気象レーダーを用いた
気象観測の最新事情
前坂 剛
シンポジウム ， 年 月 日
2
レーダーとは？
RADAR:
Ra
dio
D
etection
a
nd
R
anging
電波
を使って
検出
し，
距離を測る
もの
LIDAR: Light Detection and Ranging SODAR: Sonic Detection and Ranging
音波
光（近赤外線）http://www.nosa.noaa.gov/etl_sodar_photo.html
電波とは？
「電波」とは、
三百万メガヘルツ以下の周波数
の電磁波をいう。
電波法（昭和二十五年五月二日法律第百三十一号）第二条一 日本の法律では？電磁波:電場と磁場が互いに影響し合いながら空間を伝わる波
電波 （マイクロ波） 赤外線 紫外線 エックス線 ガンマ線 電場 磁場 波長 伝搬方向 可視光線シンポジウム ， 年 月 日 4
気象レーダーとは？
軍用レーダーにとって雨は邪魔物（ノイズ）だった． 電波を使って気象（雨や風）を検出する観測装置． 電波の送受信には，通常パラボラアンテナを使用． 気象の観測には電波の直進性と透過性が必要．主にS・C・X バンドの電波が用いられる． バンド名 周波数 波長 バンド名の意味 観測対象 実装例 直進性 透過性 （減衰しない）VHF 30 – 300 MHz 10 – 1 m Very High Freq. Refractivity Turbulence MST/ST Radar, MU Radar
UHF 300 – 1000 MHz 1 – 0.3 m Ultra High Freq. Refractivity Turbulence ST Radar, Wind Profiler
L-band 1 – 2 GHz 30 – 15 cm Long Refractivity Turbulence Wind Profiler
S-band 2 – 4 GHz 15 – 8 cm Short Precipitation Weather Radar
C-band 4 – 8 GHz 8 – 4 cm Compromise Between
S and X Precipitation Weather Radar
X-band 8 – 12 GHz 4 – 2.5 cm ??? Precipitation Weather Radar
Ku-band 12 – 18 GHz 2.5 – 1.7 cm Kurz-under Precipitation Weather Radar
K-band 18 – 27 GHz 1.7 – 1.2 cm German Kurz (short)
Ka-band 27 – 45 GHz 1.2 – 0.75 mm Kurz-above Cloud/Precipitation Cloud Research
V-band 45 – 75 GHz 7.5 mm – 4 mm
W-band 75 – 110 GHz 4 – 2.7 mm Cloud/Precipitation Cloud Research
レーダーで用いられる周波数帯
防災科研Xバンド MPレーダー（木更津）
なぜ気象レーダーが必要なのか？
ゲリラ豪雨
竜巻
降雹
落雷
水害
土砂災害
気象災害・水害・土砂災害は発達した積乱雲によりもたらされる！
これらの被害の軽減・防止には、
積乱雲
の発達メカニズムの解明と早期予測
技術開発が必須．
積乱雲
の観測には
気象レーダー
が最適．
シンポジウム ， 年 月 日 6
今日のお話
気象レーダーの壮大な歴史と原理を振り返りながら，
最新事情までを30分程度のかけ足で説明するあまり
にも意欲的で無謀なお話♪
在来型気象レーダー
受信される電力は
レーダー反射因子
（雨滴の粒径の6乗に比例）に
比例する！
R
(Precipitation Intensity) でも，本当の気象学的な興味は，レーダー反射因子では なく雨水量Mや降水強度R！ しかし，レーダー観測のみでは粒径 分布N(D)や落下速度Vfall(D)を知るこ とができないので，一般的にMやRは Zの関数として記述することはできな い．（NやVの関数形によっては可能）シンポジウム ， 年 月 日 8
