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ああすはらしない
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1 観測予測技術開発の進展 ( 独 ) 防災科学技術研究所真木雅之第 2 回竜巻等突風対策検討会 ( , 内閣府 )

2 発表内容気象レーダのタイプ在来型, ドップラー,MPレーダ各国の現業用レーダ研究用レーダの開発状況科学技術戦略推進費極端気象に強い都市創り X NET,Kuバンド高速スキャン,CバンドMPレーダフェーズドアレイレーダ竜巻突風などの予測技術気象庁の竜巻発生確度ナウキャウト MPレーダ情報の利用まとめ 2

3 レーダの定義 Radar: Radio detection and ranging 電波を使ってある物体を検知し距離を測る機器気象レーダの種類 ( 地上レーダ ) 在来型レーダドップラーレーダ MPレーダ ( 二重偏波レーダ ) 3

4 在来型レーダ受信信号の強さから雨の強さと位置を測るレーダ降雨強度に応じて受信信号の強さが変化送信パルス受信信号雨滴 : 球状を仮定雨域 a Z: 反射因子 R: 降雨強度 Z-R 関係式 ( 古典的な降雨強度の推定式 ) Z =αr β ( 層状性の雨 :α=200,β=1.6 対流性の雨 :α=300,β=1.4) 在来型レーダによる降雨の測定 4

5 ドップラーレーダ受信周波数の変化から動径方向の風を測るレーダ雨滴の移動に応じて受信信号の周波数が変化雨滴の移動送信パルス受信信号 a 雨域 f 0 : 送信周波数 f 0 -f r : 受信周波数の変化 f r : 受信周波数 V d : ドップラー速度ドップラー速度 V d c ( f f ) 0 r 2 f 0 ドップラーレーダによる動径風の測定 5

6 マルチパラメータレーダ (MP レーダ ) 様々な偏波パラメータから降水に関する詳細な情報を測るレーダ φ DP =2 φ : 偏波間位相差 φ 送信パルス H-pol 受信信号 a Z H V-pol 偏波パラメータ Z V K DP : 比偏波間位相差 Z H : 水平偏波の反射因子 Z V : 垂直偏波の反射因子 b 雨域 R: 降雨強度雨滴の形状 Z DR : 反射因子差 ρ hv : 偏波間相関 6

7 レーダのタイプと得られる情報得られる情報レーダのタイプ在来型ドップラー MP レーダ降水の強さと分布雨雪風の強さと分布 1 台複数降水パラメータ種類形大きさ X 7

8 気象レーダの変遷過去現在未来非ドップラー基礎的研究ドップラー基礎的研究実用化研究雲レーダ MP ( 偏波 ) 基礎的研究実用化応用研究基礎的研究フェーストアレイ非ドップラードップラー現業 NEXRAD MP ( 偏波 ) 8

60 8 1 In Progress 0 0 1 Scheduled w/in 14 Days 3 0 0 Pending 59 18

9 米国での現業 MP レーダ網 WSR 88D Dual Polarization Program (NOAA レーダオペレエーションセンターホームページより ) Installation Status NWS DOD FAA Completed In Progress Scheduled w/in 14 Days Pending Radar coverage shown is at 10,000 ft AGL or below (V14.1 As of ) 9

10 欧州での現業 MP レーダ網 OPEAR (1999 年 ~2012 年 ) ( 欧州で実施中の各国の現業気象レーダ情報を共有するためのプログラム ) 全レーダ (197 台, 内 38 台が MP レーダ ) MP レーダ (C バンド 36 台,S バンド 2 台 ) OPERA ホームページ ( より 10

11 日本での現業 MP レーダ網国交省 X バンド MP レーダネットワーク都市型水害等の予測のために主要都市域等に展開 (2010 年 ~) コンソーシアムを通じた技術開発 (2010 年 ~) 情報の利活用に向けた社会実験 (2012 年 ) 本格運用 (2013 年 ~) 11

12 研究用レーダの開発状況局所的に急激に発達する積乱雲を捉えるために 1. 極端気象に強い都市創りプロジェクト様々な機器を用いた積乱雲の稠密観測 2. 速く観測 Ku バンドレーダ, フェーズドアレイレーダ 3. 早く観測雲レーダ, ドップラーライダー,MTSAT 4. ネットワークで観測 12

13 極端気象は発達した積乱雲によって引き起こされるゲリラ豪雨竜巻降雹落雷 08/07/28: 都賀川 08/08/05: 雑司が谷 10/07/05: 板橋区他 90/12/11: 茂原市 06/09/17: 延岡市 06/11/07: 佐呂間町 12/05/06: つくば市他 00/05/24: 茨城千葉 06/07/15: 都内 12/05/06: 茨城埼玉 96/08/13: 高槻市 05/07/07: 藤沢市 10/06/30: 埼玉県 12/05/06: 釧路市他 13

