JP2014173865A - 気象レーダ装置、観測シーケンス作成方法及び観測シーケンス作成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】観測シーケンスに従って観測を行う場合であっても、積乱雲の中心部を高密度かつ高精度に観測することが可能な気象レーダ装置を提供する。
【解決手段】気象レーダ装置は、空中線装置、信号処理装置、データ変換部、予測部、状況判定部及びレーダ制御部を具備する。信号処理装置は、空中線装置で受信された反射パルスに基づき、受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出する。データ変換部は、受信強度に基づいての降水強度データを算出し、ドップラー速度及び速度幅に基づいて風向・風速データを算出する。予測部は、降水強度データと、風向・風速データとに基づき、予測データを作成する。状況判定部は、予測データと、所定の閾値とを比較し、閾値を超えるデータに対応する領域の観測に、領域外の観測の少なくともいずれかを割り当てるように、観測シーケンスを作成する。レーダ制御部は、観測シーケンスに従い、空中線装置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、雨や雲などの気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置と、この気象レーダ装置で用いられる観測シーケンス作成方法及び観測シーケンス作成プログラムとに関する。

パラボラアンテナを用いる気象レーダ装置は、予め設定された観測シーケンスに従った手順で、ペンシルビームと呼ばれる細いビームによりパルス信号を送信する。観測シーケンスは、気象レーダ装置が周囲を観測する際の観測手順を示したものである。気象レーダ装置は、所定の仰角においてアンテナを水平方向に３６０度回転させて１平面の観測データを取得した後、アンテナ仰角を上げて次の１平面を取得することを繰り返し、三次元の降水データを収集する。

ところで、対象降雨の空間分布は、現象毎に異なり、かつ、時々刻々と変化する。積乱雲に伴う、マイクロバースト、シアライン、局地的集中豪雨及び発雷の被害を最小に食い止めるためには、積乱雲の鉛直方向への成長度合いを見ることが有効である。しかしながら、上記の気象レーダ装置では、予め設定された観測シーケンスに従ってアンテナを走査するため、予め設定された仰角における積乱雲の状況しか観測できず、積乱雲の中心部分を高密度に観測することができない。このため、積乱雲の鉛直方向への成長度合いの推定に誤差を生むおそれがある。

吉田 孝 監修、「改訂 レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、初版、"第９章 気象レーダ"、Ｐ２４８−２５０

以上のように、従来の気象レーダ装置では、観測シーケンスに従った範囲での観測しかできなかったため、積乱雲の中心部を高密度に観測することはできなかった。

そこで、目的は、観測シーケンスに従って観測を行う場合であっても、積乱雲の中心部を高密度かつ高精度に観測することが可能な気象レーダ装置と、この気象レーダ装置で用いられる観測シーケンス作成方法及び観測シーケンス作成プログラムとを提供することにある。

実施形態によれば、気象レーダ装置は、空中線装置、信号処理装置、データ変換部、予測部、状況判定部及びレーダ制御部を具備する。空中線装置は、レーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する。信号処理装置は、前記反射パルスに基づき、受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出する。データ変換部は、前記受信強度に基づいての降水強度データを算出し、前記ドップラー速度及び速度幅に基づいて風向・風速データを算出する。予測部は、前記降水強度データと、前記風向・風速データとに基づき、観測シーケンスを作成するための所定の期間における対象降雨の空間分布を予測した予測データを作成する。状況判定部は、前記予測データと、予め設定された閾値とを比較し、前記予測データに前記閾値を超えるデータが含まれる場合、前記閾値を超えるデータに対応する領域の観測に、前記領域外の観測の少なくともいずれかを割り当てるように、前記空中線装置による観測手順を示す観測シーケンスを作成する。レーダ制御部は、前記観測シーケンスに従い、前記空中線装置を制御する。

第１の実施形態に係る気象レーダ装置の機能構成を示すブロック図である。 図１に示す気象レーダ装置が降水強度データを取得する際の動作を示すフローチャートである。 図１に示す気象レーダ装置が予め設定された観測シーケンスに従って積乱雲を観測する際の図である。 図１に示す気象レーダ装置が新たに作成した観測シーケンスに従って積乱雲を観測する際の図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る気象レーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図１に示す気象レーダ装置は、空中線装置１０、信号処理装置２０及びデータ変換装置３０を具備する。

