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2017 年度 実績報告書

次世代型アクティブセンサ搭載衛星の複合解析による雲微物理特性・鉛直流研究

研究課題

研究課題/領域番号 17H06139
研究機関九州大学

研究代表者

岡本 創  九州大学, 応用力学研究所, 教授 (10333783)

研究分担者 杉本 伸夫  国立研究開発法人国立環境研究所, 環境計測研究センター, フェロー (90132852)
石井 昌憲  国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所リモートセンシング研究室, 主任研究員 (70359107)
佐藤 可織  九州大学, 応用力学研究所, 助教 (00584236)
研究期間 (年度) 2017-05-31 – 2022-03-31
キーワード衛星 / 雲 / ライダ / レーダ / エアロゾル / 鉛直流 / 多重散乱過程 / 光学
研究実績の概要

ドップラー雲レーダと高スペクトル分解ライダを搭載する衛星信号の地上における再現のため、地上型高感度型多視野角・多重散乱偏光ライダ、多重散乱型多波長高スペクトル分解ライダ、多重散乱型ドップラーライダの開発を実施した。衛星に搭載されたライダは、高高度からの観測となるため、地上の通常のライダと比較して多重散乱の影響が大きくなる。そのため、同じ有効半径で同じ雲水量の雲に対して、衛星ライダで観測される減衰後方散乱係数と偏光解消度は、地上ライダの場合と比較して大きくなる特徴を持つ。偏光を含むライダ光の計算には、従来モンテカルロ法を利用するしかなかったが、時間がかかりすぎ衛星解析には利用できないといった問題があった。また簡単な物理的仮定に基づく高速な計算手法も提案されていたが、偏光解消度の計算ができなかった。この問題に対して、物理モデル(Physical Model:PM)法を考案した。この手法では、n回散乱後の位相関数の解析解を利用することで散乱光の角度依存性を表現し、距離がすすむにつれて光量が減衰する量を見積もるのに、経路積分の手法を利用した。さらにライダ光を単散乱(ss)成分、時間の遅れのない多重散乱成分(ms,on)、そして時間の遅れのある多重散乱成分(ms,off)の3つに分けそれぞれを求める事にした。モンテカルロ法を用いて検証を実施した所、、相対誤差が15%以内で解を求める事が可能であり、従来の手法と比較して、4倍の高精度を達成できた(Opt. Express)。
多視野角多重散乱ライダとPM法を用いて、衛星用雲検出手法である雲マスクアルゴリズムを改良した。また高スペクトル分解ライダの観測結果と、氷粒子の理論計算結果を比較し、雲粒子タイプ識別手法を改良した(Springer Remote Sensing/Photogrammetry)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

地上型高感度型多視野角・多重散乱偏光ライダ、多重散乱型多波長高スペクトル分解ライダ、多重散乱型ドップラーライダの開発を行っているが、当初計画通りの設計で順調に進んでいる。これらの機器はライダ後方散乱で衛星ライダに起きる多重散乱過程を再現するものとして設計されているが、光学的に厚い雲を大きなライダフットプリントで観測した場合の後方散乱強度の計算を高速に行うための理論の開発も順調に進み、物理モデル(Physical Model)の開発を実現することができ、Opt. express誌に公表することができた。このPM法のモンテカルロ法を用いた検証も進み、従来の手法より高精度で衛星からのライダの全信号強度を高速で計算することが可能になり、また偏光解消度についても計算可能である理論を作る事ができた。この手法は十分高速であるため、衛星解析アルゴリズムに組み込む事ができるようになった。また多視野角多重散乱ライダを用いた初期解析では、従来の雲検出手法では雲域を過小評価する問題のある事、多重散乱によって減衰が緩和される事をアルゴリズムで考慮することで、これを改善できることが判明し、高スペクトル分解ライダの信号解析と、氷粒子の非球形散乱理論を用いた計算結果を比較し、氷粒子タイプの識別結果を、改善できることも判明した。これらの衛星解析アルゴリズムの改良結果についても発表することができた。これらの進捗状況から、概ね順調に進展していると判断している。

