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平成14年度
修士論文発表会
ライダーとサンフォトメーターによる都市大気
エアロゾルの光学的特性に関する研究
交通電子機械工学専攻
９９３０８ 崎田茂和
発表内容
１．はじめに
２．ライダーの解析方法
３．サンフォトメーターとスカイラジオメーターに
よる観測と解析
４．ライダー比の算出
５．観測結果
６．まとめ
はじめに
 エアロゾル（大気中微粒子）は散乱・吸収を通し
て放射収支に大きな影響を与える。
 ライダーはエアロゾルの鉛直分布を高分解能で与
えうる唯一の装置である。
 エアロゾルによる消散係数を導くのにある一定の
後方散乱係数と消散係数の比（ライダー比）を仮
定してライダー方程式を解く。
 実際には空間的にも時間的にも非一様である。
 今回はライダーとサンフォトメーターの同時観測
により空間平均のライダー比を求めることを試み
た。
 ライダー比はエアロゾルの粒径分布、屈折率、形状に依
存する重要なエアロゾル光学的性質である。
 本研究では、1999年8月と12月、2000年8月のJCAP（Japan
Clean Air Program）集中観測時のデータを対象とした。
ライダーの原理
 ライダー（LIDAR）とはLight Detection and Rangingの
頭文字をとったものである。
 レーザーを光源とするレーダーで遠方の大気や物体に
レーザー光を照射して、その物理的な特性を遠隔測定
する装置である。
 パルスレーザー光を大気中に発射し、大気中のエアロ
ゾルや大気分子による後方散乱光をフィルターで分光し
測定する。
 散乱光は時間の関数として測定されるが、レーザーを送
出した時刻から信号を受信するまでの時間の遅れから
距離が求まり、受信強度からのレーザー光路にそった
散乱係数の分布が得られる。
ライダー方程式
距離Rからの光受信信号強度P（R）は
P(R)  C (R)  Y (R)  T (R) / R  PB
2
2
・・・・・・（１）
ここで
C：装置定数
β（R）：体積後方散乱係数
Y（R）：幾何学的効率
T（R）：大気の透過率
PB：背景光強度
消散係数を用いて大気の透過率を表わすと
R
T (R)  exp[  (r )dr]
0
東京商船大学のライダー
R1:近距離用
パルスエネルギー 20mJ
R2:遠距離用
波長532nm
通常の観測では10Hzで4094shot積算（約7分間）している。距離分解能
は6ｍまたは7.5ｍ
ライダープロファイルの例（2000年8月1日）
Fernaldによるライダー方程式の解法
大気分子とエアロゾルの2成分を考慮し距離2乗補正したライ
ダー方程式は次式のように表わせる。
R
X (r )  C{1 (R)   2 ( R)}exp[2 { 1 (r )   2 (r )}dr]
0
ここで
σ１：エアロゾルによる消散係数
σ２：大気分子による消散係数
β１：エアロゾルによる後方散乱係数
β２：大気分子による後方散乱係数
・・・・・（２）
 S 
 S 

1
2
2
1
2
・・・・・・(3.a）
・・・・・・(3.b)
S１：エアロゾルによる消散係数と後方散乱係数との比
（ライダー比ともいう）
S２：大気分子による消散係数と後方散乱係数の比
（＝8π/３；レーリー散乱理論より）
この仮定のもとでライダー方程式を解くと
Rc
S1
X (r ) exp[2(  1)   2 (r )dr]
S2
S1
R
 1 (r ) 
  2 (r )
Rc
S2
X ( Rc )
S1
 2 X (r ) exp[2(  1)   2 (r )dr ]dr
S
S2
R
 1 ( Rc )  1  2 ( Rc )
Rｃ：境界条件
・・・・・・（４）
S2
と表わせる。大気上層のほとんどエアロゾルがない高度か
ら下層に向かって漸化式的に解く。
大気分子によるレーリー散乱の寄与に
ついて
波長λの光に対するU.S.標準大気（1976）の海面レベルでの
大気分子による波長λ[nm]での後方レーリー散乱係数は
550 4
8
1 1
 2 (0, )  1.39(
) 10 [cm sr ]
[nm]
・・・・・・（５）
我々のライダーは波長が532nmのレーザーを用いているので
 2 (0,532)  0.00158788[km sr ] ・・・・・・（６）
1
1
U.S.標準大気モデルとラジオゾンデによる
大気密度分布
大気を理想気体と考えると大気数密度は次式で表わせる。
  n / V  P / RT
・・・・・・（７） R:気体定数
従ってU.S.標準大気の海面レベル（1013.25hP、288.15K）におけ
る大気数密度を   とすれば任意の高度ｈにおける気温をT[K]
気圧をP[hP]として大気密度ρ(h)は
P(h) 288.15
  h 
0
1013.25 T (h)
と表わせる。
・・・・・・（８）
任意の高度における後方散乱係数は
  R
2 (R, ) 
 2 (0, )

