２．５　地球環境モニタリングに関する研究

１．衛星観測プロジェクト

〔担当者〕 中島英彰・杉田孝史

地球環境研究グループ	：
大気圏環境部	：	笹野泰弘・神沢　博
地球環境研究センター	：	横田達也
客員研究員　１２名
下線は研究代表者を示す

〔目　的〕環境庁（当時）はオゾン層の監視，調査研究の推進を目的として人工衛星を利用した観測を行うこととし，改良型大気周縁赤外分光計ILAS（Improved Limb Atmospheric Spectrometer）を開発し，宇宙開発事業団が１９９６年８月に打ち上げた，地球観測プラットフォーム技術衛星（ADEOS:Advanced Earth Observing Satellite）に搭載した。ADEOS衛星の事故により，１９９７年６月末に運用が停止されるまでの８ヵ月間，ILASを用いた測定が行われた。さらに，２００２年に打ち上げが予定されている環境観測技術衛星（ADEOS-II）に搭載するILAS-II，２００７年頃に打ち上げが予定されているSOFIS（Solar Occultation FTS for Inclined-orbit Satellite）の開発が，環境省により進められている。
　当プロジェクトではこれに対して，（１）搭載機器開発に係る科学面での支援（２）データ処理運用のための地上システムの開発とその運用を担当している。後者は，アルゴリズム研究開発，データ処理運用システムの設計，データ利用研究計画立案等が含まれている。さらに，衛星データの取得後は，データ質の評価，検証解析，アルゴリズム改訂のための検討を行いつつ，データを用いたオゾン層監視，オゾン層変動メカニズムの研究等を行ってきた。衛星観測研究チーム，大気物理研究室，地球環境研究センター（衛星担当研究管理官）が中心となって，衛星観測プロジェクト（ILAS，ILAS-II，SOFIS）を推進している。

〔内　容〕
（１）ILASプロジェクト
　平成９年６月末に，衛星本体側の問題で衛星運用が停止し，ILASについてもデータの入手が途絶えた。しかし，運用開始からの約８ヵ月間に取得された観測データは，南極オゾンホールの解消期や，北半球極周辺での春季のオゾン減少過程等に係る非常に有用なデータを含んでいる。ILASプロジェクトでは，取得されたデータについて，検証データとの比較解析，データ解析アルゴリズムの改訂，データ再処理の作業を継続して続けている。
　平成１０年６月には，ILASプロダクトVersion３．１０のうちオゾン，硝酸，エアロゾル消散係数（７８０nm）の３つのパラメータについて，一般公開に付した。前年度中に，これらについては検証作業を終え，学術雑誌に論文を発表した。
　本年度のアルゴリズム改訂作業の中での重要事は，測定高度決定に際して太陽輪郭センサーデータの利用を可能にし，さらに改良を加えたことである。これにより，高度情報の不確定性を低減でき，精度の向上に大きく寄与した。このほか，種々の改訂を施し，新しいVersionのプロダクト（ILASVersion５．２０）作成に着手した。これは，登録研究者だけでなく，一般公開に付される予定である。
（２）ILAS-IIプロジェクト
　データ処理のためのアルゴリズム検討を引き続き行い，当初の基本設計策定以後の各種の進捗を考慮して，データ処理システムの改訂作業を行った。環境庁が宇宙開発事業団と共同して実施した研究公募で選定された研究者グループの組織化を行った。
（３）SOFISプロジェクト
　SOFIS機器の基本設計作業を支援するため，SOFISによる計測可能性のシミュレーション評価を行った。また，SOFISデータ処理の基本アルゴリズムの検討作業を行った。さらに，今後の検討用の計算機システムを導入した。