今後の研究の推進方策

地上型高感度型多視野角・多重散乱偏光ライダ、多重散乱型多波長高スペクトル分解ライダ、多重散乱型ドップラーライダを開発し、複数の測器を組み合わせた同時初期観測を実施する。物理モデル(Physical Model)の開発と拡張を行い、これらの次世代型の観測機器で得られる信号のシミュレーションを可能にする。これらの測器の観測データ、PM法、そして氷粒子の非球形散乱理論計算に基づく衛星搭載レーダとライダの雲の微物理特性解析アルゴリズムの検証と改良を実施する。ドップラー雲レーダと多重散乱型のドップラーライダの同時観測を実施し、解析から雲粒子の落下速度と鉛直流の分離を実施する次世代型地上観測システムの観測結果と解析結果を用いて、雲-エアロゾル相互作用と雲対流機構の研究を実施する。2018年度に打ち上げの予定されているADM衛星搭載のドップラー高スペクトル分解ライダの解析に適用可能なアルゴリズムを開発し、次世代型地上測器とPM法で検証と改良を実施する。ミーライダを搭載したCALIPSO衛星とADM衛星の雲粒子とエアロゾル粒子の全球特性の比較解析を実施する。次世代型地上測器による同時観測解析から、EarthCARE衛星搭載ドップラー雲レーダと高スペクトル分解ライダ解析用アルゴリズムの開発と検証を実施する。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 3件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 19件、 招待講演 6件) 図書 (2件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] NASA Langley/NCAR(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      NASA Langley/NCAR
  • [国際共同研究] E. Zuev Institute of Atmospheric Optics(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      E. Zuev Institute of Atmospheric Optics
  • [雑誌論文] Physical model for multiple scattered space-borne lidar returns from clouds2018

    • 著者名/発表者名
      Sato K., Okamoto H., Ishimoto H.
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 26 ページ: A301~A319

    • DOI

      10.1364/OE.26.00A301

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cloud Remote Sensing by Active Sensors: New Perspectives from CloudSat, CALIPSO and EarthCARE2018

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K.
    • 雑誌名

      Springer Remote Sensing/Photogrammetry

      巻: 10 ページ: 195~214

    • DOI

      10.1007/978-3-319-72583-3_8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Differences in the fractions of ice clouds between eastern and western parts of Eurasian continent using CALIPSO in January 20072018

    • 著者名/発表者名
      Yamauchi A., Kawamoto K., Okamoto H.
    • 雑誌名

      Atmospheric Science Letters

      巻: 19,3 ページ: 1~8

    • DOI

      10.1002/asl.807

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] APPLICATION OF MULTIPLE-SCATTERING POLARIZATION LIDAR FOR THE EVALUATION OF SPACE-BORNE LIDAR ALGORITHMS2018

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Fujikawa M., Nishizawa T., Sugimoto N., Jin Y., Shimizu A., Ishimoto H.
    • 雑誌名

      EPJ Web of Conferences

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1051/epjconf/201817602014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ACTIVE SENSOR SYNERGY FOR ARCTIC CLOUD MICROPHYSICS2018

    • 著者名/発表者名
      Sato K., Okamoto H., Katagiri S., Shiobara M., Yabuki M., Takano T.
    • 雑誌名

      EPJ Web of Conferences

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1051/epjconf/201817608004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] REFINEMENT OF THE CALIOP CLOUD MASK ALGORITHM2018

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Sato K., Ohta K., Okamoto H.
    • 雑誌名

      EPJ Web of Conferences

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1051/epjconf/201817605043

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent developments with the asian dust and aerosol lidar observation network (AD-NET)2018

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto N., Shimizu A., Nishizawa T., Jin Y.
    • 雑誌名

      EPJ Web of Conferences

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1051/epjconf/201817609001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Algorithm for Discriminating Hydrometeor Particle Types With a Synergistic Use of CloudSat and CALIPSO2017

    • 著者名/発表者名
      Kikuchi M.、Okamoto H.、Sato K.、Suzuki K.、Cesana G.、Hagihara Y.、Takahashi N.、Hayasaka T.、Oki R.
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      巻: 122 ページ: 11,022~11,044

    • DOI

      10.1002/2017JD027113

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Light scattering by ice crystals of cirrus clouds: From exact numerical methods to physical-optics approximation2017

    • 著者名/発表者名
      Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Okamoto H., Ishimoto H., Grynko Y., Forestner J.
    • 雑誌名

      JQSRT

      巻: 195 ページ: 132~140

    • DOI

      10.1016/j.jqsrt.2016.12.024

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Differences in Cloud Characteristics Between Barents Sea and East Siberian Sea Using CALIPSO Data2017