Z-R関係式
(Marshall and Palmar, 1948) 単位体積当たりの粒子の数 粒子の直径 Empirical relationship (Z‐R Relationship)Z=200R1.6 Marshall and Palmer, 1955, Stratiform rain Z=150R1.5 Kodaira, 1972, Summer, Maebashi
Z=205R1.48 Fujiwara, 1965, Continuous rain, Miami
Z=300R1.35 Sekhon and Srivastava, 1971, Thunderstorm, by vertical Doppler radar
Z=300R1.37 Fujiwara, 1965, rainshowers, Miami
Z=300R1.5 Joss and Waldvogel, 1970, 47 days in 1947 Z=310R1.56 Gunn and East, 1954, for =3.21 cm
Z=400R1.4 Laws and Parsons
Z=450R1.46 Fujiwara, 1965, thunderstorms, Miami Variety of Z‐R Relationships 降水強度Rはレーダー反射因子Zの関数として解析的に記述できないので， 経験的な関係（Z‐R関係）を求めて，その関係により降水強度Rを推定する レーダー反射因子は粒径分布（数濃度）に大きく依存する． Z‐R関係式は雨のタイプ（粒径分布）によって大きく変動する（誤差要因）
粒径分布の例
雨量計による降水強度の補正
•
Z‐R関係により推定された降水強度を，地上雨量計の観測結果を用いて補正
することにより高精度化を図る．（気象庁で現在行われている方式）
• 雨量計による降水強度の観測には時間がかかるため，リアルタイム補正は難
しい．
• 雨量計ネットワークに引っかからない局所的な降水は補正できない．
（気象庁ウェブページ）シンポジウム ， 年 月 日 10
ドップラーレーダー
雨粒 雨粒は水平方向に 風と一緒に移動する． 送信電波 受信電波 fr 受信周波数 f r 送信周波数 ft -v 電波は波なので，音波と同じようにドップラー効果 がある（救急車のサイレン音のように）． 送信した周波数と受信した周波数の差（ドップラー 周波数）を求めれば，雨粒の移動速度（ドップラー速 度）が分かる． 雨粒は水平方向には風と一緒に移動しているので， 風速を求めることができる． 注意！ 雨粒の実際の移動速度のうち，レー ダーの観測方向の成分（遠ざかるか， 近づくか）しか観測できない！！メソサイクロンの検出（2013年越谷竜巻）
降雨強度
降雨強度 ドップラー速度（海老名） mm/hourスーパーセル：
メソサイクロン（数キロメート ルの水平スケールを持つ）を 伴う積乱雲．竜巻の親雲とな ることが多い． 上空の強い上昇流 により，降水が落下 してこない領域と， その周りの渦状の 気流により形成． レーダーから 遠ざかる風成分 レーダーに 近づく風成分 m/s 遠ざかる風 近づく風 渦が存在する ドップラー速度の正・ 負の値が隣り合って 観測される！ ドップラー速度の観 測から，正・負のペア を探すことでメソサイ クロンを検出！フックエコー
シンポジウム ， 年 月 日 12
風向・風速の導出（2013年越谷竜巻）
mm/hour 複数台のレーダーのドップラー速度を合成することにより，風向・風速を求めることが可能． 矢羽根の短棒：1 m/s，長棒：2 m/s，旗：10 m/s （高度1 kmの水平風）マルチパラメータ（MP）レーダー
E: 電場, H: 磁場 これまでのレーダーは，単一の偏波（水平偏波）
を使用．
偏波：電磁波における電場の振動面
MPレーダー：水平・垂直の二つの偏波を用い
て，より多くのパラメータを取得するレーダー
シンポジウム ， 年 月 日 14
落下する雨粒の形
How is the shape of falling rain drops? 落下する雨粒は空気抵抗により扁平につぶれる．
粒径が大きいほど，つぶれ具合は大きくなり，アンパンの様
