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雲プロファイリングレーダー(CPR)の開発


雲プロファイリングレーダー(CPR)の開発


気候モデルで再現される雲が現実と合っていないという問題を解く鍵をにぎる雲とエアロゾルの相互作用の評価を目的とし、JAXAではEarthCARE衛星に搭載されるCloud Profiling Rader(CPR: 雲プロファイリングレーダ)の開発を、独立行政法人情報通信研究機構(NICT)とともに進めています。

このCPRは雲の鉛直構造を計測するセンサ(計測装置)で、宇宙空間を周回する衛星からレーダ電波を地球に向かって送信し、跳ね返ってくる電波を受信することにより、地球全体の雲の構造を詳細に解析することが可能になります。また、CPRでは世界で初めての試みとして、衛星からの雲の上昇・下降の速さを計測しようとしています。これはとてもチャレンジングな試みで、秒速約7キロメートルものスピードで動いている人工衛星から、秒速1メートル程度の雲の上下の動き(鉛直運動)を測ろうというものです。


高鏡面精度を持った直径2.5mのCPRのアンテナ。このCPRの性能を生み出すのは衛星搭載観測センサとしては世界最大の直径2.5メートルの大型ミリ波アンテナで、その表面の鏡面精度は60μm以下となっています。

CPRによる雲の鉛直プロファイルの観測


私たちが普段何気なく見ている雲は、大きさ数ミクロンから数十ミクロンの雲粒がたくさん集まっているものです。また、その分布も、地上付近から上空十数キロメートルの高度にわたっています。

たとえば、綿雲とも呼ばれる「晴天積雲」は、比較的低い高度に現れる水の粒の集合(水雲)ですが、すじ雲とも呼ばれる「巻雲」は、高い高度に現れ、小さな雪結晶から構成されていること(氷雲)が知られています。

JAXAとNICTは、そのような雲を観測するために、共同で雲プロファイリングレーダ(Cloud Profiling Radar:CPR)を開発しています。

CPRは、下図のように宇宙空間から地球に向かって電波を発射し、雲から散乱されて戻って来る電波(後方散乱)の強さや時間を測定することで、雲の垂直構造を観測します。


雲にはさまざまなタイプがあるが、いずれも水または氷の微細な粒が集まったものである。


(画像をクリックするとアニメーションが再生されます。)

CPRの観測
雲粒が存在すると、CPRから送信された電波の一部があらゆる方向に散乱される。そのうち、アンテナの方向に散乱された電波を「後方散乱」とよぶが、CPRはこの後方散乱を観測データとして受信している。後方散乱の強さからは雲の性質に関する情報が得られる。また、後方散乱を受信する時間差からは、CPRと雲の間の距離、すなわち雲の高さに関する情報が得られる。

CPRは、約3mmという、一般的な降雨レーダと比較して10分の1程度の短い波長の電波を用います。また、厚い雲から薄い雲まで、様々な雲を高感度で観測するために、直径2.5mという、衛星搭載用のミリ波帯アンテナとしては世界最大級となるアンテナを搭載します。


CPRの外観


CPRの観測概念図

右上の図は、CPRによる観測の概要を表しています。

CPRは、図に示すように直下方向のみを観測します。鉛直方向(高さ方向)の分解能(識別できる範囲)は500m毎ですが、データは100m間隔で取得を行います。観測高度の上限は地域(緯度)に合わせて変えられるように設計されています(例えば、背の高い雲の多い熱帯地方では高度20kmまで観測しますが、背の高い雲のない高緯度地域では高度12kmまで観測します)。
地表面を観測する分解能(フットプリント)は800m以下です。実際の運用では、衛星の進行とともにパルス状の電波をつぎつぎと連射することで、衛星の進行方向に沿っておよそ500m間隔でデータを取得します。

CPRには、雲の垂直構造を観測する以外にもう1つの大きな特徴があります。
それは、衛星搭載のレーダとしては初めてドップラー速度計測を行えることです。ドップラーレーダとは、いわゆるドップラー効果を用いて雲内の雲粒子の運動を捉えるものです。
雲の中の運動、特に上昇流、は雲粒子の生成に関連していますので、ドップラーレーダにより得られるこのような情報はEarthCAREの目的である雲の生成プロセスを理解するために大きな貢献となります。また、雲が雨になると落下速度自体も1m毎秒から数m毎秒と大きくなることから、ドップラーレーダによる観測で雲と雨の区別も可能となります。


落下・上昇している粒子によるレーダのドップラー効果
雲粒や雨粒などの粒子が衛星方向から遠ざかる(=下降)運動をしている場合は後方散乱の周波数は送信波より低くなり、衛星方向に近づく(=上昇)運動をしている場合は後方散乱の周波数は送信波より高くなる。CPRのドップラー速度計測機能は、アンテナで得られる後方散乱の周波数を精密に測定することで、雨粒や雲粒の上昇・下降運動の大きさ(ドップラー速度)を求めるものである。