Transcript 講義 - 超高層大気長期変動の全球地上ネットワーク観測・研究

IUGONETデータ解析講習会@極地
研
2011年7月27日(水)
RISHデータ解析講習
担当：新堀淳樹(京大RISH)
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1. 講習内容
(1) 地球大気の鉛直構造とその観測測器
(2) 京大生存研の保有する観測測器とそのデータについて
赤道大気レーダー、信楽MUレーダー、
インドネシアの流星・MFレーダー
(3) 赤道大気レーダーのデータ解析演習
基礎編：各種論文に記載されている図の再現
応用編：他のデータセットとの統合解析
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2. 地球大気の鉛直構造
熱圏
中間圏
成層圏
対流圏
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3. 赤道大気の上下間結合
＜赤道大気現象を観測する意義＞
赤道大気現象とその上下間結
合
これらの中性大気の振動と電離
圏プラズマとの相互作用によっ
て、電離圏不規則構造や赤道
ジェット電流の変化が発生
↑
波動-波動、波動-平均流相互作
用を介して、半年(SAO)・準2年
周期振動(QBO)などを駆動する
↑
波動の上方伝搬によって、力学
エネルギーと運動量が上層に輸
送される。
↑
広い周波数帯の多種の大気波動
（ケルビン波、混合ロスビー波、
潮汐、重力波）が生成する
↑
強い太陽放射により積雲対流が
活発に励起される
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3. 赤道大気の上下間結合
＜赤道大気に関する重要研究テーマ＞
赤道大気・流星レーダー等を用いた研究内容
１．高精度の風速ベクトル測定
⇒積乱雲の生成と消滅による風速変動の微細構造の解明
２．赤道大気の長期連続観測
⇒大気波動と大気循環の関連を 明らかにする
３．地表付近から電離層にわたる観測
⇒赤道大気の力学的 上下結合の解明
(CPEA特定領域研究：2001-2007)
以上の観測を総合することで、オゾンや二酸化炭素など大気微量成分の
全球輸送の様子やエルニーニョ現象などの気候変動につながる地球大気
の変動を 明らかにできる
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4. 地球大気の観測測器
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5.京大生存研の保有する観測測器
＜赤道大気レーダー(EAR)＞
赤道大気レーダーの諸元
位置: 東経100.320度、南緯0.204度、 海抜865m
中心周波数: 47.0 MHz
送信出力: 100 kW
アンテナ形式: 略円形アクティブ・フェーズド・アレイ (直径約110m, 3素
子八木アンテナ560本)
アンテナビーム幅、方向: 3.4度 (-3 dB, 片道)、任意 (天頂角30度以内)
観測高度: 1.5km-20km (大気乱流)、 90km以上 (電離圏イレギュラリティ) 7
5.京大生存研の保有する観測測器
＜インドネシアのMF、流星レーダー群＞
Meteor radar
Kototabang (2002-)
Regional network in
Indonesia (1992- )
流星レーダー
(Jakarta, Koto Tabang)
MFレーダー
(Pontianak,
Pameungpeuk)
Meteor radar
Jakarta (1992-1999)
★
MF radar
Pontianak (1995- ）
★
★★
MF radar
Pameungpeuk (2004-)
MF radar
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5.京大生存研の保有する観測測器
＜コトタバン流星レーダーについて＞
Meteor radar
Kototabang (2002-)
コトタバン流星レーダーの諸元
位置: 東経100.320度、南緯0.204度、
海抜865m
中心周波数: 37.7 MHz
送信出力: 12 kW
観測高度: 70km-110km (中間圏・
下部熱圏風速)
5本のアンテナの干渉計で全天の
流星飛跡の方向を計測
レーダーの原理図
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6.京大生存研の保有する観測測器
＜赤道大気レーダー(EAR)のデータベース＞
1．対流圏・成層圏標準観測
http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/ear/data/index.html
実データ：CSV、NetCDF形式、時間分解能：10分
風速3成分、エコー強度、スペクトル幅
画像データ：高度-時間プロット(1日、1月)
風速3成分、エコー強度、スペクトル幅
2. 電離圏FAI観測(E領域、E/F領域、V領域、F領域)
http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/ear/data-fai/index.html
実データ：CSV、NetCDF形式、時間分解能：観測モードに依存
Doppler速度、エコー強度、スペクトル幅、ノイズレベル
画像データ：高度-時間プロット(1日、1月)
エコー強度
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7. EARデータ解析演習
<対流圏・成層圏標準観測データ解析> [基礎課題1]
