_{2} $ 導出への影響

対流圏の巻雲やエアロゾルの観測に加えて、ライダーでは成層圏エアロゾルの観測も行うことができる。成層圏エアロゾルの観測結果をアルゴリズムチームに提供してその影響を評価したところ、大規模な火山噴火の影響を受けていないバックグランドの成層圏エアロゾル（光学的厚さ0.01程度）であっても、これを無視すると「いぶき」から求めた $ XCO_{2} $ が約0.5 ppmの負バイアスを持つことがわかった。従って、「いぶき」解析アルゴリズムを改良するために、成層圏エアロゾル光学的厚さの先験値はOSIRIS（Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System）データ、高度分布はライダーデータを反映させること、SPRINTARS（Spectral Radiation-Transport Model for Aerosol Species）から計算した先験値は対流圏に限定することをサブテーマ（1）に提案した。

## e）ライダーによる巻雲・エアロゾル観測のまとめ

ここまでに示してきたライダーによる巻雲やエアロゾルの観測データと $ XCO_{2} $ の観測結果から得られたアルゴリズムチームへの貢献をまとめると以下の3点になる。

$$ クリ一二ング $$

$$ XCO_{2} デ一 $$

2）下層エアロゾル過小評価により$\mathrm{XCO}_{2}$データ誤差が生じる可能性を示した。

3）成層圏エアロゾルの影響は無視できない。
さらに「いぶき」による $ XCO_{2} $ 導出におけるエアロブルの影響を具体的に評価するために、各重点サイトのタイプ別エアロブル鉛直分布データセットを作成し、サブテーマ（1）ヘデータ提供した。

## f）桜島噴煙（2013年8月18日噴火）をSagaで観測した事例

2013年8月18日に発生した桜島の火山噴火に伴う火山灰粒子を、Sagaのライダーおよびスカイラジオメーターで観測した。大規模噴火の約3日後から高度2 km付近に光学的に薄い粗大非球形粒子を含むエアロブル層を観測した（図（2）-7）。すなわち、ライダーデータは高い偏光解消度（10-15%）と低い後方散乱係数波長指数（0.6-0.7）を示したことから、直径1 μm以上の非球形粒子が分布していたと考えられる。一方、スカイラジオメーターデータによる、波長500 nmにおける、光学的厚さ、オングストローム係数、単散乱アルベドはそれぞれ、0.12～0.40、0.16～0.49、0.73～0.91を示したことから、吸収性の粒子を含んでいたと考えられる。このことはHYSPLITを用いて8月21日14時（LT）ライダーサイトの上空2 kmに粒子を置いて3次元の後方流跡線解析を行った結果、桜島付近を起源とする粒子がSaga上空に到達していることからも確かめられた（図（2）-8）。このライダーとスカイラジオメーターの観測結果はGOSATの検証などに使用する予定である。

なお、ライダーを用いた火山灰監視技術の開発は、近年のアイスランド噴火を契機にヨーロッパでは積極的に行われているが、日本国内のライダーで火山灰を観測した報告例は非常に少ない。今後は気象衛星を利用した火山灰の広域監視技術の開発に加えて、ライダーの特徴を最も生かした高い距離分解能による火山灰の高度分布監視技術の開発やネットワークの展開も重要な研究テーマになると考えられる。

図（2）-7 2013年8月21日、22日にライダーで観測した全偏光解消度の時間-高度断面図（上）と13:17-13:27 JSTにおけるエアロゾルパラメータの鉛直分布（下）。R532は波長532 nmにおける後方散乱係数、Dep(%)は波長532 nmにおける偏光解消度、WEは後方散乱係数波長指数である。
NOAA HYSPLIT MODEL Backward trajectories ending at 0500 UTC 21 Aug 13 GDAS Meteorological Data

図（2）-8 NOAA HYSPLIT Modelによる後方流跡線解析の結果。計算の初期地点は8月21日14時（JST）でSagaライダーサイトの上空2km。

## (2) 放射計観測

## 1 ）スカイラジオメーターの検定

スカイラジオメーターの観測は、エアロゾルの光学特性を高精度に推定できることがその特徴である。エアロゾルの高精度推定を可能にするためには精密検定が不可欠である。検定のためのデータ取得の観測は、大気が清澄で混濁状態が変化せず水蒸気による影響が少ない条件下で行わなければならない。NOAA Mauna Loa観測所（MLO）は、太平洋のほぼ中央にあるハワイ島の標高3400mに位置するため、極めて大気が清澄で安定であり、この種の精密検定観測に最適の場所である。本研究では、スカイラジオメーター準器の精密検定を毎年MLOで実施した。MLOにて行った検定観測の様子を図（2）-9（a）に、2010年から2014年にかけて実施した精密検定観測の結果を図(2)-10（a）に示す。スカイラジオメーター準器は、2012年11月の検定の結果、紫外から近赤外域の波長を測定しているレンズに劣化を確認したため、新しいレンズに交換した上で、2013年11月の精密検定観測を実施した。波長340～1020 nmについての2013年の検定定数は前年と異なり値が大きくなっており、レンズ交換により透過率に改善があったことを確認できた。また、新しいレンズによる検定定数は波長340～1020 nmにおいて0.8%以内の誤差で決定されており、過去4年間の結果と同程度の精度を維持していることが分かった。波長1225、1627、2200 nmの検定定数は0.5%以内の誤差で決定されており、過去5年間の検定定数に大きな変化が無く経年劣化が小さいことが明
らかとなった。MLOでのスカイラジオメーター準器の検定観測終了後、12月中旬から12月末にかけ気象研究所放射観測棟において準器とTsukubaのスカイラジオメーターとの比較を行い（図(2)-9(b)）、検定定数をTsukubaのスカイラジオメーターに転写した。Tsukubaのスカイラジオメーターは1%の誤差で転写を行うことができた（図（2）-10(b)）。Tsukubaスカイラジオメーターの検定定数の経年変化は5年間で2～11%の差を確認した。波長340～400 nmでは8～11%の大きな経年変化があり、これは準器と同様にレンズの劣化が原因であることが分かった。

