ここでは GOSAT の L2 プロダクトである酸化炭素カラム平均濃度 (XCO 2 ) を活用して地球の大気全体の平均の濃度を推定する法を検討した以下にその算出法について解説する 2. 酸化炭素全大気平均濃度の推定法いぶきの観測データから算出されたXCO 2 データ (SWIR

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なつきひろもり
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1 2015 年 11 月 16 日 2015 年 12 月 2 日改訂 2 版 2016 年 5 月 20 日改訂 3 版 2016 年 9 月 29 日改訂 3A 版国環研 GOSATプロジェクトいぶきの観測データに基づく全気中の別酸化炭素濃度算出法について 1. はじめにいぶきが宇宙からとらえた各地点の酸化炭素濃度データは地球大気の上層から地表までの ( カラム ) 濃度平均であり通常の地上濃度観測値にべより地球大気の平均濃度に近いものと考えられるしかし酸化炭素カラム平均濃度 (XCO 2 )(L2プロダクトと呼ぶ ) を算出するための短波外 (SWIR) 帯の吸収スペクトルが得られるのは太陽度がい昼間の観測地点の視野内に雲が存在しない日照域の地点に限られるそのため季節によっても観測データが存在する地域 ( 緯度帯 ) が変化する ( 図 1) (a) 2013 年 4 月 ( 北半球の春 ) (b) 2013 年 7 月 ( 北半球の夏 ) (c) 2013 年 10 月 ( 北半球の秋 ) (d) 2014 年 1 月 ( 北半球の冬 ) 図 1 いぶきの観測した酸化炭素カラム平均濃度(L2プロダクト) の2.5 度メッシュ月平均値分布の例着している地域に観測データが存在しているは酸化炭素濃度に対応し水緑の順に濃度となることをす -1-

2 ここでは GOSAT の L2 プロダクトである酸化炭素カラム平均濃度 (XCO 2 ) を活用して地球の大気全体の平均の濃度を推定する法を検討した以下にその算出法について解説する 2. 酸化炭素全大気平均濃度の推定法いぶきの観測データから算出されたXCO 2 データ (SWIR L2) を用いて XCO 2 データが得られていない空白域も含め地球全体の大気の平均濃度を求めるためここでは大気輸送モデルに基づく酸化炭素濃度の三次元分布である GOSAT レベル4B (L4B) プロダクトの緯度分布を利用して空間補完をい全大気のXCO 2 の月別平均値を推定した 2.1 いぶき観測濃度値(SWIR L2プロダクト ) の検証と補正に使用したデータ衛星観測データに基づいて推定されたXCO 2 (SWIR L2プロダクト ) の値のばらつきと絶対値のずれ ( バイアス ) を精度く評価する ( これを検証と呼ぶ ) ために地注上から観測したカラム濃度観測 ( 地上観測ネットワークTCCON 1) ) の値との較をった実際にはいぶきの観測と同期した地上観測ネットワークTCCON 観測値を用いてばらつきとバイアスを推定し次にそのバイアス値を用いていぶきのXCO 2 データを補正したバイアスは観測装置の特性変化観測誤差及びガス濃度解析法に依存するため SWIR L2プロダクトのバージョンによって異なる本解析では観測時期に応じて次の5バージョンのSWIR L2プロダクトを使用した ;V02.21(2009 年 5 月 2014 年 5 月 ),V02.31(2014 年 6 月中旬 12 月中旬 ),V02.40(2015 年 2 月 8 月初旬 ),V02.50(2015 年 8 月初旬 9 月中旬 ),V02.60(2015 年 9 月中旬 ) ( V**.** はプロダクトのバージョン番号をす) V02.21プロダクトについては地上観測ネットワークTCCONの観測データとの検証解析からバイアスには若の時間的変化があることが明らかになっており下記の回帰式で表すことができるバイアス = t t 2 (ppm) (1) ここで t はいぶき打ち上げ日 (2009 年 1 月 23 日 ) からの経過日数 ( 日 ) である V02.21プロダクトに対して (1) 式より推定したバイアスで補正をった -2-

