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レーダ気象学研究(防災科研45年のあゆみ)

3.8 レーダ気象学研究

3.8.1 はじめに

災害をもたらす大気現象の多くは空間的なひろがりが数百mから数百kmで,寿命が数十分から2日程度のメソスケール大気現象である.我が国で毎年のように発生し,多くの尊い人命や貴重な財産を奪っている集中豪雨,豪雪,雷や竜巻などがメソスケール大気現象の典型的な例である.メソスケールの大気現象は,多様な形態,地域特性を持ち,スケールが小さくゲリラ的に発生する場合がある.気象レーダはこのような大気現象を監視するための有効な機器である.ドップラー機能を持つレーダを用いれば,反射強度の情報に加えて風に関する情報が得られる.偏波機能を持つマルチパラメータレーダを用いれば,様々な降水パラメータに関する情報を得ることができる.

気象レーダが本格的に登場したのは1940年代後半,米国においてである.第2次世界大戦後に軍事要レーダが大学や研究機関へ払い下げられたことがきっかけとなった.防災科学技術研究所に最初の気象レーダが導入されたのは今から約30年である.研究所の設立が1963年であることを考えれば早くから気象レーダを導入して研究を開始したと言える.防災科学技術研究所での今日までの気象レーダを用いた研究の歴史を振り返ると,非ドップラーレーダ,ドップラーレーダ,マルチパラメータレーダの3つの時代に分けることができる(表3.8.1および図3.8.1).以下,防災科学技術研究所における気象レーダを用いた研究成果を紹介する.

3.8.2 非ドップラーレーダを用いた研究(1969〜1988年)

防災科学技術研究所において気象レーダに関係する研究は1960年代後半から始まる.当初の研究は気象レーダエコーのリアルタイムでの電算機処理の可能性に関するものであった(菅原ほか,1968;Sugawara et al., 1971).研究所に初めてのレーダが導入されたのは1969年である(写真3.8.1).このレーダは車載式で,移動観測が可能であった.「気象調節に関する研究」(1968-1972年)や「積雲対流がもたらす災害発生機構に関する研究」(1973-1977年)で特に積乱雲の観測に利用された(八木ほか,1976a,b;清野ほか,1976,1978;八木,1979, 1980).1980年代前半にはファンビームドップラーレーダから得られる上層風を利用した短時間降雨予測の研究(上田・八木,1983;八木・上田;1984)や降雪量推定のためのZ-R関係に関する基礎研究(八木・清野,1979;八木・上田,1980;上田・八木,1980)がおこなわれた.1980年代後半には降雨や降雪の山地地形による増幅についての観測が開始される(八木ほか,1986;真木・八木,1987;真木・八木,1988;八木・真木,1994).初代レーダのデータ処理システムはデジタル化されておらず,フィルムに記録されたPPIスコープの画像を読みとっての解析であった.このため,解析には手間と長時間を要した.

3.8.3 ドップラーレーダを用いた研究(1989〜2000年)

(1) 吹雪,降雪雲の観測研究

 
ドップラーレーダを用いた本格的な研究が開始されたのは吹雪の研究(Higashiura et al., 1991, 1993)からである.1988年に研究所の特別研究「地吹雪の発生機構の解明と災害防止技術の開発に関する研究」(防災科学技術研究所,1993)の中でドップラーレーダ(X-DOP)が完成した(Maki et al., 1990).更に1994年には「吹雪の広域予測手法の開発と広域ウォーニングシステムの実用化に関する研究」(Higashiura et al., 1994)において直交二偏波レーダ(X-POL)が導入された.写真3.8.2にX-DOPの写真を示す.X-DOPの導入は吹雪に伴う強風域の検出や視程障害の予測にドップラーレーダを利用しようとする初めての試みであった.青森県津軽平野をフィールドにして1989年から1992年に観測がおこなわれた.最大15rpmでのアンテナの高速スキャンができることが当時のレーダとしては新しい点であり(Maki, 1990),時間変化の激しい吹雪の3次元構造(Maki et al., 1993b; 真木,1994; Maki and Nakamura, 1995)や乱流構造(Kim et al, 1999),地吹雪を発生させる雪雲からの外出気流の構造(Maki et al., 1993a;真木,2003)が調べられた. 1994年にX-POLが導入されたことによりデュアルドップラー観測から風向・風速の分布を求めることが可能になった.1994年から1996年には北海道石狩平野で降雪雲の観測がおこなわれ雪雲の内部構造(Yamada et al., 1996a)や降雪雲からの下降気流と外出気流の構造(Yamada et al, 1997)が明らかにされた.

