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2005 .2.4　 HyARC 計画研究； 「衛星データの融合( Data Fusion) が織りなす新たな地球システム理解」

2005 .2.4　 HyARC 計画研究； 「衛星データの融合( Data Fusion) が織りなす新たな地球システム理解」. 熱帯降雨観測衛星（ TRMM） 搭載の 降雨レーダ PR とマイクロ波放射計（ TMI） が 推定する降雨の瞬時値比較. 古澤（秋元）　文江 Fumie A. Furuzawa 衛星気象学研究室（中村研） 名古屋大学地球水循環研究センター. 発表時間20分，質疑10分. 熱帯降雨観測衛星. Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM. Solar paddle.

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2005 .2.4　 HyARC 計画研究； 「衛星データの融合( Data Fusion) が織りなす新たな地球システム理解」

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  1. 2005.2.4　HyARC計画研究； 「衛星データの融合(Data Fusion) が織りなす新たな地球システム理解」 熱帯降雨観測衛星（TRMM）搭載の 降雨レーダPRとマイクロ波放射計（TMI）が 推定する降雨の瞬時値比較 古澤（秋元）　文江 Fumie A. Furuzawa 衛星気象学研究室（中村研） 名古屋大学地球水循環研究センター 発表時間20分，質疑10分

  2. 熱帯降雨観測衛星 Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM Solar paddle High-gain antenna COMMUNICATIONS RESEARCH LABORATORY TMI VIRS LIS PR CERES Launched in Nov., 1997. • a.1. センサーの仕様・ミッションの目的 • a.2. 応用しようとしている事象に対する説明 US-Japan joint mission TRMM Microwave Imager Lightning Visible and Infrared Scanner Precipitation Radar Clouds and the Earth’s Radiation Energy System First space-borne precipitation radar 350km (402.5km since Aug. 2001) 利点：地球全体での降水 　　　　　　　　　　　　　　　地上観測ができない熱帯・高地・海上

  3. 熱帯降雨観測衛星 Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM Solar paddle High-gain antenna TMI VIRS LIS PR CERES 可視,赤外 マイクロ波 TRMM Microwave Imager Lightning Visible and Infrared Scanner Precipitation Radar Clouds and the Earth’s Radiation Energy System First space-borne precipitation radar マイクロ波：可視光や赤外線の計測機器によって観測したのでは、雲の下に隠されてしまっている雨滴が、直接観測できる。 →正確な降雨量分布の把握→気象学の発展と気象予報/漁場予報の精度向上

  4. 熱帯降雨観測衛星 Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM Solar paddle High-gain antenna TMI VIRS LIS PR CERES マイクロ波観測装置　ＴＭＩ：降水が発生するマイクロ波を測定。 　ＰＲより観測領域が広い。 5周波（10,19,21,37,85GHz） マイクロ波レーダー　ＰＲ　：マイクロ波を放射。後方散乱成分（D6に比例）の測定。 　バックグラウンドの影響小。1周波（14GHz）

  5. TRMM PR and TMI • PR and TMI observe the same system within 1 min and estimate Rain rate(RR) independently. • Comparison is useful to improve the algorithm. • Version-4 standard products • monthly TMI-RR 〜 1.4 PR-RR • Version-5 standard products • monthly RR 24% @tropical region (Kummerow et al. 2000) • Version-6　Δ< 10% GPM Small Satellites with Microwave Radiometers

  6. アルゴリズム TMI : マイクロ波観測装置 PR: マイクロ波レーダ 降雨の鉛直積算量が観測可能。 直接的に降雨を観測できるのは海上のみ。 直接的に降雨の3次元構造が観測可能。 鉛直積算含水量からの放射 氷からの散乱 氷層 雨滴からの放射 降雨層 地表からの放射 雨滴からの後方散乱 10GHz,19GHz,37GHz 海上 　85GHz 海上＆陸上 海上＆陸上

  7. 過去のTMIとPRの比較研究 • Masunaga et al. J. Appl. Meteor., 41, 849, 2002 • 1998/7, 1999/1 • 1-month average, 0.5deg×0.5deg • Over the ocean and land • Ikai & Nakamura J. Atmos. Oceanic Technol., 20,1709,2003 • 1998/12〜1999/2、1999/6〜1999/8 • 3-months average, 0.5deg×0.5deg • Over the ocean ↓ 本研究：小さなグリッドサイズでの瞬時値比較 • 1998/6,1998/12～1999/2 • Each 1pass-average, 0.2deg×0.2deg • Over the ocean, land and coastlines Ver.5

