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

2015 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 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, 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: 雲物理 / 衛星 / ライダ / レーダ

研究実績の概要

衛星搭載ライダによる雲の物理特性解析を進展させるため、多視野角・多重散乱偏光ライダ(MFMSPL)の観測実施とデータ解析を行った。またMFMSPLと95GHz雲レーダの同時観測を実施し、MFMSPLシステムの雲観測結果の検証を行った。解析の結果、MFMSPLによって観測された雲の雲頂高度は、雲レーダで観測されたものと良く整合性があった。さらに異なる視野角の各チャンネルの情報を組み合わせる事で、エアロゾル・雲・降水を識別が可能になる事が示唆された。さらにこのシステムの各チャンネルの情報を用いて、衛星搭載ライダによって観測される水雲からの後方散乱光を再現する試みを行った結果、再現された偏光解消度は、衛星搭載ライダと同等の大きさを示していることがわかった。また多視野角・多重散乱偏光ライダ(MFMSPL)の機能を拡張し、５つの異なる角度で傾け後方散乱光の入射電場に平行な成分を取得する５つのチャンネル、それらと直交する成分を取得する５つのチャンネルの合計１０チャンネルによる観測システムが完成した。CALIPSO衛星に搭載されたライダと高度１ｋｍで同程度のフットプリントを実現する観測が初めて可能となったことになる。衛星搭載ライダの後方散乱係数と偏光解消度から雲微物理特性を得るために、鉛直方向に不均質な雲の解析が可能な准解析的なアルゴリズム開発を実施した。モンテカルロ法の結果との比較から検証を行った。衛星データ解析としては、CloudSat衛星搭載の雲レーダ、CALIPSO衛星搭載のライダ、AQUA衛星搭載の赤外サウンダの同時解析から、氷雲が存在する近傍では実際に水蒸気量が大きくなっている事、またこれらのデータを統合解析する事で氷雲内の過飽和度の見積りを初めて行った。

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

今回の多重散乱ライダMFMSPLの改良によって、５つの異なる角度で傾け後方散乱光の入射電場に平行な成分を取得する受信部、５つの入射電場に直交成分を取得するチャンネルの観測システムが完成し、CALIPSO衛星に搭載されたライダと同程度のフットプリントを下層雲の卓越する高度で実現できた。また雲レーダとの同時観測から、実際にMFMSPLである程度の光学的厚さの雲を観測した場合、雲レーダと同等の雲頂を示す事がわかった。また雲レーダでは雲とそこから生成された霧雨の区別が明確につかないが、MFMSPLではそれらを識別する事が可能になる事を示す事ができた。これらの結果はInternational Laser Radar Symposiumで発表し、またOkamoto et al., (2016a)に初期解析結果が掲載された。
また衛星搭載ライダを用いた氷雲・水雲の識別結果には現在３つのプロダクトが存在するが、それらの相互比較と航空機データを用いた検証を実施し、水雲の出現頻度に関してプロダクト間に大きな違いが存在する事がわかった(Cesana et al., 2016)。衛星を用いた全球氷粒子の微物理特性の抽出結果における氷粒子モデルの依存性に関する感度実験も進展した(Okamoto et al., 2016b)。雲内の過飽和度を初めて衛星から抽出する手法を開発する事ができ、この結果についてAmerican Geophysical Union Fall Meetingにおいて招待講演を行った。

今後の研究の推進方策

MFMSPLを用いて、雲域検出と粒子タイプ識別（エアロゾル、氷雲、水雲、降水（降雨と降雪））アルゴリズムを完成させる。またMFMSPLの全チャンネルの情報を用いて、雲微物理特性抽出を行う。CALIPSO衛星搭載ライダの微物理抽出アルゴリズムの開発と検証をこのMFMSPLを用いて実施し、アルゴリズムを確定し、CALIPSOから雲微物理特性の全球解析を実施する。雲レーダとMFMSPLの同時観測結果から、統合的な粒子識別解析アルゴリズム、雲・降水微物理量解析アルゴリズムの開発を完成させ、CloudSat/CALIPSOの同時解析から、全球で雲微物理特性を解析する。CLoudSat/CALIPSO/AIRSの同期観測解析から、過飽和度解析を実施し、これとCALIPSOから求めたエアロゾル微物理特性抽出結果との統合解析から、氷粒子と水粒子の物理特性におけるエアロゾルの効果に関して生成条件を求める。