## 2 ）スカイラジオメーターの解析結果

TsukubaとSagaについて行った解析結果を図（2）-11に示す。図（2）-11では500 nmのエアロブルの光学的厚さ（AOT@500 nm）、500 nmの一次散乱アルベド（SSA@500 nm）及びオングストローム指数（ALPHA）の日平均値を示している。また、解析を行った結果を表（2）-4に示す。Tsukubaは季節変化がはっきりとしており、光学的厚さが冬に薄く、夏に厚い、また、一次散乱アルベドが冬に小さくなる傾向がある。Sagaでは光学的厚さが冬季に薄く、春季に厚くなっている。また、一次散乱アルベドの値は夏季に値が小さくなる傾向がある。TsukubaとSagaのオングストローム指数は春季に小さくなることがあり大粒子の寄与が大きいことを示している。これは黄砂が飛来していたことに対応していると推定できる。Sagaの光学的厚さはTsukubaに比べ相対的に厚いことから、エアロブルが多いことが考えられる。

(a)

(b)

図（2）-9（a）Mauna Loa観測所で検定観測を行っているスカイラジオメーター、（b）気象研究内でスカイラジオメーターの比較観測を行っている様子。
(a)

(b)

図（2）-10 スカイラジオメーターの検定定数の経年変化。（a）準器のスカイラジオメーター、(b) Tsukubaのスカイラジオメーター。左図の波長は、赤色が340 nm、青色が380 nm、緑色が400 nm、黒色が500 nmである。真ん中の図の波長は、赤色が675 nm、青色が870 nm、緑色が1020 nmを示し、左図の波長は、赤色が1225 nm、青色が1627 nm、緑色が2200 nmを示す。
図（2）-11 Tsukuba及びSagaにおけるスカイラジオメーター観測データの解析例。赤色が500 nm のエアロブルの光学的厚さ（AOT@500 nm）、青色がオングストローム指数（ALPHA）、緑色が500 nmの一次散乱アルベド（SSA@500 nm）の日平均値を示す。

表 (2)-4 Tsukuba及びSagaにおけるエアロゾル光学特性の傾向

光学的厚さ	オングストローム 指数	一次散乱アルベド
Tsukuba	冬季に薄く、 夏季に厚い	春季に小さく、 夏季に大きい	冬季に小さく、 夏季に大きい
Saga	冬季に薄く、 春季に厚い	春季に小さい	夏季に小さい

スカイラジオメーターのエアロブル特性を推定する通常のデータ処理では、340～1020 nmのデータしか利用されない。すなわち、この波長域の特性しか分からない。スカイラジオメーターには、雲特性の推定を目的として1627 nm、2200 nmでも測定を行っており、これらのチャンネルの太陽直達光の減衰の測定からこれらの波長で光学的厚さの推定をすることができる。二酸化炭素やメタン量の推定には、これらの波長域にある吸収帯が使われており、二酸化炭素やメタン量の推定や誤差の解析には、これらの波長域のエアロブルの特性データの情報が役に立つものと思われる。この課題では、1627 nm、2200 nmのチャンネルの光学的厚さの推定法を新たに開発し、その特性について調べた。
1627 nmや2200 nmでは、弱いながらも水蒸気、二酸化炭素、メタンの吸収帯があり、太陽光の減衰を利用する場合、これらのガス吸収による減衰を補正する必要がある。水蒸気の補正をするために、スカイラジオメーターの940 nmチャンネルの太陽直達光の減衰から可降水量（コラム水蒸気量）を推定する方法を開発した。940 nmチャンネルの検定は、MLOで取得したデータと同時に測定されている可降水量のデータや他の吸収ガスの量を与えて透過率を評価し、Langley法により決定した。1627 nm、2200 nmチャンネルについても同様に検定定数を決定できる（水蒸気吸収の影響は小さい）。可降水量と透過率の関係はモデル大気を与え理論計算値を元に経験式を作った。太陽直達光の測定値から940nmの透過率を求め、可降水量と透過率の経験式から可降水量を推定する。推定した可降水量とGPS可降水量の比較では、バイアスが0.09 g/cm²、2乗平均平方根誤差が0.179g/cm²、相関係数は、0.996であった。

## 3 ）近赤外域（1627，2299 nm）のエアロゾル光学特性

1627 nmや2200 nmチャンネルについても940nmチャンネルと同様に可降水量と透過率の経験式を作ることによって、940 nmチャンネルから可降水量が推定できれば、水蒸気による減衰の補正ができ、エアロゾルの光学的厚さを推定できる。図（2）-12に太陽光の減衰から推定した光学的厚さの時間変化の1例を示した。

