(2-7) 気象レーダーを用いた観測 (2-7a) 気象レーダーによる火山噴火監視 ( 防災科学技術研究所 ) ア. はじめに火山噴火により放出される火山灰は 農作物へのダメージ 陸上交通機関や航空機の運航の障害 人間の呼吸器への影響など様々な悪影響を与える また 地上に積もった火山灰は降雨により火

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1 平成 22 年度科学技術振興調整費 重要政策課題への機動的対応の推進 課題 成果速報 平成 23 年霧島山新燃岳噴火に関する緊急調査研究 2-7a 気象レーダ ーによる火 山噴火監視 気象レーダーによる火山噴火監視 防災科学技術研究所

2 (2-7) 気象レーダーを用いた観測 (2-7a) 気象レーダーによる火山噴火監視 ( 防災科学技術研究所 ) ア. はじめに火山噴火により放出される火山灰は 農作物へのダメージ 陸上交通機関や航空機の運航の障害 人間の呼吸器への影響など様々な悪影響を与える また 地上に積もった火山灰は降雨により火山泥流となって下流の町を破壊することがある 大噴火のときには 大量の火山灰や火山ガスが成層圏まで噴き上げられることがあり 地球規模で長期間漂うと太陽の光を遮り 地球の気温を低下させる可能性がある これらの問題に対処するためには 火山の噴火を監視し 噴出した火山灰の分布を定量的に評価する技術を確立する必要がある 本研究では 霧島新燃岳が噴火した時の国土交通省レーダ雨量計データを収集し スキャン毎の反射因子 PPI 画像を作成し 気象レーダによる火山噴火監視の可能性と噴煙分布の定量的推定の可能性について調査する イ. 収集データ (a) データ収集期間 2011 年 1 月 1 日 ~2011 年 3 月 28 日 (b) 国交省レーダデータ霧島新燃岳の噴火時における国交省釈迦岳レーダおよび国見山レーダのレーダデータを収集した 国見山 釈迦岳レーダはバイナリ形式で記録されており 最大観測範囲は 300km 空間分解能は 256 セクタ 200 レンジ ( レンジ幅 1.5km) である 同時に 参考データとして噴火時の写真 動画等も収集した ( 表 2-7a-1 参照 ) 表 2-7a-1 収集データの一覧 No. 対象データ期間備考 1 国見山レーダ受信電力データ MTI_ZH,MTI_ZV,NOR_ZH,NOR_ZV 2011/01/21 00:00~2011/03/03 09:00 2 国見山レーダ諸元 釈迦岳レーダ受信電力データ MTI_ZH,MTI_ZV,NOR_ZH,NOR_ZV 2011/01/21 00:00~2011/03/03 09:00 4 釈迦岳レーダ諸元 いであ ( 株 )Web カメラ画像 2011/01/20~2011/03/03 6 鹿児島県地域振興局 Web カメラ画像 2011/01/19,22,26-28,30, 02/01-07,09-11,14,18,24,28, 03/01 世界測地 31,50, ,52,20.92 世界測地 31,55,02 130,51, m 108

3 図 2-7a-1 に霧島新燃岳 釈迦岳レーダ 国見山レーダの位置 各レーダのビーム観測高度を示す 国見山レーダから新燃岳 ( 標高 1421m) までの距離は 67.8km 観測仰角は 0.4 と 0.8 である 標準大気の屈折率と地球の曲率を考慮した場合 新燃岳上空でのレーダビームの中心の高度は仰角 0.4 と 0.8 でそれぞれ約 1.7km と 2.1km である 釈迦岳レーダから新燃岳までの距離は 141.4km で 観測仰角は 0.3 と 0.8 である 新燃岳上空でのレーダビームの中心の高度は仰角 0.3 と 0.8 でそれぞれ約 3.2km 4.4km である 国見山レーダは新燃岳のすぐ上空を観測しているのに対して釈迦岳レーダは新燃岳の上空 1.8km から 3km を観測していることになる 国交省のレーダの特徴として約 2 分毎のデータ取得がある これは 地上付近の降雨量を観測するためにアンテナスキャンを低仰角に限っているためである 利点として 噴火現象を高い時間分解能で監視することができる 下層の火山灰の分布の時間変動をとらえることができるという利点がある 反面 噴火の立体的な構造をとらえることができない 従って 噴煙高度を観測できない また ドップラー速度を観測していないために 噴出物がどの位の速度で吹き上げられたかという情報を得ることができない これらの情報は気象庁のレーダで求めることができる ( 本報告書の (2-7b) 気象レーダーによる噴煙高度観測 を参照 ) 図 2-7a-1 左の図と表は霧島新燃岳と釈迦岳レーダおよび国見山レーダの位置 観 測範囲を示した図 : 高層気象観測地点 :WINDAS 観測地点 右の図は各レーダの観測仰角でのレーダビームの高度を示す 表 2-7a-2 と表 2-7a-3 にそれぞれ釈迦岳レーダと国見山レーダの諸元を示す 両レーダとも偏波機能 109