な形状になる．
MPレーダーは，つぶれた雨粒を水平・垂直の偏波で観測．
偏波パラメータの例
ZH: レーダー反射因子（水平偏波）[dBZ] Propagation DP: 偏波間位相差 [] ZDR: 反射因子差 [dB] KDP: 単位距離あたりのΦDP [/km] ΦDPの距離微分から求める．昔ながらのパラメータ
水平と垂直のレーダー反射因子の比
水平と垂直の遅れの差
降雨強度を精度良く求められる！シンポジウム ， 年 月 日 16
K
DP-R関係式による降雨強度推定
DSD → R DSD → R DSD → Z → R DSD → K DP → R Z‐R Relationship KDP‐R Relationship Z‐R関係式を用いた降雨強度推定は，粒径分布のばらつきや降雨減衰の影
響を受け，それらが精度低下の原因となっていた．
K
DP‐R関係式は，粒径分布のばらつきによる影響が小さい，Z‐R関係式よりも
高精度に降雨強度推定が可能．
(Xバンド) (Xバンド) K
DPは波長が短いほど観測しやすい．（弱い雨でもK
DPが求められる）
Sバンドでは30 mm hour
‐1から，Xバンドでは数mm hour
‐1から算出可能．
降雨強度（2008年8月・雑司が谷）
防災科研XバンドMPレーダー
Cバンド在来型気象レーダー
（雨量計による補正あり）
ZOSHIGAYA ZOSHIGAYA ZOSHIGAYA ZOSHIGAYA Horizontal resolution: 1 km Updated every 10 min. Horizontal resolution: 500 m Updated every 5 min.シンポジウム ， 年 月 日 18
１時間積算雨量（2008年8月・雑司が谷）
ZOSHIGAYA ZOSHIGAYA 150mm/h 5 km防災科研XバンドMPレーダー
Cバンド在来型気象レーダー
（雨量計による補正あり）
国土交通省XRAIN
石狩 北広島 鷹巣 盛岡 涌谷 岩沼 伊達 田村 京ヶ瀬 中之口 氏家 八斗島 関東 船橋 新横浜 香貫山 富士宮 静岡北 浜松 安城 尾西 水橋 能美 鈴鹿 鷲峰山 田口 六甲 葛城 熊山 常山 牛尾山 野貝原 風師山 古月山 菅岳 九千部 山鹿 宇城 桜島 防災科研は降雨強度推定および領域合成データを1分毎に 作成するための現業用データ処理システムを開発し，国土交 通省の合成処理局に実装した．XRAIN Xバンド
MPレーダ
配置図
（2019年9月）
防災科研におけるXバン ドMPレーダを用いた降雨 量推定の成果を受けて， 2008年度から国土交通 省ではXバンドMPレーダ ネットワークの整備を全 国で開始した． 東京・名古屋・近畿など の大都市をや地方主要 都市を中心に39台のレー ダが導入された． 現時点で人口カバー率は 92 %（前坂調べ）． 水平格子解像度約250 m． 1分更新の降雨強度XRAIN
:
X
‐band Polarimetric
Ra
dar
シンポジウム ， 年 月 日 20
国土交通省CバンドレーダーのMP化
国土交通省Cバンドレーダー雨雪量計のMP化 が順次行われ，XRAINの降雨強度データにC バンドレーダーによる降雨強度も合成されるよ うになった． もはやXRAINではない．．． 新しい名前が必要．XRAIN
: E
x
tended
Ra
dar
九州地方の降雨強度・積算雨量（7月3日～8日）
YouTube防災科研チャンネル
九州地方の降雨強度・積算雨量（7月3日09時～8日09時）
https://www.youtube.com/watch?v=4qKggCoiwH8
または「九州地方の降雨強度」でYouTube検索
シンポジウム ， 年 月 日 22
より「早く」．．．より「速く」．．．
1969-1998? (NIED) 1988-2007 (NIED) 在来型レーダー ドップラーレーダー MPレーダー 2000- (NIED) 雨の分布を知りたい！ 風を知りたい！ 雨の強さを高精度で！雲レーダー
