Transcript 2 km - NiCT

沖縄偏波降雨レーダー
（ＣＯＢＲＡ）で観測された
晴天境界層エコーと積雲対流
佐藤晋介、中川勝広、出世ゆかり、井口俊夫 （NICT）
古澤文江、中村健治、民田晴也 （名大HyARC）
LAPS Internal Workshop, 1 March 2007＠名古屋大学
本日の話の内容
１） ２００５年沖縄集中観測の結果
２） これまでの研究経緯と問題点
３） 問題点解決に向けて
・ レンジコレクション問題
・ρHVとSNRの関係
４） 今後の課題と期待される観測
2005沖縄集中観測の概要 （2005/6/30～7/10)
COBRA RHI (AZ=41.2)
400 MHz Wind Profiler
Ogimi site
WPR&Sonde
Ogimi site
COBRA （Cバンド偏波レーダ）
Video
Nago site
COBRA
Nago site
COBRA観測シーケンス
ClearSkyHyARC_Land
3 PPIs & 14 RHIs per 10 min
（Nagoya-Univ ClearSky IOP2005）
No.
Pol
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
HV
EL
[deg]
1.4
7.0
8.0
90.0
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
RHI
1.4
AZ
PW
[deg] [us]
PPI
2.0
PPI
0.5
PPI
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
41.2
0.5
0.0
0.5
PRF1
[Hz]
750.2
1,111.1
1,111.1
250.0
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
1,785.7
250.0
(Rmax
([km]
200.0
135.0
135.0
600.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
84.0
600.0
Vmax)
[m/s])
5.3
7.8
7.8
1.8
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
1.8
PRF2 Range
RangeBins
Integ AntSpd Time
Note
[Hz]
[km] [hit] [rpm] [sec]
563.1 192.3
32
2.0 30.0○
833.3 40.0
18
2.0 30.0○
833.3 40.0
18
2.0 30.0○
10.0 32/64 Pos
1.0 EL=90°AZ=41.2°に
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
20.0
128
-0.5 30.0 EL=90°→0°
20.0
128
0.5 30.0 EL=０°→90°
10.0 32/64 Pos 512.0
1.0 秒
Move to ＥＬ=1.4°
range reso. = 75 m (0.5 s in pulse width)
angle reso. = 0.4 deg (0.9 deg in beam width)
単純和
Actual Time
533 Sec
Ant Movement in a Beam [deg] = PRT * (2 for HV, 4 fo
PPI (HV) =2.387712 deg
PPI (HV) = 0.9072 deg
2.0us
RHI (HV) = 0.43008 deg
晴天大気エコーの抽出
m/s
dBZ
(c)
HEIGHT (km)
(a)
Oogimi
dBZ
(d)
HEIGHT (km)
(b)
Extracted
DISTANCE FROM RADAR (km)
DISTANCE FROM RADAR (km)
Maskout the ground clutter echoes using
(-0.5 < VEL < 0.5 m/s) & (NCP < 0.2)
* NCP (Normalized Coherent Power) is used to
distinguish the valid velocity data from noise-level data
晴天大気エコーの特徴と偏波特性
0721Z, 08JUL2005
0341Z, 08JUL2005
HEIGHT (km)
HEIGHT (km)
HEIGHT (km)
0441Z, 07JUL2005
DISTANCE FROM RADAR (km)
DISTANCE FROM RADAR (km)
DISTANCE FROM RADAR (km)
Small CAEs
Middle CAEs
Large CAEs
- max HT < 2 km
- horiz scale ~1 km
- max HT > 2 km
- horiz scale ~1.5 km
- max HT > 2.5 km
- horiz scale 2~3 km
CAE: ZHH: -5 ~ +5 dBZ
ZDR: ~ 0 dB, HV(0): 0.5~0.9
*ZDR:H・V偏波間でのＺ因子の比
*HV(0): H・V偏波間の相関係数 （散乱体積内の
（目標物の扁平度、 ZDR=10log(ZH/ZV)）
目標物の形や方向が揃っているかの指
その他のエコーと偏波特性
0605Z, 07JUL2005
1601Z, 07JUL2005
HEIGHT (km)
HEIGHT (km)
HEIGHT (km)
1528Z, 07JUL2005
DISTANCE FROM RADAR (km)
Organized huge CAEs
- high HV at the TOP
DISTANCE FROM RADAR (km)
DISTANCE FROM RADAR (km)
Birds or Insects?
