平成27（2015）年2月6日

ＭＰフェーズドアレイレーダの利用方法
SIP研究開発項目②豪雨・竜巻予測技術の開発「マルチパラメータフェーズドアレイレーダ等の開発・活用による豪雨・竜巻予測情報の高度化と利活用に関する研究」

岩波 越 (iwanami@bosai.go.jp)
防災科学技術研究所
観測・予測研究領域 水・土砂防災研究ユニット

背 景： 局地的大雨
1時間雨量：50 mm以上
約21.5回/10年の割合で増加（38年間で約1.5倍）

中野区浸水被害
神戸市都賀川水難事故（2005年9月4-5日）（2008年7月28日）
雑司が谷下水道工事事故（2008年8月5日）

 人口・交通通信網・経済活動の集中
 地下空間の高度利用
 設計降雨強度は～50mm/時

1976
 狭い範囲に強雨が集中
 急激に発達 現段階では予測が困難

MPレーダーによる１時間積算雨量05km

アメダス1,000地点あたりの大雨の年間発生回数（気象庁 2013）

2013

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）第5次評価報告書（2013）は，温暖化に伴い，中緯度の陸域のほとんどと湿潤な熱帯域において，今世紀末までに極端な降水がより強く，頻繁となる可能性が非常に高い，と予測している。

背 景： 竜巻2011年5月6日つくば市

年平均26件（2007-13年；海上竜巻除く）

中野区浸水被害（2005年9月4-5日）
2013年9月2日越谷市

1991（小黒理氏撮影＠埼玉県立越谷北高校，14:14:00-14:14:50の50秒間の変化）

MPレーダー（防災科研・電中研・国交省）が捉えた竜巻周辺の雨と風• 被害域は幅300m，長さ19 km。
• 藤田スケールF2（風速50-69 m/s；7秒間平均）と推定。
 局地性が極めて高い，短時間の現象。
 竜巻本体の観測，測定は困難。

降雨強度（mm/時）

竜巻分布図（全国：1961-2013年）

2007

 竜巻の「発生数」は測定できず，発生「確認数」は調査方法が変わっているため，現状では竜巻の増減を議論できない。
 2007～2013年の陸上の竜巻の発生確認数は年平均で約26件。
 日本中，どこでも発生の可能性がある。

（気象庁「竜巻等の突風データベース」より）

XRAIN：国交省XバンドMPレーダネットワーク
2013年度に35台で本運用と数値データ配信事業を開始→ 現在38台で運用中。

（国交省資料2014年10月1日現在に加筆）
人口カバー率90%以上

世界に先駆けて 1分間隔 250m格子の雨量情報が提供されている
X-NETの成果を踏まえて，河川局（水管理・国土保全局）が水害に対する適切な水防活動や河川管理のために採用
防災科研が特許2件を含むデータ処理アルゴリズムを実装

ナウキャストと数値予測（データ同化） ナウキャスト
現況把握とその時間外挿が基本（降雨，強風）。

 数値予測（データ同化）
ナウキャストでは原理的に不可能な積乱雲の発生・発達・衰弱を考慮するとともに，予測のリードタイムを延ばせる。

 ブレンディング
これらの長所を組み合わせる。
0分

60分

30分

数値予測
（データ同化）ナウキャスト

SIP②：豪雨・竜巻予測技術の開発「マルチパラメータフェーズドアレイレーダ等の開発・活用による豪雨・竜巻予測情報の高度化と利活用に関する研究」
担当機関：
a. 情報通信研究機構・大阪大学・東芝
b. 防災科学技術研究所・日本気象協会
c. 鉄道総合技術研究所・埼玉大学／国土技術政策総合研究所

積乱雲を「早く」，「速く」観測 「早く」– 防災科研の積乱雲観測システム• マイクロ波放射計（水蒸気），ドップラーライダー（晴天域の気流），雲レーダー（降雨開始前の雲）– 積乱雲の発生・発達しやすさと発生・発達初期を観測

 「速く」– SIP②で開発されるMP-PAR– 雨雲の3次元構造を10～30秒で高精度観測 防災科研とNICTの観測技術の連携

MP-PARの特長とそのデータ利用
MP-PAR
 高速で ：PAR
 高精度の ：MP
 ３次元（すき間なし）

VIL

雹

情報を取得！

 鉛直積算雨水量（VIL）を用いた，精度の高い雨の10分先予測の実現

越谷市XRAIN：広島豪雨

 熱力学リトリーバルによって求めた温位偏差の同化による発達・衰弱の予測
 竜巻警戒指標となる物理量等の測定
・ メソサイクロン（渦） ・ 強い上昇流・ 雹 ・ 飛散物 ・ フックエコー・ SReH 他

