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

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K04064
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

次年度使用額が生じた理由

令和３年度は、令和２年度に続き新型コロナウィルスの広がりに伴って、多くの学会研究会がオンラインによる実施に変更された。予定していた様々な大学の研究者との対面による研究打ち合わせも主にZOOM等を用いてオンラインで行ったため、国内旅費、外国旅費、その他の明細に大きな変更が生じた。また、令和３年度は、人件費・謝金についても、プログラミングによる解析の効率化や多くの研究者の研究協力により削減された。
研究のまとめや改善点の議論においては、研究協力者との対面での打ち合わせが研究の緻密性と新たなアイデアの醸成において必要であり、新型コロナウィルスの状況を鑑みながら、実施していく予定である。また、実施した研究を取りまとめ学会発表や学会誌に投稿することを予定しており、その投稿料や英文校閲料での使用を計画している。

研究成果

• [雑誌論文] Kelvin Wave and Its Impact on the Venus Atmosphere Tested by Observing System Simulation Experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Norihiko、Fujisawa Yukiko、Shirasaka Mimo、Abe Mirai、Murakami Shin-ya、Kouyama Toru、Ando Hiroki、Takagi Masahiro、Yamamoto Masaru
  • 雑誌名: Atmosphere 巻: 13 ページ: 182～182
  • DOI: 10.3390/atmos13020182
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 遊・星・人, 日本惑星科学会 巻: 31 ページ: 88～93
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of gravity waves from thermal tides in the Venus atmosphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Norihiko、Fujisawa Yukiko、Kashimura Hiroki、Noguchi Katsuyuki、Kuroda Takeshi、Takagi Masahiro、Hayashi Yoshi-Yuki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1～9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24002-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Orbit Design Optimization for Planetary Crosslink Radio Occultation (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Tomotaka、Ikari Satoshi、Ando Hiroki、Imamura Takeshi、Hosono Asako、Abe Mirai、Fujisawa Yukiko、Sugimoto Norihiko、Kawabata Yosuke、Funase Ryu、Nakasuka Shinichi
  • 雑誌名: JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES 巻: 69 ページ: 179～186
  • DOI: 10.2322/jjsass.69.179
  • 査読あり
• [学会発表] 金星大気大循環モデルとデータ同化システムの紹介 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 惑星圏研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 惑星圏研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 藤澤 由貴子
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Data assimilation of horizontal wind obtained from Akatsuki UVI observations focusing on thermal tides and attempts to produce Venus first analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yukiko Fujisawa, Shin-ya Murakami, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Takeshi Imamura, Takeshi Horinouchi, George HASHIMOTO, Masaki Ishiwatari, Takeshi Enomoto, Takemasa Miyoshi, Yoshi-Yuki Hayashi
  • 学会等名: JpGU Meeting 2021
• [学会発表] Observing system simulation experiments for new satellite observation missions on Venus (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: JpGU Meeting 2021
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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）
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本気象学会 2021 年度秋季大会
• [学会発表] 金星大気中の自発的な重力波放射の数値実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本気象学会 2021 年度秋季大会