Transcript ppt - ドップラーライダーによる宇宙からの風観測を考える検討会

台風観測研究の今後の展望
～台風力学から応用へ～
筆保弘徳
横浜国立大学
資料提供者：山口宗彦(気象研究所)・城岡竜一(JAMSTEC)
佐藤正樹(東京大学/JAMSTEC)・伊藤耕介(国立台湾大学)
真鍋和大(京都大学)
第1回ドップラーライダーによる宇宙からの風観測に関する講演会
2011年9月30日 東京大学理学部1号館小柴ホール
日本における台風災害の甚大さ
日本における自然災害の要因割合(1980-2005)
人的被害
人
500
400
300
200
100
0
1960
1970
1980
1990
2000
年
経済損失
億円
5000
7,726
6,785
4000
3000
2000
1000
2005年の価値基準による見積もり
0
1960
1970
1980
1990
2000
Munchener Ruck Munich Re Groupより
年
人的被害は小さくなっているが、経済
損失などの被害は減少してきていると
はいえない
台風災害は、地震災害とならび、日本
の自然災害の大きな割合を占める
特異な挙動をする台風の増加
2010年 日本海で勢力を衰えずに上陸
1004号 秋田上陸
2010年8月
1009号 福井上陸
2010年9月
台風研究の必要性
台風被害が依然として大きい現状の背景には
 台風経路予報の精度は平均的には向上したが、個々の事例で
は約1000kmの誤差も・・
 数値シミュレーション・観測研究により台風力学の理解が進展し
つつあるが、応用・技術開発が進んでいない
数値シミュレー
ション
大型台風観測
計画
台風力学
応用
求められるもの
亜熱帯海上のモニタリング
衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測
衛星搭載ドップラーライダーにより、対流圏の風を
高精度に観測できれば・・・
環境場と台風の関係
• 台風の進路予報
• 台風強度・サイズの予報
• 台風発生過程の理解
１．台風進路
東・東南アジアへの台風の進路
50年間の台風発生位置
1997～2007年の台風進路予報誤差
Yamaguchi et al. (2009)
30年間の台風経路
1951～2004年統計
台風発生：27.0
日本・韓国上陸:3.4
中国上陸:3.7
インドネシア半島上陸:5.1
東・東南アジアへの台風の進路
アンサンブル予報が示すとおり、予報の難し
い(スプレッドが大きい)台風が存在
・高層観測点が少ない領域
・偏西風帯と太平洋高気圧の合流域
・転向時が難しい
偏西風
太平洋高気圧
台風トラック研究の国際観測プロジェクト
予報誤差が生じる原因は二つ(Yoden, 2006)
(1) 大気の持つカオス的性質により初期値に
含まれる誤差が増大すること
(2) 予報モデルが不完全で現実大気の変化を
正しく表現できていないこと
DOTSTAR: Dropsonde Observation for Typhoon
Surveillance near the Taiwan Region.
