低コストの受動型可視分光法による大気下層水蒸気観測技術の線状降水帯研究への新展開

• 研究課題/領域番号: 23K24981
• 補助金の研究課題番号: 22H03727 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分63010:環境動態解析関連
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 入江 仁士 千葉大学, 環境リモートセンシング研究センター, 教授 (40392956)
• 研究分担者: 清水 慎吾 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 水・土砂防災研究部門, 主任研究員 (70462504)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2024年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: 線状降水帯 / 大気下層水蒸気 / 受動型可視分光法 / データ同化 / MAX-DOAS / 同化モデル

研究開始時の研究の概要

低コストの受動型可視分光法による大気下層水蒸気濃度の鉛直分布の無人自動連続観測技術を確立させ、線状降水帯研究への新展開を図る。これまで検討されていない「低コストの受動型可視分光法技術によって線状降水帯の予測精度の向上が見込めるか？」という「問い」に答えを与える極めて重要な研究である。世界レベルの受動型可視分光法の技術などを有すだけでなく、線状降水帯予測にとってクリティカルな風上に位置する福江島など国内４サイトを含む独自の地上観測網を有す応募者のみが可能で独自の切り口で挑戦する研究である。線状降水帯予測のための最先端データ同化技術も援用した研究体制で相乗的な成果をあげ、新展開を図る。

研究実績の概要

本研究の目的は、低コストの受動型可視分光法による大気下層水蒸気濃度の鉛直分布の無人自動連続観測技術を確立させ、気候変動の影響で顕在化している線状降水帯をはじめとした多くの人命に関わる極端降水現象の予測技術の向上を目指し、新展開を図ることである。そのために、本観測技術と既存の観測技術から得られる水蒸気データとの比較による定量的な精度評価研究を基に、大気下層（高度3 km以下）の水蒸気観測の精度(~10%)を高く保ちつつ、雲スクリーニング方法を工夫したり、リアルタイムデータ配信できるよう改良して線状降水帯予測に活用できるよう観測システムを最適化する。そのうえで、本観測技術で得られた水蒸気データをデータ同化システムに導入し、線状降水帯予測に対する有効性を定量的に明らかにする。
R05年度は、本研究で対象としている４サイトでの長期連続観測を継続した。上空の雲が下層の水蒸気濃度データの精度に顕著な影響を及ぼさない理由として、MAX-DOASで測定される太陽散乱光の光路の長さ(ボックスエアマスファクター)が大気下層では測定の仰角と大気下層の消散係数に強く依存するためであると考えられた。このことを、放射伝達モデルによる感度テスト及び他の観測データとの比較により定量的に評価し、その結果に基づき雲スクリーニング方法を最適化するなどしてデータ同化に利用できるデータ数の増加を図った。また、生データ取得から迅速にデータ配信できるよう一連の解析アルゴリズムを改良した。
MAX-DOAS法による観測誤差の調査と最適な設定方法の検討結果に基づき、過去に得られた観測データを用いた導入試験を継続し、データ同化手法の実現可能性の検討を進めた。実際に観測されたMAX-DOAS法で得られた観測データを使い、データ同化有無と予測誤差の変更による水蒸気修正量の差を見積もることで、データ同化のインパクトを評価した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画通り、本研究で対象としている４サイトでの長期連続観測を継続した。上空の雲が下層の水蒸気濃度データの精度に影響を及ぼさない理由を放射伝達モデルによる感度テスト及びラジオゾンデやマイクロ波放射計のデータとの比較により定量的に評価し、雲スクリーニング方法を最適化してデータ同化に利用できるデータ数を増やすことができた。また、生データ取得から迅速にデータ配信できるよう解析アルゴリズムを改良した。MAX-DOAS法による観測誤差の調査と最適な設定方法の検討結果に基づき、過去に得られた観測データを用いた導入試験を継続し、データ同化手法の実現可能性を検討した。実際に観測されたMAX-DOAS法のデータを使い、予備的な予測実験を行った。その後、データ同化有無による雨量予測の差を見積もり、データ同化へのインパクトを評価した。
以上より、おおむね順調に進展していると評価した。