赤道大気レーダーの対流圏・成層圏
標準観測モードでとらえられた熱帯域
の成層圏下部から対流圏の風速の高
度時間プロットの作成
日時：2001/11/01-2001/12/31
観測高度範囲：2-20 km
時間分解能：10分
上段：東西風
中段：南北風
下段：鉛直上向き風
下部成層圏(15-20 km)で赤道ケルビ
ン波に伴う周期10日程度の東西風変
動が観測されている
Fukao et al., 2002; Hashiguchi et al., 200211
7. EARデータ解析演習
<対流圏・成層圏標準観測データ解析> [基礎課題1]
(1) 対流圏・成層圏観測データ解析-1
●日時を指定して高度-時間プロットを作成する
> timespan, ‘2001-11-01’, 61 ,/day
(2001/11/01から61日分のデータの日時指定)
> iug_load_ear, datatype = ‘troposphere’, $
> tplot_names
（tplot変数名の確認）
風速3成分、各ビーム毎のスペクトル幅等のtplot変数がロードされる
> tplot, ‘tplot変数名’
⇒プロットが出力される
※複数のプロットをしたい場合：
> tplot, [‘tplot1’,
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7. EARデータ解析演習
<対流圏・成層圏標準観測データ解析> [基礎課題1]
(1) 対流圏・成層圏観測データ解析-2
●簡単な解析の演習
> zlim, ‘tplot変数名’, 最小値、最大値
(カラーバー範囲変更)
(ex. > zlim, 1, -20,20)
> tsmooth_in_time, ‘tplot変数名’, 時間(秒)
例えば、東西風速の1日の移動平均をかけたい場合、tplot変数名のとこ
ろに東西風速を表すtplot変数名を、時間のところに86400秒をいれれば
よい。
> ylim, ‘tplot変数名’, 最小値、最大値(y軸の範囲変更)
例えば、東西風速の高度10－20kmの対流圏界面、成層圏下部の部分
を拡大したい場合は、 tplot変数名のところに東西風速を表すtplot変数
名を、最小、最大のところに、10, 20をそれぞれいれればよい。(他も同
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7. EARデータ解析演習
<対流圏・成層圏標準観測データ解析> [基礎課題1]
(1) 対流圏・成層圏観測データ解析-3
●簡単な解析の演習
> tlimit, ‘tplot変数名’, 開始日時、終了日時
(時刻範囲変更)
(ex. > tlimit, ‘2001-11-24’, ‘2001-12-06’)
例えば、得られているプロットの図に対して、横軸の時刻範囲を2001
年11月24日から2001年12月6日に拡大したい場合、このコマンドを用
いる。
自分の好きな箇所を拡大したい場合は、tlimitだけを打つと、プロット
にカーソルを持ってくると、十字の線が現れるので、各々のところで、
右クリックをすれば、そこの時刻の拡大図が出来上がる。
zlim等でカラーバーの範囲をあらかじめ設定しておくと、時刻を拡大
した時に、その範囲が自動で設定されなくなる。
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2 +応用課題]
(3) 解析後のプロット等の保存
●作成したプロットをpsやpngファイル等へ保存
[psファイルへの保存]
> popen, ‘ 保存するファイル
名’
ex. popen, ‘test.ps’
[pngファイルへの保存]
> makepng, ‘保存するファイ
ル名’
ex. makepng, ‘test’
> tplot
> pclose
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7. EARデータ解析演習
<対流圏・成層圏標準観測データ解析> [基礎課題1]
2001年11月1日から12月31
日までの時系列プロット
2001年11月24日から12月6
日までの拡大プロット
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2 +応用課題]
演習の流れ：
(1) FAI観測データ解析
2007年8月25・26日10:00-15:00 (LT)のFAI観測モードデータ
視線速度、スペクトル幅、エコー強度の高度-時間プロットの作成
平均値の計算、平均場の除去、移動平均
(2) 他のデータとの比較解析
京大・名大・九大の地磁気データとの比較
赤道ジェット電流の変化と電離圏不規則構造の出現との関係
(3) 解析後のプロット等の保存
作成したプロットをpsやpngファイル等へ保存
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
課題：
赤道大気レーダー(EAR)の電離圏FAI観測で捉えられた昼間側赤
道電離圏150kmの電離圏不規則構造の解析
●演習に用いるEAR観測データ
2007年8月25・26日10:00-15:00 (LT)のFAI観測モードデータ
●EARの観測モード
V-regionモード(fai150p8c8b 、fai150p8c8d、fai150p8c8e)
fai150p8c8b (Az: 180.0, Ze:21.2)
fai150p8c8d (Az: 225.0, Ze:29.23)
fai150p8c8e (Az: 150.1, Ze:24.03)
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
左図に示されるような、赤道大気レー