図 (2)-12 エアロゾルの光学的厚さの時系列の測定例
2011年にTsukubaで観測した500 nmと1627 nmそれぞれの波長帯での光学的厚さの散布図を図(2)-13に示す。データは、両者がほぼ同じ値である領域から、1627 nmの光学的厚さが500 nmの光学的厚さの約6分の1の範囲にある。両者がほぼ同じ値にあるデータは、大きな粒子に対応し、ここでは雲データの厳しい除去を行っていないので薄い雲のデータも含まれているものと思われる。1627 nmの光学的厚さが500 nmの光学的厚さの約6分の1付近程度となる領域にデータが多く存在する傾向があるように見える。この原因としては、ある種の特性のエアロゾルに対応している可能性がある。

図（2）-13 可視域の光学的厚さ（τ_500nm）と1627 nmでの光学的厚さの散布図データは、2011年Tsukubaの観測値である。

図（2）-14 1627 nmと2200 nmの光学的厚さから算出したオングストローム指数（Alpha_NIR）データは、2011年Tsukubaの観測値である。
2011年Tsukubaでの1627 nmと2200 nmの光学的厚さから決定したオングストローム指数（Alpha_NIR）のを図（2）-14に示す。オングストローム指数は、光学的厚さを波長の幂乗で近似した時の係数であり、粒子サイズの小さいものが相対的に多いか、大きいものが相対的に多いかを示す指標として使われる。一方、その波長依存性はエアロブルの性質によっても異なる。この図において特徴的なことは、夏季の値が負になること、すなわち、2200 nmの光学的厚さが1627 nmよりも大きくなることである。

図（2）-15 すべての波長から算出したオングストローム指数（Alpha_all）と近赤外の波長から算出したオングストローム指数（Alpha_NIR）の散布図。データは、2011年 Tsukuba の観測値である。

観測されたエアロゾルをオングストローム指数で分類するため、図（2）-15は、すべての波長から算出したオングストローム指数（Alpha_all）を横軸に、近赤外の波長から算出したオングストローム指数（Alpha_NIR）を縦軸にとった散布図である。この図上で両方とも値が小さい（概抜0.5以下）の領域Bは、大きな粒子（雲も含んでいる可能性有り）に対応し、Alpha_NIRが負でAppha_allが1付近の領域Cは、夏季に特徴的なエアロゾルに対応し、Alpha_NIRもAlpha_allもともに値が0.5以上の領域Aは、通常観測されるエアロゾルに対応する。

ここで示したように全波長のオングストローム指数と近赤外域のオングストローム指数は、一意に対応しておらず、可視域のエアロブル特性から近赤外域のエアロブル特性を推定する時には注意が必要である。今回示したのは光学的厚さのデータだけであるが、近赤外域のエアロブル特性の違いは、今後データ検証やアルゴリズム改良に利用できる可能性がある。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

ライダー観測からは、

1）巻雲スクリーニング・解析方法を改善することにより$\mathrm{XCO_{2}}$データ数を増加させることが可能。
2）下層エアロゾル過小評価により$\mathrm{XCO}_{2}$データに誤差が生じる可能性を示した。

3）成層圏エアロゾルの影響は無視できない。

ことが、また放射計観測からは、

1）スカイラジオメーターの検定定数が経年変化をしており、1年に1回程度は正確な検定を行う必要がある。

2）940 nmチャンネルから可降水量を推定することにより、1627 nmや2200 nmで水蒸気の影響を考慮したエアロゾル光学的厚さの推定が可能になった。

3）温室効果ガスの量を推定するために使われる近赤外の波長域でのエアロブルの特性が直接分かるようになり、より正確にエアロブルの誤差への影響を評価できるようになった。

ことが明らかとなった。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

## 1 ）GOSAT中間総括会議における本推進費の成果の活用(2012年1月～3月)

GOSAT後継機への反映事項を提言することを目的にGOSAT中間総括会議が3回開催された。本会議では、本研究の成果である解析アルゴリズム改良と参照値の改良による「いぶき」データ改善の見通しを示し、GOSAT後継機を推進する環境省、宇宙航空研究開発機構(JAXA)及び国立環境研究所(NIES)に重要な知見を与えることができた。

#### 2 ）「いぶき」データ Ver. 02.xxデータの一般公開(2012年6月)

本研究の成果である解析アルゴリズムと参照値の改良結果を反映した「いぶき」データの再処理が行われ、そのデータ質の大幅な改善が確認された。この結果を基に新バージョンプロダクトが公開された。

## 3 ）第4回研究公募課題代表者会合での国際アピール(2012年6月）

GOSATプロジェクトから得られる成果をさらに豊かに有効なものとするため、一般からの研究公募を実施している。本会合は米国カリフォルニア工科大学で、環境省、NIES、JAXAの主催で行われ、本研究の成果である解析アルゴリズムと参照値の改良結果を用いて再処理された「いぶき」データの改善結果を報告した。

## 4 ）第5回研究公募課題代表者会合での国際アピール(2013年6月）

本会合は横浜シンポジアで、環境省、NIES、JAXAの主催で行われ、本研究の成果である解析アルゴリズムと参照値の改良結果を用いて再処理された「いぶき」データを用いた成果が報告された。

## 5 ）GOSATサイエンスチーム会合における研究成果の発表(2013年10月）

環境省、NIES、JAXAによって設置され定期的に開催されているGOSATサイエンスチーム会合で、本推進費の研究成果である航空機観測データを用いた検証解析について、情報を提供し、議論を行った。

## 6 ）温室効果ガス観測技術衛星（GOSAT）定常運用終了審査会における本推進費の成果の活用（平成26年2月14日）

温室効果ガス観測技術衛星（GOSAT）定常運用終了審査会が行われ、環境省、NIES、JAXAの作成
した資料を用いて発表が行われた。本研究の研究成果である解析アルゴリズムと参照値の改良結果を用いて再処理された「いぶき」データを用いた成果が報告された。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

