400 MHz帯ウィンドプロファイラ ・RASS観測による亜熱帯域温度微細 構造の観測

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1 400 MHz帯ウィンドプロファイラ ・RASS観測による亜熱帯域温度微細 構造の観測
古本淳一，大西正典，津田敏隆(京大生存研) 佐藤晋介，村山泰啓，井口俊夫(NICT)

2 NICT沖縄亜熱帯計測技術センター大宜味大気観測施設(128.16E, 26.68N)
沖縄の400MHz ウインドプロファイラ 沖縄 : 大量のエネルギーや水蒸気 を輸送する台風の高頻度通過地域 気象擾乱時の風速、大気温度、水蒸気の時空間分布を高精度かつ高時間、高度分解能観測が重要 NICT沖縄亜熱帯計測技術センター大宜味大気観測施設(128.16E, 26.68N) の400MHzウインドプロファイラ レーダー形式 パルスドップラーレーダー 送信周波数 443.0MHz 送信電力 ピーク20kW 最大平均2kW パルス幅 1.33, 2.0, 4.0 mm ビーム走査 方位角　東西、南北方向 天頂角0-15度(通常10.5度) 大気レーダーの原理とRASSの原理をここでコンパクトに説明する。水蒸気推定も？ RASSによる時間連続温度プロファイルの取得と水蒸気推定を 目指す。

3 ウインドプロファイラ･RASS観測 MU(Middle and Upper atmosphere) レーダー
中心周波数46.5MHz アンテナ開口8330m2 観測最低高度 1.5km～ L 帯下部対流圏レーダー(LTR) 中心周波数1.35GHz 観測最低高度 0.2km～ さまざまな大気レーダー（MU、LTR,400M、NOAA)の説明 大気境界層から対流圏中部までの推定が重要。 2レーダーを組み合わせ高度0.2km-7.5kmでの水蒸気推定に成功。(Imura et al., 2007) 大気境界層から対流圏中部の風速、温度、水蒸気観測を1台の400MHzウインドプロファイラを用いて実現する。

4 RASSによる気温推定 大気レーダー：乱流散乱エコーのドップラーシフトから風速を測定
RASS (Radio Acoustic Sounding System) 音波と電波を併用して 大気温度を測定 cs 音速(m/s) Kd 定数 Tv 仮温度(K) 強いRASSエコーを得るためにはブラッグ条件 　 :音波波数　　:電波波数 が必要 ・ ca = cs+vr 音波は背景風に より流される。 ca: 見かけの音速(m/s) vr 背景の風速(m/s)

5 ホーンスピーカーの開発 高効率ドライバ JBL2450H(効率1.3dB/W, 定格100W, インピーダンス8Ω)
ウインドプロファイラのビーム走査範囲内にできるだけ音波を集中させる。 全幅30度の音波ビーム幅を持つホーン 風向風速変化に応じ最適なスピーカー位置が変化するので可動性を考慮。 ホーン開口部 入力電力ー音圧レベル特性 ドライバ 135dB 131.3dB 127.3dB 音圧レベル(dB) 100dB 電力(W) 定格電力(100 W)において 音圧レベル131dB

6 ホーンスピーカーの最適配置 400MHz-WPRによる季節毎の風向風速 風速 風向 スピーカーの位置候補
将来的に無人で定常的に観測することを目的に、季節によらずエコーが取得できるように１５台のホーンスピーカーの位置を決定。 2005年9月-2006年8月のWPRの東西・南北風の月平均プロファイルをレイトレイシングに用いた。 スピーカーの位置は、アンテナ中心から距離7, 14, 21m、角度は45度刻みの組み合わせで24位置。

7 ホーンスピーカーの最適配置 どの季節にも均等に配置を振り分る。 観測可能最高高度を高いだけでなく、より強いエコーが得られる配置も選択する。
ホーンスピ－カー最適位置 WPR 合計15台

8 ホーンスピーカーの最適配置 音波のレイトレイシング結果例 スピーカーの最適配置 北 西 東 合計15台 南 音波のレイトレイシング 7m
WPR 西 東 合計15台 南

