【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の地点から雲等を観測する装置または観測方法に関するもので、例えば、航空機の運行管理用や降雨或いは霜降り等の予測に役立つ気象観測として特に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
以下、任意の地点から雲等を観測する装置または観測方法に関する従来技術について述べる。
【０００３】
気象観測に関する情報は、現在一般には、気象衛星での観測結果から得られるデータおよび各地の測候所からのデータを基にし、全国レベルで開示されおり、多くの事業者、個人を問わず広く利用されている。こうした広域の情報は、現時点或いは近い将来の気象を予測する場合に非常に有用である一方、実際には、特定の目的に関しては、特定場所の特定時間における気象情報を必要とすることも多くある。
【０００４】
例えば、航空機の運行管理について見れば、飛行場の周囲の広域情報によって飛行機の離着陸の予定を変更することは頻繁に行われることであるが、その場合の判断においても現実に離着陸を行う滑走路付近の気象が最も重要であることはいうまでもない。いくつかの飛行場においては、多種の観測装置を備えて常時観測を行っている。
【０００５】
そうした観測情報の１つとして、雲の高度情報があり、現在、鉛直視程およびシーリングとも呼ばれるレーザを利用した光学測深装置（例えば、ＶＡＩＳＡＬＡ社製シーロメータＣＴ２５Ｋ）が多く用いられる。対象となる大気の雲や霧或いは雨に対し、レーザパルスを照射し後方散乱した光学信号を検出・増幅することで、その高度を測定することができるものである（例えば特許公報１参照）。具体的には、図９に示すように、パルスレーザを内蔵した高度計１１から雲３や３’ に向けてレーザパルス１２を照射し、雲３や３’ によって生じた散乱光特に後方散乱光１３を高度計１１に内蔵する検出器が検知するまでの時間と強度を求めて高度を算出する装置などが挙げられ、数ｍオーダーの精度で測定することが可能である。１４はその演算・表示部をあらわす。
【０００６】
また、視点を変えて農業分野や家庭に目を向けてみると、例えば、特定地域単位で、温度、風向き、湿気等のデータを使い経験則或いは過去何年かのデータとを組み合わせて、雨降りや霜降りの予測を行うこともしばしばあり、穀物野菜の収穫の安定化、品質維持の面で、比較的高い確率で成果をあげている。
このように、局部的な気象情報は、上記の例以外にも多くの利用度があり有用性も高い。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２３４２８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記観測装置或いは観測方法による観測では、以下のような課題が生じることがある。
【０００９】
例えば、レーザを利用した光学測深装置による雲の高度計測については、装置が相当高価であるため利用範囲が限定されるとともに、レーザの照射範囲に制限があることから、雲等の一部しか計測できないという不利な点がある。また、雲の境界がはっきりしているときには比較的正確に測定できるが、その他の状況では観測が困難となったり、観測値自体の信頼性が乏しくなることが多い。従って、こうした観測結果は、実際の航空機の運行管理に直接用いられることは殆どなく、気象官署職員の判断に補助的に利用されるに過ぎない状況である。現場からは、こうした状況を打開できる、確実に広範囲の情報が得られる観測装置の提供が強く望まれている。
【００１０】
また、特定地域単位での雨降りや霜降りの予測についても、狭い地域ではあってもその全体的な雲の動き或いは温度分布を観測することは、その予測の精度を大きく向上させることができるが、現状は、複数の観測点ごとのデータが得られるのみで、全体的な観測を行うことは高度な技術的手段を必要とし、また、コスト面でも合わない状況である。昨今のように、野菜や果物等について特に鮮度が要求され、またこれらの付加価値に大きな影響を与える状況にあっては、精度のいい簡易な観測手段が強く望まれている。
【００１１】
さらに、一般的な温度分布の計測に関しては、従来から、対象物からの赤外線を検知するサーモグラフィが多く用いられているが、市販の装置では、上記のような観測においては空気中の水分（以下「Ｈ２ Ｏ」という。）や二酸化炭素（以下「ＣＯ２ 」という。）などの存在によって、測定精度を確保できないことが多い。つまり、上空約１ｋｍ前後の測定となることから、その間に存在する物質の影響が、通常のサーモグラフィの使用条件と大幅に異なることとなる。特に、８ μｍ以下の領域では水蒸気の影響、また１３μｍ以上の領域ではＣＯ２ の影響が無視できない反面、あまり、狭帯域とすると、上空１ｋｍ近傍の測定には十分な検出感度が得られなくなる可能性がある。さらに、高温多湿の条件下では、８〜１３μｍの波長帯を用いても、水蒸気の影響が無視できない場合もある。
【００１２】
そこで本発明は、前記問題点を解決し、簡易で、かつ所定の精度を確保できる雲等を観測する装置または観測方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す観測装置およびその観測方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１４】
本発明は、任意の地点からの雲等の観測装置およびその観測方法であって、任意の地点から所定の視野角を有し、観測対象からの光を受ける受光手段と、受光手段から得られた信号を使用して観測対象の温度情報を算出することを特徴とする。こうした特徴を有する観測装置およびその観測方法によって、所定の地域における雲等の温度情報を簡易にかつ目的にあった測定精度で得ることができることとなる。ここでいう、所定の地域とは、飛行場や農地等の一定の狭い地域をいうばかりではなく、市町村単位やもっと広域についても適用可能である。なお、「光」とは、一般に可視光のみをいうことがあるが、ここでは、赤外線や紫外線或いはマイクロ波やＸ線の一部をも含む概念で捉えるものとする。
【００１５】
また、上記観測装置の受光手段が赤外線放射温度計であって、８〜１３μｍを主たる透過帯とする光学フィルタを有することが好適である。これによって、非常に長光路となる空気中のＨ２ ＯやＣＯ２ の影響を大幅に低減し、精度の高い観測が可能となる。
【００１６】
上記観測装置であって、基準温度測定手段を有することが好適である。これによって、基準地点との温度差を算出したり、測定温度の補正を行うことができるようになる。
【００１７】
また、上記観測装置であって、温度補正手段を用いて、温度情報を補正することが好適である。観測視野の中に他の観測手段を有する場合など、基準となる温度を利用して観測温度に対する誤差要因を、所定の補正手段を用いて補正することができる。
【００１８】
前記観測装置であって、水蒸気の影響を補正する手段を用いて前記温度情報を補正することが好適である。これによって、観測温度に対して最も大きな影響を及ぼす水蒸気の影響を補正することで、正確な２次元の温度情報を得ることができる。
【００１９】
また、前記水蒸気影響の補正手段が、任意の地点での所定の角度における受光手段の信号を用いることが好適である。これによって、簡易な方法で上記水蒸気の影響をより有効に補正することができる。
【００２０】
本発明は、上記温度情報に基づいて雲底の高度を演算することを特徴とする。つまり、予め準備した高度と温度の相関関係を用いれば、雲底の温度から高度を算出することができ、雲の動きを３次元情報として取り出すことで、より正確に気象予測を行なうことができることとなる。
【００２１】
また、上記観測装置であって、高度補正手段を用いて、前記雲底の高度を補正することが好適である。観測視野の中に他の観測手段によって、高度をより正確に測定することが可能な場合など、基準となる高度を利用して観測温度に対する誤差要因を、所定の補正手段を用いて補正することができる。