・・・・・・（９）
0
として求まる。
U.S.標準大気モデル(1976)とつくば市舘野
（36.05°N、140.13°E）のラジオゾンデデータから
の算出した大気密度分布の比較した例を次に示
す。
大気密度分布　ρ(h)/ρ(0)
1.0
U.S.標準大気
1999年8月2日（9：00）のラジオゾンデ
1999年8月3日（9：00）のラジオゾンデ
1999年8月4日（9：00）のラジオゾンデ
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
5
10
15
20
altitude [km]
25
30
大気密度分布　ρ(h)/ρ(0)
1.0
U.S.標準大気
1999年12月8日(9：00)のラジオゾンデ
1999年12月9日(9：00)のラジオゾンデ
1999年12月10日(9:00)のラジオゾンデ
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
5
10
15
20
altitude [km]
25
30
大気密度分布　ρ(h)/ρ(0)
1.0
U.S.標準大気
2000年8月1日（9：00）のラジオゾンデ
2000年8月2日（9：00）のラジオゾンデ
2000年8月3日（9：00）のラジオゾンデ
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
5
10
15
20
altitude [km]
25
30
冬季に比べ夏季の方がU.S.標準大気モデルとの差が大きい
ことがわかる。ここではラジオゾンデから求めた大気密度の
サンフォトメーターについて
 英弘精機、ポータブル
サンフォトメーター
MS－120を使用した。
 サンフォトメーターを
手動にて太陽を追尾し
て測定を行う。３６８、
５００、６７５、７７
８[nm]の４波長であり、
回転するフィルターホ
ルダーに載せた干渉
フィルターにより、各
波長の光強度を観測で
きる。
サンフォトメーターによる光学的厚さ
波長λにおける光学的厚さはサンフォトメーターの観測から
E0 ()
ln(
)
E()  S
 m () 
 (TR() o3())
m
・・・・・・（１０）
で表わせる。 ここで
E０（λ）：検定定数
E（λ）：観測値
S：太陽－地球間距離補正値
m：エアマス
TR(λ)：波長λにおけるレーリー散乱の光学的厚さ
To３(λ)：波長λにおけるオゾンによる光学的厚さ
である。
オングストロームの経験式
エアロゾルの光学的厚さは経験的に知られて
いるオングストロームの実験式から次式のよ
うに与えられる。
    0.5 (

0.5
)

ln    ln  0.5   ln(

0.5
・・・・・・（１１）
)
・・・・・・（１２）
αは微小粒子が多いときに大きくなり、粗大粒子が多いときに
は小さくなる。
サンフォトメーターの光学的厚さ（AOD)
（2000年8月）
10
2000/8/1 16:30
2000/8/1 17:11
2000/8/2 10:42
2000/8/2 11:26
2000/8/2 12:47
2000/8/2 13:00
2000/8/2 13:59
2000/8/2 14:59
2000/8/2 15:58
2000/8/2 16:35
2000/8/3 12:09
2000/8/3 12:27
2000/8/3 12:58
2000/8/3 13:26
2000/8/3 14:03
2000/8/3 14:21
2000/8/3 15:04
2000/8/3 16:02
2000/8/3 16:38
1
0.1
0.01
0.1
1
wavelength[micron]
サンフォトメーターによるAOD
（1999年8月）
3
2.5
AOD
2
tau368
tau500
tau675
tau778
1.5
1
0.5
0
2
3
4
date
5
サンフォトメーターによるAOD
（1999年12月）
3
2.5
AOD
2
tau368
tau500
tau675
tau778
1.5
1
0.5
0
8
9
10
date
11
サンフォトメーターによるAOD
（2000年8月）
3
2.5
AOD
2
tau368
tau500
tau675
tau778
1.5
1
0.5
0
1
2
3
date
4
スカイラジオメーターについて
 本スカイラジオメーターは（株）プリード社製のPOM－01型
である。
 本学のスカイラジオメーターは7つの波長帯をもち、315nmは
オゾン吸収帯、940nmは水蒸気の吸収帯、400，500，670，870，
1040nmはエアロゾル観測用の波長である。
 スカイラジオメーターはサンセンサーにより、太陽方向に鏡
筒が向くようにを自動的に追尾される。
 解析には東京大学気候システム研究センター・中島映至教授
によって作成されたスカイラジオメーター解析用プログラム
パッケージskyrad.pack ver.2を用いた。
新2号館屋上のスカイラジオメーター
スカイラジオメーターの500nmにおける
光学的厚さと全天日射量（1999年8月）
0.7
1.6
1.4
0.6
1.2
0.5
T500
0.4
0.8
0.3
0.6
0.2
0.4
0.1
0.2
0
0
2
3
4
date
5
solar rad.[a.u.]
1
T500
solar rad.
スカイラジオメーターの500nmにおける
光学的厚さと全天日射量（1999年12月）
0.7
1.6
1.4
0.6
1.2
0.5
T500
0.4
0.8
0.3
0.6
0.2
0.4
0.1
0.2
0
0
8
9
10
date
11
solar rad.[a.u.]
1
T500
solar rad.
スカイラジオメーターの500nmにおける
光学的厚さと全天日射量（2000年8月）
0.7
1.6
1.4
0.6
1.2
0.5
T500
0.4
0.8
0.3
0.6
0.2
0.4
0.1
0.2
0
0
1
2
3
date
4
solar rad.[a.u.]
1
T500
solar rad.
500nmにおけるAODと
オングストローム指数の相関（1999年8月）
3
2.5
オングストローム指数
2
sky
1.5
sun
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
光学的厚さ（500nm）
1.2
1.4
1.6
1.8
2
500nmにおけるAODと
オングストローム指数の相関（1999年12月）
3
オングストローム指数
2.5
2
sky
sun
1.5
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
光学的厚さ（
500nm ）
1.4
1.6
1.8
2
500nmにおけるAODと
オングストローム指数の相関（2000年8月）
3
オングストローム指数
2.5
2
sky
sun
1.5
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
光学的厚さ（
500nm ）
1.4
1.6
1.8
2
レーザーの波長532nmにおける光学的厚さは
サンフォトメーターの500nm、675nmの2波長で
の光学的厚さから経験式から求めたαを用い
532 
 532   500( )
500
・・・・・（１３）
から求めた
サンフォトメーターとスカイラジオメーターから
光学的厚さ（532nm）の同時刻観測値の比較
τ（532nm）の比較
1
0.9
0.8
0.7
1999年8月
1999年12月
2000年8月
1999年8月の近似
1999年12月の近似
2000年8月の近似
sky
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
sunphoto
0.6
0.7
0.8
0.9
1
空間平均のライダー比の算出方法
あるライダー比を仮定する
新しいライダー比
を仮定する
後方散乱係数と消散係数を計算する
後方散乱係数の積分とサンフォトメーターから
求まる光学的厚さの比で新しいライダー比を

