沖縄バイスタティック偏波降雨レーダー（ＣＯＢＲ Ａ）による次世代の気象レーダー観測 * 佐藤晋介、中川勝広、花土弘、井口俊夫（通信総研）、 山崎次雄(NEC)、Joshua Wurman (BINET Inc.) COBRA: CRL Okinawa Bistatic polarimetric RAdar Oogimi bistatic site 気象レーダーの技術開発 （COBRAの機能、観測方法などの紹介） 気象学・天気予報の 発展にどう役立つか Two-faces bistatic antenna in Onna (CRL-Okinawa) Examples of the COBRA observation data COBRA main radar (15 m tower) COBRA主レーダの主要諸元 Frequency Peak power Pulse width PRF Antenna Antenna gain Beam width Sidelobe level Cross pol ratio Doppler estimation Range bin num Antenna scan 5340 MHz 250 kW×2 (Dual Klystron) 0.5, 1.0, 2.0 s 250-3000 Hz, 0.5 s (PRT) step 4.5 m parabola in 8 m radome 45.6 dBi (H) / 45.7 dBi (V) 0.92 deg (H) / 0.91 deg (V) -30 dB (AZ), -28 dB (EL) 36 dB (integ in a beam) Pulse-pair / FFT 2000 0.5-10 rpm (PPI), 0.1-3.6 rpm (RHI), 0.1 rpm step, CW/CCW ６種類の偏波（H，V，+４５，-４５，RC，LC)の パルス毎切り換え送信機能とＨ，Ｖ同時受信機能 ２台の送信機（Ｈ、Ｖ） 送信偏波の例 単一偏波で、V-H ・V +45 送信と同等のデー ・ V-H RC-LC タが期待できる ・ V-V-+45 ・ V-V-H-H ・ V-H-+45-－45-RC-LC ２台の受信機（Ｈ、Ｖ） H-port、V-port同時受信、位相制御は行わない ２段のA/Dからなるデジタル受信機で90 dB以上 のダイナミックレンジを実現 偏波データの役割 ・ 強雨時の減衰補正 ・ 降水粒子の分類（雨／雪／霰） ・ 雨滴粒径分布の推定 アンテナの性能 レドーム直径：8 m アンテナ直径： 4.5 m ・ ビーム幅 ～0.9° ・ サイドローブレベル < -30 dB ・ 交差偏波比 > 36 dB H-Port EL-Plane AZ-Plane V-Port EL-Plane AZ-Plane COBRA主レーダーのアンテナパターン SROT (Sophisticated Radar Operating Technique) for COBRA ・ 可変観測パラメータ(パルス繰り返し周波数, パルス幅, アンテナ回転速度）の自動最適化 ・ ２重ＰＲＦ（pulse by pulse）による広範囲観測とドップラー観測の両立 ・ 高いPRFの時は、高速アンテナ回転 Rmax= C ／（2・PRF） long-range obs: low PRF Vmax= ±（λ・PRF）／４ large-velocity obs: high PRF → 短時間での密なボリュームスキャン SROTで計算された詳細観測モードの例 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 EL [deg] 0.5 0.9 1.4 2.0 2.6 3.4 4.3 5.5 6.8 8.5 10.5 13.0 16.1 20.0 90.0 PW [us] 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 1.0 0.5 PRF1 (Rmax, Vmax) [Hz] ([km], [m/s]) 750 (200.0, 10.5) 750 (200.0, 10.5) 750 (200.0, 10.5) 750 (200.0, 10.5) 750 (200.0, 10.5) 750 (200.0, 10.5) 811 (185.0, 11.4) 976 (153.7, 13.7) 1182 (126.9, 16.6) 1439 (104.2, 20.2) 1756 ( 85.4, 24.7) 2150 ( 69.8, 30.2) 2400 ( 62.5, 33.7) 2400 ( 62.5, 33.7) 2400 3000 ( 62.5, 50.0, 33.7) 42.1) FFT Vmax_staggered =±（λ・ PRF1 ・ PRF2）／4（PRF1-PRF2） PRF2 (Rmax, Vmax) [Hz] ([km], [m/s]) 563 (266.4, 7.9) 563 (266.4, 7.9) 563 (266.4, 7.9) 563 (266.4, 7.9) 563 (266.4, 7.9) 563 (266.4, 7.9) 608 (246.7, 