350 likes | 544 Views
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. ( 2005/6/30 ~ 7/10).
E N D
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
(2005/6/30~7/10) 2005沖縄集中観測の概要 400 MHz Wind Profiler COBRA RHI (AZ=41.2) 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 3 PPIs & 14 RHIs per 10 min range reso. = 75 m (0.5 s in pulse width) angle reso. = 0.4 deg (0.9 deg in beam width)
m/s dBZ (a) (c) HEIGHT (km) dBZ Extracted (b) (d) HEIGHT (km) DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km) 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) * 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 0441Z, 07JUL2005 0341Z, 08JUL2005 HEIGHT (km) HEIGHT (km) HEIGHT (km) DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km) Large CAEs - max HT > 2.5 km - horiz scale 2~3 km Small CAEs - max HT < 2 km - horiz scale ~1 km Middle CAEs - max HT > 2 km - horiz scale ~1.5 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 1528Z, 07JUL2005 0605Z, 07JUL2005 1601Z, 07JUL2005 HEIGHT (km) HEIGHT (km) HEIGHT (km) DISTANCE FROM RADAR (km) 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
10 m/s 10 m/s 400 MHz WPR による水平風速 07JUL2005 5 4 3 2 1 HEIGHT(km) Analysis Period JST 09 10 11 12 13 14 15 16 17 5 4 3 2 1 08JUL2005 HEIGHT(km) JST 09 10 11 12 13 14 15 16 17 m/s
4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 HEIGHT (km) HEIGHT (km) HEIGHT (km) HEIGHT (km) タワーエコーの発達 14:08:29JST 3 min (w/o RHI data) A plume-like tower echo appears 14:11:43JST dBZ 1.5 min The tower echo develops with a reflectivity core 14:13:16JST 1 min The strong echo core disappears (or moves out) 14:14:18JST 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 DISTANCE FROM RADAR (km)
Ogimi Ogimi VIDEO AZ=41.2 AZ=41.2 Wind direction DISTANCE FROM RADAR (km) HEIGHT (km) EL=8.0 EL=8.0 DISTANCE FROM RADAR (km) DISTANCE FROM RADAR (km) 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 14:10:59JST 14:11:43JST
サーマルによる晴天大気エコーから発達する積雲対流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 cumulus convection C-band radarcannot detect cloud droplets. Large droplets penetrate the ABL? Thermal in the shape of a temple hung-bell inversed-U shaped echo in a vertical section Top of ABL U Thermal ABL
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 ( <> 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(95GHz)等による同時観測が期待される
COBRA観測サマリー 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 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 <400 MHz WPR Specificatons>Radar Type Pulsed Doppler Radar Frequency 443.0 MHz Peak Power 20 kW Average Power 2 kW Pulse Length 1.33 / 2.0 / 4.0 us PRF 6.25 / 20 kHz Antenna Type 24 x 24 element crossed array Antenna Size 10.4 x 10.4 m Beam Width 3.3 deg Beam Steerability AZ 0 - 360 deg EL 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 DopplerSodar 1.3 GHz WPR 400 MHz WPR
Abnormal Propagation ? Strange Echo Layer (July08, 00:53:47Z)
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