S

1
計算する
 1 (r)dr
sun
no
新しいライダー比と古いライダー比の比較
σ＜０．０１％
yes
ライダー比の決定と誤差を求める
S1 


S1
ライダー比の解析結果（1999年8月）
ライダー比（1999年8月）
160
140
120
lidar ratio
100
sky
sun
80
60
40
20
0
2
3
4
date
5
ライダー比の解析結果（1999年12月）
ライダー比（
1999年12月）
160
140
120
lidar ratio
100
sky
sun
80
60
40
20
0
8
9
10
date
11
ライダー比の解析結果（2000年8月）
ライダー比（2000年8月）
160
140
120
lidar ratio
100
sky_S1
sun_S1
80
60
40
20
0
1
2
3
date
4
ライダー比とオングストローム指数
（1999年8月）
3
2.5
オングストローム指数
2
sky
sun
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比とオングストローム指数
（1999年12月）
3
オングストローム指数
2.5
2
sky
sun
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比とオングストローム指数
（2000年8月）
3
2.5
オングストローム指数
2
sky
sun
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比と光学的厚さ(532nm)
（1999年8月）
0.4
0.35
0.3
AOD
0.25
sky
sun
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比と光学的厚さ（532nm）
（１９９９年１２月）
0.4
0.35
0.3
AOD
0.25
sky
sun
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比と光学的厚さ（532nm）
（2000年8月）
0.8
0.7
0.6
AOD
0.5
sky
sun
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
20
40
60
80
lidar ratio
100
120
140
160
ライダー比のヒストグラム
35
30
25
20
個数
1999sum
1999win
2000sum
15
10
5
0
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80
lidar ratio
80-90
90-100
100-
1999年8月2日の消散係数の鉛直分布
1999年8月3日の消散係数の鉛直分布
1999年8月4日の消散係数の鉛直分布
1999年12月8日の消散係数の鉛直分布
1999年12月9日の消散係数の鉛直分布
1999年12月10日の消散係数の鉛直分布
2000年8月1日の消散係数の鉛直分布
2000年8月2日の消散係数の鉛直分布
2000年8月3日の消散係数の鉛直分布
まとめ




ライダープロファイルを用いて求めたライダー比はヒ
ストグラムからもわかるように夏が小さく、冬が大き
い傾向が見られた。
ライダー比は1999年の8月の平均値は55.76±14.19
（標準偏差）、12月の平均値は68.78±15.58、2000年
8月の平均値は50.29±6.96といった値が見られ、冬季
のほうが夏季よりもライダー比が少し高く見られる傾
向が見られた。
その原因としては炭素成分による吸収による寄与が考
えられる。
オングストローム指数αが冬のほうが大きい。