上に述べた研究に加えて,外部資金による研究もおこなわれた.1989年から1992年にかけて山形県酒田において雪雲についての共同観測が科学技術振興調整費の研究でおこなわれた.この観測では雪雲の人工調節という観点から海上で発達するバンド状の雪雲に焦点が当てられ,その内部構造や組織化について明らかにされた(Murakami et al., 2003;Yamada et al., 1994;1996b;2004).2000年代には,科学技術振興事業団の戦略的基礎研究「メソ対流系の構造と発生・発達のメカニズムの解明」では,複数台のドップラーレーダによる観測が2001年1月上旬から2月上旬にかけて北陸地方の日本海側平野部でおこなわれた.観測では気象庁や大学などのドップラーレーダ,境界層レーダ,高層ゾンデ,航空機などが導入され,冬季の日本海上で発達する帯状雲,小低気圧,収束線などの擾乱の詳細な構造の解明された(吉崎ほか,2001).このほか,より防災的な観点から,地方自治体との共同研究として雪崩の発生予測へのレーダ情報の利用についての研究がなされた(Iwanami et al., 1997).

非ドップラーレーダ時代からおこなわれてきた山地地形による降雪雲の変質過程の研究も主にシングルドップラーレーダにより継続しておこなわれた.出羽丘陵を対象とした研究(中井ほか,1990;Nakai and Endoh, 1995;Nakai et al., 1998)や津軽地方の山地地形を対象とした研究(Kodama et al., 1999)がある。降雪雲の研究は,現在も,長岡雪氷防災研究センター(新潟県長岡市)において,雪崩や吹雪などの雪氷災害の予測研究と関連して進められる(Nakai et al., 2006).

(2) 降水システムの観測研究

 
降雨についての本格的なドップラーレーダ研究は1993年からである.「つくば域降雨観測実験」(1993〜1996年)が契機となった.この観測は熱帯降雨観測衛星(TRMM)の地上検証実験が出発点であった.その後,メソスケールの大気現象を研究対象として,関東地域にある国立研究所や大学が所有している観測機器を用いた通年観測が実施された(吉崎ほか編集,1999).防災科学技術研究所はX-DOPによる観測をおこなった(真木・つくば域降雨観測実験グループ,1995;佐々木ほか,1997).この観測により,関東平野のスコールラインの構造(Maki et al., 1997; Sasaki et al., 1999)や台風の接近によって刺激されたレインバンドの発達過程(Seko et al., 1999)が明らかにされた.

「全球水文過程における災害予測に関する研究:素過程解明に関する研究」(1998〜2000年)では海外でのレーダ観測も行われた(写真3.8.3).オーストラリア気象局との共同研究で熱帯のスコールラインの構造,スコールラインがまわりの環境場へ及ぼす影響について明らかにすることが目的であった.この共同研究は「日豪熱帯メソスケール観測実験」(JATMEX: Japan Australia Tropical Mesoscale Experiment,1998〜2000年)と名付けられた.1998/99の雨期にオーストラリア北部のダーウィンで,X-DOP,X-POL,オーストラリア気象局の2台のレーダの,併せて4台のドップラーレーダにより約100km四方の領域での風と降水3次元分布が求められた(Iwanami et al., 1999).このデータをもとに熱帯のスコールラインが大気に及ぼす加熱,加湿効果が推定された(Takahashi et al., 2008).この他,大陸性スコールラインの構造に関する研究(Sasaki et al., 2001)や数値シミュレーションによる微物理過程の研究(Misumi et al., 2000)がおこなわれた。ディスドロメータによる地上観測からは,熱帯のスコールラインの雨滴粒径分布に関して,層状域と対流域では雨滴粒径分布が異なることが確かめられた(Maki et al., 2001).

(3) レーダ計測手法

 
ドップラーレーダを用いた風速場の推定手法に関する研究に関して,1台のドップラーレーダから風の場を求めるVAD法(中井,1995)やVVP法(Sasaki et al., 1997; 佐々木ほか,1998)がなされた.雨滴粒径分布の推定手法に関しては,鉛直ドップラーレーダによる方法(真木ほか,1998)や偏波レーダによる方法(Maki et al., 1998;朴ほか,2000)が研究された.このほか,レーダデータの3次元表示(真木ほか,1993;Maki et al., 1993b;Maki and Miyachi, 2001)やインターネットを利用したリアルタイムデータ配信の試験(Maki et al., 2002)がなされた.1995年には気象庁と共同で成田空港ドップラーレーダの検証観測もおこなわれた.