Rainfall (12-14 km)
- large ZHH
- large ZDR
- low HV
- large ZHH
- high HV ~1.0
400 MHz WPR による水平風速
HEIGHT（km）
07JUL
2005
5
4
3
2
10 m/s
1
Analysis Period
09
HEIGHT（km）
08JUL
2005
10
11
12
13
14
15
16
17
JST
5
4
3
10 m/s
2
1
09
10
11
12
13
14
15
16
17
m/s
JST
タワーエコーの発達
14:08:29JST
HEIGHT (km)
4
3 min
14:11:43JST
3
2
dBZ
1
A plume-like
tower echo
appears
HEIGHT (km)
3
The tower echo
develops with a
reflectivity core
2
1
0
4
HEIGHT (km)
1 min
14:14:18JST
1
0
4
1.5 min
14:13:16JST
2
0
4
HEIGHT (km)
(w/o RHI data)
3
The strong
echo core
disappears
(or moves out)
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
DISTANCE FROM RADAR (km)
16
18
20
ドーナツ型エコー（水平断面）の
上部から発達したタワーエコー
14:11:43
JST
DISTANCE FROM RADAR (km)
Ogimi
Ogimi
VIDEO
Wind direction
HEIGHT (km)
14:10:59
JST
DISTANCE FROM RADAR (km)
DISTANCE FROM RADAR (km)
ビデオカメラが捉えた発達する積雲
サーマルによる晴天大気エコー
から発達する積雲対流
doughnut-shaped echo
in a horizontal section
C-band radar
cannot detect
cloud droplets.
cumulus
convection
Large droplets
Thermal in the shape
of a temple hung-bell
Top of ABL
penetrate
the ABL?
inversed-U shaped
echo in a vertical
section
U
ABL
Thermal
まとめ （2005集中観測結果）
• 大気境界層内のサーマルによる晴天大気エコー（CAE)を
Cバンドの偏波レーダCOBRAで観測した。
- 鉛直断面では逆U字型、水平断面ではドーナツ型エコー
として観測されるCAEは釣鐘型をしている.
- CAEは ZDR～０dB、ρHV：0.5～0.9の偏波特性を持ち、
鳥（や昆虫？）による生物エコーとは明確に区別される.
• CAEの存在した場所からタワーエコーの発達が観測され、
ビデオ観測からそれが積雲であることが示唆された.
- タワーエコーは レーダで検知できる大きさの水粒子の
可能性がある（ρHV > 0.9）.
- 発達したサーマルは、対流不安定な自由大気中の
積雲対流の引き金になると考えられる.
これまでの研究経緯と問題点
１） ２００４年：ＣＯＢＲＡでＣＡＥが観測できることを確認（高橋仁）
２） ２００５年：６/３０～７/１０集中観測（ＣＯＢＲＡ，Ｓｏｎｄｅ，Ｖｉｄｅｏ）
・ 偏波データ（ＺＤＲ，ρＨＶ）で生物エコー（鳥）は区別できる
⇒ 乱流エコー(Bragg散乱)か小さな虫エコーかは不明
・ 形状や発達過程よりＣＡＥはサーマルであることが示唆
⇒ 積雲（雲粒子は観測不可）まで発達した時に、ＣＯＢＲＡが
何を見ているかは不明
３） ２００６年：ＣＯＢＲＡデータ再解析＋数値モデル実験（民田春也）
・ ＣＯＢＲＡ近距離データ（ＲＨＩ）のRange Correctionが異常？
・ ＣＡＥの散乱ターゲットが何であるかが問題
Wilson, et al. 1994, Jtech： 米国 S/C/X-band, 偏波レーダによるCAEの総合的評価
Zrnic and Ryzhkov 1998, IEEE trans: 偏波レーダによる虫・鳥観測 （ρHV＝0.3～0.5）
レンジコレクション問題
距離 6kmを
基準にして
Range Corr.