科学技術戦略推進費気候変動に伴う極端気象に強い都市創り (2010~2014 年 ) 隘路 1:

名を越える気象学研究者による現象解明 (1) 新たな観測技術の開発実用化 (2)

極端気象の早期検知予測システムの開発工学的研究エンドユーザとの双方向のやりとりを通じた開発

竜巻などの突風をもたらす積乱雲の発生メカニズムを解明し監視技術, 直前予測技術を開発し,

国総研, 情報通信研究機構, 気象協会, 東洋大, 東芝, 北大など社会実験 : 東京消防庁,

14 科学技術戦略推進費気候変動に伴う極端気象に強い都市創り (2010~2014 年 ) 隘路 1: 現状の技術では予測が困難課題 1: 稠密観測による極端気象のメカニズム解明理学的研究 40 名を越える気象学研究者による現象解明 (1) 新たな観測技術の開発実用化 (2) 極端気象の観測解明 (3) 統計的解析隘路 2: 情報の精度, 伝達の的確さ課題 2: 極端気象の早期検知予測システムの開発工学的研究エンドユーザとの双方向のやりとりを通じた開発 (1) 極端気象の発生予測手法の開発 (2) 極端気象の早期検知予測システムの開発と運用 (3) 極端気象のデータベース構築監視予測システム科学技術戦略推進費気候変動に対応した新たな社会の創出に向けた社会システムの改革プログラムゲリラ豪雨, 雷, 竜巻などの突風をもたらす積乱雲の発生メカニズムを解明し監視技術, 直前予測技術を開発し, 社会実験を通じて社会への定着をはかる参加研究機関 : 防災科研 ( 課題代表機関 ) 気象研, 国総研, 情報通信研究機構, 気象協会, 東洋大, 東芝, 北大など社会実験 : 東京消防庁, 江戸川区, 横浜市, 藤沢市,JR 東日本,JR 東海, 大林組など隘路 3: フロシェクト終了後の継続性課題 3: 極端気象に強い都市創り社会実験社会学的研究社会実験を通じたシステムの定着 (1) 4つの分野での社会実験 1 救助活動 2 危機管理 3 社会基盤 4 生活教育 (2) 解析と問題点の抽出, 提言水害ハザードマップ発生予測 14

15 速く Ku バンドレーダによる降水コアの検出気象研究所成蹊大学 ( 東京都武蔵野市 ) における観測環境周波数項目 15.75GHz 諸元積乱雲内の降水コアの生成から落下までを高頻度 ( 約 1 分毎 ) に観測占有周波数幅 80MHz( 最大 ) 変調方式周波数変調パルス幅 1~300μsec パルス繰り返し周期最大 5000Hz 送信電力 10W( 二重偏波 ) 空中線形式ルネベルグレンズ 2 ( 送信受信 ) 距離分解能 2.38m( 可変 ) 方位分解能 3 ビーム幅 3 水平回転速度最大 40rpm ルネベルグレンズアンテナ 2011 年 11 月 20 日東京都での事例 15

16 速くフェーズドアレイドップラーレーダの開発大阪大学と東芝は共同で, 突発的局地現象の迅速的確な観測のために, 1 次元アレイ技術, デジタルビームフォーミング技術を組み合わせることで, 電子走査型の X バンドフェーズドアレイドップラー気象レーダーを開発したレーダーサイトを中心に距離 15km から 60km 程度までを 3 次元で, 空間分解能 ( 最小 100m), 時間分解能 ( 最短 10 秒,1 分以下 ) 程度で観測する仰角 0~90 を観測するために送信波は広いビームを送信 ( 総務省 NICT 委託研究 ) 竜巻等を直接観測可能な高速かつ高空間分解能受信時に DBF 処理により 36 仰角程度のマルチビームを形成 2m 四方程度の 1 次元アレイアンテナによりアンテナビーム幅 1 程度の観測空中線が方位方向に 360 回転することによる全方位観測レーダー処理送受信素子スロットアンテナ 2012 年 5 月大阪大学建屋屋上に設置 6 月から評価観測を実施予定 47TB 程度の保存装置にて 7 日以上の観測データ保存周波数変換DA, 光AD IQ 検変換送受信部波16

