GPSによる地球観測

GPSはGlobal Positioning Systemの略で、 人工衛星からの電波を使って地球上にいる人(など)が自分の位置を知るしくみのうち 現在いちばんよく使われているものである。 現在のGPSはアメリカ合衆国の軍事用に開発されたものだが、 民間に公開されている。 ただし一部の機能は軍事専用で通信が暗号化されている。

GPSを使った地球観測は、人工的に出した電波を使っているという意味では能動的だが、観測用のセンサーは電波を受信するだけだという意味では受動的である。 また、電磁波の強さを主要な情報としない(したがって強さに関するセンサー感度の較正を必要としない)ことは、衛星による地球観測のうちでは比較的珍しい。

GPS衛星からは、ディジタル信号で変調した電波が発信されている。 信号のおもな内容は精密な時計による発信時刻と予測された軌道上の位置である。 GPSの利用は、ディジタル信号の利用と搬送波の位相差の利用に分けられる。 航行支援(カー・ナビゲーションを含む)やラジオゾンデの位置決定に使われるのはディジタル信号であり、 精密な測地や大気中の水蒸気量の観測に使われるのは搬送波の位相差である。

どちらの方法でも基礎となるのは、 4次元時空間の中の1点の位置(4つの座標値)は、 位置のわかった4点からの4次元距離がわかれば決めることができる、 ということである。 4つの衛星からそれぞれの4次元座標値の情報を電磁波で受ければ、 もし電磁波が一定の速さで直線を進むと仮定できるとすれば幾何学的に自分の位置を 求めることができる。 現実には物質(大気)があるため、精密な位置を求めるためにはこの幾何学的方法に 対して補正が必要となる。 補正は、大気柱の総量(地上気圧といってもよい)に関するもの、 電離層(高層大気)に関するもの、水蒸気に関するものがある。 GPS技術の概略の参考書は、坂井(2003)などがある。

日本では、測量の基準および地殻変動のモニターのために、国土地理院が 約1000点のGPS精密観測を行なっている (観測点密度はアメダスとほぼ同じ)。 測地学の観点でも、 荷重による地殻の変形や プレートテクトニクス関係などの興味深い結果が得られている (Heki, 2004参照。 その他はわたしは追いかけていないが、興味のある人は 日本測地学会(http://wwwsoc.nii.ac.jp/geod-soc/)、 国土地理院、東京大学地震研究所、 静岡大学里村幹夫教授、北海道大学日置(Heki)幸介教授などの 研究成果紹介を見てほしい)。

ところが、GPSによる測地の精度に対する最大の不確定要因は、 大気中の水蒸気量である。 したがって、国土地理院と気象庁の連携により、 測地の精度をよくするとともに、 鉛直積算した水蒸気量(慣例として「可降水量」と呼ばれる)を 求める作業が行なわれている (入門的には萬納寺 1998, 大石 2000, もう少し詳しくは中村編 1998 参照)。 水蒸気量の精度のよい算定を天気予報にまにあわせるには、 衛星の軌道の予測精度からくる困難があるが、 研究用にあとで使う場合は確定した軌道を使えるので じゅうぶんな精度があり(新村ほか, 2000参照)、 夏の関東地方の日変化(海陸風・山谷風との関係)について 興味深い結果(佐々木ほか, 2001; Iwasaki and Miki, 2001)が得られている。 GAME-Tプロジェクトではタイで観測が行なわれ、日変化などが議論された (仲江川ほか, 2002; Fujitaほか, 2006)。 海洋研究開発機構(JAMSTEC)の地球環境観測研究センター(旧・地球観測フロンティア) では、 アジア・太平洋諸国(中国、タイ、インドネシア、パラオなど)に 水蒸気観測のためのGPS受信局をおいて観測を行なっている。 アメリカ合衆国やドイツでもそれぞれGPS受信局網が作られ、 水蒸気の観測を天気予報などに使う試みが行なわれている。

一方、GPS衛星からの電波を他の衛星でとらえることにより、 衛星の間にある大気の物理量の情報を得る観測方法もあり、 主として成層圏の温度、水蒸気量、オゾン量などの観測に使われている。 電波経路が水平に近いので、水平分解能は低いが、鉛直分解能は高い (津田 2001 参照)。

参考文献 (著者名アルファベット順)

• Fujita, M., Sasaki, T. and Kimura, F., 2006: A dramatic daytime decrease in water vapor over coastal Thailand. SOLA (日本気象学会オンライン論文雑誌), 2, 49 - 52. (この雑誌は、 日本気象学会ホームページhttp://wwwsoc.nii.ac.jp/msj/からリンクされたページにPDFファイルがあり、無料。)
• Heki, K., 2004: Dense GPS array as a new sensor of seasonal changes of surface loads. The State of the Planet (Sparks, R.S.J. and Hawkesworth, C.J. eds., American Geophysical Union, Geophysical Monograph 150), 177 - 196. (この本はメディアセンター開架にある)
• Iwasaki, H. and Miki, T., 2001: Observational study on the diurnal variation in precipitable water associated with the thermally induced local circulation over the "semi-basin" around Maebashi, using GPS data. Journal of the Meteorological Society of Japan, 78, 1077 - 1091.
• 萬納寺 信崇, 1998: GPS(全球測位システム)を利用した大気の観測。 日本気象学会第32回夏季大学テキスト 「気象を測る」所収. (冊子全体を指定書のところに置く)
• 仲江川敏之、加藤照之、里村幹夫, 2002: 可降水量からみたタイ国内の季節進行と日変化。 気象研究ノート (日本気象学会), 202号 (東南アジアのモンスーン気候学), 131 - 142. (冊子全体を指定書のところに置く) [読書ノート]
• 中村 一 編, 1998: GPS気象学。 気象研究ノート, 192号, 220 pp.
• 新村 典子, 佐々木 太一, 木村 富士男, 2000: 首都圏におけるGPS可降水量と降水の統計的関係。 天気, 47巻, 635 - 642.
• 大石 哲, 2000: GPSを用いた水蒸気変動解析。 日本気象学会関西支部第22回夏季大学テキスト 「リモートセンシングと気象」, 20 -- 36. (冊子全体を指定書のところに置く)
• 坂井 丈泰, 2003: GPS技術入門。 東京電機大学出版局, 212 pp.
• 佐々木 太一, 木村 富士男, 2001: GPS可降水量からみた関東付近における夏期静穏日の水蒸気量の日変動。 天気, 48巻, 65 - 74.
• 津田 敏隆, 2001: GPS電波を用いた気象観測。 天気, 48巻, 461 - 466.

2005年12月1日の授業で使ったビデオは、 NHK教育テレビ 2001年11月10日「サイエンス・アイ--にっぽん名物研究室-- GPSで集中豪雨予測」。 出演している中村一さんは、 わたしの大学院生時代にお世話になった先輩だが(当時の仕事はGPSとは関係なかったが)、 残念ながら、2003年10月18日に病気で亡くなった。 GPS気象学の仕事は他の人に引き継がれている。

(前に「地理情報学」の教材として書いたGPSの説明)