4 を有しており 水平偏波と垂直偏波の反射因子 レーダ反射因子差を求めることができる 釈迦岳レーダは更に偏波間の位相差 水平と垂直の反射因子の相関係数を測定することができる これらの偏波レーダパラメータは噴煙監視に有効であると考えられるが 本調査では反射因子と反射因子差に限定した その理由の一つは 現業用に利用されている気象レーダは反射因子を測定するものがほとんどであるためである 表 2-7a-4 に監視カメラの位置を示す 鹿児島県カメラは高解像度であるが時間間隔は 60 分である 株式会社いであのカメラは低分解能であるが時間間隔は 3 分である 表 2-7a-2 釈迦岳レーダの運用諸元 アンテナ設置位置 レーダ定数 C 値関連項目 A/D 関連項目 F 値関連項目 東経北緯空中線標高 観測範囲及びメッシュ分割数定量 (120km) まで定性 (198km) まで アンテナ性能 遠距離 (300km) まで回転速度アンテナ径ビーム幅 ( 水平 実測値 ) ビーム幅 ( 鉛直 実測値 ) 送信周波数送信電力送信繰返し周波数アンテナ利得 ( 実測値 ) 給電系損失 ( 送信系 ) 給電系損失 ( 受信系 ) その他のハード系損失パルス幅 ( 実測値 ) レーダ定数 C 値受信機のSmin ヒ テ オサンフ ルレートビデオ振幅量子化 Fs Fh F 値計 解析処理上のSmin 解析処理上のダイナミックレンジクラッタ除去方式 MTI 近距離特性の補正 : 有無遮蔽補正 ( 範囲 ) 仰角合成のスムージング : 有無平均化処距離平均理サンプ方位平均ル数スキャン平均 130 度 53 分 20 秒 33 度 11 分 14 秒海抜 1248m 距離方向方位方向 120 分割 512 分割 78 分割 512 分割 102 分割 512 分割 1(rpm) 5(rpm)90 4(m) 1.0( ) 0.99( ) 5350(MHz) 250(kw) 420(PPS) 43.2(dB) 6.12(H) 6.44(V)(dB) 3,44(H),3.79(V)(dB) (dbm) 2.5(μs) (dBm) 0.5(μs) 14( ビット )(=4096) 6.0(dB) 9.56(H) 10.23(V)(dB) 15.6(H),16.2(V)(dB) (dBm) 100.0(dB) ノンコヒーレントMTI 方式有 (60km) 有 6サンプル 48ヒット 2スキャン 通期 仰角別 減衰補正係数 雨滴定数 B β 4.5mm/h mm/h 以上 仰角 1(0.3 ) 同上 同上 仰角 1(0.8 ) 同上 同上 仰角 1(90) 大気ガス減衰係数 Ka 途中降雨減衰係数 Kr α リミット ( 片道 ) ハードでの距離補正基準点 (km) 記録テ ータ Prテ ータ記録記録ビット数 LSBの重み 0.01(dB/km) (dB/km) (dB) 60(km)( ソフト ) 仰角ごとのNOR/MTIデータ 14( ビット ) 80/

