気象分野における衛星利用
気象庁予報部数値予報課
データ同化技術開発推進官

佐藤芳昭

環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）

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気象庁の組織（各部の衛星利用例）

総務部

大気（風、気温、湿度など）や大気現象（雨、台風など）の観測

予報部

観測部

ひまわりの品質管理など

本講演での話題

黄砂、オゾン、波浪、海面の高さの観測など

地球環境・海洋部

地震
火山部

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火山灰、地震による地形変化の観測など

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目次• 気象分野の国民生活への貢献• 気象情報作成の流れ• 様々な観測• 実況監視における衛星データ活用• 数値予報における衛星データ利用• まとめ

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気象分野の国民生活への貢献• 天気予報や気象情報、警報などの発表– これらの情報は、防災のためばかりでなく、日々の暮らしの予定を決めるため重要な情報– 適切な発表と精度の向上がみなさまへの貢献

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気象情報作成の流れ

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気象情報作成の流れ
様々な観測
実況監視

天 気
気 象
予 警
報 報

入力

気象情報

数値予報

みなさま

予報作業

参考資料
関係機関
報道機関
環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ

民間気象会社6

実況監視• 正確かつ迅速な気象情報や警報の発表のためには現在の気象状況の正確な把握が必須。様々な観測により、これを実施。様々な観測が重要
気象レーダーアメダス
台風位置情報ひまわり

注意報・警報陸上だけではなく海上も環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）

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数値予報
• 地球大気を細かく分割し、そこに気圧、気温、湿度、風などの気象要素の値を割り当て、物理法則に基づいて、その値の時間変化を計算– 流体力学方程式など

格子数 約8000万
計算量 240兆回/24時間予報

低高高高高低低ある時間の大気状態（初期値（気圧・風））
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未来（24時間後）の大気状態（予報値（気圧・風・雨））
8数値予報（データ同化）• できるだけ多くの種類の観測をうまく利用して気圧、気温、湿度、風などの気象要素の値を各格子に正確に割り当てたい。その精度が、数値予報の精度に大きく影響。様々な観測が重要
ひまわり

NOAA
(image: © NOAA)

Aqua（image: ©NASA ）環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）

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様々な観測環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）

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様々な観測
ブイ観測
高層観測

地上観測

ウィンドプロファイラ
GPS受信機台風ボーガス

航空機観測

海上観測

気象レーダー

直接観測

地上リモートセンシング

疑似観測（準）現業衛星DMSP（image: ©NASA ）

NOAA

Metop

(image: © NOAA)(image: © ESA)ひまわり

GRACE-A（image: ©NASA ）METEOSAT(image: © ESA)

Aqua
（image: ©NASA ）TRMM（image: ©NASA ）地球観測衛星GOES(image: © NOAA)
Terra（image: ©NASA ）静止軌道衛星環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）

COSMIC(image: ©UCAR

GNSS掩蔽衛星

低軌道衛星
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観測の分布

高層観測

航空機観測

衛星観測（高層風）

衛星観測（高層気温）

5機の静止衛星と２機の極軌道衛星

6機の極軌道衛星

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衛星データの特徴• 広い範囲を定期的に観測– 非衛星観測は分布に偏りがある• 特に海上や砂漠、極域、発展途上国などではなかなか気象データが得られない• 様々な衛星を用いることで、様々な気象要素を測定することが可能– 単独の衛星だけでは限界がある• たとえば「ひまわり」では– 観測範囲外のデータは得られない– 雲の下の情報は得られない、など– 様々な衛星の目的に応じた使い分けが必要
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衛星データ活用の実例

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実況監視の実例（台風）• 台風の位置情報は非常に重要– 台風位置の解析は基本的に「ひまわり」の観測画像を用いるが、それだけでは分かり難いことがある。
– 他の衛星を追加的に用いることで解析精度が向上

雲の形が崩れて、中心がわからない厚い雲で、目がはっきりしない
ひまわり6号
赤外画像
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Aqua/AMSR-E
36GHz
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実況監視の実例（海上風）• 海上風は船舶の運航等に重要な情報– 海上なので直接観測は少ない（ひまわりでは直接分からない）– ある衛星で風向風速が得られる観測範囲が狭い– 別の衛星で風速が得られる追加的に利用• 複数のデータを組み合わせることで品質を担保

欧州の衛星Metop-A搭載のASCATによる海上風向風速
日本付近を１日２回観測

JAXA開発、Aqua衛星の搭載のAMSR-Eから推定した海上風速
日本付近を１日２回観測

２つあわせれば１日４回の観測
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実況監視の実例（海氷）• 海氷情報も船舶の運航等に重要な情報– 通常光学センサーで観測しているが、雲に覆われた
日は、海氷分布が把握困難（雲の下が見えない）– マイクロ波では、悪天時でも「大まかな」海氷分布が把握可能（雲を透過）。
– やはり複数のセンサーの利点を生かすのが大事。

