全球降水観測計画(GPM)における降雪の地上検証について

佐藤晋介*、高橋暢宏*、清水収司** 、花土弘**　

* 情報通信研究機構(NICT)** 宇宙航空研究開発機構(JAXA)

ワークショップ 『降雪に関するレーダーと数値モデルによる研究(第３回)』2005年3月11日(金)、防災科学技術研究所 長岡雪氷防災研究所

全球降水観測計画(GPM: Global Precipitation Measurement )

2 satellites

8 satellites

Blue: Inclination ~65º (GPM core)Green: Inclination ~35º (TRMM)

ＧＰＭ主衛星• 二周波降水レーダー （DPR）• GPMマイクロ波放射計（GMI ）

全球降水量の高感度・高精度観測

副衛星マイクロ波放射計による推定降水量の校正

GPM副衛星群• マイクロ波放射計を搭載

した各国・各機関の極軌道衛星（８機程度）

全球降水量の高頻度　観測

JAXA ・NICT（日本） : ＤＰＲ開発、HII-A打上げ（H21年度予定）

NASA （米国） : 　衛星バス開発、ＧＭＩ開発、衛星運用

GPMパートナー: NASA, NOAA (US), ESA (EU), CNES-ISRO China, others３時間全球

降水マップ

・天気予報の精度向上・洪水予警報（IFnet）・水資源管理・水循環変動の研究

Flight direction軌道高度 ～407 km軌道傾斜角 ～65°

ＧＰＭ主衛星の観測概念図

Range resolution= 250m and 500m

KuPR (13.6 GHz) swath width=245 km

KaPR (35.5 GHz)swath width=120 km

Microwave radiometer swath width =800km

5km

二周波降水レーダ（ＤＰＲ）（Dual-frequency Precipitation Radar）

・ Ku帯（14 GHz）レーダー：KuPR・ Ka帯（35 GHz）レーダー：KaPR

KuPRKaPR

GMI

二周波降水レーダ（ＤＰＲ）の観測原理

高さ

レーダ反射強度

Ka帯Ku帯

減衰差による雨と雪の識別

高い周波数（Ka帯）による高感度観測

減衰差による正確な降雨量の推定（雨滴粒径分布の推定）

Ku帯(14 GHz)の観測範囲（反射強度の弱い雪は観測できない）

Ka帯(35 GHz)の観測範囲（反射強度の強い豪雨は観測できない）

Ka帯およびKu帯のレーダビーム（ビームマッチング）

高緯度（寒帯）では雪の量を観測

低中緯度（熱帯）では正確な雨の量を観測

氷晶

雪

雨

融解層

ＤＰＲアンテナ走査方式

KuPR footprint : ∆z = 250 mKaPR footprint (Matched with KuPR) : ∆z = 250 mKaPR footprint (Interlaced) : ∆z = 500 m

KuPR: 245 km (49 beams)

KaPR: 120 km (25 beams)

ＫａＰＲのインターレース走査（　）では、送信パルス幅を２倍にすることによる高感度観測を行う。ビームマッチング・アンテナ走査（　）は二周波アルゴリズムに必須である。

149

113 123738 49

フットプリントサイズ（衛星高度400 km時）

5.0 km at nadir (ビーム幅＝0.71°)5.2 km at scan edge (ビーム幅＝ 0.74°)ただし、アンテナ走査角度間隔は 0.71°

GPM/ＤＰＲの主要性能（設計値）

64108～112104～112Sampling Num

within ±1 dBwithin ±1 dBwithin ±1 dBMeasure Accuracy

< 93.5 Kbps< 78 Kbps< 112 KbpsData Rate

< 465 kg< 300 kg< 365 kgWeight

< 250 W< 297 W< 383 WPower Consumption

2.2×2.2×0.6 m1.44 ×1.07×0.7 m2.4×2.4×0.6 mSize

Active Phased Array (128)Active Phased Array (128)Active Phased Array (128)Antenna Type

