多重散乱ライダ・雲レーダの複合観測システムの構築と全球雲微物理特性解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25247078
• 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: 佐藤 可織 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (00584236) ; 西澤 智明 独立行政法人国立環境研究所, 環境計測研究センター, 主任研究員 (10462491) ; 鷹野 敏明 千葉大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40183058) ; 石元 裕史 気象庁気象研究所, 気象衛星・観測システム研究部, 室長 (70281136)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: ライダ / 雲レーダ / 雲物理 / 水雲 / 氷雲 / 雲微物理特性 / 衛星観測

研究実績の概要

初年度に開発に着手した多視野角・多重散乱偏光ライダの開発を引き続き行った。現在までに、４つの異なる角度で傾けて後方散乱光の並行成分を取得する受信部、４つの垂直成分を取得する受信部の全部で8チャンネルの観測システムを完成させている。これらを以下の2段階の校正実験によって校正した。（１）全チャンネルを鉛直上向きにし、相対的に校正する相対校正実験、（２）本ライダシステムの置かれている国立環境研究所に、同じく設置され24時間連続観測で運用されている、通常型ライダである視野角１mradの2波長偏光ミーライダと比較する絶対校正。観測データの初期解析の結果、従来型のライダと比較して、３倍程度の幾何学的厚さの雲の観測が可能になっていること、外側の（より鉛直方向から見てより傾いた）チャンネルの方がより厚い雲を捉える事ができていた。地上ライダによって、多重散乱光の卓越した場合の偏光解消度の観測に初めて成功した。外側のチャンネルの方が大きくなり下層雲の場合３０％を頻繁に超える値を示し、最大で８０％程度の大きな値を示す事がわかった。これは、CALIPSO衛星に搭載されたライダによって観測された値と同等のものであることから、本システムで目標とした衛星搭載ライダの地上ライダにおける再現が可能となった事を示していると考えられる。2015年2から3月にかけて第一回目の95GHz雲レーダと多視野角多重散乱ライダの同時観測実験も実施した。初期的解析から光学的に厚い雲を観測した場合に雲レーダで検出されている雲頂と、本ライダの雲頂は比較的対応している事が示されている。現在ライダの下層雲観測時における多重散乱過程の高速な計算が可能な解析手法の開発を実施した。またCAIPSOと雲レーダと搭載したCloudSatと同期したAQUA衛星に搭載された赤外サウンダAIRSによる、雲物理特性と水蒸気量の全球解析を実施した。

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

新たに開発した多視野角・多重散乱偏光ライダによって、衛星観測で得られるのと同等な多重散乱の影響を再現することができた。実際に下層雲を観測した場合に衛星ライダで得られたものと同等な３０％を超えるような偏光解消度を地上において初めて実現した。
また多視野角を持つライダであるため、１つの大きな視野角の多重散乱ライダよりもはるかに多い情報量を得ることができると期待されるが、実際に校正実験の結果、１０％以下の精度で後方散乱係数をそれぞれのチャンネルで得る事ができるようになった。
角度が傾いたチャンネルほど多重散乱の影響を受けた後方散乱光をより多く取得可能であり、より光学的に厚い部分からの信号を取得できる事が理論計算から予測されていたが、観測データはそれらと定性的に一致して期待された性能を持つことが確認された。2015年2月から雲レーダと多視野角多重散乱偏光ライダの同時観測を開始できた。
衛星解析でも雲生成メカニズムを解析するために重要な要素である、水蒸気の過飽和度を衛星搭載赤外サウンダを解析することで水平分解能13.5km、鉛直分解能１ｋｍで全球でデータセットを作成することができた。これはそれぞれ従来のデータセットより水平で3倍程度、鉛直方向で2倍程度高分解能で解析できたことになり、より信頼性の高い過飽和度を得る事ができたと考えられる。これらの新しい全球のデータセットと、衛星搭載ライダから抽出された雲物理特性と比較解析を実施できた。これらの事から、概ね計画していた目標を達成できたと考えている。

