[Japanese]
修士論文要旨(森本 祐介)

降水予測に対するGPSとドップラーレーダデータの同化インパクト -2010 年7月15日に岐阜県南部に発生した豪雨について-

森本 祐介



 局地豪雨発生の予測やメカニズムの解明には数値モデルによる現象の再現性の向上が不可欠であるが、局地豪雨は空間スケールが小さいため、数値モデルで再現することが難しい。その要因の一つが、初期値精度の不足である。初期値の物理量の中でも、水蒸気量は時空間的変動が大きく、正確な推定が困難な量である。この問題が高分解能モデルを利用しても局地豪雨の降水の再現が難しい原因となっている。本研究の目的は、より正確な局地豪雨の再現のための水蒸気データ同化の感度を明らかにし、再現実験への利用可能性および予報への利用可能性を検討することである。本研究では3次元変分法同化システムによるGPS可降水量の同化と、ナッジングによるレーダ水平風の同化実験を行い、水平解像度1 kmでの降水予測における同化インパクトを調査した。今回、対象事例として雲解像モデルの水平解像度1 kmの実験で降水がほとんど再現できなかった2010年7月15日岐阜県南部で発生した局地豪雨を選び、多数の感度実験を行った。また、解析手法の異なる3つのGPS解析データ(準リアルタイム解析データ、再解析データ、F3解)を実験に用い、これらについての感度も調べた。

まず、初期値だけに同化を行う実験を行い、実験で再現された降水と、レーダ・アメダス解析雨量の比較を行うことで、GPS可降水量およびレーダ水平風の同化インパクトを明らかにした。GPS可降水量またはレーダ水平風を同化することで、同化なしの実験で再現された偽の降水が抑えられ、岐阜県南部に新たに降水域が再現された。また、GPS可降水量とレーダ水平風のどちらも同化に利用することでさらに強雨域の降水量が増加したものの、積算降水量は観測の半分にも満たなかった。そこで次に水蒸気の解析値をナッジングでモデルに同化し連続的に水蒸気場の改善を行う連続同化実験を行った。連続同化実験では、解析値がモデルの値よりも湿潤の場合のみナッジングを行った場合、これまでの実験に比べ、観測に近い降水が再現された。

また、アメダス観測点の多治見付近の1時間降水量時系列について比較したところ、連続同化実験の降水はほぼ観測と同様の結果を示した。これらの結果から、局地的で長時間降水が持続する事例の降水を再現するためには、連続的に水蒸気場を改善する必要性が示された。

GPS再解析データを同化に用いた実験は、準リアルタイム解析データやF3解を用いた実験よりも降水の再現性が向上していた。再解析データは、他のGPSデータとは異なり、天頂遅延量を推定する日の前後30日分の座標値の解析結果から、より正確な座標値を推定することで、推定される天頂遅延量もより正確である。そのため、降水予測の改善にはGPS解析の際に生まれる誤差が降水予測に大きな影響を与えることが分かった。

連続同化が予報にどの程度適用できるか調査するため、ナッジングを初期時刻から3時間で止めた実験を行った。実験の結果、岐阜県南部の1時間降水量時系列はナッジングを12時間適用した実験と同様の結果となった。この結果から、少なくとも同化後3時間は予報結果を改善する効果があるということが示された。

今後、GPS準リアルタイム解析においても再解析同様に誤差を取り除く方法を適用することで、予報結果が改善するということが示唆された。また、より正確な水蒸気場を推定するため、時間的にも空間的にも高解像の同化や、海上型のGPS観測点の設置が望まれる。

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[English]

Impacts of GPS and Doppler radar data assimilation on precipitation prediction -Heavy rainfall occurred in the southern Gifu Prefecture on 15 July 2010-.

Yusuke MORIMOTO



Improving accuracy of reproduction by numerical model is needed to elucidate the mechanism and prediction of local heavy rainfall. However, it is difficult to reproduce local heavy rainfall in numerical weather prediction model, because its  spatial scale is too small. One of a source of the reason is the lack of accuracy of the initial value. Partly because of its high spatial and temporal variability, the moisture field is one of the less well described variables in initial conditions of numerical weather prediction system.

The aim of this study is clarifying sensitivities of data assimilation for the reproduction of more accurate local heavy rainfall, and considering the availability of the weather forecast.

This study investigated the impacts of GPS-derived precipitable water vapor (here after GPS-PWV) and Doppler radar-derived horizontal wind (here after HW) data assimilation on precipitation prediction with 1-km horizontal resolution. Three-Dimensional VARiational Data Assimilation (3D-VAR DA) system was used to assimilate GPS-PWV. And HW was assimilated by nudging method. Because of poor reproducibility in the experiment with 1 km horizontal resolution, this study conducted many sensitivity experiments about heavy rainfall event occurred in the southern Gifu Prefecture on 15 July 2010. This study used three kinds of GPS analysis data with different analysis methods such as Near Real Time (NRT) analysis data, reanalysis data and F3 data. This study also examined the sensitivity of these GPS data.

First, this study carried out experiments of data assimilation only the initial value. Some comparisons between observed and model-reproduced precipitation regions help to define the impacts of assimilating GPS-PWV and HW into the model. Assimilating GPS-PWV or HW reproduced precipitation area in the correct position and removed incorrect precipitation. Assimilating both GPS-PWV and HW, the position of the precipitation region was also correctly, and it reproduced more precipitation. However, accumulated precipitation was less than half of the observation. Therefore, sequential assimilation experiment with nudging was introduced. If applied sequential nudging only when water vapor of analytical value is moister than that of model, model-reproduced precipitation was the most closest to the observation.

Then this study carried out comparing time series of one hour precipitation between model and AMeDAS point of Tajimi. Sequential assimilation experiment with reanalysis data simulated one hour precipitation similar to that of observation. Those results indicate that reproduction precipitation of the case which locally and strongly precipitation maintains for a long time needs to improve water vapor fields sequentially.

Assimilated reanalysis GPS data, the result of reproducing precipitation was better than assimilated NRT data or F3 data. Contrast to other GPS data, because reanalysis data was analyzed coordinate value and zenith total delay (ZTD) separately, more accurate ZTD than the others was calculated. Therefore, it is important for improving precipitation prediction that removing error occurred when performing the GPS analysis.

To investigate whether sequential assimilation is useful or not for forecast, in this experiment, sequential assimilation was applied over only three hours from initial time. The result of this experiment, the time series of one hour precipitation in the southern Gifu is about the same as experiment which sequential assimilation was applied over twelve hours. This result means that sequential assimilation method is also useful for forecast experiment at least three hours after analysis nudging.

In the future, through this study, there is a possibility to improve the forecast by geting rid of the error when analyzing NRT data. And to improve the moisture field more accurately, it is necessary to realize more fine scale data assimilation and installation of marine type GPS.

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