周波数 MP レーダ 9GHz 帯 (Xバンド) 雲レーダ 35 GHz 帯 (Kaバンド) 観測対象雨粒雲粒感度偏波観測雨量推定雹の検出氷晶検出気流観測

Assimilation System) 高感度雲レーダとデータ同化による極端気象を引き起こす発達した積乱雲の早期予測技術開発竜巻やゲリラ豪雨などの極端気象は,

などの極端気象災害の軽減防止には高感度雲レーダによる積乱雲の発生初期段階の検知とそのデータ同化による早期予測技術の開発が必要観測データの数値予測モデルへの同化

17 周波数 MP レーダ 9GHz 帯 (Xバンド) 雲レーダ 35 GHz 帯 (Kaバンド) 観測対象雨粒雲粒感度偏波観測雨量推定雹の検出氷晶検出気流観測空間分解能観測範囲半径 80 km 半径 30 km フリダス (FRIDAS: Fast Rain Initiation prediction & Data Assimilation System) 高感度雲レーダとデータ同化による極端気象を引き起こす発達した積乱雲の早期予測技術開発竜巻やゲリラ豪雨などの極端気象は, 発達した積乱雲によって引き起こされる X バンド MP レーダによる降雨量の監視技術は開発済みだが, 降雨開始後の情報しか得られない竜巻やゲリラ豪雨などの極端気象災害の軽減防止には高感度雲レーダによる積乱雲の発生初期段階の検知とそのデータ同化による早期予測技術の開発が必要観測データの数値予測モデルへの同化数値予測モデル予報早く測情降雨開始前に積乱雲の発達を予測雨量は - 渦は - 雹は - 実証実験防災科学技術研究所観測水防態勢発令支援避難判断支援土木建築工事の安全管理支援交通機関の安全運行管理支援 17

18 早くドップラーライダーを用いた観測北海道大学海面付近の鉛直渦周囲の気流の観測に成功 PPI 仰角 1 の観測高度範囲 : 海面 75m ASL 分解能 : 視線 50m, 方位角 m Doppler velocity EL /12/ :27 JST 無降雨時の大気の気流の観測仰角 4 度 1rpmPPI スキャン方位角分解能約 2 度レンジ分解能約 76m で視線方向風速を算出積乱雲 NICT 長崎市池島 2010/12/ JST 18

19 X-NET & 研究現業レーダ X-NET は関東地方の複数の研究所と大学が共同で進めている X- バンド (3cm 波長 ) の気象レーダネットワークで, 極端気象の監視と予測手法の確立を目指しています X-NET を構成する研究レーダ MP-X1~MP-X3 ( 防災科研 ) CHUO-U ( 中央大 ) NDA ( 防衛大学校 ) JWA ( 日本気象協会 ) CRIEP ( 電力中央研究所 ) YMNS ( 山梨大 ) 研究 MP レーダ現業 MP レーダ研究ドップラーレーダ現業ドップラーレーダネットワークで MP-X3 JWA MRI-C MLIT2 CRIEP YMNS CHUO JMA 東京首都圏 HND NRT MP-X1 MP-X2 MLIT1 NDA 合成ドップラー解析領域 km

20 X-NET による強風監視 ( 科学技術戦略推進費 ) 防災科研 X NET グループ 20

提案 : 国土交通省の X バンド MP レーダネットワークを用いた強風突風の監視システムの開発研究問題点

20 30%, 気象庁による ) メカニズムがよくわかっていない国交省 X バンド MP レーダネットワーク主要都市等を対象 1

竜巻などの突風による被害を最小限にとどめるため, 国土交通省 X バンド MP レーダネットワークデータを用いた強風

利活用をはかるこのために 1 強風突風等のリアルタイム検出手法の開発研究 2 国交省 X バンド MP レーダネットワーク強風

間隔の風向風速情報突風等のメカニズムの解明気象学, 風工学コミュニティ等での有効活用研究体制案 MP レーダ解析室 (2010~,

21 提案 : 国土交通省の X バンド MP レーダネットワークを用いた強風突風の監視システムの開発研究問題点竜巻などの突風は局所的にかつ急速に発生し消滅するため通常の気象観測網では検出が困難予測も困難 ( 竜巻注意情報の的中率 5 10%, 補足率 20 30%, 気象庁による ) メカニズムがよくわかっていない国交省 X バンド MP レーダネットワーク主要都市等を対象 1 分毎,250m の分解能ゲリラ豪雨都市型水害等の対策試験運用中 (2013 年度から実運用 ) 目的と目標竜巻などの突風による被害を最小限にとどめるため, 国土交通省 X バンド MP レーダネットワークデータを用いた強風突風等をリアルタイムで検出する手法を開発する研究内容 2013 年度に本運用を開始する国土交通省 X バンド MP レーダネットワークの ( 利活用をはかるこのために 1 強風突風等のリアルタイム検出手法の開発研究 2 国交省 X バンド MP レーダネットワーク強風突風等のデータベースの整備期待される成果全国の主要都市域のデュアルドップラー観測範囲を対象として高度 1km の 1 分毎,250m 間隔の風向風速情報突風等のメカニズムの解明気象学, 風工学コミュニティ等での有効活用研究体制案 MP レーダ解析室 (2010~, 防災科研, つくば ) 国交省 X バンド MP レーダをリアルタイムで処理データベース化強風突風情報観測データ X-NET 研究グループ防災科研中央大学, 防衛大学校, 山梨大学, 電力中央研究所, 日本気象協会国土技術政策総合研究所気象研究所大学 21

