博士 （地 球 環境 科学 ） 青木 一真
学 位 論 文 題 名
Characteristics of temporal variation of aerosol optical propertleSreVealed bythe10ng ‐ termmeaSurementofSOlaraure01e
（長期間の太陽周辺光の地上観測から明らかにした エ ア ロ ゾ ル の 光 学 的 特 性 の 時 間 変 動 ）
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
エ ア 口 ゾ ル が 太 陽 放 射 を 散 乱 ・ 吸 収 す る 直 接 効 果 と 、 そ れ が 雲 核 と し て 働 く 間 接 効 果 とを 明ら か に す る こ と は 、 温 暖 化 予 測 に お い て 極 めて 重要 な 課題 であ る。 しか し 、工 アロ ゾル は 多種 多様 な物 質 で構 成さ れ、 かつ 時 間・ 空間 変動 が 大き いた め、 これ ら の効 果を 観測 的に 実 証す るこ とは 困難である。
近 年 、 衛 星 観 測 や 数 値 モ デ ル よ っ て エ ア口 ゾル の グロ ーバ ル分 布が 求 めら れる よう に なっ てき たが 、 ア ル ゴ リ ズ ム や 得 ら れ た 結 果 の 検 証 も 含め 、そ れ らの 変動 特性 を正 確 に把 握す るた め には 、長 期間 の 観 測 か ら 得 ら れ る 精 度 の 良 い デ ー タ と の 比 較 が 必 要 不 可 欠 で あ る 。 そ こ で 本 研 究 で は 、1997年7月 か ら 約4年 余 り 、 札 幌 で 連 続 観 測 を 行 い 、 エ ア ロ ゾ ル の 光 学 的 特性 の 様々 な時 間ス ケ ール の変 動特 性 を明 らか にし た。 さ らに 、よ り低 緯 度の 地点 （新 潟、 っ くば 、東 京） と合 わ せて 比較 する ことにより、
広い緯度範囲でのエア口ゾルの光学的特性の時間変動特性の相違を明らかにした。
観 測 は 、 太陽 直達 光 と周 辺光 の5波長 の放 射輝 度 を自 動測 定で きるSky radiometerを 用い て行 った 。 太 陽 直 達 光 と 周 辺 光 の 角 度 分 布(30度 ま で ） を 規 格 化 し た 放 射 輝 度 か ら 、 イ ン バ ー ジ ョ ン 法 を 用 い て 気 柱 あ た り の エ ア 口 ゾ ル の 粒 径 分 布 を求 め、 そ こか ら、 エア 口ゾ ル の光 学的 特性 と して 重要 な指 標 のー つで ある 波長0.5lj.mの光学 的厚さて（0．5）を求めた 。この方法は、長期間の観測 による測器の劣化 に 依 存 し な い 結 果 が 得 ら れ る と い う 利 点と 、測 器 の劣 化の 影響 を受 け る直 達光 のみ か ら計 算す るよ り も 感 度 及 び 精 度 共 に 良 い 測 定 が 可 能 と いう 利点 を もつ 。ま た、 エア 口 ゾル の光 学的 厚 さの 波長 依存 性 から 、粒 径の 大小 の 指標 とな るオ ン グス ト口ーム指数aを求 めた。このようにして求め たて（0．5）とaの 関係を用いて、エア口ゾルの光学的特性の時間変動を調べた。
札幌におけるて（0．5）は、春に最大（0，38）で、秋に最小(0.21）という季節変化を示した。また、て（0．5） の 月 平 均 値 と 標 準 偏 差 の 間 に は 正 の 相 関が あり 、 この こと は、 パッ ク グラ ウン ドの 光 学的 厚さ が季 節 変 化 す る と い う よ り は 、 大 き な 光 学 的 厚さ をも た らす イベ ント の発 生 頻度 が季 節変 化 して いる こと を 意 味 し て い る。 一方 、aは、 明 瞭な 季節 変化 は見 ら れな かっ たが 、夏 に 最大 （1.27)、春 に最 小（1.09) に な る と い う 季 節 変 化 を 示 し た 。 こ の よう な季 節 変化 と体 積粒 径分 布 の間 の関 係を 調 べた とこ ろ、 春 は 他 の 季 節 よ り も 全 粒 径 で 濃 度 が 高 く 、 特 に 、 半 径0.5ym以 上 の 粒 子 の 増 大 が 顕 著 で あ っ た 。 こ の
