日本氣象觀測技術走在前沿
2015/10/09
時而在海上捲成漩渦，時而向日本長驅直入。這些前所未見的雲卷雲舒景像是新靜止氣象衛星「向日葵8號」在2015年7月中旬捕捉到的，當時第11號颱風席捲了整個西日本地區。無論是在衛星觀測，還是地上雷達觀測網，日本正在趕超歐美，走在世界的前列。
領先歐美的「新一代靜止氣象衛星」 還可拍攝彩色圖像
向日葵8號從7月7日起剛剛啟用，是日美歐一直準備投入使用的首顆「新一代靜止氣象衛星」。
關於「新一代」的意義，首先接收信號的種類（頻帶數）比此前多出很多。可根據紅綠藍三原色信號拍攝彩色圖像。可明顯區分雲、火山噴霧和沙塵等不同物質。還可判斷雲中聚積的是雨還是雪。利用近紅外線和紅外線獲得的數據也出現增加，便於掌握雲的種類和擴展情況。捕捉水蒸氣流等的能力也得到提高。美國和歐盟分別預定在2016年和2018年發射類似的新一代衛星。
圖像的拍攝頻率也大幅增加。此前的衛星全球觀測間隔為每30分鐘一次，目前縮短至每10分鐘一次。僅拍攝日本附近的話，每2分半就可拍攝一次，短時間內能夠捕捉突然擴展或衰退的雲。因為觀測間隔如此之短，就像從太空中眺望一樣可以清晰地看到靠近日本的第11號颱風。日本氣象廳將於8月內在官網上面向大眾長期公開此類圖像。實際上，向日葵8號還具備每30秒觀測一次積雨雲等的能力，今後在應用方面備受期待。
在赤道上空約3萬6000米的高空中，靜止氣象衛星以和地球自轉幾乎相同的速度繞地球運作。因此能夠以幾乎靜止狀態一直觀測地球的同一個位置。當然，日本並非從最初就處在衛星觀測的領先行列。美國1966年發射了全球第一顆靜止氣象衛星。上世紀70年代初期，美國的天氣預報就開始經常使用伴有低氣壓等的雲層視頻。
氣象衛星拍攝的視頻也會出現在電視的天氣預報節目中。剛好當時，記者有幸在美國親眼目睹了此類圖像。看到在北美大陸上空擴展並且不斷東進的低氣壓雲圖，我瞠目結舌。不過，當時日本的普通民眾對衛星雲圖幾乎沒有什麼概念，説起天氣預報，腦中浮現的都是手繪的氣象圖、太陽和雨傘等天氣標識。40載一晃而過。如今，日本的衛星性能已超越美國，真有種恍如隔世的感覺。
説點題外話，美國在開發氣象衛星雲圖的分析技術時，日本研究人員發揮了很大作用。著名的龍捲風（Tornado）研究學者藤田哲也博士，表示龍捲風的強度的「藤田級數」就是以他的名字命名而來。據稱，藤田發現了衛星數據的精密解析方法，並和大氣的變化相對應。現在的方法是利用衛星數據來判斷高空的偏西風位置、強度和冷暖氣流動向，起源就是來自於藤田教授的研究。
新型雷達在游擊暴雨的觀測方面顯示出存在感
雖然氣象衛星的性能大大提高，但要觀測被稱為「游擊暴雨」的短時間局部性強降雨，地面觀測網也不可或缺。日本全國約1300處無人觀測點構成的氣象數據自動採集系統十分有名。除此之外，為準確掌握江河流域面雨量，日本國土交通省在近幾年設置的X波段雙線偏振（MP）雷達構成的觀測網也顯示出越來越強的存在感。
該觀測網被稱為「XRAIN（X波段MP雷達資訊網）」，由設置在日本全國的39座雷達組成。X波段的波長在3釐米左右。利用縱波和橫波的雙向偏振波，可以準確觀測降水強度和降雨區域，甚至能觀測到雨滴的形狀。與傳統的雷達觀測不同，無需使用雨量計進行補正。數據每分鐘自動更新，即使包括發佈所需的時間，也能夠通過圖像確認2分鐘前的狀況。
日本氣象廳已開始使用XRAIN數據，每隔五分鐘在網上發佈一小時後的降雨預測，用顏色表示不同強度的降雨，並標注在地圖上。這項預報服務被稱為「高解析度模式降水預報」。2014年8月開始啟用的「第二代」預報服務中，250米格點可顯示30分鐘之後的降雨資訊，1公里格點可顯示1小時後的降雨資訊。例如東京千代田區的大手町附近沒有降雨，麹町可能下暴雨等，能看到非常詳細的天氣預報。
據稱，美國等也在使用X波段MP雷達，根據觀測數據對每條主要國道進行精準的暴雨預測等。日本剛剛在幾年前才有研究人員嘗試性地將X波段MP雷達用於游擊暴雨的觀測。但是，2008年發生在神戶市都賀川的水位突然暴漲並導致人員傷亡的事件，日本國土交通省在5年時間內一口氣將X波段MP雷達的佈置範圍擴展至全日本，在如此短的時間內建設起覆蓋國內大部分地區的觀測網，這在世界上也是前所未聞。