今後の研究の推進方策

現在までに多視野角多重散乱偏光ライダは合計8つの観測チャンネルを持ち、４つの視野角でライダの後方散乱光を並行成分と垂直成分を取得するシステムが完成している。さらに2015年度は2チャンネル増やし、全部で45mradの視野角で、高度１ｋｍの雲を観測した場合片側のフットプリントが４５ｍとなるようにし、完全にCALIPSO衛星に搭載されたライダと同様な値を達成する。それぞれのチャンネル用の雲検出を行う雲マスクの開発、雲粒子の相や氷粒子の場合の配向状態を判別する雲粒子タイプを開発する。また衛星ライダによる雲微物理特性解析用に開発しているライダ解析手法を進め、またこれを本ライダ解析用に改良し、本ライダによって雲微物理特性を抽出する。雲レーダと同時観測データの解析を行って、雲底雲頂等の雲の巨視的情報の比較を実施する。また同時解析から、雲微物理特性の抽出を行う。これを用いて本ライダ単独の解析手法の検証を実施し、ライダ解析手法を改良する。これを衛星ライダ解析手法に適用し、雲微物理特性の全球解析を実施する。それらと水蒸気解析結果との同時解析から、雲物理特性の生成メカニズムの解析を実施する。

研究成果

• [雑誌論文] THE EARTHCARE SATELLITE: THE NEXT STEP FORWARD IN GLOBAL MEASUREMENTS OF CLOUDS, AEROSOLS, PRECIPITATION AND RADIATION (2015)
  • 著者名/発表者名: Illingworth, I. J., H. W. Barker, A. Beljaars, M. Ceccaldi, H. Chepfer, N. Clerbaux, J. Cole, J. Delanoë, C. Domenech, D. P.Donovan, S. Fukuda and M. Hirakata, R. J. Hogan, A. Huenerbein, P. Kollias, T. Kubota, T. Nakajima, T. Y. Nakajima, T.Nishizawa, Y. Ohno, H. Okamoto, R. Oki, K. Sato, M. Satoh, et al.,
  • 雑誌名: Bulletin of the American Meteorological Society 巻: 96 ページ: 1311-1332
  • DOI: doi:http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-D-12-00227.1
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 地上リモセンシナジー観測による雲物理量の推定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創、佐藤可織
  • 雑誌名: 気象研究ノート「人口降雨・降雪研究野最前線」 巻: in press ページ: 239-253
  • 査読あり
• [雑誌論文] Joint analysis of cloud-top heights from CloudSat and CALIPSO: New insights into cloud-top microphysics (2014)
  • 著者名/発表者名: Hagihara, Y., H. Okamoto, Z. Luo
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 119 ページ: 4087-4106
  • DOI: doi:10.1002/2013JD020919
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Radiative and Microphysical Properties of Cirrus Cloud Inferred from Infrared Measurements Made by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Part I: Retrieval Method (2014)
  • 著者名/発表者名: Iwabuchi, H., S. Yamada, S. Katagiri, P. Yang and H. Okamoto
  • 雑誌名: . Appl. Meteor. and Clim. 巻: 53 ページ: 1297-1316
  • DOI: doi: 10.1175/JAMC-D-13-0215.1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] One-dimensional variational (1D-Var) retrieval of middle to upper tropospheric humidity using AIRS radiance data (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishimoto, H., K. Okamoto, H. Okamoto, K. Sato
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 119 ページ: 7633-7654
  • DOI: DOI: 10.1002/2014JD021706
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Improvement of CALIOP cloud masking algorithms for better estimation of dust extinction profiles (2014)
  • 著者名/発表者名: Jin, Y., K. Kai, H. Okamoto, Y. Hagihara
  • 雑誌名: J. Meteor. Soc. Japan 巻: 92 ページ: 433-455
  • DOI: DOI:10.2151/jmsj.2014-502
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Comparison of global and seasonal characteristics of cloud phase and horizontal ice plates derived from CALIPSO with MODIS and ECMWF (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirakata, M., H. Okamoto, Y. Hagihara, T. Hayasaka
  • 雑誌名: J. Atmos. Oceanic Technol. 巻: 31 ページ: 2114-2130
  • DOI: DOI: 10.1175/JTECH-D-13-00245.1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Error estimation of spectral parameters for high-resolution wind and turbulence measurements by wind profiler radars (2014)
  • 著者名/発表者名: Gan, T., M. K. Yamamoto, H. Hashiguchi, H. Okamoto and M. Yamamoto
  • 雑誌名: Radio Sci. 巻: 49 ページ: 1214-1231
  • DOI: doi:10.1002/2013RS005369
  • 査読あり
• [学会発表] Okamoto, H (2015)
  • 著者名/発表者名: Development of level2 algorithms for CPR, CPR-ATLID and CPR-ATLID-MSI
  • 学会等名: Joint PI meeting of Global Environment Observation Mission 2014
  • 発表場所: TKP Garden City Nagata-cho
  • 年月日: 2015-01-13 – 2015-01-13
• [学会発表] Development of Multi-Field of view-Multiple-Scattering-Polarization Lidar : analysis of angular resolved backscattered signals (2014)
  • 著者名/発表者名: Makino, T., H. Okamoto, K. Sato, K. Tanaka, T. Nishizawa, N. Sugimoto, I. Matsui, Y. Jin, A. Uchiyama and R. Kudo