13.796 & 13.802 GHz35.547 & 35.553 GHz13.597 & 13.603 GHzFrequency

215 km120 km245 kmSwath Width

4.3 km (at nadir)5 km (at nadir)5 km (at nadir)Horizontal Reso

1.6 µs (x2)1.6/3.2 µs (x2)1.6 µs (x2)Tx Pulse Width

250m250 m/500 m (1.67/3.34 µs)250 m (1.67 µs)Range Reso15km to -5km

(mirror image at nadir)18 km to -3 km

(mirror image around nadir)18 km to -5 km

(mirror image around nadir)Observation Range

Fixed PRF (2776Hz)VPRF (4275 Hz±100 Hz)VPRF (4206 Hz±170 Hz)PRF

> 500 W> 146 W> 1013 WTx Peak Power< 17 dBZ

( < 0.7 mm/hr )< 12 dBZ (at 500m reso)

( < 0.2 mm/hr )< 17 dBZ

( < 0.5 mm/hr )Min Detect Ze(Rainfall Rate)

TRMM PRKaPRKuPRItem

* Minimum detectable rainfall rate is defined by Ze=200 R1.6 (TRMM/PR: Ze=372.4 R1.54 )

ＤＰＲにおける最小測定降雨強度の定義

（１） レーダーエコー（信号電力）の測定は、

［信号電力］ ＝ ［全受信電力］ －［雑音電力］フェージングをともなう受信電力と雑音電力を対数検波器で測定する場合、十分なサンプル数で平均すれば、それぞれの確率分布（正規分布）の広がりは

全受信電力分布の標準偏差： σt = 5.57/SQRT(N) = 0.526 dB (N=112)雑音電力分布の標準偏差： σn = 5.57/SQRT(M ) = 0.208 dB (M=720)

ここで N、M はそれぞれ受信電力、雑音電力の平均化サンプル数　（２） KaPR （500m分解能）の平均雑音電力 （ハードウエア仕様）は、 S/N=1,

Ta=323 K (50ºC), Te=290 K (17ºC), Efficiency = 0.95, 衛星高度= 419 km （降雨減衰は無視）の条件の下で、17.04 dBZ （Ｚ因子換算）

（３） 降雨の有無を判別するための「しきい値」を降雨なしの分布関数の上側に

おける標準偏差２倍の点（2σ）に設定すると、全受信電力（Ｚ因子換算）は、

17.04 dBZ + 2 × SQRT(σt 2 + σn2) = 18.17 dBZ, 平均信号電力（Ｚ因子換算）は

10^1.817– 10^1.704 = 15.05 （真数） 11.78 dBZ

（４） 一般的に使われていて弱い雨に有効なＺ-Ｒ関係式（ Z=200R1.6 ）を用いると11.78 dBZ 0.198 mm/hr

DPRで測定される降雨強度の確率分布

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.0 mm/hr

0.2 mm/hr

0.5 mm/hr

Z (real)

Occ

urre

nce

2σ

Noise Level =17.04 dBZ (S/N=1)

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

-75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

0.0 mm/hr0.5 mm/hr0.7 mm/hr

Occ

urre

nce

2σ

Noise Level =23.0 dBZ (S/N=1)

Z (real)

KaPR in 500 m reso. KuPR & KaPR in 250 m reso.

Zn (dBZ) Zt (dBZ) Zs (dBZ) R (mm/hr)

15 16.13 9.74 0.14815.5 16.63 10.24 0.159

16 17.13 10.74 0.17116.5 17.63 11.24 0.184

17 18.13 11.74 0.19717.5 18.63 12.24 0.212

Zn (dBZ) Zt (dBZ) Zs (dBZ) R (mm/hr)

