Report　ofthe　National　ResearchCenter　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

551，577．21

Eva1uation　of　Upper　Winds　as　a　Translati㎝Vector

for　the　Short－Term　For㏄ast　of　Pr㏄ipitation　Echoes

By

Himshi　Uyeda‡and　Tsuruhei　Yagi‡

ル加刎1地∫θακんα〃召γ〃〃∫狐伽〃θ㈱ガo〃，ノ；妙舳

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Abstmct

　　　Observation　of　precipitation　echoes　with　conventiona1weather　radar　of3．2

cm　wavelength　was　carried　out　from　September7to　October6，ユ981at　the

center　of　the　Kanto　P1ain　in　Japan．For　studies　on　the　short・term　forecast　of

precipitation　echoes，the　evaluation　of　upper　winds　as　a　trans1ation　vector　was

made　by　simple　trans1ation　with　recorded　echo　data　for1or2hours，The　winds

used　for　the　translation　were　those　at800，700，600，500and400mb　and　the　mean

wind　from850to400mb，provided　from　rawin　data　at　Tateno．

　　　The　resu1t　of　the　forecasts　was　eva1uated　by　Critica1Success　Index（CSI）、

Overa11，the　mean　wind　gave　the1argest　CSI　score　for　translation．Next　to　this，

the　CSI　score　for　translation　from　the　wind　at700mb　was1arger　than　that　from

the　other　upper　winds．The　analysis　demonstrated，therefore，as　a　who1e　that　the

mean　wind　wou1d　be　practical　for　use　as　a　trans1ation　vector　for　the　short－term

forecast　of　precipitation　echoes．

　　　In　addition　to　CSI　ana1ysis，meteorological　ana1ysis　was　made　for　two　cases．

The　possibi1ity　of　the　app1ication　of　Doppler　radar　to　the　present　method　of

short－term　forecast　of　precipitation　echoes　is　also　discussed．

1．　Introduction

　　　　　　　Aioi　in！971and　Nagasaki　in1982are　two　examp1es　of　heavy　rainfa11which　is

not　infrequent　in　Japan，causi㎎serious1oss　of　life，crops　and　property．Weather　radar

has　been　p1aying　an　important．role　in　the　watching　of　such　heavy　rainfa11．Recent1y，

severa1studies　of　short－term　weather　forecasts　with　radar　records　have　been　carried　out．

The　information　of　short－term　forecasts　will　be　va1uab1e　for　disaster　prevention　in1arge

cities　and　pub1ic　faci1ities1ike　dams　and　airports．To　protect　these　important1ocations，

＊Climatic　Anoma1y　Laboratory，First　Research　Division

一1一

Report　of　the　Nationa1Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

a　medium　radar　range　of　about100km　might　be　practical，considering　the　scale　and1ife－

time　of　most　cases　of　heavy　rainfa1l，

　　　　　　　Up　to　date，several　methods　of　forecasting　from　radar　echo　pattems　with　the　use

of　digital　echo　data　have　been　deve1oped．Austin　and　Be11on（1974）proposed　a　technique

to　trans1ate　digita1radar　echoes　by　Crosscorre1ation　Method（CCM）．Be11on　and　Austin

（1978）made　an　evaIuation　of　rea1－time　operation　of　a　short－term　precipitation　forecasting

procedure（known　as　SHARP）with　actua11y　observed　data．E1vander（1976）evaluated

three　different　methods　of　short－term　precipitation　forecasting　by　using　the　same　data．

In　Japan，Tatehira　and　Makino（1974）made　an　eva1uation　of　the　forecast　of　digita1echo

pattems　with　an　echo　composite　map　from　severa1adjacent　radars．They　extrapolated

the　echoes　from　the　wind　at700mb　inc1uding　an　adjustment　by　echo　deve1opment．

Tatehiraθチα／．（1976）examined　the　forecasting　technique　of　trans1ation　from700mb

wind，considering　the　deve1opment　and　dissipation　derived　from　two　photographs　at　an

interva1of1hour．These　studies　have　shown　that　a　short－term　forecasting　procedure

using　CCM　or　tI．ans1ation　method　from　a　certain　wind　could　be　practicab1e．

　　　　　　　Any　method　of　short－term　forecasting　first　needs　to　determine　a　trans1ation

vector．For　CCM，both　current　map　and　past　map　stored　from　the　previous　hour　are

necessary；therefore，a　certain　store　time　is　required　to　determine　the　disp1acement

vector．In　the　case　of　a　l　or2hour　short－term　forecast，the　disp1acement　vector　shou1d

be　determined　as　quick1y　as　possible．Not　on1y　is　this　a　difficu1t　requirement，but　a1so

a　proper　disp1acement　vector　may　not　be　determined　when1ocal1y　irregu1ar　movements

of　wide1y　spread　precipitation　echoes　are　prevai1ing．Therefore，in　this　paper　we　use　a

certain　wind　vector　instead　of　a　disp1acement　vector　for　translation．For　this　purpose，

Dopp1er　radar　is　considered　to　be　usefu1and　convenient　to　determine　the　translation

vector　quick1y　and　simp1y　by　measuring　upper　winds　at　rea1time　when　the　precipitation

echo　ho1ds　its　activity　for2or3hours．

　　　　　　　The　technique　of　measuring　the　wind　by　a　sing1e　Dopp1er　radar　has　been

described　by　Lhermitte　and　At1as（1961），Browni㎎and　Wex1er（1968）and　othersl　The

present　authors　tried　rea1－time　measurement　of　horizonta1winds　using　fan－beam　Dopp1er

radar（Uyeda　and　Yagi，1980a，1980b）．

　　　　　　　In　the　present　investigation，the　radar　observations　were　made　in　the　rainy

periods　in　September　and　October　in1981and1982，using　conventiona1radar　to　measure

the　intensity　of　ref1ectivity．For　a　trans1ation　vector，the　authors　used　upper　winds　from

一2一

Evaluation　ofリpper　Winds　as　a　Trans1ation　Vector－Uyeda　and　Yagi

rawin　data，regarding　them　as　upper　winds　measured　by　a　sing1e　Dopp1er　radar．Aoyagi

