コヒーレントドップラーライダーによる詳細な風観測

衛星搭載ドップラーライダー・キックオフ研究会 2011.9.30
衛星搭載ドップラーライダーの実現に向けて
岩崎俊樹
東北大学大学院理学研究科
ドップラーライダー：レーザー光を風と共に移動するターゲットに照射し、散乱
光のドップラーシフトを測定し、風速の視線方向成分を観測する。
衛星搭載：全球観測を実施して風観測のデータ空白域を解消する。
最大の難点は、安定した、高出力、高効率のレーザー開発？
Coherent & Incoherent
Coherent Doppler Lidar
Eye Safe 近赤外レーザー半導体 1.5μm or 2μm
エアロゾル（～3km）、雲による散乱
単色性に優れ,スペクトルを直接測定
Incoherent Doppler Lidar
Eye Safe 近紫外レーザー Nd-YAG第3高調波 355nm
オゾン、大気分子、（エアロゾル、雲）による散乱
分子性散乱では散乱光スペクトルの半値幅が広くなるので
波長依存のあるフィルターで測定
下部成層圏で感度が高い。
ESA-ADM-Aeolus Aladine
* Aladine Atmospheric Laser Doppler-Lidar Instrument
これまでの計画とこれからの計画
日本計画
・ISS搭載ドップラーライダー(米国）実証
Coherent
2005年打ち上げ予定 → 延期 → 中止
NASA計画
・ISS搭載ドップラーライダー(米国）実証
Hybrid（Coherent & Incoherent)
2012-16 ライダー開発
2017 打ち上げ
2017（2018） 2年ミッション
日本計画
・ドップラーライダ衛星（日本）実用？
Hybrid（Coherent & Incoherent)？
2012-14（15?） feasibility study
2014(15)-19(20) ライダー開発
2020-2025
打ち上げ
ESA計画
・単独衛星
Incoherent （強力）
2011 ライダー開発
2013 打ち上げ
201？？年ミッション
衛星による風観測
QuikScat/Seawind
海上風に関する面的な情報。１日でほぼ全球をカバー。
マイクロ波散乱計は自由大気の風を代表しているか?
雲または水蒸気追跡風
５個（?）の静止気象衛星で常時全球をカバー。
観測データは雲頂一層のみ。雲の生成消滅は風速エラー
となり輝度温度エラーは観測高度エラーとなる。
NOAA/AMSUなどによる気温情報
データ同化により気温情報は風解析値にも反映。とくに
中高緯度では地衡風が強い拘束条件。
気温誤差が風の誤差となる。
現在の衛星による風観測はすべて間接的。空白域も広い。
衛星搭載ドップラーライダーの長所・短所
１．ドップラーシフトにより視線風速を直接測る。
（２方向観測を行えばベクトル風が分かる）
２．対流圏下層と成層圏で風速の鉛直分布が分かる。
３．軌道に沿って全球的なデータが得られる。
１．高出力・高効率の安定したEye Safe レーザーが必要。
＊強力な電源が必要
２．エアロゾル、雲が少ないと対流圏では観測できない。
３．面的なイメージは得られない。
→ 有効利用のためにはデータ同化が必要。
衛星の軌道に沿った観測データが得られる
衛星搭載Doppler Lidar に期待される効果
海上での対流圏下層風（コヒーレント）
大気大循環
台風
水蒸気輸送 → モンスーン
大陸上の下層風
陸上でのデータ空白域
ダスト → エアロゾルのデータ同化
雲粒子からの直接観測
雲移動ベクトル → ドップラー風精密化
熱帯上部対流圏（非地衡風の直接観測）
上部対流圏～成層圏（インコヒーレント）
対流圏-成層圏の質量交換 → 微量成分輸送
宇宙ステーション搭載コヒーレントドップラー
ライダーの風観測に関する科学計画
平成11年3月
地球科学技術ファーラム／地球観測委員会
コヒーレント・ドップラー・ライダーサブグループ
1999年当時、日本では観測実績がほとんどない
Eye Safe Lidarは米国のベンチャーの独壇場 (v.s. 三菱）
コヒーレント
主に下層風を観測
水蒸気フラックスの
解析に最適