【００２２】
ここで、上記高度補正が、断熱減率を用いることが好適である。観測視野の中に他の観測手段によって、高度をより正確に測定することが可能な場合など、基準となる高度を利用して観測温度に対する誤差要因を、所定の補正手段を用いて補正することができる。
【００２３】
本発明は、温度情報または雲底温度と地上温度との差から霜降り予測を行うことを特徴とする。つまり、霜は夜間の地上温度特に地表面の温度の冷却を１つの要因として生じる現象であり、雲底の赤外放射強度から地表面の冷却率（冷却速度）を推算し、湿度や風向・風速等の情報と合わせて、確率の比較的高い霜降り予測が可能となる。
【００２４】
また、温度情報または雲底温度と地上温度との差または雲底の高度から降雨予測を行うことを特徴とする。つまり、雲の温度上昇や雲底の低下といった現象と降雨の確率にはかなりの相関関係があり、温度情報または雲底温度と地上温度との差または雲底の高度の観測値からは、確率の比較的高い降雨予測が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施の形態について、温度情報の入手、雲底高度の演算、温度・高度情報の活用の順に説明する。
【００２６】
＜温度情報の入手＞
本発明は、任意の地点から所定の視野角を有する受光手段と、受光手段から得られた信号を入力する演算手段とを備えた雲等を観測する装置であって、受光手段によって観測対象からの光を受け、所定の演算手段によって受光手段から得られた信号を使用して観測対象の温度情報を算出することを特徴とする。
【００２７】
具体的には、図１に示すように、雲３や３’ の表面からその温度に相当する赤外線２が放射されており、測定地点に置かれた受光手段１によって、これらの赤外線２の一部を受け、そのスペクトル情報或いは特定波長領域の赤外線放射量の情報を得る。受光手段１は、図示するように所定の視野角４を有しており、例えば、３０〜１５０度の範囲で受光することが好ましい。受光手段１としては、単体の検出部からなる場合もあるが、精度面を考慮すると複数の検出部から構成され、２次元情報として取り込むことが好ましい。特に広い視野角での観測を必要とする場合には、受光手段１の天頂に近い視野角領域での信号量と、天頂から離れた視野角領域での信号量には、大幅な差が生じることから、複数の検出部を用いてこうした差異を補正・演算する方法が採られる。５ は演算手段を内蔵する処理ユニットで、受光手段１からの信号を入力すると、該演算手段で雲３や３’ の温度情報を算出し、その結果を表示部６に表示する。ここで、任意の地点としたのは、地上の特定地点のみならず、自動車やバス等の輸送手段に搭載して観測する場合や気球あるいは航空機に搭載して観測する場合をも含む趣旨であり、広い範囲での利用が可能である。
【００２８】
また、本発明は、受光手段が赤外線放射温度計であって、８〜１３μｍを主たる透過帯とする光学フィルタを有することが好適である。雲３や３’ からは赤外線の中でもその表面温度との相関が明らかな赤外線２が放射されており、これらを測定地点に置かれた受光手段１の一種である赤外線放射温度計によって検出することで、非常に装置が簡易かつ安定したものとなる。本発明者らは、研究を重ねる中で、サーモグラフィのような大掛かり高価な装置を用いなくても、簡易な赤外線放射温度計によって本発明の目的を達成できることを見出したもので、特に、２次元情報として温度分布の測定可能な簡易型赤外線放射温度計が有用であり、また実質的に長光路となることから生じる空気中のＨ２ ＯやＣＯ２ の影響を大幅に低減し、必要な検出感度を確保するためには、８〜１３μｍを透過帯の赤外線の変化を捉えることが好適であり、さらには、９〜１２μｍが好適であることの知見を得た。
【００２９】
つまり、図２に示すように、５〜２０μｍの範囲において、Ｈ２ Ｏは８μｍ 以下の領域で非常に強い吸収を有しており、１３μｍ以上についても徐々に吸収を有するようになるとともに、ＣＯ２ は８μｍ 以下の領域で断続的に強い吸収を有し、１３μｍ以上の領域で非常に強い吸収を有している。従って、本発明においては、８〜１３μｍを利用することで、精度の高い観測が可能となる。なお、さらに帯域を狭めて利用することも可能ではあるが、帯域を狭めることは利用できるエネルギーを減じること、つまりは、検出感度の減少となることであり、観測装置の安定性からすれば、好ましいとはいえない。また、図２の９．５μｍ近傍の吸収はオゾン（以下「Ｏ３ 」という。）によるものであるが、Ｏ３ は主に成層圏に存在する気体なので、対流圏での状況変化である雲等の観測においては、成層圏のＯ３ の存在は無視できるものである。
【００３０】
本発明は、上記観測装置であって、基準温度測定手段を有することが好適である。上記観測装置によって得られる温度情報は、絶対温度の２次元情報であるが、温度情報の用途によっては、観測対象と特定地点の温度差や地上温度との温度差が必要となる場合がある。例えば、後述の霜降り予測や降雨予測等の場合には、基準温度測定手段として上記受光手段に検出端を備えておいて地上温度を求め、観測点（面）の温度からこの地上温度を減算した値を基に予測が行われることとなる。図３（Ａ）は、地上温度と観測点との温度差の関係を示したもので、地上の温度との差は、降雨状態を除けば、地上温度が変化しても殆ど変化しておらず、観測点の温度は、地上温度を加算すれば求めることができることとなる（晴や曇の状態でのスパイク状の温度差の減少は、観測視野内を雲が通過したためである）。むろん、基準温度は地上に限るものではなく、気象観測で使用される上空を含む種々の基準点での測定結果を利用することも可能であり、測定手段についても、本願実施例の１つである放射温度計に限らず、一般の熱電対や各種測温体等を利用することも可能である。また、温度センサーを放射温度計に内臓するタイプなど、本願の目的に合致した機種はさらに好適である。
【００３１】
本発明は、上記観測装置であって、温度補正手段を用いて、前記温度情報を補正することが好適である。例えば、観測視野の中に他の観測手段（「観測手段Ａ」とする）によってより正確な温度が明確になっている場所が含まれる場合、より具体的には、例えば、山頂に観測所や地上１ｋｍ付近に観測気球が存在する場合にあっては、観測手段Ａによる観測の方が精度を有するため、この観測所での観測温度或いは気球自体の観測温度を基準に他の測定点を補正することで、より精度の高い観測が可能となる。このように、観測温度に対する誤差要因を、装置内の演算手段或いは本装置からの情報処理手段など所定の補正手段を用いて補正することができる。むろん、補正手段は観測装置に内蔵する演算部だけでなく電子通信回線等を利用した外部の情報処理機器をも使用可能であり、補正に用いる他の温度情報も観測手段Ａからの情報に限定されるものではなく、気象衛星からの温度情報等多種多様な情報源を利用することができることはいうまでもない。
【００３２】
図４は、高度約１ｋｍにおける赤外線の透過率をシミュレーションしたものの一例を示すもので、Ｈ２ Ｏ／標準データは温度１５℃、湿度７０％とし、Ｈ２ Ｏ／５倍データは水蒸気量をその５倍としたときを表している。なお、当然のことながらＯ３ の影響は見られない。また、Ｈ２ Ｏ／標準データ条件下では、８〜１３μｍの波長帯での大気の赤外線透過率が高く、Ｈ２ ＯやＣＯ２ の影響を受けにくいことが判るが、高温多湿条件下でＨ２ Ｏ量が５倍になると水蒸気の影響が無視できなくなる。
【００３３】
