ABSTRACT
Munehisa K. Yamamoto
| The Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite carries a rain
observation package which consists of: the Precipitation Radar (PR), the
TRMM Microwave Imager (TMI), and the Visible and Infrared Scanner (VIRS).
These sensors observe cloud/precipitation system nearly simultaneously.
Each sensor has its own sensitivity to the cloud/precipitation system.
The difference in the signatures reflects the characteristics of the cloud/precipitation
systems. In this study, we focus on two aspects: one is the diurnal variation
of cloud/precipitation, and the other is mid-latitude cloud/precipitation
system. Global distributions of the peak time of the coldest minimum brightness temperature derived from VIRS and the maximum rain rate derived from the PR and TMI are compared during June-July-August of 1998-2003. Systematic shifts in peak time appeared over land, notably over western North America, the Tibetan Plateau, and oceanic regions such as the Gulf of Mexico. The peak time shifts among PR, TMI, and VIRS by a few hours. The sensors likely detect different stages in the evolution of convective precipitation, which would explain the time shift. PR directly detects near surface rain. TMI observes deep convection and solid hydrometeors, sensing heavy rain during the mature stage. VIRS detects deep convective clouds in mature and decaying stages. The shift in peak time particularly between PR (TMI) and VIRS varies with regions. Thus, the regional climatological properties in convective systems cause differences in each sensor data. The relationships among the amplitude of diurnal variation, convective frequency, storm height, and rain amount, are further investigated. Some general characteristics are followings: The regions with strong diurnal variation generally correspond to those with high convective frequency. The storm height is generally high when convective rain frequency is high or total rain amount is great. The correlation between the amplitude of diurnal variation and storm height is not clear. The peak times in convective and stratiform rain are around noon and mid-night, regardless of the amplitude of diurnal variation. However, the convective frequency affect the peak time of rain rate. Over land and over ocean near the coast, the relationships are rather clear, but not over open ocean. The characteristics of winter precipitation systems over the north western Pacific are analyzed using multiple sensors data onboard the TRMM satellite during December-January-February of 1999/2000-2003/2004. By the PR and VIRS, vertical and horizontal distribution of precipitation is investigated, and compared with microwave signatures measured by the TMI. Winter precipitation patterns are classified into four types with the cloud and pressure pattern and the region: the extratropical cyclone and front pattern (CF) and the cold outbreak patten (CO) over the Sea of Japan (CO-J), over the Yellow Sea (CO-Y) and over the Pacific Ocean (CO-P). For CO, the height of precipitation is centered around 2 km and the shallow, isolated and weak (< 20 dBZ) precipitation dominates. Cloud top height reaches about 4 km. Compared with CO-Y and CO-J, CO-P tends to develop larger systems and to have melting layers near the surface. For CF, the