8.5) 732 (204.9, 10.3) 887 (169.1, 12.5) 1079 (139.0, 15.2) 1317 (113.9, 18.5) 1613 ( 93.0, 22.7) 1800 ( 83.3, 25.3) 1800 ( 83.3, 25.3) Unfold-Vmax [m/s] 31.7 31.7 31.7 31.7 31.7 31.7 34.1 41.1 49.9 60.6 74.0 90.7 101.1 101.1 33.7 42.1 Integ [hit] 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 1024 Ant.Spd [rpm] 1.2 1.6 2.2 2.8 3.7 4.6 6.3 9.5 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 total= 292.1[sec] 計算条件： 5分以内, PRF1:PRF2=4:3, Rmax = 200 km, Vmax > 30 m/s, integ-dis < 1.5 km (～max 3deg) （注）：小さな（Vmax1-Vmax2）はエラーの原因、Vmax2は実際の速度変動より大きくなくてはならない Time [sec] 54. 42. 33. 26. 21. 18. 15. 11. 11. 11. 11. 11. 11. 11. 6. ( 4m52s ) 15仰角 SROTで計算されたボリュームスキャンの仰角 ・ エコー頂高度の推定誤差を観測範囲内で一定にする ・ ボリュームスキャンのデータから鉛直断面を作成する時の不自然さを減らす ・ 圏界面高度を超えるような観測レンジでは、データ収集を行わない（Higher PRF) 参考文献：Wood, V. T., and R. A. Brown, 1999, 29th Radar Meteor Conf. 229-231. バイスタティック・ドップラー・ネットワーク機能 １台のドップラーレーダー＋ 複数台のバイスタティック受信機 Izena Bist #2 (Ogimi) Backscatter Bistatic scatter 100 km range COBRA Radar site (26N 35’, 128E 04’) Bist #1 (Onna) ２方向のドップラー 速度を観測 35 km Itokazu → デュアル・ドップ ラー解析による３次 元風速場の算出 COBRA bistatic dual-Doppler areas ２面バイスタティック・アンテナ バイスタティック 受信局 バイスタティック アンテナパターン ＡＺ方向 θ 有効ビーム幅 （ＡＺ＞９０°） θ 送信レーダ ・１台のＢＩＳＴ受信機で両側のデュアル範囲を観測 ・観測面積を最大にする２つのアンテナの取付角度は ベースライン長によらず一定 バイスタティック アンテナパターン ＥＬ方向 有効ビーム幅 （ＥＬ＞２０°） バイスタティック・レーダーの長所と短所 長所：簡便で安価なデュアル・ドップラー観測 必要な送信周波数が一つ 同じ観測ボリュームを同時に観測 短所：サイドローブエコーの混入（強いエコー） 弱いエコーに対する受信感度が悪い Multiple scattering echo Sidelobe echoes 主レーダのアンテナ・サイドローブ混入と 多重散乱の概念図 バイスタティック・アンテナパターン から計算した最小受信感度 (Satoh and Wurman, 2002) COBRAの観測方法とデータ処理 COBRA観測データ （エコー面積、強 度） 地上観測データ ・研究用レーダだが、 ２４時間運用を行う 観測モードの自動選択 AROS (Adaptive Radar Operating System) ・定常（監視）観測モード ２～３の低仰角＋clear airモード ・詳細観測モード ・無人運用（停電時、 ネットワーク切断時 も４８時間以上の 継続運転が可能） ボリュームスキャン＋EL=90° 気象衛星 雲画像データ ・特別観測モード（手動設定） ボリュームスキャン＋RHI＋多重偏波 気象庁GPV 予報データ （※すべて５分間隔が基本） １次処理データ （受信信号、送信信号、ノイズ信号） ストークスパラメータ 複素相関 ・データ処理はすべてリアルタイムで行い、 ３次処理データは自動的にＷｅｂで公開 ２次処理データ (ＶＨまたは＋４５送信の場合) DBM(ZVV, ZHH, ZHV, ZVH), DBZ, NCP, ZDR, LDR, ρHV(0), φDP，KDP, VEL, VEL1, VEL2, SPW1, SPW2 など ・データフォーマットはnetCDF、解析処理ソフトはNCAR TITAN ・データはCRL地球環境データサーバを通して、すべて公開する ３次処理データ u, v, w (bistatic) R(Z), R(KDP), R(ZDR) 1hr-R, 24hr-R, 48hr-Rなど COBRAの観測例 南北鉛直断面（反射強度, ｄBZ) 高度２ ｋｍのCAPPI（反射強度, ｄBZ) （ドップラー速度, ｍ/ｓ) COBRAの観測例（偏波、その他） COBRAの観測例（バイスタティック） COBRA主レーダの反射強度（ｄBZ) とバイスタティック・デュアルドップラー