3.8.4 マルチパラメータレーダを用いた研究(2001年〜現在)

(1) マルチパラメータレーダシステム

雲の発生から降水の発達消滅までの一連の降水過程を観測する先端的レーダシステムが「システムとしての降水現象解明のための研究」(1996〜1997年)での技術調査・概念設計を経て2000年に完成した(写真3.8.4参照).このレーダシステム(以降はMPレーダシステム)は,その後の防災科学技術研究所でのレーダ気象学・水文学研究の進展に大きな役割を果たすことになる.

MPレーダシステムは,雨や雪の降水現象を観測対象としたXバンド波長のレーダ(MP-X)と降水前の雲を対象としたKaバンドとWバンド波長のレーダ(MP-Ka/W)からなる(Iwanami et al. 2000;Iwanami et al. 2001).MPレーダシステムは次のような特徴を持っている.4トントラックに搭載されており,機動的な観測が可能である.▲疋奪廛蕁宍’修ら雲内の風の情報が得られる.Xバンド及びWバンドは2偏波観測機能を持ち,反射因子,偏波間位相差,偏波間相関係数等の偏波パラメータの測定が可能である.これにより,降水強度や雨水量の推定,雲・降水粒子の種類・形状・大きさに関する情報が得られる.MP-Ka/Wは通常の気象レーダの1000〜10000倍の感度を有しているため,雲に関する定量的な情報を得ることができる.

以下,MPレーダシステムを用いた研究の成果について述べる.

(2) 緊急時における機動的観測

完成後,機動観測という特徴を生かして,2000年の三宅島雄山の噴煙観測にXバンドMPレーダが使用された(Maki and Doviak, 2001; 真木ほか,2002;Maki et al., 2003).目的は噴火活動に伴う火山噴出物をMPレーダにより検出しその情報を島民や防災関係者に提供することであった.観測されたレーダ画像はリアルタイムでweb上に公開された.幸い,観測開始後には大きな噴火による被害はがなかった.火山噴火監視へのMPレーダの利用は初めての試みであり,その後,気象レーダによる火山監視の有効性に関する基礎的研究が継続された(例えば,Oguchi et al., 2009).

緊急時ではないが,MPレーダシステムの機動的性を活かした観測が新潟県塩沢や沖縄でおこなわれた.これらについては,(5)の2波長雲レーダを用いた研究で紹介する.

(3) 定量的降水量推定に関する研究

レーダ気象学・水文学上の重要なテーマの一つに降水量の定量的推定がある.MP-Xはこの研究を大きく進展させた.その鍵となったレーダパラメータは偏波間位相差(KDP)である.偏波間位相差とは,水平偏波と垂直偏波が降雨域を伝播する時に生じる両偏波間の位相差である.単位距離あたりの偏波間位相差を比偏波間位相差(KDP)と呼ぶが,KDPは従来の雨量推定手法が被る様々な誤差の要因(例えば,雨滴粒径分布の変動,レーダハードウェアのキャリブレーション誤差,地形によるビームの一部遮蔽,降雨減衰など)の影響を受けにくいという利点を持っている.更に,偏波間位相差情報は反射因子や反射因子差などのパラメータの減衰補正にも利用できるようになった.

MPレーダから得られる偏波パラメータを用いた様々なアルゴリズムは「豪雨による土砂災害の発生予測に関する研究」(2001〜2005年)において開発された.例えば,降雨量推定手法(Maki et al., 2005; Maki et al., 2006),降雨減衰補正手法(Park et al., 2005a; Park et al., 2005b; Liu et al., 2006; Kim et al., 2008),降水粒子の判別(Iwanami et al., 2007;)がある.一部については特許申請がなされた.これらのうち,降雨の定量的推定に関する研究は,Xバンド波長レーダは降雨観測には不向きとされていた常識を一変させるものであった.