本発明では、こうした水蒸気の影響を補正するために、上記温度情報に対して所定の手段を用いて補正することが好適である。上記のような温度情報から雲底の高度を算出するに際しては、観測光路に存在する水蒸気の影響は、やはり無視することができず、特に、２次元情報として正確な高度を得るためには、任意の地点からの角度によって実効光路長が異なることから、水蒸気の影響を補正した演算を行うことが非常に有効である。つまり、図５に示すように同一高さの雲３、３’、異なる高さの雲３”がある場合、水蒸気の影響は、高度に伴う水蒸気の分布とともに任意の地点Ａから雲底Ｂおよび雲底ＣやＤとの距離と相関し、仰角βに対し両者を複合した所定の関係式によって、各点からの放射赤外量Ｂ、Ｃ，Ｄを補正を行う必要があり、こうした補正によって水蒸気の影響の少ない温度情報を得ることができる。
【００３４】
具体的には、例えば次の２つ方法が有効であることの発明者の知見を得た。 むろん、以下の演算手法及び演算式は一例であって、これに限定されないことはいうまでもない。
【００３５】
（Ｉ）２波長域の観測を利用した補正方法
上記のような８〜１２μｍの透過帯を使用した赤外線放射温度計の場合であって、その波長域によって水蒸気の影響が異なることを利用し、水蒸気の影響を補正する。例えば、透過領域８〜１０μｍと１０〜１２μｍの２種類の光学フィルタを用い、各々の水蒸気の影響度α、α’の相関を予め求めておき、以下の式によって点Ｂからの放射赤外量Ｂ、Ｂ’を補正した放射赤外量Ｂ０ を求めることができる。
Ｂ０ ＝Ｂ／（１−α）＝Ｂ’／（１−α’）
α’＝ｋα または α’＝ｆ（α）
なお、ここでは、８〜１０μｍと１０〜１２μｍといった、比較的広い波長域についての相関を利用したが、検出感度を考慮した、もっと狭い波長域または特定の波長域を利用した補正も可能である。
【００３６】
（ＩＩ）２次元情報データを利用した補正方法
本発明者は、雲の無い状態での天空温度に対する水蒸気の影響は、仰角によって一定の相関を有するとともに、この相関は水蒸気量が変わっても、ほぼ同一の変化率を有する相関関係になると仮定することができることを見出した。図６（Ａ）に天空観測時の水蒸気量Ｘの変化に伴う仰角βと観測温度差Ｔとの関係を示す。従って、この相関関係と上記の２次元の温度情報を利用すれば、水蒸気の影響を補正することが可能となる。
【００３７】
具体的な方法を、観測視野角内の少なくとも一部に雲が存在せず天空が観測可能である場合を仮定して、以下に示す。
（１）観測視野角内を赤外線放射温度計を使用して観測し、２次元の温度情報を得て、
（２）２次元の温度情報における、その部分の温度差（赤外線放射量）または最大温度差から、図６（Ａ）の相関曲線を特定する。つまり、仰角９０°または／およびβ、β’から曲線Ｘ１ を特定し、仮想水蒸気量Ｘ１ を求め、
（３）予め準備しておいた仰角βと補正量Δｔとの関係（図６（Ｂ）のような一定の曲率を有する曲線となると仮定する）から、仮想水蒸気量Ｘ１ における同曲線を特定し、
（４）仮想水蒸気量Ｘ１ と各観測対象の仰角βｉ から、そのときの補正量Δｔｉ を読み取り、
（５）仰角βｉ の各観測対象の温度差データｔ０ｉから、各対象点の温度差ｔｉ を以下の式で補正する
ｔｉ ＝ ｔ０ｉ ＋Δｔｉ
【００３８】
本発明においては、手段の簡易性を考慮すると、このように任意の地点での所定の角度における受光手段の信号を用いて水蒸気の影響を補正することが、非常に好適である。特に、雲がなく天空に近い観測点が天頂近くにあれば、非常に精度の高い補正が可能となる。つまり、上記の観測点の情報は、その時点の水蒸気のみの影響を補正するだけで十分な精度を確保することができ、他の観測点における高さおよび仰角の影響の補正を非常に容易することができる。
【００３９】
＜雲底高度の演算＞
次に、上記温度情報の活用例の１つとして、従来困難であった雲底の高度の算出に利用される場合を挙げる。
【００４０】
本発明は、上記温度情報に基づいて雲底の高度を演算することを特徴とする。つまり、予め準備した高度と温度の相関関係を用いれば、雲底の温度から高度を算出することができ、雲の動きを３次元情報として取り出すことで、より正確に気象予測を行なうことができることとなる。具体的には、国際標準大気における対流圏内の気温減率として（−）０．６５℃／１００ｍの温度勾配が知られており、この値が適用できる条件下にあっては、観測した雲底の温度と地上温度との温度差が（−）６．５℃であれば、雲底の高度１０００ｍと算出される。実際にはこうした単純な式ではなく、図７に示す測定地点Ａとの温度差と雲底の高度との関係のように、観測時の気温減率（図７ではＸと表示する）を、乾燥断熱減率（図７ではＤと表示する。一般に（−）１．０℃／１００ｍ程度とされる）および湿潤断熱減率（図７ではＷと表示する。一般に（−）０．４〜０．６℃／１００ｍ程度とされる）との関係で考慮した上で、一定の関係式が適用される。本発明では、こうした関係式に本観測装置から得られた温度情報を適用することで、雲底の高度を２次元的に得ることができる。つまり、関係式を上記の演算手段に予め入力しておき、受光手段からの信号を基に演算・処理することで、最終的には３次元情報を得ることが可能であり、雲底の形態を立体的に表示することができる。本発明者の知見では、赤外線放射温度計を用いて８〜１２μの透過帯の光学フィルタを用いた場合、乾燥断熱減率に近い減率の適用（例えば、（−）０．８℃／１００ｍ）によって有用な情報として利用できることを見出した。これは、雲の下においては、凝結が起こっていないことおよび空気がよく撹拌されていることの観察結果とも十分な整合がとれている。以上は、断熱減率を用いた算出手法について記載したが、むろんこれに限られるものではなく、温度情報と高度の関係が観測或いは経験的に明確になっている場合に、その関係を利用することも可能である。
【００４１】
また、上記観測装置であって、高度補正手段を用いて、前記雲底の高度を補正することが好適である。観測視野の中に他の観測手段（「観測手段Ｂ」とする）によって高度が明確になっている場所が含まれる場合、例えば、地上１０００ｍ付近に存在する雲の観測中に、標高８００ｍの山頂からの観測手段Ｂによってその雲の最底面部の高度が観測された場合にあっては、観測手段Ｂによる観測の方が精度を有するため、この底面部の高度を基準に他の測定点を補正することで、より精度の高い観測が可能となる。また、観測視野の中に標高８００ｍの山頂自体が含まれている場合にも同様の補正が可能である。このような補正については、上記温度情報の補正同様、種々の高度情報や補正手段を利用することができることはいうまでもない。
【００４２】
＜温度・高度情報の活用＞
次に、上記の温度情報や雲底高度情報を活用する本発明の応用例を挙げる。
【００４３】
本発明は、温度情報または雲底温度と地上温度との差から霜降り予測を行うことを特徴とする。つまり、霜は夜間の地上温度特に地表面の温度の冷却を１つの要因として生じる現象であり、一般には、前日の夕刻の気温・湿度や風向・風速等の情報とから地表面の冷却状態を推算して予測する方法などが使われているが、経験則によるところが多いことも事実である。また、一定の広さを有する地表面の温度測定を正確に行うには、多数の測定点を設けるか、高所からの測定が必要であり、装置・準備が大掛かりとなり実用的ではない。ここでは、こうした予測の補助的な働きとして、温度情報または雲底温度から地表面の温度を推算する方法を提案するもので、確率の比較的高い霜降り予測が可能となる。
【００４４】
例えば、図８に示すように、
（１）測定地点Ａと管理地域の地表面Ｄの標高差ｄを予めデータとして用意しておき、
（２）上記の方法によって測定地点Ａの直上の雲底Ｂの温度および地表面Ｄの直上の雲底Ｃの温度を求め、
（３）測定地点Ａの温度と雲底ＢおよびＣの温度差から、上記の方法によって雲底Ｂの高度ａおよび雲底Ｃの高度（ｂ＋ｄ）を推算し、
（４）推算値から算出した地表面Ｄと雲底Ｃの距離ｂと、雲底Ｃの温度から地表面Ｄの表面温度を推算し、
（５）地表面Ｄの表面温度および温度変化を基に、放射冷却の発生の有無・強度を演算し霜降りの可能性を求める
ことで、実際に予測の困難性の１つとなっていた要因を所定の精度でカバーすることが可能となる。
【００４５】