今後の研究の推進方策

本研究で対象としている４サイトでの長期連続観測を継続する。現地協力者との密な協働体制を築き、データ欠損を最小に抑える。前年度までの研究において、高度3 km以上の巻雲などの雲がMAX-DOASの大気下層の水蒸気濃度データの精度に顕著な影響を及ぼさないことが定性的に明確になってきた。その理由として、MAX-DOASで測定される太陽散乱光の光路の長さ(ボックスエアマスファクター)が大気下層では測定の仰角と大気下層の消散係数に強く依存するためであると考えられた。このことを定量的に評価するために放射伝達モデルによる感度テスト及びラジオゾンデデータとの比較、さらには雲や水蒸気の水平分布の観点からの詳細な検討を実施し、その結果に基づき雲スクリーニング方法を最適化するなどしてデータ同化に利用できるデータ数の増加を目指す。迅速なデータ配信が可能となるよう解析アルゴリズムを最適化し、低コストの受動型可視分光法による大気下層水蒸気濃度の鉛直分布無人連続観測技術を確立させる。また、同化モデルについては、前年度までに得られた結果に基づき、実際に観測されたMAX-DOAS法のデータを用いた同化実験を行う。さらには、他の手法による水蒸気観測との比較を行い、コストだけでなく精度向上の関連からもMAX-DOAS法の優位性を検証する。

