Japanse satelliet nieuwe bron voor natuurramp, klimaat en water

Mihoko Ishii, NOST Tokyo (Innovatie Attaché Netwerk Tokio)

Origineel gepubliceerd op de site van RVO.

Samenvatting

Eind februari heeft Japan weer bijgedragen aan het leveren van nuttige gegevens uit de ruimte. Via de 3D-monitoringsgegevens van de Global Precipitation Measurement (GPM)-missie gaat Japan de wereldwijde precipitatie in kaart brengen. Niet alleen de weersvoorspelling zal nauwkeuriger worden, maar ook voor andere maatschappelijke thema’s zoals rampenbestrijding, klimaatverandering of water resource management zal het naar verwachting een waardevolle informatiebron zijn.

Inleiding

De weersvoorspelling is een belangrijk onderdeel van ons dagelijkse leven. Informatie over regen of zon is niet alleen een bepalende factor meer voor een paraplu of een regenjas, maar heeft tegenwoordig zelfs invloed op het kiezen van business strategieën op die dag. Een kleine verandering in hoeveelheid, moment en plaats van regen- of sneeuwval kan leiden tot serieuze rampen waarbij economische activiteiten onder de druk komen te staan. Internationale samenwerking voor precipitatiemonitoring is daarom van belang.

De GPM-hoofdsatelliet is ontworpen door de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency *1) en NASA (*2). De recente lancering betekent een belangrijke bijdrage aan het Global Earth Observation System of Systems (GEOSS *3) tienjarenplan. Japan gaat in samenwerking met VS, EU, Frankrijk en India in hoge frequentie en nauwkeurigheid precipitatiegegevens van de hele aarde leveren. Een dikke week na lancering is de GPM-hoofdsatelliet begonnen met het leveren van de eerste gegevens (figuur 1). Na validatie zullen de gegevens wereldwijd beschikbaar gesteld worden. (1)(2)(3)(4)

Figuur 1: Eerste data van GPM 10 maart 2014 (bron: JAXA/NASA (4))

Japanse bijdrage aan GEOSS

Net zoals de VS en EU, dragen ook Japanse satellieten bij aan het GEOSS tienjarenplan (2005-2015 *4). Vanuit de negen maatschappelijke vragen van GEOSS heeft Japan gekozen om aan drie thema’s aandacht te geven; 1) rampenbestrijding 2) klimaatverandering en 3) water resource management. Japan levert acht satellieten hiervoor; Advanced Land Observing Satellite (ALOS-1 en 2) voor rampenbestrijding, Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT-1 en 2), Global Change Observation Mission (GCOM-W1 en C1) , GPM en Earth Clouds, Aerosols, and Radiation Explorer (EarthCARE) (zie figuur 2,3). (3)(5)

Figuur 2: Japanse activiteiten in GEOSS (bron: MEXT/JAXA presentatie (3))

Figuur 3: Plannen JAXA aardobservatie satellieten voor bijdrage GEOSS (bron: MEXT/JAXA presentatie (3))

Regen- en sneeuwval belangrijk voor natuurramp, klimaat en water

Het begrijpen van neerslag (regen en sneeuw) is een belangrijk element voor de drie thema’s die Japan gekozen heeft. Precipitatie monitoringgegevens zijn niet alleen belangrijk voor de weersvoorspelling, maar is een waardevolle bron voor rampenbestrijdingssystemen of water resource management. Ook geeft lange termijn monitoring nieuwe inzichten op onderzoek naar extreme weersomstandigheden.

In ontwikkelde landen zoals Japan, EU, Noord-Amerika en Australië leveren de in situ regenmeternetwerken precipitatiegegevens aan de meteorologische instituten als basis informatie voor weersvoorspellingen. Wereldwijd gezien is de dekking van dit netwerk slechts 25% en in vele landen ontbreken nog de mogelijkheden om te monitoren. Juist in deze ongedekte landen lijden veel mensen onder rampen veroorzaakt door extreme neerslag. Precipitatiemonitoring vanuit de ruimte heeft een grote rol in het voorspellen van deze extreme weersomstandigheden in deze gedeeltes.

De voorganger van GPM, de Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) die in 1997 gelanceerd werd, levert al 16 jaar nuttige precipitatiegegevens vanuit de tropische gebieden. Beter begrip van de meteorologische mechanismen zoals tyfoons, El Niño en La Niña-verschijnselen in tropische en subtropische gebieden is te danken aan de beeldvorming via ‘s werelds eerste Precipitatie Radar (PR), de infrarood en microgolf instrumenten van de TRMM.

Regen- en sneeuwval op land is een belangrijk bron voor de huidige zoetwatervoorraad. Van de 1.400 miljoen kubieke kilometer watervoorraad op aarde is slechts 3% zoet water. 70% hiervan is gletsjer of eeuwige sneeuw. Zoet water voor het dagelijkse leven komt uit de rivieren en meren en is maar 0,3% van het geheel. Zoet water is onmisbaar, niet alleen als drinkwaterbron maar ook de landbouw en de industrie kunnen niet zonder. Frequentere en nauwkeurigere precipitatiegegevens dragen bij aan een beter begrip van de waterkringloop en daaropvolgende betere water resource management.