また、本発明は、温度情報または雲底温度と地上温度との差または雲底の高度から降雨予測を行うことを特徴とする。雲の温度上昇や雲底の低下といった現象は降雨の前兆でもあり、温度情報または雲底温度と地上温度との差またはこれを使った雲底の高度の観測値からは、比較的高い確率の降雨予測が可能となる。図３は、発明者が、実際に天候の変化と雲の観測温度との関係を観測した一例を示すもので、天候の悪化とともに、雲底と地上の温度差が少なくなることが判る。図３において、（Ａ）は赤外線放射温度計で観測した雲を含む上空の平均温度を示し、（Ｂ）は測定地点の温度および湿度を示し、（Ｃ）は感雨計の指示値を示している。湿度計および感雨計は実際に降雨になったときには明確にその前後との相違を示しているが、（Ｂ）および（Ｃ）のデータから雨の予測をすることは非常に困難である。一方、（Ａ）のデータでは「曇」状態から「雨」状態への移行段階で、温度差の減少が明らかに観測されており、こうした傾向を検知することで、降雨予測に対して非常に有力な手段の提供を行うことができることとなる。
【００４６】
以上の技術は、全国約１００ヵ所ある飛行場だけでなく、ほぼ同数の各地の気象台や測候所および約８００ヵ所といわれるアメダスの拠点、無数ともいえる農耕地や山林、さらには家庭用としても応用が可能である。さらに、世界的な目で見た場合には、飛行場だけでも１３０００ヵ所を挙げることができるように、無限の広がりをもつ可能性がある。
【００４７】
例えば、現在、全国の気象台や測候所では、「雲量」を目視で観測しているが、これを本発明に係る技術で置き換えることは可能であり、自動化された全天観測装置によって、アメダスシステム同様、無人の高密度観測システムが可能となる。また、農業分野においても同様に、無人の霜降り・降雨警報装置或いはさらに拡大して広範囲の無人の警報システムまで展開することも可能である。一方、家庭用については、洗濯棹に受光手段を設けておけば、局地的な雨に対しても注意報や警報を出すことも可能であり、１家庭だけでなく地域的なネットワークも可能となる。さらに、現在酸性雨計測では一部実現化している観察システムと同様に、これらの観測情報をネットワークに乗せて、だれでも利用できるネットワークシステムとすることも可能であり、観測手段がもっと身近になれば学習・教育の一環として取り入れることも可能である。
【００４８】
また、以上は、地上の任意の地点から赤外線放射温度計等の受光手段によって、雲等を観測する装置または観測方法について述べたが、観測地点を地上に限定する必要もなく、航空機や気球或いは衛星等に搭載して観測することも可能である。また、上記に一部説明したが、現在観測に使用されている他の情報を利用することで相互に精度の向上を図ることもできる点でも、本発明の適用は非常に有効である。また、上記においては、対象物を主として雲として説明したが、天頂方向だけでなく角度を下げて、例えば山頂付近の森や山そのものを観察の対象とする場合にも適用の可能性があり、上記に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、任意の地点から雲等を観測する装置であっては、所定の地域における雲等の温度情報を簡易にかつ目的にあった測定精度で得ることができるとともに、特に、受光手段を赤外線放射温度計とし、８〜１３μｍを主たる透過帯とする光学フィルタを有する場合にあっては、空気中のＨ２ ＯやＣＯ２ の影響を大幅に低減し、さらに精度の高い観測が可能となる。また、基準温度測定手段を有した観測装置にあっては、基準地点との温度差を算出したり、測定温度の補正を行うことによって、霜降り予測等観測装置の応用範囲を非常に広くすることができるとともに、観測精度の向上を図ることができるようになる。さらには、温度補正手段を有する装置にあっては、観測視野の中に他の観測手段を有する場合など、基準となる温度を利用して観測温度に対する誤差要因を、所定の補正手段を用いて補正することができる。
【００５０】
また、観測温度に対して最も大きな影響を及ぼす水蒸気の影響を補正する手段を用いて前記温度情報を補正することによって、より正確な２次元の温度情報を得ることができる。例えば観測視野角内の所定の角度幅のデータからの信号を用いて水蒸気の影響を補正することで、精度の高い２次元の温度観測情報を手に入れることができる。
【００５１】
また、予め準備した高度と温度の相関関係を用いれば、雲底の温度から高度を算出することができ、雲の動きを３次元情報として取り出すことができる。このとき、観測視野角の中に基準高度が明確な点が含まれていれば、より正確な高度に補正可能であり、また、いわゆる断熱減率を用いて高度を概算することも可能である。
【００５２】
さらに、こうした２次元の温度情報や雲の動きの３次元情報を利用すると、より正確に気象予測を行なうことができる。具体的には、観測した雲底温度と地上温度との差から、確率の比較的高い霜降り予測が可能となり、雲底温度と地上温度との差または雲底の高度から、確率の比較的高い降雨予測が可能となる。
【００５３】
また、こうした技術を使えば、例えば、自動化された全天観測装置によって、アメダスシステム同様、無人の高密度観測システムが可能となり、農業分野においても同様に、無人の霜降り・降雨警報装置或いはさらに拡大して広範囲の無人の警報システムまで展開することや、家庭用の局地的な雨に対する注意報や警報器、さらには、観測情報を利用したネットワークシステムとすることも可能であり、観測手段がもっと身近になれば学習・教育の一環として取り入れることも可能である。
【００５４】
本発明は、以上のような広い用途への対応に加え、観測地点を地上に限定せず、航空機や気球或いは衛星等に搭載して観測することも可能である。また、対象物を雲に限定せずに、例えば山頂付近の森や山そのものを観察の対象とする場合にも適用の可能性があり、非常に発展性の高い技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の一例を示す説明図
【図２】本発明において利用される赤外線吸収スペクトルの一例を示す説明図
【図３】本発明の実施態様の一例で、天候が変化するときの赤外線放射温度計等の出力変化を示す説明図
【図４】高度約１ｋｍにおける赤外線の透過率をシミュレーションした説明図
【図５】本発明の実施態様の一例で、水蒸気の影響を補正する方法を示す説明図
【図６】本発明の実施態様の一例で、観測する仰角に対する水蒸気の影響を示す説明図
【図７】本発明の実施態様の一例で、断熱減率を基に雲底の高度を推算する方法を示す説明図
【図８】本発明の実施態様の一例で、地表温度を推算する方法を示す説明図
【図９】従来技術の実施例を示す説明図
【符号の説明】
１ 受光手段
２ 赤外線
３、３’ 雲
４ 視野角
５ 演算処理ユニット
６ 表示部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus or an observation method for observing a cloud or the like from an arbitrary point, and is particularly useful, for example, as a weather observation useful for operation management of an aircraft or prediction of rainfall or marbling.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, a conventional technique relating to an apparatus or an observation method for observing a cloud or the like from an arbitrary point will be described.