5 表 2-7a-3 国見山レーダの運用諸元 アンテナ設置位置 アンテナ性能 東経北緯空中線標高 観測範囲及びメッシュ分割数定量 (120km) まで定性 (198km) まで レーダ定数 C 値関連項目 A/D 関連項目 F 値関連項目 遠距離 (300km) まで回転速度アンテナ径ビーム幅 ( 水平 実測値 ) ビーム幅 ( 鉛直 実測値 ) 送信周波数送信電力送信繰返し周波数アンテナ利得 ( 実測値 ) 給電系損失 ( 送信系 ) 給電系損失 ( 受信系 ) その他のハード系損失パルス幅 ( 実測値 ) レーダ定数 C 値受信機のSmin ヒ テ オサンフ ルレートビデオ振幅量子化 Fs Fh F 値計 解析処理上のSmin 解析処理上のダイナミックレンジクラッタ除去方式 MTI 近距離特性の補正 : 有無遮蔽補正 ( 範囲 ) 仰角合成のスムージング : 有無平均化処距離平均理サンプ方位平均ル数スキャン平均 131 度 00 分 56 秒 31 度 18 分 27 秒海抜 902.5m 距離方向方位方向 80 分割 256 分割 52 分割 256 分割 68 分割 256 分割 1(rpm) 5(rpm)90 4(m) 1.0( ) 1.02( ) 5260(MHz) 250(kw) 280(PPS) 45.2(dB) 2.85(H) 2.85(V)(dB) 5.34(H),5.37(V)(dB) (dbm) 2.5(μs) (dBm) 1.67(μs) 12( ビット )(=4096) 12.3(dB) 8.19(H) 8.32(V)(dB) 20.49(H),20.62(V)(dB) (dBm) 80.0(dB) ノンコヒーレントMTI 方式有 (120km) 有 6サンプル 32ヒット 2スキャン 通期 仰角別 減衰補正係数 雨滴定数 B β 仰角 1(0.4 ) 仰角 1(0.8 ) 仰角 1(90) 大気ガス減衰係数 Ka 途中降雨減衰係数 Kr α リミット ( 片道 ) ハードでの距離補正基準点 (km) 記録テ ータ Prテ ータ記録記録ビット数 LSBの重み 0.01(dB/km) (dB/km) (dB) 120(km) 仰角ごとのNOR/MTIデータ 12( ビット ) 80/4096 表 2-7a-4 監視カメラの位置 Idea カメラ 鹿児島県カメラ 新燃岳からの距離 [km] 約 7.56 約 2.94 撮影間隔 3 分 60 分 サイズ [pixel] 設置場所 霧島ロイヤルホテル 大浪池 標高 9 階建て屋上 1366m 緯度 ( 世界測地 ) 31 度 50 分 秒 31 度 55 分 02 秒 経度 ( 世界測地 ) 130 度 52 分 秒 130 度 51 分 07 秒 帰属 いであ ( 株 ) 鹿児島県地域振興課 111

6 ウ. 解析手順収集したレーダデータについて新燃岳を含む概ね 50km 50km の矩形エリアについて下記 (1)~(5) に示す図および数値データファイルを作成した (1) 全てのスキャン仰角における反射因子および偏波レーダパラメータの PPI 画像解析の対象としたレーダパラメータを表 2-7a-5 に示す 反射因子については MTI( 地形除去フィルター ) の効果を見るために 2011/01/26 の事例について MTI を使った場合と使わなかった場合の反射因子 Z H Z V と反射因子差 Z DR の各仰角の PPI 画像を作成した 各 PPI 画像は 噴煙の広がりの全体を捉えられるよう 噴煙の拡散方向に応じて 2 種類の中心位置で画像化を行なった また新燃岳を中心に 10km 毎の距離円を描画した 表 2-7a-5 対象とするレーダパラメータ レーダ名 仰角 メッシュサイズ 反射因子 偏波パラメータ 国見山レーダ雨量計 km 256 分割 Zh,Zv ZDR 釈迦岳レーダ雨量計 km 256 分割 Zh,Zv ZDR 新燃岳の緯度経度 * ; 経度 130 度 52 分 56.8 秒 緯度 31 度 54 分 秒 *Google マップによる ( 世界測地系 ) (2) 各 PPI スキャン毎の反射因子の時間積算値の分布積算開始時刻は噴火時刻とし 積算終了時刻は噴煙分布が全て含まれる範囲において観測メッシュの増加が認められなくなった時刻を積算終了時刻とした ただしレーダ雨量計は 5 分単位のデータであり また噴火時刻が分からない場合は目視により開始時刻を設定した 噴煙の分布期間が降雨等のエコーの重複により定まらない場合には PPI スキャン毎の反射因子から 1 時間毎の積算画像を作成した (3) 新燃岳火口から風下方向の線上における各ポイントでのレーダパラメータの時系列図火山噴出物の量の時間変化が場所によってどのように異なるかを調べるために 反射因子 積算反射因子 偏波パラメータの指定されたポイントでの時系列および積算値を求めた ポイントの選定は噴火事例によって変更し また 火口付近では密に選定した (4) 作図データの gif 画像ファイル化作図したデータを gif 画像ファイルとしてアーカイブするとともに 噴煙を検出できた期間についてアニメーションファイルを作成した アニメーションは仰角毎に作成した (5) 数値データのアーカイブ作図に使用した数値データをアーカイブした フォーマットは別途発注者指定の CSV とした エ. 解析結果 (1) 地形除去フィルターの効果通常 気象レーダでは気象エコーと地形エコー分離するために地形除去フィルターを使用する 国交省レーダはノンコヒーレント MTI というフィルターを使用しているが フィルターの設定によっては有意な信号も除去してしまうことがある そこで 2011/01/26 の噴火事例について MTI を使った場合と使わなかった場合の反射因子 Z H Z V と反射因子差 Z DR の各仰角の PPI 画像を作成して MTI の影響を調査した その 112

