2017 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on the pysical and optical properties, and the 3-D radiatvei effect of the broken clouds
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17H02963
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| Research Institution | Japan, Meteorological Research Institute |
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Principal Investigator |
工藤 玲 気象庁気象研究所, 気候研究部, 主任研究官 (00414508)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩渕 弘信 東北大学, 理学研究科, 准教授 (80358754)
鷹野 敏明 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (40183058)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 雲物理 / 大気放射 / リモートセンシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
離散雲が、地上日射にもたらす三次元放射効果の実態を明らかにするために、離散雲の分布、微物理・光学特性を観測する地上リモートセンシング手法を開発している。本年度は、計画通り、離散雲を観測するための測器の整備と、微物理・光学特性を推定するためのアルゴリズム開発を行った。
雲の分布、日射の散乱輝度分布を測定するために、デジタルカメラを用いた全天カメラを製作した。また、散乱輝度の分光特性を測定するため分光放射計を整備した。これらの機器について、JAXAと高層気象台の設備を使用し、校正係数の決定、入出力の線形応答特性、入射角依存性、分光応答関数、温度特性を調べた。
来年度は、全天カメラ、分光放射計、雲レーダによる雲の集中観測を行うことを予定している。本年度中に、観測場所の調査を行い、ミリ波雲レーダ、地上日射計、マイクロ波放射計等の各種放射観測が行われている千葉大学で行うこととした。
離散雲の微物理・光学特性を推定するアルゴリズム開発に関しては、実数値遺伝的アルゴリズム、SCE-UA法、CMA-ES法等の逆問題を解くための複数のアルゴリズムをテストし、最も優秀な結果を残したCMA-ESを用いることに決定した。また、分光放射計の単独観測で得られた可視および酸素吸収帯の放射輝度を用いて、雲の光学的厚さと幾何学的厚さを推定する手法を開発した。そして、衛星プロダクトとの比較から、地上観測の結果との差が太陽天頂角とともに大きくなる傾向が見られ、三次元放射伝達の効果が示唆された。今後、全天カメラを用いて空全体の雲分布に関する情報を得て、三次元放射伝達を考慮した雲のリモートセンシング手法の開発を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画通り、離散雲を観測するための測器の整備と微物理・光学特性を推定するためのアルゴリズム開発を行った。
雲の分布、日射の散乱輝度分布を測定するため、デジタルカメラを用いた全天カメラを製作した。また、散乱輝度の分光特性を測定するため分光放射計を整備した。これらの機器による観測から物理値を得るため、JAXAの積分球を使って、校正係数、入出力の線形特性、入射角依存性の試験を行った。また、分光応答度測定装置によってデジタルカメラのRGB各画素の分光応答関数を測定した。さらに、高層気象台の恒温槽によって温度特性試験を行った。カメラの画像データの幾何補正と光学校正を行うための処理コードを作成した。ミリ波雲レーダについては、天頂±5度の走査を実施し、雲の構造と内部運動を高分解能で把握できるようになった。
離散雲の微物理・光学特性の推定手法に関しては、遺伝的アルゴリズム、SCE-UA法、CMA-ESをテストした後、最良な結果を残したCMA-ESに決定した。また、分光放射計の単独観測によって得られる天頂方向の可視放射輝度と酸素AおよびB吸収帯、ライダーによる雲底高度を用いて、従来の並行平板を仮定した最適推定によって雲の光学的厚さと幾何学的厚さの推定手法を開発した。1年間に約20日のテスト観測を行い、Himawari-8衛星による雲プロダクトとの比較を行った。衛星と地上から求めた光学的厚さの差は、太陽天頂角とともに大きくなる傾向が見られ、三次元放射伝達の効果が示唆された。
来年度は、本年度に整備した全天カメラ、分光放射計、ミリ波雲レーダを使って集中観測を行う。そのため、観測場所の調査を行った。当初つくば市で行う計画であったが、千葉大学で行うこととした。理由は、マイクロ波放射計等の本課題に有益な各種観測が行われていること。そして、他の研究課題との発展的な観測体制が作られることになったためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に整備した全天カメラ、分光放射の観測システムとミリ波雲レーダによる離散雲の集中観測を千葉大学で行う。観測期間は、来年度の夏季に開始し、1年間程度継続する。冬季には、JAXAと高層気象台の試験機器によって、再び全天カメラ、分光放射計の校正、特性試験を行い、測器の劣化等の調査し、高精度の測定を維持する。
雲の微物理・光学特性の推定に関しては、アルゴリズムの開発を継続する。さらに、本年度の調査により、複雑な雲のリモートセンシングに深層学習が有効であることを示されたため、現在、深層学習を用いてデジタルカメラの画像データから雲の特性を推定する手法の開発を行っている。ラージエディシミュレーションによる多様な３次元雲データを用意して、３次元大気放射伝達モデルを用いた地上カメラ雲画像のシミュレーションを行っている。良質な学習用データを大量に用意して、新しい観測手法の提案に繋げる。
開発した観測システム、それによって観測した結果、解析アルゴリズムに関して、学会・論文等により、公表し、議論の結果を開発へ還元していく。
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[Presentation] SKYNETデータによるエアロゾル組成のリモートセンシング2017
Author(s)
工藤玲, 入江仁士, 居島修, 高野松美, 竹村俊彦, 西澤智明, 青木一真, 日暮明子, 清水厚, 及川栄治, 山崎明宏, 石田春磨, 早坂忠裕
Organizer
日本気象学会2017年度秋季大会
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