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衛星搭載ドップラーライダーの実現に向けて

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衛星搭載ドップラーライダーの実現に向けて - PowerPoint PPT Presentation


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衛星搭載ドップラーライダー・キックオフ研究会 2011.9.30. 衛星搭載ドップラーライダーの実現に向けて . 岩崎俊樹  東北大学 大学院理学研究科. ドップラーライダー: レーザー光を風と共に移動するターゲットに照射し、散乱光の ドップラーシフト を測定し、風速の視線方向成分を観測する。 衛星搭載: 全球観測を実施して風観測のデータ空白域を解消する。 最大の難点は、安定した、高出力、高効率のレーザー開発?. Coherent & Incoherent. Coherent Doppler Lidar

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Presentation Transcript
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衛星搭載ドップラーライダー・キックオフ研究会 2011.9.30

衛星搭載ドップラーライダーの実現に向けて

岩崎俊樹 

東北大学 大学院理学研究科

ドップラーライダー: レーザー光を風と共に移動するターゲットに照射し、散乱光のドップラーシフトを測定し、風速の視線方向成分を観測する。

衛星搭載: 全球観測を実施して風観測のデータ空白域を解消する。

最大の難点は、安定した、高出力、高効率のレーザー開発?

coherent incoherent
Coherent & Incoherent

Coherent Doppler Lidar

Eye Safe 近赤外レーザー 半導体 1.5μmor 2μm

 エアロゾル(~3km)、雲による散乱

 単色性に優れ,スペクトルを直接測定

Incoherent Doppler Lidar

Eye Safe 近紫外レーザー Nd-YAG第3高調波 355nm

 オゾン、大気分子、(エアロゾル 、雲)による散乱

 分子性散乱では散乱光スペクトルの半値幅が広くなるので波長依存のあるフィルターで測定

 下部成層圏で感度が高い。

ESA-ADM-Aeolus Aladine

* AladineAtmospheric Laser Doppler-Lidar Instrument

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これまでの計画とこれからの計画

日本計画

・ISS搭載ドップラーライダー(米国)実証

Coherent

2005年打ち上げ予定 → 延期 → 中止

NASA計画

・ISS搭載ドップラーライダー(米国)実証

Hybrid(Coherent & Incoherent)

2012-16 ライダー開発

2017 打ち上げ

2017(2018) 2年ミッション

ESA計画

・単独衛星

Incoherent (強力)

2011 ライダー開発

2013 打ち上げ

201? ?年ミッション

日本計画

・ドップラーライダ衛星(日本)実用?

Hybrid(Coherent & Incoherent)?

2012-14(15?)  feasibility study

2014(15)-19(20) ライダー開発

2020-2025    打ち上げ

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衛星による風観測

QuikScat/Seawind

  海上風に関する面的な情報。1日でほぼ全球をカバー。マイクロ波散乱計は自由大気の風を代表しているか?

雲または水蒸気追跡風

  5個(?)の静止気象衛星で常時全球をカバー。

観測データは雲頂一層のみ。雲の生成消滅は風速エラーとなり輝度温度エラーは観測高度エラーとなる。

NOAA/AMSUなどによる気温情報

  データ同化により気温情報は風解析値にも反映。とくに中高緯度では地衡風が強い拘束条件。

  気温誤差が風の誤差となる。

現在の衛星による風観測はすべて間接的。空白域も広い。

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衛星搭載ドップラーライダーの長所・短所
  • ドップラーシフトにより視線風速を直接測る。

(2方向観測を行えばベクトル風が分かる)

2.対流圏下層と成層圏で風速の鉛直分布が分かる。

3.軌道に沿って全球的なデータが得られる。

1.高出力・高効率の安定したEye Safe レーザーが必要。

  * 強力な電源が必要

2.エアロゾル、雲が少ないと対流圏では観測できない。

3.面的なイメージは得られない。

  → 有効利用のためにはデータ同化が必要。

doppler lidar
衛星搭載Doppler Lidar に期待される効果

海上での対流圏下層風(コヒーレント)

  大気大循環

  台風

  水蒸気輸送 → モンスーン  

大陸上の下層風

  陸上でのデータ空白域

  ダスト → エアロゾルのデータ同化

雲粒子からの直接観測

  雲移動ベクトル → ドップラー風 精密化

  熱帯上部対流圏(非地衡風の直接観測)