## 1 ）第6回研究公募課題代表者会合での国際アピール(2014年6月）

本会合はつくば市つくば国際会議場で、環境省、NIES、JAXAの主催で行われる予定で、本研究の成果である解析アルゴリズムと参照値の改良結果を用いて再処理された「いぶき」データを用いた研究成果が報告される予定である。

## 6 ．国際共同研究等の状況

ニュージーランド国立大気水文研究所ローダー大気観測所において、ライダーを用いたエアロゾルの鉛直分布観測を行っている。

中国科学院大気物理研究所と共同で、本課題で検定したスカイラジオメーターの検定定数を転写したもので北京、青島で共同観測を行っている。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) O. Uchino, T. Sakai, T. Nagai, K. Nakamae, I. Morino, K. Arai, H. Okumura, S. Takubo, T. Kawasaki, Y. Mano, T. Matsunaga, T. Yokota: Atmos. Chem. Phys., 12, 11975–11984 (2012)

“On recent (2008–2012) stratospheric aerosols observed by lidar over Japan”

2) O. Uchino, N. Kikuchi, T. Sakai, I. Morino, Y. Yoshida, T. Nagai, A. Shimizu, T. Shibata, A. Yamazaki, A. Uchiyama, N. Kikuchi, S. Oshchepkov, A. Bril, T. Yokota: Atmos. Chem. Phys., 12 (1), 3393-3404 (2012)

“Influence of aerosols and thin cirrus clouds on the GOSAT-observed CO $ _{2} $ : a case study over Tsukuba”

3) 酒井哲、内野修、森野勇、永井智広、赤穂大河、川崎健、奥村浩、新井康平、内山明博、山崎明宏、松永恒雄、横田達也：日本リモートセンシング学会誌（2013年3月19日受理）

「佐賀のライダーとスカイラジオメータによって検出された桜島の火山灰の高度分布と光学特性」

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない。

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) O. Uchino, N. Kikuchi, T. Sakai, I. Morino, Y. Yoshida, T. Nagai, A. Shimizu, T. Shibata, A.
Yamazaki, A. Uchiyama, N. Kikuchi, S. Oshchepkov, A. Bril, T. Yokota: AGU Fall Meeting 2011 (2011)

“Influence of aerosols and thin cirrus clouds on the GOSAT TANSO-FTS SWIR XCO $ _{2} $ and a strategy for retrieval improvement”

2) 内野修、永井智広、酒井哲、真野裕三、B. Liley、柴田隆、森野勇、横田達也、田久保祥一郎、奥村浩、新井康平：第17回大気化学討論会（2011）

「ライダーで観測された成層圏エアロゾルの変動について」

3) 内野修、菊地信弘、森野勇、吉田幸生、横田達也、酒井哲、永井智広、真野裕三、清水厚、柴田隆、山崎明宏、内山明博：第29回レーザセンシングシンポジウム (2011)

「GOSATプロダクト改良に向けたライダーとスカイラジオメータデータの利用」

4) I. Morino, O. Uchino, Y. Yoshida, N. Kikuchi, M. Inoue, K. Nakamae, T. Yokota, V. Sherlock, B. Liley, S. Kawakami, H. Ohyama T. Nagai, T. Sakai, A. Uchiyama, A. Yamazaki, K. Arai, H. Okumura: AGU Fall Meeting 2012 (2012)

“Extended validation of the GOSAT-observed $ CO_{2} $ and $ CH_{4} $ at TCCON sites with co-located aerosol profiling”

5) T. Yokota, Y. Yoshida, I. Morino, O. Uchino, H. Takagi, S. Maksyutov, H. Watanabe, GOSAT members: SPIE Asia-Pacific Remote Sensing (2012)

“Column-averaged concentrations of $ CO_{2} $ and $ CH_{4} $ retrieved from GOSAT TANSO-FTS SWIR spectra and their use in estimating regional surface fluxes”

6) I. Morino, O. Uchino, Y. Yoshida, N. Kikuchi, M. Inoue, K. Nakamae, T. Yokota, V. Sherlock, B. Liley, S. Kawakami, H. Ohyama, T. Nagai, T. Sakai, A. Uchiyama, A. Yamazaki, K. Arai, H. Okumura: 8th International Workshop on Greenhouse Gas Measurements from Space(IWGGMS8) (2012)

“Advanced validation of the GOSAT-observed $ CO_{2} $ and $ CH_{4} $ at prioritized observation sites”

7) 中前久美、内野修、森野勇、B. Liley、酒井哲、永井智広、横田達也: 第18回 大気化学討論会 (2012) 「ライダーを用いたLauder上空のチリ・Puyehue火山噴火による大気中火山性エアロブルの観測」

8）山崎明宏、内山明博、上沢大作、工藤玲：日本気象学会2012年度秋季大会（2012）

「比較検定とImproved Langley法で決められたスカイラジオメーターの検定定数について」

9) 内山明博、山崎明宏、工藤玲、上沢大作：日本気象学会2012年度秋季大会(2012)「スカイラジオメーターの940nmチャンネルによる水蒸気量の推定」

10) 内野修、酒井哲、永井智広、中前久美、森野勇、新井康平、奥村浩、田久保祥一郎、川崎健、B. Liley、真野裕三、松永恒雄、横田達也：日本気象学会2012年度秋季大会 (2012)