研究成果

• [国際共同研究] チュラロンコン大学(タイ)
• [国際共同研究] ARIES(インド)
• [国際共同研究] University of Bremen/Heidelberg University(ドイツ)
• [国際共同研究] KNMI(オランダ)
• [国際共同研究] 延世大学/ソウル国立大学(韓国)
• [国際共同研究] チュラロンコン大学(タイ)
• [国際共同研究] IMD/IITM/ARIES(インド)
• [国際共同研究] University of Bremen/Heidelberg University(ドイツ)
• [国際共同研究] KNMI(オランダ)
• [国際共同研究] 延世大学/ソウル国立大学(韓国)
• [雑誌論文] Air quality and urban climate improvements in the world’s most populated region during the COVID-19 pandemic (2024)
  • 著者名/発表者名: Damiani Alessandro、Irie Hitoshi、Belikov Dmitry、Cordero Raul R、Feron Sarah、Ishizaki Noriko N
  • 雑誌名: Environmental Research Letters 巻: 19 号: 3 ページ: 034023-034023
  • DOI: 10.1088/1748-9326/ad25a2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) daily and monthly level-3 products of atmospheric trace gas columns (2023)
  • 著者名/発表者名: Chan, K. L., P. Valks, K.-P. Heue, R. Lutz, P. Hedelt, D. Loyola, G. Pinardi, M. Van Roozendael, F. Hendrick, T. Wagner, V. Kumar, A. Bais, A. Piters, H. Irie, H. Takashima, Y. Kanaya, Y. Choi, K. Park, J. Chong, A. Cede, U. Friess, A. Richter, J. Ma, N. Benavent, R. Holla, O. Postylyakov, C. R. Cardenas, and M. Wenig
  • 雑誌名: Earth System Science Data 巻: 15 号: 4 ページ: 1831-1870
  • DOI: 10.5194/essd-15-1831-2023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effectiveness of emission controls implemented since 2000 on ambient ozone concentrations in multiple timescales in Japan: An emission inventory development and simulation study (2023)
  • 著者名/発表者名: Chatani Satoru、Kitayama Kyo、Itahashi Syuichi、Irie Hitoshi、Shimadera Hikari
  • 雑誌名: Science of The Total Environment 巻: 894 ページ: 165058-165058
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.165058
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fifteen-Year Trends (2005?2019) in the Satellite-Derived Ozone-Sensitive Regime in East Asia: A Gradual Shift from VOC-Sensitive to NOx-Sensitive (2022)
  • 著者名/発表者名: Itahashi Syuichi、Irie Hitoshi、Shimadera Hikari、Chatani Satoru
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 14 号: 18 ページ: 4512-4512
  • DOI: 10.3390/rs14184512
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) observations of formaldehyde and nitrogen dioxide at three sites in Asia and comparison with the global chemistry transport model CHASER (2022)
  • 著者名/発表者名: Hoque Hossain Mohammed Syedul、Sudo Kengo、Irie Hitoshi、Damiani Alessandro、Naja Manish、Fatmi Al Mashroor
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 号: 18 ページ: 12559-12589
  • DOI: 10.5194/acp-22-12559-2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Peculiar COVID-19 effects in the Greater Tokyo Area revealed by spatiotemporal variabilities of tropospheric gases and light-absorbing aerosols (2022)
  • 著者名/発表者名: Damiani Alessandro、Irie Hitoshi、Belikov Dmitry A.、Kaizuka Shuei、Hoque Hossain Mohammed Syedul、Cordero Raul R.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 号: 18 ページ: 12705-12726
  • DOI: 10.5194/acp-22-12705-2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative evaluation of mixed biomass burning and anthropogenic aerosols over the Indochina Peninsula using MERRA-2 reanalysis products validated by sky radiometer and MAX-DOAS observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohno Takeru、Irie Hitoshi、Momoi Masahiro、da Silva Arlindo M.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 9 号: 1
  • DOI: 10.1186/s40645-022-00520-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] alidation of satellite GOME-2(A/B/C), OMI, TROPOMI and GEMS (2024)
  • 著者名/発表者名: Pinardi, G., H. Irie, S. Conpernolle, T. Verhoelst, I. De Smedt, B. Langerrock, J.-C. Lambert, and M. Van Roozendael
  • 学会等名: 第26回 環境リモートセンシングシンポジウム
• [学会発表] コロナ禍を含む長期連続観測による日本の大気境界層中の二酸化硫黄濃度変動の要因解明 (2024)
  • 著者名/発表者名: 米谷颯太、入江仁士
  • 学会等名: 第26回 環境リモートセンシングシンポジウム
• [学会発表] Development of long-term emission inventory reflecting impacts of emission controls in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Chatani, S., K. Kitayama, S. Itahashi, H. Irie, and H. Shimadera
  • 学会等名: 2023 International Conference on CMAS-Asia-Pacific
  • 国際学会
• [学会発表] Fifteen-year air quality simulations for investigating the cause of interannual variation of ground-level O3 in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimadera, H., S. Araki, S. Chatani, K. Kitayama, H. Irie, and S. Itahashi
  • 学会等名: 2023 International Conference on CMAS-Asia-Pacific
  • 国際学会
• [学会発表] Recent 10-year multi-component observations by the MAX-DOAS technique for the planetary boundary layer ozone variation analysis in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Irie, H., S. Itahashi, S. Chatani, and Shimadera
  • 学会等名: 2023 International Conference on CMAS-Asia-Pacific
  • 国際学会
