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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〔研究担当〕
環境庁はオゾン層の監視，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，平成元年度より衛星搭載機器の開発に着手した。すなわち，改良型大気周縁赤外分光計ＩＬＡＳ（Improved Limb Atmospheric Spectrometer），地上衛星間レーザー長光路吸収用レトロリフレクターＲＩＳ（Retroreflector In Space）及びＲＩＳ観測用レーザー送受信地上設備である。ＩＬＡＳ，ＲＩＳは，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）に搭載されており，３年間にわたってデータが取得されることになっている。 さらに，１９９９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，改良型大気周縁赤外分光計ＩＩ型（ＩＬＡＳ-ＩＩ）の搭載が決まり，開発に着手した。 国立環境研究所はこれに対応して，（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。前者には，機器の概念設計，開発に係る技術的知見の提供，性能評価試験の支援，機器検証実験計画立案支援等が含まれる。後者は，データ処理のためのアルゴリズム研究開発，データ処理運用システムの概念設計，システムソフトウェア開発のための基礎検討，計算機システムの概念設計，データ利用研究計画立案，等が含まれている。さらに，衛星データの取得が開始された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の，データ利用研究の中心的役割を担うことになる。衛星観測研究チーム，高層大気研究室，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プロジェクト，ＲＩＳプロジェクト，ＩＬＡＳ-ＩＩプロジェクト）を推進している。 さらに，ＩＬＡＳ，ＲＩＳのそれぞれのプロジェクトを進めるため，サイエンスチームを組織して国内外の研究者の協力を得ている。また，ＲＩＳ観測については，地上局からの衛星追尾が不可欠であるため，郵政省通信総合研究所との共同研究により，観測を行うこととしている。 なお，これらの事業は，環境庁衛星搭載機器等製作費（地球環境部研究調査室），国立環境研究所地球環境研究センター地球環境モニタリング経費，地球環境研究総合推進費等により，実施されている。
（１）ＩＬＡＳプロジェクト
〔研究成果〕 （１）ＩＬＡＳ ＜データ処理システムの改良＞ データの前処理に関する研究では，赤外時系列データのデコンボリューションの改良手法として，ウィナーフィルタの適用可能性について調査を行った。また，可視チャンネルデータの観測透過率スペクトル中には，オゾンの吸収（Ｗｕｌｆバンド吸収）がベースラインとして重畳する。これは気温と気圧の導出処理に影響を及ぼす。そこで，その影響量を推定する手法の検討を行い，実用的な方法を開発した。 また，誤差伝播の理論と統計的な数値シミュレーションに基づいて，赤外チャンネルデータの処理における素子荷重（ウェイト）の調整に関する研究を行った。このウェイトは，解析に使用する気温と気圧の高度分布データの誤差と装置のノイズに，結果が大きく影響されずに安定して求められるために必要である。さらに，ＩＬＡＳデータ処理の全プロセスにおける誤差伝播について明らかにした。 赤外チャンネルのデータ処理アルゴリズムにおいて，６μｍ付近の酸素の連続吸収の寄与を計算に取り入れていなかった場合に，二酸化窒素および水蒸気の導出結果が下部成層圏で正しくない値を示すことが判明し，その改良を行った。この研究結果を運用処理プログラムに導入して，データの導出結果において顕著な改善が認められた。 さらに，ＩＬＡＳの観測処理結果と過去の典型的な測定結果とを比較するために，ＩＬＡＳ参照用大気データベースを整備した。本データベースは，運用処理時の初期値分布として利用されるとともに，作成に使用したデータの観測年の特殊性に配慮しながら，ＩＬＡＳの導出結果の比較および大気化学・大気物理現象の解釈における参照値として利用されている。 ＜装置関数の再決定＞ ＩＬＡＳは太陽掩蔽法に基づき大気の吸収測定を行うため，装置関数として分光器の各検出素子の波長位置等の分光感受特性が重要となる。打ち上げ前の各種の実験・理論計算は，決定されたＩＬＡＳ赤外分光器の装置関数が十分な正確さを持つことを示し，このことは打ち上げ後の実データによっても確認された。 同様に可視分光器についても，その分光感受特性がデータ処理上の大きな誤差要因となる。しかし可視分光器は，熱的に十分に安定な赤外分光器と異なり，軌道上環境では，地上で決定したのとは異なる波長位置を持つ可能性があった。このことはＩＬＡＳ連続運用開始直後に確認された。そのため軌道上データに基づき分光感受特性の再調整を行った。その結果，可視分光器データの処理（理論透過スペクトルの再現）において，フィッティング残差を大幅に減少させることができた。 ＜並列言語の利用による高速演算＞ ＩＬＡＳデータ処理においては，軌道上でＩＬＡＳが観測する大気吸収を計算機上で正確に再現することが，本質的に重要である。そのため，データ並列式計算機に適した非常に高速な大気吸収の計算手法を開発し，これを簡潔かつ効率よく並列実行させるプログラムを全く新しい並列言語（ＨＰＦ：Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｏｒｔｒａｎ）で開発することに，世界で初めて成功した。 ＜ＩＬＡＳ検証実験＞ ＩＬＡＳの測定データは，ＩＬＡＳ衛星データ処理運用施設において処理され，オゾン濃度の高度分布などの地球物理量に変換される。ここで生成された各種分布の妥当性を評価するに当たって，空間時間的に一致させた独立の観測実験（検証実験）を行い，それらを比較する方法がある。 直接的な検証データを得るために，いくつかの検証実験を計画し，実施してきた。特に，平成９年２月，３月にはスウェーデンのキルナに近いエスレンジにおいて，大気球を用いた大規模な検証観測実験を，環境庁とフランス宇宙研究センター（ＣＮＥＳ）との共同で実施した。この実験では，合計２０機の大気球が用いられ，延べ４１件の観測実験が行われた。これにより，ＩＬＡＳの検証に必要なパラメータだけでなく，オゾン化学の研究に必要な多くのデータも同時に取得された。図２は，この期間中に取得されたオゾンゾンデによるオゾンデータと，ＩＬＡＳによるオゾンデータとの比較を示したものである。詳細な解析は，今後の課題であるが，一致はよいことがわかる。 ＜ＩＬＡＳデータ処理＞ ＩＬＡＳは，１日には南北両半球のそれぞれで，ある緯度園に沿った１４地点での測定がなされることから，各種パラメータの高度−経度断面内の分布を描くことができる。図３は，そのようなオゾン濃度の分布図である。ＴＯＭＳによるオゾン全量データや気象データ等から解析されるオゾンホールに対応した，オゾンの高度分布の特徴が見いだせる。
（２）ＲＩＳ
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