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貨物船と旅客機の民間協力観測によりCO2の
人工衛星観測データを評価する新手法を開発

※(注記)注釈1 に誤記がありましたので修正しました

パリ協定の発効により、温室効果ガスを早期に削減してゆくことは世界的な約束事となり、温室効果ガスの濃度分布や変動を正確に把握する重要性はますます増しています。そのため、最も重要な温室効果ガスであるCO₂の濃度やその分布や増加傾向を観測するために様々な研究開発がなされています。中でも、宇宙からの衛星観測は、地球上をくまなく観測できる大きな利点があります。宇宙からの遠隔計測は、2009年に日本が世界初の温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」(GOSAT)を打ち上げて以降、その観測技術は目覚ましい進歩を遂げてきたものの、衛星による遠隔からの観測精度は大気の「その場」での観測の精度には及びません。衛星からの観測精度を向上させるための方法の一つとして地上に設置した分光計を利用した遠隔観測ネットワークTCCON(※(注記)1)によって衛星データを評価し「検証」する取り組みがなされています。一方、こうした検証地点は世界で25地点に過ぎず、特に大洋上においては、離島が数カ所あるに過ぎませんでした。海洋は地球の表面積の7割を占め、CO₂の吸収源としても重要で、炭素循環にとって重要な役割を果たしますが、検証点の不足により、衛星観測の精度は十分に検証されていないことが課題でした。
近年、いくつかの研究から、海洋上の衛星観測にはバイアス(真の値からの系統的な差)があることが指摘されていましたが、これを広い範囲や季節にわたって系統的に評価し、データを改良する有効な手法はありませんでした。例えば、フィリピンのBurgosに設置されているTCCON観測からは、海洋上のデータに-0.7ppm(※(注記)2)のバイアスが指摘されました(※(注記)3)。また、航空機による単発的な研究観測からは-1.2ppmのバイアスが報告されています(※(注記)4)。しかし、TCCONは陸上に設置されており、航空機は大洋上でデータを得られるものの、観測日数が限定される上、全ての季節や広い地理範囲をカバーできるものではありません。
一方、国立環境研究所らの観測チームは、民間の協力を得て、日本から北米・豪州・東南アジアを寄港する貨物船による大気観測、日本から世界各地に飛行する旅客機による大気観測を実施してきました。そこで、これらを組み合わせて、検証データがなかった大洋上における衛星観測データの評価・検証手法を新たに開発しました。今回は、この手法を西太平洋上におけるCO₂の衛星観測データに応用しました。

貨物船の観測データは、国立環境研究所がトヨフジ海運(株)の協力を得て「大気・海洋温室効果ガスの広域観測」プロジェクト(※(注記)5)として実施している日本—オセアニア間を6週間間隔で航行する貨物船で得られたCO₂濃度データ、旅客機の観測データは、国立環境研究所が気象研究所らとともに日本航空(株)の協力を得て実施している、CONTRAILプロジェクト(※(注記)6)の東京とシドニー間を航行するフライトで得られたCO₂濃度データを用いました。人工衛星データは、「いぶき」(GOSAT)と、OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2)によるCO₂カラム平均濃度を用いました。海面上から850hPaまでは船舶のデータを、対流圏界面から380hPaまでは航空機のデータを用い、その間は内挿します。成層圏は化学輸送モデルの濃度分布を使用し、これらの組み合わせでCO₂の高度分布を合成し、カラム濃度を計算し、衛星データと比較しました。

新しい手法によって構築されたデータは、西太平洋上空におけるCO₂の季節変化及び年々変動を正確に捉えることができました。GOSATとOCO-2の2つの人工衛星データと比較すると、これら人工衛星データは北半球の中緯度帯で1ppm程度低いバイアスがあることが分かりました。米国の処理結果には系統的な差があり、NIESの処理結果はばらつきが大きいことも分かりました。
また、このバイアスは、最新の衛星プロダクト(ACOS v9)では小さくなっており、その前のバージョンであるACOS v7.3よりもバイアスを50%以上も改善していました。こうした差異はこれまで報告されていなかったことであり、今回の手法が、陸上における既存のTCCONネットワークでは大洋上の検証点の不足から確認できなかったバイアスを見出したこと、衛星のCO₂濃度導出アルゴリズムをセンサの技術的特徴などを注意深く考慮したうえで改善する余地があることなどが明らかになりました。

人工衛星データの処理には導出アルゴリズムの改良が日々なされています。今回構築された貨物船と航空機を組み合わせた新手法は、こうしたアルゴリズムを評価する際の極めて重要な参考値となります。衛星観測データについては学術機関や研究機関により検証観測がなされていますが、公的機関でカバーできる範囲には限界もあり、民間協力による観測で空白域を埋めるとともに、相補的なデータセットとして利用し、人工衛星データのさらなる改良に資することができると期待されます。今後、本研究で開発した手法を他の海域や他の成分にも応用し、長期レコードとして整備して公開する予定です。特に、2018年に打ち上がったGOSAT-2や、2023年度に打ち上げ予定のGOSAT-GWのデータ評価に利用することを予定しています。

