極域中間圏冬期エコーの生成解明を通して探る大気素過程の研究

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02969
• 研究機関: 国立極地研究所
• 研究代表者: 堤 雅基 国立極地研究所, 研究教育系, 教授 (80280535)
• 研究分担者: 西村 耕司 国立極地研究所, 研究教育系, 特任准教授 (60455475)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 超高層大気物理学 / 極域中間圏 / 南極 / 大気レーダー / 大気波動 / 大気乱流

研究実績の概要

大気レーダーのエコーは、時空間4次元に分布する散乱体全体からの寄与として受信される。その数式化は長らく困難であったが、分担者が中心となって数理的手法を開発してレーダーエコーの観測方程式の解の導出に世界で初めて成功した。その成果は国際学術誌に掲載され、国際的に高い評価を受けている。さらに、本技術を南極のPANSYレーダーで観測された対流圏・成層圏エコーに応用して乱流強度推定を行い、その結果は国際学術誌にされた。
夜間に大気電離度低下のために困難となるPANSYレーダー中間圏乱流観測を補強するため、昼夜関係なく観測可能な流星エコー観測を併用して行う全5系統からなる付加受信装置を立ち上げ、実運用に向けた長期試験を実施した。初期解析からは、時間高度分解能で30分・2km程度の良好な風速観測を行えることが示された。今後、流星データから得られる両極性拡散係数を利用して、大気温度の推定も期待できる。
MFレーダーの全面的な整備を、研究代表者が昭和基地越冬中に実施した。万が一の故障時にも対応できるよう、制御PCや各送受信系統の予備装置を更新および試験し、またアンテナ系の老朽部品の交換を行い、不具合箇所のない状態とした。整備されたレーダーにより、2つの偏波の電波を用いた連続観測を実施し、中間圏から下部熱圏域の風速推定と電子密度推定の元となるデータを取得した。また、電波法の更新に対応した送信最終段の改修に向け、送信出力の計測など実施した。

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

レーダー大気エコーの観測方程式の解の導出や、それを実データに応用した研究は、国外の研究者からも手法についての問い合わせがあるなど、目覚しい成果である。また、PANSYレーダーの中間圏乱流散乱観測の副産物としての流星エコー観測の開発は、レーダーによる風速観測の時間高度領域の拡大に大きく寄与し、また乱流散乱観測からは得られない大気温度に関する情報取得も期待され、その初期成果は2020年度中に論文化を見込んでいる。さらに、MFレーダーの再整備により、2019年度はMFレーダー稼働率99%以上の連続観測が実現し、データ品質が向上した。
一方で、研究代表者自らが南極昭和基地での越冬隊長を拝命したため、外国の研究者を訪問しての研究推進などは制限を受けた。年度の途中で研究中断の期間を設けて南極地域観測隊の運営に注力し、2020年度に研究期間を延長することとした。

今後の研究の推進方策

本研究計画は、４つの項目（1. 大気乱流強度の推定、2. 乱流生成源候補の大気重力波活動の推定、3. 下部中間圏の電子密度推定、4. 1-3の結果の普遍性検討のための国外研究者との研究推進）により成る。
１の大型大気レーダーによる乱流観測手法は、新たな論文化の作業も進んでおり、また外国のレーダーにも応用が見込まれ、更なる発展が期待できる。2から4についても継続して推定手法の開発と解析を行う。ただし、COVID19の影響は懸念される。2から4のうち、MFレーダーの送信最終段の調整・更新と国外研究者との研究推進は、豪や独の関係者先に赴いて検討を進めることを想定している。訪問予定先の状況にも影響されるため、不透明な部分は残る。また年度内は国際学会開催の見通しも暗い。当面は電子メールやTV会議などを使った相談・議論で、できるだけの研究推進を図る。

研究成果

• [雑誌論文] Spectral Observation Theory and Beam Debroadening Algorithm for Atmospheric Radar (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Koji、Kohma Masashi、Sato Kaoru、Sato Toru
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ページ: 1～9
  • DOI: 10.1109/TGRS.2020.2970200
  • 査読あり
• [雑誌論文] First incoherent scatter measurements and adaptive suppression of field-aligned irregularities by the PANSY radar at Syowa Station, Antarctic (2019)
  • 著者名/発表者名: Taishi Hashimoto, Akinori Saito, Koji Nishimura, Masaki Tsutsumi, Kaoru Sato, Toru Sato
  • 雑誌名: Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 巻: 36 ページ: 1881 - 1888
  • DOI: https://doi.org/10.1175/JTECH-D-18-0175.1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct comparison between magnetospheric plasma waves and polar mesosphere winter echoes in both hemispheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, Y.-M, T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, K. Shiokawa, S. Oyama, M. Nose, T. Nagatsuma, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Miyoshi, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, M. Shinohara, A. Fujimoto, M. Teramoto, R. Nomura, R. Kataoka, A. Sessai Yukimatu
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: 9626 - 9639
  • DOI: 10.1029/2019JA026891
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimate of turbulent energy dissipation rate from the VHF radar and radiosonde observation in the Antarctic (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Kohma, K. Sato, Y. Tomikawa, K. Nishimura, and T. Sato
  • 雑誌名: J. Geophys. Res., Atmos. 巻: 124 ページ: 2976-2993
  • DOI: 10.1029/2018JD029521
  • 査読あり
• [学会発表] ウィンドプロファイラーレーダーのスペクトル観測理論とクロスラディアル速度推定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村耕司
  • 学会等名: 電子情報通信学会宇宙・航行エレクトロニクス研究会
• [学会発表] Rigorous spectral observation theory and its applications to Spaced Antenna measuremen (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, K., T. Hashimoto, M. Tsutsumi, and T. Sato
  • 学会等名: 39th International Conference on Radar Meteorology
  • 国際学会
• [学会発表] Inversion of Advective Volumetric Scatter with Atmospheric Radar and Cross-Radial Velocity Measurement (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, K
  • 学会等名: The 10th Symposium on Polar Science
• [学会発表] Spectral observation theory for atmospheric radar (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村耕司
  • 学会等名: 第13回MUレーダー・赤道大気レーダーシンポジウム