（1982）has　observed　that　upper　winds　measured　by　a　sing1e　Dopper　radar　coincided　with

rawin　winds．In　this　paper，the　eva1uation　of　upper　winds　as　a　trans1ation　vector　is

described　as　the　resu1t　of　analysis　for　the1981observation　data，and　the　possibi1ity　of　the

app1ication　of　Dopper　radar　to　the　short－term　forecast　of　precipitation　is　discussed．

2．　Methods　of　observation　and　analysis

2．1　　Radar　data　acquisition　and　digitization

　　　　　　　　Observation　of　radar　echo　for　the　study　of　short－term　forecast　of　digitized　echo

pattem　was　carried　out　in　a　rainy　period　from　September7to　October6．1981in　the

center　of　the　Kanto　Plain．The　observation　range　was　l00km　in　radius，as　shown　by　the

circ1e　in　Fig．1．Mountainous　regions　over600m　above　sea1evel　are　hatched．A　mobi1e

weather　radar　set　was　set　up　on　the　bank　of　the　River　Tone．The　height　of　the　bank　was

about20m　above　the　neighbouring　ground．The　wave1ength　of　the　radar　was3．2cm；

other　specifications　of　the　radar　are1isted　in　Tab1e1．

　　　　　　　　The　program　of　radar　observation　was　schedu1ed　from0200to0600JST，from

0800to1200JST，from1400to1800JST　and　from2000to2400JST．These　observation

series　were　chosen　to　ut1ize　the　rawin　data　of0300．0900．1500and2100JST　which　would

provide　a　translation　vector　for　radar　echo　pattems．After　first　precipitation　echo　was

identified，photographs　of　isoecho（ISO）contours　on　a　p1an　position　indicator（PPI）were

taken　by35mm　cinecamera　every　lO　minutes．The　range　of　the　PPI　scope　was　lOO　km

in　radius，and　the　e1evation　was　set　at　an　ang1e　of3。．In　addition　to　this　PPI　recording，

ISO　contours　of　a　range　e1evation　indicator（REI）were　photographed　at　interva1s　of30

minuteS．

　　　　　　　　After　the　observation　period　was　comp1eted，off－1ine　ana1ysis　was　made　of　the

obtained　data．The　intensity　of　PPI　echoses　on　the　screen　of　a　cinefilm　analyzer　was

digitized　in　a2km×2km　mesh　by　hand．The　digitized1eve1s　were　IS01，2，3，4，5and

6of　the　isoecho　device　of　the　radar　set　used．Ground　echoes　were　eliminated　from　the

digitization　by　the　comparison　of　PPI　echoes　to　the　gromd　echoes　taken　on　days　without

precipitation．

一3一

Report　of　the’National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，Marchユ983

37o

MT．FU」1

籔　くMT，AKAg！　　　　　．　　　　　　　　　　　　　　｝

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　　　　　　　　　　、・、εADAR血　　　　　　　　　　　○、．

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　　　　　　　　　　TOKYO

　　　　　　　　　　　BAY

1O　O　km

36oN

喬35oN　　　亀

紐139oE Q 140oE

35oN

0　　　　　　30kn1

」］」

Fig．1一 Schematic　map　showing　the1ocation　of　a　mobi1e　weather　radar　set　in　Goka　Vi11age

（●）and　the　location　of　the　rawin　observation（Aero1ogical　Observatory，Japan

Meteorologica1Agency）at　Tateno（十）．The　circle　lOO　km　in　radius　shows　the　radar

observation　range．Mountainous　regions　over600m　above　sea1eve1are　hatched．

Tab1e1 Specifications　of　the　mobi1e　weather　radar　set．

TERM

FREQUENCYPEAK　POWER　OUTPUT

PULSE　WIDTH

PULSE　REPETITION　RATE

REFLECTORBEAM　WIDTH

INDICATOR

ISO　ECHO

PERFORMANCE

　　　　　　　9375MHz

　　　　　　　　　　40kw

　　　　　　　　　　　　1μs

　　　　　　　　　260pPs

ユ．2mφPARABOLA　　　　　　　　　　　　　2口

　　　　PPI，REI，A／R

　　　　　　　　＜100km

一4一

E・・1・・ti…fUpP・・Wi・d・…T・…1・ti・・V・・t・・一U。・d・・。dY．gi

2．2　Echo　translation　by　wimd　vector

　　　　　　　　These　digitized　echo　patterns　were　simply　trans1ated　by　computer　using　the

upper　winds　observed　by　the　Aero1ogica1Observatory　at　Tateno．　The　evo1ution　of

precipitation　echoes　was　not　considered　in　the　trans1ation　for　one　or　two　hours．The

observatory　is1ocated32km　from　the　radar　site　atユ0ぴ、．as　shown　in　Fig．1．The　upper

winds　used　for　the　trans1ation　were　the　winds　at800，700，600，500and400mb　and　a　mean

wind（Vm）．The　mean　wind　Vm　is　defined　as　the　vector　mean　of　winds　at　ten　points　from

850to400mb　at　interva1s　of50mb．Initia1echo　pattems　app1ied　in　the　trans1ation　using

these　winds　were　the　records　observed　on　the　hour　or30minutes　after　the　hour．The

trans1ation1engths　were　lO，20，30and60minutes　and，if　possib1e，the1engths　were

extended　up　to　gO，120and180minutes．The　REI　echoes　in　these　trans1ation　spans　were

examined　to　check　the　vertica1structure　of　precipitation．

　　　　　　　　For　verification　of　forecasts　from　radar　echoes，a　we11known　parameter　was

chosen．That　parameter　is　the　Critica1Success　Index（CSI）（Donaldsonθ≠α／．，1975），

defined　as

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X　　　　　　　　　　　CSI＝100　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X＋Y＋Z

where　X，Y　and　Z　have　meanings　exp1ained　in　Tab1e2．　Fig．2wi11aid　better

interpretation　of　the　tab1e．The　CSI　score　was　ca1cu1ated　for　each　trans1ation　from　upper

winds．The1eve1of　intensity　of　the　echoes　trans1ated　were　over　IS01（corresponding　to