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こ と は 、 黄 砂 粒 子 の 影 響 が 北 日 本 に も 現 れ て い る こ と を 示 唆 す る 。 事 実 、1998年4月20日 と2001 年4月10日 に 発 生 し た 大 規 模 黄 砂 現 象 で は 、 半 径2.0〜3.OlJmを 中 心 と し た 粒 子 の 増 大 が 確 認 さ れ た 。 ま た 、 夏 に 半 径0.2htm付 近 の 粒 子 の 増 大 が み ら れ 、 光 学 的 厚 さ を 増 加 さ せ る 原 因 と な る 粒 子 が 季 節 に よっ て異な ること が明ら かと なった 。
次 に 、 エ ア 口 ゾ ル の タ イ プ 及 び 緯 度 に よ っ て 、 こ の よ う な 季 節 変 動 が ど の よ う に 異 な る の か を 明 ら か に し た 。 す な わ ち 、 札 幌 、 っ く ば 、 東 京 の3地 点 全 て の デ ー 夕(59，847)か ら 、 て （0．5） とaの 平 均 値 を 求 め （ そ れ ぞ れ0.29と1.18)、 測 定 し た て （0．5） とaと こ の 平 均 値 と の 大 小 の 関 係 か ら 、 エ ア 口ゾ ル を4つ の タ イプ(Type―I〜IV)に 分 類 し た。Type‑Iは 、 平 均値 よ り て （O．5）は 小さ いがoは大 きい粒 子、Type‑II は 、て （O．5） もaも大き い粒子 、Type−IIIは、て（0．5）もaも小さい粒子、そしてType―IVは、て（0，5）は大きい が ぱ は 小 さ い 粒 子 で あ る 。 そ の 結 果 、 ど の 地 点 で もType―Iの 出 現 頻 度 が 高 く （ 約4割 ） 、 我 が 国 で は Type‑Iの エ ア ロ ゾ ル が 緯 度 に よ ら ず 卓 越 し て い る こ と が 分 か っ た 。Type―IIは 、 ど の 地 点 で も 冬 の 出 現 頻 度 が 少 な い が 、 と り わ け 札 幌 は 全 て の 季 節 で 少 な か っ た 。 一 方 、 東 京 で は 冬 以 外 の 季 節 、 特 に 夏 にType―IIの 頻 度 が 高 か っ た が 、 他 の 地 点 で は 年 間 を 通 じ て 頻 度 が 低 か っ た 。 す な わ ち 、Type‑IIの ェ ア 口 ゾ ル は 、 高 緯 度 あ る い は 寒 冷 地 域 で は 発 生 し に く い タ イ プ で あ り 、 都 市 汚 染 大 気 中 の 光 化 学 反 応 に よ る2次 生 成 粒 子 で あ る 可 能 性 が 示 唆 さ れ る 。 た だ し 、1998年8月21日 に 札 幌 で 極 め て 大 き なa