「ライダーで観測された近年の成層圏エアログル増加と気候等への影響」

11）内野修、酒井哲、永井智広、中前久美、森野勇、田久保祥一郎、奥村浩、新井康平、松永恒雄、横田達也：第30回レーザセンシングシンポジウム (2012)

「GOSATプロダクト検証用可搬型ライダーによる観測」

12）中前久美、内野修、森野勇、B. Liley、酒井哲、永井智広、横田達也：第17回大気ライダー研究会、同予稿集、11-11(2013)

「チリ・プジェウェ火山噴火による火山性エアログルの地上ライダー観測（Lauder）について」
13) T. Sakai, O. Uchino, I. Morino, T. Nagai, S. Kawakami, H. Ohyama, A. Uchiyama, A. Yamazaki, K. Arai, H. Okumura, Y. Takubo, K. Kawasaki, T. Akaho, T. Shibata, T. Nagahama, Y. Yoshida, N. Kikuchi, B. Liley, V. Sherlock, J. Robinson, T. Yokota: The 9th International Workshop on Greenhouse Gas Measurements from Space, Abstract Collection, 54 (2013)

“Impact of aerosols and cirrus clouds on the GOSAT-observed $ CO_{2} $ and $ CH_{4} $ inferred from ground-based lidar, skyradiometer and FTS data at prioritized observation sites”

14) K. Nakamae, O. Uchino, I. Morino, B. Liley, T. Sakai, T. Nagai, T. Yokota: The 9th International Workshop on Greenhouse Gas Measurements from Space (IWGGMS9), Abstract Collection, 56 (2013)

“Lidar observation of the 2011 Puyehue volcanic aerosols at Lauder, New Zealand”

15）中前久美、内野修、森野勇、B. Liley、酒井哲、永井智広、横田達也：日本気象学会2013年度春季大会、同予稿集、322(2013)

「Lauderにおけるプジェウエ火山噴火によるエアロゾル層のライダー観測結果について」

16) I. Morino, T. Sakai, T. Nagai, A. Uchiyama, A. Yamazaki, S. Kawakami, H. Ohyama, K. Arai, H. Okumura, T. Shibata, T. Nagahama, N. Kikuchi, Y. Yoshida, B. Liley, V. Sherlock, J. Robinson, O. Uchino, T. Yokota: AGU Fall Meeting 2013, Abstracts (2013)

“Impact of aerosols and cirrus clouds on the GOSAT-observed $ CO_{2} $ and $ CH_{4} $ inferred from ground-based lidar, skyradiometer and FTS data at prioritized observation sites”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

1) 温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」による温室効果ガスの全球観測から分かったこと（平成25年8月6日、佐賀大学本庄キャンパス、観客25名）

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) NHKニュース（佐賀放送局）（平成25年8月6日、温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」による温室効果ガスの全球観測からわかったことについて 1分30秒ほど紹介）

2）佐賀新聞（平成25年8月7日、朝刊、「予測精度の成果報告、衛星いぶき参画の佐大」）

## (6) その他

特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない。
# （３）重点サイトにおける高精度温室効果ガス観測に関する研究

（独）宇宙航空研究開発機構

川上修司

<研究協力者>

名古屋大学 大山博史

平成23(開始年度)～25年度累計予算額：29,844千円

（うち、平成25年度予算額：8,049千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

「いぶき」の観測は、大気中に存在する巻雲やエアロゾルが二酸化炭素とメタンの測定結果に大きな影響を及ぼすことが知られ、これらの影響を取り除き「いぶき」の観測データの精度を向上させるためには、巻雲やエアロゾルの影響が少ない二酸化炭素のカラム量の地上観測データで検証する必要がある。このため、重点サイトを設け、地上設置高精度温室効果ガス観測装置の整備および観測を実施した。「いぶき」に同期した観測を実施し、スペクトルや解析に必要な気温、湿度、日射データ等の付随データを取得し、データ質の確認と整理を行い、検証に利用可能なデータセットを作成した。スカイラジオメーターから導出されたエアロゾルの光学的厚さとの対応から、SagaサイトはTsukubaサイトなど他の重点サイトと比較してエアロゾル量が高いサイトであることを見出した。

## [キーワード]

温室効果ガス観測技術衛星、高精度温室効果ガス観測、二酸化炭素、メタン、エアロゾル

### 1. はじめに

温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」（GOSAT）は、二酸化炭素とメタンの大気中のカラム量の測定を主目的とする地球観測衛星である。2009年1月23日、宇宙航空研究開発機構種子島宇宙センターから打ち上げられ、衛星打ち上げ後、搭載センサの校正、データ解析アルゴリズムの改良及び温室効果ガスの初期検証が行われ、温室効果ガス濃度データは一般に公開されている。しかし、科学的利用のためには、この温室効果ガス濃度データの更なる高精度化が必要とされている。

「いぶき」の観測では、大気中に存在する巻雲やエアロブルが二酸化炭素とメタンの測定結果に大きな影響を及ぼすことが知られている。これらの影響を取り除き「いぶき」の観測データの精度を向上させるためには、巻雲やエアロブルの影響が少ない二酸化炭素のカラム量の地上観測データで検証する必要がある。また、長期間の検証データを取得しそれらを用いた継続的な検証を行って季節変動や経年変動についても評価する必要がある。
## 2 ．研究開発目的

「いぶき」衛星搭載観測装置の校正、データ解析アルゴリズム改良、温室効果ガスの初期検証が行われ、温室効果ガス濃度データは一般に公開されたが、科学的利用のために更なる高精度化が必要である。