l　mm／h）and　over　IS02（corresponding　to2mm／h），since　the　area　of　intensity　over　IS0

3was　very　sma1L

Tab1e2　Definition　of　parameters　used　in　the　calcu1ation　of　CSI，

　　　　　　　adapted　from　Dona1dson〃α／．（1975）．X，hits；Y，missed；Z，

　　　　　　　fa1se　aIarms，as　schematica1ly　i11ustrated　in　Fig．2．

FORECASTEDOBSERVED VALUE　EQUAL　TO VALUE　LESS　THAN

OR　LARGER　THAN THRESHOLDTHRESHOLD

VALUE　EQUAL　TOOR　LARGER　THANTHRESHOLD X Y

VALUE　LESS　THANTHRESHOLD Z

一5一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．一30，March1983

Fig．2 Conceptiona1illustration　of　ovgr1apPing

of　two　echoes．The　area　inside　the　so1id

line　shows　the　observed　echo　and　the

area　of　broken1ine　shows　the　forecasted

echo．PartXisthe“over1apped”area，

partsYare“obsemedbutnotforecast－ed”，andthepartsZare“forecastedbutnot　observed”、

　　　　　　　　　OBSERVED

一一一　　　　FORECASTED

2．3　Echo　tmns1ation　by　displacement　v㏄tor

　　　　　　　　A　disp1acement　vector　between　a　present　PPI　echo　and　the　one30minutes

previous　was　a1so　ca1cu1ated　for　the　translation　of　a　present　echo　into　the　future．The

common　method　of　obtaining　the　disp1acement　vector　was　described　by　Austin　and

Be11on（1974）．In　the　present　paper，many　CSI　scoresbetween　two　PPI　echo　pattemswere

first　ca1cu1ated　by　computer　by　trans1ating　the　past　echo　in　many　directions　and

distances　aromd　the　present　echo．Then，for　future　trans1ation，one　single　disp1acement

vector　was　determined　so　as　to　give　the1argest　CSI　score．The　interval　between　the　two

echoes　was30minutes．This　method　derives　the　same　result　as　the　Crosscorre1ation

Method　for　the　echo　area　of　IS01．

　　　　　　　　Using　the　disp1acement　vector，short－term　forecasts　of　precipitation　echoes

were　made　in　the　same　mamer　as　short－term　forecasts　using　the　wind　vector，for

comparison．

2．4　　DIeteoro1ogical　analysis

　　　　　　　　Meteoro1ogica1ana1ysis　was　made　for　typica1cases　observed　from　September

7to　October6，198ユ．

　　　　　　　　In　order　to　examine　the　relation　between　the　types　of　precipitation　and　the

va1idity　of　trans1ation　vectors　of　echo　pattems，surface　weather　ana1ysis　using

Automated　Meteorological　Data　Acquisition　System（AMeDAS）data　was　made　for

every　case　in　the　observation　period．A1so，time　cross－sections　were　made　for　typica1

CaSeS．

一6一

Eva1↓lation　of　Upper　Winds　as　a　Trans1ation　Vector－Uyeda　and　Yagi

3．　Resu1ts

3．1　Averaged　CSI　scores

　　　　　　　　The　movements　of　precipitation　echoes　were　observed　in　the　period　from

September7to　October6．1981in　the　Kanto　Plain．The　observation　data　were　c1assified

into　eight　cases，as　listed　in　Table3，in　terms　of　rawin　observation　time　of0300．0900．

1500and2100JST．In　Cases1，2and3，observed　rains　were　associated　with　a　cyc1one．

Especia11y　in　Case2，heavy　rainfa11was　observed　in　a　sma11area　according　to　the

AMeDAS　data　ana1ysis．In　Case4，the　echo　observed　by　the　radar　was　ofconvective　type

and　its　intensity　was　high，but　no　heavy　rains　were　observed　at　the　ground．In　Cases5，

6，7and8，observed　rains　were　associated　with　Typnoon　No．8122（E1sie）approaching　the

radar　observation　range．Especia11y　in　Case8，the　duration　of　the　precipitation　echo　was

1ong　enough　for　trans1ation　of　over2hours．

　　　　　　　　On　each　case，the　echo　areas　over　the1eve1of　IS01on　the　hour　and30minutes

after　the　hour　were　trans1ated　for　forecast1ength　as1ong　as　possib1e　by　upper　winds　at

800，700，600，500and400mb　and　the　mean　wind，Vm（850to400mb），at　Tateno．The

averaged　CSI　scores　of　the　trans1ations　are　shown　in　Tab1e4．Two　echo　patterns　of　Case

2were　trans1ated　up　to　gO　minutes　and　three　echo　pattems　of　Case8were　trans1ated　up

to120minutes．Case3and　Case4were　e1iminated　from　the　averaging　in　the　tab1e

because　the　precipitation，echoes　cou1d　not　be　trans1ated　more　than60’minutes．

Table3　List　of　casens　of　radar　observation　data．The　observation

　　　　　　　time　of　rawin　data　used　for　the　trans1ation　is　shown　in　the

　　　　　　　RAWIN　TIME　co1umn，The　disturbance　associated　with

　　　　　　　the　precipitation　echoes　observed　is　shown　in　the　RE－

　　　　　　　MARKS　co1umn．

CASE　NO． RADAR　OBSERVATION　TIME RAWIN　TIME REMARKSユ 2000－2400JST，SEP．25．！981 2100JST CYCLONE2 0000－0600JST，SEP．26，198ユ 0300JST CYCLONE3 1640一ユ800JST，SEP．26，198ユ 1500JST CYCLONE4 1400－1630JST，SEP．28．1981 1500JST FRONT5 0805－1200JST，OCT．ユ，1981 0900JST TYPHOON6 1200－1800JST，OCT．1，ユ98！ 1500JST TYPHOON7 2000－2400JST，OCT．1．1981 2100JST TYPHOON8 0000－0600JST，OCT．2．1981 0300JST TYPHOON

