# Presentation: 042292

## JAPAN’s GV Strategy and Plans for GPM

***K. Nakamura (HyARC/Nagoya Univ.) ***
***and S. Shimizu (JAXA)***

## Objectives of Japanese GPM Cal/Val

- To confirm the reliability of the GPM standard products,
- To quantify the error of the products and confirm the characteristics,
- To clarify the origin of the error of the products and feed it back to modify the algorithms and
- To validate the algorithms using the physical parameters observed or estimated from the ground validation activities.

## PR algorithm concept

**Drop Size Distribution ******** External Parameter (In the algorithm)**

**Snow**

**Rain**

**Melting Layer**

**Stratiform**

**Height**

**Radar reflectivity**

**PR**

**Notes:**
これも今さらという気がするが、PR/DPRのアルゴリズムコンセプトを説明する。これにより後に続く検証についての説明につなげる。

二周波レーダのよい点を言うと、雨の領域では
TRMM/PR では推定できなかった雨滴粒径分布の情報が観測される。
(原理的にはD0とN0が独立に推定できる)
TRMM/PR ではアルゴリズムで使用する量であった
雨滴粒径分布がDPRで観測される物理量になる。
(アルゴリズムの検証ではなく、推定される物理量として検証)

しかし、雨域より上空の融解層では、
固相の粒子の平均密度、平均粒径、平均個数の3つがわからず、
そのままでは2周波としてもとくのは無理。
何らかの現実的な仮定を導入する必要があり。
また、KaPR では、TRMM/PR では
あまり影響しなかった大気、水蒸気、雲粒子の減衰が影響してくるので
こちらに関しても何か適当なモデルを利用せざるを得ない

## DPR algorithm concept

**Rain**

**Melting Layer**

**Stratiform**

**KaPR**

**Height**

**KuPR**

**Radar reflectivity**

**Ice/Snow Region:  ****	****insufficient  for three parameters : (N0, D0,  ******

- Accurate rainfall estimation using differential attenuation method
- (DSD parameter estimation)

- Discrimination of snow and rain using differential attenuation method

- Sensitive observation by the KaPR

- Detectable range of KuPR (14 GHz)

- Detectable range of KaPR (35 GHz)

**Notes:**
二周波レーダのよい点を言うと、雨の領域では
TRMM/PR では推定できなかった雨滴粒径分布の情報が観測される。
(原理的にはD0とN0が独立に推定できる)
TRMM/PR ではアルゴリズムで使用する量であった
雨滴粒径分布がDPRで観測される物理量になる。
(アルゴリズムの検証ではなく、推定される物理量として検証)

しかし、雨域より上空の融解層では、
固相の粒子の平均密度、平均粒径、平均個数の3つがわからず、
そのままでは2周波としてもとくのは無理。
何らかの現実的な仮定を導入する必要があり。
また、KaPR では、TRMM/PR では
あまり影響しなかった大気、水蒸気、雲粒子の減衰が影響してくるので
こちらに関しても何か適当なモデルを利用せざるを得ない

DPRになって、Validationの項目が増えている。

## GPM/DPR vs TRMM/PR on algorithm

**Attenuation **
**TRMM/PR (Ku-band) ****	****(Rain) ****	**
**	****DSD uncertainty ****	**
**GPM/DPR****       KuPR (Ku-band)****	****(Rain)****       KaPR (Ka-band)****	****(Rain) + (Cloud) + (Water Vapor) + (gases)****	****Rain attenuation correction will be improved.****	****New uncertain terms:  attenuation by cloud, water vapor, and gases**

**Other difficulties**
**Beam filling: ****	****same as TRMM/PR**
**Beam matching****	****new problem**

**Notes:**
二周波レーダのよい点を言うと、雨の領域では
TRMM/PR では推定できなかった雨滴粒径分布の情報が観測される。
(原理的にはD0とN0が独立に推定できる)
TRMM/PR ではアルゴリズムで使用する量であった
雨滴粒径分布がDPRで観測される物理量になる。
(アルゴリズムの検証ではなく、推定される物理量として検証)

しかし、雨域より上空の融解層では、
固相の粒子の平均密度、平均粒径、平均個数の3つがわからず、
そのままでは2周波としてもとくのは無理。
何らかの現実的な仮定を導入する必要があり。
また、KaPR では、TRMM/PR では
あまり影響しなかった大気、水蒸気、雲粒子の減衰が影響してくるので
こちらに関しても何か適当なモデルを利用せざるを得ない

## GPM/DPR Calibration and Validation

**Calibration ****(by ARC)**

**Precip. type classification ****(Conv./Strat.),****Particle type ****(Rain/Snow/Graupel),**** ****(DSD ****(Drop Size Distribution)****),****Temp. & humidity profile,****Melting layer model,****Gaseous attenuation, ...**

**Precip. rate/accumulation,****Precip. type classification ****(Conv./Strat.),****Particle type ****(Rain/Snow/Graupel),**** ****DSD ****(Drop Size Distribution) ****, ...**

**Transmit power,****Received power,****Antenna beam direction**

**Validation**

**Assumption****(Initial values)**

**Notes:**
工学値 → (アルゴリズム) → 物理量

工学値は ARCによる校正の範疇

(アルゴリズム)と物理量が検証の対象になる

## From TRMM experiences

- Simple comparison is never enough.
- Ground-based radar data (especially radar reflectivity value) are depended on the radars.
- TRMM is too good to be validated by regression-based traditional validation.
- Temporal/spatial mismatching is still problem.
- Precise and comprehensive precipitation system measurement is required.
- Physical validation may be more important for radar rain retrieval as well as microwave rain retrieval.
- Very few occasions of simultaneous observations between GV instruments and satellite, especially PR.