※(注記)1: TCCON (Total Carbon Column Observing Network、全球炭素カラム観測ネットワーク)
地上に届く際に大気中微量成分による吸収を受けた太陽光を地上設置のフーリエ変換分光計を用いて観測し、温室効果ガス濃度を観測するプロジェクト。(削除) カリフォルニア工科大学によって運用されています (削除ここまで)ネットワークは参加する大学・研究機関によって運営され、データ提供サイトはカリフォルニア工科大学によって運用されています(https://tccondata.org【外部サイトに接続します】)。

※(注記)2: ppm:100万分率。CO₂濃度は乾燥空気に対する割合として表される。400ppmとは乾燥空気(水蒸気を含まない空気)の粒100万個に対して400個がCO₂であることを表す。

※(注記)3: 衛星データの検証について
森野 勇, 内野 修, GOSATシリーズのプロダクト検証について, 日本リモートセンシング学会誌, 39(1), 37-42, 2019.
(https://www.jstage.jst.go.jp/article/rssj/39/1/39_37/_article/-char/ja【外部サイトに接続します】)

Kulawik, S. S.,.: Characterization of OCO-2 and ACOS-GOSAT biases and errors for CO₂ flux estimates, Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/amt-2019-257, 2019. 【外部サイトに接続します】

※(注記)4: 高精度なCO₂観測装置を航空機に搭載して、地表近くから対流圏界面付近までの高度分布を多数回測定するような高度に組織だったキャンペーンも米国にて実施されています。しかしこのような観測は1回のキャンペーンの労力が非常に大きく観測期間もごく限られてるという欠点があります。
Frankenberg, C., Kulawik, S. S., Wofsy, S. C., Chevallier, F., Daube, B., Kort, E. A., O’Dell, C., Olsen, E. T., and Osterman, G.: Using airborne HIAPER Pole-to-Pole Observations (HIPPO) to evaluate model and remote sensing estimates of atmospheric carbon dioxide, Atmos. Chem. Phys., 16, 7867–7878, https://doi.org/10.5194/acp-16-7867-2016, 2016. 【外部サイトに接続します】

Kulawik, S. S.,.: Characterization of OCO-2 and ACOS-GOSAT biases and errors for CO₂ flux estimates, Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/amt-2019-257, 2019. 【外部サイトに接続します】

※(注記)5: 「大気・海洋温室効果ガスの広域観測」プロジェクト
国立環境研究所がトヨフジ海運(株)等の協力を得て実施している大気・海洋温室効果ガスのモニタリングプロジェクト。同社が管理する貨物船舶を用いて2002年より実施しており、日本—北米間、日本—オセアニア間、日本—東南アジア間を航行する3隻の貨物船舶で観測を行なっています。

定期貨物船を利用した温室効果ガスモニタリングについて:
https://db.cger.nies.go.jp/gem/ja/warm/
トヨフジ海運株式会社による「大気・海洋温室効果ガスの広域観測」の紹介:
https://www.toyofuji.co.jp/csr/kouken/observation.html【外部サイトに接続します】

※(注記)6: CONTRAIL (Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner)プロジェクト
国立環境研究所が、気象庁気象研究所、日本航空(株)、(株)ジャムコ、JAL財団の協力を得て実施しており、2005年から観測を行っています。
CONTRAILプロジェクトのホームページ(英語):
http://www.cger.nies.go.jp/contrail/
日本航空によるCONTRAILプロジェクトの紹介(日本語):
http://www.jal.com/ja/csr/environment/social/detail01.html【外部サイトに接続します】
ジャムコによるCONTRAILプロジェクトの紹介(日本語):
https://www.jamco.co.jp/ja/csr/activity/project.html【外部サイトに接続します】

本研究は、環境省の地球環境保全試験研究費(地球一括計上)(環1851, 環1253, 環1652, 環1151, 環1951, 環1451, 環1751, 環1432)および(独)環境再生保全機構の環境研究総合推進費(JPMEERF20182003)の支援を受けて実施されました。また、戦略的研究プログラムである「気候変動・大気質研究プログラム」 (https://esd.nies.go.jp/ja/climate-air/)の一環として実施されました。

本研究の成果は2021年5月28日に欧州地球科学連合の専門誌「Atmospheric Chemistry and Physics」に掲載されました。

【タイトル】
New approach to evaluate satellite-derived XCO₂ over oceans by integrating ship and aircraft observations

【著者】
Astrid Müller¹, Hiroshi Tanimoto¹, Takafumi Sugita¹, Toshinobu Machida¹, Shin-ichiro Nakaoka¹, Prabir K. Patra², Joshua Laughner³, and David Crisp⁴

【所属】
1. 国立環境研究所
2. 海洋研究開発機構
3. カリフォルニア工科大学
4. ジェット推進研究所

【DOI】
10.5194/acp-21-8255-2021

【URL】
https://acp.copernicus.org/articles/21/8255/2021/【外部サイトに接続します】

【研究に関する問い合わせ】
国立研究開発法人国立環境研究所
地球システム領域 地球大気化学研究室
室長 谷本浩志

【報道に関する問い合わせ】
国立研究開発法人国立環境研究所 企画部広報室
mail: kouhou0(末尾に@nies.go.jpをつけてください) / tel: 029-850-2308