一7

Report　of　the　Nationa1Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

Tab1e4　Averaged　CSI　score　for　trans1ation　from　winds　at

　　　　　　　800，700，600，500，and400mb　and　the　mean　wind　Vm．

30min． 60min、 90min． 120min．

800mb 22．7 8．0 2．6 0．3

700mb 23．3 1！．7 8．3 5．1

600mb 21．6 8，O 3．2 0．9

500mb 19．8 5．4 1．3 0．1

400mb 19．9 4．6 2．1 0．2

Vm 27，3 15．5 11．2 10．9

Eventua11y，the　number　of　trans1ations　were14，14，6and3for　trans1ation1ength　up　to

30，60，90and120minutes，respective1y，

　　　　　　　　In　Case2and　Case8，the　echo　duration　was1onger　and　precipitation　amount

was　greater　than　in　the　other　cases．The　resu1ts　of　trans1ation　on　the　two　cases　are

precise1y　described　in　the　fo11owing　sections　and，in　addition，the　resu1ts　of　meteoro－

1ogica1ana1ysis　for　these　cases　are　given．

3．2　Detai1ed　description　of　Case2

　　　　　　　　Ear1y　on　September26．1981，Kanagawa　Prefecture　and　Chiba　Prefecture，the

southem　part　of　the　Kanto　P1ain，had　heavy　rainfa11of　about60to70mm　in6hours．The

radar　echo　corresponding　to　this　rain　was　obtained，and　designated　as　Case2in　Tab1e

3．An　example　of　the　PPI　echo　and　the　REI　echo　at0030JST　is　shown　in　Photo．1．The

height　of　the　echo　top　was8km，the　strongest　echo　was　IS05in　the　intensity1eve1which

corresponded　to16mm／h，and　the　echo　moved　toward　the　east－northeast．The　ech0

features　in　the　photograph　show　that　the　echo　was　wide1y　spread　and　was　of　convective

form．

　　　　　　　　The　changes　in　CSI　score　for　forecast　length　up－to　gO　minutes　starting　at0030

and0010JST　are　shown　in　Fig．3（a）and（b）．The　echo　pattem　translated　was　of　the　leve1

over　the　intensity　of　IS01．In　addition　to　the　changes　in　CSI　score　o〃∫〃∫each　upper

wind　and　the　mean　wind，the　change　in　CSI　score　in　the　case　of　a　disp1acement　vector　is

Eva1uation　of　Upper　Winds　as　a　Trans1ation　Vector－Uyeda　and　Yagi

O030JST　SEP．26．1981

（N）

Oo

PPI

170o

IS01

REI

Photo．1

（170◎） ISO

An　examp1e　of　the　PPI　echo　and　REI　echo　at　O030JST，September26．

1981．The　REI　is　the　vertica1cross－section　in　the　direction　of170．on

the　PPI　scope．

一9一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

ω

O

70

60

50

40

30

20

10

O030」ST，SEP．26．1981

　　　　　　　　　　　　　　（lSO　l）

70

60

50

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4。。“、。。。溢、’・榊・・　　　1・

400mb＼、 ’込、　　＼＼＼・一一．二三三…ミ葦

Fig．3

　　30　　　　　　60

FORECAST　LE　NGTH

　　　　　　（a）

90　　　　　0

0100」ST　SEP．26　1981

　　　　　　　　　　　　　（lSO　l）

、

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伽｝ら＼こ・1＼≦讐二b

　　　　　　　　　　　　　　＼ヒ＝＝二。，；；一

（min）　30　　　　　60　　　　　90FORECAST　LENGTH　（min）

　　　　　　（b）

Change　in　CSI　scores　for　forecast1engths　up　to90minutes：（a）starting　at　O030JST，

and（b）starting　at0100JST．　The　thresho1d　of　echo　intensity　is　IS01for　the

ca1cu1ation　of　CSI　score．The　trans1ation　vectors　are　the　wind　ve1ocities　at800，700，

600，500and400mb　and　the　ve1ocity　ofthe　mean　wind，Vm（from850to400mb）．TheCSI　score　for　trans1ation　from　a　disp1acement　vector　ca1cu1ated　between　past　and

present　PPI　echoes　is　shown　by　PAST－30．The　possib1e　maximum　CSI　score　by　the

simp1e　trans1ation　method　is　shown　by　OPTIMUM．

shown　as　PAST－30in　both　figures．The　disp1acement　vector　was　determined　from　two

PPI　echoes：present　and30minutes　previous．Furthermore，the　change　in　possib1e

maximum　score　by　the　simp1e　trans1ation　method　was　shown　as　OPTIMUM　for

comparison．

　　　　　　　　As　is　we11known，any　CSI　score　decreases　with　the　forecast　length　as　a　who1e．

Among　them，trans1ation　from　mean　wind　Vm　shows　the1argest　CSI　score，being　c1ose

to　the　OPTIMUM．Trans1ation　from　PAST－30a1so　presents　a　relatively　good　score．On

the　other　hand，trans1ation　from　the　wind　at700mb　shows　a　sma11CSI　score，not　as

genera11y　expected．Fig．4shows　the　resu1t　of　forecasts　of　the　echoes　over　the　intensity

of　IS02starting　at　O030and0100JST．The　tota1tendency　is　a1most　the　same　as

mentioned　above　and　i1lustrated　in　Fig．3．

一10

Evaluati㎝of　Upper　Winds　as　a　Translation　Vector－Uyeda　and　Yagi

ω

O

70

60

50

40

30

20

10

O030」ST，SEP．26．　198170

（IS02）　　　　　　　　　　60

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ω

O

50

40

30

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10

30　　　60　　　90　　　　　0FORECAST　LENGTH　（m　i　n）

0100」ST，SEP．26， 1981

（lS02）

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　　　　　’・400mト、、

700mb　」　　　　’ト“600mb

（a）

　30FORECAST

（b）

60　　　　　90LENGTH（min）

Fig．4 Same　as　Fig．3，but　the　threshold　of　echo　intensity　is　IS02．

0300」STSEP．26．1981　　　L14o 150oE　　　　　　〃　　　　　　160oE

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1200　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　130oE 140．E 150oE

Fig．5 Surface　weather　chart　at0300JST，September26．1981（○：

c1ear，①：fine，◎：c1oudy，●1rain，●二：shower，◎：fog）・

一11一

Report　of　the　Nationa1Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

　　」棚O一ユコOO」5T　　　　　、一’■、・舳．1㌣∵1ノ∴1’＼しノ、へ、、一二’・。（’目ユ・（、ド」・∵1・．㌧1．ドドエ㌧’』、．、．・・ノ．．，ノ1…　川　、一r～・；∴パ∴∴1∴∴1パてllゴll．、，∴。．．．、、、、