ダー・電離圏FAI観測モードで得られた
昼間側電離圏不規則構造の高度-時
間プロットを完成させる
日時：2007/08/25 03:00-08:00
観測高度範囲：130-170 km
時間分解能：10分程度
上段：エコー強度
中段：スペクトル幅
下段：視線方向のドップラー速度
観測ビーム方向： fai150p8c8d
(Az, Ze) = (165.0, 21.84)
Patra et al., 200819
7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
(1) FAI観測データ解析
●日時を指定して高度-時間プロットを作成する
> timespan, ‘2007-08-24’, 3 ,/day
(2007/08/24から3日分のデータの日時指定)
> iug_load_ear, datatype = ‘v_region’, $
parameter1 = ‘150p8c8b’
> tplot_names
（tplot変数名の確認）
> tplot, ‘tplot変数名’
⇒プロットが出力される
※複数のプロットをしたい場合：
> tplot, [‘tplot1’,
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
(1) FAI観測データ解析
●高度と時間範囲の変更
[高度範囲の指定]
> ylim, ‘ tplot変数名’, (下限値), (上限値)
下限=130、上限=170
[時刻範囲の指定]
> tlimit, ‘2007-08-25 03:00’, ‘2007-08-25 08:00’
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
(1) FAI観測データ解析
●平均処理、平均場の差し引き、移動平均
[平均処理]
> avg_data, ‘ tplot変数名’, (平均する時間幅、単位は秒)
ex. 平均する時間幅=600
[平均場の差し引き]
> tsub_average, ‘tplot変数名’
[移動平均]
> tsmooth_in_time, ‘tplot変数名’, (平均する時間幅、単位は
秒)
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[基礎課題2]
parameter1 = ‘150p8c8d’
parameter1 = ‘150p8c8e’
(Az, Ze) = (225.0, 29.23)
(Az, Ze) = (150.1, 24.03)
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[応用課題]
(2) サブストーム時の夜側の赤道電離圏変動解析
●京大・名大の地磁気データ、地磁気指数との比較
[ダウンロード時刻範囲の指定]
> timespan, ‘2007-08-24’, 3 ,/day
[210度地磁気データのロード：コトタバン]
> erg_load_gmag_mm210, site = ‘ktb’, datatype = ‘1min’
[京大WDC地磁気指数(AE)のロード]
> iug_load_gmag_wdc, site = ‘ae’
[プロットの作成]
> tplot, ‘tplot変数名’, [‘tplot1’, ‘tplot2’,…]
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[応用課題]
2007年8月24日から8月27
日までの時系列プロット
左図に示されるような、地磁気指数
(AE)、コトタバンの地磁気データ、及び
EAR電離圏FAI観測モードで得られた
電離圏プラズマの視線方向速度の高
度-時間プロットを作成する
日時：2007/08/24-27
観測高度範囲：80-200 km
時間分解能：10分程度
上段：エコー強度
中段：スペクトル幅
下段：視線方向のドップラー速度
観測ビーム方向： fai150p8c8e
(Az, Ze) = (150.1, 24.03)
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7. EARデータ解析演習
<電離圏FAI観測データ解析>[応用課題]
2007年8月25日から8月26
日までの時系列プロット
〇地磁気指数(AE)の変化
11:40過ぎに、AEの急激な増加と
ALの急激な減少を示す
→サブストームの発生
〇コトタバン地磁気の変化
上記の時刻に対応して、H成分の
急激な減少が現れ、これは、内部
磁気圏で形成された環電流による
ものである。
〇夜側電離圏プラズマの変化
高度100-120kmの範囲における電
離圏プラズマの視線速度が上記の
サブストームに対応して増加して
いる
→東向き電場によるExBドリフト
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8. まとめ
●今回の解析講習会で、京大生存圏のデータ(赤道大気レー
ダー：対流圏・成層圏標準観測、電離圏FAI観測)、地磁気指
数(AE)、及びコトタバンの地磁気データの統合解析演習を
行った。
●この解析講習会を通じて、各種の分野の異なるデータの統合
解析の手法とUDASの使用法を学んだわけであるが、これ以
外にもIUGONETプロジェクトでは、多くの超高層観測デー
タ(MLT領域の風速場など)の検索、解析ソフトを公開してい
るので、皆さんは、ドシドシ使い倒してほしい。
●今後も解析ツールの修正や公開データの種類の増加に伴う
アップデートがなされるので、IUGONETのホームページを
見てほしい
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