〔成　果〕
（１）ILASプロジェクト
　１）データの前処理に関する研究
前年度からの研究を継続して，ILAS接線高度（観測する信号に対応する光路の大気層高度）の決定方法をより詳細に吟味し，改訂手法を開発した。ILASの可視チャンネルデータの酸素の吸収スペクトルの面積情報と，ILASの観測時刻と位置における高度別気温・気圧情報（英国気象局からのデータ）から理論的に計算した酸素の吸収スペクトルの面積情報とを比較することによって高度を推定する方法がVersion３．１０では用いられていた。この手法をより高精度化するために，可視チャンネルの装置関数を再調整するとともに，面積計算に利用する吸収線の範囲を吟味した。さらにこの方法によって高度３０kmの光路を決定し，ILASの太陽輪郭センサーの情報と衛星・地球・太陽の位置関係から幾何学的に高度を決定する方法（Version４．２０で利用されていた方法）におけるILASの視野角を求め，求められた視野角から全高度の光路を決定する方法を開発した。本手法により，機器温度の変化の影響と思われる太陽上端までの視野角の経時変化を補正することが可能となった。その結果，可視チャンネルの吸収面積による算出高度と太陽輪郭センサーの情報を用いた幾何学的な算出高度との差における季節変化が小さくなり，より精密に高度決定がなされるようになった。
　２）可視チャンネルデータの処理に関する研究
　可視チャンネルから気温と気圧を処理する際の誤差の要因として，酸素分子の吸収線パラメータやオゾン吸収断面積の不確定性や，装置関数の推定誤差などが考えられている。本年度では前年までに誤差評価された検討項目を取り入れた最新版のデータ処理アルゴリズムを利用した幾つかの感度解析を行った。酸素分子のPブランチおよびRブランチの吸収波長域を各々利用した気温気圧高度分布の導出結果には大きな違いが見られることがわかった。さらにその違いの傾向は衛星の日の出，日の入りのモード間で逆になっていることも明らかになった。これらの結果をUKMO全球気象データと比較した結果，ILAS気圧は１〜２％の相対差異の範囲でUKMOデータと良く一致していた。しかしながら，ILAS気温は，UKMOデータに比較して季節と日の出・日の入りモードに依存して，良く一致する場合と最大１０K程度の違いがある場合が見られた。今後は，これまで室内実験データが存在していなかったオゾン吸収断面積の温度依存性データを利用すること，また太陽掩蔽法によって気球から観測された太陽スペクトルを利用する上で，オゾン吸収成分の酸素吸収成分からのより正確な分離や装置関数の再校正，そしてフォワードモデルの高度化を行う。
　可視チャンネルからのエアロゾル消散係数の導出に関することとしては，これまでの７８０nm付近の１２素子のデータ利用による高度分布導出法から新たに１００素子程度のデータ利用による，より高精度の導出法を検討している。この手法を応用して中間圏の極域中間圏雲（Polar Mesospheric Clouds，PMC）と呼ばれるエアロゾル粒子の導出を行った。その結果，南半球においてILASデータからPMCの存在が確認できた。今後は，この手法によるエアロゾル消散係数高度分布の導出法を誤差評価等を含めて検討する。　また，可視チャンネルの透過率信号（レベル１データ）のみから，極域成層圏雲（Polar Stratospheric Clouds; PSC）を検出している観測事象の候補を簡便的に求める手法を研究開発した。ILASの導出した可視エアロゾル消散係数，気温，オゾンや硝酸などの高度分布情報との比較から，本手法の妥当性を確認した。
　３）赤外チャンネルデータの処理に関する研究
　オゾンなどの微量気体の導出結果には，その信頼度を示す誤差の大きさが高度別に付与されている。誤差の要因のうち内部誤差は，観測スペクトルと理論計算スペクトルとの残差から定義される。大気が静穏で観測位置も近く，気体成分の濃度変化の小さい数日間に導出された濃度のバラツキ（再現性）と，内部誤差とを比較したところ，多くの気体成分で内部誤差は相対的に大きいことがわかった。これは，理論スペクトル計算に取り込まれていない要因があるか装置の特性に取り込まれていない要因があるなど，スペクトル上のバイアス的な誤差が影響していることを示唆している。以上の検討の結果，ILASの観測値は，バラツキの意味での測定精度は十分に高いことが確認された。
　４）ILAS検証解析
　ILAS観測に同期した種々の観測実験のデータを収集し，検証データとしてデータベース化を図るとともに，最新版のデータ処理アルゴリズムであるVersion５．２０によるILASデータをその検証データと比較検討し，ILASデータ質のデータ検証を行った。具体的には，検証実験キャンペーン期間中の，キルナ（スウェーデン）およびフェアバンクス（アラスカ）における大気球観測データ，オゾンゾンデ観測データ，HALOE，SAGEII，POAMII等他衛星による観測データ，POLARISキャンペーン期間中のER-２航空機観測データ等が，検証解析に用いられた。
　最新のデータプロダクトであるVersion５．２０では，これまでの酸素分子Aバンドの吸収面積とリファレンスとなるUKMO気象データの気温気圧から理論的に求められる吸収面積との比較から決定される手法と，サンエッジセンサーおよび衛星・地球・太陽位置情報から幾何学的に決定される手法との結合によるハイブリッド法によって，全高度にわたりより精度の良い高度決定が可能となっている。さらに幾つかの分子分光学的室内実験データに基づく理論的なデータ処理コードの導入，最新の知見に基づく微量成分気体濃度のデータベース整備等により，オゾン，硝酸，二酸化窒素，亜酸化窒素，水蒸気，メタンのすべてにおいて，ILASデータと検証データのより良い一致が見られるようになった。しかし，メタンについては，その一致程度に季節に依存した要素が見られており，今後もこの要因の理解を進める必要がある。
　５）ILASデータ利用
　ILASデータを用いた研究として，Version４．２０によるエアロゾル可視消散係数を用いた，１９９６/１９９７年冬期北極域での極成層圏雲（PSC）の出現特性を評価した研究が，奈良女子大学との共同研究として行われた。また，前年度の解析から進めて，最新のVersion５.２０オゾンデータを用いて，会合（マッチ）条件をより厳密にしたトラジェクトリー解析から１９９７年春期北半球高緯度でのオゾン破壊量を定量化する再解析が行われた。さらに，ILASVersion５．２０硝酸データから，北半球高緯度での脱窒の空間的分布を求める研究が，東京大学との間の共同研究として実施された。また，Version５．２０の可視硝酸係数，硝酸，水蒸気データを用いた，PSCの形成とそのタイプ識別に関する研究が，奈良女子大学との共同研究として実施されている。
ILASVersion５．２０の検証作業が完了した後は，ILASデータは一般の研究者に公開され，科学的解析のために世界の研究者に広く供される予定である。