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Fig．6 Hourly　amounts　of　precipitation　from2100JST，September25to0300JST，September26．1981and6hour　amount　of　precipitation　from2100JST，September25

to0300JST，September26，198］

一12一

Evaluation　of　Upper　Winds　as　a　Translation　Vector－Uyeda　and　Yagi

　　　　　　　　Next　to　the　CSI　ana1ysis，the　surface　weather　data　and　rawin　data　were

ana1yzed　as　fo11ows．Fig．5shows　the　synoptic　chart　of0300JST，September26．The

warm　front　of　a　cyc1one　is1ocated　south　of　the　Kanto　area．Fig．6shows　the　hourly

amounts　and6・hour　amount　of　precipitation　from2100JST，September25to0300JST，

September26from　AMeDAS　data．The　figure　shows　that　heavy　rainfa11is　distributed

in　the　southem　part　of　the　radar　observation　range；the　heavy　rainfal1area　moved　from

west　to　east．　According　to　echo　tracing，the　movement　of　the　precipitation　area

coincided　with　the　movement　of　the　radar　echo．Fig．7shows　the　time　cross・section　of

wind　at　Tateno　from2100JST，September24to2100JST，September26．The　wind　at

700mb　at0300JST，September26is　seen　to　be　different　from　the　adjacent　wind．Fig．

8shows　the　cange　in　the　surface　wind　fields．A　sma11cyc1onic　convergence　zone　moved

to　the　east，corresponding　to　the　movement　of　the　precipitation　area　in　Fig．6，Fig．9

showsthe　changein　temperature　distributions．It　can　be　seenthat　the20℃isotherm　inthe

southern　part　migrated1oca11y　eastward，corresponding　to　the　movement　of　the　rainfa11

area，a1though　the　temperature　situation　scarce1y　changed　as　a　who1e、

コ・TA二㌧〉〉一、L虻V㌧lmb〕

　　　　ノノ〉》レ虻虻し火

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　　　　　　　　SEP25　21」STSEP．24．1981

Fig．7　Time　cross－section　of　winds　at　Tateno　from2100JST，

　　　　　　September24to2100JST，September26．1981．

一13一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

帥＼・1一

SEPユ川1・へ　／1　（

一、くノ’

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SEP26・1981、〔、

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Fig．8　Change　in　surface　wind　fie1ds

　　　　from2400JST，September25　　　　to0400JST，September26．　　　　1981．

r1与，

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Fig．9　Change　in　surface　tempera－

　　　　ture　fie1ds　from　2400JST，

　　　　September25to0400JST，　　　　September26．1981．

一14一

Evaluation　of　Upper　Winds　as　a　Trans1ation　Vector－Uyeda　and　Yagi

3．3　Detai1ed　description　of　Ca．se8

　　　　　　　　Typhoon　No．8122（EIsie）was　about200km　south　of　the　radar　observation　site

at　about0300JST，October2，and　her　outer　rain　band　was　catched－by　the　radar　as　Case

8．The　amount　of　precipitation　during　the　radar　observation　times　from0000to0600JST

was！O　to20mm　in　the　radar　observation　range．Photo．2shows　an　examp1e　of　PPI　echo

and　REI　echo　at0200JST，October2．The　echo　feature　in　the　photograph　shows　that　the

echo　was　stratiforml　The　direction　of　echo　mevement　was　north－northeast．

　　　　　　　　The　changes　in　CSI　score　for　forecast1ength　up　to！20minutes　starting　at0200

JST　are　shown　in　Fig．10．The　echo　pattem　trans1ated　was　of　the1evel　over　the　intensity

of　IS01．The　legend　for　Fig．10is　the　same　as　for　Fig．3．Any　CSI　score　decreases　with

the　forecast　length　as　a　who1e　in　the　same　mamer　as　seen　in　Fig．3．Trans1ation　from

mean　wind　Vm　shows　the1argest　CSI　score，being　c1ose　to　the　OPTIMUM．Trans1ation

from　PAST－30a1so　presents　a　re1atively　good　score．Trans1ation　from　the　wind　at700

mb　shows　a1arger　CSI　score　than　from　the　winds　at　the　other　heights　in　this　case．Fig．

11shows　the　forecasts　from　echoes　over　the　intensity　of　IS02starting　at0200JST．The

tota1tendency　of　the　forecasts　for　IS02echoes　is　simi1ar　to　that　for　IS0！in　Fig．10．

70

Fig．10

60

50

40

ω

0　　30

20

10

　　　　　　　　　　　　　0200」ST，OCT．2．1981

1　　　　　　　　．，’一9　　　　　　　（1S01）

弍　ひ1　　＼・、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、

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　　　　　　　　　　　　　　　　　’、＼　　　　、．

　　　　　　　　　　　　　400mbづ・＼　　＼、、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、・＼　　　　　＼、

　　　　　　　　　　0　　　30　　　60　　　90　　　120　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　FORECAST　LENGTH　　　　　（min）