鉛直積算雨水量（VIL）の利用
 VIL（Vertically Integrated Liquid water content：鉛直積算雨水量）はGreene
and Clarkが1972年に提案したパラメータ： 未来に落ちてくる上空の雨 10分間隔のデータでは有効性が見出されなかった（石原，2012）→ XRAINの5分間隔のボリュームスキャンデータを使用
 雨水量推定方法の改良（KDP）→ 従来の降雨強度に基づいたナウキャストと同程度以上の推定精度が得られた。
 雨水量の収支を考慮した概念モデルを導入→ 従来型ナウキャストでは困難とされている急発達段階における遅れを修正。
 10分先雨量の予測精度が特に高く、豪雨の直前予測に有効である。

Rain dropsh結果Case2
局地的大雨（埼玉で停電）
N = 21021
r = 0.93
18 S2 = 0.90
R = 0.86
RMSE = 0.67
126CM00
6121824
RADAR OBSERVATION [MM]NOWCAST_MM [MM]24

N = 13943
r = 0.91
S = 1.19
18 2
R = 0.83
RMSE = 1.2
126AM
006121824
RADAR OBSERVATION [MM]109RAINFALL AMOUNT [MM]NOWCAST_CM [MM]

24OBS
RR_NC
AM_NC
CM_NC

876543210
14:40

15:05

15:30

15:55

16:20
（平野洪賓による）

203040LEAD TIME [MINUTE]

50

HIT & MISS [%]RR_HIT
AM_HIT
RR_MISS
AM_MISSRR_FALSE
AM_FALSE

10203040505045403530252015105060

2011-08-07 CASE21009080706050403020100

10分間雨量5mm（30mm/hr）以上対象

60

寒色系：従来型ナウキャスト
暖色系：VILナウキャスト

2011-08-26 CASE31009080706050403020100

LEAD TIME [MINUTE]（平野洪賓による）

50454035302520151050

RR_HIT
AM_HIT
RR_MISS
AM_MISSRR_FALSE
AM_FALSE

10203040

LEAD TIME [MINUTE]

5060

VILを用いたナウキャストの方が• 的中率は上昇• 見逃しは減少• 空振りは増加
10分先雨量の予測精度は特に良い

FALSE [%]

10FALSE [%]HIT & MISS [%]RR_HIT
AM_HIT
RR_MISS
AM_MISSRR_FALSE
AM_FALSE

50454035302520151050HIT & MISS [%]2011-08-06 CASE11009080706050403020100FALSE [%]VILと従来型のナウキャストの結果の比較

先駆的な観測・解析・予測技術の開発： 2台のXバンドMPレーダーによる積乱雲の高頻度追跡観測

9月2日越谷竜巻を引き起こした積乱雲（親雲）【観測技術】
 狙った積乱雲を2台のXバンドMPレーダーで高頻度（1-2分間隔）追跡観測し，3次元データを取得。

【解析技術】
 デュアルドップラー解析で気流（風）分布を導出。
 熱力学リトリーバル解析で温位偏差（熱）分布を導出。

【予測技術】
 数値予測モデルに風と熱の情報を取り込み（データ同化），積乱雲の発達を予測可能に。
 豪雨の直前予測技術開発にも活用。

【竜巻の親雲の立体構造】
 発達過程や渦などの特徴を，MPレーダーならではの観測情報から把握。

越谷市

防災科研の2台のXバンドMPレーダー（神奈川県海老名市，千葉県木更津市）で発達中の積乱雲を２分という短い時間間隔で追跡する特別観測の結果明らかになった親雲の立体構造。白・青・赤の等値面はそれぞれ30，45，55dBZのレーダー反射因子を示す。
この値は雨粒，氷粒の量の大小に相当し，雨の場合，それぞれ2，25，100 mm/hの降雨強度に対応する。図中の矢印は高度10 kmの高さを示すスケールである。