研究成果

• [国際共同研究] Russian Academy of Science(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Russian Academy of Science
• [国際共同研究] Universite Paris 6/Universite Blaise Pascal/CNRS(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite Paris 6/Universite Blaise Pascal/CNRS
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Jet Propulsion Laboratory/NASA Langley Research Center/City College of New York(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Jet Propulsion Laboratory/NASA Langley Research Center/City College of New York
• [雑誌論文] Backscattering properties of nonspherical ice particles calculated by geometrical-optics-integral-equation method (2016)
  • 著者名/発表者名: Masuda, K., H. Ishimoto, T. Sakai and H. Okamoto
  • 雑誌名: 27th International Laser Radar Conference 巻: tbd ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling lidar multiple scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato, K., H. Okamoto, H. Ishimoto
  • 雑誌名: 27th International Laser Radar Conference 巻: tbd ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Depolarization ratio of clouds measured by multiple-field of view multiple scattering polarization lidar (2016)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, T. Makino, T. Nishizawa, N. Sugimoto, Y. Jin, and A. Shimizu
  • 雑誌名: 27th International Laser Radar Conference 巻: tbd ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of retrieval algorithms for ice microphysics using CALIPSO/CloudSat and EarthCARE (2016)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, Y. Hagihara, H. Ishimoto, A. Borovoi, A. Konoshonkin, N. Kusutova
  • 雑誌名: 27th International Laser Radar Conference 巻: tbd ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Differences in ice cloud microphysical properties between western and eastern tropical pacific regions derived from CloudSat and CALIPSO measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, N., T. Hayasaka, H. Okamoto
  • 雑誌名: SOLA 巻: 12 ページ: 91-95
  • DOI: doi:10.2151/sola.2016-021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Using in-situ airborne measurements to evaluate three cloud phase products derived from CALIPSO (2016)
  • 著者名/発表者名: Cesana, G., H. Chepfer, D. Winker, B. Getzewich, X. Cai, O. Jourdan, G. Mioche, H. Okamoto, Y. Hagihara, V. Noel, M. Reverdy
  • 雑誌名: J. Geophys. Res.-Atmosphere 巻: tbd ページ: in press
  • DOI: 10.1002/2015JD024334
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vertical grid spacing necessary for simulating tropical cirrus clouds with a high-resolution AGCM (2015)
  • 著者名/発表者名: Seiki, T., C. Kodama, M. Satoh, T. Hashino, Y. Hagihara and H. Okamoto
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 42 ページ: 4150-4157
  • DOI: doi:10.1002/2015GL064282
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characteristics of cirrus clouds in the tropical lower stratosphere (2015)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, S, Z. J. Luo, H. Kubota, T. Shibata, H. Okamoto, and H. Ishimoto
  • 雑誌名: Atmospheric Research 巻: 164-165 ページ: 358-368
  • DOI: doi:10.1016/j.atmosres.2015.06.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [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] Coherent and incoherent additions of light beams at solutions of the light scattering problem by use the beam tracing method within the framework of physical optics (2015)
  • 著者名/発表者名: Konoshonkin, A. V., N. V. Kustova, A. G. Borovoi, and H. Okamoto
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 9680 ページ: 96802X-1-7
  • DOI: doi: 10.1117/12.2204879
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of the physical optics code with the GOIE method and the direct solution of Maxwell equations obtained by FDTD (2015)
  • 著者名/発表者名: Konoshonkin, A. V. , N. V. Kustova, A. G. Borovoi, H. Ishimoto, K. Masuda, H. Okamoto
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 9680 ページ: 96802M-1-7
  • DOI: doi: 10.1117/12.2203288
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of the Cloud Top Heights of Marine Boundary Layer Clouds and the Frequency of Marine Fog over Mid-Latitudes (2015)
  • 著者名/発表者名: Kawai, H., Hideaki, Yabu, Shoukichi, Y. Hagihara, T. Koshiro, and H. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan 巻: 93 ページ: 613-628
