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

PR

TMI

VIRS

LIS

CERES

High-gain antennaSolar paddle

Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM

COMMUNICATIONSRESEARCHLABORATORY

熱帯降雨観測衛星

US-Japan　joint　missionLaunched　in　Nov.,　1997.

First　space-borne　precipitation　radar

Precipitation Radar

TRMM Microwave Imager

Visible and Infrared Scanner

Clouds and the Earth’s Radiation Energy System

Lightning

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

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

PR

TMI

VIRS

LIS

CERES

High-gain antennaSolar paddle

Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM

可視 , 赤外マイクロ波

熱帯降雨観測衛星

First　space-borne　precipitation　radar

Precipitation Radar

TRMM Microwave Imager

Visible and Infrared Scanner

Clouds and the Earth’s Radiation Energy System

Lightning

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 ）

PR

TMI

VIRS

LIS

CERES

High-gain antennaSolar paddle

Tropical Rainfall Measuring Mission: TRMM熱帯降雨観測衛星

◆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%

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.

Small Satellites with Microwave Radiometers

GPM

TMI : マイクロ波観測装置 PR: マイクロ波レーダ

10GHz,19GHz,37GHz 海上

　 85GHz海上＆陸上

海上＆陸上

直接的に降雨の 3 次元構造が観測可能。

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。

鉛直積算含水量からの放射

雨滴からの放射

氷層

降雨層

氷からの散乱

雨滴からの後方散乱地表からの放射

アルゴリズム

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

1 10 100

100

10

1

(mm/hr)

100

10

1

1 10 100 (mm/hr)

PR

-RR

TMI-RR

1998.6

(Results of 1998.12-1999.2 are similar)

表面 RR の比較結果

Ocean Land Coast(mm/hr)

Scatter smallsymmetric×

Scatter largesymmetric○

Scatter largesymmetric×

Global, PR-RR>0.7,TMI-RR>0.7

冬以外似た分布となる

PR-RR>0 but TMI-RR=0

10% of PR total rain amount/month <30% at each time

TMI-RR>0 but PR-RR=0

1% of TMI total rain amount/month <5% at each time

Sensitivity of detection 　陸上

PR TMItotal

TMI-RR>0

Δ/total

PR-RR>0

0<latitude<10N 、 1998.6

多い

50%50%

TMI 低感度

Ratio of zero TMI-RR(Ratio of PR with TMI-RR=0)

Ratio of zero PR-RR(Ratio of TMI with PR-RR=0)

PR also does not detect weak rain. But it is less effective than TMI.

1998.6 　陸上

TMI は弱い降水を捉えられない。

Sensitivities of Detection

Stratiform rain

Convective rainAs 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.

1998.6 陸上PR-RR>0,TMI-RR>0

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

TMI algorithm over land:scatter of ice

(1998.6)

SH 4km SH 6km

Convective

Why? Shallow rain/Convective rain over land

小さな ice-scattering　 　 　 　 　 　 　 → TMI estimation will be difficult.

Depression　due　to　ice　scattering

SH 8km

PR-RR @3km (mm/hr)

TM

I-T

b 85

.5G

HzV

(K

) Ocean

Land Stratiform

Convective

Stratiform

小さな depression/ 大きなdeviation

(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

CFADs of RR of stratiform rain with SH = 10 km 0 < latitude < 10N

TMIPR

Deep stratiform rain over land

（ stratiform fraction Fs>80% ）

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

TMI overestimates RR

∵evaporation の効果、表面に弱い降水しかもたないanvil 、

tilting system

Deep stratiform rain

Shallow rain /Convective rain (especially weak rain)

陸上の SH 依存性のまとめ

陸上対流性

層状性

冬： TMI 小さい←背の低い降水多い（特に層状性）

冬 夏 冬 夏

Latitude dependency of TMI/PR rain estimate10

3

1

0.3

0.1

TMI-RRPR-RR

10

3

1

0.3

0.1

TMI-RRPR-RR

Fc>50%

(PR-RR>0&TMI-RR>0)

Fs>50% 　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

　 199806

層状性

対流性

Over land

冬 夏

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）↓氷の層が厚いと TMIが雨を大きく推定する

10

1

0.1

0.01

TMI-RRPR-RR

TMI-RRPR-RR

10

3

1

0.3

0.1

朝～昼： TMI 小さい←背の低い降水多い

Diurnal variation of TMI/PR rain estimate10

3

1

0.3

0.1

TMI-RRPR-RR

3

1

0.3

TMI-RRPR-RR

Fc>50%

(PR-RR>0&TMI-RR>0)

陸上対流性

層状性Fs>50% 　 (PR-RR>0&TMI-

RR>0)

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　12-21LT　Convective　rain　dominant　（ TMI<PR 　）

60-70%

40-50%

10-20%

Ｆ S>90%

Ｆ S<10%

全

199806

199812‐02

　 199806Global

　 convective　rain Over　coast

stratiform　rain

TMI-FL underestimation→Surface TMI-RR overestimation

Convective rain has the similar tendency as over the land.(SH-dependency is smaller than land.)

層状性降雨： TMI-RR>>PR-RR背の低い対流性降雨： TMI-RR<PR-RR

　 convective　rain Over　the　ocean

Even over the ocean,TMI convective rain estimation is difficult.

stratiform　rain

　 199806Global

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 has the similar tendency as over coast.

冬 夏 冬 夏

3

1

0.3

TMI-RRPR-RR

3

1

0.3

TMI-RRPR-RR

Latitude dependency of TMI/PR rain estimate

Fs>50% 　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

Fc>50%

(PR-RR>0&TMI-RR>0)

海対流性

層状性

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）

TMI-RRPR-RR

TMI-RRPR-RR

Diurnal variation of TMI/PR rain estimate

Fc>50% 　

(PR-RR>0&TMI-RR>0)

Fs>50% 　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

海対流性

層状性

3

1

0.3

3

1

0.3

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

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

陸

Difference　of　diurnal　variationsof　rain　amount

Times with maximum rainfall are different between TMI and PR.

対流性Fc>50%　

　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

層状性　 　 　 　 Fs>50%(PR-RR>0 ＆ TMI-RR>0)

TMI

PR

全

TMI

PRconvective

stratiform

海

The times are not so different.

TMI

PRThe times are not so different （ except for ~13:00 ） .

TMI

PR

対流性Fc>50%

　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

層状性Fs>50%

　 (PR-RR>0&TMI-RR>0)

全

Difference　of　diurnal　variationsof　rain　amount

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.

Ocean Land Coast

1 10 100

100

10

1

(mm/hr)

100

10

1 1 10 100 (mm/hr)

PR

-RR

TMI-RR

Scatter small

symmetric×

Scatter large

symmetric○

Scatter large

symmetric×v5

v6 Scatter small

symmetric×

V5　&　V6　 表面 RR の比較結果 1998.6 Global, PR-RR>0.7,TMI-RR>0.7

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

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

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.

次世代降雨レーダ (GPM: 全球降水観測計画 )

GPM 観測域

１衛星

２衛星

４衛星

８衛星

Observation　area　with　MWRs　in　3　

hours

Coverages　by　TRMM PR （緑）　 and　GPM DPR （青）　 in　a　day

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

　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？

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.