【速報公開】
 ウェブページに独自のレーダー解析と被害調査の結果を即日公開。プレス発表。

 フェーズドアレイレーダーにも適用可能。

2台のXバンドMPレーダーのセクタースキャンによる高時間分解能追跡観測 時間間隔＝２分で積乱雲の３次元気流構造を観測 セクター方位角幅＝55度（EBN），60度（KSR）
 仰角数＝高度10km程度以上の背の高い積乱雲を観測するために17仰角（0.7～15.6度…wtop=0）

高度（ｋｍ）

熱力学リトリーバルの概念図
レーダで直接観測できない積乱雲内の熱力学場の復元

正の温位偏差2分後
積乱雲の雲頂の発達

上昇流の強化正の温位偏差下層での加熱→積乱雲の発達（清水慎吾による）

MPレーダー観測による熱力学リトリーバル結果の同化実験
温位偏差の同化実験結果
2011/08/03
13:00～15:00
左上(OBS)：
2時間積算雨量観測値
右上(CNTL) ：コントロールラン
左下(NDG) ：13:00～13:30の１）水平風
２）鉛直流
３）雨水量をナッジング同化した結果
右下(NDG+PTP)：
NDG実験に熱力学リトリーバルによって算出した温位偏差をナッジング同化した結果（清水慎吾による）

2台のXバンドMPレーダーによる高頻度セクターボリュームスキャン：積乱雲の発達予測

熱力学リトリーバル解析結果のデータ同化実験• 雲解像数値モデルCReSS• 12:00JSTを初期値とした3時間積分（予測）。
• 13:00-13:45JSTの風，反射強度，温位偏差の分布を同化。
• 同化なし実験では，積乱雲を再現できず。
• 同化実験によって観測とよく似た積乱雲（メソサイクロン）を再現できた。
⇒降雨開始後の発達予測が可能に⇒フェーズドアレイレーダ－データに適用可能• 温位偏差を同化しないと14:00以後の鉛直渦度の発達が弱かった（図省略）。
（清水慎吾による）同化なし実験

観測された風と降雨強度

同化実験←反射強度（dBZ），赤コンター：上昇流（2m/s間隔），青コンター：鉛直渦度（0.003s-1間隔）

積乱雲の一生の観測（LCbEx-Ⅰ）
30 km

80 km

期間： 8月（2011～13年）■： レーダーサイト
HDK＝ 車載型ミリ波レーダー（陰影部：レンジ30km），ゾンデ観測，地上気象観測，雲写真EBN, KSR＝XバンドMPレーダー（レンジ80km）
実線扇形：代表的なセクタースキャン領域，破線円：デュアルドップラー解析可能領域○： ステレオ写真撮影サイト（2週間）

ミリ波（雲）レーダーのデータ同化実験
ミリ波レーダー反射強度の同化実験結果（雲混合比QC=0.5g/kg）

ミリ波レーダーのみで検出された2011/08/18，10:35～10:55のデータを同化再現された降雨強度分布再現された雲混合比（カラー）、反射強度（等値線）と風（矢印）の鉛直断面図

等値線：20～50 dBZ (10 dBZ毎)，50 dBZ以上は太線

同化無しの場合、降雨は全く再現できない。

（清水慎吾による）

防災科研 積乱雲観測システム△マイクロ波放射計（水蒸気）●ドップラーライダー（晴天時の気流）
人口密度

XバンドMPレーダー（降雨）

すべてのデータを防災科研においてリアルタイムで収集・処理■雲レーダー（降雨前の雲；整備中）

まとめ
 多発する「ゲリラ豪雨」災害，竜巻被害
 XバンドMPレーダーの実用化→「ゲリラ豪雨」の監視が可能に→課題は早期予測へ 極端気象は発達した積乱雲により引き起こされる– 積乱雲の一生の観測– 観測データを活用した早期予測（データ同化）とナウキャストの組み合わせ SIP課題②– 「速く」：MP-PARの開発により空間的に抜けのない，高速3次元観測が可能になる– MP-PARデータの有効活用手法として，VILナウキャストと熱力学リトリーバルによる温位偏差分布のデータ同化を紹介。従来より高精度の10分先予測（豪雨）と積乱雲の発達・衰弱予測が期待できる– 「早く」：雲レーダー等の積乱雲の一生の観測システムによるデータの同化で豪雨等の早期予測に取り組む– 防災科研とNICTの観測技術の連携– 課題：大容量データの取り扱い