偏光ライダーとラジオゾンデによる大気境界層に関する研究

1. 偏光ライダーとラジオゾンデによる大気境界層に関する研究偏光ライダーとラジオゾンデによる大気境界層に関する研究 平成１２年度 修士論文発表会 交通電子機械工学専攻 ９９３１７　　中島　大輔

2. 発表内容 • 研究の背景と目的 • ライダーの観測と解析 • ラジオゾンデの観測と解析 • 解析例　　事例１：１９９９年８月２日 • 　　　　　　　　　事例２：１９９９年１２月１０日 • 　　　　　　　　　事例３：２０００年８月３日　 • ５. 規格化した濃度勾配と温位微分による • 　　 エアロゾル層高度の比較 • ６． まとめ

3. 研究の背景と目的 　　大気中を浮遊するエアロゾルは、地上の車や工場の排 煙、土壌粒子や海塩粒子などから構成されている。エアロ ゾルは、大気境界層中の主に混合層内で拡散・対流する ので、大気境界層の構造を調べることは、大気汚染現象を 解明する上で、重要になってくる。 　　東京商船大学は、大都市特有の大気汚染現象や海陸 風の影響についての研究を行うのに適している。 　　本研究では、ライダーから得られたデータを解析して、 エアロゾルの鉛直分布を求め、その空間分布を把握する と同時にラジオゾンデ観測や他の地上観測との比較・研究 を行った。

4. 大気境界層とは • 地上から高度約0.5-3kmまでの地表との摩擦や熱対流の影響の及ぶ大気の総称。 • 大気境界層では、気温や風速の高度分布が大きく変化し、乱流が発生している。 • 昼間では、一般に大気境界層高度と混合層高度が一致している。 • 混合層とは、日射の加熱で不安定化した、上下の対流混合が盛んな層のことである。

5. 混合層の発達過程

6. ライダーについて 東京商船大学の ライダー観測の模式図

7. ライダーのデータ解析（１） ミー散乱ライダーの受信光強度 ライダー方程式 C：装置定数 ：エアロゾル濃度に関係した体積後方散乱係数 ：大気の透過率 ：幾何学的効率 ：背景光強度 距離２乗補正値 ⇒エアロゾル濃度を調べるために、距離２乗補正値を用いる

8. ライダーのデータ解析（２） 偏光解消度 直線偏光したレーザー光の後方散乱光が、散乱によって どの程度出射時の直線偏光からずれたか、その度合いを 示す量 ←　出射レーザー光の偏光面と垂直な成分の後方散乱光強度 ←　出射レーザー光の偏光面と平行な成分の後方散乱光強度 通常のエアロゾル　：　５％以下 土壌粒子　　　　：　１０～３０％ 非球形粒子に対して偏光解消度は大きくなる ⇒エアロゾルの球形・非球形性を調べるために偏光解消度を用いる

9. ラジオゾンデ観測 トヨタ九段ビル(九段） 東京商船大学 東京都 ラジオゾンデ 　上空の気温、気圧、湿度、風向、風速を測定する装置 ラジオゾンデ観測 　千代田区九段下で行った。（本学より北西方向に約4.5ｋｍ） 　　観測データは高度５０ｍ間隔で、３時間毎に連続して 　　行われた（JCAP集中観測時）。

10. ラジオゾンデのデータ解析 温位 水蒸気を含んでいない空気が断熱変化によって標準気圧 （１０００hPa)のところに持ってこられたと仮定したときの温度 R：空気に対する気体常数(287m2／s2K)Cp：空気の定圧比熱(1004m2／s2K) ⇒混合層内では温位は鉛直方向に一様。その上に逆転層が形成される。 混合比 水蒸気密度と乾燥空気の密度の比 →　混合比の値が小さいと、空気は乾燥している ｖ：水蒸気　　ｄ：乾燥 ⇒周囲の空気塊と混合せず、水蒸気の相変化がなければ、混合比は一定。

11. 事例１：距離２乗補正値と偏光解消度（１９９９年８月２日）事例１：距離２乗補正値と偏光解消度（１９９９年８月２日） 距離２乗補正値 偏光解消度

12. 事例１：温位と混合比（１９９９年８月２日）事例１：温位と混合比（１９９９年８月２日） ９時 １２時 １５時 １８時 ６時 ２１時 ：温位から求めた混合層高度 2km 2km ９時 １２時 1km 1km １８時 １５時 ２１時 ６時 温位の時系列変化 混合比の時系列変化