22 23.13 16.74 0.40522.5 23.63 17.24 0.436

23 24.13 17.74 0.46823.5 24.63 18.24 0.503

N=112, M=720: σ = SQRT(σt 2+ σn 2) = 0.566 dBTRMM PR (N=64, M=256): σ = 0.778 dB

雑音 全受信信号　 信号 降雨強度 雑音 全受信信号　 信号 降雨強度

ＧＰＭ/ＤＰＲの地上検証計画（案）ＧＰＭ地上検証の目的

– 標準処理で作成したプロダクトの信頼性を確認する。

– プロダクトの誤差を定量化し、その特性を確認する。

– プロダクト誤差の原因を解明し、アルゴリズムの改良へのフィードバックを行う。

– アルゴリズムに使用される物理パラメータを求め、これを元に降水量を求めることで、アルゴリズム自身の検証を行う。

検証の方針– 日本はDPRの検証に注力する。

• 降雨量に関してはTRMM PR以上の精度で検証を行う必要がある。

• 新たに降雪量に関する検証が必要。

• 3時間マップの検証 （TBD）

– 検証サイトとしては、NICT沖縄及びNICT稚内を予定している。

（ｂｙ ＪＡＸＡ）

TRMMの経験から• これまで行われてきたような地上データとの直接比較

は必要であるが、検証としてそれは十分ではない

• 同期観測データを取得する機会はあまり多くない

• 地上側の観測測器の精度に問題がある。特に地上レーダに関しては、それぞれの校正に問題がある。

• 検証結果のアルゴリズムへの反映が不十分であった

• アルゴリズムに特化した検証を行う必要がある。特にアルゴリズム内で使用される物理パラメータの検証を行う必要がある。

• よく校正された観測測器を集め（サイト・キャリブレーション）、長期的にデータの取得を行う必要がある。→ＧＰＭスーパーサイト

（ｂｙ ＪＡＸＡ）

Potential GPM Ground Validation Site Network

Existing or Potential GV Supersite Existing or Potential Standard GV Site

U.S. -- NASA-OceanKawajalein/RMI

Japan -- CRL-SouthOkinawa

South KoreaU.S. -- NASA-LandDOE/ARM-SGP

U.K.

Netherlands

France

Germany

Brazil

U.S. -- NASA-KSC

Canada

South Africa

Austria

Israel

Finland

GreeceItalySpain-Catalunya

Australia

IndiaTaiwan

CChina

Japan -- CRL-NorthWakkanai

West Africa (AMMA)

（ｂｙ ＮＡＳＡ）

GPM GV ConceptSupersite DefinitionSupersites routinely communicate with the GPM program by…

- Delivering monthly reports on accuracy and precision of surface rainfall rate at the Supersite and derived from inter-comparison between satellite and ground observations.

- Receiving overpass retrieval data from the GPM Precipitation Processing System (PPS) – successor to TRMM Science and Data Information System (TSDIS).

- Providing notification of significant spaceborne algorithm breakdowns.

- Generate and make available continuous data sets from local measurements.

Standard GV Sites- Research-oriented sites without the operational constraints of Supersites.

Regional Rain Gauge Networks- Typically span a scale of ~ 250 km with inter-gauge spacing of ~50 km

(sometimes termed “Mesonets”).

（ｂｙ ＮＡＳＡ）

Supersite Instrument Complement(1) Scanning, research-quality, polarimetric radar.

- Precipitation spatial/temporal structure.

(2) Dense network of research-quality rain gauges and various disdrometers.

- Surface rainfall rate surface spatial/temporal structure.

(3) Matched-beam radar/radiometer (equivalent to the GMI and DPR).

- GPM core satellite retrieval constraint.

(4) Zenith-pointing precipitation profilers and cloud profiling radar.

- Drop size distribution estimation- Cloud profiles for models and for estimating Ka-band attenuation

(5) Atmospheric sounding every 12 hours

- Intializing cloud models

（ｂｙ ＮＡＳＡ）

ＮＩＣＴ観測施設（ＧＰＭ ＧＶ）

Okinawa（26N, 128E)

Wakkanai（45.5N, 142E)

International Arctic Environmental Research Project Group -Upper air observation by VHF radar

Okinawa Subtropical Environment Remote Sensing Center - C-band multiparameter radar, wind profiler, etc.

Tokyo・

Okinawa

21km

15km

NICT沖縄亜熱帯計測技術センター

COBRA/COBRA+

BISTATIC #2Wind profilerRAIN GAUGEDISDROMETER

COBRA Jr.BISTATIC #1REMOTE CONTROLRAIN GAUGES

Onna site

Nago site

Ohgimi site

Dual transmitter system COBRA --- Klystron (x 2)

High power (250 kW)full polarimetry Short pulse (0.5, 1.0, 2.0 μsec）

COBRA+ --- TWTA (x 2)Low power (10 kW)full polarimetry Long pulse (0.5 – 100 μsec)