  • 学会等名: 2014 AGU fall meeting
  • 発表場所: San Francisco Moscone center
  • 年月日: 2014-12-16 – 2014-12-16
• [学会発表] Relationship between Ice Cloud Microphysics and Supersaturation from Spaceborne Cloud Radar, Lidar and Infrared Sounder (2014)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, K., H. Okamoto, K. Sato and H. Ishimoto
  • 学会等名: 2014 AGU fall meeting
  • 発表場所: San Francisco Moscone center
  • 年月日: 2014-12-16 – 2014-12-16
• [学会発表] Evaluation of Ice cloud retrievals using CloudSat/CALIPSO/MODIS/AIRS and EarthCARE (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, Y. Hagihara, K. Tanaka, H. Ishimoto, T. Makino, T. Nishizawa and N. Sugimoto
  • 学会等名: 2014 AGU fall meeting
  • 発表場所: San Francisco Moscone center
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-15
• [学会発表] Assessing global microphysics of warm cloud and light precipitation from active sensors (2014)
  • 著者名/発表者名: Sato, K., H. Okamoto and H. Ishimoto
  • 学会等名: 2014 AGU fall meeting
  • 発表場所: San Francisco Moscone center
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-15
• [学会発表] CALIPSO 及び TRMM による CloudSat 雲粒子タイプ識別アルゴリズムの改良 (2014)
  • 著者名/発表者名: 平形麻紀、 岡本 創、 萩原雄一朗、早坂忠裕、沖理子
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-23 – 2014-10-23
• [学会発表] 衛星搭載アクティブセンサによる氷粒子の波長比と微物理特性の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創、佐藤可織、萩原雄一朗
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] 衛星搭載アクティブセンサ複合解析手法の改良：下層雲への適用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤可織、岡本 創、石元 裕史
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] 光学的に厚い下層雲の観測を目的とした多視野角・多重散乱ライダーの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 牧野 利行, 岡本 創, 佐藤 可織, 田中 健太、西澤 智明, 杉本 伸夫, 松井 一郎, 神 慶孝
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] 衛星搭載雲レーダ・ライダ・赤外サウンダの複合利用による 氷水量と過飽和度の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中健太, 岡本 創, 佐藤可織、石元 裕史
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] CloudSatとCALIPSOから求めた雲頂高度の違いについて（その３） (2014)
  • 著者名/発表者名: 萩原雄一朗、岡本 創
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] 下部成層圏のかなとこ雲 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩崎杉紀、柴田隆、久保田尚之、岡本 創、石元裕史
  • 学会等名: 気象学会秋季大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-21
• [学会発表] Satellite remote sensing of cloud properties and generation mechanism (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H.
  • 学会等名: GRENE-AWI WS on Atmospheric Research 2014
  • 発表場所: JAMSTEC Tokyo Office, Fukokuseimei Bld, Tokyo
  • 年月日: 2014-10-15 – 2014-10-15
• [学会発表] Retrieval performance of arctic cloud microphysics from Space-borne active sensors (2014)
  • 著者名/発表者名: Sato, K. and H. Okamoto
  • 学会等名: GRENE-AWI WS on Atmospheric Research 2014
  • 発表場所: JAMSTEC Tokyo Office, Fukokuseimei Bld, Tokyo
  • 年月日: 2014-10-15 – 2014-10-15
• [学会発表] Global analysis of cloud microphysics by space-borne active sensors from A-train to EarthCARE (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H.
  • 学会等名: Tohoku-DLR Workshop
  • 発表場所: RYUTAIKEN II, Tohoku Univ., Sendai
  • 年月日: 2014-10-14 – 2014-10-14
  • 招待講演
• [学会発表] Validation of EarthCARE product using vertical wind measurement by wind profiler radars (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, M. K., T. Gan, H. Okamoto, H. Hashiguchi and M. Yamamoto
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-19 – 2014-09-19
• [学会発表] Development of a signal processing method for vertical wind velocity measurement by wind profiler radars (2014)
  • 著者名/発表者名: Gan, T., M. K. Yamamoto, H. Okamoto, H. Hashiguchi, and M. Yamamoto
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-19 – 2014-09-19
• [学会発表] Development of Hydrometeor Particle Type Classification derived from Space-borne Radar and Lidar (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirakata, M., H. Okamoto, Y. Hagihara and R. Oki
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-19 – 2014-09-19