MPレーダの降雨情報を利用した災害予測についても新たな取り組みが開始された(真木,2007).例えば,表層崩壊の予測ではMPレーダ実効雨量情報とGIS技術を組み合わせたLAPSUSシステムの開発(Fukuzono et al., 2004)やMPレーダ雨量を入力とする分布型流出モデルに基づく土砂災害危険度予測手法(Misumi et al, 2005;三隅ほか,2006)が開発された.並行して豪雨災害予測のために,数値モデル用いた豪雨のメカニズム研究もなされた(三隅・円山,2008).

(4) 次世代豪雨強風監視システム(X-NET)

MPレーダによる降雨量推定の成功を踏まえて,プロジェクト研究「MPレーダによる土砂・風水害の発生予測に関する研究」(2006〜2010年)が立案された.このプロジェクトで,X-NETと名付けられた複数台のMPレーダとドップラーレーダのレーダネットワークの構築が首都圏で進められた(真木,2005;Maki et al., 2008;Chandrasekar et al., 2009).図3.8.2にレーダの配置と観測範囲を示す.X-NETの目的は局地気象擾乱の発生・発達の理解やその予測精度の向上、都市型災害の警報システムの開発に役立てるための高精度で高空間分解能の降水と風の情報を取得することある。そのために次の技術について開発している.ー鹽垠上空の降水と風の3次元分布の瞬時集約と配信(Maesaka et al., 2007;Maesaka et al., 2008;真木・朴,2009),⊂綉情報に基づく豪雨域,強風域の検出と監視(前坂ほか,2007;清水・前坂,2007;田村ほか,2007;真木ほか,2008),3阿修λ,砲茲觜濘絅淵Εャスト(加藤ほか,2009)およびデータ同化手法を組み込んだ雲解像数値モデルによる降水短時間予測(Shimizu et al., 2007; Shimizu et al., 2008),づ垰垠森覬災害や強風災害の発生予測手法の高度化(Nakane et al., 2008),および,ネ諭垢文Φ翳野での基礎的気象データベース化である.X-NETによる成果はこれからであるが,2008年には,現業のレーダ観測では困難であったゲリラ豪雨を捉えることに成功した(Kato and Maki, 2009).X-NETを利用した強風のナウキャストに関しても特許申請がなされた.

(5) ミリ波2波長レーダを用いた研究

ミリ波2波長レーダ(MP-Ka/W)による降水機構の研究は(独)科学技術振興機構の戦略的創造研究「衛星による高精度高分解能全球降水マップの作成」(2003年〜2007年)において実施された(Iwanami et al., 2005; 岩波,2008).MP-Ka/Wは雲のステージを観測することができため,降水過程の初期段階の理解に有効である.研究成果の例として,2波長レーダによる降雨量推定(Kim et al., 2006),氷水量の推定(播磨屋ほか,2005;Kim et al., 2005),雲・降水観測と雲物理パラメータの鉛直分布の推定(Wakayama et al.,2001;播磨屋ほか,2004;岩波ほか,2005;岩波ほか,2006; Kubota et al., 2007),MP-X,MP-Ka/W,マイクロ波放射計を使った微物理パラメータの推定(Yoshida et al., 2006)がある.衛星による降水マップ作成のために必要とされる融解層のモデル化ではミリ波レーダ観測とビン法雲物理モデルによる研究がなされた(岩波ほか,2008).

文部科学省の科学技術振興調整費による重要課題解決型研究「渇水対策のための人工降雨・降雪に関する総合的研究」(2006年〜2010年)では,種まき効果を定量的に評価するために,ミリ波2波長レーダによる降雪雲の観測がおこなわれた.その際,ビデオゾンデや航空機観測によるその場観測による検証がおこなわれた.

3.8.5 今後の展望

防災科学技術研究所では早くから気象レーダを導入して気象災害の研究をおこなってきた.2000年以降のMPレーダシステムとX-NETによる研究の成功は,局所的に発生する気象災害や風水害の発生監視と予測に大きく貢献している.その具体的な例は国土交通省の3大都市圏(関東,中部,関西)と金沢・富山地方で展開するMPレーダネットワークとして具体化する.この計画は2008年に発生した都市型水害が契機となっているが,計画の立案にあたっては,防災科学技術研究所のX-NETの観測成果が貢献している.国土交通省のMPレーダネットワークは2009年度に整備され,試験運用を経て2012年度から本格運用が開始される。大都市を対象とした現業用MPレーダネットワークの整備は世界的にも初めての試みである.国内外の研究機関,大学,地方公共団体,民間気象会社などから大きな関心を持たれており,今後,都市型災害研究の新たな進展が期待される.

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