2. TRMM Rain Data Set

本章ではTRMM/PRで観測した降雨分布を示す際に利用した「TRMM Rain Data Set」についてまとめる.

利用したデータはNASDA(宇宙開発事業団)の EORC(地球観測利用研究センター)が配布する地球気候変動研究のためのCD-ROMシリーズの 「ESRDC-007 TRMM Rain Data set TMI(1999-2000), PR(1998-2000)」に格納される観測データである. TRMM衛星に搭載されるPRおよびTMI(TRMM Microwave Imager: TRMMマイクロ波観測装置)双方の観測データが格納されている. が, 本論文ではPRによる観測データを利用した. NASDA(2000a)によると, このCD-ROMに格納されるデータセットは「気候モデル研究者が容易に地球観測衛星による地球観測データを利用できるために」製作された. このデータセットは以下に挙げる特徴をもつ.

• 衛星観測による降雨の鉛直方向のデータを含む

  1章で述べたように, 既存の衛星による観測機では降雨の鉛直構造は観測できなかった. このデータセットにはTRMMの現時点で唯一の衛星搭載降水レーダPRによって観測されたデータを格納されている. これによって熱帯全域における鉛直方向の降雨プロファイルを導くことができる.

• 格子点データである

  今回用いたデータセットは格子点データである. NASDA(2000a)によると, 元々のデータは格子点データではなく, PRがスキャンした衛星軌道上の瞬時値に緯度経度情報等を付加したデータである. このデータはASCII形式に展開すると軌道1周分で約350MBほどの大きさとなる. TRMM/PRは解像度が高いのだがそれに伴いスキャンできる範囲も狭いため, 全球がカバーされるほどのデータを得るには約10日間のデータを足し合わせる必要がある. TRMMは1日で地球を16周するので, 全球のデータ量は膨大なものとなる. これはある特定の時刻における観測値を知りたいときには良いが月積算降雨量などある程度長い時間スケールでの値を見積もるような時には非常に扱いにくい. そのためこのデータセットでは付加される緯度経度情報から対応する格子点を求め, それぞれのセルに値を格納し格子データとしている. こうすることでデータサイズを小さく, かつ取扱を容易にしている.

• データフォーマットがバイナリ形式

  このデータセット内に格納されるデータの形式は2byteのバイナリデータである. 本来, TRMM衛星は観測するデータの標準フォーマットとしてHDF(Hierahical Data Format)と呼ばれるデータフォーマットを地球観測衛星データ用に拡張したHDF-EOS形式を採用している. HDFは米国イリノイ州立大学のNCSA (National Center for Supercomputing Applications)が開発したフォーマットで「階層的データフォーマット」と訳される. その特徴は「階層的」という名称が示すようにファイル内部にディレクトリ構造を持ち, 各々の変数を分類してファイル内に格納できることである. だがHDF形式のデータは入出力ライブラリ等の取扱いが難しく,手軽に利用するというわけにはいかない. そのためこのデータセットでは元のTRMMデータをバイナリデータにして格納している. こうすることで利用者は特別なライブラリや知識を導入することなく, 格納されるデータを読むことができる.

本節では, 利用したデータセットの仕様について説明する. まずデータセットに含まれる変数および観測範囲, 格子情報について説明する. データは全球域とアジア域に分かれるが, 今回利用したのは全球域のデータである.

TRMM/PR 全球域:

• 観測対象
  • 月積算降雨量(mm/月)
    • 層状性降雨
    • 対流性降雨
    • 総降雨
• 観測範囲
  • 緯度::南緯38度--北緯38度
  • 経度::東経0度--東経180度--西経0.5度
  • 高度::地表--地上6km
  • 期間::1998年1月--2000年12月
• 格子点間隔
  • 水平間隔::0.5度
  • 鉛直間隔::2km
• 格子数
  • 152x720x4

次にデータセットのデータ形式について説明する. 2.1節で説明したように, 格納されるデータの形式はバイナリデータである. ここではバイナリデータ内部の構造についてまとめる. バイナリデータはヘッド部とデータ部に大別される. ヘッダ部にはFortranの文字配列が書式無し形式で格納されている.

• ヘッダ部

  ヘッダは80文字×7行の大きさである. それぞれの行には以下に示す内容の文字配列が格納されている.