名護降雨観測施設（COBRA/COBRA+）

250 km range

20 30 40 50

20

30

40

50

PR

COBR

A

elevation0.50.91.42.02.53.34.25.4

dB

dBZ

Large wet hail Rain

+Large hailHail (wet)

Hail (dry)Rain

+small hail

Largeraindrops

Small raindropsH > Hmelt

Graupel (wet, melting, small)

Graupel (dry, large)

Hail (dry, small)

Large wet hail Rain

+Large hailHail (wet)

Hail (dry)Rain

+small hail

Largeraindrops

Small raindropsH > Hmelt

Graupel (wet, melting, small)

Graupel (dry, large)

Hail (dry, small)

大宜見大気観測施設

Doppler Sodar

2D VideoDisdrometer

400MHz Wind Profiler

1.3GHzWind Profiler

GPS SondeReceiver

Micro Rain Radar

NIED MP-Ka/W

Meteorol. Obs.

NICT稚内電波観測施設

first date last date Total max (day) max (hour)1998 9-Oct 25-Apr 1058.5 mm 54.0 mm 10.0 mm1999 1-Nov 27-Apr 1409.5 mm 83.5 mm 29.0 mm2000 16-Oct 29-Apr 1044.0 mm 87.5 mm 45.5 mm2001 18-Oct 25-Apr 1038.5 mm 61.0 mm 13.0 mm2002 17-Oct 18-Apr 1289.0 mm 50.5 mm 20.0 mm

snowfall Rainfall year

45N

40N

35N

30N

25N

130E 140E

Okinawa

Wakkanai (Japan)

-10.0 ℃

-5.0 ℃

0.0 ℃

5.0 ℃

10.0 ℃

15.0 ℃

20.0 ℃

25.0 ℃

Month

0.0 mm

25.0 mm

50.0 mm

75.0 mm

100.0 mm

125.0 mm

150.0 mm

175.0 mm

Rainfall 89.6 mm 58.4 mm 49.3 mm 49.1 mm 64.6 mm 58.0 mm 85.9 mm 108.1 mm 119.3 mm 136.2 mm 124.0 mm 115.9 mm

Temperature (Average) -5.0 ℃ -5.1 ℃ -1.4 ℃ 4.2 ℃ 8.6 ℃ 12.4 ℃ 16.9 ℃ 19.5 ℃ 16.6 ℃ 10.8 ℃ 3.3 ℃ -2.0 ℃

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Temperature Rainfall

Wakkanai: 45°23’30” N, 141°41’12”E

稚内における降雪量（２００３－２００４冬季）

0

10

20m

m/d

ayprecipitation rate

0

10

20

30

0

20

40

60

80

cm/d

ay

snow rate accumulated snow depth

cm

Dec. 2003 Jan. 2004 Feb. 2004 Mar. 2004

VHFレーダ（NICT稚内）Frequency： 　　46.5 MHzPeak power：　80 kW Beam width： 　6 deg.Vertical resolution：0.15, 0.3, 0.6, 1, 2 kmTemporal resolution： about 1 min.Antenna scan：E-W/N-S direction (0, ±7, ±14, ±21 deg. zenith angle)Antenna system: 144-element square array （3-element Yagi antenna）Current obs. mode：　Horizontal motion

　　　　　 Vertical motion

WinterSummer

Summer

0000 UT02/9/27

0000 UT02/9/28

0000 UT02/9/29

0000 UT02/9/30

0000 UT02/10/1

0000 UT02/10/2

0000 UT02/10/3

0000 UT02/10/4

稚内VHFレーダで観測された水平風

ＧＰＭ/ＤＰＲの地上検証（オリジナル）

Calibration (by ARC)Engineering values

Algorithm

Physical values

Precip. type classification (Conv./Strat.),Particle type (Rain/Snow/Graupel),

DSD (Drop Size Distribution),

Temp. & humidity profile,Melting layer model,Gaseous attenuation, …

Pricip. rate/accumulation,Precip. type classification (Conv./Strat.),Particle type (Rain/Snow/Graupel),

DSD (Drop Size Distribution) , …

Verification

Transmit power,Received power,Antenna beam direction

Validation

Assumption(Initial values)