Change　in　CSI　score　for　forecast　length　up　to120minutes　starting　at0200JST，

October2．1981．The　thresho1d　of　echo　intensity　is　IS01for　the　calcu1ation　of

CSI　score．The　legend　is　the　same　as　for　Fig．3．

一15一

Report　of　theNational　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

0200」ST　OCT．2　1981　　　　　　　　　　　　　　　　，

（N）

Oo

PPI

MTl　A■くAG1

；詑

1SO1

136o

RE1（1360） 1SO　l

Photo．2 An　example　of　the　PPI　echo　and　REI　echo　at0200JST，October2．

1981．The　REI　is　the　vertica1cross－section　in　the　direction　of136．on

the　PPI　scope．

一16一

Evaluatioh　of　Upper　Wihds　as　a　Translation　VectoトUyeda　and　Yagi

70

Fig．11

ω

U

60

50

40

30

20

10

　、

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0200」ST，OCT，2．　1981

　　　　　　　　　　　　（lS02）

＼　　　　　　　‘Vm

、　、　700mb＼　、、

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、　＼　　　、F600mb　、　　、　　・

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　　　　、　・．　、、　　　、

400mbへ　＼、＼　＼・＼　　　　　　“500mb、、ミ、　　　　　』、＿㌧

　0　　　　　　　　　30　　　　　　　　60　　　　　　　　90　　　　　　　　120

　　　　　　　　　　　　　FORECAST　LENGTH　　　　（min）

Same　as　Fig．10，but　the　threshold　of　echo　intensity　is　IS02。

0300」ST，OCT．2．1981

、。、（姦ノ

＝0N　　　　　、

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　　　　　　　　　　　　　L

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勺．、蓑蘭翰N、、、、一

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　　　　941／

1000　タ

旧昨　　　　　　　　　　　140㌔

Fig・12Surfaceweatherchartat0300JST，October2．1981（○：c1ear，①：fine，◎：c1oudy，　　　　　　　●：rain，●二：shower）．

　　　　　　　Next　to　CSI　ana1ysis，the　surface　weather　data　and　rawin　data　were　ana1yzed

as　fo11ows．Fig．12shows　the　synoptic　chart　for0300JST，October2．The　typhoon’s　area

of　influence　had　extended　to　the　Kanto　Plain．Fig．！3shows　the　hour1y　amounts　of

一17一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

！一い1：1・

　　　　　　　秘≡

ロヨ・正　　　更⊃　　　　　　1・O・・

／，、、＝∵

　　　　　　＼・二、　言”

1∵、Fig．13 Hourly　amounts　of　precipitation　at0200and0300JST，October2．1981・

　　　TATENO

300

｛mb〕

4oo

500

600

700

800

900

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　　　　　　　　　　　　　〃＿ノレ

　　21

0CT．209　　　　　　　　　21　　　　　　　　0CT．1

09　　　　　　　　　21」ST　　　　　　　　SEP．30　　1981

Fig．14　Time　cross－section　of　wind　at　Tateno　from2100JST，September30to2100JST，　　　　　　　October2．1981．

precipitation　at0200and0300JST，October2．The　amount　of　precipitation　was　not　so

great，since　the　typhoon　did　not1and　in　the　Kanto　P1ain　and1eft　rapid1y　after　a　change

of　course　to　the　northeast．Fig．14shows　the　time　cross－section　of　wind　at　Tateno　from

2100JST，September30to2100JST，October2．The　wind　direction　at　low1eve1be1ow

800mb　at0300JST，October2was　NNE，associated　with　the　typhoon．

一18一

Evaluation　of　Upper　Winds　as　a　Translation　Vector－Uyeda　and　Yagi

（b）

Fig．15

（a）

｛N，

50

‘N　j

5◎

‘W〕　　　　　　　◎

100km｛5〕

｛W，

100km（S〕

50 100km‘E）

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RADAR

囲1二

囲 一．．．

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国・’二＝箏1

O

｛二．1

口

囚CS二：16．0

0200」ST．SEP26

口：08SERVED　BuT　NOT　F團：FORECAS正D8uT　NO■l　OVERLAPPED

km

0　　　　　　　　　　　　　　　　　50

08SERVED　BuT　NOT　FORECASTEO

FORECAS　TED8uT　NOT08SERVED

100km｛E〕

RADAR

騨 團

口

囮 B；：・’，

口

・。1し’1∴

1．∴ 洛函CSl＝5．6

0200」SτSEP26

口：OBSERVED　BUT　NOT　F図：FORECASTED　BUT　NO□：OVERLAPPED

km

OBSE　RVED　BUT　NOT　FORECASTED

FORECASTED　BUT　NOT　OBSERVED

mustration　of　two　examples　of　the　fit　between　forecast　echoes　and　present　echoes．

（a）：the　echo　observed　at0200JST　and　the　echo　trans1ated　from　the　echo　observed

at0100JST　for60minutes　by　the　mean　wind　Vm．（b）：the　echo　observed　at0200JST

and　the　echo　translated　from　the　echo　observed　at0100JST　for60minutes　by　the

wind　of700mb．The　overlapped　parts　are　b1acked，corresponding　to　X　in　Fig．2一

19

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

4．　Discussion

4．1　Meanillg　of　CSI　score

　　　　　　　　In　order　to　investigate　the　proper　trans1ation　vector　for　short－term　forecasts　of

precipitation　echoes，the　meaning　of　CSI　scores　in　the　present　ana1ysis　ml」st　be

considered　beforehand．Fig．15i11ustrates　two　examples　of　how　forecast　echoes　and

present　echoes　fit．The　S．E，sector　of　the　radar　observation　range　was　chosen　for

il1ustration．The　over1apped　echo　areas　are　b1acked，corresponding　to　area　X　in　Fig．2．

The　upPer　figure（a）shows　the　fit　between　the　echo　observed　at0200JST　and　the　echo

trans1ated　from　the　echo　observed　at0100JST　for60minutes　from　mean　wind　Vm；the

1ower　figure（b）shows　the　fit　between　the　echo　observed　at0200JST　and　the　echo

trans1ated　from　the　echo　observed　at0100JST　for60minutes　from　the　wind　at700mb，

The　CSI　score　in　the　case　of　trans1ation　from　Vm　is16．0and　the　main　part　of　the　echo

coincides　we11，according　to　ana1ysis　by　echo　tracing．On　the　other　hand，the　CSI　score

W

（m’SeC〕

TATENO 03」ST，SEP26．198115

300rnb

10

350400

600　　　500OO

Vm850

1000

l0　　　5　S　O 5　　　　　10　　　　　15　　　　　20　　　　　25　‘m∫5ec〕

5 700

10

15

E

S

Fig・16Wind　hodograph　at0300JST，September26．1981at　Tateno．The　　　　　　　mean　wind　is　shown　by　arrow　designated　Vm一

一20一

Eva1uation（〕f　Upper　Winds　as　a　Translati㎝Vector－Uyeda　and　Yagi

in　the　case　of　trans1ation　from　the700mb　wind　is5．6．The　b1acked　echo　area　is

over1appedbydifferentechoes：echoAofFig．15（a）shouldoverlaptoechoB，aswas

ana1yzed　from　the　successive　tracing　of　PPI　echoes　recorded　at　interva1s　of　ten　minutes．