22 竜巻等突風の予測技術竜巻は水平水ケールが数十メートル ~ 数百メートルで平均寿命が 10 分程度であるため, 竜巻そのものを予測することは現時点では不可能レーダ観測から竜巻の親雲の検出, 数値モデルにより積乱雲が発達する環境場を予測することで竜巻発生確度を推定する MP レーダ観測から得られる偏波パラメータを使って竜巻を検出できることがわかってきた 22

23 気象庁の竜巻発生確度ナウキャスト数値予報モデルドップラーレーダ観測親雲の検出積乱雲が発生しやすい環境鉛直方向に風向風速の変化メソサイクロンの抽出遠ざかる風近づく風竜巻注意情報 ( 県単位 ) 発生確度 1 ( 的中率 1-5%) ( 補足立 60-70%) 発生確度 2 ( 的中率 5-10%) ( 補足率 20-30%) 竜巻発生確度ナウキャスト 1 時間先までの予報 10 分間隔 10km 格子問題点 : 低い的中率, 高い見逃し率予測の更新間隔 ( 気象庁ホームページを参考に作成 ) 23

24 MP レーダ情報を利用した竜巻検知雹下層アーク状 ZDR TDS 中層下層の Storm Relative Helicity を反映 (Kumjian and Ryzhkov, 2009) リング状 ρhv リング状 ZDR 柱状 ZDR Kumjian and Ryzhkov (2008) 融解層よりも上にまで伸びる柱状の ZDR の大きい領域雨滴や融けた雹強い上昇流を反映 24

25 2012 年 5 月 6 日の竜巻の事例防災科研 12:50 12:40 12:30 12:20 5 分毎のデータから作成竜巻の発生した前後 30 分くらいで強い上昇流があったことを示唆する 25

26 米国立天気サービスによるトルネード警報の例ドップラー速度偏波間相関係数 TDS によりトルネードが発生したと判断 26

27 気象研究所 C バンド固体素子二重偏波ドップラーレーダー以下の研究開発に供している研究用レーダーである気象研究所次世代の気象庁レーダーを見据えた観測基盤技術の開発 ( 狭帯域二重偏波 ) 気象レーダーの観測技術の高精度化に関する研究 ( ノイズデータ欠落の低減など ) 突風等のシビア現象の監視直前予測技術に関する研究 ( メソサイクロン検出など ) 都市域の局地的大雨の実態解明科学技術戦略推進費極端気象反射強度 (dbz) 雨の強さの情報高度 (km) レーダーからの距離 (km) 2011 年 8 月 26 日東京に局地的大雨をもたらした積乱雲の鉛直断面 ( 右上 ) および 3 次元構造 ( 右下 ) 高度 15km 多量の雨が蓄積した領域東京湾板橋 27

28 まとめー竜巻など突風のレーダ監視予測技術ー監視技術 : 最先端のレーダによる研究速く観測 :Ku バンドレーダ, フェーズドアレイレーダ早く観測 : 雲レーダ, ドップラーライダネットワーク :X-NET, 国交省 X-MP レーダネットワーク予測技術 : ドップラーレーダから MP レーダへ偏波パラメータ情報による竜巻検知親雲 ( メソサイクロン ) の検出精度向上データ同化手法による親雲の予報精度の向上 28

29 ( 参考資料 ) 1. 気候変動に伴う極端気象に強い都市創りパンフレット 2. 同プロジェクト参加者名簿 29

資料1-5 5GHz帯におけるレーダーの概要

資料1-5 5GHz帯におけるレーダーの概要 RA- 報 -15 030 気象レーダー概要説明 2015 年 12 月 11 日目次 1. 気象レーダーの原理 2. 気象レーダーの運用 3. 送信装置の固体化技術 4. 固体化気象レーダーの送信諸元 1 1. 気象レーダーの原理 2 気象レーダーの降雨観測レーダー方程式気象エコー送信信号受信信号 Pt Pr 距離及び大気により送信信号が減衰する距離及び大気により反射した信号が減衰する