PowerPoint プレゼンテーション

スカイラジオメーターによる東京及び小笠原に
おける対流圏エアロゾルの光学的特性に
関する研究
東京商船大学商船学研究科
交通電子機械工学専攻
齋藤泰治
発表内容
1. 研究の背景及び目的
2. 観測装置及び観測原理
・skyradiometerの観測動作
・観測場所
・観測から得られる
各種パラメーター
・観測原理
3. 解析結果及び考察
・光学的厚さの波長依存性
についての考察
・本学上空における観測
・父島上空における観測
・2003年3,4月の黄砂と5月
のシベリア森林火災によ
る影響
4. まとめ
1. 研究の背景及び目的
・地球環境、大気環境への関心が高まり、人間活動による排
出物や、気候変動による砂塵嵐、森林火災の多発、拡大化
によって、大気中を浮遊する微小粒子（エアロゾル）による
影響が懸念されている。
・エアロゾルの光学的な特性や粒径分布などの特徴、季節変
化、経年変化を知ることで、その気象、気候に与える影響を
知る基礎となる。
・本研究では、東京海洋大学、越中島キャンパス（以下、本
学）及び、小笠原諸島、父島での大気エアロゾルの観測か
ら、その光学的特性、粒径分布などの解析を行った
・本学は、東京都心に位置し、ここでのエアロゾルの光学的特
性やその挙動を知ることは、大都市域においてエアロゾルが
気象、気候に与える影響を知る基礎となる。
・父島における観測は、国立極地研究所によって行われ、
平成16年度、共同一般研究
「スカイラジオメーターによる極域及び中低緯度域における
エアロゾルの光学特性に関する研究」
の一環として、観測データの提供をいただき、解析を行った。
・父島は、東京から南方約1000kmに浮かぶ亜熱帯性気候の
島で、中緯度偏西風帯と貿易風帯の境に位置するため、アジ
ア起源の気団と太平洋中心部の清浄な気団に、季節によって
交代で支配される。
・そのため、大陸性（黄砂や人為汚染）のエアロゾルや、海洋
性バッククグラウンドの特徴を捉えることが期待される。
・2ヶ所で、同時期に観測、解析を行うことで、観測点間のエア
ロゾルの光学的特性や、挙動の差異を比較することができる。
・また、エアロゾルの広域における影響や輸送過程に伴うエアロ
ゾルの量的、光学的特性の変化なども捉えると期待される。
2.観測装置及び観測原理
・スカイラジオメーターは、太陽
直達光と、角度別散乱光の放
射輝度を測定する、分光放射
計である。
・設定エアマス（0.25）毎もしくは
設定時間（10分）毎に自動測
定を行う。
・散乱角度毎の全天放射輝度
分布の測定から、エアロゾル
の散乱の寄与、粒径分布など
多くの情報を得ることができる。
本学におけるSkyradiometer観測風景
観測装置仕様
（株）プリード社製
Skyradiometer POM-01
視野半角
0.5°
測定散乱角度
3,4,5,6,7,10,15,20,25,30,40,50,60,70,80,90,100,
110,120,130,140,150,160°
観測波長
315,400,500,670,870,940,1040 [nm] （本学）
315,400,500,675,870,940,1020 [nm] （父島）
波長選択
フィルターホイール方式
光検出器
シリコンフォトダイオード
駆動方式
パルスモーター駆動方式
動作角度
350°（方位角）
150°（天頂角）
角度分解能
0.0036°
サンセンサー
4 素子シリコンセンサー
Skyradiometer 構成概念図
光学系（分光干渉フィルター、検出器）
鏡筒
駆動系（太陽追尾装置）
サンセンサー
降雨センサー
PC（制御及び
データ蓄積用）
Skyradiometer本体
制御ユニット
天頂角q > 15°
エアマスm < 3.0 散乱角Q 180°まで
Almucantar plane
（水平スキャン）
エアマスm ≧ 3.0散乱角Q 30°まで
f
Q
f =0
q0
f =180
Skyradiometer の観測動作
天頂角q < 15°
Principal plane
（垂直スキャン）
散乱角Q 150°まで
Q
q
Skyradiometer の観測動作
観測場所
・東京海洋大学、越中島キャンパスでの観測
観測場所：東京海洋大学越中島キャンパス内
二号館屋上（海抜約35m）
（北緯35.664°東経139.796°）
気圧計測
同内第三実験棟屋上
（緯度､経度､高度情報は、輝度観測点と同
一とする）
観測期間(解析対象期間）： 2002年 8月～2004年12月
・小笠原諸島、父島での観測
観測場所：東京都小笠原村父島字桑ノ木山
JAXA 小笠原追跡所管制棟（海抜約220m）
（北緯27.067°東経142.217°）
気圧計測
東京都小笠原村父島西町
気象庁父島気象観測所（海抜3m）
（北緯27.001°東経142.183°）
*（財）気象業務支援センターにより一般に提供
観測期間(解析対象期間）： 2003年 2月～2004年11月
観測地点の位置関係
気象庁父島気象観測所
JAXA 小笠原追跡所
観測から得られる各種パラメーター
~ = n n i
・複素屈折率 m
re
im
物質の屈折率で、nreが散乱成分、nimは吸収成分を表す。
・光学的厚さ t
光が密度r の物質中を距離dz 通過する際の消散の割合。
地上0mから高度z までの大気の光学的厚さは次式で定義される。

z
t ( ) = k  rdz
0
（2.1）
・体積粒径分布 v(r)
