金星大気の衛星間電波掩蔽観測計画に向けた観測システムシミュレーション実験

• Project/Area Number: 20K04064
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 藤澤 由貴子 慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター(日吉), 研究員 (00868185)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 杉本 憲彦 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 教授 (10402538) ; 森本 睦子 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 助教 (50435509)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 衛星間電波掩蔽観測 / 観測システムシミュレーション実験 / データ同化 / 金星大気 / 大気大循環モデル / 電波掩蔽観測

Outline of Research at the Start

近年、金星探査機「あかつき」により、カメラ観測に基づく東西風速や温度の水平分布に関する観測データは蓄積されつつある。しかし一方で、電波掩蔽観測は頻回に行うことは出来ず、温度の鉛直分布に関する観測データは十分に存在しない。
本研究では, あかつきに続く今後の金星探査を見据えて、地球シミュレータ上の金星大気大循環モデル (AFES-Venus) を元に開発された金星大気データ同化システム (ALEDAS-V) を用いて観測システムシミュレーション実験を行い、金星の周囲に複数の小型衛星を配置した衛星間の電波掩蔽観測の実現可能性と有効性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

金星探査機「あかつき」の観測により、2015年12月以来、紫外イメージャ(UVI)の画像の雲追跡から得られる水平風速、中間赤外カメラ(LIR)の画像から導出された温度の水平分布、電波掩蔽観測から得られる温度の鉛直分布等の金星大気データが蓄積されてきている。本研究では、複数の小型衛星を用いた衛星間電波掩蔽観測観測や様々な波長帯のカメラ衛星観測を想定して、あかつきの観測上の制約を取り払い、観測範囲（昼面、夜面、観測緯度帯）、観測頻度をさまざまに変えた観測システムシミュレーション実験（OSSE）を行い、その観測の有効性を調査している。
令和２年度に実施した惑星規模の赤道ケルビン波の再現実験では、山本勝准教授（九州大学）から提供を受けた金星大気大循環モデルMIROC-VGCMの出力を用いた疑似観測と、データ同化に使用した金星大気大循環モデルAFES-Venusの平均東西風が大きく乖離していることが原因で、実験結果が破綻するケースがあり、その調整に苦慮した。また、過去の観測から、観測時期によって赤道ケルビン波が顕著に見られる期間とロスビー波が顕著に観測される期間とがあることが分かってきている。
令和３年度では、新たに神山徹主任研究員（産業総合研究所）より、線形の３次元波伝播モデルを用いて赤道ケルビン波を顕著に再現した疑似観測の提供を受けて、新たなOSSEを実施した。疑似観測データとAFES-Venusの基本設定をより簡素化して、赤道ケルビン波擾乱を適切に再現できる観測条件を探索した。さらにケルビン波の運動量輸送も定量的に見積もった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は、衛星軌道や観測条件を様々に設計し、ターゲットとする大気現象が適切に表現されたモデルの出力から疑似観測データを作成し、データ同化を実行してその観測を評価する、という３つの研究を再帰的に繰り返し、適切な観測条件を探索するため、１つのテーマのOSSEに対して多数の試行が必要となる。令和２年度は、多くの研究者の協力を得て、衛星間電波掩蔽観測を想定した２種類のOSSEに加え、様々な波長帯におけるカメラ観測を想定した２種類のOSSEを実行した。研究計画当初に挙げた４つの大気現象（①スーパーローテーション、②コールドカラー、③惑星規模赤道ケルビン波、④熱潮汐波）の再現性調査を実施し、有効な衛星軌道や観測条件について調査した。
令和３年度では、令和２年度に行った、カメラ観測を想定した「③惑星規模赤道ケルビン波再現実験」について、観測条件についてより深い考察を得るため、疑似観測データとAFES-Venusの基本設定をより簡素化してデータ同化実験を行った。本実験結果は国際誌に掲載された。
一方で、令和２年度に行った４つの実験のうち、残りの３つの実験（①スーパーローテーション、②コールドカラー、④熱潮汐波の再現性調査）については、観測条件や現象の再現性に対する考察がまだ不十分であると考えており、さらに新しい条件でのOSSEを実施し、適切な観測条件を探索する必要がある。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である今年度は、令和２年度に行った３つの実験（①スーパーローテーション、②コールドカラー、④熱潮汐波の再現性調査）について、国際誌への投稿や学会、研究会での発表を行い、さらなる観測条件の仔細を再実験、再検討していく。また、神山徹主任研究員（産業総合研究所）より、線形の３次元波伝播モデルを用いてロスビー波を顕著に再現した疑似観測の提供を受けて、新たなOSSEを実施する。熱潮汐波、赤道ケルビン波やロスビー波といった短周期擾乱や平均子午面循環による、運動量や熱輸送を定量化する。熱潮汐波や赤道ケルビン波がスーパーローテーションの加速に寄与し、ロスビー波が減速に寄与すると考えられていることから、スーパーローテーションの時間変動とその要因にも踏み込めるよう、新たな観測に対しての観測条件を探索する。

Research Products

• [Journal Article] Kelvin Wave and Its Impact on the Venus Atmosphere Tested by Observing System Simulation Experiment (2022)
  • Author(s): Sugimoto Norihiko、Fujisawa Yukiko、Shirasaka Mimo、Abe Mirai、Murakami Shin-ya、Kouyama Toru、Ando Hiroki、Takagi Masahiro、Yamamoto Masaru
