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

COBRA RHI (AZ=41.2)COBRA RHI (AZ=41.2)

Ogimi siteOgimi siteWPR&SondeWPR&Sonde

Nago siteNago siteCOBRACOBRA

VideoVideo

2005 沖縄集中観測の概要400 MHz Wind Profiler

COBRA （ C バンド偏波レーダ）

Nago site

Ogimi site

（ 2005/6/30 ～ 7/10)

COBRA 観測シーケンスClearSkyHyARC_Land（Nagoya- Univ ClearSky IOP2005）

EL AZ PW PRF1 (Rmax Vmax) PRF2(RmaxRangeRangeBinsInteg AntSpd Time[deg] [deg] [us] [Hz] ([km] [m/ s]) [Hz] ([km][km] [hit] [rpm] [sec]Verocity Fold

1 HV 1.4 PPI 2.0 750.2 200.0 5.3 563.1 192.3 32 2.0 30.0○2 HV 7.0 PPI 0.5 1,111.1 135.0 7.8 833.3 40.0 18 2.0 30.0○3 HV 8.0 PPI 0.5 1,111.1 135.0 7.8 833.3 40.0 18 2.0 30.0○4 HV 90.0 41.2 0.5 250.0 600.0 1.8 - - 10.0 32/ 64 Pos 1.0 EL=90° AZ=41.2° に（開始位置合わせ）5 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°6 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０7 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°8 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０9 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°

10 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０11 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°12 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０13 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°14 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０15 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°16 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０17 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 - 0.5 30.0 EL=90° → 0°18 HV RHI 41.2 0.5 1,785.7 84.0 12.5 - - 20.0 128 0.5 30.0 EL= ° → 90°０19 HV 1.4 0.0 0.5 250.0 600.0 1.8 - - 10.0 32/ 64 Pos 1.0 Move to =1.4°ＥＬ512.0 秒

Actual Time 533 SecAnt Movement in a Beam [deg] = PRT * (2 for HV, 4 for HV- dualPRF) * Integ * AntSpeedPPI (HV) =2.387712 degPPI (HV) = 0.9072 deg2.0usRHI (HV) =0.43008 deg

No. Pol Note

単純和

range reso. = 75 m (0.5 s in pulse width)angle reso. = 0.4 deg (0.9 deg in beam width)

3 PPIs & 14 RHIs per 10 min

晴天大気エコーの抽出

Oogimi

Maskout the ground clutter echoes using(-0.5 < VEL < 0.5 m/s) & (NCP < 0.2)

Extracted

m/sdBZ

(a)

(b)

(c)

(d)

DISTANCE FROM RADAR (km)

HE

IGH

T (

km

)H

EIG

HT

(k

m)

DISTANCE FROM RADAR (km)

dBZ

* 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0341Z, 08JUL20050441Z, 07JUL2005

DISTANCE FROM RADAR (km)

HE

IGH

T (

km)

HE

IGH

T (

km)

HE

IGH

T (

km)

0721Z, 08JUL2005

DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km)

Small CAEs- max HT < 2 km- horiz scale ~1 km

Middle CAEs- max HT > 2 km- horiz scale ~1.5 km

Large CAEs- max HT > 2.5 km- horiz scale 2~3 km

*ZDR:H ・ V 偏波間でのＺ因子の比 （目標物の扁平度、 ZDR=10log(ZH/ZV) ）

*HV(0): H ・ V 偏波間の相関係数 （散乱体積内の 目標物の形や方向が揃っているかの指標）

CAE: ZHH: -5 ~ +5 dBZ ZDR: ~ 0 dB, HV(0): 0.5~0.9

その他のエコーと偏波特性1601Z, 07JUL20050605Z, 07JUL2005

DISTANCE FROM RADAR (km)

HE

IGH

T (

km)

HE

IGH

T (

km)

HE

IGH

T (

km)

1528Z, 07JUL2005

DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km)

