2017/12/6 1

降水観測ミッションの将来計画について

高橋 暢宏

名古屋大学宇宙地球環境研究所

水をめぐる社会的課題への科学の貢献

• 水をめぐる社会的課題

• 地球規模の水資源確保（飲用、農業）、防災（大雨・洪水対策）、公衆衛生、など

• 気候変動の理解の向上と、降水への影響の把握

• 科学に求められていること

• 気候変動における降水量の変化と影響の把握

• 気候変動に対する雲・降水システムの応答の解明

• 長期的な降水量モニター

• 雲・降水システムの理解 （様々のスケールの階層構造）

• 地上レーダ、航空機、衛星搭載レーダ/in situ, リモートセンシング）

• 数値気候モデルによる気候予測

• モデル改良にはより正確な観測が必要

• 気象（天気）予報の精度改善・・・データ同化

• 気象・防災・農業・公衆衛生に利用可能かつ地球全体をカバーする情報の提供（例：降水マップ、土壌水分量） 2017/11/29 2

地球全体の降水量を、継続的に、正確に、把握する。

地球規模での雲・降水（雨・雪）メカニズムの理解を進める。

将来の降水観測ミッションに求められるもの

実際の雨雲はどうなっているか？

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フェーズドアレイ気象レーダ（PAWR）が観測した積乱雲 （NICT提供）300倍速（1秒＝5分に相当）