  8. 表面RRの比較結果 1998.6 Global, PR-RR>0.7,TMI-RR>0.7 (mm/hr) (mm/hr) Land Ocean Coast 100 10 1 PR-RR 1 10 100 Scatter large symmetric○ Scatter large symmetric× Scatter small symmetric× 100 10 1 (mm/hr) 1 10 100 TMI-RR 冬以外似た分布となる (Results of 1998.12-1999.2 are similar)

  9. Sensitivity of detection　陸上 PR-RR>0 but TMI-RR=0 多い 10% of PR total rain amount/month <30% at each time TMI 低感度 TMI-RR>0 but PR-RR=0 1% of TMI total rain amount/month <5% at each time 0<latitude<10N、1998.6 TMI PR total TMI-RR>0 PR-RR>0 50% 50% Δ/total

  10. 1998.6　陸上 Sensitivities of Detection Ratio of zero TMI-RR (Ratio of PR with TMI-RR=0) TMI は弱い降水を捉えられない。 Ratio of zero PR-RR (Ratio of TMI with PR-RR=0) PRalso does not detect weak rain. But it is less effective than TMI.

  11. Storm-Height dependency of TMI/PR rain estimate 陸上の背の低い雨：TMI-RR<PR-RR 対流性降雨：TMI-RR<<PR-RR 背の高い層状性降雨:TMI-RR>PR-RR 1998.6 陸上 PR-RR>0,TMI-RR>0 Convective rain As convective rain has a strong turbulence, direction of ice particles is various and polarization is small. Others are beam filling problem or difficulty of attenuation correction due to large τ. Stratiform rain

  12. (1998.6) TMI algorithmover land:scatter of ice Why? Shallow rain/Convective rain over land SH 4km SH 6km SH 8km Stratiform Ocean Convective TMI-Tb85.5GHzV(K) Land Stratiform Depression due to ice scattering Convective PR-RR @3km (mm/hr) 小さなdepression/大きなdeviation 小さなice-scattering →TMI estimation will be difficult.

  13. Deep stratiform rain over land CFADs of RR of stratiformrain with SH = 10 km 0 < latitude < 10N （stratiform fraction Fs>80%） PR TMI (PR) evaporationの効果, 表面に弱い降水しかないanvil, tilting system →　表面TMI-RRの過大評価

  14. 陸上のSH依存性のまとめ Shallow rain /Convective rain (especially weak rain) TMI underestimates RR (Convective rain : large SH-dependency) ∵輝度温度の減少がない＝ice scatteringがない ＝SH ≦ 0 ℃ level / turbulence TMIoverestimates RR ∵evaporationの効果、表面に弱い降水しかもたないanvil、 tilting system Deep stratiform rain

  15. Latitude dependency of TMI/PR rain estimate TMI-RR PR-RR TMI-RR PR-RR 10 3 1 0.3 0.1 陸上対流性 層状性 Fc>50% (PR-RR>0&TMI-RR>0) 冬：TMI小さい←背の低い降水多い（特に層状性） 10 3 1 0.3 0.1 Fs>50%　(PR-RR>0&TMI-RR>0) 冬 夏 冬 夏

  16. TMI-RR PR-RR TMI-RR PR-RR Over land 10 1 0.1 0.01 　199806 冬 夏 背の高さ毎にみると冬はTMIが高い。 （冬は背の低いものが多いため平均はTMIが過小評価となる） 対流性 10 3 1 0.3 0.1 冬 夏 ↓ 氷の層が厚いとTMIが 雨を大きく推定する 層状性

  17. Diurnal variation of TMI/PR rain estimate TMI-RR PR-RR TMI-RR PR-RR 10 3 1 0.3 0.1 陸上対流性 層状性 Fc>50% (PR-RR>0&TMI-RR>0) 朝～昼：TMI小さい←背の低い降水多い 3 1 0.3 Fs>50%　(PR-RR>0&TMI-RR>0)

  18. 陸上の日周変化/緯度依存性のまとめ For each convective and stratiform rain, • In winter： TMI<PR ←Shallow rain dominant • At 6-15/ 9-15 (str/conv) LT： TMI<PR ←Shallow rain dominant For all rain,　at 9LT-18LT : TMI<PR 　　　　　　← at 12-21LTConvective rain dominant （TMI<PR） 全 ＦS>90% 199812‐02 60-70% 199806 40-50% 10-20% ＦS<10%

  19. convective rain Over coast 層状性降雨：TMI-RR>>PR-RR 背の低い対流性降雨：TMI-RR<PR-RR 　199806 Global stratiform rain Convective rain has the similar tendency as over the land. (SH-dependency is smaller than land.) TMI-FL underestimation →Surface TMI-RR overestimation

  20. Over the ocean 背の高い/背の低い層状性降雨：TMI-RR>PR-RR 背の低い対流性降雨：TMI-RR<PR-RR convective rain 　199806 Global stratiform rain Convective rain has the similar tendency as over coast. Even over the ocean, TMI convective rain estimation is difficult.