をかけた結果
（by 民田）
・ POWER（dBm）には Range Corr.はかかっていない
・ ZHHやZVV等には２重に Range Corr.はかかっていない
・ T/Rリミッタの劣化で、レンジ2 km以下の受信レベル低下したことはあるが、
現在のT/Rリミッタには劣化は見られない（NEC2006/4/10確認）
・ COBRAアンテナ（Φ=4.5 m） のファーフィールド条件は723 m以上であり、
それ以下の距離ではアンテナビーム形成が不十分のため、ゲインが下がる
・ PPI、他方位角のRHIでは同様の現象が見られない！
・ 避雷針がAZ=３７°（設計図面より） に設置されており、その影響が心配される
→ RHI(AZ=42.1)で出るのであれば、PPIでも出るはず（未確認）
→ HとVでレベル低下が異なるはず （未確認）
ρＨＶの計算における雑音の影響 （ｂｙ 井口）
サンプル数が無限大の場合
雑音を考慮した場合の観測値
（ ＜＞ は平均値を表す）
（Ｓは信号、ｎは雑音）
信号と雑音は独立、ＨとＶも独立
と仮定して、式を展開
観測値と新値の関係
（Ｓは信号、ｎは雑音）
の場合
ρＨＶとＳＮＲの関係
（降雨エコーの場合 by出世）
補正前
補正後（分散は考慮せず）
今後の課題と期待される観測
• COBRAノイズの扱いをきちんと行う
- ノイズサンプルモード(RHI)で観測を行い、
信号からノイズを差し引いて計算を行う
- ρHVはSNRを用いて補正する
• 本観測のアドバンテージは、連続RHI観測、フルポラリメトリック
- ZDR、ρHV以外に有効な偏波パラメータはないか？
• サーマルでも積雲対流でも、上昇流を測ることが重要
- 400MHz帯ウィンドプロファイラは、下層(～0.6 km)が見えない
- 超音波風速計、ドップラーソーダなども利用すべき
- 大宜味を観測域とするdual-Doppler観測が期待される
• Bragg散乱を確かめるためには、多周波レーダ観測が有効
• CAEと積雲対流の関係を調べるためには、
雲レーダ（９５GHｚ）等による同時観測が期待される
BACKUP
ＣＯＢＲＡ観測サマリー
UT 15Z 16Z 17Z 18Z 19Z 20Z 21Z 22Z 23Z 00Z 01Z 02Z 03Z 04Z 05Z 06Z 07Z 08Z 09Z 10Z 11Z 12Z 13Z 14Z
JST 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
June 30
July 01
July 02
July 03
July 04
July 05
July 06
July 07
July 08
July 09
Sonde
赤は欠測
Level-2 data: ZHH, ZVV, ZHV, ZVH, VELa, VELb, NCP,
LDR(HV), LDR(VH), RhoHV(0), RhoHV(1), RhoHV(2),
PhiDP, ZDR, ZDP, RR, POW
データ処理： 75 m x 0.4 deg in Rθ-grid ⇒ 100 m x 100 m in XZ-grid
(using nearest neighbor)
(using 4/3 equiv earth radius)
See animation (every 10 min): anime0630-0702.gif
anime0703-0705.gif
anime0706-0709.gif
C-Band Okinawa Bistatic
polarimetric RAdar (COBRA)
< COBRA Specifications >
Frequency
5340 MHz
Peak power
Pulse width
PRF
250 kW×2 (Klystron)
0.5 / 1.0 / 2.0 s (Klystron)
250-3000 Hz, PRT 1 s step
staggered PRF
Antenna
4.5 m  parabola
Antenna gain
45 dBi (inc. radome)
Beam width
0.91 deg
Sidelobe level
< -30 dB (AZ dir., one way)
< -28 dB (EL dir., one way)
Cross pol ratio
> 36 dB (integ in a beam)
Tx Polarization
H / V / +45 / -45 / LC / RC
Doppler estimation
Pulse-pair / FFT
Range bin num
> 2000
Antenna scan
0.5-10 rpm (PPI)
0.1-3.6 rpm (RHI)
COBRA was installed on a mountain peak
(343 m in ASL + 15 m tower) in Nago city,
Okinawa Island.