上部対流圏~成層圏(インコヒーレント)

  対流圏-成層圏の質量交換 → 微量成分輸送

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宇宙ステーション搭載コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画宇宙ステーション搭載コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画

平成11年3月

地球科学技術ファーラム/地球観測委員会

コヒーレント・ドップラー・ライダーサブグループ

1999年当時、日本では観測実績がほとんどない

Eye Safe Lidarは米国のベンチャーの独壇場 (v.s. 三菱)

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コヒーレント

主に下層風を観測

水蒸気フラックスの解析に最適

→ モンスーン

→ 台風

宇宙ステーション搭載

コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画より

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1010

1000

990

Psea(hPa)

980

970

960

950

940

930

920

910

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10

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70

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Time(h)

図1 海面更生気圧の最低値の比較(T0914)

赤線(JRA25),青線(ERA interim),茶色線(best track)

JRA25,ERA interimは1時間毎、ベストトラックは6時間毎のデータをプロット

横軸:2009年09月13日06UTCからの経過時間

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JRA+ERA t=55,67,79

図6 海面更生気圧と最低値をとる位置の経路図(上図:JRA25、下図:ERA interim)

 時刻:2009年9月16日12UTC(78時間)

 図中の赤線(JRA25),青線(ERA interim),

黒線(beat track)

JRA25,ERA interimの経路図は1時間毎、ベストトラックは6時間毎のデータをプロット 

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JRA+ERA t=55,67,79

図11500hPa面ジオポテンシャル高度と

 風速(上図:JRA25、下図:ERA interim)

 時刻:2009年9月16日12UTC

JRA25,ERA interimの経路図は1時間毎、ベストトラックは6時間毎のデータをプロット

 基準の風速は図右下に記載(30m/s)

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雲による散乱、分子性散乱 → 熱帯上部対流圏の風 Hadley &Waker Circulation

宇宙ステーション搭載コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画より

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インコヒーレント

BD 循環

S-T質量交換

TTL

大気微量成分輸送

宇宙ステーション搭載

コヒーレントドップラーライダーの風観測に関する科学計画より

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1999年の状況 → 現在の状況

○ 日本でも観測実績を積んだ(NICT, 北大)

  → 地上設置のリモートセンシングとして経験を積む

  → 衛星の前に航空機搭載実験を行う

  → データ処理ソフトウェアを開発する

○ Eye Safe Lidar、なお、日本のメーカーは消極的

  → パワー(S/N )、効率(電源)、安定性(長期間)を改善の必要

  → 現業用測器として普及(空港に設置) → 日本の強いメーカー?

  → 日本に強いメーカーがない。ベンチャーもない。 

○ 数値モデルの進展がデータの有効利用の可能性を広げる?

  → データ同化手法の進展 

  → 台風進路予報の進展

風を観測する衛星としての費用対効果はどうか?    OSSEにより証明?

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2003

ドップラーライダー(本体)1軸回転

時空間高解像度観測メソ観測に最適

レーザ波長:2.012 μmパルスエネルギ: 7 mJ/pulseパルス幅 560-1200nsec (84-180m)パルス断面 8cm繰り返し100Hz (=10msec)観測可能距離 0.5-10km

データ処理部と冷却装置

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2004年 コンテナに入る!

2軸回転 → PPIとRHI 観測

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2005年コンテナをトラックに乗せる 優れた機動性2005年コンテナをトラックに乗せる 優れた機動性

レーザ光

・目に安全な波長2μmを使用

・目に見えない波長

仰角

レーザ光送受信鏡面装置(スキャナ)

方位角

西

山側

東海側

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まとめ

○衛星搭載ドップラーライダー観測は風の直接観測データとして有望

  とくにデータ空白域 (海上下層風、陸上下層風、熱帯上層、圏界面付近)

○数値予報の進展による利用環境の向上

(データ同化手法、台風予報、ダスト予報)

OSSEも行われるようになった。

○地上および航空機搭載観測を通じてデータ処理に関する経験を積んだ

○DopplerLidar の普及と、CALIPSOなどLidar 衛星の成功

○ 大出力・高効率で安定なEye Safe Lidar

  → 日本のメーカーは消極的?

○海上下層風に関してはQuikScat/Seawind と競合

○イメージャではなくトラックデータである。