  • Journal Title: Atmosphere Volume: 13 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3390/atmos13020182
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 一番星へ行こう！ 日本の金星探査機の挑戦 その49「金星大気初のデータ同化への挑戦：あかつき観測と数値計算の融合」 (2022)
  • Author(s): 杉本憲彦, 藤澤由貴子,安藤紘基, 高木征弘, AFES-Venusチーム, ALEDAS-Vチーム
  • Journal Title: 遊・星・人, 日本惑星科学会 Volume: 31 Pages: 88-93
  • Open Access
• [Journal Article] Generation of gravity waves from thermal tides in the Venus atmosphere (2021)
  • Author(s): Sugimoto Norihiko、Fujisawa Yukiko、Kashimura Hiroki、Noguchi Katsuyuki、Kuroda Takeshi、Takagi Masahiro、Hayashi Yoshi-Yuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24002-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orbit Design Optimization for Planetary Crosslink Radio Occultation (2021)
  • Author(s): Yamamoto Tomotaka、Ikari Satoshi、Ando Hiroki、Imamura Takeshi、Hosono Asako、Abe Mirai、Fujisawa Yukiko、Sugimoto Norihiko、Kawabata Yosuke、Funase Ryu、Nakasuka Shinichi
  • Journal Title: JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES Volume: 69 Issue: 5 Pages: 179-186
  • DOI: 10.2322/jjsass.69.179
  • NAID: 130008101383
  • ISSN: 1344-6460, 2432-3691
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observing System Simulation Experiment to Reproduce Kelvin Wave in the Venus Atmosphere (2021)
  • Author(s): Sugimoto Norihiko、Fujisawa Yukiko、Shirasaka Mimo、Hosono Asako、Abe Mirai、Ando Hiroki、Takagi Masahiro、Yamamoto Masaru
  • Journal Title: Atmosphere Volume: 12 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3390/atmos12010014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 金星大気大循環モデルとデータ同化システムの紹介 (2022)
  • Author(s): 杉本 憲彦, 藤澤 由貴子, 安藤 紘基, 高木 征弘, AFES-Venusチーム, ALEDAS-Vチーム
  • Organizer: 惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] 複数の小型衛星を用いた金星衛星間電波掩蔽観測についての検討 (2022)
  • Author(s): 安藤 紘基, 五十里 哲, 今村 剛, 川端 洋輔, 山本 智貴, 杉本 憲彦, 高木 征弘, 佐川 英夫, 藤澤 由貴子, 船瀬 龍
  • Organizer: 惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] 金星データ同化システム ALEDAS-V による客観解析データの作成と観測システムシミュレーション実験 (2022)
  • Author(s): 藤澤 由貴子
  • Organizer: 金星大気の観測・シミュレーション・データ同化に関する研究会
• [Presentation] Data assimilation of horizontal wind obtained from Akatsuki UVI observations focusing on thermal tides and attempts to produce Venus first analysis (2021)
  • Author(s): Yukiko Fujisawa, Shin-ya Murakami, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Takeshi Imamura, Takeshi Horinouchi, George HASHIMOTO, Masaki Ishiwatari, Takeshi Enomoto, Takemasa Miyoshi, Yoshi-Yuki Hayashi
  • Organizer: JpGU Meeting 2021
• [Presentation] Observing system simulation experiments for new satellite observation missions on Venus (2021)