  1行目:	データ種別
  2行目:	アルゴリズム
  3行目:	作成者
  4行目:	データの期間
  5行目:	緯度範囲
  6行目:	経度範囲
  7行目:	格子数

• データ部

  データ部には月間降雨量データが2byte INTEGERで格納されている. 各変数はデータ部の先頭から以下の順に格納されている. 図2.1にファイル内部の変数の格納構造の模式図を示す. なお()内の記号は図2.1における各データを表す.

  
  

  • 層状性降雨と対流性降雨の合計
    • 地表面 (pr_0)
    • 高度 2 km(pr_2)
    • 高度 4 km(pr_4)
    • 高度 6 km(pr_6)
  • 対流性降雨量
    • 高度 2 km(pr_c_2)
    • 高度 4 km(pr_c_4)
    • 高度 6 km(pr_c_6)
  • 層状性降雨量
    • 高度 2 km(pr_s_2)
    • 高度 4 km(pr_s_4)
    • 高度 6 km(pr_s_6)
  
  

  　

  ヘッダ部

  データ部[pr_0]

  データ部[pr_2]

  データ部[pr_4]

  データ部[pr_6]

  データ部[pr_c_2]

  データ部[pr_c_4]

  データ部[pr_c_6]

  …

　

図2.1: データ内部の構造の模式図. 左端がファイルの先頭である.

データを格納するファイル自身の構造は単純である. バイナリデータから数値を取り出すには付属するF77で書かれたサンプルプログラムを参考にプログラムを書く. その出力の一部を図2.2に, データセット付属のサンプルプログラムを図2.3に掲載する. 出力はバイナリ内のデータをASCII形式に変換するように書かれている.

　

TRMM/PR/Global algorithm:NASA TRMM/PR 3A25 create:NASDA time:2000/1 Lat:38S--38N Lon:0E--180--0.5W grid:720x153; (1,1)=(0E,38S) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 210411716 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 114 036232333341841201121 1 4 5 5 2 1 3 0 0 0 0 0 411 4 714 1 3 0 3 0 8 0 0 0 0 0 0 0 3 7 6 41112 61319 8 84316 4 0 6 81231 2 2 0 0 0 0 0 111 411 6 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 51413 911 6 627 2 8122231 8 3 125 211 0 0 0 0 4 0 0 022 9 0 0 1 6 210 0 4 7 0 0 0 0 0 9 617 61123 1 916 951 7121114 5 1 1 5 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 3 1 0 0 110 0 016 0 1 9 2 2 213 828 820 3 9 22010 2 111 3 1 5 8 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 513 217 0 4 3 3 7 222 410 1 0 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 3 6 014 2 1 3 3 11224 3 1 0 140 3 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 017 0 3 0 8 1 5 0 8 1 2 2 236 33120 0 5 0 1 211 4 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 6 3 0 0 0 316 5 1 42021 2 1 0 11010 5 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 017 1 2 0 22520 211 3 2 0 033 312 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 4 2 1 5 1 1 512 212 5 4 114 3 2 2 1 8 138 0 0 0 0 0 ... 以下省略

図2.2: バイナリデータから数値を取り出しASCII形式で出力するF77のプログラム.

program rd_gpr character*80 header(7) character*80 fname integer*2 pr(720,153) integer*2 pr_2(720,153) integer*2 pr_4(720,153) ... 中略 ... c fname='gpr00100' open(80,file=fname,status='old',form='unformatted') read(80) header read(80) pr read(80) pr_2 read(80) pr_4 ... 中略 ... write(*,*) header do j=153,1,-4 write(*,'(200I2)') (pr(i,j)/10,i=1,720,12) end do

図2.3: 図2.2の出力を得るプログラム

図2.3で示したデータの出力例から数値がどの格子における値であるか, 出力のみからは特定できないという点が挙げられる.

バイナリ形式のデータは, 情報がデータの格納されるファイルとは別離している. 「TRMM Rain Data Set」の場合, ファイルの先頭にファイル自身に関する情報が文字変数として格納されているものの, その情報を見るためには 利用者は2.3節で示したデータセット付属のサンプルプログラム, もしくはデータのマニュアル等からしか格納される変数の配置を知ることが出来ない. 各データのヘッダ部には文字配列の形で情報が記載されているものの, データ部に格納される変数自身には各々のもつ次元やデータの範囲などの情報は変数自身には与えられない. このようなデータ形式は非自己記述的と表現される.