  • DOI: doi: 10.2151/jmsj.2015-045
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spectral parameters estimation in precipitation for 50-MHz band atmospheric radars (2015)
  • 著者名/発表者名: Gan, T., M. K. Yamamoto, H. Hashiguchi, H., Okamoto and M. Yamamoto
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 50 ページ: 789-803
  • DOI: doi:10.1002/2014RS005643
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 北極域の雲特性と海氷相互作用研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡本創、佐藤可織, 田中健太、 浮田甚郎、岩本勉之、塩原匡貴、矢吹正教、 鷹野敏明、小池 真
  • 学会等名: GRENE北極気候変動研究事業研究成果報告会
  • 発表場所: 国立国語研究所 2F講堂、立川
  • 年月日: 2016-03-03
• [学会発表] Development of L2 algorithms for CPR/CPR-ATLID/CPR-ATLID-MSI (2016)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato and Y. Hagihara
  • 学会等名: EarthCARE PI workshop
  • 発表場所: TKP takehashi, Tokyo
  • 年月日: 2016-01-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global analysis of generation mechanism of ice microphysics inferred from space-borne active sensors and infrared sounder (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H., K. Sato, H. Ishimoto, Y. Hagihara
  • 学会等名: AGU fall meeting
  • 発表場所: Moscone center, San francisco, United States of America
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Space-borne active sensor cloud retrievals and evaluation by ground-based MFMSPL measurements (2015)
  • 著者名/発表者名: Sato,K., H. Okamoto
  • 学会等名: AGU fall meeting
  • 発表場所: Moscone center, San francisco, United States of America
  • 年月日: 2015-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Japan Science Status (2015)
  • 著者名/発表者名: Hajime Okamoto
  • 学会等名: EarthCARE 24th JMAG
  • 発表場所: TKP, Tokyo
  • 年月日: 2015-11-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 衛星搭載ライダ信号解釈のための 多視野角・多重散乱偏光ライダ開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創、佐藤可織、牧野利行、西澤智明、杉本伸夫、神義孝、清水厚、鷹野敏明
  • 学会等名: 第33回レーザセンシングシンポジウム
  • 発表場所: 大田区産業プラザPIO コンベンションホール
  • 年月日: 2015-09-10
• [学会発表] Modeling lidar multiple scattering (2015)
  • 著者名/発表者名: Sato,K., H. Okamoto, H. Ishimoto
  • 学会等名: 27th International Laser Radar Conference
  • 発表場所: New York, United States of America
  • 年月日: 2015-07-09
  • 国際学会
• [学会発表] Depolarization ratio of clouds measured by multiple-field of view multiple scattering polarization lidar (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamoto H., Sato, Kaori, T. Makino, T.Nishizawa, Y. Jin, N. Sugimoto, A.Shimizu
  • 学会等名: 27th International Laser Radar Conference
  • 発表場所: New York, United States of America
  • 年月日: 2015-07-07
  • 国際学会
• [学会発表] EVALUATION OF RETRIEVAL ALGORITHMS FOR ICE MICROPHYSICS USING CALIPSO /CLOUDSAT AND EARTHCARE (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamoto H., K. Sato, Y. Hagihara, H. Ishimoto, A. Borovoi, A.Konoshonkin, N. Kustova
  • 学会等名: 27th International Laser Radar Conference
  • 発表場所: New York, United States of America
  • 年月日: 2015-07-07
  • 国際学会
• [学会発表] Global analysis of ice microphysics and ice super-saturation from CloudSat, CALIPSO and AIRS (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamoto,H., K. Sato, H. Ishimoto, K. Tanaka
  • 学会等名: 26th IUGG General Assembly
  • 発表場所: Prague, the Czech Republic
  • 年月日: 2015-06-23
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite remote sensing of vertically resolved cloud microphysics and water vapor (2015)
  • 著者名/発表者名: Sato,K., H. Okamoto, H. Ishimoto
  • 学会等名: 26th IUGG General Assembly
  • 発表場所: Prague, the Czech Republic
  • 年月日: 2015-06-23
  • 国際学会
• [学会発表] CloudSat-CALIPSO-AIRS-AMSR-Eの複合利用 による北極域の雲量、雲微物理特性、水蒸気量、 海氷面積の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創、田中健太、佐藤可織、 石元裕史
  • 学会等名: 気象学会春季大会
  • 発表場所: エポカルつくば
  • 年月日: 2015-05-22
• [学会発表] Japanese science status (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H.
  • 学会等名: EarthCARE 23th JMAG
  • 発表場所: ESA-ESTEC, the Netherland
  • 年月日: 2015-04-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 気象研究ノート 第２３１号「人口降雨・降雪研究の最前線」 (13.1 地上リモセンシナジー観測による雲物理量の推定, 239-253) (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本 創, 佐藤 可織 （編集 村上正隆、藤部文昭、石原正仁）
  • 総ページ数: 14
  • 出版者: 日本気象学会
• [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 using CloudSat and CALIPSO
  • URL: http://atmosp.riam.kyushu-u.ac.jp/cloudsatcalipso/