[0003]
Currently, information on weather observations is generally disclosed at the national level based on data obtained from observation results from meteorological satellites and data from weather stations in various places, and is widely used by many businesses and individuals. ing. While such wide-area information is very useful for predicting current or near-term weather, in practice, for specific purposes, it is often necessary to have weather information at a specific time at a specific location. .
[0004]
For example, in terms of aircraft operation management, changing the schedule of airplane takeoff and landing based on wide area information around the airfield is frequently performed, but even in this case, near the runway that actually takes off and landing Needless to say, the weather is the most important. Some airfields are equipped with various types of observation equipment to conduct regular observations.
[0005]
As one of such observation information, there is altitude information of a cloud, and at present, an optical sounding device (for example, a Ceilometer CT25K manufactured by VAISALA) using a laser also called vertical visibility and sealing is often used. The altitude can be measured by irradiating a laser pulse to a cloud, fog, or rain in the target atmosphere and detecting and amplifying an optical signal backscattered (for example, see Patent Document 1). Specifically, as shown in FIG. 9, a laser pulse 12 is emitted from a altimeter 11 having a built-in pulse laser toward the clouds 3 and 3 ', and scattered light generated by the clouds 3 and 3', particularly backscattered light 13 is emitted. And the like, which calculates the altitude by obtaining the time and intensity until a detector built in the altimeter 11 detects the altitude, and can measure with an accuracy on the order of several meters. Reference numeral 14 denotes the calculation / display unit.
[0006]
Looking at agriculture and households from a different perspective, it is clear that, for example, data on temperature, wind direction, humidity, etc. can be used in combination with empirical rules or data from the past several years for specific regions. It often predicts marbling and marbling, and it has a relatively high probability of stabilizing the harvest of grain vegetables and maintaining quality.
As described above, the local weather information has many uses other than the above examples and is highly useful.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-7-234280
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems may occur in the observation by the observation device or the observation method.
[0009]
For example, for the altitude measurement of clouds using an optical sounding device using a laser, the range of use is limited because the device is quite expensive, and the irradiation range of the laser is limited, so only a part of the cloud is measured. There is a disadvantage that you can not. In addition, although the measurement can be made relatively accurately when the boundary of the cloud is clear, it is often difficult to observe in other situations or the reliability of the observed value itself is poor. Therefore, such observations are rarely used directly for actual aircraft operation management, but are only used as a supplement to the judgment of the Meteorological Office staff. There is a strong demand from the field to provide an observation device that can overcome such a situation and that can reliably obtain a wide range of information.
[0010]
Also, regarding the prediction of rainfall and marbling in a specific area unit, observing the overall cloud movement or temperature distribution even in a narrow area can greatly improve the accuracy of the prediction, At present, only data for a plurality of observation points can be obtained, and performing overall observations requires advanced technical means and costs are not suitable. As in recent years, freshness is particularly required for vegetables, fruits, and the like, and in a situation that greatly affects these added values, a simple and accurate observation means is strongly desired.
[0011]
In addition, thermography for detecting infrared rays from an object has been widely used for measuring a general temperature distribution. "H2 O ". ) And carbon dioxide (hereinafter "CO2 " ), Etc., often makes it impossible to ensure measurement accuracy. That is, since the measurement is performed at about 1 km above the sky, the influence of the substance existing during the measurement is significantly different from the normal use conditions of thermography. In particular, the effect of water vapor in the region of 8 μm or less, and CO in the region of 13 μm or more.2 However, if the band is too narrow, there is a possibility that sufficient detection sensitivity may not be obtained for measurement near 1 km above the sky. Further, under the condition of high temperature and high humidity, even when the wavelength band of 8 to 13 μm is used, the influence of water vapor may not be negligible.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems and to provide an apparatus or an observation method for observing a cloud or the like that is simple and can ensure a predetermined accuracy.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, have found that the above object can be achieved by the following observation device and its observation method, and have completed the present invention.
[0014]
The present invention relates to a device for observing a cloud or the like from an arbitrary point and a method for observing the same, wherein the light receiving unit has a predetermined viewing angle from an arbitrary point and receives light from an observation target, and is obtained from the light receiving unit. The temperature information of the observation target is calculated using the obtained signal. With the observation apparatus and the observation method having such features, temperature information of clouds and the like in a predetermined area can be obtained easily and with a desired measurement accuracy. Here, the predetermined area is not limited to a certain narrow area such as an airfield or farmland, but can be applied to a municipal unit or a wider area. In addition, "light" may generally refer to only visible light, but here, it is assumed that the concept includes a part of infrared rays, ultraviolet rays, microwaves, and X-rays.
[0015]
Further, it is preferable that the light receiving means of the observation device is an infrared radiation thermometer and has an optical filter having a main transmission band of 8 to 13 μm. As a result, H in the air, which has a very long optical path,2 O or CO2 This greatly reduces the effects of, and enables highly accurate observation.
[0016]
It is preferable that the observation device has a reference temperature measuring unit. This makes it possible to calculate the temperature difference from the reference point and to correct the measured temperature.
[0017]
In the above observation device, it is preferable that the temperature information is corrected using a temperature correction unit. For example, when another observation unit is provided in the observation field, an error factor with respect to the observation temperature can be corrected by using a predetermined correction unit using a reference temperature.
[0018]
In the observation device, it is preferable that the temperature information is corrected using a unit that corrects an influence of water vapor. Thus, by correcting the effect of water vapor that has the largest influence on the observation temperature, accurate two-dimensional temperature information can be obtained.
[0019]
It is preferable that the means for correcting the influence of water vapor uses a signal from a light receiving means at a predetermined angle at an arbitrary point. This makes it possible to more effectively correct the effect of the water vapor by a simple method.
[0020]
The present invention is characterized in that the altitude of the cloud base is calculated based on the temperature information. In other words, if the correlation between altitude and temperature prepared in advance is used, the altitude can be calculated from the temperature at the cloud bottom, and the weather forecast can be more accurately performed by extracting the cloud movement as three-dimensional information. It becomes.
[0021]
In the above observation apparatus, it is preferable that the altitude of the cloud base is corrected using an altitude correcting means. Using a reference altitude to correct the error factor for the observation temperature using a predetermined correction means, such as when the altitude can be measured more accurately by other observation means in the observation field of view. Can be.