13. 事例１：ライダーとラジオゾンデによる混合層高度の比較(１９９９年８月２日)事例１：ライダーとラジオゾンデによる混合層高度の比較(１９９９年８月２日) ９時 １２時 １５時 １８時 ６時 ２１時 ：温位から求めた混合層高度 2km ９時 １２時 1km １５時 １８時 ２１時 温位の時系列変化

14. 事例２：距離２乗補正値と偏光解消度（１９９９年１２月１０日）事例２：距離２乗補正値と偏光解消度（１９９９年１２月１０日） 距離２乗補正値 偏光解消度

15. 事例２：温位と距離２乗補正値（１９９９年１２月１０日）事例２：温位と距離２乗補正値（１９９９年１２月１０日） ９時 １２時 ３時 １５時 ６時 １８時 ２１時 ：温位から求めた混合層高度 4km 3km 2km １５時 １８時 1km １２時 ２１時 ６時 ９時 ３時 温位の時系列変化 ：温位から求めた逆転層上端高度

16. 事例２：混合比と距離２乗補正値（１９９９年１２月１０日)事例２：混合比と距離２乗補正値（１９９９年１２月１０日) ９時 １２時 ３時 １５時 ６時 １８時 ２１時 ：温位から求めた混合層高度 4km 3km 2km １５時 １８時 1km １２時 ９時 ３時 ６時 ２１時 混合比の時系列変化 ：温位から求めた逆転層高度

17. 事例３：距離２乗補正値と偏光解消度（２０００年８月３日）事例３：距離２乗補正値と偏光解消度（２０００年８月３日） 偏光解消度 距離２乗補正値

18. 事例３：ライダーとラジオゾンデによる混合層高度の比較（２０００年８月３日）事例３：ライダーとラジオゾンデによる混合層高度の比較（２０００年８月３日） 3km 2km １２時 １２時 1km ９時 ９時 １５時 １５時 １８時 １８時 ２１時 ６時 ２１時 ３時 ：温位から求めた混合層高度 温位の時系列変化

19. 事例３：混合比と距離２乗補正値（２０００年８月３日）事例３：混合比と距離２乗補正値（２０００年８月３日） １２時 ９時 １５時 １８時 ２１時 ：温位から求めた混合層高度 3km 2km １２時 ９時 1km ６時 １５時 ３時 １８時 ２１時 混合比の時系列変化

20. 規格化した濃度勾配（ＮＣＧ）と温位微分によるエアロゾル層(逆転層）高度の比較規格化した濃度勾配（ＮＣＧ）と温位微分によるエアロゾル層(逆転層）高度の比較 規格化した濃度勾配（ＮＣＧ）（ライダー） エアロゾル層高度を求める基準（ライダー） ４０ｍ以上に渡ってＮＣＧの値が２０％／１００ｍを越えているか、 それに準じている場合で、ＮＣＧ値が極大を与える高度 温位微分（ラジオゾンデ） エアロゾル層高度を求める基準（ラジオゾンデ） 温位の微分の値が０．６Ｋ／５０ｍを越える高度

21. 夏期のライダーとラジオゾンデによるエアロゾル層高度比較夏期のライダーとラジオゾンデによるエアロゾル層高度比較 ライダー ラジオゾンデ １９９９年８月２日 ２０００年８月３日 ライダーから求めたエアロゾル層高度(=境界層構造の数） 方が、ラジオゾンデのものに比べ多く出る傾向がある。 ⇒海風の影響か？

22. 冬期のライダーとラジオゾンデによるエアロゾル層高度比較冬期のライダーとラジオゾンデによるエアロゾル層高度比較 ライダー ラジオゾンデ １９９９年１２月９日 １９９９年１２月１０日 特に高度１．５ｋｍ以下では高度の対応が良い。 ⇒　大気がより安定している(自由大気が成層に近い）？

23. まとめ • ライダーによる距離２乗補正値と偏光解消度によって、上空の大気の構造が視覚的に分かった。 • ライダーとラジオゾンデの観測データにより、大気境界層の鉛直構造を調べた。 • その結果、距離２乗補正値と温位から求めた混合層高度に対応が見られた。 • エアロゾル層の高度を客観的に求めるため、規格化した濃度勾配と温位微分を用いたが、冬の低層ではよい対応が見られた。 謝辞　ラジオゾンデデータを提供していただいた（財）石油産業活性化センターに 　　　　感謝いたします。