単位面積における大気気柱中のエアロゾルの内、ある粒
径範囲dlnrの範疇にあるエアロゾルの体積量
・単一散乱アルベド w ()
エアロゾルによる、太陽光の消散の内、散乱による割合。
消散は波長と物質により決まる定数 → 消散係数 kext
散乱部分 → 散乱係数 kscat 、吸収部分 → 吸収係数 kabs
k scat
k scat
w 0 ( ) =
=
k ext
k scat  k abs
（2.2）
・Ångstrom指数
エアロゾルの光学的厚さは、波長に依存し、Ångstrom(1961,1964)
の経験式
t ( ) = b  a
（2.3）
lnt ( ) = a  ln( )  ln(b )
（2.4）
で示される。ここで、aを波長指数（ Ångstrom指数）、bを混濁
係数という。
Ångstrom指数は、エアロゾルの粒径分布と関係付けられ、
一般に微小粒子が多いと大きく、粗大粒子が多いと小さくなる。
観測原理
各散乱角Qにおける放射強度 E(Q) と直達太陽放射強度 F
から
E(Q)
R(Q) 
= wtP(Q)  q(Q) = b (Q)  q(Q)
FmDW
DW ; 装置の視野立体角
m
; 大気路程（エアマス）、1/cosq0で近似できる。
と規格化された相対的強度が定義できる(Nakajima et al,
1994)。
(2.5)
一次散乱寄与であるb は
b=

2
rM
rm
~  dV d ln r.
K Q, x, m
d ln r
(2.6
)
また、光学的厚さは粒径分布 n(r) を持つエアロゾル粒子
の消散の効果の和として、
t ( ) =

rM
rm
~ n(r )dr.
r 2Qext x, m
（K は散乱光の振幅、位相等を決定する関数、Qextはその
粒子による散乱の効率を示す散乱効率因子である。厳密
な計算はMie散乱理論に基づき求められる。）
(2.7
)
R ( meas ) (Q) 
E(Q)
= b ( n=0) (Q)  q(Q)
FmDW
Input data
DW
; solid view angle
A
; ground albedo
~ = m  ki ; complex refractive
m
function
rmin,rMAX ; Radius interval
 v(n)(r)
b (n)
v(n)(r) ⇒ t(n)() , R(n)(,Q)
Up date b
b ( n1) ( , Q)
e < 0.1% or n > 20
no
yes
Output
v(r)
t()
P(,Q)
w ()
;
;
;
;
R ( meas ) ( , Q) ( n )
= ( n )
b ( , Q)
R ( , Q)
volume size distribution
Optical thickness
single scattering phase function
single scattering albedo
Skyrad.pack コード
(Nakajima et al,1994) に
おける解析フローチャート
3.結果及び考察
光学的厚さの波長依存性に関する考察
・観測結果の議論の前に、 Ångstrom指数に関して考察した。
微小粒子や粗大粒子が顕著に卓越する場合、Ångstromの経験式
（1次式）からの逸脱が大きくなり、十分に近似が成されない(Eck
at el, 1999)。そこで、
ln(t ) = a0  a1 ln( )  a2 ln( )
2
と表される2次曲線による近似を考えることとする。
（3.1）
3
2
dV/dln(r) [cm /cm ]
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
TUMSAT/Etcyujima coarse & fine partical
微小粒子の卓越時
(森林火災;’03.05.21)
粗大粒子の卓越時
(黄砂 ; ‘04.04.17)
の体積粒径分布
(日平均)
size-distribution
fine partical (Forest Fire ; 2003/05/21)
 = 0.84701
coarse partical (KOSA ; 2004/04/17)
 = -0.32338
0.01
0.1
1
Radius(um)
10
1.0
fine particle(2003.05.21,16:23)
measured
second-order fit
liner-fit
second-order fitting ( = 0.84701)
0.8
0.6
0.4
0.2
ln(t)
0.0
-0.2
ln(t)=-0.94662-0.59055ln()
2
+0.32338(ln())
ln(t)=-0.76954-2.24542ln()
2
-0.84701(ln())
-0.4
-0.8 coarse particle(2004.04.17,17:08)
-1.2
-1.4
-1.0
での光学的厚さの
波長依存性
ln(t) vs ln()上で、
微小粒子が多いと
近似曲線は、凸
-0.6
-1.0
微小粒子および、
粗大粒子の卓越時
粗大粒子が多いと
近似曲線は、凹
measured
second-order-fit
liner-fitting
second-order-fitting ( = -0.2338)
-0.8
-0.6
-0.4
ln()
-0.2
となる傾向を示す。
0.0
0.2
ここで、式（3.1）において