NOAA/AVHRR

Aqua/AMSR-E

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数値予報での衛星データ利用

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数値予報の種類

全球数値予報システム

メソ数値予報システム

84時間予報（1日3回）
216時間予報（1日1回）
水平解像度約20km
鉛直60層（～0.1hPa）
短期予報・週間予報支援

15時間予報（1日4回）
33時間予報（1日4回）
水平解像度5km
鉛直50層（～21km）
防災気象情報支援

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数値予報で利用中の衛星データ
測器[衛星]
可視赤外イメージャ
マイクロ波散乱計
GPS掩蔽観測
GPS地上観測全球数値予報ｼｽﾃﾑ[各国の静止衛星（ひまわり７号,Meteosat-7,9, GOES-11,13）]

大気追跡風（高層風）
輝度温度（高層水蒸気）

MODIS [Aqua, Terra]

極域大気追跡風×

ASCAT [Metop-A]

海上風×

GRAS [Metop-A]
IGOR [COSMIC]

大気屈折率（高層気温・水蒸気）

×

GPS受信機

×

可降水量

輝度温度
（下層水蒸気）輝度温度（下層水蒸気）降水強度推定値

TMI [TRMM]

マイクロ波イメージャ

AMSR-E [Aqua]
SSMIS [DMSP-16,17]マイクロ波気温サウンダ

AMSU-A[NOAA-15,16,17,18,19,
Aqua, METOP-A]
AMSU-B [NOAA-15,16,17]マイクロ波水蒸気サウンダ

メソ数値予報ｼｽﾃﾑ

MHS [NOAA-18,19,
METOP-A]

輝度温度（中高層気温鉛直分布）

輝度温度（中層水蒸気鉛直分布）

太字：地球観測衛星を含む研究開発（R&D）衛星
赤字：設計寿命を超過して運用されている衛星

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予報精度の経年変化
北半球500hPa高度5日予報の誤差
積雲・雲スキーム

1995年1月-2011年8月、前12ヶ月移動平均・精度停滞

予報誤差RMSE（m）

3次元変分法60km40層化

Qu i kSCAT

精度に大きな差・衛星観測データの同化
・データ同化手法の高度化で継続的な精度向上
輝度温度直接同化（AMSU）
積雲スキーム
極域衛星風（AMV）
雲スキーム
60km60層化
セミラグランジュ法導入
4次元変分法
放射スキームMWイメージャ（SSM/I,TM I, AMSR-E）
20km60層化
静止衛星CSR
ASCAT

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COSMI C

低↑
精度
↓
高21

9時間予報 6時間予報 3時間予報

AMSR-E導入時の事例
AMSR-Eなし

AMSR-Eあり

解析雨量
2004年
7月18日
06JST
09JST

12JST

0 AMSR-Eを使ったときと0.5 1.0 5.0 10.0 20.0 30.0

［mm/3hour］

使わなかったときの水蒸気量解析値の違い

環境観測衛星シンポジウム（2011年9月21日）mm22

極域大気追跡風• 大気追跡風とは？
– 連続的して撮像された画像から雲などのパターンを追跡して上空の風を算出する技術。
• ひまわりなどの静止衛星の主要プロダクト• 極域でも、軌道の重なりを用いて算出可能極域大気追跡風– 極域では観測が少ないので重要性大 -90分
– 現在はTerra, Aqua衛星のデータを利用
前の時刻

+00分

+90分

風
今の時刻

雲等のパターンを追跡する
ことで風の情報が得られる

↓
大気追跡風

MODIS image data (ch28)
Provided by NASA

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間接的な衛星利用• 海面水温、海氷分布どちらも気象に大きく影響– 例えば海面水温解析ではAVHRRとAMSR-Eを利用
船舶・ブイ（その他海面高度や波高なども衛星観測していますが、ここでは割愛します）

海面水温解析NOAA/AVHRR（可視赤外イメージャ）

Aqua/AMSR-E（マイクロ波イメージャ）
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まとめ
• 国民生活に寄与する天気予報や気象情報の精度向上に衛星観測は大きく貢献している。
• 現在気象庁で利用している衛星にも、既に設計寿命を超えて運用されているものがあり、それがなくなることによる精度低下が懸念される。
– Aqua/AMSR-Eの後継となるGCOM-W1/AMSR2への期待は大きい。

• 気象予報などの現業業務での利用の観点からは長期の持続的な衛星計画が望まれる。
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将来に向けて• 気象庁の数値予報において、衛星利用はまだまだ十分ではない。
– たとえば可視赤外イメージャでは• 直接的には算出される風の情報のみ。
• 間接的には海面水温や海氷分布など。
• 将来的には数値予報精度向上を目指し、より様々な情報の活用も検討する必要がある。
– 地面温度や陸面状態– エアロゾルなど– その他衛星利用の高度化を進めていく必要
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