    • 著者名/発表者名
      Yamauchi A., Kawamoto K., Okamoto H., Sato K.
    • 雑誌名

      J. Remote Sensing Society of Japan

      巻: 37(5) ページ: 434-441

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Measurement method of high spectral resolution lidar with a multimode laser and a scanning Mach?Zehnder interferometer2017

    • 著者名/発表者名
      Jin Y., Sugimoto N., Ristori P., Nishizawa T., Otero L., Quel E.
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 56 ページ: 5990~5990

    • DOI

      10.1364/AO.56.005990

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Observing clouds, precipitation and air motion2018

    • 著者名/発表者名
      Okamoto, H., Sato K., Katagiri S., H. Ishimoto
    • 学会等名
      JAXA Earth observation Satellite Joint PI Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Recent activities of coherent Doppler Wind Lidar at NICT2018

    • 著者名/発表者名
      Ishii S., Sato A., Aoki M., Akabane K., Nagano S., Mizutani K., Iwai H., Okamoto K., Baron P., Ochiai K., Kubota M.
    • 学会等名
      Working Group on Space-Based Lidar Winds
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of CloudSat/CALIPSO- and EarthCARE-algorithms for the studies of cloud macroscale- and microphysical properties2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H. Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      JpGU-AGU Joint Meeting 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Global analyses of cloud fraction and cloud phase by using spaceborne-lidar2017

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Sato K., Okamoto H.
    • 学会等名
      JpGU-AGU Joint Meeting 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Global water cloud microphysics from active sensor synergy toward the EarthCARE mission2017

    • 著者名/発表者名
      Sato, K., Okamoto H., Katagiri S.
    • 学会等名
      JpGU-AGU Joint Meeting 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] From CloudSat-CALIPSO to EarthCARE and new ground-based instruments2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      Clouds, their Properties, and their Climate Feedbacks
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cloud observations from the Arcs and EarthCARE project2017

    • 著者名/発表者名
      Sato K., Okamoto H.
    • 学会等名
      Clouds, their Properties, and their Climate Feedbacks
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Japanese Science Status for 27th JMAG2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H.
    • 学会等名
      EarthCARE 27th JMAG
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Application of multiple-scattering polarization lidar for the evaluation of space-borne lidar algorithms2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Fujikawa M., Nishizawa T., Sugimoto N., Jin Y., Shimizu A., Ishimoto H.
    • 学会等名
      28th International Laser-Radar Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Active sensor synergy for Arctic cloud microphysics2017

    • 著者名/発表者名
      Sato K., Okamoto H., Katagiri S., Shiobara M., Yabuki M., Takano, T.
    • 学会等名
      28th International Laser-Radar Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] REFINEMENT OF THE CALIOP CLOUD MASK ALGORITHM2017

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Sato K., Ohta K., Okamoto H.
    • 学会等名
      28th International Laser-Radar Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] The EarthCare mission: Understanding the global Cloud-Radiation distributions2017

    • 著者名/発表者名
      Sato K., Okamoto H. Katagiri, S.
    • 学会等名
      GS10 Satellite Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Cloud-feedbacks from CloudSat/CALIPSO to EarthCARE2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      2017 CFMIP Meeting on Clouds, Precipitation, Circulation
    • 国際学会
  • [学会発表] EarthCARE衛星雲解析アルゴリズム: 氷粒子のライダ比と偏光解消度2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Borovoi A.
    • 学会等名
      日本気象学会秋季大会
  • [学会発表] 完全減衰を考慮したCALIPSO 雲マスクおよび雲相識別による雲量2017

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Okamoto H., Sato K., Fujikawa M.
    • 学会等名
      日本気象学会秋季大会
  • [学会発表] 多視野角・多重散乱ライダによる雲域・降水域の識別手法の開発と検証2017

    • 著者名/発表者名
      Fujikawa M., Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Nishizawa T., Sugimoto N., Jin Y., Kudo R., Takano T.
    • 学会等名
      日本気象学会秋季大会
  • [学会発表] 北極混合相層雲における氷晶核形成過程と晶癖分布の関係2017

    • 著者名/発表者名
      Hashino T, de Boer G., Okamoto H.
    • 学会等名
      日本気象学会秋季大会
  • [学会発表] Particle discrimination method by Multi Field of view Multiple Scattering Polarization Lidar2017