a* = -a1
,
 = -a2
を定義する（Schmid at el,2003）。 は一次曲線からの逸脱
を示し、 = 0 ならば、式（2.4）＝式（3.1）（1次式）である。
ln(t) vs ln() における波長依存性の振る舞いにおいて、
微小粒子が多いと近似曲線は、凸
粗大粒子が多いと近似曲線は、凹
であったから、 は
微小粒子が多いと大きい
粗大粒子が多いと小さい
1.5
TUMSAT/Etchujima 2003
gamma
1.0
2003年に観測された
微小粒子の卓越時と
粗大粒子の卓越時に
おける、a* と の相関
Forest-Fire ('03.05.21)
Forest-Fire ('03.05.22)
Forest-Fire ('03.06.06)
Forest-Fire ('03.06.08)
微小粒子が多い
0.5
→ a* 、 大
粗大粒子が多い
0.0
KOSA ('03.03.27)
KOSA ('03.03.28)
KOSA ('03.04.13)
-0.5
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
 a* 、 小
a*、 の導入により、
・光学的厚さ（絶対量）に左右されず、粒径分布のみを議論す
ることができる。
・ Ångstromの経験式からの逸脱が大きい場合においても、
十分に波長依存性を議論できる。
・これまでと同様の簡便さで、 Ångstrom指数a より多くの情
報を得ることができると考えられる。
従って、本研究において、これまでのÅngstrom指数a に加え、
a*、 も用いて議論した。
a*、 により推定される結果は、粒径分布やÅngstrom指数a
における解析結果とも矛盾が無かった。
本学上空における観測
TUMSAT/Etchujima 2002/08~2004/12
1.0
Alpha,AOD (500nm)
2.5
Alpha
s500
AOD (at 500nm)
2.0
0.8
1.5
0.6
1.0
0.4
0.5
0.2
0.0
0.0
8/1 9/1 10/1 11/112/1 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1 11/112/1 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1 11/112/1 1/1
2003
2004
Time
Single Scattering Albedo (500nm)
2002年8月から2004年12月におけるt,a,w の時系列変化
2003年及び2004年におけるa とt の相関の季節変化
TUMSAT/Etchujima 2003
3.0
3.0
spring (3~5)
summer (6~8)
fall
(9~11)
winter (12,1~2)
2.0
1.5
1.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0
spring (3~5)
summer (6~8)
fall
(9~11)
winter (12,1~2)
2.5
Angstrom Exponent
Angstrom Exponent
2.5
TUMSAT/Etchujima 2004
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Aerosol Optical Depth (at 500nm)
3.0
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Aerosol Optical Depth (at 500nm)
3.0
2003年及び2004年におけるa*と の相関の季節変化
TUMSAT/Etchujima 2003
1.5
1.5
1.0
spring
summer
fall
winter
(3~5)
(6~8)
(9~11)
(12,1~2)
1.0
gamma
gamma
spring
summer
fall
winter
(3~5)
(6~8)
(9~11)
(12,1~2)
0.5
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-0.5
TUMSAT/Etchujima 2004
0.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
父島における観測
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Alpha
SSA
AOD (at 500nm)
Chichijima 2003/03~2004/11
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/111/112/1 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1 11/112/1 1/1
2003
2004
Time
Single Scattring Albedo(500nm)
Alpha,AOD(500nm)
2003年3月から2004年11月におけるt,a,w の時系列変化
2003年及び2004年におけるa とt の相関の季節変化
Chichijima 2003
0.5
0.5
1.0
Aerosol Optical Depth (at 500nm)