7 結果の例を図 2-7a-2 に示す MTI をかけない場合 反射因子 Z H Z V と反射因子差 Z DR とグランドクラッターが重複するために噴煙エリアを検出することができないことが確かめられた これに対して MTI をかけた ZH データでは噴煙が山頂付近から東南東へ広がる様子を確認することができた 従って MTI はレーダ受信信号を低下させるとしても噴煙検出に必須の技術であると結論付けることができる 釈迦岳レーダの場合 国見山レーダほど強いグランドクラッタの影響は無かった これは釈迦岳レーダビームの高度が約 3.2km~4.4km であり地形の影響を受けにくいためである MTI をかけなくても噴煙を検出することができた MTI をかけなかった場合の噴煙検出範囲は MTI をかけた場合よりも若干広く より密度の低い噴煙をとらえることができている 水平反射因子 (Z H ) 垂直反射因子 (Z V ) 反射因子差 (Z DR ) 水平反射因子 (Z H ) 垂直反射因子 (Z V ) 反射因子差 (Z DR ) 図 2-7a-2 国見山レーダの地形除去フィルターをかけない時 ( 上段 ) とかけた時 ( 下段監 ) の水平反 射因子 (Z H ) 垂直反射因子 (Z V ) 反射因子差 (Z DR ) の PPI 画像 ( 仰角 4 ) 2011 年 1 月 26 日 17:30 仰角

8 (2) 反射因子の時間積算値の分布とポイントでの反射因子の時間変化以下に顕著な噴火事例について 国見山レーダの反射因子の時間積算分布とポイントでの反射因子の時間変化を図 2-7a-3 から図 2-7a-8 に示す 1 月 26 日および 1 月 27 日の噴火事例が最も顕著であった 1 月 26 日の事例について 積算反射因子分布を産総研などが実施した地上降灰調査結果と比較すると 火口から風下に流れる分布の様子は良くあっていた しかしながら 地上で観測された降灰分布が新燃岳から 50km 以遠でも観測されているのに対して レーダでは検出されていない これは 火山灰の粒径が小さくレーダで検知できなかったためと考えられる <2011 年 1 月 26 日 15:30-19:10> 図 2-7a-3 国見山レーダで観測された霧島新燃岳の噴火時の水平反射因子 (Z H ) のアニメー ション ( 上段の左図 ) と反射因子の時間積算値の分布 下段は A から E 点での反射因子の時間変化 2011 年 1 月 26 日 15:30-19:10 仰角

9 <2011 年 1 月 26 日 21:40-1 月 27 日 05:15> 図 2-7a-4 図 2-7a-3 と同じ 但し 2011 年 1 月 26 日 21:40-1 月 27 日 05:1517:30 <2011 年 1 月 27 日 15:40-18:10> 図 2-7a-5 図 2-7a-3 と同じ 但し 2011 年 1 月 27 日 15:40-18:10 115

10 <2011 年 3 月 13 日 17:45-18:30> 図 2-7a-6 図 2-7a-3 と同じ 但し 2011 年 3 月 13 日 17:45-18:30 <2011 年 3 月 13 日 17:45-18:30> 図 2-7a-7 図 2-(7)-3 と同じ 但し 2011 年 3 月 23 日 08:25-08:45 116