  21. Latitude dependency of TMI/PR rain estimate TMI-RR PR-RR TMI-RR PR-RR 3 1 0.3 海対流性 層状性 Fc>50% (PR-RR>0&TMI-RR>0) 対流性：冬：TMI小さい←背の低い降水多い 層状性：ほぼ一定（15N背の高い降水,冬背の低い降水多） 3 1 0.3 Fs>50%　(PR-RR>0&TMI-RR>0) 冬 夏 冬 夏

  22. Diurnal variation of TMI/PR rain estimate TMI-RR PR-RR TMI-RR PR-RR 3 1 0.3 海対流性 層状性 Fc>50%　 (PR-RR>0&TMI-RR>0) 対流性：午後：TMIやや小さい←背の低い降水多 層状性：ほぼ一定 3 1 0.3 Fs>50%　(PR-RR>0&TMI-RR>0)

  23. 海上と沿岸上の結果のまとめ • Convective rain Over the ocean&coast :陸と同じSH-dependency 陸より依存性が弱い • Stratiform rain Over coast:陸と似たSH-dependencyだが、 TMI>>PR Over the ocean: TMI>PR, 弱いSH-dependency (deep or shallow rain :TMI>PR) • 海上の日周変化と緯度依存性 冬/午後の対流性降雨は背の低い降水が多く、TMIやや過小評価

  24. Difference of diurnal variations of rain amount 対流性 Fc>50% 　(PR-RR>0&TMI-RR>0) 陸 PR TMI 全 Times with maximum rainfall are different between TMI and PR. stratiform 層状性 　　　　Fs>50%(PR-RR>0＆TMI-RR>0) convective PR TMI

  25. Difference of diurnal variations of rain amount 海 対流性 Fc>50% 　(PR-RR>0&TMI-RR>0) The times are not so different. 全 TMI TMI PR 層状性 Fs>50% 　(PR-RR>0&TMI-RR>0) PR The times are not so different （except for ~13:00）.

  26. 結論 • Convective rain: similar SH-dependency for all cases. Algorithm of rain estimates has basical physical problems • Stratiform rain: SH-dependency (different for each case). • TMI underestimates RR of shallow rain over land ←detection limit of TMI algorithm based on ice scattering • TMI overestimates RR of deep rain over all cases. ←because of no dependence of TMI profile on altitude, evaporation under the anvil or tilting system is not detected. Maximum rainfall time Only over land, TMI is 3 hours later than PR due to TMI weakness for detection of shallow convective rain in early phase & TMI overestimation of rainfall rate for deep stratiform rain in mature phase.

  27. V5 & V6 表面RRの比較結果 1998.6 Global, PR-RR>0.7,TMI-RR>0.7 (mm/hr) Land Ocean Coast Scatter large symmetric○ Scatter large symmetric× Scatter small symmetric× 100 10 1 v5 PR-RR 1 10 100 100 10 1 Scatter small symmetric× v6 (mm/hr) 1 10 100 TMI-RR

  28. 回答 リモセン研究に携わる人として • a.3. [思い描いている] 最終的なプロダクト，その利用先 • 高精度降雨量（どの場所、時間、降雨タイプでも） • 気象学的研究/地上測器検証/気象予報/災害予報/漁場予報 • b.1. 研究分野の今後の方向性 • GPM計画：マイクロ波放射計アルゴリズムの改善・2周波レーダ・固体降水のリトリーバルに重点。TRMMデータの結果を組み込む • b.2. [異文化コミュニケーションとして] 共同研究してみたいと思う研究分野? 時期早尚と考える場合，その律束条件は何か? • 地上観測データ/陸面＆海面衛星データ • 理論家 • b.3. 衛星研究はどこまで踏み込まなければいけないと考えるか?現状はその最終地点の何合目にいると捉えているか? • 実利　場所、時間、降雨タイプによらず精度の高いデータ • 研究　気象学的必然性 • １合目