東芝和大阪大學等利用相控陣雷達觀測雲層的形成發展
利用全新原理的最新銳氣象觀測雷達也開始啟用。該雷達名為「相控陣雷達（Phased Array Radar）」，利用了搭載於宇斯盾軍艦的探測雷達技術。由東芝、日本資訊通信研究機構和大阪大學等開發，並將其推向實用化。主體看上去是一塊厚厚的鋼板，裏面的128根天線會釋放出強大的電波。主體每旋轉一次，便能全面觀測到地表附近到雲層上部的狀況。
普通的雷達在旋轉時會稍微提高仰角然後再降低角度，來回重覆該動作。給人的感覺是把雲切成薄片，從下向上逐層觀測。觀測整個雲層需要10分鐘左右。如果在此期間雲層迅速發展，將漏掉雲層的變化。而相控陣雷達是用電子掌握電波的狀態，旋轉一次便可立體掌握雲層整體的狀態。即使雲層迅速變化也不會漏掉，相控陣雷達被認為最適合用來觀測游擊暴雨等氣象。
相控陣雷達捕捉到的凝結核（白色）和下擊暴流（紅色）（2014年9月10日，左端為下午11時20分左右，右端為下午11時30分左右。氣象研究所根據日本資訊通信研究機構和大阪大學提供的數據製作而成）
本以為白色雲塊將迅速變大時卻開始下降，到達地面後向周圍颳起強風。氣象研究所的研究室長楠研一展示的相控陣雷達觀測圖像中，在積雨雲中發生的氣象變化被清晰地顯示出來。據大阪大學副教授牛尾知雄等人透露，這是利用設置在大阪大學樓頂的相控陣雷達於2014年9月10日夜間拍攝到的圖像。
相控陣雷達成功捕捉到了積雨雲中被稱為「凝結核」的雨滴集中區域的動態和強大的下降氣流。在4000～5000米高空的凝結核在10分鐘後到達地面時，周圍1～2公里的小範圍內颳起了10分鐘左右的暴風。被稱為下擊暴流的暴風有可能引發飛機事故。如果在凝結核形成和落下開始時發出警告，將有助於預防事故發生。
7月8日，在茨城縣筑波市，氣象研究所在樓頂啟用了相控陣雷達。目的為監測龍捲風的徵兆等。日本在正式利用相控陣雷達進行氣象觀測方面走在了世界前列，吸引了美國等國的強烈關注。東芝、資訊通信機構和大阪大學計劃，作為國家項目之一，用3年左右的時間開發雙線偏振型的相控陣MP雷達。如果能夠在全國設置相控陣MP雷達，游擊暴雨的預測精度有望得到極大提升。
問題是昂貴的成本。目前，一座相控陣雷達的設置成本高達數億日元。MP型的成本可能更高，應該無法輕易增加吧。日本全國服役中的X波段MP雷達的使用壽命為15年左右。另外，幾年之後可能還有新技術出現。因此，有效結合多種觀測系統，在數據的使用方法上多花心思，迅速提高防災效果十分重要。
本文作者為日本經濟新聞（中文版：日經中文網）編輯委員 氣象預報員 安藤淳
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領先歐美的「新一代靜止氣象衛星」 還可拍攝彩色圖像
向日葵8號從7月7日起剛剛啟用，是日美歐一直準備投入使用的首顆「新一代靜止氣象衛星」。
| 向日葵8號拍攝的彩色圖像（當地時間7月17日下午3點，正中間的較大雲塊便是席捲整個西日本的颱風11號。日本氣象廳供圖） |
圖像的拍攝頻率也大幅增加。此前的衛星全球觀測間隔為每30分鐘一次，目前縮短至每10分鐘一次。僅拍攝日本附近的話，每2分半就可拍攝一次，短時間內能夠捕捉突然擴展或衰退的雲。因為觀測間隔如此之短，就像從太空中眺望一樣可以清晰地看到靠近日本的第11號颱風。日本氣象廳將於8月內在官網上面向大眾長期公開此類圖像。實際上，向日葵8號還具備每30秒觀測一次積雨雲等的能力，今後在應用方面備受期待。
在赤道上空約3萬6000米的高空中，靜止氣象衛星以和地球自轉幾乎相同的速度繞地球運作。因此能夠以幾乎靜止狀態一直觀測地球的同一個位置。當然，日本並非從最初就處在衛星觀測的領先行列。美國1966年發射了全球第一顆靜止氣象衛星。上世紀70年代初期，美國的天氣預報就開始經常使用伴有低氣壓等的雲層視頻。