Thus，the　comparison　of　CSI　scores　gives　an　interpretation　of　how　we11trans1ations　fit．

　　　　　　　　In　genera1，a　smal1mesh　gives　a　sma11CSI　score，as　suggested　by　Tatehira〃

α／．（1976）．The　authours　adopted　a　sma11mesh　of2km×2km　for　convenience　to

eva1uate　upper　winds　as　a　proper　trans1ation　vector．For　the　puspose　of　present　paper，

it　is　not　important　whether　the　abso1ute　va1ue　of　CSI　scores　is1arge　or　sma11．The

important　thing　is　to　compare　the　re1ative　va1ue　of　CSI　scores　for　the　se1ection　of　a

proper　trans1ation　vector．In　operationa1forecasts，severa1kinds　of　mesh　size　are　used

according　to　the　operational　purpose．

4．2　Proper　wind　as　translation▽ector

　　　　　　　　The　trans1ation　vectors　eva1uated　in　the　anaIysis　were　the　winds　at　heights　of

800，700，600，500and400mb　and　the　mean　wind　from850to400mb　at　Tateno．The

se1ection　of　these　winds　was　reasonab1e　since　most　precipitation　echoes　were　vertica11y

distributed　from　the　ground　to　a　height　of400mb　according　to　REI　observation　records．

　　　　　　　　A　proper　trans1ation　vector　can　be　derived　from　comparison　of　the　averaged

CSI　scores　in　Tab1e4．The　wind　at700mb　was　the　best　as　a　trans1ation　vector　among

the　upper　winds，which　has　a1ready　been　we11discussed（e．g．Tatehiraθ≠α1．（1976））．

However，the　CSI　score　for　translation　from　the　mean　wind　was1arger　than　from　the

wind　at700mb　as　a　who1e．Hence，it　can　be　said　as　the　resu1t　of　the　present　ana1ysis　that

the　mean　wind　is　of　practica1use　as　the　trans1ation　vector　on　average　for　short－term

forecasts　of　precipitation　echoes，In　particu1ar，the　mean　wind　gives　a　better　CSI　score

when　a　wind　at　specific　height　is　greatly　different　from　the　winds　at　other　heights，as

briefly　discussed　be1ow，

　　　　　　　　In　Case2，the　CSI　score　for　trans1ation　from　the　wind　at700mb　was

unexpected1y　sma11er　than　from　other　upper　winds．The　reason　for　this　dissimilarity　can

be　exp1ained　as　fo11ows．Fig．16shows　the　wind　hodogragh　at0300JST，September26

at　Tateno．The　mean　wind　is　shown　by　the　arrow　designated　Vm　in　the　figure．The　wind

directi㎝at700mb　is　NW，being　remarkab1y　different　from　the　other　upper　winds　and

the　mean　wind　Vm．This　noticeab1e　aspect　is　a1so　seen　in　the　time　cross－section　of　winds

（Fig．7）．The　deviation　in　the　wind　direction　at700mb　from　the　direction　of　the　mean

一21一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Disaster　Prevention，No．30，March1983

wind　wou1d　produce　the　sma11CSI　score．

　　　　　　　　The　above　discussion　indicates　that　a　translation　vector　for　the　short－term

forecast　shou1d　be　chosen　carefu11y　since　a　wind　at　a　certain　height　does　not　necessari1y

represent　the　driving　force　of　echo　movements．

4．3　Usage　of　Dopp1er　mdar　for　short－term　for㏄a．sts

　　　　　　　　In　the　present　paper，the　wind　information　from　rawin　data　at1imited　times　was

made　use　of　forα力o∫左力6オo　ana1ysis，but　for　operationa1short－term　forecasts，rea1－time

wind　information　is　necessary　for　trans1ating　echoes，Doppler　radar　is　considered　to　be

usefu1and　profitab1e　for　measuring　the　upper　winds　on　a　rea1－time　basis．

　　　　　　　　Techniques　of　measuring　wind　by　a　sing1e　Dopp1er　radar　have　been　reported　by

Lhermitte　and　At1as（ユ961），Browi㎎and　Wex1er（1968）and　others．The　present　authors

tried　the　rea1－time　measurement　of　horizonta1winds　using　fan－beam　Dopp1er　radar

（Uyeda　and　Yagi，1980a，1980b）．　The　technique　required　in　the　present　trans1ation

method　is　the　so－caned　Velocity－Azimuth　Disp1ay（VAD）．The　VAD　technique　emp1oys

an　azimutha11y　scanning　beam　at　an　intermediate　e1evation　angle，providing　a　profi1e　of

horizonta1winds　above　a　Dopp1er　radar　set　when　the　radar　is　surrounded　by　scatterers

with　uniform　motion（Battan，1973）．

　　　　　　　　An　operationa1experiment　with　short－term　forecasts　using　Dopp1er　radar

shou1d　be　undertaken．

5．　Comc1usion

　　　　　　　　Observation　of　precipitation　echo　mevemonts　was　p1amed　for　the　eva1uation　of

upper　winds　as　a　trans1ation　vector，which　is　necessary　for　short－term　forecasts．The

observation　in1981was　carried　out　with　conventiona1radar　from　September7to

October6，in　the　Kanto　P1ain．Digita1echo　pattems　were　simp1y　trans1ated　by　computer

using　the　upPer　wind　data　provided　by　the　Aero1ogica1Observatory　at　Tateno．The

rawin　winds　were　regarded　as　upper　winds　measured　by　a　sing1e　Dopp1er　radar．

　　　　　　　　The　resu1ts　of　trans1ation　were　eva1uated　by　Critica1Success　Index（CSI）．The

CSI　score　for　trans1ation　from　the　mean　wind　was　the1argest　in　the　present　data．Next　to

this，the　wind　at700mb　gavebetter　CSI　scores　for　trans1ation　than　the　other　upper　winds．

However，the　CSI　score　for　trans1ation　from　the　wind　at700mb　was　unexpected1y　sma11