地上検証に対する新しい考え方

雨水量／雪水量(PWC(h))雪／霰粒子の密度(ρ (h))粒径分布(DSD)

Zm 降水強度(R(h))

Retrieval Algorithm

粒子の種類(雨、雪片、霰など)

forward calculation

GV data降水粒子落下速度(v(D))

粒子の種類DSD, v(D)非一様性、等々

降水強度(R(h))

Remote Sensing

algorithm

In-situmeasurement

自然

仮定粒子の種類

PWC(h)ρ (h)DSD(h)

GV algorith

m

比較

比較再現自然数

値モ

デル

を

含む

仮定

粒子の種類

DSD(h), v(D)

水蒸気量(WV(h))雲水量／雲氷量(CLW(h))酸素分子(O2)エアロゾル海面水温(SST)背景雑音

v(D)

比較

比較

比較

（井口, 2004）

フォワード計算に必要な物理量を再現する

観測されるべきレーダ反射強度

with Error

GPMアルゴリズム開発・地上検証スケジュール（案）

FY16 FY17 FY18 FY19 FY20 FY21 FY22 FY23 FY24

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

研究招請・公募

　　研究招請（RI）

　　研究公募（RA）

校正及びデータ検証

　 DPRの校正 (ARC)

　　地上検証計画の策定・検証準備研究

　　地上観測データの収集・整備

　　DPRデータ検証

アルゴリズムの研究・開発

　　レベル１アルゴリズム

　　高次アルゴリズム

　　降水マップ作成アルゴリズム

初期チェックアウト終了

高次プロダクト公開

L1プロダクト公開

GPM-Core打ち上げ

PRR#2

第一期 第二期 第三期

予備検討 開発 パラメータチューニング

改良

予備検討 開発 改良

開発 インストール 改良 改良

第１回 第２回

第１回

沖縄集中観測(2)

稚内集中観測(2)

沖縄集中観測(1)CREST沖縄観測

稚内予備観測？

第２回

開発 初期チェックアウト 定常運用

（ｂｙ ＪＡＸＡ）

まとめ（降雪関係研究者への期待）• TRMM後継機であるGPM主衛星は、二周波降水レーダ（ＤＰＲ）

で北・南緯65°までの観測を行う。KaPR（500 m鉛直分解能）の最小測定反射強度は、12 dBZ（MPのZ-R関係式で0.2 mm/hr）以下である。- 12 dBZの感度で世界中の降雪量の何パーセントが観測できるのか？

（そもそも降雪量の正確な観測データはどの程度あるのか？）　• 降雪の地上検証計画については、まだほとんど考えられておら

ず、ＤＰＲアルゴリズム開発の為に必要な物理パラメータの多くが不明である。- 雪片や霰の落下速度、DSD、密度をどのように仮定すべきか？

→そもそも二周波レーダ観測で雪片と霰の分類が可能なのか？

- 降雪エコーの非一様性（5x5km IFOV内）をどのように扱うべきか？　• 個々の研究成果を衛星計画やアルゴリズム開発にもフィード

バックして欲しい。また、研究組織・グループとしてGPM地上検証計画への参加を検討して欲しい。→ GPM利用検討委員会（by JAXA、Chair：中村健治） 次回開催 2005/3/18

Snowfall WorkshopIPWG/GPM/GRP Workshop on global microwave modeling

and retrieval of snowfallDate: 11-13 October 2005Venue: University of Wisconsin – MadisonCo-Organizers: Ralph Ferraro (NOAA/NESDIS) and Ralf Bennartz (University of Wisconsin)

1. Applications: Climate, Data assimilation and NWP, Nowcasting, Short Range Forecasting, Severe weather, Hydrology

2. Modeling and remote sensing of snowfallParticle optical properties, Cloud microphysics modeling, Forward modeling uncertainties, Statistical and physical approaches for snowfall retrieval

3. New technologyActive/passive sensor combination (CloudSat/AQUA), GPM, EGPMMicrowave and sub-millimeter radiometers, Ground based remote sensing

4. ValidationValidation requirements for global satellite retrievals, High latitude validation sites, Field campaigns

International Precipitation Working Group (IPWG)Global Precipitation Measurement Program (GPM)GEWEX Radiation Panel (GRP)