9 2006年11月のRASS試験観測 2006年11月7日15時～9日14時：新開発ホーンスピーカー2台を用いたRASSとラジオゾンデの同時観測実験を大宜味観測所にて実施 RASS観測、乱流観測（2パラメータ）の切り替え観測 （時間分解能2.5分）、２台のホーンスピーカーを使用 400MHz-WPR 11月7日～8日の9:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21:00、 9日の11:00に明星電気との共同でラジオゾンデ放球。 9:00, 15:00, 21:00はVaisala+明星電気ゾンデ同時飛翔 12:00, 18:00は明星ゾンデのみの放球 ラジオゾンデ観測 乱流散乱エコー RASSエコー 高度分解能 150m 高度(km) ドップラー 速度 (m/s) ドップラー 速度 (m/s)

10 温度プロファイル 高度0.5-3.0kmで逆転層構造を含めてラジオゾンデ観測値とよく一致 実線：RASS (一時間平均値)
　(一時間平均値) 破線：ラジオゾンデ RASSとゾンデの差 r.m.s誤差は0.5K以下 高度 kmで逆転層構造を含めてラジオゾンデ観測値とよく一致

11 RASSによる時間連続温度プロファイル RASS 1時間平均値 ラジオゾンデ 放球間隔3時間

12 まとめ 沖縄の400MHz帯ウインドプロファイラレーダーを用いて温度プロファイル推定を行い、大気境界層から中部対流圏までの風速、温度、湿度プロファイルを同時に得ることを目的として、本レーダーを用いたRASS観測システムを開発した。 レーダービームの走査可能域に音波を集中させるように音波ビームを狭めた高出力ホーンスピーカーを作成し、季節によらず良好なRASSエコーの取得できるように15台のホーンを配置した。 2006年11月7日～9日の新開発ホーンスピーカー2台を用いたRASSとラジオゾンデの同時観測実験から得られた仮温度プロファイルはラジオゾンデ観測値とよく一致した。また時間連続温度プロファイルではラジオゾンデ観測では見られない微細な温度の時間変動がみられた。 謝辞：明星電気清水さんにはラジオゾンデデータをご提供を頂きました。

13 3.3. IF周波数オフセットの切り替え RASS観測では300m/sを超える音波のドップラー速度を検出
広いスペクトルウインドウを用いるとエコー強度や周波数分解能が低下 受信IF周波数を1kHz程度ずらして音速のドップラーシフトを0ドップラー付近に移動することで狭いスペクトルウインドウを用いた観測が可能 RASS,FIIの本当に簡単な説明を入れるべし レーダーの観測開始、終了信号を取り出し それらをカウントすることで、ＲＡＳＳ観測モード時にIFオフセット切り替え。 H8-3048 マイコンボード

14 2. 400MHzウインドプロファイラ 400MHz帯ウインドプロファイラ35台からなるプロファイラネットワークが構築された。うち11台にはRASS機能が付加されている。 風速データは米国気象局等に配信されているが、温度･水蒸気は未配信。 (Benjamin, et al. 2004) 本研究では、 400MHzウインドプロファイラ・RASS観測により得られた温度、水蒸気を気象予報官署にデータ配信することも将来的な目標。 大気レーダーの原理とRASSの原理をここでコンパクトに説明する。水蒸気推定も？ 同機種が気象研究所に1台導入。RASS機能なし

15 音波発射装置の出力特性 １ｍ 入力電力ー音圧レベル特性 電力(W) 周波数ー音圧レベル特性 定格電力(100 W)において
音圧計 135dB 131.3dB １ｍ 127.3dB 音圧レベル(dB) 音圧測定 100dB 電力(W) 周波数ー音圧レベル特性 定格電力(100 W)において 音圧レベル131dB 130dB 下半分に目的を入れる。大気レーダーの説明は2枚目に 平均126.4dB 音圧レベル(dB) 入力40Wとしたときの周波数特性試験：使用周波数域( Hz) で3dB以内の変動。 使用周波数域 110dB 周波数(Hz) 960Hz 1020Hz

16 ホーンスピーカーの最適配置 どの季節にも均等に配置を振り分る。 観測可能最高高度を高いだけでなく、より強いエコーが得られる配置も選択する。
矢印の順番に探索して配置を選択。 既に選択された配置の場合は次候補に移る。 最高高度が 大きい順に 24配置を並べる 最短距離が 小さい順に 春 秋 夏 ･･･ 冬 各月の最高高度と最短距離の季節平均を導出。春(3,4,5月)、夏(6,7,8月)、秋(9,10,11月)、冬(12,1,2月) 配置を大きな最高高度を持つ順番と小さな最短距離を持つ順番で並べる。 図の矢印の順番で15配置を選択するまで選択してゆく。 冬 春 秋 夏 ･･･