height of precipitation is concentrated around 3 km and precipitation is relatively broad with large variation of intensity. These characteristics explain the differences between the retrieved rain rate by PR and TMI. TMI frequently misses precipitation for CO because the systems are usually shallow, but less frequently misses weak precipitation than PR for CF because of emission from 85 GHz channel. When both PR and TMI detect rain, PR rain rate is larger than TMI for CO, and smaller than TMI for weak precipitation for CF. From the microwave signature for each patterns, it is suggested that the size of precipitation system is one of the possible causes for the differences in rain estimation and detection. Using multiple spaceborne sensor data, our conclusions propose the characteristics of diurnal variations which are mainly formed precipitation in tropics and subtropics and of mid-latitude precipitation systems over ocean where any observation remains sparse. We need to extend and expand this kind of analyses continuously because of various forms of global precipitation systems in time and space. However, this study would contribute to deeper understandings of precipitation system by multiple spaceborne sensors' observation and would connect with next generation observation of precipitation sytems from space. 熱帯降雨観測衛星（Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM）は降雨レーダ（Precipitation Radar, PR），TRMMマイクロ波放射計（TRMM Microwave Imager, TMI），可視・赤外放射計（Visible and Infrared Scanner, VIRS）を搭載し，雲・降水システムをほぼ同時に観測している．それぞれのセンサは，雲・降水システムに対してそれぞれ異なった感度を持っており，感 度の違いを利用して雲・降水システムのより詳しい観測が可能になると考えられる．本研究では2つの視点に着目した．ひとつは，雲・降水システムの日周変 化特性であり，もうひとつは，中緯度帯における雲・降水システムの鉛直・水平分布特性である． まず，日周変化について，VIRSにより得られた最小輝度温度およびPR，TMIにより得られた最大降水強度の地方時刻の全球分布を比較した．期間は 1998-2003年6-8月である．それぞれのセンサによる最大降水および最小輝度温度の地方時刻には系統的な時間差がみられた．特に北西アメリカ大 陸，チベット高原，メキシコ湾などで明瞭に表れた．ピーク時刻は，PR，TMI，VIRSの順で，それぞれ数時間の差であった．PRは降水の初期段階か ら地上付近の降水を直接的に観測し，TMIは主に成熟期に対応した氷粒子を含む背の高い降水に感度があり，またVIRSは成熟期から衰退期にかけた背の 高い雲を主に捉えている．ピーク時刻差の明瞭さや大きさは地域間で異なっていたことから，対流システムの気候的特性が地域により異なり，これが各センサ のデータに現れたものと理解できる． より詳しい日周変化の特性を明らかにするため，日周変化の強度，対流性降水の出現頻度，エコー頂高度，輝度温度によるピーク時刻の違いを調べた．陸上と 陸に近い海洋上における一般的な特徴は次の通りである．大きな日周変化を示す地域は対流性降水の割合が高い地域に対応する．対流性降水の割合が高いか， または降水量の多い地域ではエコー頂高度が高くなる．日周変化の強度とエコー頂高度との関係性は明確には表れない．対流性降水および層状性降水のピーク 時間は，日周変化の強度に関係せずそれぞれ正午付近，夜半である．しかし，最大降水時刻には対流性降水の出現頻度が大きく影響する．これらの関係は海洋 上は明瞭ではなかった． 次に北西太平洋域における冬季降水の特性の解析を行った．期間は1999/2000-2003/2004年12-2月である．PRとVIRSのデータを 組み合わせることにより，降水システムの鉛直・水平構造および，TMIにより観測されたマイクロ波輝度温度の特性を調べた．降水パターンは形態および位 置により，低気圧および前線パターン（CF），日本海，黄海，太平洋上における寒気の吹き出しパターン（それぞれCO-J，CO-Y，CO-P）に分類 し，それぞれのパターンにおける特徴を調べた．COに共通した特徴として，エコー頂高度は2km程度で背が低く，20dBZ程度の弱い降水が卓越する． 雲頂高度は約4kmであった．CO-YとCO-Jに比べると，CO-Pはより大きなシステムに発達しやすく，地上付近に融解層が現れやすい．CFは 3kmおよび6km付近にエコー頂高度，雲頂高度の最大頻度をとり，強度，水平スケールともにばらつきが大きい． これらの特徴はPRとTMIによる降水見積もりにも影響する．COでは一般に背が低い固体降水の場合が多いため，TMIで降水が検出されていない事例が 多い．逆に，CFでは背が低く温かい雨の場合に対してPRが降水を検出していない事例が見受けられた．PRとTMIの両方ともに降水を観測したケースで は，COでは全体的にPRの過大評価が，CFの弱い降水ではTMIの過大評価の傾向がみられた．それぞれのパターンに対するマイクロ波輝度温度の特性を 調べることにより，センサの水平解像度に対する降水システムの大きさが降水見積もりの大きな誤差要因につながることが示された． 上記のように，熱帯・亜熱帯域の降水の大きな特徴である日周変化，また観測の乏しい中緯度海洋上の降水システムの特徴を，異なる複数のセンサにより示す ことができた．降水形態は様々であり今後同様の解析を広げていかなければならないが，本研究は，複数衛星搭載センサによる降水システムのより詳しい観測 に資すると同時に，次世代の宇宙からの降水システムの観測にもつながるものである． |
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