Organized huge CAEs- high HV at the TOP

Birds or Insects?- large ZHH- large ZDR- low HV

Rainfall (12-14 km)- large ZHH- high HV ~1.0

400 MHz WPR による水平風速

JST

JST

HE

IGH

T（

km）

5

4

3

2

1

09 10 11 12 13 14 15 16 17

09 10 11 12 13 14 15 16 17

HE

IGH

T（

km）

5

4

3

2

1

m/s

07JUL2005

08JUL2005

10 m/s

10 m/s

Analysis Period

タワーエコーの発達

dBZ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 DISTANCE FROM RADAR (km)

HE

IGH

T (

km)

4

3

2

1

0

HE

IGH

T (

km)

4

3

2

1

0

HE

IGH

T (

km)

4

3

2

1

0

HE

IGH

T (

km)

4

3

2

1

0

3 min

1.5 min

1 min

A plume-like tower echo appears

The tower echo develops with a reflectivity core

The strong echo core disappears (or moves out)

(w/o RHI data)

14:08:29JST

14:11:43JST

14:13:16JST

14:14:18JST

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

AZ=41

.2

EL=8.0

AZ=41

.2

EL=8.0

DISTANCE FROM RADAR (km)

HE

IGH

T (

km)

DISTANCE FROM RADAR (km)

DIS

TA

NC

E F

RO

M R

AD

AR

(km

)

Wind direction

OgimiOgimi

VIDEO

14:10:59JST

14:11:43JST

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

ABL

penetrate the ABL?

Thermal

Ucumulus

convection

Large droplets

Top of ABL

C-band radarcannot detect cloud droplets.

doughnut-shaped echo in a horizontal section

inversed-U shaped echo in a vertical section

Thermal in the shape of a temple hung-bell

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 ～０ dB 、 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

・ 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）

距離 6km を基準にしてRange Corr.をかけた結果（ by 民田）

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　 （ ＜＞ は平均値を表す）

雑音を考慮した場合の観測値 （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（９５ GHｚ）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

J ST 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23J une 30J uly 01J uly 02J uly 03J uly 04J uly 05J uly 06J uly 07J uly 08J uly 09Sonde

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.gifanime0703-0705.gifanime0706-0709.gif

赤は欠測

C-Band Okinawa Bistatic polarimetric RAdar (COBRA)

< COBRA Specifications >Frequency 5340 MHz

Peak power 250 kW×2 (Klystron)Pulse width 0.5 / 1.0 / 2.0 s (Klystron)PRF 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＜ 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

＜400 MHｚ WPR Specificatons＞Radar Type Pulsed Doppler RadarFrequency 443.0 MHzPeak Power 20 kWAverage Power 2 kWPulse Length 1.33 / 2.0 / 4.0 usPRF 6.25 / 20 kHzAntenna Type 24 x 24 element crossed arrayAntenna Size 10.4 x 10.4 mBeam Width 3.3 degBeam Steerability AZ 0 - 360 deg EL 0 - 15 deg

Oogimi Windprofilers Facility

400 ＭＨｚ ＷＰＲ 1.3 GHz ＷＰＲ

DopplerSodar

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 (July07, 16:01:43Z)

Oogimi

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.gifanime070714-070716.gifanime070714-070716.gifanime070803-070809.gif

＜特徴的なエコー＞July07, 05:12:44Z -- Jumping ThermalJuly07, 05:53:16Z ～ 06:42:45Z --- Birds/Insects? (low RhoHV)July07, 14:48:29Z -- Jumping ThermalJuly07, 15:28:29Z -- Large Thermal ( ～ 5 km diameter)July07, 16:01:43Z -- Rainfall at OogimiJuly07, 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

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Slant Range [km]

He

igh

t [k

m]

Distance along the Earth surface (using the 4/3 R: Earth equivalent radius)

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)

等価地球半径によるビーム高度