より早くから積乱雲を観測したい！ • 従来のレーダーでは雨粒は観測できても，よ り小さな雲粒は観測できない．（レーダーで観 測された時は，すでに雨が降っている状態） • 雲レーダーではより短い波長の電波を使うこ とで，雲粒が観測可能．（雨が降る前の雲を 観測可能） より速く三次元観測したい！ • 従来のレーダーではパラボラアン テナの仰角を少しずつ変えながら 三次元観測（時間がかかる）． • フェーズドアレイレーダーでは，同 時に複数の仰角を観測できるので， アンテナを一回転させれば三次元 観測が可能（速い）．マルチパラメータ
フェーズドアレイ
気象レーダー
積乱雲の一生
これまでの気象レーダーで観測可能雨が降り始める前の雲を観測し、その観測結果を用い
てより早い時間から降水予測を行うことが必要！！
雲の中で微小な水滴（雲粒）が衝突を繰り返し，大きな水滴（雨粒）へと成長． これまでの気象レーダーは雨粒は観測できるが，雲粒は検出できなかった． 気象レーダーで検出された時には既に雨が降っている！！ これからの研究対象積雲
積乱雲
シンポジウム ， 年 月 日 24
雲レーダー
雨粒よりも遙かに小さい雲粒が観測できる特
殊な気象レーダー．
レーダーの受信電力は粒径の6乗に比例する
ので，雨粒の大きさが10分の1になると，受信
電力は10
6（100万）分の1になってしまう．
一方，レーダーの受信電力は電波の周波数（波
長）の4乗に比例（反比例）するの．
雲レーダーは従来の気象レーダーよりも短い
波長の電波を使用することで，雲粒も観測で
きるよう感度を改善（従来の気象レーダーでは
5 cm～3 cm，雲レーダーでは約8.5 mm）
長所：感度が高い！
短所：雨が降ると電波が雨で遮られ，その後ろ
側の観測ができなくなる．
雲レーダーで観測された積雲
藤色 雲レーダーで観測された雲の分布 カラー XRAINで観測された雨の分布 雲レーダーで検出された発達した積雲 雲レーダーで検出された雨が降り出し そうな積雲 埼玉県ふじみ野 市付近を拡大 積雲が積乱雲へ と発達する様子 が観測できる．シンポジウム ， 年 月 日 26
降水の三次元観測
鉛直積算雨水量(VIL) 地上の降雨強度 レーダー反射因子の三次元分布MP-PAWR による観測結果
雨は上空で発生して地上へ落下してくる．上空の雨や雪を観測できれば，数分後に地上 に届く雨を検知することができる． 積乱雲は時間変化が早いので，その動態を捉えるには1分以内での三次元観測が必要． パラボラアンテナを用いたレーダーでは三次元観測に5分～10分程度の時間がかかる． MP-PAWRは30秒から1分で三次元の観測が可能！マルチパラメータフェーズドアレイ気象レーダー
（MP-PAWR)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phased_array_animation_with_arrow_10frames_371x400px_100ms.gifフェーズドアレイ(Phased Array)技術
複数の送信・受信素子を用い，素子毎に電波の送信・受 信タイミング（位相）をずらすことにより，電波の送信・受 信方向を変える技術．素子自体は動かさない．デジタルビームフォーミング(DBF)技術
複数の素子で受信した信号をデジタル処理することによ り，広い方向から到来した電波の角度分解能を上げる技 術．ビーム幅の広い電波（10°くらい）を送信しても，1° 程度の分解能で受信することが可能になる． フェーズドアレイ技術の概念図 デジタルビームフォーミング 技術の概念図 MP‐PAWR:Multi‐Parameter Phased Array
シンポジウム ， 年 月 日 28
MP-PAWRでスーパーセルに突入してみた
MP-PAWRでスーパーセルに突入してみた 前坂剛（水・土砂防災研究部門） YouTube 防災科研 研究者成果発表動画2020-7https://www.youtube.com/watch?v=WZJvIuUvPTo
またはYouTubeで「MP‐PAWR」で検索！まとめ
降水の分布 を知りたい 風の分布を 知りたい より高精度 に雨の分布 を知りたい より早く雲 の分布を知 りたい より速く三 次元観測を したい 様々なニーズに対応するために気象レーダーは進化してきたシンポジウム ， 年 月 日