（ 約1.7)と 大 き な て （0．5） を も つ エ ア 口 ゾ ル （ す な わ ち 、Type‑II） が 観 測 さ れ た 。 バ ッ ク ト ラ ジ ェ ク ト リ ー 解 析 と 衛 星 デ ー 夕 解 析 か ら 、 こ の 粒 子 は シ ベ リ ア の 森 林 火 災 に よ っ て 形 成 さ れ た も の と 確 認 さ れ た 。Type‑IVは 、 全 地 点 で 春 に 増 大 し た 。 こ れ は 、 先 に 述 べ た 、 ど の 地 点 で も 春 にて （0．5）が 最 大 で 、 aが 最 小 で あ る と い う 結 果 と も 矛 盾 せ ず 、Type‑IVは 黄 砂 に 関 連 し た ェ ア 口 ゾ ル で あ る こ と が 示 唆 さ れ た 。 ま た 、 意 外 に も 札 幌 は 、 他 地 点 と 比 べ る と 晩 冬 か ら 春 先 に か け てType―IVの 頻 度 が 多 い こ と も 分 か っ た 。 札 幌 で は 、Type‑IIIの ピ ー ク が 秋 に 現 れ 、 秋 に も 大 粒 子 の 影 響 が あ る こ と が 示 さ れ た が 、 春 と秋 では黄 砂の源 や輸送 過程 が異な ってい る可能 性も示 唆さ れた。
Sky radiometerの 観 測 は 雲 の 影 響 を 大 き く 受 け 、 札 幌 で は 季 節 に よ っ て 取 得 デ ー タ の 約3〜4割 、 つ く ば で は3〜7割 し か 計 算 す る こ と が で き な い 。 ま た 、 太 陽 周 辺 の 解 析 範 囲 内 の 角 度 （ 本 研 究 で は30 度 ま で ） が 晴 れ て い て も 、 そ れ 以 外 に 雲 が 存 在 し て い る 場 合 が あ る 。 そ こ で 、 雲 が 発 生 し て い る よ う な 湿 潤 な 環 境 場 で 存 在 す る エ ア 口 ゾ ル の 光 学 的 特 性 と 、 晴 天 時 の エ ア 口 ゾ ル の 光 学 的 特 性 の 違 い を 調 べ た 。 用 い た デ ー タ は 、1996年6月 か ら2000年4月 ま で の っ く ば に お け るSky radiometerと 鉛 直 分 布 と 雲 の 有 無 を 検 出 で き るLidarの 同 時 観 測 デ ー タ で あ る 。 こ の 結 果 に よ る と 、 太 陽 周 辺 以 外 に 雲 が あ る 割 合 は 、 解 析 し た デ 一 夕 の う ち 約l〜2割 で あ っ た 。 太 陽 周 辺 以 外 に 雲 が あ る 場 合 と 無 い 場 合 を 比 べ て み る と 、 雲 が あ る 場 合 で は ど の 季 節 で もt（0．5） が0．1〜0.2程 度 高 い 方 ヘシ フ ト し て おり 、aは 大 粒 子 が 寄 与 す る 方 ヘ0.2〜0.5程 度 シ フ ト し て い る こ と が 確 認 さ れ た 。 す な わ ち 、 雲 が 発 生 し て い る よ う な 湿 潤 な 大 気 環 境 場 で は 、 そ の 周 辺 に 、 よ り 光 学 的 に 厚 く 、 か っ よ り 大 き な ェ ア 口 ゾ ル が 存 在 し 、 こ の よ う な 効 果 が ェ ア 口 ゾ ル の 時 間 変 動 特 性 に 約1〜2割 程 度 影 響 し て い る こ と を 明 ら か に し た 。 言 い 換 え れ ば 、 雲 の 周 辺 に 存 在 す る エ ア 口 ゾ ル が 直 接 効 果 に 及 ぼ す 影 響 も 無 視 で き な い 。 こ の 効 果 は 直 接 効果 と間接 効果の 両方を 含ん でいる ことか ら、ハ イブリ ッド 効果と 名づけ た。
以 上 の よ う に 、 今 後 長 期 間 の デ 一 夕 を 蓄 積 す る こ と は 重 要 で あ る が 、 過 去 の デ ー タ を 精 度 の よ い デ ー タ で 引 き 継 ぐ こ と も 必 要 で あ る 。 そ こ で 、 札 幌 で1930年 代 か ら 継 続 さ れ て い る 直 達 日 射 計 を 用 い て 測 定 さ れ た 大 気 混 濁 度 と 、 我 々 の 測 定 か ら 求 め た 大 気 混 濁 度 と の 比 較 を 行 っ た 。1997年 以 降 ―1536―