国立台湾大学と台湾気象局が主体となって2003年に
DOTSTARと呼ばれるプロジェクトが開始された。
DOTSTARでは台湾に影響のありそうな台風を対象に、
年に10回程度航空機によるドロップウィンドゾンデ観
測を行っている。
T-PARC： THORPEX Pacific Asian Regional
Campaign
日本が主導した国際研究計画のもと(研
究代表者: 中澤哲夫)、2008年に台風進路
予報の改善を目的として航空機による台
風の直接観測が行われた。
台風周辺の気温、湿度、気圧、風速 の
詳細な観測
Conson(T0404)を対象としたドロップゾン
台湾国立大学が、2002年より、台湾に影響
デ観測
を及ぼすことが予想される台風に対して有
人飛行機によるドロップゾンデ観測を行って
いる (DOTSTAR: Dropsonde Observation
for Typhoon Surveillance near the Taiwan
Region) 。 2004年 6月 8日 12UTCに台風
Consonを対象とした観測が行われた。
観測時の赤外画像
Produced by National
Institute of Informatics
Consonの中心位置
中心気圧： 960 hPa
最大風速 : 65 kt
全部で16点のドロップゾンデ観測
Yamaguchi et al. (2009)
航空機観測で劇的に進路予報が改善する例
観測
もし航空機観測データがなかったら、台風の北東進は
予想できていなかった（2004年台風第4号の事例)。
黒線：実際の台風進路
赤線：航空機観測デー
タがあった場合の台風
予報
青線：航空機観測デー
タがなかった場合の台
風予報
Yamaguchi et al. (2009)
台風移動に対する理論研究
一般化逆行列を用いて定義される
アンサンブルベースの感度を台風
の進路に関する感度解析に導入
従来手法と は異なり、台風の位置そのものを
評価関数とすることができ、進路に影響する
要素を直接、定量的に検出できる。
東西風(500hPa)に対する感度
評価関数:24時間後の台風中心経度
東西風(A-A’断面図)に対する感度
A
T1013 (Megi)
★
A’
(Ito and Wu, 2011, in preparation)
A’
A
衛星観測による進路予報の改善
AMV(Atmospheric motion vector)
(大気追跡風)
衛星観測による進路予測の改善に関して
(Velden et al. 1992, Goerss et al. 1998, 山
下2007, Wang et al. 2006, Langland 2009,
Goerss 2009)
Hurricane Katrina (2005)
(山下他 2007)
赤Rapid-scan AMV
青Regular AMV
(Langland 2009)
衛星観測による進路予報の改善
青 Regular
赤 Rapid-scan
RS-AMVの使用
Midium-range(72-120h)で改善
衛星観測RS vs．ドロップゾンデ
12%改善
観測点数の増加
広い空間・時間をカバー
緑 ベストトラック
青 Regular
赤 Rapid-scan
00UTC27 ±3h 15 drop sonde
衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測
環境場の風の観測ができれば・・・
・数値予報へのデータ同化
＝台風進路予報の精度向上
・理論研究の検証
台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば
・台風水平スケールへの影響
・理論研究の検証
環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・
・台風の軸対称化＝台風強度への影響
・理論研究の検証
環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・
・台風発生予報の可能性
・台風発生メカニズム理論の検証
２．台風強度・サイズ
台風の強さと大きさ
台風強度(台風中心気圧)
台風サイズ(影響半径)
｢大型で並の強さ｣｢小型で強い｣台風
両者は独立した発達メカニズム
Weatherford and Gray (1988a, b)
T0422 Oct 08 06UTC
T0423 Oct 19 06UTC
台風の強さと大きさ
T0418
台風のサイズが遠隔地への影響
風水害による損害保険金支払額
＜台風の概要＞
発生年月 2004年9月
特徴
・大型で進行速度が遅かった
・台風遠方時でも秋雨前線活発化に影響
（日本損害保険協会調べ；平成21年）
現実実験
台風なし実験
Wang et al. (2010)
３日間降水量
リアル実験
05/00 935
04/00 949
03/00 952
台風なし実験
南海上に台風がないと、関東の降水は約60％減
台風サイズの要因
台風サイズの発達メカニズム
仮説
・発生時の環境場：大規模擾乱のサイズ
・環境場の相対湿度
環境場感度実験による台風サイズの変化
地上風17m/sの半径 Hill and Lackmann (2009)