  29. 次世代降雨レーダ(GPM: 全球降水観測計画) OBJECTIVE: Understand the Horizontal and Vertical Structure of Rainfall and Its Microphysical Element. Provide Training for Constellation Radiometers. OBJECTIVE: Provide Enough Sampling to Reduce Uncertainty in Short-term Rainfall Accumulations. Extend Scientific and Societal Applications. Core Satellite（２００７） • Dual Frequency Radar　　　　　　　　　　　　１４，３５ＧＨｚ • Multi-frequency Radiometer • H2-A Launch • TRMM-like Spacecraft • Non-Sun Synchronous Orbit • ~70° Inclination • ~400 - 500 km Altitude • ~4 km Horizontal Resolution • 250 m Vertical Resolution Constellation Satellites • Small Satellites with Microwave Radiometers • Aggregate Revisit Time, 3 Hour goal • Sun-Synchronous Polar Orbits • ~600 km Altitude

  30. １衛星 ２衛星 ４衛星 ８衛星 GPM観測域 Observation area with MWRs in 3 hours Coverages by TRMM PR（緑）and GPM DPR（青）in a day

  31. 回答 リモセン研究に携わる人として • a.3. [思い描いている] 最終的なプロダクト，その利用先 • 高精度降雨量（どの場所、時間、降雨タイプでも） • 気象学的研究/地上測器検証/気象予報/災害予報/漁場予報 • b.1. 研究分野の今後の方向性 • GPM計画：マイクロ波放射計アルゴリズムの改善・2周波レーダ・固体降水のリトリーバルに重点。TRMMデータの結果を組み込む • b.2. [異文化コミュニケーションとして] 共同研究してみたいと思う研究分野? 時期早尚と考える場合，その律束条件は何か? • 地上観測データ/陸面＆海面衛星データ • 理論家 • b.3. 衛星研究はどこまで踏み込まなければいけないと考えるか?現状はその最終地点の何合目にいると捉えているか? • 実利　場所、時間、降雨タイプによらず精度の高いデータ • 研究　気象学的必然性 • １合目

  32. b.4. このような計画研究(萌芽的)なfunctionは継続した方が良いと思うか否か． 残す場合，どのような運用形態が望ましいか． • 有効にデータを活用するために必要 • (b.5. 現状のわが国の地球観測衛星研究の問題点は 何か?解消するためにはどのような努力が必要か? ) • （わが国じゃないですが、）正確さやサンプリングの問題、統計的にしか物事を把握できない→地上観測データ有効。衛星データは公開されているが、公開されている地上観測データが足りないようにみえる。 • データ量が膨大すぎなのか、取るだけとって深く現象を追求する研究が足りないようにみえる。解析するマンパワーが足りないのかしら？お金のあるうちにデータを蓄積しておくのかしら？ • 先の先を見据えた装置開発などの研究が足りないようにみえる。お金があるからやらなくてもいいのかしら？メーカー任せ？もう十分な情報が衛星からは得られているのかしら？

  33. c. 参考URL, 代表論文 ホームページ http: //rc.hyarc.nagoya-u.ac.jp/N_lab/中村研 http://trmm.gsfc.nasa.gov/　TRMM(英語) http://www.eorc.nasda.go.jp/TRMM/index_j.htm　TRMM(日本語) http://daac.gsfc.nasa.gov/data/　DAAC Data Search and Order 論文 Furuzawa, A. F., & K. Nakamura, 2005, J. Appl. Meteor., 44. Hong, Y. et al., 2000, J. Appl. Meteor., 39, 983–998. Iguchi, T. et al., 2000, J. Appl. Meteor., 39, 2038–2052. Ikai, J., & K. Nakamura, 2003, J. Atmos. Oceanic Technol., 20, 1709–1726. Kummerow, C. et al., 1998, J. Atmos. Oceanic Technol., 15, 809–817. —— et al., 2000, J. Appl. Meteor., 39, 1965–1982. —— et al., 2001, J. Appl. Meteor., 40, 1801–1820. Masunaga, H. et al, 2002, J. Appl. Meteor., 41, 849–862. Nesbitt, S. W., & W. J. Zipser, 2003, J. Climate, 16, 1456–1475. Spencer, R. W. et al., 1989, J. Atmos. Oceanic Technol., 6, 254–273. Takayabu, Y. N., 2002, Geophys. Res. Lett., 29, 1584.

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