の データのみであるが、両者の相関は0.8 と高しゝが、本装置を用いた計算結果の方が0.02 程度小さ かった。また、冬は、他の季節に比べると相関係数が低しゝ。これは、直達日射計から求める場合は水 蒸気の見積もりに、一方 Sky radiometer から求める場合は地表面のアルベードの変化に誤差を含む可 能性があることを示唆するものである。
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学位論文審査の要旨
主 査 教 授 藤 吉 康 志 副 査 教 授 山 崎 孝 治 副 査 教 授 河 村 公 隆 副 査 助 教 授 遠 藤 辰 雄
副 査 教 授 太 田 幸 雄 （ 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 ）
学位論文題名
Characteristics of temporal variation of aerosol optical properties revealed by the long‑term measurement of solar aureole
（長期間の太陽周辺光の地上観測から明らかにした エ ア ロ ゾ ル の 光 学 的 特 性 の 時 間 変 動 ）
エアロゾルが太陽放射を散乱・吸収 する直接効果と、それが雲核として働く間接効果 とを明らかにすることは、温暖化予測において極めて重要な課題である。近年、衛星観測 や数値モデルよってェア口ゾルのグローバル分布が求められるようになってきたが、アル ゴリズムや得られた結果の検証も含め、エアロゾルの時空間変動特性を正確に把握するた めには、長期間の観測から得られる精度の良いデータとの比較が必要不可欠である。そこ で本 研究 では 、1997 年 7 月か ら約 4 年余り、札幌で連続観 測を行い、エアロゾルの光学 的特性の様々な時間スケールの変動特性を明らかにし、さらに、より低緯度の地点（っく ぱ、東京）と合わせて比較することにより、広い緯度範囲での時間変動特性の相違を明ら かにすることを目的とした。
観 測は 、太陽直達光と周辺 光の5 波長の放射輝度を自動 測定できるSky radiometer を 用いて行った。太陽直達光と、規格化した周辺光の角度輝度分布から、インバージョン法 を用いて気柱あたりのェアロゾルの粒径分布を求め、そこから、工アロゾルの光学的特性 として重要な指標のーつである波長 0.5ym の光学的厚さて（0 ，5 ）を求めた。また、エアロゾ ルの光学的厚さの波長依存性から、粒 径の大小の指標となるオングストローム指数a を求 めた。このようにして求めたエアロゾルの光学的厚さとオングストローム指数の関係を用 いて、エアロゾルの光学的特性の時間変動を調べた。
札幌におけるて（0 ．5 ）は、春に最大で秋に最小という季節変化を示した。春は他の季節よ りも全粒径で濃度が高く、特に、半径 0.5ym 以上の粒子の増大が顕著であった。このこと は、黄砂粒子の影響が北日本にも現れ ていることを示唆する。事実、1998 年と2001 年の 4 月に発生 した大規模黄砂現象では、半径2 ．い3.OVm を中心とした粒子の増大が確認され た。さらに、1998 年 8 月に札幌で極めて大きなQ と大きなr(0 ． 5 ）をもつエアロゾルが観測
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され た 。 バ ック ト ラ ジ ェク ト リ ー 解析 と 衛 星 デー 夕 解 析 から 、 この 粒子は シペリ アの森 林 火災によって形戚されたものと確認された。
次に、 札幌、 っくば 、東京 の3地点 全ての データか ら、て （O．5）とoの平均値を求め、測定 したて （0．5） とaとこ の平均 値との 大小の 関係から 、工ア ロゾルを4つのタイプに分類した。
