1997年11月に打ち上げられた熱帯降雨観測衛星(TRMM)は、2年以上にわたって順調に観測を続けており、これまで観測したデータの検証、研究が積極的に行われ、いまだ解明されていない地球規模の気候変動メカニズムの解明に寄与する成果が得られつつあります。宇宙開発事業団の共同研究により、全球土壌水分量の検出が世界で初めて可能となりました。これは地表面により反射され返ってくるPRの電波の強さが、電波が地面にあたる角度と土壌水分などの地面の様子により変化することを利用したものです。海洋における海面水温がエルニーニョの監視や予測などに利用されているのと同様に、陸地表面の土壌水分量は気候変動の監視と予測に対して非常に重要であると世界中の研究者が認めていながらも、衛星によるグローバルな観測推定は、これまで非常に困難なものでした。この成果については、4月24日〜29日まで仏国ニースにて開催されるヨーロッパ地球物理連合大会において、発表する予定です。※本件につきましては、次のホームページにおいてもご覧いただけます。(TRMM;トリム)は2年以上にわたって順調に観測を続けている。その観測データに対する検証、研究も積極的に行われ、地球規模の気候変動メカニズムの解明に寄与する斬新な成果が得られつつある。宇宙開発事業団が共同で開発したTRMMの降雨レーダ(PR)のデータに基づいた全球土壌水分量の検出が世界で初めて可能となった結果を発表する。これは地表面により反射されるPRの電波の強さが、電波が地表面にあたる角度や表層の土壌水分や表面のでこぼこ(粗さ)、植生の様子など地表面の様子により変化することを利用したものである。海洋における海面水温がエルニーニョの監視や予測などに利用されているのと同様に、陸地表面の土壌水分量は気候変動の監視と予測に対して非常に重要であると世界中の気候研究者が考える様になりつつある。多雨をもたらした大きな要因であることが後になってから指摘された。大気陸面海洋結合モデルの結果から示唆されている。数値モデルによるシミュレーションにより、温暖化に伴って半乾燥地域がより乾燥することが地球フロンティア研究システムの真鍋淑郎博士や阿部彩子博士等の研究によって予測されたのは記憶に新しいところである。地球資源衛星1号(J-ERS1)に搭載されたL-bandの合成開口レーダ(SAR)データを利用した土壌水分推定などが成果を上げてきているが、SARは広い領域を高頻度で観測するのにはむいておらず、気候モデルに対応するような地球規模の土壌水分モニタリングには至っていない。その実現のためには極めて大型のアンテナが必要となるため、現在打ち上げ準備中の環境観測技術衛星(ADEOS-II)に搭載予定の高性能マイクロ波放射計にもL-bandによる観測を行なう機能はない。TRMM/PRの場合も、波長は2cm程度と短く、必ずしも土壌水分など地表面観測に向いているとは言えない。SARや受動型マイクロ波センサの場合には地表面を斜め(23度〜60度)に観測するものがほとんどであったのに対し、TRMM/PRでは直下から18度程度までとほぼ真下を観測しているという特徴がある。この周波数帯の電波を用いたこれまでの斜め観測では、ごくわずかな植生でもその植生層での散乱吸収によってその下の土壌水分などの情報が失われてしまい、地表面状態が観測できるのは砂漠や裸地等に限られていたが、TRMM/PRではほぼ真下を観測しているため植生層の影響を比較的受けにくく、土壌水分など地面に関する情報がより多く得られる。同一地点について様々な入射角による観測が比較的高頻度で行なわれることもTRMM/PRの特徴である。本来TRMMは、これまで信頼度の高い観測がほとんどなかった熱帯の降雨を定量的に観測することが第一目的であったため、上記の様なTRMM/PRの地表面センサとしての長所にはあまり注意が払われていなかった。今回の研究の結果、TRMM/PRは地表面のセンサとしても非常に有用である事が証明された。降雨は時空間的に局所的な現象で全観測時間の5〜10%程度に限られており、ある意味でTRMM/PRは主に地表面を観測しているとも言えることを考えると、地表面センサとしての利用価値は高い。全観測に基づいて、土地被覆ごとの入射角依存性の違いをまとめた結果を示す。縦軸は後方散乱係数と呼ばれる値で、TRMM/PRから射出された電磁波が地表面で反射されて戻ってきた強度を示している。よるリモートセンシング情報などに基づいてあらかじめ定められた土地被覆分類ごとに後方散乱係数の平均的な入射角依存性が示されている。図-1からわかる通り、直下視を除いて水面(海面)は陸面に比べて大きな値を取り、入射角が大きくなってもすぐには後方散乱係数が小さくはならないことがわかる。これに対し、陸面では植生被覆によって入射角依存性が変化し、10度までの入射角では植生が多い方が後方散乱係数が高く、10度以上では逆転していることがわかる。森林では入射角が小さいときには草原などに比べて後方散乱係数は小さく、また入射角が大きくなってもその値はあまり変化しないのに対し、砂漠や裸地の場合には、入射角が小さいときには水面に匹敵するほど強く後方散乱するが、入射角が大きくなるに連れて急激に後方散乱係数が小さくなることがわかる。