• [学会発表] Effectiveness of emission controls on ambient ozone concentrations in multiple timescales in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Chatani, S., K. Kitayama, S. Itahashi, H. Irie, and H. Shimadera
  • 学会等名: Annual Conference of Korean Society for Atmospheric Environment
  • 国際学会
• [学会発表] Recent 10-year multi-component observations by the MAX-DOAS technique for the planetary boundary layer ozone variation analysis in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Irie, H., S. Itahashi, S. Chatani, and Shimadera
  • 学会等名: The 14th International GEMS workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Promotion of applied researches with GCOM-C atmosphere products by precise validation utilizing SKYNET and A-SKY international ground-based remote sensing observation networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Irie, H.
  • 学会等名: Joint PI Meeting of Global Environment Observation Mission
  • 国際学会
• [学会発表] Long-term Observations of Planetary-boundary-layer Mean Sulfur Dioxide Concentrations by MAX-DOAS in Japan, including the COVID-19 Pandemic Period (2023)
  • 著者名/発表者名: Kometani, S., and H. Irie
  • 学会等名: 2023 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Examination of a Method to Detect Nitrogen Oxides Originating from Lightning Using the Combined Use of Ground and Satellite-based Remote Sensing (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujii, Y., and H. Irie
  • 学会等名: 2023 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous Observations of Carbon Dioxide with Black Carbon and Nitrogen Dioxide Concentrations at Chiba, Japan in 2022 and 2023 (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomoto, M., and H. Irie
  • 学会等名: 2023 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] GEMS glyoxal columns and their variation with drought intensity (2023)
  • 著者名/発表者名: Ha, E., R. Park, H.-A. Kwon, G. Lee, S. Lee, D. Lee, H. Hong, C. Lerot, I. De Smedt, and H. Irie
  • 学会等名: 2023 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Recent 10-year multi-component observations by the MAX-DOAS technique for the planetary boundary layer ozone variation analysis in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Irie, H., S. Itahashi, S. Chatani, and Shimadera
  • 学会等名: 2023 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous observation of carbon dioxide concentration in Chiba by using trace gas analyzer and characteristics of its concentration variation (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomoto, M., H. Irie, and Y. Terao
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Examination of a method to detect nitrogen oxides originated from lightning by the combined use of ground-based and satellite remote sensing－From observations at Chiba and Fukue (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujii, Y., and H. Irie
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Elucidating the causes of variations in sulfur dioxide concentrations in the planetary boundary layer in Japan using the MAX-DOAS technique (2023)
  • 著者名/発表者名: Kometani, and S., H. Irie
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Changes in Air Quality in the Greater Tokyo Area during the COVID-19 pandemic (2023)
  • 著者名/発表者名: Damiani, A., H. Irie, D. Belikov, S. H. M. Hoque, and R. R. Cordero
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 多軸差分吸収分光法（MAX-DOAS法）による大気下層水蒸気濃度の連続観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 入江仁士、亀井敬介、溝渕隼也
  • 学会等名: 日本リモートセンシング学会第74回（令和5年度春季）学術講演会
• [学会発表] 世界最先端のリモートセンシング技術による地球大気環境変動研究の推進 (2023)
  • 著者名/発表者名: 入江仁士
  • 学会等名: JARI講演会
• [学会発表] Effect of three-dimensional distribution of aerosols and water vapor on global solar irradiance (2023)
  • 著者名/発表者名: Dai, Y., H. Irie, M. Momoi, M. Sekiguchi, and A. Damiani
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] L指数を用いた線状降水帯予測精度向上のための水蒸気空間変動要因の検証 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝渕隼也、入江仁士、亀井敬介、清水慎吾
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] MAX-DOAS法を用いた日本の大気境界層中の二酸化硫黄濃度変動の要因解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米谷颯太、入江仁士
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] トレースガスアナライザーを用いた千葉における二酸化炭素濃度の連続観測とその濃度変動の特徴 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野本真孝, 入江仁士
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] 多軸差分吸収分光法（MAX-DOAS法）による大気下層水蒸気濃度の連続観測と準リアルタイム監視 ―今年の水蒸気濃度変動の特異性－ (2023)
  • 著者名/発表者名: 入江仁士
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] MAX-DOAS法を用いたコロナ禍を含む長期連続観測による日本の大気境界層中の二酸化硫黄濃度変動の要因解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米谷颯太、入江仁士
  • 学会等名: 大気化学討論会
• [学会発表] 2022年および2023年の千葉における二酸化炭素とブラックカーボンおよび二酸化窒素濃度の同時観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野本真孝, 入江仁士