そのため、継続的に取得した検証データ、重点サイトで取得した多種多様な検証データによる検証と誤差要因の特定を行う。これを基に解析アルゴリズム改良を行い、「いぶき」観測データの解析により得られた温室効果ガス濃度の高精度化を行う。

そこで本業務は、重点サイトにおける高精度温室効果ガスを継続的に観測できる体制を構築し、データを取得し、解析を行いデータ質の評価を行うことを目的とする。

## 3 ．研究開発方法

研究開発方法は図（3）-1に示し以下に記載する。本研究「重点サイトにおける高精度温室効果ガス観測に関する研究」で取得されたデータは、サブテーマである「長期間検証データの評価、「いぶき」データ検証とアルゴリズム改良に関する研究」を中心とした検証に活用する。このため、重点サイトにおいて地上設置高精度温室効果ガス観測装置を用いた観測体制を構築する。

長期検証データを用いた季節変動・経年変動などの大気化学的検証

図 (3)-1 本研究の概念図
重点サイトにおける地上温室効果ガス高精度観測と同期して巻雲・エアロゾル光学特性の観測体制の構築、データ取得、解析を行う。このようにして得られた地上温室効果ガスデータ、「いぶき」温室効果ガスデータ、巻雲・エアロゾル光学特性との相関解析を行い、不確かさを明らかにすると同時にその原因を特定する。この検証結果を解析アルゴリズムの改良と初期値の改訂を反映させ「いぶき」観測データの再解析を実施する。この解析による温室効果ガス濃度を検証して高精度化の確認を行う。重点サイトにおける観測項目を表(3)-1に示す。重点サイトには、地上温室効果ガス高精度観測のための地上設置高分解能フーリエ変換分光計(FTS)、巻雲・エアロゾルの高度分布を測定するライダー(lidar)と巻雲・エアロゾル光学特性を測定する放射計(sky radiometer又はsun photometer)を設置している。赤で囲んだサイト、Tsukuba、Moshiri、Saga、Lauderが本研究で観測を行う重点サイトであり、これ以外のサイトは観測項目が不十分であることが分かる。また、Rikubetsuも重点サイトとして活用が期待されているため表(3)-1に記載した。本研究は上記の研究のうち高精度温室効果ガスに関する部分を担当する。

表(3)-1 重点サイトにおける検証観測所の状況

Instrument. Site	FTS	Lidar	Sky Radiometer	Sun Photometer
Tsukuba	Bruker 125 HR (NIES)	Observed by MRI	Observed by MRI	None
Moshiri	Bruker 120 HR (Nagoya Univ.)	Observed by Nagoya U. (supported by NIES)	Observed by NIES (not in winter)	None
Rikubetsu	Bruker Upgraded 120 HR (NIES) will be installed on Mar 2012	From Moshiri?	From Moshiri?
Lauder	Bruker 125 HR (NIWA, 120 HR: backup)	Observed by NIWA (Upgraded MRI & NIES)	Observed by NIES & NIWA	CSD Middleton SP02 (ABM)
Saga	Bruker 125 HR (JAXA & Saga Univ.)	Observed by NIES & Saga Univ.	Observed by NIES & Saga Univ.
Orleans	Bruker 125 HR (U. Bremen)	None	Observed by U. Bremen & NIES	None
Bialystok	Bruker 125 HR (U. Bremen)	None	To be installed at Bialystok and Bremen	None
Darwin	Bruker 125 HR (U. Wollongong)	Small power lidar (ARM site)	None	Cimel (ARM site)
Park Falls	Bruker 125 HR (Caltech)	None	None	None
Lamont	Bruker 125 HR (Caltech)	Small power lidar (ARM site)	None	Cimel (ARM site)

[注]NIES：国立環境研究所、MRI：気象研究所、NIWA：ニュージーランド国立大気水文研究所、ARM：米国エネルギー省の大気放射測定

## 4 ．結果及び考察

## （１）重点サイトにおける高精度温室効果ガス観測装置の整備

Sagaサイトにおける地上設置高精度温室効果ガス観測装置調整作業について主に述べる。Sagaサイトには、2011年5月末に、地上設置高精度温室効果ガス観測装置を設置した。設置状況を、図(3)-2に示す。Sagaサイトにて高精度温室効果ガス観測装置による観測を始める前に装置の調整作業を実施した。精度を保つためには、入念な光学調整を実施する必要があるためメーカーである（株）Bruker社の技術者と共に実施した。
図（3）-2 佐賀大学構内装置コンテナ全景

Sagaサイトに設置したFTSは、船舶での観測のために何度も輸送されため光学系のアラインメントのズレが少しずつ起きており、取得した温室効果ガスのリトリーバルの精度劣化が起きつつあった。また、Sagaサイトへの輸送の際に、大きく光学系のアライメントがずれたため、温室効果ガスの精度がまったく不十分になってしまった。このため同年7月に光学調整を実施し、これ以降は正常なデータを取得することが可能となった。下記に、調整項目毎に詳細を記述する。2011年5月末にSagaに高精度温室効果ガス観測装置が移設され7月に調整を実施した後、観測が開始された。これにより重点サイト4カ所における高精度温室効果ガスの観測体制が完成した。

