2017 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of cloud microphysics and vertical velocity by synergy use of next generation space-borne active sensors
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17H06139
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
岡本 創 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (10333783)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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)。
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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
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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[Presentation] Recent activities of coherent Doppler Wind Lidar at NICT2018
Author(s)
Ishii S., Sato A., Aoki M., Akabane K., Nagano S., Mizutani K., Iwai H., Okamoto K., Baron P., Ochiai K., Kubota M.
Organizer
Working Group on Space-Based Lidar Winds
Int'l Joint Research
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