3 V02.31プロダクトは観測期間が半年と短いため時間的変化は考慮せず TCCONデータとの検証解析に基づく-0.62 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した同様にV02.40プロダクトについても観測期間が半年と短いため時間的変化は考慮せず TCCONデータと検証解析に基づく-1.35 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した V02.50とV02.60プロダクトについては較できる検証用データがまだ揃っていないことから V02.21からV02.60の全てのプロダクトにおけるTCCONデータとの検証解析に基づく-0.52 ppmをこの期間のバイアスと仮定して補正した注 2) また以下の理由により使用するいぶきのXCO 2 データを絞ったいぶき観測装置は地球表の太陽光の反射の強さに応じ観測装置の増幅器 ( アンプ ) の利得 ( ゲイン ) を (H) 中(M) 低(L) の三段階に切り替えて観測することができる砂漠などのい地表反射の地点の観測にMゲインをその他の陸上と海上の観測にHゲインを利用しており SWIR L2プロダクトにはゲインと観測点により陸上 Hゲイン陸上 Mゲイン海上 Hゲインの三種類が存在するこれまでの研究から同一時期同一緯度帯であっても三種のデータ間でバイアスはわずかに異なることが唆されてきた上記の検証用データのほとんどは陸上 Hゲインに相当する観測点において取得されているため上記のバイアスは陸上ゲインHのL2プロダクトでの信頼性がいそこで酸化炭素の全大気平均濃度の推定にはいぶきのSWIR L2プロダクトのうち陸上 Hゲインのデータのみについてバイアス補正をって以降の全大気平均濃度の算出に使用した ( 注 1)Total Carbon Column Observing Network. 炭素カラム全量観測ネットワーク ( 地上に設置した波数分解能フーリエ変換型外分光計 (FTS, Fourier transform infrared spectrometer) による全球観測網この分光計を用いて太陽外光を地上で観測することで地球大気中の酸化炭素メタン一酸化炭素一酸化窒素や他の大気中微量成分の濃度データを得ることが出来るいぶき等の衛星による温室効果ガス観測の精度確認には無くてはならないものとなっている ( 注 2) 現時点では2015 年 2 月以降の酸化炭素全大気平均濃度の推定値は予備的な結果であり今後の検証作業完了後にデータの更新を予定している -3-

いぶきのSWIR L2プロダクトが存在しない領域も含めて全球すべての地域でのXCO 2 を推定するために月別経度帯別にXCO 2 の平均的な緯度分布をこのL4Bプロダクトから以下のように推定した 2011 年 1 月 2011 年 7 月図 2 GOSAT L4Bプロダクトから計算した2011 年 1 月と7 月におけるXCO

4 2.2 XCO 2 の月別経度帯別の緯度分布のモデル推定いぶきのL4Bプロダクトは酸化炭素濃度の6 時間ごとの三次元分布データ ( 緯度経度で2.5 ごと ) であり 2009 年 6 月から2012 年 5 月までの期間についてバイアス補正済みのXCO 2 濃度データ (SWIR L2プロダクト ) および地上観測データに基づいて推定計算した酸化炭素の月別地域別の吸収排出量から大気輸送モデルを用いてシミュレーション計算されている酸化炭素の全大気平均濃度の推定にあたりいぶきのSWIR L2プロダクトが存在しない領域も含めて全球すべての地域でのXCO 2 を推定するために月別経度帯別にXCO 2 の平均的な緯度分布をこのL4Bプロダクトから以下のように推定した 2011 年 1 月 2011 年 7 月図 2 GOSAT L4Bプロダクトから計算した2011 年 1 月と7 月におけるXCO 2 平均値の分布 ( 上図 ) と各経度帯における緯度 10 ごとのXCO 2 平均値の緯度分布 ( 下図 ) 上図の経度帯ごとの枠のは下図の折れ線のと対応するまず L4Bプロダクトについて全球の経度帯を60 ごとに6 分割しさらに緯度 10 ごとに分けた範囲内のXCO 2 平均値の月平均を計算した ( 図 2) 次に南緯 80~90 ( 南極 ) は異なる経度帯であっても地理的条件が近くかつ酸化炭素の放出源や吸収源の影響が少なくXCO 2 の月平均値が較的安定していることからこの場所のXCO 2-4-

5 をXCO 2 の緯度分布を求める際の基準値とし各経度帯について緯度 10 ごとに下記のように偏差 Dを計算した D =( 各緯度帯におけるXCO 2 平均値 ) ( 南緯 80~90 におけるXCO 2 平均値 ) (2) 2009 年 6 月 2012 年 5 月のすべての年の月についてDを計算して 1 月から12 月までの各月 3 年分のDの平均値 D mean を求めこの値を月ごと経度帯ごとのXCO 2 の平均的な緯度分布とした ( 図 3) 1 月 7 月南緯 80~90 における XCO2 の値との偏差図 3 各経度帯における月ごとの XCO 2 の緯度分布平均値 (1 月と 7 月の例 ) 各緯度の XCO 2 平均値をす点における縦棒は 3 年間の XCO 2 の標準偏差をす 2.3 月別全球 XCO 2 の推定 2.1 節でバイアス補正をったいぶきのXCO 2 観測値 (L2 値 ) について 2.2 節と同様に経度 60 ごとに分割した各経度帯について緯度 10 ごとの範囲内で平均値を各年の月ごとに求めたこのとき観測値の代表性をめるために各経度帯緯度帯年月におけるL2 観測値が5 個以上の場合についてのみ平均値を求めた ( 以下いぶき XCO 2 値とはL2 XCO 2 のバイアス補正済みのデータの平均値を意味する ) これらのL2 観測値には空白域があるので 2.2 節で求めた各経度帯各月における D mean の緯度分布を用いて空白域を補完するために L2 観測値に次のように (3) 式を当てはめ最小乗法により a の値を推定した ( 経度 60 緯度 10 ごとのいぶき XCO 2 値 ) = a + D mean (3) aは南緯 80~90 におけるXCO 2 平均値にあたるため a の値はすべての経度帯について共通となるこのように推定した a とD mean の和を経度 60 緯度 10 ごとのXCO 2 月平均値としたいぶき XCO 2 値と緯度分布とを図 4にす以上のようにして各年の月ごとに経度帯別の緯度 10 度ごとのXCO 2 を推定し全球に -5-