  • Author(s): Yukiko Fujisawa, Norihiko Sugimoto, Mirai Abe, Asako Hosono, Mimo Shirasaka, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Chi Ao, Itziar Garate Lopez, Sebastien Lebonnois, Tomotaka Yamamoto, Yosuke Kawabata, Satoshi Ikari, Takeshi Imamura, Masaru Yamamoto, Shin-ya Murakami, Masataka Imai, Toru Kouyama
  • Organizer: JpGU Meeting 2021
• [Presentation] 金星大気の新しい衛星観測計画に向けた観測システムシミュレーション実験 (2021)
  • Author(s): 藤澤 由貴子, 杉本 憲彦, 阿部 未来, 細野 朝子, 白坂 翠萌, 安藤 紘基, 高木 征弘, Ao Chi, Garate Lopez Itziar, Lebonnois Sebastie, 山本 智貴, 川端 洋輔, 五十里 哲, 今村 剛, 山本 勝, 村上 真也, 今井 正尭, 神山 徹
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] あかつき観測から得られる水平風速を用いた客観解析データ作成の試み (2021)
  • Author(s): 藤澤 由貴子, 村上 真也, 杉本 憲彦, 高木 征弘, 今村 剛, 堀之内 武, はしもと じょーじ, 石渡 正樹, 榎本 剛, 三好 建正, 林 祥介
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] 金星探査機「あかつき」の水平風速を用いた客観解析データ作成の試み (2021)
  • Author(s): 藤澤 由貴子, 村上 真也, 杉本 憲彦, 高木 征弘, 今村 剛, 堀之内 武, はしもと じょーじ, 石渡 正樹, 榎本 剛, 三好 建正, 林 祥介
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第150回総会及び講演会（2021年秋学会）
• [Presentation] 熱潮汐波に着目したあかつき水平風速のデータ同化 ― 金星客観解析データ作成の試み― (2021)
  • Author(s): 藤澤 由貴子, 村上 真也, 杉本 憲彦, 高木 征弘, 今村 剛, 堀之内 武, はしもと じょーじ, 石渡 正樹, 榎本 剛, 三好 建正, 林 祥介
  • Organizer: 日本気象学会 2021 年度秋季大会
• [Presentation] 金星大気中の自発的な重力波放射の数値実験 (2021)
  • Author(s): 杉本 憲彦, 藤澤 由貴子, 樫村 博基, 野口 克行, 黒田 剛史, 高木 征弘, 林 祥介
  • Organizer: 日本気象学会 2021 年度秋季大会
• [Presentation] Observing system simulation experiments of the Venus atmosphere to reproduce planetary-scale waves (2021)
  • Author(s): Norihiko Sugimoto, Mimo Shirasaka, Yukiko Fujisawa, Asako Hosono, Mirai Abe, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Masaru Yamamoto
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility Study of Radio Occultation Measurement Among Small Satellites by Data Assimilation for Designing the Future Venus Atmosphere Observing Mission (2021)
  • Author(s): Yukiko Fujisawa, Asako Hosono, Norihiko Sugimoto, Mirai Abe, Yukako Kikuchi, Tomotaka Yamamoto, Yosuke Kawabata, Satoshi Ikari, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Takeshi Imamura, Itziar Garate Lopez, Sebastien Lebonnois, Chi Ao
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALEDAS-V (金星大気データ同化システム)を用いた研究の紹介 (2021)
  • Author(s): 杉本憲彦, 藤澤 由貴子, ALEDAS-V team
  • Organizer: 九州大学応用力学研究所共同利用研究集会「地球流体における波動と対流現象の力学」
• [Presentation] 金星大気データ同化システム（ALEDAS-V）による観測システムシミュレーション実験の試み (2021)
  • Author(s): 杉本憲彦
  • Organizer: 金星大気の観測・シミュレーション・データ同化に関する研究会
• [Presentation] 熱潮汐波に着目したあかつき UVI 観測から得られる水平風速のデータ同化と金星客観解析データ作成の試み (2021)
  • Author(s): 藤澤 由貴子
  • Organizer: 金星大気の観測・シミュレーション・データ同化に関する研究会
• [Presentation] 金星大気惑星規模波動の再現に向けたデータ同化による研究 (2020)
  • Author(s): 白坂 翠萌, 細野 朝子, 杉本 憲彦, 藤澤 由貴子, 阿部 未来, 安藤 紘基, 高木 征弘, 山本 勝
  • Organizer: 気象学会ジュニアセッション2020
• [Presentation] Data Assimilation of the Venus Atmosphere to Reproduce Planetary-scale Wave (2020)
  • Author(s): Fujisawa, Y., M. Shirasaka, N. Sugimoto, A. Hosono, M. Abe, H. Ando, M. Takagi, M. Yamamoto