**Notes:**
TRMMのときの経験から、GPMにおける検証は以下のように行うべきである。
・単純なプロダクトの比較は十分ではない。
	TRMMの性能は、地上検証から得られる結果よりも良い。言い換えれば宇宙からの観測は十分に正確なものである。
・より正確に降雨推定を行うための検証が必要となる
	→ Physical validation
・アルゴリズムの中で仮定していることに対して、validationを行う
・physical validationを行うために測器を集めたスーパーサイトが必要となる。→ 沖縄サイト

## Japanese GV activities

- Japanese calibration and validation will focus on DPR in GPM.
- More accurate and sensitive cal/val analyses will be required.
- Validation for snow rate will be required for DPR.
- Post-launch beam matching measurement between two radars (new task of external cal. for GPM/DPR) using multiple ARCs
- Algorithm specific validation for each rain retrieval algorithm of DPR will be required.
- For this purpose, we need to develop new paradigm of algorithm validation and collect many kinds of physical parameters for Special validation sites are required for the physical validation.
- 		 We need to establish Super sites for DPR GV
- 		     (Okinawa, Wakkanai)
- Statistical comparison with long-term precipitation data using operational data.
- For this purpose, we need to collect operational raingauge data (e.g. AMeDAS data) and other operational data.

## GV New Paradigm Example with PR/DPR

- Rain (snow) water content (PWC(h))
- Density ( (h))
- Drop Size Disribution, etc

- Zm14
- Zm35

- Rain rate
- (R(h))

- Retrieval Algorithm

- Hydrometeor (Rain, Snow, Graupel, etc.)

- forward
- calculation

- GV data

- Vertical velocity (v(D))

- Particle types
- DSD, v(D)
- Non-Uniformity, etc.

- Rain Rate
- (R(h))

- Remote
- Sensing

- GV algorithm

- In-situ
- measurement

- True values in Nature

- Assumption

- Particle types

- DSD(h)

- GV algorithm

- Compare

- Synthesized Nature

- Retrival
- Numerical models

- DSD(h), v(D), Particle type, Zm, PWC, etc

- Water vapor
- Cloud water content (Liquid, Solid)
- Oxygen
- Aerosol
- Sea Surface Temperature
- Noise, etc

-  v(D)

- Compare

- Compare

- (Iguchi, 2004)

**Reproduce physical parameters for forward calculation from ground-based observation using GV algorithms**

- Reflectivity (Ze), Rain Rate (R)

- 8

**Notes:**
井口さんから提案されているアルゴリズム検証のフローをベースに、検証計画案を作成している。
打ち上げまではアルゴリズムの開発と検証手法の確立は、お互いに情報交換を行いながら、平行して行う必要がある。
まず検証手法を確立させるため、2004年沖縄梅雨観測のデータをテストケースとして、解析を行う。

## Key issues for success of GV activities

- How do we synthesize physical parameters from GV data?
- We need to collect appropriate observation data.
- We need to investigate and collect existing observation data. Whether are existing datasets enough for reproducing physical parameters for forward calculation or not?
- New observation for GV will be need before launch of GPM-Core satellite.
- We need to establish GV algorithms for reproducing physical parameters.
- We need to validate the physical parameters retrieved by GV observations.
- We need to make Zm data by forward calculation.

## Candidates for GPM GV Supersite

**Okinawa ****(****26N, 128E)**

**Wakkanai**
**(****45.5N, 142E)**

**International Arctic Environmental Research Project Group **
**Upper air observation by VHF radar**

**Okinawa Subtropical Environment Remote Sensing Center **
**- C-band multiparameter radar, wind profiler, etc.**

## Issues

- Validation for solid precipitation
- Algorithms and validation methods for retrieval of solid precipitation have not established. (Physical parameters for DPR algorithm development have not been clear.)
- Density, N0, D0  Snow rate
- N0 and D0 can be derived by dual frequency radar for rain rate. But we have three parameters for snow. Statistics of snow density is required.
- We will try to get upper layer data above melting level at Okinawa.
- Conventional method using polarization radar for the classification of solid particles.
- Spectrum differences in C, Ku, Ka and W for detection of terminal velocity of snow.
- We need to collect snow rate and other physical parameters in NiCT Wakkanai during winter season using wind profilers, Ku/W-band radars, multi-parameter radar, etc before launch of GPM-core satellite.
- Continuous validation analyses using statistical methods will be needed after the launch.

## Summary

- DPR is steadily being developed by JAXA and NiCT for the launch of GPM-Core satellite in winter on 2010.
- Japanese calibration and validation will focus on DPR in GPM.
- New GV paradigm for DPR is proposed. We are now designing Japanese GV plan based on the new paradigm.
- Construction of adequate physical parameter database for forward calculation is the most important and concerning problem.