11 <2011 年 2 月 01 日 23:15-2 月 02 日 00:00> 図 2-7a-8 図 2-7a-3 と同じ 但し 2011 年 2 月 01 日 23:15-00:00 オ. 議論 (1) 噴煙の高さとレーダビームの高さレーダによる火山噴火の検出に関する問題点として レーダビームの高度以下の噴煙は観測できないという問題がある 前述したように 国見山レーダから新燃岳 ( 標高 1421m) までの距離は 67.8km であり レーダビームの中心の高度は 1.7km~2.1km である これに対して 釈迦岳レーダの場合 新燃岳までの距離は 141.4km ありレーダビームの中心高度は約 3.2km~4.4km である このため 噴煙高度が低いような噴火の場合には釈迦岳レーダでは噴火をとらえられない場合がある その例を図 2-7a-9 に示す 図は 2011 年 1 月 30 日の事例で 国見山レーダの場合には検出できている噴煙が釈迦岳レーダではとらえられていない 図 2-7a 年 1 月 3 日 13:00-14:00 の 1 時間積算反射因子 左図 : 国見山レーダ ( 仰角 0.4 ) 右図 : 釈迦岳レーダ ( 仰角 0.3 ) 117

12 (2) 偏波レーダの有効性国見山レーダおよび釈迦岳レーダは偏波機能を有している 2011 年 1 月 26 日の事例に関して レーダ反射因子差について調べた 図 2-7a-10 に国見山レーダと釈迦岳レーダの Z DR を示す 国見山レーダの場合 高度が約 1.7km での分布を 釈迦岳レーダの場合 高度が約 3.2km での分布を見ていることになる 国見山レーダの場合 一見して 分布はランダムな分布をしているように見えるが 火口付近で大きな Z DR が認められる また 火口から東南東 40km のところでも Z DR の大きな値を観測している 釈迦岳レーダの場合 Z DR は 0 から 0.5dB である 国見山レーダが観測したポイント A~D での反射因子差の時系列を図 2-7a-11 に示す A 点では Z DR の時間変動が大きい ポイント B ではプラスの Z DR が卓越し ポイント C ではマイナスの Z DR が卓越している ポイント D では最初マイナスの Z DR が観測され後半はプラスの Z DR が観測されている Z DR は火山灰の落下姿勢によりプラス マイナスの値をとることが考えられるが 明確な解釈は今後の課題である ターゲットの不均質さを表す偏波パラメータの指標として水平 垂直偏波相関係数 ρ hv がある 偏波レーダによる火山噴火の観測はきわめてまれである 今後 火山灰の偏波パラメータに関する基礎的研究が必要である 図 2-7a 年 1 月 26 日 17:30 のレーダ反射因子差 左図 : 国見山レーダ ( 仰角 0.4 ) 右図 : 釈迦岳レーダ ( 仰角 0.3 ) 図 2-7a 年 1 月 26 日国見山レーダの反射因子差の時系列 各点の位置は図 2-7a-10 を参照 118

13 (3) 定量的噴煙量推定本調査で求めた反射因子の瞬間値および時間積算値か火山灰の量を推定するためには グランドトルースデータが必要である 防災科研で実施したゾンデ観測や産総研が中心となってまとめている地上の降灰量分布データはレーダから降灰量を推定する関係式の係数を決定するために有益な情報であろう カ. まとめ 2011 年 1 月 ~3 月の間に起きた霧島新燃岳の顕著な噴火事例計 27 事例について 国土交通省河川局の国見山レーダおよび釈迦岳レーダのデータを収集 解析し 噴煙検出期間 最大反射強度 積算反射強度を求めた ( 表 2-7a-6 参照 ) これらの解析結果およびアニメーション画像や火口上空を含む数カ所での反射強度の時系列解析から 現業用気象レーダは顕著な火山噴火現象の監視に有効であることがわかった しかしながら レーダビームの観測高度以下の噴火は検出できない 降雨時の噴火は降雨エコーと混在して検出できない場合もあった 偏波レーダパラメータの一つである反射因子差は 火口付近では空間的にも時間的にもランダムに変動したが 風下側では有意な傾向が見られた 偏波レーダは降水と噴煙を区別できる可能性があり 噴火時の他の偏波パラメータと検証用データの取得および火山灰の散乱特性の理解は今後の課題である 表 2-7a-6 噴火データ一覧 噴火の日時および時刻 噴煙の到達高度 爆発的噴火の有無は気象庁発表の値で気象協会 HP から入手した レーダで 観測された反射因子の最大値 積算反射因子分布の面積 ( メッシュ数 ) および最大値 レーダで検出できた期間は指定エリ アにおける観測メッシュ数の増減状況または目視により設定した 謝辞 : 本研究で使用したレーダデータは 国土交通省九州地方整備局水災害予報センターから提供を 119

14 受けた ここに記して感謝いたします 120

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