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The study for designing the future Venus atmosphere observing mission of radio occultation measurement among small satellites using data assimilation (2020)
  • Author(s): Hosono, A., Y. Fujisawa, N. Sugimoto, M. Abe, Y. Kikuchi, T. Yamamoto, Y. Kawabata, S. Ikari, H. Ando, M. Takagi, I. G. Lopez, S. Lebonnois, C. Ao
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cross-link radio occultation measurements of Venus atmosphere by using multiple small satellites (2020)
  • Author(s): Ando H., S. Ikari, T. Imamura, T. Yamamoto, Y. Kawabata, S. Sano, N. Sugimoto, M. Takagi, H. Sagawa, Y. Fujisawa, M. Morimoto, M. Abe, A. Hosono, R. Funase, Cross-link radio occultation measurements of Venus atmosphere by using multiple small satellites
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satellite-to-satellite radio occultation for the exploration of planetary atmospheres (2020)
  • Author(s): Imamura, T., H. Ando, N. Sugimoto, H. Sagawa, M. Takagi, K. Noguchi, K. Ogohara, A. Yamazaki, T. Iwata, T. Yamamoto, S. Ikari, Y. Kawabata, S. Sano, Y. Fujisawa, R. Funase, M. Morimoto, M. Abe, A. Hosono
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Trials toward first Venus analysis product by data assimilation of Akatsuki observation (2020)
  • Author(s): Fujisawa, Y., S. Murakami, N. Sugimoto, M. Takagi, T. Imamura, T. Horinouchi, G. L. Hashimoto, M. Ishiwatari, T., Enomoto, T. Miyoshi, Y.-Y. Hayashi
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Horizontal winds assimilation to reproduce equatorial Kelvin wave in the Venus atmosphere (2020)
  • Author(s): Mimo Shirasaka, Norihiko Sugimoto, Yukiko Fujisawa, Asako Hosono, Mirai Abe, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Masaru Yamamoto
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observing system simulation experiment for radio occultation among small satellites introducing real orbits of the Venus atmosphere (2020)
  • Author(s): Asako Hosono, Yukiko Fujisawa, Norihiko Sugimoto, Mirai Abe, Yukako Kikuchi, Tomotaka Yamamoto, Yosuke Kawabata, Satoshi Ikari, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Itziar Garate Lopez, Sebastien Lebonnois, Chi Ao
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 惑星大気の衛星間電波掩蔽観測のための最適軌道に関する研究 (2020)
  • Author(s): 山本 智貴, 五十里 哲, 安藤 紘基, 今村 剛, 細野 朝子, 阿部 未来, 藤澤 由貴子, 杉本 憲彦, 川端 洋輔, 船瀬 龍, 中須賀 真一
  • Organizer: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Observing system simulation experiment to reproduce Kelvin wave in the Venus atmosphere (2020)
  • Author(s): Mimo Shirasaka, Norihiko Sugimoto, Yukiko Yamada(Fujisawa), Asako Hosono, Mirai Abe, Hiroki Ando, Masahiro Takagi, Masaru Yamamoto, 2020: Observing system simulation experiment to reproduce Kelvin wave in the Venus atmosphere
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research