一22一

Ev早1uati㎝of　Upper　Winds　as　a　Trans1ation　Vector－Uyeda　and　Yagi

in　a　certain　examp1e．The　reason　for　this　was　that　the　wind　at700mb　was　noticeab1y

different　from　other　upper　winds：this　wind　was　not1ike1y　to　represent　the　driving　force

of　echo　movements．Therefore，the　upper　wind　as　a　trans1ation　vector　for　short－term

forecasts　shou1d　be　chosen　carefu11y．The　genera1conc1usion　of　the　present　analysis　is

that　the　mean　wind　is　of　practica1use　as　the　the　trans1ation　vector．

　　　　　　　　The　app1ication　of　Dopp1er　radar　to　the　rea1－time　measurement　of　the　upper

wind　was　discussed　for　possible　operationa1short－term　forecasts．

Acknowledgements

　　　　　　　　The　authors　appreciate　the　assistance　at　the　radar　site　during　the　observation，

afforded　by　the　Edo　River　Improvement　Office，Ministry　of　Construction．The　authors

a1so　express　their　thanks　to　the　Aero1ogical　Observatory，Japan　Meteoro1ogica1Agency

for　the　presentation　of　the　rawin　data．

　　　　　　　　This　work　was　part1y　supported　by　the　Special　Coordination　Fund　for

Promoting　Science　and　Techno1ogy．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　References

1）Aoyagi　J．（1982）：Signa1processing　of　Dopp1er　weather　radar　and　wind　measurement　with

　　it．Preprints（SANE82），丁加”∫”〃θoグE／κ”0”6∫舳∂C0刎刎”此”0”E”9加θ”∫0グ

　　ノ；αカα〃，15－22（in　Japanese）．

2）Austin，G．L．and　A．Be1lon（1974）：The　use　of　digita1weather　radar　records　for　short・term

　　precipitation　forecasting．　Q〃α〃．∫．R．〃θチ．∫06．，100，658－664．

3）Battan，L　J．（1973）：Radar　observation　of　the　atmosphere．丁加σ〃加〆∫めoゾC〃ωgo，324

　　pp，cf．pp．145－154．

4）Be11on，A．and　G．L．Austin（1978）：The　eva1uation　of　two　years　of　rea1－time　operation　of　a

　　short－term　precipitation　forecasting　procedure（SHARP）．∫．A力〃〃〃肋oγo／o馴．17．1778

　　－1787．

5）Browning，K．A．and　R．Wexler（1968）：The　determination　of　kinematic　properties　of　a　wind

　　field　using　Doppler　radar．ノ．λ〃伽∂〃θねoγolo8ツ，7，105－113．

6）Donaldson，R．J．，R．M．Dyer　andM．J．Kraus（1975）：Anobjectiveeva1uationoftechniques

　　for　predicting　severe　weather　events．1〕κ卯加な，9肋Co似Sωθκムoω／∫foプ舳∫，λ舳θ〃．

　　〃肋oプ．∫oo．，321－326．

7）E1vander，R．C、（1976）：An　eva1uation　of　the　re1ative　performance　of　three　weather　radar

　　echo　forecasting　techniques．　Pκρガ〃な，17肋Rα6o1γ　〃θねoグ　Coηグ，■4〃〃γ．〃θ加oγ．∫oc．，526

　　－532．

8）Lhermitte，R．M．andD．At1as（1961）：Precipitationmotionby　pu1seDopp1er．〃ψγ〃∫，9肋

　　肋α伽γ肋6〃Co〃，λ舳グ〃肋oプ．∫06．，218－223．

一23一

Report　of　the　National　Research　Center　for　Di晶ster　Prevention，No．30，Marchユ983

9）Tatehira，R．and　Y．Makino（1974）：Use　ofdigitized　echo　pattem　for　rainfa1l　forcecasting．

　∫〃θ加oプo／oφω／Rθ∫θαγ肋，26，188－199（in　Japanese，with　Eng1ish　abstract）．

10）Tatehira，R．，H，Sato　and　Y．Makino（ユ976）＝Short－term　forecasting　of　digitized　echo

　pattern．∫”θねoκo／og北α／R8∫ωκん，28，61－70（in　Japanese，with　Eng1ish　abstract）、

11）Uyeda，H．and　T．Yagi（1980a）：Measurement　of　the　horizonta1wind　ve1ecity　using　a　fan－

　beam　Dopp1er　radar、　地∫ωκ乃Noチθ∫ぴ肋εN”ゴo〃α／地∫〃κ々Cθ””力7D兆α∫伽

　P〃〃〃ゴo〃．42，24pp．（in　Japanese，with　English　Abstract）．

12）Uyeda，H　and　T．Yagi（1980b）＝Some　considerations　on　the　Dopp1er　spectrum　of　the

　horizontal　wind　ve1ocity　as　measured　by　a　fan－beam　radar．Rψo〃ぴ伽N”o〃α／肋∫ωκ乃

　　Cθ〃〃力7Dムα∫加γP7ωθ〃τ6o〃，24，33－43（in　Japanese，with　English　abstract）．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Manuscript　received　November27．1982）

降水エコーの短時間予測のための．上層風

　　の補外ベクトルとしての評価研究

上田博・八木鶴平

国立防災科学技術センター

　降水エコーの短時問予測の研究の一環として，降水エコーの観測を，波長3．2cmの通常気

象レーダーを用いて，関東平野の中心部で1981年9月7日から10月6日まで行った．降水

エコーの短時間予測の補外ベクトルとしての上層風の評価を行うために，レーダーエコーの

記録を1，2時問先まで単純補外した。補外に用いた上層風は，館野に位置する高層気象台で

観測されているレーウィンのデータによる800，700，600，500及び400mbの風と850mbか

ら400mbまでの平均風である．

　予測結果はCSIの値によって評価した．全体として，平均風による補外がCSIの最大値を

示した．これに次いで，700mbの風による補外が他の高度の風による補外よりも大きなCSI

の値を示した．この解析から，全体的には，平均風を降水エコーの短時問予測のための補外

ベクトルとして用いるのが実用的であると結論された．

　CSIの解析に加え，二つの例について気象解析を行なった．また，降水エコーの短時問予

測にドップラーレーダーを適用する可能な手法について討論した．

一24一