  • 学会等名: 大気化学討論会
• [学会発表] 地上と衛星リモートセンシングを複合利用した雷起源窒素酸化物の検出方法の検討―千葉と福江の観測から (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井雪乃、入江仁士
  • 学会等名: 大気化学討論会
• [学会発表] メラ画像、環境化学センサー及び深層学習による新しい展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: 境野英朋、入江仁士
  • 学会等名: 第25回 環境リモートセンシングシンポジウム
• [学会発表] 福岡・佐賀広域で観測された近年例を見ない二酸化硫黄 (SO2) 高濃度事例 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高島久洋、米谷颯太、乙部直人、入江仁士
  • 学会等名: 第25回 環境リモートセンシングシンポジウム
• [学会発表] Coherence of Sentinel-5p Tropospheric NO2 columns validation using MAXDOAS and Direct-Sun Measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Pinardi, G., S. Compernolle, T. Verhoelst, M. Van Roozendael, F. Hendrick, H. Eskes, A. Cede, M. Tiefengraber, A. Richter, A. Piters, T. Wagner, S. Donner, J. Remmers, A. Bais, H. Irie, Y. Kanaya, M. Grutter, C. Rivera, and S. Niemeijer
  • 学会等名: Sentinel-5P Mission: 5 years anniversary
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of GEMS glyoxal vertical column densities (2022)
  • 著者名/発表者名: Ha, E. S., R. J. Park, H.-A. Kwon, G. Lee, S. D. Lee, D.-W. Lee, H. Hong, C. Lerot, and H. Irie
  • 学会等名: 名 Sentinel-5P Mission: 5 years anniversary
  • 国際学会
• [学会発表] Promotion of applied researches with GCOM-C atmosphere products by precise validation utilizing SKYNET and A-SKY international ground-based remote sensing observation networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Irie, H.
  • 学会等名: Joint PI Meeting of Global Environment Observation Mission
  • 国際学会
• [学会発表] PBL Atmospheric Composition Observation Capabilities by the International Air Quality and Sky Research Remote Sensing (A-SKY) Network (2022)
  • 著者名/発表者名: Irie, H., A. Damiani, T. Ohno, S. Kaizuka, T. Takemura, P. Khatri, T. Jarupongsakul, M. Naja, and S.-W. Kim
  • 学会等名: The 13th International GEMS workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Trace gases measurement from MAX-DOAS, TROPOMI, and GOME-2 over the Himalayan foothills: Satellite Assessment and Source Attribution (2022)
  • 著者名/発表者名: Rawat, P.,M. Naja, and Irie, H.
  • 学会等名: The 13th International GEMS workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Relationships of PM2.5 and BC mass concentrations with optical properties derived from simultaneous skyradiometer/MAX-DOAS observations: from continuous observations at Chiba and Fukue in 2019-2020 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaizuka, S., H. Irie, A. Damiani, T. Takamura, Y. Kanaya, and T. Nakayama
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of carbonaceous aerosol AAOD from long-term sky radiometer observations and validation of MERRA-2 reanalysis data (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohno, T., H. Irie, K. Yamaguchi, and A. Damiani
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of MAX-DOAS observations of near-surface water vapor in Tsukuba, Japan from 2011 to 2021 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamei K., and H. Irie
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] PBL Atmospheric Composition Observation Capabilities by the International Air Quality and Sky Research Remote Sensing (A-SKY) Network (2022)
  • 著者名/発表者名: Irie, H., A. Damiani, T. Ohno, S. Kaizuka, T. Takemura, P. Khatri, T. Jarupongsakul, M. Naja, and S.-W. Kim
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Examination of a method to detect nitrogen oxides originated from lightning by the combined use of ground-based and satellite remote sensing (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujii, Y., and H. Irie
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Relationships of PM2.5 and BC mass concentrations with optical properties derived from simultaneous skyradiometer/MAX-DOAS observations from continuous observations at Chiba and Fukue in 2019-2020 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaizuka, S, H. Irie, A. Damiani, T. Takamura, Y. Kanaya, T. Nakayama
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 首都圏における大気中の二酸化炭素の濃度変動とその要因解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 野本真孝、入江仁士
  • 学会等名: 第27回大気化学討論会
• [学会発表] 地上と衛星リモートセンシングを複合利用した雷起源窒素酸化物の検出方法の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井雪乃、入江仁士
  • 学会等名: 第27回大気化学討論会
• [学会発表] Skyradiometer/MAX-DOASの同時観測から得られたエアロゾル光学特性とPM2.5およびBCの質量濃度との関係―2019-2021年の千葉・福江での連続観測から― (2022)
  • 著者名/発表者名: 海塚収英、入江仁士、Alessandro Damiani、高村民雄、金谷有剛、中山智喜
  • 学会等名: 第27回大気化学討論会
• [学会発表] MAX-DOAS法を用いた日本の大気境界層中の二酸化硫黄濃度の要因解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 米谷颯太、入江仁士
  • 学会等名: 第27回大気化学討論会
• [備考] 千葉大学環境リモートセンシング研究センター入江研究室
  • URL: https://irie-lab.jp/
• [備考] A-SKY international remote sensing network
  • URL: https://a-sky.irie-lab.jp/
• [備考] 入江研究室ホームページ
  • URL: https://irie-lab.jp/