水圏環境G新入生ガイダンス @検見川セミナーハウス 2006年4月9日 衛星搭載降雨レーダのアルゴリズム開発 生産技術研究所　沖・鼎研究室 瀬戸　心太.

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1 水圏環境G新入生ガイダンス @検見川セミナーハウス 2006年4月9日
衛星搭載降雨レーダのアルゴリズム開発 生産技術研究所　沖・鼎研究室 瀬戸　心太

2 降雨の観測手法 主な手法とその長所・短所の比較 測雨器：韓国にある世界最古？の雨量計
COBRA:CRL(現NICT)が開発した沖縄偏波降雨レーダ。 TRMM:熱帯降雨観測衛星。降雨レーダとマイクロ波放射計などを搭載。

3 レーダによる降雨観測の原理 レーダ・・・電波を放射し、標的からの散乱波を計測することで、標的の位置・動きなどの情報を得る装置 降雨レーダ
マイクロ波を利用。とくに周波数5GHz帯がよく使われる。 受信電力→レーダ反射因子Zに変換 Zは、雨滴粒径Dの6乗の和に比例する(Rayleigh散乱) 降雨強度への変換には、雨滴粒径の確率分布および落下速度に関する情報が必要 粒径が大きいと、Rayleigh散乱ではなく、Mie散乱になる Zの観測値は、経路上にある雨や大気で減衰される アンテナ （送受信共用の場合） 放射 減衰 後方散乱

4 TRMM(熱帯降雨観測衛星) 1997年打ち上げ。紆余曲折を経て現在も稼働中。 熱帯域を中心に観測(max35°)。太陽非同期軌道。

5 衛星搭載レーダの特徴 これまでの地上設置レーダとの違いは？ 観測頻度が低い(数日に1回) [cf. 数分に1回]
雨までの距離が遠い( km)　 [cf. 通常数十km] →水平分解能の低下(4.3km) [cf. 数百m] →周波数を高くして対応(13.8GHz) [cf. 5GHz帯が多い] →降雨による減衰を受けやすい 雨を上から見る　 [cf. 横から、または下から] →地表面(海面/陸面)も見える

6 地表面観測 地表面は降雨に比べてはるかに強い散乱を起こす 地表面後方散乱断面積s0を計測 s0→地表面の情報をリトリーバル
入射角θ=0-18°での観測 入射角による違い(依存性)を調べられる 地表面観測は、20°以上が主流 周波数(13.8GHz)での観測 地表面観測は、5GHz以下が主流 雨があるときは、減衰を受ける 晴れたときのみ やや斜めをみる 直下をみる θ やや弱い後方散乱 強い　　後方散乱

7 地表面観測：解析結果(その1) 海面/陸面、植生の多寡による違い 入射角12°付近では差が小さい

8 地表面観測：解析結果(その2) 2月 夏の方が、s0　が高い傾向にある 8月

9 地表面観測：解析結果(その3) 土壌水分推定アルゴリズム σ0 (θ, Mv)= fσ0v(θ)+(1-f)σ0s(θ,Mv)
σ0 (θ, Mv)=(1-f)σ0s(θ,Mv)+fσ0v(θ) …① Mv=0%の場合、 σ0 (θ, 0%)=(1-f)σ0s(θ,0%)+fσ0v (θ) …② σ0 (θ, Mv)= 　fσ0v(θ)+(1-f)σ0s(θ,Mv) 期間最小値 Baresoilでの代表値 Forestでの代表値 期間最小値 期間中に一度乾燥した状態になると仮定 σ0 (12o, Mv) -σ0 (12o, 0%) =(1-f){σ0s(12o,Mv) - σ0s(12o,0%) }…③ f =植生被覆率 f 1-f 粗度因子法でMvに変換 土壌水分Mv

10 降雨観測： 標準アルゴリズム Zm (r) PIA HB s0no-rain s0rain PIA ref
降雨観測：　標準アルゴリズム 雨滴粒径分布の最適化のために、s0が使われている 無降雨 降雨あり Hitschfeld-Bordan法 PIA(積算減衰量) Zm (r) PIA HB 不一致 修正 雨滴粒径分布 表面参照法 地表面状態は同じと仮定 s0no-rain s0rain PIA ref － ＝

11 降雨観測：表面参照法のバイアス PIAを過小評価している (∵弱い雨の場合PIA<0)
s0no-rain－(s0rain+Δ)=PIA PIAtrue 空間参照法 時間参照法

12 降雨観測：最終推定値への影響 【時間参照法→空間参照法に変更】 降雨強度(mm h-1) 空間参照法の方が、降雨強度が強くなる傾向にある
とくに強い雨の場合に顕著(最大2倍程度) 表面参照法で土壌水分の影響を適切に考慮すれば、全体で数%降雨強度が強くなると考えられている。 降雨強度(mm h-1) 空間参照法を使った場合 暖色系は高い頻度を示す 時間参照法を使った場合

13 TRMM/PRの成果と課題 【成果】これまでにないデータが得られた （想定内も想定外も） 【課題】アルゴリズムの誤差
降雨の３次元構造 均質な月降雨量のグローバルデータセット 地表面観測 【課題】アルゴリズムの誤差 表面参照法（陸上・海上で同じ精度ではない） 【課題】実利用するには、観測頻度が低い 数日に1回程度。熱帯域～35° ほかの手法への教師役として…

14 衛星レーダ研究とその周辺 発展途上国における 降雨実況システムの展開 2周波レーダの実現と アルゴリズム開発 とくに陸上における
マイクロ波放射計の 衛星観測と数値モデルの 統合による降雨予測システム 各種の降雨情報を統合した 実時間洪水予警報システム 校正 教師 雨量計 地上レーダ 衛星搭載レーダ マイクロ波放射計 レーダアメダス 合成 複数機の合成 合成降雨マップ 高解像度降雨マップ 可視赤外放射計 雨域移動情報 入力 入力 気象モデル 流出モデル 河川流量シミュレーション 洪水予警報システム データ同化・予報 気象モデル

15 次の衛星搭載降雨レーダDPR ２周波降水レーダ 13.6GHz(TRMM/PRとほぼ同じ)+35.5GHz
中・高緯度も対象(max 70°) 35.5GHzは、弱い雨や雪にも感度がある 雨滴粒径分布を直接推定

16 おわりに 水圏環境工学で求められる降雨観測には、雨量計・レーダ・放射計(・モデル)の統合利用が必要
衛星プロジェクトには莫大な時間と費用が必要 衛星データから、想定外の結果が得られることも 研究結果が、何年後かに、発展することも アルゴリズムは作ったもの勝ち？アルゴリズムの専門家がいるわけではない　 実利用を視野に入れたアルゴリズム開発 よろしくお願いします