## 1 ）干渉計レーザアライメント調整

つくばから佐賀への装置移設の際に、振動による光学系に微小なズレが発生し、光学的にアライメントが必要な状態となった。このため、振動等で変化した基準へリウムネオンレーザーの光軸をスキャナ全領域において安定し受光出来るよう再調整した後、レーザー本体位置を再固定した。スキャナが水平移動を維持できるようにスキャナーレール下のテンショナーによりレール自重によるたわみ量をオシロスコープを用いて光学調整しながらスキャナ可動位置全域における水平調整を行った。干渉計部レーザーディテクターX/Yの位置の調整を実施した(図（3）-3)。また、全域スキャンにて一定以上のレーザー強度があることを確かめた。

図 (3)-3 干涉計部光学調整
## 2 ）レーザーボードノイズ対策

レーザーボードノイズ対策が必要な部品(ECL-03)であることを確認し、ECL-04に交換することにした。交換する前のゴースト信号の大きさを7.5KHzから40KHzまでのスキャナ速度で見積もるためのスペクトルデータを取得した（図（3）-4）。

サンプリングレーザーの波数を $ v_{L} $ 、光源の波数を $ \nu $ としたときに出現する、 $ \nu_{L}-\nu $ の領域（13000-14000 cm $ ^{-1} $ ）にゴースト信号が出ることを防ぐ対策部品の取り付けを実施（ECL-03から04へ交換）。レーザーボードのポテンションメータを調整してスキャナ速度7.5 kHzでゴースト信号が最少になるようにして、交換後のゴースト信号の大きさを見積もる（または、ゴースト信号が消えていることを確認する）ためのスペクトルデータを取得した（図（3）-4）。

図（3）-4 レーザーボード交換前（赤）および交換後（黒）のゴースト信号（9500-10200 cm^{-1}）の比較

## 3 ）ガスセルを用いた装置関数の最適化

酸化二室素 $ (\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}) $ 標準ガスセル測定によって吸収線の形状を確認したところ装置の移動による光学ずれがあり、干渉計測定器の最適化が必要なレベルであることがわかった。このため、内部赤外光源により干渉系を最適化し、性能を確認した後、 $ N_{2}O $ 標準ガスセル測定による吸収線の形状が理想的となるよう微調整と測定を繰り返し実施し、2010年3月時の形状に戻っていることを確認した（図（3）-5）。同様に臭化水素 $ (\mathrm{HBr}) $ セルでも確認した（図（3）-6）。その後定期的に（年1回程度）、 $ HBr $ セルを使用し、吸収線の形状を確認し、非対称性が生じてないか等を確認している。2011年と2014年の測定は、セル内の圧力が違う異なる $ HBr $ セルを使っているが、特に非対称性を生じてないことをが確認できている（図（3）-7）。3年経過後も、光学的なアライメントの微妙なずれがおこってないことが確かめられた。
図（3）-5 2010年3月（赤）および2011年7月（黒）の $ N_{2}O $ セルスペクトルの比較

図（3）-6 2010年3月（赤）および2011年7月（黒）のHBrセルスペクトルの比較
図（3）-7 2011年7月26日（赤）および2014年2月28日（黒）のHBrセルスペクトルの比較

## 4 ）太陽追尾装置調整及びミラー交換作業

約1年程度の使用でホコリなどの付着により金ミラーが曇り、反射率が落ちて測定器に入射する光量がかなり減っていることを確認した(図(3)-8)。コンテナ上の太陽追尾装置のミラーをバックアップミラーと交換、追尾装置本体のアラインメント調整を実施して、正常に太陽を追尾できることを確認した(図(3)-9)。また、追尾装置が水平になっていなかったので、水準器で確認しながら調整ネジによって水平になるように調整した。

図(3)-8 使用により曇ったミラー

図3-9 交換作業風景

## （２）重点サイトにおける地上設置高精度温室効果ガス観測装置の運用

国内外の重点サイトの地上設置高精度温室効果ガス観測装置の運用を行い、高精度温室効果ガスの観測体制を維持した。この結果、表（3）-2に示す通り、2013年を含め2009年以降重点サイト
におけるFTSデータが取得できた。ただし、Moshiriサイトは、太陽追尾装置故障のため2012-2013年の測定結果はない。Tsukuba、Lauder、Saga、Moshiri、Rikubetsuサイトでのデータ取得状況を表(3)-2に示す。Sagaサイトにおける2011年からの日別スペクトル数を図示化し、例として、Sagaサイトにおける日別のスペクトル取得数を図（3）-10に示す。「いぶき」オーバーパス日の観測データは、2011年6月～2013年12月の間に314日あったが、その39%にあたる121日分のデータ取得ができた。Sagaサイトでの2011-2014年のデータ取得状況として、各月の月平均値を表（3）-3に示す。

表 (3)-2 重点サイトにおけるFTSデータの取得状況 (2013年12月31日現在)

Sites	観測開始日	オーバーパス日	データ入手状況(観測日)
Tsukuba	2009/01/01	586	230 (2013/11/22まで)
Lauder	2009/01/01	586	188 (2013/12/03まで)
Saga	2011/06/01	314	121
Moshiri	2009/08/21	408	47*
Rikubetsu	2013/11-	--	--