GPM nauwkeuriger met driedimensionaal monitoring

Een GPM-missie bestaat uit een hoofdsatelliet en acht andere partnersatellieten. De hoofdsatelliet die eind februari gelanceerd werd door JAXA heeft de twee sensoren Dual-frequency Precipitation Radar (DPR) en GPM Microwave Imager (GMI) aan boord en kan driedimensionaal neerslaggegevens leveren. Deze hoofdsatelliet dient als kalibratie standaard voor de andere partnersatellieten die microgolfradiometers aan boord hebben. In constellatie zal GPM missie om het drie uur een regenmonitoring scan over de hele aardbol leveren (figuur 4).

Figuur 4: GPM constellation (bron: JAXA (10))

De DPR-sensor van de GPM-hoofdsatelliet heeft een belangrijke rol om nauwkeurigere gegevens te leveren dan de voorganger TRMM. De combinatie van twee actieve radarsensoren in verschillende golflengtes, Ku-band (2,2 centimeter) en Ka-band (8,4 millimeter), maakt het mogelijk om zowel extreme neerslag in de tropische gebieden als zeer zachte neerslag op hoge breedtegraad te leveren. De Ku-band is minder gevoelig voor signaalverzwakking en kan tot zeer grote regendruppels meten. De Ka-band heeft meer last van de door regen veroorzaakte verzwakking, maar de gevoeligheid is hoger en kan hiermee ook zeer kleine regendruppels meten (figuur 5, 6).

Figuur 5: GPM hoofdsatelliet (bron: JAXA presentatie (10))

Figuur 6: GPM-hoofdsatelliet Ku- en Ka-band (bron: JAXA presentatie (10))

Om de Ku- en Ka-band sensoren tegelijkertijd te benutten wordt de phased array antenna (PAA) gebruikt. Deze PAA is ontworpen door de bedrijven NEC (*5) en NEC Toshiba Space Systems (*6). In eerdere systemen duurde het meer dan 0,001 mm seconde voordat een signaal terugkomt naar de antenne. Dat betekent dat er slechts 300 tot 400 signalen per minuut kon worden uitgezonden. De nieuwe DPR werkt met 4.000 signalen per minuut: vlak nadat een signaal is uitgezonden, straalt DPR weer een tweede signaal in een andere richting en na een poos draait de DPR weer terug om het eerder uitgezonden signaal te ontvangen. Met hoge snelheid gaan de antennes elektronisch heen en weer tussen verschillende straalrichtingen.

In combinatie met de Passive MicroWave (PMW) radiometer GMI die een minuut eerder de signalen uitstraalt, kan de hoofdsatelliet neerslag driedimensionaal weergeven. (6)(7)(8)(9)

Gebruik van precipitatiegegevens

Naast de Japan Meteorological Agency (JMA *7) die nauwkeurigere weersvoorspellingsystemen ontwikkelt, werken ook andere organisaties aan systemen die als basis input de gegevens van de GPM of andere GEOSS aardobservatie satellieten gebruiken. De Global Satellite Mapping of Precisition (GSMaP *8) door JAXA levert bijna “real time” monitoringsbeelden van regenval over de hele wereld, waaronder de overstroming in Thailand in 2011 (figuur 7). Voor een hogere nauwkeurigheid, werkt JAXA samen met het Meteorological Research Institute (MRI *9) en Universiteiten van Kyoto (*10), Osaka (*11) en Tokyo (*12) aan een verbetering in de algoritmes.

Figuur 7: GSMaP monitoring op Thailand (bron: JAXA (1), presentatie IDI-Japan(11))

Op thema rampenbestrijding werkt de International Centre for Water Hazard and Risk Management (ICHARM *13) aan het Integrated Flood Analysis System (IFAS *14). Met het IFAS kunnen overstromingen beter worden voorspeld. Het functioneert ook als early warning system waar burgers op tijd informatie krijgen bij evacuaties. (1)

Als het goed gaat zal de TRMM tot aan 2015 gegevens leveren en daarna volledig de taak overdragen aan de GPM missie. In de komende jaren staan ALOS-2 (in mei 2015) en GOSAT-2 (in 2018) in de startblokken. Helaas zijn er na 2018 nog geen concrete missieplannen uit Japan. Het is wel de bedoeling dat de huidige systemen kunnen doorgaan met het leveren van nuttige aardobservatiegegevens aan de maatschappij. De discussies voor de volgende GEOSS tienjarenplan kan als een richtingslijn kunnen dienen voor de Japanners. (12)

*1: JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)

*2: NASA (National Aeronautics and Space Administration)

*3: GEOSS (The Global Earth Observation System of Systems)

*4: GEOSS 10-Year Implementation Plan

*5: NEC Corporation

*6: NEC Toshiba Space Systems, Ltd.

*7: JMA (Japan Meteorological Agency)

*8: GSMaP (Global Satellite Mapping of Precisition)

*9: MRI (Meteorological Research Institute)

*10: University of Kyoto, Climate Physics Laboratory

*11: University of Osaka, Division of Electrical, Electric and Information Engineering

*12: University of Tokyo, Atmosphere and Ocean Research Institute