Type‑Iは、平均値よりT(O．5）は小さいがQは大きい粒子、Type‑IIは、て（0．5）もaも大きい粒 子、Type‑IIIは、て（0．5）もaも小さい粒子、そしてType‑IVは、て（O．5）は大きいがaは小さい 粒子で ある。 その結 果、どの 地点で もType‑Iの出現頻度が高く（約4割）、我が国では′rype‑I のエ ア ロ ゾ ルが 緯 度 に よら ず 卓 越 して い る こ とが 分 か っ た。Type‑IIは 、 ど の地 点 で も 冬 の出 現 頻 度 が少 な い が 、と り わ け 札幌 は 全 て の季 節 で 少 なか っ た。 一方、 東京で は冬以 外 の季 節 、 特 に夏 にType‑IIの 頻 度が 高 か っ たが 、 他 の 地点 で は 年 間を 通 じ て 頻度 が 低 か っ た。 す な わ ち、Type‑IIの エ ア ロゾ ル は 、 高緯 度 あ る いは 寒 冷 地 域で は 発 生 しに く い タ イ プで あ り 、 都市 汚 染 大 気中 の 光 化 学反 応 に よ る2次 生成 粒 子 で ある 可 能 性 が示 唆 さ れ る。
Type‑IVは全 地 点 で 春に 増 大 し 、黄 砂 に 関 連し た エ ア ロゾ ル で あ るこ と が 示 唆さ れ た 。 札 幌では 、T・ype ‑IIIのピー クが秋 に現れ、 秋にも 大粒子 の影響 がある ことが 示されたが、春 と秋では黄砂の源や輸送過程が異なっている可能性も示唆された。
さ ら に 、雲 が 発生し ている ような 湿潤な 大気環 境場で は、その 周辺に より光 学的に 厚く、
か っ よ り 大 き な エ ア ロ ゾ ル が存 在 し 、 この よ う な 効果 が エ ア 口ゾ ル の 時 間変 動 特 性 に約 ト2割 程度 影 響 し てCヽる こ と が 明ら か と な った 。 言 い 換え れ ば 、雲の 周辺に 存在す るエア ロゾ ル が 直 接効 果 に 及 ぼす 影 響 も 無視 で き な い。 こ の 効 果は 直 接効 果と間 接効果 の両方 を 含んでいることから、ハイブリッド効果と名づけた。
ま た 、 札 幌 で1930年 代 から 継 続 さ れて い る 直 達目 射 計 を 用い て 測 定 され た 大 気 混濁 度と 、 我 々 の測 定 か ら 求め た 大 気 混濁 度 と の 比較 を 行 っ た0 1997年以降 のデー タのみ であ るが 、 両 者 の相 関 は0.8と高 い が 、 本装 置 を 用 いた 計 算 結 果の 方 が0.02程 度 小さ か っ た 。 また 、 冬 は 、他 の 季 節 に比 べ る と 相関 係 数 が 低い 。 こ れ は、 直 達目 射計か ら求め る場合 は 水 蒸 気 の 見 積 も り に 、 一 方Sky radiometerか ら 求 め る場 合 は 地 表面 の ア ル ベー ド の 変 化 に誤差を含む可能性があることを示唆するものである。
こ の よ うに ， 本 研 究で 得 ら れ た成 果 は ， これ ま で デ ータ が 少 なかっ た高緯 度地域 のエア ロゾ ル の 光 学的 特 性 と その 時 間 変 動の 解 明 に 大き く 貢 献 し， そ の結 果，地 球気候 システ ム にお い て 極 めて 重 要 な 役割 を 担 う ェア ロ ゾ ル の理 解 を さ らに 深 める ことが できる と期待 さ れる。
よ っ て 審査 員 一 同 は、 こ れ ら の成 果 を 高 く評 価 し 、 また 研 究 者とし て誠実 かっ熱 心であ り、 大 学 院 課程 に お け る研 鑚 や 取 得単 位 な ど も併 せ 、 申 請者 が 博士 （地球 環境学 ）の学 位 を受けるのに充分な資格を有するものと判定した。
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