氣象衛星拍攝的視頻也會出現在電視的天氣預報節目中。剛好當時，記者有幸在美國親眼目睹了此類圖像。看到在北美大陸上空擴展並且不斷東進的低氣壓雲圖，我瞠目結舌。不過，當時日本的普通民眾對衛星雲圖幾乎沒有什麼概念，説起天氣預報，腦中浮現的都是手繪的氣象圖、太陽和雨傘等天氣標識。40載一晃而過。如今，日本的衛星性能已超越美國，真有種恍如隔世的感覺。
| 接收向日葵8號信號的天線（埼玉縣鳩山町） |
新型雷達在游擊暴雨的觀測方面顯示出存在感
雖然氣象衛星的性能大大提高，但要觀測被稱為「游擊暴雨」的短時間局部性強降雨，地面觀測網也不可或缺。日本全國約1300處無人觀測點構成的氣象數據自動採集系統十分有名。除此之外，為準確掌握江河流域面雨量，日本國土交通省在近幾年設置的X波段雙線偏振（MP）雷達構成的觀測網也顯示出越來越強的存在感。
該觀測網被稱為「XRAIN（X波段MP雷達資訊網）」，由設置在日本全國的39座雷達組成。X波段的波長在3釐米左右。利用縱波和橫波的雙向偏振波，可以準確觀測降水強度和降雨區域，甚至能觀測到雨滴的形狀。與傳統的雷達觀測不同，無需使用雨量計進行補正。數據每分鐘自動更新，即使包括發佈所需的時間，也能夠通過圖像確認2分鐘前的狀況。
| 大阪大學樓頂設置的相控陣雷達（從下向上看到的厚鋼板為雷達主體。主體裏面有128根天線） |
據稱，美國等也在使用X波段MP雷達，根據觀測數據對每條主要國道進行精準的暴雨預測等。日本剛剛在幾年前才有研究人員嘗試性地將X波段MP雷達用於游擊暴雨的觀測。但是，2008年發生在神戶市都賀川的水位突然暴漲並導致人員傷亡的事件，日本國土交通省在5年時間內一口氣將X波段MP雷達的佈置範圍擴展至全日本，在如此短的時間內建設起覆蓋國內大部分地區的觀測網，這在世界上也是前所未聞。
東芝和大阪大學等利用相控陣雷達觀測雲層的形成發展
利用全新原理的最新銳氣象觀測雷達也開始啟用。該雷達名為「相控陣雷達（Phased Array Radar）」，利用了搭載於宇斯盾軍艦的探測雷達技術。由東芝、日本資訊通信研究機構和大阪大學等開發，並將其推向實用化。主體看上去是一塊厚厚的鋼板，裏面的128根天線會釋放出強大的電波。主體每旋轉一次，便能全面觀測到地表附近到雲層上部的狀況。
普通的雷達在旋轉時會稍微提高仰角然後再降低角度，來回重覆該動作。給人的感覺是把雲切成薄片，從下向上逐層觀測。觀測整個雲層需要10分鐘左右。如果在此期間雲層迅速發展，將漏掉雲層的變化。而相控陣雷達是用電子掌握電波的狀態，旋轉一次便可立體掌握雲層整體的狀態。即使雲層迅速變化也不會漏掉，相控陣雷達被認為最適合用來觀測游擊暴雨等氣象。
相控陣雷達捕捉到的凝結核（白色）和下擊暴流（紅色）（2014年9月10日，左端為下午11時20分左右，右端為下午11時30分左右。氣象研究所根據日本資訊通信研究機構和大阪大學提供的數據製作而成）
| 風向水準方向擴散 |
相控陣雷達成功捕捉到了積雨雲中被稱為「凝結核」的雨滴集中區域的動態和強大的下降氣流。在4000～5000米高空的凝結核在10分鐘後到達地面時，周圍1～2公里的小範圍內颳起了10分鐘左右的暴風。被稱為下擊暴流的暴風有可能引發飛機事故。如果在凝結核形成和落下開始時發出警告，將有助於預防事故發生。
7月8日，在茨城縣筑波市，氣象研究所在樓頂啟用了相控陣雷達。目的為監測龍捲風的徵兆等。日本在正式利用相控陣雷達進行氣象觀測方面走在了世界前列，吸引了美國等國的強烈關注。東芝、資訊通信機構和大阪大學計劃，作為國家項目之一，用3年左右的時間開發雙線偏振型的相控陣MP雷達。如果能夠在全國設置相控陣MP雷達，游擊暴雨的預測精度有望得到極大提升。
問題是昂貴的成本。目前，一座相控陣雷達的設置成本高達數億日元。MP型的成本可能更高，應該無法輕易增加吧。日本全國服役中的X波段MP雷達的使用壽命為15年左右。另外，幾年之後可能還有新技術出現。因此，有效結合多種觀測系統，在數據的使用方法上多花心思，迅速提高防災效果十分重要。
本文作者為日本經濟新聞（中文版：日經中文網）編輯委員 氣象預報員 安藤淳
版權聲明：日本經濟新聞社版權所有，未經授權不得轉載或部分複製，違者必究。