→ モンスーン
→ 台風
宇宙ステーション搭載
コヒーレントドップラーライダーの
風観測に関する科学計画より
1010
1000
Psea(hPa)
990
980
970
960
950
940
930
920
910
0
10
20
30
40
50
60
70
79
Time(h)
図1 海面更生気圧の最低値の比較（T0914)
赤線(JRA25),青線(ERA interim),茶色線(best track)
JRA25,ERA interimは1時間毎、ベストトラックは6時間毎のデータをプロット
横軸：2009年09月13日06UTCからの経過時間
JRA+ERA t=55,67,79
図6 海面更生気圧と最低値を
とる位置の経路図(上図：JRA25、
下図：ERA interim)
時刻：2009年9月16日12UTC(78時
間)
図中の赤線(JRA25),青線
(ERA interim),
黒線(beat track)
JRA25,ERA interimの経路図
は1時間毎、ベストトラックは6時
間毎のデータをプロット
JRA+ERA t=55,67,79
図11 500hPa面ジオポテンシャ
ル高度と
風速(上図：JRA25、下図：ERA
interim)
時刻：2009年9月16日12UTC
JRA25,ERA interimの経路図
は1時間毎、ベストトラックは6時
間毎のデータをプロット
基準の風速は図右下に記載
(30m/s)
雲による散乱、分子性散乱 → 熱帯上部対流圏の風 Hadley ＆Waker Circulation
宇宙ステーション搭載コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画より
インコヒーレント
BD 循環
S-T質量交換
TTL
大気微量成分輸送
宇宙ステーション搭載
コヒーレントドップラーライダーの
風観測に関する科学計画より
1999年の状況 → 現在の状況
○ 日本でも観測実績を積んだ(NICT, 北大）
→ 地上設置のリモートセンシングとして経験を積む
→ 衛星の前に航空機搭載実験を行う
→ データ処理ソフトウェアを開発する
○ Eye Safe Lidar、なお、日本のメーカーは消極的
→ パワー（S/N ）、効率（電源）、安定性（長期間）を改善の必要
→ 現業用測器として普及（空港に設置） → 日本の強いメーカー？
→ 日本に強いメーカーがない。ベンチャーもない。
○ 数値モデルの進展がデータの有効利用の可能性を広げる？
→ データ同化手法の進展
→ 台風進路予報の進展
風を観測する衛星としての費用対効果はどうか？
OSSEにより証明？
２００３
ドップラーライダー（本体）
1軸回転
時空間高解像度観測
メソ観測に最適
レーザ波長
: 2.012 μm
パルスエネルギ: 7 mJ/pulse
パルス幅 560-1200nsec
(84-180m)
パルス断面 8cm
繰り返し100Hz (=10msec)
観測可能距離 0.5－10km
データ処理部と冷却装置
16
2004年コンテナに入る！
2軸回転 → PPIとRHI 観測
17
2005年コンテナをトラックに乗せる優れた機動性
北
レーザ光
・目に安全な波長2μmを使用
・目に見えない波長
仰角
レーザ光送受信鏡面
装置（スキャナ）
西
山側
方位角
東
海側
南
18
まとめ
○衛星搭載ドップラーライダー観測は風の直接観測データとして有望
とくにデータ空白域 (海上下層風、陸上下層風、熱帯上層、圏界面付近）
○数値予報の進展による利用環境の向上
(データ同化手法、台風予報、ダスト予報）
OSSEも行われるようになった。
○地上および航空機搭載観測を通じてデータ処理に関する経験を積んだ
○Doppler Lidar の普及と、CALIPSOなどLidar 衛星の成功
○ 大出力・高効率で安定なEye Safe Lidar
→ 日本のメーカーは消極的？
○海上下層風に関してはQuikScat/Seawind と競合
○イメージャではなくトラックデータである。

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