1.5
Chichijima 2004
spring (3~5)
summer (6)
fall
(9~11)
Angstrom Exponent
1.0
0.0
0.0
1.5
spring (3~5)
summer (6~8)
fall
(9~11)
winter (12,2)
Angstrom Exponent
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.5
1.0
Aerosol Optical Depth (500nm)
1.5
2003年及び2004年におけるa*と の相関の季節変化
Chichijima 2003
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
gamma
gamma
1.5
0.0
0.0
-0.5
-0.5
spring (3~5)
summer (6~8)
fall
(9~11)
winter (12,2)
-1.0
-1.5
-0.5
Chichijima 2004
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
spring (3~5)
summer (6)
fall
(9~11)
-1.0
-1.5
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
2003年3,4月の黄砂と5月のシベリア森林火災による影響
本学及び父島における2003年春季のtの時系列変化
2.0
TUMSAT
Chichijima
TUMSAT & Chichijima 2003/03~05
AOD(500nm)
1.5
1.0
0.5
0.0
3/1 3/6 3/11 3/16 3/21 3/26 3/31 4/5 4/10 4/15 4/20 4/25 4/30 5/5 5/10 5/15 5/20 5/25 5/30
time
黄砂飛来時（2003年3月26日及び4月20日）における
NOAA HYSPLIT MODELによる後方粒跡線解析
日本に飛来する黄砂
2003年4月16日
（JAXA；EORC)
本学及び父島における2003年3月の黄砂飛来時の体積粒径分布
Chichijima 2003 KOSA
TUMSAT/Etchujima 2003 KOSA
Alpha*
10
-4
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
size-distribution (day-average)
 = 0.0646 ('03.03.27)
 = -0.1363 ('03.03.28)
 = -0.0159 ('03.04.13)
3.0
3.5
-1.0
-2
10
3.0
10
-3
2.5
10
-4
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
size-distribution (day-average)
 = -0.14366 ('03.03.27)
 = -0.10683 ('03.03.28)
 = -0.18267 ('03.03.30)
3.0
3.0
2.5
10
-5
2.0
10
-5
2.0
10
-6
1.5
10
-6
1.5
10
-7
1.0
10
-7
1.0
10
-8
0.5
10
-8
0.5
10
-9
0.0
10
-9
0.0
10
-10
10
-11
10
-12
0.01
a* vs 
'03.03.27
'03.03.28
'03.04.13
0.1
1
Radius (m)
10
-0.5
-1.0
-1.5
100
10
-10
10
-11
10
-12
0.01
gamma
3
2
dV/dln(r) [cm /cm ]
10
-3
-0.5
gamma
3
2
dV/dln(r) [cm /cm ]
-1.0
-2
10
a* vs 
('03.03.27)
('03.03.28)
('03.03.30)
0.1
1
Radius (um)
10
-0.5
-1.0
100
シベリア森林火災による、煙粒子飛来時（2003年5月22日及26
日）におけるNOAA HYSPLIT MODELによる後方粒跡線解析
2003/05/19 at 03 :45 UTC, Fires and smoke in Russia and China
Courtesy of MODIS Rapid Response Project at NASA/GSFC
日本に飛来する煙粒子 2003年10月17日（JAXA：
EORC)
本学及び父島における2003年5月（本学は及び6月）のシベリア森
林火災による煙粒子飛来時の体積粒径分布
TUMSAT/Etchujima 2003 forest fire
Chichijima 2003 forest fire
Alpha*
-0.5
-2
10
-4
1.0
1.5
2.0
2.5
size-distribution ( day-average)
 = 0.7838 ('03.05.21)
 = 0.4511 ('03.05.22)
 = 0.4552 ('03.06.06)
 = 0.5510 ('03.06.08)
3.0
3.5
Alpha*
-0.5
-2
10
3.0
10
-3
2.5
10
-4