[0022]
Here, it is preferable that the altitude correction uses an adiabatic lapse rate. Using a reference altitude to correct the error factor for the observation temperature using a predetermined correction means, such as when the altitude can be measured more accurately by other observation means in the observation field of view. Can be.
[0023]
The present invention is characterized in that marbling prediction is performed from temperature information or a difference between a cloud base temperature and a ground temperature. In other words, frost is a phenomenon that is caused by the cooling of the ground temperature at night, especially the temperature of the ground surface, as one factor. Combined with information such as the wind speed, it is possible to predict marbling with a relatively high probability.
[0024]
The rainfall prediction is performed based on the temperature information, the difference between the cloud base temperature and the ground temperature, or the altitude of the cloud base. In other words, there is a considerable correlation between phenomena such as rising cloud temperature and lowering of the cloud bottom and the probability of rainfall, and the temperature information, the difference between the cloud bottom temperature and the ground temperature, or the observed value of the cloud bottom altitude indicates the probability. Rainfall forecast can be relatively high.
[0025]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the order of obtaining temperature information, calculating cloud base altitude, and utilizing temperature / altitude information.
[0026]
<Acquisition of temperature information>
The present invention is a device for observing a cloud or the like including a light receiving means having a predetermined viewing angle from an arbitrary point and a calculating means for inputting a signal obtained from the light receiving means, wherein the light receiving means detects the cloud from the observation target. And the temperature information of the observation target is calculated using a signal obtained from the light receiving means by a predetermined arithmetic means.
[0027]
Specifically, as shown in FIG. 1, infrared rays 2 corresponding to the temperatures of the clouds 3 and 3 'are radiated from the surfaces of the clouds 3 and 3'. And receives information on the spectrum information or the amount of infrared radiation in a specific wavelength region. The light receiving means 1 has a predetermined viewing angle 4 as shown in the figure, and preferably receives light in a range of, for example, 30 to 150 degrees. The light receiving means 1 may be composed of a single detection unit in some cases. However, considering accuracy, it is preferable that the light reception unit 1 be composed of a plurality of detection units and be captured as two-dimensional information. In particular, when observation at a wide viewing angle is required, a large difference occurs between the signal amount in the viewing angle region near the zenith of the light receiving unit 1 and the signal amount in the viewing angle region far from the zenith. Therefore, a method of correcting and calculating such a difference using a plurality of detection units is adopted. Reference numeral 5 denotes a processing unit having a built-in calculating means. When a signal from the light receiving means 1 is input, the calculating means calculates temperature information of the clouds 3 and 3 ', and displays the result on the display unit 6. Here, the term “arbitrary point” means not only a specific point on the ground but also a case where the observation is carried on a vehicle such as a car or a bus, or a case where the observation is carried on a balloon or an aircraft. It can be used in a wide range.
[0028]
Further, in the present invention, it is preferable that the light receiving means is an infrared radiation thermometer and has an optical filter having a main transmission band of 8 to 13 μm. Clouds 3 and 3 'emit infrared rays 2 having a clear correlation with the surface temperature among the infrared rays, and these are detected by an infrared radiation thermometer which is a type of light receiving means 1 placed at the measurement point. Thus, the device becomes very simple and stable. The present inventors have conducted studies and found that the object of the present invention can be achieved by a simple infrared radiation thermometer without using a large and expensive device such as a thermography. A simple infrared radiation thermometer capable of measuring a temperature distribution is useful as information, and H in air generated from a substantially long optical path is useful.2 O or CO2 In order to drastically reduce the influence of the above and to secure the necessary detection sensitivity, it is preferable to capture the change of infrared rays in the transmission band at 8 to 13 μm, and furthermore, it is preferable to capture 9 to 12 μm. Got.
[0029]
That is, as shown in FIG. 2, in the range of 5 to 20 μm, H2 O has a very strong absorption in a region of 8 μm or less, and gradually has an absorption in a region of 13 μm or more.2 Has intermittently strong absorption in the region of 8 μm or less, and has very strong absorption in the region of 13 μm or more. Therefore, in the present invention, by using 8 to 13 μm, highly accurate observation is possible. In addition, it is possible to use the band further narrowed, but narrowing the band reduces the available energy, that is, decreases the detection sensitivity, from the viewpoint of the stability of the observation device, Not good. In addition, the absorption near 9.5 μm in FIG.3 " ), But O3 Is a gas mainly existing in the stratosphere, so observations of clouds and other changes in the troposphere indicate that3 Is negligible.
[0030]
The present invention is the above observation device, and preferably includes a reference temperature measuring unit. The temperature information obtained by the observation device is two-dimensional information of the absolute temperature. However, depending on the use of the temperature information, a temperature difference between the observation target and a specific point or a temperature difference between the ground temperature and the temperature may be required. For example, in the case of marbling forecasting or rainfall forecasting described later, the light receiving means is provided with a detection end as a reference temperature measuring means to determine the ground temperature, and the ground temperature is subtracted from the temperature at the observation point (surface). The prediction is performed based on the value. FIG. 3 (A) shows the relationship between the ground temperature and the temperature difference between the observation points. The difference between the ground temperature and the ground temperature is almost the same even if the ground temperature changes, except for rainfall conditions. Instead, the temperature at the observation point can be obtained by adding the ground temperature (the decrease in the spike-like temperature difference in a clear or cloudy state is because clouds have passed through the observation field of view). Of course, the reference temperature is not limited to the ground, and it is also possible to use the measurement results at various reference points including the sky used for weather observation, and the measuring means is also one of the embodiments of the present application. Not limited to a certain radiation thermometer, it is also possible to use general thermocouples, various temperature measuring elements, and the like. Further, a model that meets the purpose of the present application, such as a type in which a temperature sensor is incorporated in a radiation thermometer, is more preferable.
[0031]
According to the present invention, in the observation device described above, it is preferable that the temperature information is corrected using a temperature correction unit. For example, when the observation field of view includes a place where the more accurate temperature is determined by another observation means (hereinafter referred to as “observation means A”), more specifically, for example, an observation station or When an observation balloon is located at a distance of about 1 km from the ground, the observation by the observation means A has higher accuracy, so other measurement points are corrected based on the observation temperature at this observatory or the observation temperature of the balloon itself. By doing so, more accurate observations can be made. As described above, the error factor with respect to the observation temperature can be corrected by using a predetermined correction unit such as a calculation unit in the apparatus or an information processing unit from the apparatus. Of course, the correction means can use not only the arithmetic unit built into the observation device but also external information processing equipment using an electronic communication line, etc., and other temperature information used for correction is also limited to the information from the observation means A. It is needless to say that various information sources such as temperature information from weather satellites can be used.
[0032]
FIG. 4 shows an example of a simulation of the transmittance of infrared rays at an altitude of about 1 km.2 O / Standard data are as follows: temperature 15 ° C, humidity 70%, H2 The O / 5-fold data indicates a case where the amount of water vapor is set to five times. Of course, O3 No effect is seen. Also, H2 Under O / standard data conditions, the infrared transmittance of the atmosphere in the wavelength band of 8 to 13 μm is high, and H2 O or CO2 It can be seen that it is hardly affected by2 When the amount of O increases five times, the influence of water vapor cannot be ignored.