で得られた風速ベクトル バイスタティック反射強度（ｄBｍ) と風速ベクトル 新しい気象レーダー観測と未来の天気予報 全球降水観測(GPM)：2007～ GSM: 全球モデル（x=60 km） ----- 3DVAR: 衛星観測（ATOVS/AMSU-Bなど） RSM: 領域モデル（x=20 km） ----- OI (Optimum Interpolation): Radar-AMeDAS, WP MSM: メソモデル （x=10 km） ----- 4DVAR: Radar-AMeDAS, WindProfiler, TMI （共通: GMS-TBB, Sonde, Surface obs, SSM/I） NHM: 雲モデル（x=1～5 km） 鉛直プロファイルが重要 雲モデルのためのデータ同化（4DVAR) ・風速場： ドップラーレーダー（Bistatic? and SDR）、ウインドプロファイラー ・降水量： 地上レーダー、衛星搭載マイクロ波放射計（海上） ・水蒸気量：GPS気象、衛星搭載マイクロ波放射計（水蒸気センサー） ・温度場： RASS、ドップラーレーダーデータから推定する潜熱加熱量 dry dry wet wet 均一な収束する風 （人為的に与える） 短寿命の対流 南から流入する風 （ドップラー観測） 長続きする対流 構造を再現 非静力学モデルによる予報実験（米国の例） ARPS realtime forecast for IHOP 2002 Data Sources May 13 to June 25, 2002 WSR-88D (NIDS and full volume data) GOES IR data (cloud analysis) Oklahoma Mesonet Wind Profiler Rawinsonde METAR (surface observations) MDCRS (aircraft observations) Eta model (initial conditions) CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storms) University of Oklahoma http://ihop.caps.ou.edu 27km CONUS and 9km SPmeso: start at 12UTC for 42 and 24 hour forecasts 3km SPstorm: start at 15UTC and 00UTC for 15 and 12 hours forecasts Both SPmeso and SPstorm grids use NIDS and WSR-88D Level-II radar data for the analysis of wind, moisture and cloud fields in the initial condition. 風速場のデータ同化が予報精度 の向上にもっとも効果がある まとめ ・ ドップラーレーダー 観測は、 メソ気象 学の研究ばかりで なく、将来の天気 予報にも重要な役 割を果たすと考え られる。 ・ 日本でもレーダー データ同化の研究 を進めなければな らない。COBRAの データはリアルタイ ムで公開する。 Reserved バイスタティック・ドップラーの解析例 (Satoh and Wurman,2002) 観測範囲の重なるデータの合成 サイドローブ混入データの除去 ＣＯＢＲＡ主レーダー 名護市多野岳付近 の海抜３４３ mピーク に設置されたCOBRA レーダーシェルターの外観 施設入口 発動式発電器（停電時に自動立ち上げ、 48時間以上の連続運用） レドーム内部の様子 レーダーシェルター内部の様子 Digital Signal Proc. Pol. SW Radar oper. ROC GPS Receiver Klystron #1 Bistatic sys. mon. Bist-Hub 720GB-HDD Antenna Controller Power supply Remote watching Klystron #2 ＣＯＢＲＡシステムの系統図 パラメータ 記号 レーダ反射因子 レーダ反射強度 ドップラー速度 速度幅 反射強度偏波比 交差偏波比 偏波間位相差 偏波間位相差の空間微分 偏波間の相関 規格化コヒーレント因子 コヒーレントレーダ反射因子 log10|<ZHH>-<ZVV>| Bistatic-wind Z-R 関係を用いた降雨強度 ＫＤＰを用いて推定した降雨強度 プロファイル法を用いて推定した降雨強度 ZDRを用いて推定した降雨強度 降雨減衰を考慮し、推定した降雨強度 DBM DBZ VEL1、VEL2、VEL SPW ZDR LDR PHIDP (φDP) KDP RHOHV (ρHV(0)) NCP Zc ZDP (u,v,w) R(Z) R(KDP) R(profile) R(ZDP) R(attenuation)
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