（２）ILAS-IIデータ処理アルゴリズム及び運用システム
　ILAS-IIのデータ処理アルゴリズムは，これまで開発してきた手法に加えて，ILASのアルゴリズム検討で得られた知見を反映する改訂作業を継続した。吸収の影響を考慮する微量気体の追加，赤外チャンネルにおける酸素の連続吸収の計算手法の変更，データの前処理としての平滑化手法の改訂などである。
　また，前年度に引き続き，データ処理運用システムの性能試験を実施した。シーケンシャル処理と並列処理を効率よく組み合わせることにより，１観測イベントを平均１５分以内で処理可能であることが確認された。また，本導出プログラムを利用して，各気体の導出精度の検討を数値シミュレーションにより実施した。

（３）SOFISに係る検討
　SOFISはマイケルソン干渉計により分光スペクトルを取得する。その１つの観測（走査）に約０.３秒を要する。この間，衛星は移動して観測高度が変化するため，信号として得られる干渉データ（interferogram）が定常信号を測定した場合と異なったものになる。この影響について数値シミュレーションにより検討し，実用上問題のないことを確認した。
　また，複数の微量気体を高精度かつ高速に導出するための小分割された観測波長帯（マイクロウインドウ）の選定方法と導出精度について検討を行った。その結果，従来の選定手法では，観測条件によっては不十分な場合があり，独自の手法の研究開発の必要性が確認された。
　なお，今後SOFISに係るアルゴリズムの検討を効率的に行うため，専用の計算機システムを導入し，平成１３年２月より稼働を開始した。
〔発　表〕K-４２〜４７，A-２１〜２５，３７〜４２，F-６〜１３，I-１６，a-３５〜４６，５７〜８０，f-２４〜２９，３２〜４０，i-３４〜４２