• 狭い範囲で雨雲が発達・衰退

• １０キロメートル以下の現象

• 激しい上下運動

GPM/DPR、TRMM/PRの性能の確認

観測性能の基本要素である感度と分解能と走査幅は十分か？

• 感度：雲観測は雲レーダがカバーするとしても、雨・雲の境界領域までの感度が欲しい。降雪観測を考えるとさらなる高感度化が必要。

• GPM/DPRの10から100倍（10～20ｄB)の感度向上（既存技術で可能）。

• 分解能：1つ1つの雨雲の内部構造を見ることができるか？

• 次スライド参照

• 走査幅：地球全体のカバーにかかる時間、1度の観測で把握したい観測ターゲット（気象現象）の大きさ（例えば、台風：～500㎞、前線～1000㎞）に依存。

• 台風を考えるとGPM/DPRの2倍以上（2倍程度であれば既存技術で可能）

さらには、雲・降水メカニズムの観点では動的情報の観測が必要

• ドップラー速度観測：EarthCARE/CPR（日欧 2019年打上げ）で実現

• NASAにおいても研究が進んでいる2017/11/29 4

J. R. Jensen, 2000: Remote Sensing of the Environment -An Earth Resource Perspective-, Prentice Hall.Jensen(2000) 図1－8より

個々の家が1つの雨雲だとすると 5 x 5 mくらい？

この衛星写真になぞらえた時のGPM/DPRの分解能（5km)は？

2017/11/29 510〜数十ｍスケール 10〜数十ｋｍスケール

通常観測を模擬

レーダの分解能を上げると見えるものも違ってくる！？

4倍高密度観測

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GPM/DPRの分解能では、

高く発達した雨雲を細かく見るのには分解能がちょっと足りない

TRMM end-of-mission 高密度観測実験データより

KuPRハリケーン Lee（2017.9.27）

走査幅：各地点のデータ量を増やすには、走査幅拡大が必要

GPMにおいてTRMMと同等のデータの密度にするには、1.6倍以上の走査幅が必要

レーダのデータ量を増やすには、衛星の数を増やすことも有効

一方で、ターゲットを台風を定めると、やはり現状の2倍程度必要。

左の例は、GPM/DPRによるハリケーンの観測例で最もうまくいったケース（ハリケーンが小型でかつ、DPRがハリケーン中心の真上を飛行）

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降水観測ミッションのこれまでとこれから

• 熱帯降雨観測衛星（TRMM 1997-2015）• 熱帯の降水システムの理解（雨量、立体構造、日変化など）

• 地球全体の降水見積もりの改善⇨GSMaP

• 全球降水観測計画（GPM 2014- ）• 国際協力ミッションとして多数の衛星を活用⇒全球降水マップの実利用化

• 地球全体の降雨・降雪の理解の深化、降雨・降雪量の見積もりの改善

• 将来の降水観測ミッションの方向性• 全球降水モニター （＋精度の良いリアルタイム情報）

• 雲・降水過程（メカニズム）の解明

→降水量の把握の継続＋雲・降水（メカニズム）の理解

• ミッションへの要求• 雲・降水の観測 ・・・ 複数周波数観測、高感度化

• 動的情報の観測 ・・・ ドップラー速度観測

• 広域の観測 ・・・ 走査幅拡大、複数衛星（小型衛星, micro-sat） 2017/11/29

気候変動に対するリスク軽減・効果的な温暖化対策（防災、農業、公衆衛生等）・精度の良い将来予測

DPRの性能向上（感度、走査幅、分解能）＋雲観測とのシナジー

⇨国際協力による総合的観測8

2017/11/29

小型レーダ衛星群（GPMのスピンオフ）

DPR-2 静止衛星搭載降水レーダ

高度: 800 km走査幅 800 km水平分解能: 20km

高度: 36000 km緯度50度の範囲水平分解能: 30 kmドップラー観測1時間ごと

検討中の降水観測ミッション

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すぐにでもできる少々技術開発が必要 ちょっと未来のはなし

国際協力による総合的な観測

• 米国で検討中のCaPPM（Cloud and Precipitation Processes Mission)との連携

• ３周波（Ku/Ka/W）ドップラーレーダを軸とした雲・降水プロセスの研究

• DPR-2などのミッションとの連携を議論中

• 米国では、RainCubeやMASTRといったレーダを搭載した（超）小型衛星の打上げ計画もある

• DPRやDPR-2へ降水観測のリファレンスとしての期待

• DPRやDPR-2との連携も議論中

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Synergistic Cloud and Precipitation Observations

Cloud and Precipitation Processes Mission (CaPPM), Decadal Survey

Image: Science News magazine article March 22, 2014

• As we reduce model grid scale, the microphysics and processes become increasingly important in

climate and earth system models

• The WCRP published Six Grand Challenges for

the next decade. Three (Water Availability;

Climate Extremes; and Clouds, Circulation and

Climate Sensitivity) can be addressed by a Cloud and Precipitation mission

• Key instruments include a 3 frequency radar with

Doppler capabilities, and a wideband radiometer

(potentially from 10-874 GHz); Intl. collaborations.

Science Question: To what extent is the

character of precipitation and variability of

precipitation determined by the large scale

controls exerted by the Earth’s general

circulation versus the cloud scale processes?

§ Which cloud processes lead to the

onset of precipitation?

§ Which cloud processes lead to

extremes in precipitation?

Gail Skofronick-Jackson, Graeme StephensChris Kummerow, Arlindo da Silva, and Jay Mace

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MASTR 1 RainCube1 RainCube2

ScanningKa/W-band radar

Radar tandem for dZ/dtand Doppler meas.

日本で検討しているミッションと相補的

(Courtesy of Dr. E. Im)

(NASA PMM HP)CaPPM concept slide

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•世界初の衛星搭載降雨レーダ

•長期データ取得

技術

科学

実利用

•全球降水推定精度向上（マイクロ波放射計）

• ２周波レーダ開発

•熱帯の降水システムに理解の深化

•全球降水マップ(GSMaPプロトタイプ)

•洪水予測への応用 •精度や配信時間向上による各種分野への応用

•全球の降水システムの理解の深化

•全球降水の世界標準データ

•レーダデータの数値気象予報へのデータ同化による現業利用

•気候変動（地球温暖化）評価•数値気象・気候モデルの検証

•レーダデータの初期値利用

•高感度化/走査幅拡大/高空間分解能

•大口径アンテナ•小型・安価なレーダ

• ドップラー化

•世界初の衛星搭載雲レーダ •世界初の衛星搭載ドップラーレーダ

• ３周波ドップラーレーダ（CaPPM)

•地球規模の雲分布の理解 •放射収支における雲の役割の解明、長期モニタリング

まとめ 降水観測ミッションロードマップ

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•地球規模の雲・降水メカニズムの理解

＜雲レーダ＞

＜雲レーダ＞

＜現業利用＞

＜GSMaP＞

BACK UP SLIDES

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気候研究における課題（世界気候計画＝WCRPのGRAND CHALLENGES）

• 雲・循環・気候感度 Clouds, Circulation and Climate Sensitivity

• 極端気象・気候 Weather and Climate Extremes

• 世界規模の水資源確保 Water for the Food Baskets of the World

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HURRICANE LEE

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感度について• DPRでも0.2 mm/h以下の弱い雨は見えていない

• 降雪の観測にはー10ｄBZ程度の感度が必要（地上、航空機観測から）

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3割程度見逃している！

Behrangi et al. (2012)

TRMM

CloudSat

雲と雨の境界領域を雲観測と降水観測の両方で確実に見る必要がある。