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oai:ir.soken.ac.jp:00000381 2023-06-20T14:55:32Z 2:427:11

Researches on Decadal Polar Motion and GPS Retrieved Water Vapor Researches on Decadal Polar Motion and GPS Retrieved Water Vapor 岩淵, 哲也 イワブチ, テツヤ IWABUCHI, Tetsuya 総合研究大学院大学 博士（理学） 産業革命後の人間活動の急激な増加に起因する二酸化炭素などの温室効果ガスの排出は、ここ数十年の地球温暖化を引き起こしていると考えられている。また、気候モデルによるシミュレーションは、二酸化炭素の濃度倍増時に気温が1.5℃から4.5℃上昇することを予測している。 　この地球温暖化とともに、その影響で生じると予測される海面上昇や降水パターンの変化に代表される気候変動などは、現在大きな国際問題となっている。しかしながら、現在、地球温暖化とその影響の検証と予測には大きな不確定性が伴うことが知られている。その理由の1つは、（1）気候システムに内在する10年スケール変動の変化率が地球温暖化とそれに起因する気候変動の変化率と同程度かそれ以上の大きさをもち、しかも、そのメカニズムが分かっていないことである。他の1つは、（2）大気中で最大の温室効果ガスとして知られる水蒸気に関する高精度高時空間分解能データが不足していることである。 　ところで、近年導入されたVLBI（Very Long Baseline Interferometry）やGPS（Global Positioning System）などのいわゆる宇宙測地技術は、観測点位置をcmからmmオーダーで決定することを可能にし、それらによって観測された極運動に大気・水圏の流体の運動を反映する10年変動が存在すること、また、それらが使用する電波の伝搬経路中の水蒸気の積算値の高精度観測が可能であること、が示されている。 　そこで、本研究では、従来の気象学的手法などだけでは不十分な地球温暖化の影響の検証と監視に、測地学的立場から支援することを目的にし、上述した極運動データとGPSデータに基づき、（1）大気水圏の10年スケール変動のメカニズムの解明、（2）大気中の水蒸気の動態の理解、に関して、特に地球温暖化に密接に関与する水の役割を通じて基礎的な議論を行った。 　まず、（1）では、IPMSデータおよびSPACE94データの2つの極運動に共通に見られる10年変動が、北大西洋を作用点にもつ冬季の気圧の南北振動として知られる北大西洋振動（NAO）の変動と類似した振る舞いを示すことに注目し、これを10年スケールの大気・水圏の流体の質量再分布効果で説明することを試みた。 　その結果、NAOと極運動の密接な関連にもかかわらず、気象庁（JMA）の北半球気圧データに基づき計算された大気の質量再分布効果による励起極は、観測に基づく励起極の約10％しか説明できないことが示され、NAOと極運動の相関は、NAOと関連する水圏変動により説明されることが示唆された。そこで、NOAAの５°×５°で月ごとの降水量データと、降水の時間依存の指数関数的減衰を仮定した陸水貯留量モデルに基づき励起極を計算したところ、降水のグローバルな減衰時間が3.7ヶ月のとき、すなわち、ある月の降水が3.7ヶ月後にその1/eに減衰し、残りは海洋に流出するとき、観測値と計算値の残差の2乗和が最小となり、このとき、観測に基づく励起極の約40％が説明可能であることが示された。しかも、計算値の観測値に対する約1年の位相の進みを無視するならば、モデルにおける降水の減衰時間が6～7ヶ月のとき、観測値の約80％が説明可能であることが示された。 　この事実に加え、極運動の10年変動の位相と対応する海面の東西のシーソー変動が北大西洋の海岸域に存在すること、北米大陸とユーラシア大陸の間にも降水量変動の東西のシーソーパターンが存在することが明らかにされた。これらの事実を結びつけることにより、北大西洋を作用点にもつ水循環の10年スケール変動の概念モデルが提唱された。 　次に、（2）では、地殻変動の監視を目的とする国土地理院（GSI）の612点からなる高密度（空間分解能約50km）な全国GPS観測網の解析で副産物として得られる天頂方向の大気遅延（ZTD）に基づき、この観測網が高時空間分解能の水蒸気センサーとして気象学的に利用可能かどうか調査された。一般に、GPS解析では、ZTDが観測点の測位解とともに評価されるが、このZTDは、観測点の気圧に依存する天頂静水圧遅延（ZHD）と観測点上空の水蒸気量に依存する天頂湿潤遅延（ZWD）からなる。後者に比例係数（約0.15）を乗じると、気象学的に重要な情報である可降水量（PWV）に変換できることが知られている。 　この観測網から得られる3時間ごとのZTD情報と、JMAの12時間ごとの客観解析値に基づき、夏季の激しい降水を伴う前線通過時のGPS PWVの動態を可視化した結果、前線のまわりに分布する水蒸気の移動する様子が、約50kmの空間分解能で明らかにされた。こうした情報は、従来のラジオゾンデによる気象観測では不可能であった。しかしながら、JMAの数値予報（NWP）に基づくPWVとGPS PWVを比較すると、GPS PWVに約3mmの過小評価が存在することも明らかになった。このバイアスの原因が明らかにされれば、今後、この情報を、NWPモデルに取り入れることにより、天気予報、とりわけ降水の予測精度の向上が期待される。 　このような前線通過時をはじめ、台風通過時などZTDが系統的な水平勾配構造をもつとき、GPS水平測位解には数cmのドリフト状の変動が見られることが知られている。そこで、GSIのGPS観測網で得られる水平測位解変動とZTD勾配の関係を調査したところ、水平測位解偏差とZTD勾配偏差の間に密接な線形関係があることが明らかにされた。よって、異常な水平測位解変動は水蒸気の方位異方性分布に起因するみかけの変動と考えられる。こうした関係を用いるとによって、異常に大きな水平測位解変動が地震と関連するかどうかを診断可能になる。また、この見かけの測位解変動が除去されれば、ZTDの推定精度向上にもフィードバックされることが期待できる。 　さらに、こうした水蒸気センサーとしての優れた能力をもつGSI GPS観測網は、日本列島スケールの山谷風・海陸風などの夏季の熱的局地循環に伴う水蒸気の日変化を詳細にとらえていることも示された。例えば、1996年6月から12月の3時間ごとのZTDについて、コンポジット解析および主成分解析を行ったところ、日の出とともに水蒸気が急速に増加し、夕方からゆるやかに減少する日変化が、日本列島の山岳域を中心とし、列島スケールで卓越していることが明らかになった。このとき、降水量データにも類似した日変化が存在することが確認されるていることから、GPS PWV情報は、局地循環をはじめとしたメソスケール気象学の研究にも有用であることが示唆される。 　以上の研究成果により、地球温暖化と密接に関連する水の役割が測地学的立場から明らかにされた。GSIのGPS観測網と同程度の空間分解能をもつ観測網がグローバルに展開され、現在運用が始まっている低軌道衛星搭載型GPS観測データを併用すると、地球温暖化に起因する水蒸気の増加の監視が可能になることが期待される。さらに、これらのデータが長期間蓄積されるとともに、降水量データ・河川流路データが整備されれば、（1）で提唱された水循環の10年変動モデルにおける厳密な水収支の評価が可能になると考えられる。このように、高精度宇宙測地技術に基づく地球温暖化の影響の測地学的監視が、近い将来、大いに期待される。 application/pdf 総研大甲第387号 thesis 1999-03-24 AM application/pdf application/pdf https://ir.soken.ac.jp/record/381/files/甲387_要旨.pdf https://ir.soken.ac.jp/record/381/files/甲387_本文.pdf https://ir.soken.ac.jp/records/381 eng