c)
Xu, and Wang (2010)
外部コア発達プロセス
軸対称構造
鉛直断面図
壁雲 眼 壁雲
上層雲 Anvil
上層雲 Anvil
10km
5 km
2 km
摩擦層
150km
60km 30km
0km
外部コア発達プロセス ： 外部アンビルの非断熱加熱に
より、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。
その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。
Fudeyasu and Wang (2011)
外部コア発達プロセス
軸対称構造
鉛直断面図
壁雲 眼 壁雲
上層雲 Anvil
上層雲 Anvil
10km
5 km
2 km
摩擦層
150km
60km 30km
0km
外部コア発達プロセス ： 外部アンビルの非断熱加熱に
より、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。
その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。
Fudeyasu and Wang (2011)
外部コア発達プロセス
軸対称構造
鉛直断面図
壁雲 眼 壁雲
上層雲 Anvil
上層雲 Anvil
10km
5 km
2 km
摩擦層
150km
60km 30km
0km
外部コア発達プロセス ： 外部アンビルの非断熱加熱に
より、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。
その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。
Fudeyasu and Wang (2011)
外部コア発達プロセス
軸対称構造
鉛直断面図
壁雲 眼 壁雲
上層雲 Anvil
上層雲 Anvil
10km
5 km
2 km
摩擦層
150km
60km 30km
0km
外部コア発達プロセス ： 外部アンビルの非断熱加熱に
より、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。
その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。
Fudeyasu and Wang (2011)
衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測
台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば
・台風水平スケールへの影響
・理論研究の検証
壁雲 眼 壁雲
上層雲 Anvil
上層雲 Anvil
10km
5 km
台風スケールの決定
2 km
台風強度の決定
摩擦層
150km
60km 30km
0km
大規模な風の正の効果
(負の効果が弱い)
大規模な風の負の効果
(鉛直シア・水平シア)
台風の軸対称化
台風の軸対称構造を壊す
2次循環が強まる
(SSI過程)
2次循環が弱まる
(SSI過程の衰退)
台風強度は強まる
台風強度は弱まる
大規模場の風＞台風構造(対流雲の組織化・軸対称/
非軸対称)をコントロール
メソスケール過程＞軸対称非断熱加熱（壁雲形成）に
よるSSIを通して、台風強度(発達/衰弱)を決定する
Fudeyasu et al. (2010)
衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測
環境場の風の観測ができれば・・・
・数値予報へのデータ同化
＝台風進路予報の精度向上
・理論研究の検証
台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば
・台風水平スケールへの影響
・理論研究の検証
環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・
・台風の軸対称化＝台風強度への影響
・理論研究の検証
環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・
・台風発生予報の可能性
・台風発生メカニズム理論の検証
3．台風発生
Background
台風発生メカニズムの解明は・・・
気象学研究においても、最も解明されていないメカニ
ズムの一つとされている(Emanuel 2003; Gore 2006；
伊藤 2007)
解明を困難にする原因は？
1. 台風発生が起きる亜熱帯域海上での密な観測が困難
2. 高精度な気象モデルを用いた数値シミュレーションを行っても，
長時間・多重スケール現象である台風を再現するのは困難
現在の研究状況
 亜熱帯域海上での総合的な観測
 NICAMによる長期間シミュレーション
Observation vs. NICAM
MTSAT-1R
NICAM
MJO-organized clouds
MJO-organized clouds
TS Isobel
TS Isobel
Dec. 29 2006
2weeks after initialization