6 ついて地表積に応じた重み付け平均した値を各年の月ごとのXCO 2 全球平均値 ( 地球大気全体の平均値 ) とした重み付け平均の際の緯度 10 度ごとの重みは各範囲の中央の緯度 ( 例えば緯度 -90~-80 の範囲なら-85 緯度 40~50 の範囲なら45 ) の余弦すなわち重み = cos ( n) (4) としたここでnは0~17の整数をす W180~120 W120~60 W60~0 E0~60 E120~60 E120~180 緯度図年 8 月の 6 つの経度帯における SWIR L2 XCO 2 観測値 ( ) と推定された XCO 2 ( ) の緯度帯分布 3. 酸化炭素全大気平均濃度の推定経年平均濃度 ( 経年トレンド ) 酸化炭素の全大気平均濃度は北半球の冬季から春季にかけてく夏季に低い季節変動を伴って年々上昇している統計計算によって平均的な季節変動を求めて観測値から差し引いたものを経年トレンドとよぶある月の経年トレンド濃度はその前後半年の1 年間の平均値とほぼ同じ値をすこのようにして算出した酸化炭素全大気平均濃度の経年トレンドは観測期間中に一定ではなく増加率の大きい年と小さい年がある図 5の線は酸化炭素全大気平均濃度の経年トレンドおよび年増加率をしており経年トレンドを微分したものが増加率に相当する酸化炭素全大気平均濃度は2011 年に増加率が小さく 2012 年末から2013 年始めにかけて大きな増加率があったことがわかるこれに対して国海洋大気庁が地上の観測網を利用して算出した地表の全球平均濃度 [Ed Dlugokencky and Pieter Tans, NOAA/ESRL ( の経年変動と増加率が図 5の線である両者の増加率は位相がやや違っているものの全体的にほ -6-

7 ぼ同様の変動をしている地表の観測は標準になるガスと較することで非常にい精度で実施されているよって両者の一致から GOSAT の観測センサもい安定性を持って観測をっていることが分かる図 5 酸化炭素濃度の全大気平均 ( ) と地表のみの全球平均 ( ) の経年トレンド ( 上図 ) と増加率 ( 下図 ) 4. 酸化炭素全大気平均濃度の特徴図 6に例として2009 年 5 月 2016 年 4 月のいぶきによる月別酸化炭素の全大気平均濃度と経年トレンドをす酸化炭素全大気平均濃度は大局的には増加をしながら周期的な季節変動をし 2015 年 12 月の時点で月平均として初めて400 ppmを超えたまたその経年トレンドは単調に増加しており 2016 年 4 月までの観測データの解析に基づくと 2016 年 2 月に初めて400 ppmを超えた ( 補足 : 第 2 版からの第 3 版への改訂事項 ) 最新の検証解析の結果に基づき 2.1にしたV02.31~V02.60プロダクトのバイアス値を変更した再解析の結果 V02.21プロダクトのバイアスの時間依存性をす (1) 式の係数が若変化した上記のバイアスの再評価結果に基づいて全期間の酸化炭素全大気平均濃度の再計算をった上記に伴い 3 章として記述していた酸化炭素全大気平均濃度推定値の誤差の記述について -7-

8 再検討をうため記述を省略した 4. 酸化炭素全大気平均濃度の特徴における記述内容を2016 年 5 月に公表する結果に基づいて変更した図 6を2016 年 5 月に公表するグラフに差し替えた ( 補足 : 第 3 版からの第 3A 版への改訂事項 ) 4. 酸化炭素全大気平均濃度の特徴における記述内容を2016 年 9 月に公表する結果に基づいて変更した図 6を2016 年 9 月に公表するグラフに差し替えたなお第 3A 版では第 3 版と同じ全大気中の月別酸化炭素濃度算出法を踏襲している図 6 いぶきによる月別酸化炭素の全大気平均濃度と経年トレンド謝辞いぶき観測データの濃度算出処理(FTS L2 処理 ) には気象庁提供の気象予報数値データGPV(Grid Point Value) を利用しているまたいぶき観測濃度データの検証と補正にはTCCONデータ ( を用いたここにGOSATプロジェクトとして謝意を表するなお国環境研究所の所有するTCCON 観測地点つくばと陸別の運用は GOSATプロジェクトの一環として実施されている -8-

go.jp/wdcgg_i.html CD-ROM , IPCC, , ppm 32 / / 17 / / IPCC

go.jp/wdcgg_i.html CD-ROM , IPCC, , ppm 32 / / 17 / / IPCC CH 4 8.4 23 N 2 O 120 296 CFC-11 45 4600 CFC-12 100 10600 CFC-113 85 6000 HCFC-141b 9.3 700 HCFC-142b 19 2400 SF6 3200 22200 IPCC 2001 SF 5 CF 3 1000 17500 CO 50 2 1 100 IPCC 2001 CO 2 IPCC 2001 CH 4 6