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
size-distribution (day-average)
 = -0.00758 ('03.05.22)
 = -0.06794 ('03.05.26)
3.0
3.5
3.0
2.5
-5
2.0
10
-6
1.5
10
-6
1.5
10
-7
1.0
10
-7
1.0
10
-8
0.5
10
-8
0.5
10
-9
0.0
10
-9
0.0
10
a* vs 
-10
10
-11
10
-12
0.01
'03.05.21
'03.05.22
'03.06.06
'03.06.08
0.1
1
Radius (m)
10
-0.5
10
gamma
10
gamma
3
2
dV/dln(r) [cm /cm ]
2.0
dV/dln(r)[cm /cm ]
10
-5
2
10
0.5
3
10
-3
0.0
-10
-1.0
10
-11
-1.5
100
10
-12
0.01
a* vs 
('03.05.22)
('03.05.26)
0.1
1
Radius (um)
10
-0.5
-1.0
-1.5
100
本学及び父島における、黄砂時と森林火災時のa*と の相関
gamma
1.0
1.5
Forest-Fire ('03.05.21)
Forest-Fire ('03.05.22)
Forest-Fire ('03.06.06)
Forest-Fire ('03.06.08)
KOSA ('03.03.27)
KOSA ('03.03.28)
KOSA ('03.03.30)
Forest-Fire ('03.05.22)
Forest-Fire ('03.05.26)
1.0
gamma
1.5
Chichijima 2003
TUMSAT/Etchujima 2003
0.5
0.0
0.5
0.0
KOSA ('03.03.27)
KOSA ('03.03.28)
KOSA ('03.04.13)
-0.5
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
-0.5
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Alpha*
2.0
2.5
3.0
本学及び父島における、黄砂時と森林火災時の体積粒径分布
の比較
10
-4
10
-5
10
-5
-6
2
10
-6
2
10
10
-7
3
10
-7
10
-8
10
-8
10
-9
10
-9
-3
10
10
-10
10
-11
10
-12
dV/dln(r)[cm /cm ]
-4
dV/dln(r)[cm /cm ]
-3
3
TUMSAT/Etchujima 2003
10
10
KOSA
 = -0.1363 ('03.03.28)
Forest-Fire  = 0.7838 ('03.05.21)
0.01
0.1
1
Radius (m)
10
10
-10
10
-11
10
-12
Chichijima 2003
 = -0.18267 ('03.03.30)
KOSA
Forest Fire  = 0.006794 ('03.05.26)
0.01
0.1
1
Radius(m)
10
まとめ
今回の解析で、以下のことが認められた。
・本学（東京）では、春から夏にかけて光学的厚さが高くなり、
Ångstrom指数は比較的低く、逆相関を示す。一方、秋から冬
にかけては、光学的厚さは小さくなり、 Ångstrom指数は高い。
特に冬において、光学的厚さとÅngstrom指数は正相関を示す。
・単一散乱アルベドは、夏に大きく、冬に小さい。
・父島においては、春と秋に光学的厚さが高くなり、夏は小さい。
・これらの変化は、東アジア・西部太平洋域の気候的季節変化
に対応しており、特に、春と秋には黄砂などの自然起源エアロ
ゾルに加え、中国大陸からの汚染大気の流入も認められた。
・2003年春に発生した、黄砂及び森林火災に関して、本学及び
父島の両観測点で捉えられ、その広範囲にわたる影響と輸送
が認められた。
・スカイラジオメーターの観測から、日本本州上空を通過した後、
2~3日後に父島に達したことが窺え、後方粒跡線解析の結果
からも、これが認められた。
・シベリア森林火災に関して、父島では本学ほど微小粒子の卓
越が認められず、輸送過程におけるエアロゾルの拡散、沈着
や海塩粒子との凝集による粒子の成長も予想される。
・ Ångstromの経験式の2次式拡張に関して、a*、 はa 同様にエ
アロゾルの粒径分布に関して十分に議論でき、より多くの情報
を与えうることが解析により示唆できた。
今後の課題
・本研究によって、グローバルな季節的気圧配置、気流の変化に
対応した、エアロゾルの光学的特性や体積粒径分布の変化は
捕らえられたものの、その中において、観測点近傍からの局所
的な原因によるものとの判断は困難であった。地表から大気上
端までの気柱積算量だけではなく、水平、鉛直方向に対する情
報など、より厳密な観測、解析が必要である。
・ Ångstromの経験式の2次式拡張に関して、 a*、 の粒径分布
における意味は、その定義と解析によって示唆されたが、数値
的、物理的な裏づけと、厳密な議論に関して、Mie散乱理論に
基づく数値シミュレーションによる検証を行う。

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