Surface rain rate (mm hour-1) by TRMM-TMI
0920 UTC 2 Jan.
Latitude
300km
Surface rain rate (mm hour-1) by NICAM
2230 UTC 2 Jan.
台風セミナー 2011年9月13日
熱帯低気圧発生集中観測 (PALAU2008/2010)
メカニズム解明を目的とした観測計画の立案と実施
観測に用いた航空機 ガルフストリームII
航空機から投下して温湿度・風を
測定するドロップゾンデ
JAMSTEC熱帯気候変動研究プログラムの
集中観測概念図
台風Fengshenの全球雲解像シミュレーション
JTWC による
予報進路
観測船みらい
PALAU2008 集中観測
Fengshen 初期渦段階の
レーダーエコー（カラ―）
2008/6/17 21UTC
領域集中格子版
フィリピンに上陸、甚大な被害
目的：
・ 集中観測との連携による台風発生メカニズムの解明と予報精度向上
2008/6/11-20 平均
・ 国際観測プロジェクトYear of Tropical Convection(YOTC) への貢献
850hPa東西風速場
・ 3.5km格子計算を利用した積雲スキーム改善への貢献
（非断熱加熱率、マスフラックス、エントレインメント率評価）
実験設定：
・ 水平格子間隔: 3.5 km, 14km（感度計算）
・ 鉛直：40層 (0 m ~ 38,000 m)
・ 積分期間: 2008年6月15-25日（台風発生：6月19日）
・ 初期値データ: ECMWF YOTC Operational data (0.5x0.5度) MJOの通過に伴う赤道域西風
 大規模な低気圧循環
・ 海洋混合層モデル（Reynolds SSTにナッジング）
（台風の発生に好都合）
A synthesis of the cyclogenesis process
水平スケール
海域
スケール
ENSO等
熱的因子を満たす
プレコンディショニング
長期変化
季節内変化
MJO・
力学的因子を満たす
モンスーントラフ等
理想場実験での｢箱入り台風｣の発生は容易
プレコンディショニング
Synoptic-scale 大規模
-2000km
スケール
熱帯波動擾乱・
現実大気＝水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入
大規模擾乱等
ダウンス
台風発生過程にとって負の影響が多く存在する。
個々の台風
発生をコント
ロール
ケーリング
台風システム
Meso-α-scale スケール
相互作用
台風
メソスケール過程による台風発生完了までの長い期間に、この負の影響から台風の卵が守ら
2000km
クラスター・メソ対流・
- 200km
れるかどうかが、台風が誕生できるかの要と言える。(近年の研究marsupial
paradigm)
台風組織化
MCS・MCV併合・
SSI
メソ対流系
Meso-β-scale
軸対称化
スケール
アップス
200km
対流雲組織化を
ケーリング
- 20km
もたらす
相互作用
メソスケール過程
Meso-γ-scale
対流バースト・
メソ対流・
20km
対流活発化
VHTs併合・強化
対流スケール
- 2km
プレコンディショニングステージ
季節
10-60日前
台風組織化ステージ
自己発達ステージ
第1次渦強化
第2次渦強化
数日－10日前
発生
時間
台風セミナー 2011年9月13日
衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測
環境場の風の観測ができれば・・・
・数値予報へのデータ同化
＝台風進路予報の精度向上
・理論研究の検証
台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば
・台風水平スケールへの影響
・理論研究の検証
環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・
・台風の軸対称化＝台風強度への影響
・理論研究の検証
環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・
・台風発生予報の可能性
・台風発生メカニズム理論の検証
東アジア台風観測計画とアジア台風センターの設立
計画実施概要
 アジア台風センターを東京と沖縄に開設する。
東京本部は計画運営と研究の場として、研究者と大型コン
ピュータを配置し、観測と数値シミュレーションを融合した研
究を遂行する。
沖縄観測推進本部では、大規模な台風観測(飛行機・衛星
観測を含む)を継続的に実施する体制を整備する。
 日本が指導的な立場をとり、東アジア諸国の台風センターと連
携をとりながら、観測計画を提案・実施する。
 アジア台風センターを拠点として、各国の研究機関との共同研
究や若手研究者育成を図る連携を持つ。
気象庁台風センターとの違い
Shanghai Typhoon Institute
台風発生位置と進路
東京本部
Typhoon Dynamics
Research Center
APEC Research Center for
Typhoon and Society
