気象研究所研究開発課題評価報告
次世代リモートセンシングに関する研究
中間評価
研究代表者
楠 研一（気象衛星・観測システム研究部 第四研究室長）
研究期間
平成21年度～25年度
中間評価の総合所見
研究の動機・背景
近年の雲・降水に関するリモートセンシング技術の発展は、固体化レーダー、偏波レーダー、衛星搭載レーダー等目覚しいものがある。しかし、これらの特性や物理量抽出アルゴリズムにおいてまだ未知な点も多い｡固体化レーダーは、従来のレーダーに比べ帯域幅が狭くできるなどの利点があるためわが国における将来のレーダー観測の基盤技術になるものと予想されるが、まだ開発されて間もなく本格運用も十分にはなされていない。このため、実際の観測上、現在のレーダーに比べどのような利点・欠点があるかなど未確認な点も多い。また、偏波レーダーは従来のレーダーでは得られない雨滴サイズや形状についての情報が得られるため、降水観測精度の向上が期待されているが、偏波情報から降水パラメータを抽出するアルゴリズムは改善すべき点も多い。このために電波散乱理論に基づいたレーダー特性の評価ならびにリモートセンシングと直接観測の比較等による観測データの詳細な解析が必要である。
研究の成果の到達目標
固体化・偏波レーダー､ウィンドプロファイラー、衛星搭載レーダー等のリモートセンシング手法を気象観測で有用に活用するために以下の研究を実施する。
1）固体化レーダー観測基盤技術の確立、観測データの検証・評価
2）リモートセンシングデータの高度利用化技術の開発
3）リモートセンシングデータの利用高度化による雲・降水過程の解明
研究の現状
（１）進捗状況
計画通りに進捗している
（２）これまで得られた成果の概要
1）固体化レーダー観測基盤技術の確立、観測データの検証・評価
- 気象研究所のＣバンド固体素子二重偏波ドップラー気象レーダー（以下、気象研レーダー）のデータ処理・解析システムを開発し、偏波パラメータの抽出・補正、クイックルック画像の閲覧をリアルタイムに行えるようにした。
- 粒径分布や雨量強度を地上で観測する装置を高層気象台の露場に設置し、高層気象台の雨量計と同時観測を行い精度を検証した。精度の確認の後、この装置を国土交通省江戸川河川事務所の雨量観測所と熊谷地方気象台にそれぞれ移設し、現在まで観測データを順調に取得している。
- 高圧線鉄塔などの多数の固定物ターゲットを用いて、レーダーの観測データに記録される方位や距離のバイアスを高精度に求める手法を開発した。これにより気象研レーダーについて方位角1度、距離最大1.2kmのバイアスが明らかになったため、機器の調整を行った。
- 水平と垂直偏波の送信出力や受信感度の差などによって生じる反射因子差のバイアスをレーダーの鉛直方向の観測から推定し、水平方向の観測値を補正する手法を開発した。このバイアスは降雨強度の推定に大きな誤差をもたらす可能性がある。
- 気象研レーダーの観測データに混入していた多数の虚像について、それぞれの原因を特定した（パルス圧縮に伴うレンジサイドローブ、短パルスから長パルスへの信号の混入、長パルスから短パルスへの信号の混入、二次エコーおよび他レーダーからの混信）。この内、二次エコーと他レーダーからの混信については、SQIとSNRを併用した品質管理により軽減することができた。パルス圧縮に伴うレンジサイドローブ、短パルスから長パルスへの信号の混入および長パルスから短パルスへの信号の混入については、戦略推進費「気候変動に伴う極端気象に強い都市創り」と連携し、軽減手法を見出した。
2）リモートセンシングデータの高度利用化技術の開発
- 観測から得られた偏波パラメータのうち主として偏波間位相差変化率から降水量を推定する手法を開発した。偏波間位相差変化率の抽出には、距離／時間方向に連続したデータを移動平均する必要があるが、その際の距離分解能の劣化を抑えるため偏波間位相差変化率の値に応じて移動平均の区間を変化させる工夫を行った。この手法で推定した降水量を熊谷地方気象台や国土交通省江戸川河川局所管の関宿雨量観測局に設置した地上観測装置の観測データと比較した。その結果、従来の反射強度のみを用いて推定した降水強度は、降雨減衰を受けたために観測された値の半分程度であったのに対し、偏波間位相差から推定した降水強度はほぼ観測値に一致することが分かった。但し、先述の工夫にも関わらず、空間で最大600m程度、時間で最大４分程度分解能が劣化しており、さらなる改善が必要なことが判明した。