400 MHz-band Windprofiler
＜400 MHｚ WPR Specificatons＞
Radar Type
Frequency
Peak Power
Average Power
Pulse Length
PRF
Antenna Type
Antenna Size
Beam Width
Beam Steerability AZ
EL
Pulsed Doppler Radar
443.0 MHz
20 kW
2 kW
1.33 / 2.0 / 4.0 us
6.25 / 20 kHz
24 x 24 element crossed array
10.4 x 10.4 m
3.3 deg
0 - 360 deg
0 - 15 deg
＜Other instruments at Oogimi＞
• 1.3 GHz-band Windprofiler
–1357.5MHz, 1 kw (peak), 2.1 x 2.1 m
•
•
•
•
•
•
•
Doppler Sodar
GPS sonde
Ceilometer
Automatic Weather Station
Optical Rain Gage
Micro Rain Radar
2D Videl Disdrometer
Oogimi Windprofilers Facility
Doppler
Sodar
400 ＭＨｚ ＷＰＲ
1.3 GHz ＷＰＲ
Small CAEs 0721Z, 08July05
Middle CAEs 0441Z, 07July05
Large CAEs 0341Z, 08July05
Birds or Insects?
(July 07, 06:05:21Z)
Huge Thermal
(July07, 15:28:29Z)
Rainfall at Oogimi
Oogimi
(July07, 16:01:43Z)
Strange Echo Layer
(July08, 00:53:47Z)
Abnormal Propagation ?
境界層エコーの時間変化
See animation (every 30 sec): anime070703-070706.gif
anime070714-070716.gif
anime070714-070716.gif
anime070803-070809.gif
＜特徴的なエコー＞
July07, 05:12:44Z -- Jumping Thermal
July07, 05:53:16Z ～ 06:42:45Z --- Birds/Insects? (low RhoHV)
July07, 14:48:29Z -- Jumping Thermal
July07, 15:28:29Z -- Large Thermal (～5 km diameter)
July07, 16:01:43Z -- Rainfall at Oogimi
July07, 20:30Z ～ July08, 06:00Z
--- strange echo appeared in 0.5 ～1 km height
はじめに
• 晴天大気エコー(CAE: Clear Air Echo)が気象レーダで観測される
ことは1940年代から知られており、COBRAによる観測結果も報告
されている（高橋仁ほか; 2004, 2005）．
• 夏季陸上で日中の大気境界層内に生じるサーマルによるCAEは、
大気乱流による大気屈折率の変化によるブラッグ散乱による．
• 大気中の対流は、そのスケールの違いによって、プリューム・
サーマル・積雲・積乱雲などと呼ばれるが、大気境界層内の
小さな対流が積雲や積乱雲の発達にどのように関係している
かは、ほとんど知られていない．
• 本研究では、COBRAによる近距離での高感度・高分解能の連続
観測により、大気境界層内のサーマルが積雲対流に発展する
過程を調べることを目的とする．
まとめ ＆ 今後の課題
１．Vel < -0.5 m/s & Vel > 0.5 m/s & NCP >0.1 の条件で
境界層エコー（サーマル）をほぼ抽出することができた。
２．通常のサーマルの水平スケールは １～２ km 程度で
到達高度は１～２.５ km程度であった。
３．サーマル上部は高いRhoHVで特徴づけられ、大きな
雲粒子（or Drizzle）があると考えられる
４．２種類の奇妙なエコーが観測された
→低いRhoHV（固まって移動）は鳥・昆虫？
→高いRhoHV(高度0.5～1kmに層状）は霧・もや？
＜今後の課題＞
・ RhoHV以外の偏波データについても調べる
・ 奇妙なエコーの正体を探るためビデオ映像などを調べる
等価地球半径によるビーム高度
COBRA Volume Scan: EL=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 (14 angles)
16
14
Height [km]
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
Slant Range [km]
Distance along the Earth surface (using the 4/3 R: Earth equivalent radius)