マイクロ波に対する地表面散乱のこうした性質は理論的にも説明可能であるが、これまでTRMM/PRの様な直下視に近い観測がなかったため陸面の地球観測に用いられたことは全くなかった。植生や土壌水分などが判読可能な様に作成した画像を示す。ここではさらに工夫をして、入射角ごとに色付けを行なった。試行錯誤の末、現時点で地表面被覆の判読に最適だと考えられたのは次の様な割り当てである。入射角3-8度の後方散乱係数が小さいほど緑色を濃くする様に色付けこの角度は特に森林等の樹冠による散乱吸収の影響を強く受けていて、葉面積指数が増えれば増えるほど後方散乱係数が小さくなる。緑が濃いほど森林が多いことを示唆する。入射角9-13度の後方散乱係数が大きいほど青色を濃くする様に色付けこの角度では観測範囲内に水面が含まれたり土壌水分が増えて地表面の誘電率が上がると後方散乱係数が大きくなる。青が濃いほど水分が多いことを示唆する。入射角14-18度の後方散乱係数が小さいほど赤色を濃くする様に色付けこの角度では、植生が少なく地表面が滑らかだと後方散乱係数が小さくなる。赤が濃いほど砂漠、荒れた土地を示唆する。図-2は上記の様に疑似カラー合成を行なった結果である。黄色は青の逆で、水分が少ない草原等を示唆する。森林、草原(緑)の植生量が疎らになるに連れて、黄緑、黄色、オレンジ、赤と変化していると考えられる。それぞれの植生状態において湿潤化するに連れて青色成分が混じり、図-2では紫(植生少ない)やシアン(植生多い)等の色で表現されていると考えられる。1998年の2月と8月に関する月平均のグローバル分布を比べてみると、南アメリカのアマゾン川流域、東南アジアモンスーン領域、アフリカのコンゴ川流域などで熱帯雨林が分布している様子、あるいはモンスーン林で雨季(北半球では8月)には緑色の領域が拡大し、乾季には減少する様子が観察される。砂漠や荒れ地を示唆する赤い色の領域は、北アフリカのサハラ砂漠、アラビア半島のルブアルハリ砂漠、そしてオーストラリア中央のグレートビクトリア砂漠などに特に顕著に現れている。耕地や草原の土壌の湿潤度、あるいは水面面積に対応していると考えられる青色は、アフリカ北部のサヘル地帯、インドやタイ、ベトナムの農耕地帯などで雨季に顕著に現れている。した変化が衛星データから観測推定されたことは世界でも初めてであり、TRMM/PRの画期的な成果となっている。図-2におけるオーストラリアの欠測(黒い部分)はTRMM/PRの周波数帯(13.8GHz)が地上での利用周波数と重なっているので、この領域を通過する際には観測を停止しているためである。TRMM/PR観測から明らかに水面であると判断される領域は除外してあり、海洋や大規模な湖、太い河道などは黒く示されている。実際には、海洋上のデータにも海上風の強弱に起因すると見られる分布が観察されている。TRMM/PRによる後方散乱係数観測に基づいて地表面土壌水分量を定量的に推定した結果を示す。TRMM/PRによる後方散乱係数観測に基づく定量的な地表面土壌水分量(土壌水分指標)の推定を行なった結果が図-3である。正規化した指標で、1に近いほど湿潤、0に近いほど乾燥していることを示す。植生量に関する情報を衛星からの可視・近赤外画像データに基づいて別途定めてその効果を相殺し、後方散乱係数の入射角依存性も利用して地表面のマイクロ波散乱に関する理論式に基づき、植生の下の地表面のでこぼこ(粗度)は季節によって変化しないと仮定して土壌水分の変化量を推定している。ここでの推定の初期値は数値モデルによる推定を利用した。図-3において2月と8月を比べると、8月が乾季の終りに近い南半球のアマゾン川流域では乾燥化しているが、そのすぐ北のオリノコ川流域は雨季の最中であるため湿潤化していることがわかる。アジアモンスーン地域の湿潤化も顕著である。観測値を可視化した図-2では砂漠地帯にも様々な模様が見られたが、図-3の定量的な土壌水分推定結果ではもっともらしく乾燥域となっている。斜面の影響からか入射角依存性をうまく利用することができない山岳部付近と、森林密度が非常に高い熱帯雨林領域については、本手法では現在のところ地表面の土壌水分を推定することはできず、図-3では欠測(黒い部分)となっている。余地はあるものの、季節変動が良く捉えられていることから、今後の応用が大いに期待できる。初期値としての利用が考えられるし、長期的データが蓄積されればエルニーニョなど気候の年々変動との関係や温暖化などの気候変化に伴う長期的乾湿分布の変化の検出に利用される様になるであろう。当初の目的通りTRMM/PRはもっぱら降雨観測に応用されてきたが、ここで示した様に、地表面観測、特にこれまで衛星からグローバルに観測推定されたことのなかった土壌水分観測に対して極めて有望であることが世界に先駆けて明らかとなった。直下で4km四方というTRMM/PRの観測分解能や約2cmというその波長を考えると、なぜこの様に植生や土壌水分の変化が観測されるのかについてはまだまだ解明されていない点が多い。今後の継続的な観測研究や地上検証実験などが望まれる。おいて発表される予定である。