- 偏波パラメータのうち反射因子差を用いて降水量を推定する手法を開発した。これは移動平均をする必要がないため時間／空間的な劣化はない。この手法においても従来の反射強度のみを用いて推定した降水強度と比べて精度が高いことを確認した。しかし同時に降雨による減衰の影響を受けるため現在その補正方法について検討中である。
- 偏波パラメータから雨とあられを判別する手法の初期バージョンを過去に提案された手法をベースに開発した。これは降雨中に含まれるあられの割合を推定するものである。しかし実際の地上観測と比較すると過大評価する傾向が見られた。解析の結果、これは気象研のレーダーの校正が不十分であることが原因の一つであると推定された。
3）リモートセンシングデータの利用高度化による雲・降水過程の解明
- 科研費「豪雨前兆観測システムの開発」で開発したレーダーシミュレーターを用いて、偏波パラメータの波長依存性や非静力学モデルで出力される降雨強度と偏波レーダーから推定される降雨強度との比較を実施した。その結果、C-band レーダーでは、観測される偏波パラメータへの気温の影響が無視できない程度に大きい可能性があることが示唆された。
- 偏波パラメータから降水強度を推定する場合に、特に4mm程度以上の雨については観測仰角の影響が無視できないことがシミュレーションにより判明した。地上観測から得られた雨滴粒形分布を用いて、仰角の影響が大きい偏波パラメータについてシミュレーションにより補正値を計算し固体化レーダーデータ処理・解析システムに導入した。
- レーダーシミュレーターの計算結果を用いて地上で観測された粒径分布から得られた反射因子差を推定し、これをレーダーの観測と比較したところ、特に30mm/h以上の強雨の場合はおおむね一致することが分かった。
- 強い雨が観測された事例について偏波レーダーのデータをシミュレーターの計算を元に解析したところ、強雨の１０分前程度には上空に大粒の雨が形成される様子が観測された例を見出した。これは豪雨の前兆として使える可能性がある。
- 衛星搭載レーダーで降水を観測する場合に問題となる多重散乱についてシミュレーターで計算し、降水強度に及ぼす誤差について検討した。その結果、ミリ波レーダーでは多重散乱の寄与が数10％に及ぶことが分かり、その低減手法の提案を行った。
- 1.3GHzウィンドプロファイラーのノイズ低減手法の開発、およびこれを用いた雨滴の粒径分布抽出手法の検討を行った。
- 台風に伴う局所的な強風についての事例解析を行ない、これまで行なわれてこなかった1.3GHzウィンドプロファイラーによる降雨時の大気の鉛直流を推定する方法について検討と応用を行った。
（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
特に無し
（４）成果の他の研究への波及状況
戦略推進費「気候変動に伴う極端気象に強い都市創り」（H22-26年度）
気象研レーダーによる観測から降水強度を推定するアルゴリズムを用いて、首都圏における強雨の観測と解析を行っている。
重点研究「シビア現象の監視及び危険度診断技術の高度化に関する研究」(H21-25年度)
気象研レーダーで観測された偏波パラメータを用いて、シビア現象の抽出に重要なデータ品質の改善を行っている。
気象研レーダーのデータ処理・解析システムを用いて、シビア現象の解析を実施している。
２．今後の研究の進め方
（研究計画について）
気象研レーダーのデータ処理・解析システムの開発がほぼ終わったことから今後はこれを用いた観測パラメータの最適化と、シミュレーターを用いて観測と理論の比較や観測の検証を行う。具体的には、下記の通り。