沖縄観測推進本部
気象庁台風センター
職員7名
気象庁本庁予報課内
WNO所属の西太平洋地区の台風
監視組織
台風モニタリングとベストトラック作
成(Dvorak Techniqueによる台風中
心とサイズの見積もり)
飛行機・地上レーダー観測の概要
飛行機観測：台風強度の正確なデータベースのために必要
台風の中心気圧、風速の正確な観測は飛行機による。
西太平洋では、1987年8月以来、米軍による飛行機観測が途
絶えている。
台風
予算規模
• アジア台風センターの運営・研究施設の整備
(大型コンピュータを含む) 10億
• 沖縄観測推進本部の研究施設の整備5億
• 人件費 10億：（研究員10名ｘ10年）
• 航空機搭載レーダーの開発5億
• 10年間航空機運用30億
• 台風集中観測経費20億
計画の現状
ユニークなポイント
 東アジア及び東南アジア諸国との連携。
 1つの台風を各拠点から観測を実施。
 モデリング予報により、集中的に台風観測すべきツボをおさえた
観測の実施。
 東・東南アジア諸国で連携した大規模な台風研究は過去にない。
現段階での準備状況と実現の期待
 研究計画の大枠がまとまりつつある。
 東・東南アジア諸国との調整を進んでおり、台風研究をリードして
いる米国、台湾、中国の研究者との連携もすでにある。
 計画に必要な資金やアジア台風センターの設立場所などは定ま
っていない。
 アジア台風センターの設立は緊急を要しており、3年以内には計
画を開始・実施したい。
1
12月4
日 10:00-10:20 海洋環境保全を担う統合観測システムの開発と構築
池田 元美 北海道大学名誉教授
2
12月4
日 10:20-10:40 地球惑星科学のフロンティア ― 南極内陸高地総合観測
情報･システム研究機構国立
藤井 理行 極地研究所
3
12月4
インド洋・太平洋の短期気候変動観測・予測・社会適応システム
日 10:40-11:00 の研究開発
安藤 健太 独立行政法人
発機構
郎
4
12月4
日 11:00-11:20 国際赤道大気研究センター
津田 敏隆 京都大学生存圏研究所
5
12月4
日 11:20-11:40 衛星による全球地球観測システムの構築
福田 徹
宇宙航空研究開発機構
6
12月4
日 11:40-12:00 静止衛星を利用した大気汚染・気象の次世代観測研究計画
秋元 肇
（財団法人）日本環境衛生セ
ンター
東京大学先端科学技術研究
センター
海洋研究開
12月4
日 12:00-13:00 昼休み
7
12月4
日 13:00-13:20 航空機観測による大気科学・気候システム研究の推進
近藤 豊
8
12月4
日 13:40-14:00 北極変動
海洋研究開発機構・地球環境
大畑 哲夫 変動領域
9
12月4
陸上生態系の水・物質循環を通じた環境維持作用に対する基礎
日 14:00-14:20 医学的研究
谷誠
10
12月4
日 14:20-14:40 東アジア台風観測計画とアジア台風センターの設立
横浜国立大学
筆保 弘徳 学部
11
12月4
日 14:40-15:00 気候変動予測連携研究拠点
木本 昌秀 東京大学大気海洋研究所
12
12月4
九州大学 宙空環境研究セン
日 15:00-15:20 全球的地上衛星連携観測による宇宙嵐・地震前兆に関する研究 湯元 清文 ター
13
12月4
日 15:40-16:00 大型レーダーを用いた南北両極の大気科学の推進
佐藤 薫
京都大学 農学研究科 森林水
文学分野
教育人間科
東京大学大学院理学系研究
科
台風Fengshenの全球雲解像シミュレーション
MTSAT-IR
NICAM 3.5 km
3.5 km格子
標準
観測
14km格子
標準乱流混合
（青・黄・緑）
台風発生２日前 （2008/06/17 00UTC) 雲分布
14km格子
強乱流混合
台風直後 （2008/06/19) １日積算降水量
観測
• 乱流混合強化による進路の改善（14km格子）
• 高解像度化による進路の改善
進路予報向上に対する雲分布の再現性の重要性を示唆
3.5 km格子
標準
14km格子
強乱流混合
mm/hr
14km格子
標準乱流混合
mm/hr
気象衛星観測
気象衛星観測：
衛星観測による台風の統計データベース
将来の気象衛星計画の提案
台風の発生・強度・構造変化
赤道周回衛星の提案
熱帯降雨観測衛星TRMM
による台風観測
Megha-Tropiques
EquiTrap/EquiWinds
15N
15S
JAXA Homepageより
Observed range
熱帯降雨観測衛星
降雨レーダー(TRMM/PR)
京都大学大学院
真鍋 和大
• マイクロ波を発射し返ってくるエコー
を観測 →３次元構造がわかる
• 観測範囲：36°S～ 36°N
Katrina の降水鉛直分布
地上から20km
– 衛星高度：402.5km
8/10/2011
(km)
• 観測幅：245km
• 鉛直分解能：250m
• 水平分解能：5km
高
さ
43
台風の大きさ
T0422 Oct 08 06UTC
T0423 Oct 19 06UTC
１００８
１００８
１００4
１００4
Pre-T0422 Oct 04 00UTC
Pre-T0423 Oct 12 18UTC