[0033]
In the present invention, in order to correct such an influence of water vapor, it is preferable to correct the temperature information by using a predetermined means. In calculating the altitude of the cloud base from the temperature information as described above, the influence of water vapor present in the observation optical path cannot be neglected. In particular, in order to obtain an accurate altitude as two-dimensional information, Since the effective optical path length varies depending on the angle from an arbitrary point, it is very effective to perform a calculation in which the influence of water vapor is corrected. That is, as shown in FIG. 5, when there are clouds 3 and 3 'having the same height and a cloud 3 "having different heights, the influence of the water vapor depends on the distribution of the water vapor accompanying the altitude, from an arbitrary point A to the cloud bottom B and It is necessary to correct the amount of infrared radiation B, C, and D from each point by a predetermined relational expression that correlates with the distance to the cloud bases C and D and that combines the two with the elevation angle β. Temperature information less affected by water vapor can be obtained.
[0034]
Specifically, for example, the inventors have found that the following two methods are effective. Needless to say, the following calculation methods and calculation expressions are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
[0035]
(I) Correction method using observation in two wavelength ranges
In the case of an infrared radiation thermometer using a transmission band of 8 to 12 μm as described above, the influence of water vapor is corrected by utilizing the fact that the influence of water vapor varies depending on the wavelength range. For example, using two types of optical filters having a transmission region of 8 to 10 μm and 10 to 12 μm, the correlation between the influences α and α ′ of each water vapor is obtained in advance, and the amount of infrared radiation from the point B is calculated by the following equation. B, B 'corrected radiated infrared radiation B0 Can be requested.
B0 = B / (1−α) = B ′ / (1−α ′)
α '= kα or α' = f (α)
Note that, here, a correlation for a relatively wide wavelength range such as 8 to 10 μm and 10 to 12 μm is used, but correction using a narrower wavelength range or a specific wavelength range in consideration of detection sensitivity is also possible. .
[0036]
(II) Correction method using two-dimensional information data
The present inventor hypothesizes that the effect of water vapor on the sky temperature in the absence of clouds has a fixed correlation depending on the elevation angle, and that this correlation has a substantially same rate of change even if the amount of water vapor changes. I found that I can do it. FIG. 6A shows the relationship between the elevation angle β and the observation temperature difference T accompanying the change in the water vapor amount X during sky observation. Therefore, if the correlation and the above-described two-dimensional temperature information are used, it is possible to correct the influence of water vapor.
[0037]
A specific method will be described below on the assumption that the sky is observable with no cloud in at least a part of the observation viewing angle.
(1) Observing the observation viewing angle using an infrared radiation thermometer, obtaining two-dimensional temperature information,
(2) The correlation curve of FIG. 6A is specified from the temperature difference (infrared radiation amount) or the maximum temperature difference of the portion in the two-dimensional temperature information. That is, from the elevation angle of 90 ° and / or β, β ′, the curve X1 And the virtual water vapor amount X1 ,
(3) From the relationship between the elevation angle β and the correction amount Δt prepared in advance (assuming a curve having a constant curvature as shown in FIG. 6B), the virtual water vapor amount X1 Identify the same curve at
(4) Virtual water vapor amount X1 And the elevation angle β of each observation objecti From the correction amount Δt at that timei Read,
(5) Elevation angle βi Temperature difference data t for each observation object0iFrom the temperature difference t at each target pointi Is corrected by the following equation
ti = T0i + Δti
[0038]
In the present invention, considering the simplicity of the means, it is very preferable to correct the influence of water vapor using the signal of the light receiving means at a predetermined angle at an arbitrary point. In particular, if an observation point close to the sky without clouds is near the zenith, extremely accurate correction can be performed. In other words, the information of the above observation points can secure sufficient accuracy only by correcting the influence of only the water vapor at that time, and makes it very easy to correct the influence of the height and the elevation angle at other observation points. be able to.
[0039]
<Calculation of cloud base height>
Next, as an example of utilizing the above-mentioned temperature information, a case where it is used for calculating the altitude of the cloud bottom, which has been conventionally difficult, will be described.
[0040]
The present invention is characterized in that the altitude of the cloud base is calculated based on the temperature information. In other words, if the correlation between altitude and temperature prepared in advance is used, the altitude can be calculated from the temperature at the cloud bottom, and the weather forecast can be more accurately performed by extracting the cloud movement as three-dimensional information. It becomes. Specifically, a temperature gradient of (−) 0.65 ° C./100 m is known as the temperature decay rate in the troposphere in the international standard atmosphere, and under conditions where this value can be applied, the observed cloud bottom If the temperature difference between the surface temperature and the ground temperature is (−) 6.5 ° C., it is calculated that the altitude of the cloud bottom is 1000 m. Actually, instead of such a simple equation, the temperature decrease rate at the time of observation (indicated by X in FIG. 7) is represented by the relationship between the temperature difference from the measurement point A and the altitude of the cloud base shown in FIG. Dry adiabatic lapse rate (denoted as D in FIG. 7; generally (−) about 1.0 ° C./100 m) and wet adiabatic lapse rate (denoted as W in FIG. 7; generally (−) 0.4 to (Approximately 0.6 ° C./100 m), and a certain relational expression is applied. In the present invention, the altitude of the cloud base can be obtained two-dimensionally by applying the temperature information obtained from the observation device to such a relational expression. In other words, by inputting the relational expression in advance into the arithmetic means and calculating and processing based on the signal from the light receiving means, it is possible to finally obtain three-dimensional information. Can be displayed three-dimensionally. According to the knowledge of the present inventor, when an optical filter having a transmission band of 8 to 12 μm is used using an infrared radiation thermometer, a reduction rate close to the dry adiabatic reduction rate is applied (for example, (−) 0.8 ° C./100 m). ) Was found to be useful information. This is in good agreement with the observation that under the clouds no condensation has occurred and that the air is well stirred. Above, the calculation method using adiabatic lapse rate was described, but it is needless to say that the calculation method is not limited to this, and when the relationship between the temperature information and the altitude is clearly observed or empirically, the relationship is used. It is also possible.
[0041]
In the above observation apparatus, it is preferable that the altitude of the cloud base is corrected using an altitude correcting means. When the observation field of view includes a place where the altitude is clear by another observation means (referred to as “observation means B”), for example, during observation of a cloud existing near 1000 m above the ground, a peak at an altitude of 800 m is observed. In the case where the altitude of the bottom of the cloud is observed by the observation means B from, the observation by the observation means B has more accuracy, so other measurement points are determined based on the altitude of the bottom. Correction enables more accurate observation. The same correction can be made even when the peak of the altitude of 800 m is included in the observation field of view. As for such correction, it goes without saying that various altitude information and correction means can be used in the same manner as the correction of the temperature information.
[0042]
<Utilization of temperature and altitude information>
Next, an application example of the present invention utilizing the above temperature information and cloud base altitude information will be described.
[0043]
The present invention is characterized in that marbling prediction is performed from temperature information or a difference between a cloud base temperature and a ground temperature. In other words, frost is a phenomenon that occurs as a factor in the cooling of the ground temperature at night, especially the temperature of the ground surface. Generally, the frost is used to determine the cooling state of the ground surface from information on the temperature, humidity, wind direction and wind speed in the evening of the previous day. Estimation and prediction methods are used, but it is also true that many methods rely on empirical rules. In addition, in order to accurately measure the temperature of the ground surface having a certain area, it is necessary to provide a large number of measurement points or to measure from a high place, which requires a large amount of equipment and preparation, which is not practical. Here, as a supplementary function of such prediction, a method of estimating the temperature of the ground surface from the temperature information or the cloud bottom temperature is proposed, and marbling prediction with a relatively high probability can be performed.