- 偏波パラメータから降水強度を推定する際に時間／分解能が劣化する問題については、各方位方向のレーダーのパルス数を増やしてノイズを低減すれば、移動平均の区間が少なくて済み分解能の劣化を抑えられる可能性がある。但しこの方法では時間分解能が低下するため最適な観測パラメータを調べる必要がある。また、偏波パラメータを精度よく求めるためには、水平垂直偏波受信器および送信出力絶対値の精度を改善する必要がある。このためスペクトルアナライザーなどの測定装置を用いて絶対値の校正を行う。
- これらの最適化および検証の後、偏波パラメータを用いた降水強度の推定精度を、対流性・層状性等の様々な降水事例について観測と理論の比較検証を行う。
- 送信波の波形の最適化を、戦略推進費「気候変動に伴う極端気象に強い都市創り」において共同で研究しているオクラホマ大学のパルマー教授らと連携して行う。現在パルス圧縮は線形のFMチャープで行っている。一方、海外の研究では非線形のFMチャープを用いた手法も開発されつつある。この手法によりレンジサイドローブなどのノイズを抑圧することができるがドップラー速度の観測に悪影響を及ぼす可能性もある。そこでどのような送信波形が最適かの検討を行う。
（研究体制について）
今後の研究体制については、固体素子レーダーの本庁での実用化の計画が早まっていることから、その基盤技術の確立と検証は、重点研究として位置づけることが望ましい。たとえば、研究施設及び研究参画者の重なっている重点研究課題「シビア現象の監視及び危険度診断技術の高度化」の課題１などへの移行が望ましいと考えられる。
また、偏波レーダーに関連して、一部の偏波パラメータがレーダーのデータ品質管理手法に応用できる見込みがあること、同じ研究設備を用いていることなどから、固体素子レーダーの研究と同様に、「シビア現象の監視及び危険度診断技術の高度化」の課題１内の基礎研究、あるいは、単独の副課題に位置づけることが望ましいと考えられる。
３．自己点検
（１）到達目標に対する達成度
おおむね順調に進捗している。具体的には、
- 固体素子レーダーについて、戦略推進費「気候変動に伴う極端気象に強い都市創り」との連携によりレンジサイドローブを軽減するなど想定以上の成果を上げ、従来レーダーの代替となり得ることを確認できた。
- 気象研レーダーのデータ処理・解析システムについて予定通り完成した。
- 検証用の地上観測装置の検証と設置も予定通り行った。
- 距離や方位角などの誤差はレーダーの調整により修正した。また２台の受信器のバイアスを補正する手法も開発した。
- 気象研レーダーのデータ解析を行ない、その検証を行なった。即ち偏波パラメータを用いて降水強度を推定して地上観測値と比較検証し、従来の手法よりも精度よく降水強度が推定できることを確認した。
- レーダーシミュレーターでは偏波パラメータの波長依存性や、シミュレーターと非静力学モデルから出力される降雨強度の比較を行い粒径分布についての感度実験を行うなど初期結果が得られた。
- リモートセンシングの利用手法の問題点の検討の結果、特に気象研レーダーで使用しているC-bandでは偏波パラメータの温度依存性が大きいことが示唆された。
- 豪雨直前に上空で大粒の雨が形成される様子が偏波パラメータから観測できた。
（２）研究手法の妥当性
研究計画通りに進展しているため、妥当と思われる。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
固体化レーダーについては、数年内に気象庁の現業に用いられる可能性があり、本研究計画で、そのための観測基盤技術をほぼ確立できたことは大きな成果である。
偏波レーダーについても、降水エコー／非降水エコーの判別など近い将来に現業利用可能と考えられる結果を見出すことができた。偏波レーダーを用いた降水強度の推定精度向上・粒子判別については、実用までに時間を要すると思われるが、現業や研究面での利用が期待される。
（４）総合評価
研究は概ね計画通りに進捗しており、固体化レーダーについて観測の基盤技術をほぼ確立できたほか、偏波レーダーについての研究も進んでおり、成果が上がっている。
このことから、今後も研究を着実に進めることが必要であると判断する。
ただし、前述の通り、研究の一部については重点研究化が可能であり、より効率的な研究を行うためにも、研究体制の変更を行うことが望ましいと考える。