*太陽追尾装置故障のため2012年の測定なし

図 (3)-10 Saga地上設置FTSによって取得された日別スペクトル数(2011年7月～2013年12月)
表 (3)-3 Sagaサイトにおける2011-2014年のデータ取得状況(月平均値を示す)

month/year	scan_all	XCO2(ppm)	XCH4(ppm)
all	flag0	mean	std.	mean	std.
Jul	2011	260	228	390.85	0.44	1.8020	0.0135
Aug	2011	892	794	390.45	0.76	1.8014	0.0118
Sep	2011	1496	1284	388.16	1.09	1.8215	0.0138
Oct	2011	788	727	390.76	0.53	1.8231	0.0074
Nov	2011	1196	1036	392.27	0.70	1.8229	0.0085
Dec	2011	498	373	393.06	0.85	1.8158	0.0053
Jan	2012	856	622	395.11	0.82	1.8220	0.0065
Feb	2012	120	84	395.77	0.83	1.8189	0.0090
Mar	2012	1110	935	397.04	0.64	1.8253	0.0066
Apr	2012	1930	1597	397.27	0.68	1.8160	0.0098
May	2012	1756	1499	397.23	0.75	1.8250	0.0069
Jun	2012	354	111	393.75	1.97	1.8256	0.0061
Jul	2012	1572	1236	393.38	1.27	1.8327	0.0206
Aug	2012	1366	911	392.13	0.83	1.8096	0.0124
Sep	2012	1646	1184	391.71	0.58	1.8283	0.0142
Oct	2012	1986	1384	393.04	0.74	1.8351	0.0080
Nov	2012	1216	664	394.88	0.75	1.8279	0.0046
Dec	2012	934	571	396.72	0.71	1.8350	0.0051
Jan	2013	754	385	397.75	0.92	1.8279	0.0090
Feb	2013	1306	1071	398.16	0.68	1.8253	0.0070
Mar	2013	1470	1308	398.68	0.80	1.8266	0.0079
Apr	2013	1392	973	400.18	1.02	1.8222	0.0098
May	2013	1864	1237	399.98	0.98	1.8272	0.0090
Jun	2013	128	120	398.83	0.54	1.8217	0.0049
Jul	2013	1578	1208	397.03	1.43	1.8114	0.0130
Aug	2013	1894	1641	394.86	1.13	1.8364	0.0153
Sep	2013	1374	1116	393.86	0.73	1.8568	0.0089
Oct	2013	1120	676	395.15	1.00	1.8410	0.0097
Nov	2013	708	464	397.83	0.70	1.8401	0.0048
Dec	2013	572	385	399.14	0.90	1.8344	0.0048
Jan	2014	950	616	399.91	0.60	1.8331	0.0059
Feb	2014	554	403	400.44	0.71	1.8257	0.0042

[注] flag0とは、解析を行って、解析結果に問題がないことを意味する。

Sagaサイトで2011年6月から観測を継続しているが、この間、FTSのアラインメントをモニタするために、FTSの内部光源（ハロゲンランプ）を用いて定期的に塩化水素(HC1)ガスセルの吸収スペクトルを測定し、そのデータ解析により装置関数を評価した。図（3）-11にSaga地上設置FTSにおける装置関数の線幅と対称性に関する情報をそれぞれ表す変調効率と位相誤差を示す。2011年7月にFTSのアラインメントを調整して以降、定期的に（計15回）測定しているが、変調効率は光路
差によらず1に近い値（理想的な値）を示している。また位相誤差は0に近い値を示しており、これらのことはFTSのアラインメントが安定していることを表している。

図（3）-11 Saga地上設置FTSにおけるHC1ガスセルスペクトルから推定した装置関数に関する情報(左:2011/2012年、右:2013年、上：変調効率、下：位相誤差)

Sagaサイトで、ゴーストスペクトル(サンプリングレーザーの波数をν_{L}、光源の波数をνとしたときに、ν_{L}-νの領域に現れる誤信号)を、バンドパス光学フィルターを使って確認した。このゴーストスペクトルが親スペクトルに重なってリトリーバルされるカラム平均濃度にバイアスを発生させることが報告されている。InGaAs検出器で測定した太陽光スペクトルのうち、大気中の水蒸気によって太陽光が完全に吸収されている波数領域（7160～7170 cm^{-1}）に現れるゴースト信号とその親信号の波数領域（8628～8638 cm^{-1}）からGhost Parent Ratio（GPR）を算出した。図（3）-12に佐賀大学に移設後の2011年6月から2013年12月までのGPRとその日平均値を示す。太陽光スペクトルからも、レーザーボードを交換した2011年7月27日を境にGPRが減少していることが確認できた。また、レーザーボード交換後のGPRの日平均値の時間変動が小さいことも確認できた。

2011年7月からスペクトルデータや解析に必要な気温、湿度、日射データ等の付随データを取得した(図（3）-13)。

図（3）-14及び図（3）-15に、 $ O_{2} $ 1.27- $ \mu $ m吸収帯から導出した地表面気圧と気圧の比較を示す。およそ、 $ O_{2} $ 1.27- $ \mu $ m吸収帯から導出した地表面気圧は、17 hPa（〜1.7%）の正のバイアスがあり、精度（precision）は0.2%であることがわかる。ラインパラメータに不確定性があることからこのようなバイアスが生じることはわかっているが、このような特性が時系列的に変化してないかとモニタすることにより測定器の安定性を知ることができる。
図 (3)-12 Saga地上設置FTSにおける太陽光スペクトルから算出したGhost Parent Ratio (GPR) の時系列(各スペクトルから得られた値は黒、日平均値は赤)

Met data at Saga for gFTS in 201101

図（3）-13 Sagaサイトにおける気温、相対湿度、気圧（2011年7月～2014年3月）
図 (3)-14 $ 0_{2} $ 1.27- $ \mu $ m帯から導出した気圧との比較

図 (3)-15 ( $ O_{2} $ - 気圧計) のヒストグラム