[0044]
For example, as shown in FIG.
(1) The elevation difference d between the measurement point A and the ground surface D of the management area is prepared in advance as data,
(2) The temperature of the cloud base B immediately above the measurement point A and the temperature of the cloud base C immediately above the ground surface D are obtained by the above method,
(3) From the temperature difference between the measurement point A and the cloud bases B and C, the altitude a of the cloud base B and the altitude (b + d) of the cloud base C are estimated by the above method,
(4) Estimating the surface temperature of the ground surface D from the distance b between the ground surface D and the cloud base C calculated from the estimated value and the temperature of the cloud base C,
(5) Based on the surface temperature of the ground surface D and the temperature change, the presence / absence / intensity of radiative cooling is calculated to determine the possibility of marbling.
As a result, it is possible to cover the factor that has actually become one of the difficulties of prediction with a predetermined accuracy.
[0045]
Further, the present invention is characterized in that rainfall prediction is performed based on temperature information, a difference between a cloud base temperature and a ground temperature, or a cloud base altitude. Phenomena such as rising cloud temperature and lowering of the cloud bottom are also precursors to rainfall, and are relatively probable from temperature information or the difference between the cloud bottom temperature and the ground temperature or the observation of the cloud base altitude using this. Rainfall prediction is possible. FIG. 3 shows an example in which the inventor actually observed the relationship between the change in weather and the observed temperature of the cloud. It can be seen that the temperature difference between the cloud base and the ground decreases as the weather worsens. In FIG. 3, (A) shows the average temperature of the sky including clouds observed by the infrared radiation thermometer, (B) shows the temperature and humidity at the measurement point, and (C) shows the indicated value of the rain gauge. ing. Although the hygrometer and the rain gauge clearly show the difference between before and after the actual rainfall, it is very difficult to predict the rain from the data of (B) and (C). On the other hand, in the data of (A), a decrease in the temperature difference is clearly observed in the transition stage from the “cloudy” state to the “rainy” state. It will be possible to provide powerful means.
[0046]
The above technology can be applied not only to about 100 airfields nationwide, but also to weather stations and weather stations in almost the same number of locations, AMeDAS bases said to be about 800 places, countless agricultural lands and forests, and even home use. It is. Furthermore, when viewed from a global perspective, there is a possibility that the airfield alone has an infinite extent, such as 13,000 locations.
[0047]
For example, at present, meteorological observatories and weather stations nationwide observe the `` cloud cover '' visually, but it is possible to replace this with the technology according to the present invention, and with the automated all-sky observation device, as with the AMeDAS system And an unmanned high-density observation system becomes possible. Similarly, in the agricultural field, it is also possible to develop an unmanned marbling / rainfall warning device or a further expanded unmanned warning system. On the other hand, for home use, if a washing rod is provided with a light receiving means, it is possible to issue warnings and warnings even for localized rain, and it is possible to use not only one home but also a regional network It becomes. Furthermore, similar to the observation system that is currently partially realized in acid rain measurement, it is possible to put these observation information on a network and make it a network system that can be used by anyone, making the observation means more accessible. It can also be incorporated as part of learning and education.
[0048]
In the above, the apparatus or the observation method for observing clouds or the like from an arbitrary point on the ground by a light receiving means such as an infrared radiation thermometer has been described. However, it is not necessary to limit the observation point to the ground, and an aircraft, a balloon or It is also possible to observe on a satellite or the like. Further, although partially described above, the application of the present invention is very effective in that mutual accuracy can be improved by using other information currently used for observation. Also, in the above description, the target object is mainly described as a cloud, but the angle may be lowered not only in the zenith direction but also in a case where, for example, a forest near the summit or a mountain itself is an object to be observed, It goes without saying that the present invention is not limited to the above.
[0049]
【The invention's effect】
The present invention is an apparatus for observing a cloud or the like from an arbitrary point, and can obtain temperature information of a cloud or the like in a predetermined area easily and with a desired measurement accuracy. In the case where an infrared radiation thermometer is used and an optical filter having a main transmission band of 8 to 13 μm is provided, H in air is used.2 O or CO2 Greatly reduces the effect of, and enables more accurate observation. In addition, in the case of an observation device having a reference temperature measuring means, the application range of the observation device, such as marbling prediction, is to be extremely widened by calculating a temperature difference from a reference point or correcting the measurement temperature. And the accuracy of observation can be improved. Furthermore, in an apparatus having a temperature correction unit, an error factor with respect to an observation temperature using a reference temperature, such as when another observation unit is included in the observation field of view, using a predetermined correction unit. Can be corrected.
[0050]
Further, by correcting the temperature information by using a means for correcting the influence of water vapor that has the greatest influence on the observation temperature, more accurate two-dimensional temperature information can be obtained. For example, by correcting the influence of water vapor using a signal from data of a predetermined angle width within the observation viewing angle, highly accurate two-dimensional temperature observation information can be obtained.
[0051]
In addition, if a correlation between altitude and temperature prepared in advance is used, the altitude can be calculated from the temperature at the cloud bottom, and the movement of the cloud can be extracted as three-dimensional information. At this time, if the observation altitude includes a point at which the reference altitude is clear, the altitude can be corrected to a more accurate altitude, and the altitude can be roughly estimated using a so-called adiabatic lapse rate. .
[0052]
Further, if such two-dimensional temperature information and three-dimensional information of cloud movement are used, more accurate weather prediction can be performed. Specifically, it is possible to predict a relatively high probability of marbling from the difference between the observed cloud bottom temperature and the ground temperature, and to obtain a relatively high probability from the difference between the cloud bottom temperature and the ground temperature or the altitude of the cloud bottom. Rainfall prediction is possible.
[0053]
In addition, if such technology is used, for example, an automated all-sky observation system will enable an unmanned high-density observation system like the AMeDAS system, and similarly in the agricultural field, an unmanned marbling / rainfall warning device or a further expansion It is also possible to develop a wide range of unmanned alarm systems, and to use local warnings and alarms for local rain, as well as a network system using observation information. If you become more familiar, you can incorporate it as part of learning and education.
[0054]
The present invention is applicable not only to the above wide-ranging applications, but also to observation by mounting on an aircraft, a balloon, a satellite, or the like without limiting the observation point to the ground. In addition, the technique is also applicable to a case where the object to be observed is not limited to a cloud, but to observe, for example, a forest near a mountaintop or a mountain itself.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an infrared absorption spectrum used in the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an output change of an infrared radiation thermometer or the like when the weather changes in an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram simulating an infrared transmittance at an altitude of about 1 km;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method for correcting the influence of water vapor in an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an influence of water vapor on an observed elevation angle in an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method of estimating the altitude of the cloud bottom based on adiabatic lapse rate in an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a method of estimating a surface temperature according to an embodiment of the present invention;
FIG. 9 is an explanatory view showing an embodiment of the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Light receiving means
2 infrared
3, 3 'clouds
4 viewing angle
5 Arithmetic processing unit
6 Display
