共同研究報告書
| 研究区分 | 一般研究 |
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研究課題 |
高精度レーダ降雪強度推定に向けた降雪粒子の立体形状と誘電率データベースの開発 |
| 新規・継続の別 | 継続（平成27年度から） |
| 研究代表者／所属 | 名古屋大学宇宙地球環境研究所 |
| 研究代表者／職名 | 技術専門職員 |
| 研究代表者／氏名 | 民田晴也 |
| 研究分担者／氏名／所属／職名 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
川島正行 | 北大低温研 | 助教 |
| 研究目的 | 高精度レーダ降雪強度推定、固体降水粒子のマイクロ波散乱特性の知見深化を目標に、降雪粒子の立体形状・落下速度・粒径分布を観測する機器の開発と立体形状・誘電率・粒径分布・観測レーダ反射因子のデータベースを開発している。立体形状と密度（誘電率）は粒子散乱特性の理解向上に有効であり、形状、密度、落下速度は粒子分類（乾/湿雪や霙）に有効である。開発データベースを利用して個々の降雪粒子の散乱特性の理論的な知見深化を図ると共に、レーダ反射因子の理論値と観測値の統計比較から粒子分類を組み込んだレーダ降雪強度推定の経験式導出することで、レーダ降雪強度推定の高精度化を目指す。 |
| 研究内容・成果 | 固体降水粒子の立体形状、落下速度と粒径分布(PSD)を観測するMulti-angle Snowflake Imager(MSI)を開発している（図1）。MSIの性能評価、および降雪粒子密度と観測レーダ反射因子データ取得を目標に、2016年12月上旬から2017年3月下旬の間、北大低温研の観測機器（2DVD、電子天秤降雪強度計、地上気象測器）との同期観測を実施した。MSIは4台のラインスキャナを水平面で45°間隔に配置、4方向から落下粒子の影画を取得、粒子立体形状を再現する。計測レーザシート光には高度差があり、粒子通過時間差から落下速度が見積れる。影画は凹形状や奥行きを表現できないため粒子向きにより形状再現誤差は大きく分散する。今年度の観測では、ラインスキャナ計測（側面）に加え、斜め上方40°からスキャナと連動して高速カメラ撮影した画像を組み込むことにより凹部の再現性向上を図っている。現在、数サンプルの計測データを利用してアルゴリズム開発中である。図1に星型板の立体形状再現例を示す。スキャナのみでは凹部が再現できず八角形板となるが、カメラ画像を組込むことで星型が再現性が向上している。今年度の成果として、カメラ機能を除外したMSI性能評価（落下速度とPSD計測能力）を報告する。図2に粒子サイズと落下速度(Vf)の関係を例示する。MSIと2DVDのVf平均値はよく一致し、MSIは2DVDの粒径3mm未満の粒子に見られる異常高速Vfを生じることなく計測できている。4影画のMSIは直交2影画の2DVDに比べ立体形状再現性は高く、MSI観測粒子体積は2DVDに比べ44%（等価体積直径で13%）小さかった。レーダ反射因子（Z）および降雪強度（SR)は等価体積直径で表現したPSDを積算、2DVDの直径に13%下方修正を適応することで、MSIと2DVDのZとSRは良い一致を示すことを確認した。誘電率は雪密度と温度に依存する。雪粒子密度は電子天秤降雪強度計で計測した質量をMSI、2DVDから得た降雪粒子の積算体積で割り平均密度（20分間、全粒子平均）を算出した（図3）。落下速度が3m/s程度のcase-1では0.2g/cm^3を、落下速度が1m/sのcase-2では0.05g/cm^3の密度を示し、MSIと2DVDの雪密度は時系列で良い一致を示している。雪密度の一致はPSDおよびSRの整合性を示唆している。Z比較は、MSI、2DVDのPSDに1g/cm^3の雪密度（水の密度）を与え、レイリー近似の条件で計算したZ理論値は、北大低温研のX-bandレーダの観測Zと大きなオフセットはあるが、対数軸で線形関係のZ-SR関係が確認できている。今後、観測雪密度を組み込んだZ評価、立体形状を利用した散乱計算を行い、データベースの品質確認と完成度を高める。 |
| 成果となる論文・学会発表等 |
民田晴也， 津田紀生， 藤吉康志， 2016: 降雪粒子の立体形状計測とフラクタル次元， 日本気象学会2016年度春季大会， 国立オリンピック記念青少年総合センター（東京）， 2016.05.20 民田晴也， 津田紀生， 藤吉康志， 川島正行， 2016: 降雪粒子の立体形状と等価体積直径， 日本気象学会2016年度秋季大会， 名古屋大学， 2016.10.28. |