• [学会発表] Aerosol and cloud retrieval algorithms from ATLID and MSI measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishizawa, T., A. Higurashi, N. Sugimoto, R. Kudo, E. Oikawa, and H. Okamoto
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
• [学会発表] Characteristics of anvil cloud in the lower stratosphere (2014)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, S., T. Shibata, H. Kubota, H. Okamoto and H. Ishimoto
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
• [学会発表] EarthCARE science towards understanding nature of clouds, aerosols, radiation and cloud motion (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H.
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-17
  • 招待講演
• [学会発表] EarthCARE L2 algorithm development for cloud microphysics (2014)
  • 著者名/発表者名: Sato, K. and H. Okamoto
  • 学会等名: EarthCARE Workshop 2014
  • 発表場所: National Museum of Emerging Science and Innovation (Miraikan)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [学会発表] 下層雲の観測を目的とした多視野角・多重散乱偏光ライダーの開発 Multi-Field of view-Multiple-scattering-Polarization Lidar Development for Observation of Low-level Clouds (2014)
  • 著者名/発表者名: 牧野 利行、 岡本 創、 佐藤 可織、田中 健太、 西澤 智明、 杉本 伸夫、 松井 一郎、 神 慶孝、 内山 明博、 工藤 玲
  • 学会等名: 第32回レーザセンシングシンポジウム
  • 発表場所: 高山市民会館
  • 年月日: 2014-09-05 – 2014-09-05
• [学会発表] 衛星搭載雲レーダ・ライダ・赤外サウンダの複合利用による氷雲微物理特性と水蒸気量の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中健太、岡本 創、佐藤可織、石元裕史
  • 学会等名: 第32回レーザセンシングシンポジウム
  • 発表場所: 高山市民会館
  • 年月日: 2014-09-04 – 2014-09-04
• [学会発表] CALIPSOライダーの雲マスク改良による氷粒子出現頻度の変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 神慶孝, 杉本伸夫, 西澤智明, 甲斐憲次, 岡本創, 萩原雄一朗
  • 学会等名: 第32回レーザセンシングシンポジウム
  • 発表場所: 高山市民会館
  • 年月日: 2014-09-04 – 2014-09-04
• [学会発表] Analysis of Cloud Microphysics by Using CloudSat, CALIPSO and AIRS (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, K. Tanaka, T. Makino and H. Ishimoto
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-08-01 – 2014-08-01
  • 招待講演
• [学会発表] Developement of EarthCARE/CPR Hydrometeor Particle Type Algorithm (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirakata, M., H. Okamoto, Y. Hagihara, T. Hayasaka, R. Oki
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-07-30 – 2014-07-30
• [学会発表] New Insights into Cloud Top Microphysics from Joint CloudSat and CALIPSO Measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: Hagihara, Y., H. Okamoto, Z. Luo
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-07-30 – 2014-07-30
• [学会発表] Development of EarthCARE CPR, ATLID and MSI Algorithms for Cloud Microphysics Retrievals (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, Y. Hagihara, H. Ishimoto and A. Borovoi
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-07-28
• [学会発表] Humidity around ice clouds in middle to upper troposphere retrieved by using AIRS radiance data (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishimoto, H. K. Okamoto, H. Okamoto, K. Sato
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-07-28
• [学会発表] Updated treatment for warm cloud microphysics: Its foundation and application (2014)
  • 著者名/発表者名: Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 11th Annual Meeting 2014
  • 発表場所: 札幌市、ロイトン札幌ホテル
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] CloudSat-CALIPSO-AIRS衛星の複合利用による過飽和度と氷雲微物理特性の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創、佐藤可織、田中健太、牧野利行、石元裕史
  • 学会等名: 気象学会春季大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館
  • 年月日: 2014-05-22 – 2014-05-22
• [学会発表] 赤外サウンダAIRSデータの1DVARリトリーバルから推定した北極域対流圏中上層の水蒸気場とCloudSat/CALIPSO解析による雲情報との関係 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石元裕史、岡本幸三、岡本 創、佐藤可織
  • 学会等名: 気象学会春季大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館
  • 年月日: 2014-05-22 – 2014-05-22
• [備考] 多重散乱ライダ・雲レーダの複合観測システムの構築と全球雲微物理特性解析
  • URL: http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/gfd/okamoto_project1.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
• [備考] Retrieval of cloud by using CloudSat and CALIPSO
  • URL: http://atmosp.riam.kyushu-u.ac.jp/cloudsatcalipso/