    • 著者名/発表者名
      Fujikawa M., Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Nishizawa T., Sugimoto N., Jin Y., Kudo R., Takano T.
    • 学会等名
      35th Laser Sensing Symposium
  • [学会発表] Analysis of cloud microphysical properties using CALIPSO・MODIS・CloudSat2017

    • 著者名/発表者名
      Kitagata H., Okamoto H., Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      35th Laser Sensing Symposium
  • [学会発表] Analysis of lidar ratio and depolarization ratio for aerosols and cloud using High Spectral Resolution Lidar2017

    • 著者名/発表者名
      Kitahara T., Okamoto H., Katagiri S., Sato K., Sugimoto N., Jin Y., Kudo R.
    • 学会等名
      35th Laser Sensing Symposium
  • [学会発表] Inter Annual Variability of Water and Ice Cloud Fractions from CALIPSO2017

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Sato K., Okamoto H., Fujikawa M.
    • 学会等名
      35th Laser Sensing Symposium
  • [学会発表] Development of a suite of EarthCARE algorithms for cloud studies: Beyond CloudSat and CALIPSO2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Ishimoto, H., Borovoi A.
    • 学会等名
      Asian conference on metrology 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] MODIS- CALIPSO-CloudSat synergy for the analysis of ice cloud microphysics2017

    • 著者名/発表者名
      Kitagata H., Okamoto H., Sato K., Katagiri S., Ishimoto, H.
    • 学会等名
      Asian conference on metrology 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Cloud and precipitation properties by radar reflectivity factor and path integral attenuation from CloudSat and CALIPSO2017

    • 著者名/発表者名
      Sakai,Y., Okamoto H., Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      Asian conference on metrology 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Relationship of backscatter color ratio, lidar ratio and depolarization ratio of ice, water and aerosols and the wavelength-dependence2017

    • 著者名/発表者名
      Kitahara T., Okamoto H., Sato K., Katagiri S.
    • 学会等名
      Asian conference on metrology 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Refinement of cloud mask and cloud particle type algorithms for synergistic use of space-borne lidar and cloud radar data2017

    • 著者名/発表者名
      Katagiri S., Sato K., Okamoto H., Fujikawa M.
    • 学会等名
      Asian conference on metrology 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Ground-based radar and lidar measurements for evaluation of EarthCARE products2017

    • 著者名/発表者名
      Okamoto, H., Sato K., Sugimoto N., Ishii S., Nishizawa T., Aoki M., Ohio Y., Horie H.
    • 学会等名
      EarthCARE 28th JMAG
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2micro-m コヒーレントドップラー風ライダーの送信機効率の改善2017

    • 著者名/発表者名
      Aoki M., Otsuka R., Ishii S., Mizutani K.
    • 学会等名
      35th Laser Sensing Symposium
  • [図書] 気象研究ノート第234号 「地球観測の将来計画に関わる世界動向の分析」(編集 TF地球科学研究 高度化ワーキンググループ) 第6章 ライダ2017

    • 著者名/発表者名
      杉本 伸夫, 西澤 智明, 水谷耕平, 石井昌憲, 岡本 創, 林 真智, 佐藤 薫, 菊池 麻紀, 木村俊義
    • 総ページ数
      74
    • 出版者
      日本気象学会
    • ISBN
      978-4-904129-17-3
  • [図書] 気象研究ノート第234号 「地球観測の将来構想に関わる世界動向の分析」 (編集 TF地球科学研究高度化ワーキンググループ) 第5章 降雨・雲レーダ2017

    • 著者名/発表者名
      高橋 暢宏, 岡本 創, 高薮 縁, 鈴木 健太郎, 大野 裕一, 可知 美佐子, 久保田 拓志, 沖 理子
    • 総ページ数
      74
    • 出版者
      日本気象学会
    • ISBN
      978-4-904129-17-3
  • [備考] 日欧共同衛星計画 EarthCAREミッション

    • URL

      http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/gfd/okamoto_project2.html

  • [備考] A-train解析プロダクト(CloudSat-CALIPSOの複合解析プロダクト)

    • URL

      http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/gfd/okamoto_project3.html

  • [産業財産権] ライダーシステム及び計測方法2017

    • 発明者名
      神 慶孝、杉本 伸夫、西澤 智明
    • 権利者名
      国立研究開発法人国立環境研究所
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      6243088

URL: 

公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-05-13  

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