空中線装置１０は、パラボラアンテナ１１、送受信装置１２及び動作制御部１３を備える。

送受信装置１２は、信号処理装置２０からアナログ形式の送信ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）信号が供給されると、供給された送信ＩＦ信号をＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）帯の送信ＲＦ信号へアップコンバートする。送受信装置１２は、送信ＲＦ信号の送信電力を増幅し、増幅した送信ＲＦ信号をパルス信号に変調する。送受信装置１２は、パルス信号を、パラボラアンテナ１１により形成される鋭い指向性を持つペンシルビームにより空中へ放射する。

放射されたパルス信号は、観測対象によって反射され、反射パルスとしてパラボラアンテナ１１により捕捉される。本実施形態において観測対象は、所定の有効反射面積内に存在する降雨粒子である。

送受信装置１２は、パラボラアンテナ１１により反射パルスを受信し、受信した反射パルスを増幅する。送受信装置１２は、増幅した反射パルスをＩＦ帯にダウンコンバートした後、信号処理装置２０へ出力する。

動作制御部１３は、観測シーケンスにより指定される仰角及び方位角へパラボラアンテナ１１が指向されるように、パラボラアンテナ１１の駆動モータを制御する。例えば、動作制御部１３は、観測シーケンスにより指定される仰角方向へペンシルビームを指向させ、およそ３０秒でその仰角方向における３６０度の方位角方向へペンシルビームを回転させる。

信号処理装置２０は、供給されるデジタル制御信号に応じてアナログ形式の送信ＩＦ信号を作成し、作成した送信ＩＦ信号を送受信装置１２へ出力する。

また、信号処理装置２０は、送受信装置１２で受信処理が施された反射パルスに対して、ＩＱ検波、アナログ−デジタル変換及びパルス圧縮を行う。信号処理装置２０は、パルス圧縮された反射パルスに基づき、受信強度を算出する。信号処理装置２０は、ＩＱ検波された反射パルスの位相変化量からドップラー速度及び速度幅を算出する。信号処理装置２０は、算出した受信強度、ドップラー速度及び速度幅をデータ変換装置３０へ出力する。

データ変換装置３０は、例えばマイクロプロセッサからなるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムやデータを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等とを含む。データ変換装置３０は、アプリケーション・プログラムをＣＰＵに実行させることにより、データ変換部３１、予測部３２、状況判定部３３及びレーダ制御部３４の機能を実現する。

データ変換部３１は、信号処理装置２０で算出された受信強度をレーダ方程式に基づいて降水強度データに変換する。データ変換部３１は、算出した降水強度データを状況判定部３３へ出力する。また、データ変換部３１は、信号処理装置２０で算出されたドップラー速度及び速度幅に基づいて、風向・風速データを算出する。データ変換部３１は、算出した降水強度データと風向・風速データを予測部３２及び表示部（図示せず）へ出力する。

予測部３２は、データ変換部３１から供給される降水強度データと、風向・風速データとに基づき、対象降雨の将来の空間分布を予測する。予測部３２は、観測のタイミングと対応した複数の予測データを作成する。例えば、１平面の観測を行うのに３０秒かかる場合、予測部３２は、３０秒毎の予測データを作成する。予測部３２は、作成した予測データを状況判定部３３へ出力する。また、予測部３２は、作成した予測データを表示部（図示せず）へ出力し、予測データを操作者へ表示する。

状況判定部３３は、データ変換部３１から供給される降水強度データ及び予測部３２から供給される予測データと、予め設定された閾値とを比較し、降水強度データ及び予測データに、閾値を超えるデータがあるか否かを判断する。状況判定部３３は、降水強度データ及び予測データのうち、閾値を超えるデータに対応する領域、すなわち、積乱雲の中心部であると想定される領域を高密度に観測するように、観測シーケンスを作成する。このとき、状況判定部３３は、予測データに基づいて対象降雨の空間分布の変化を把握しつつ、観測シーケンスにおける各観測の方向を設定する。

また、状況判定部３３は、積乱雲の中心部であると想定される領域が高さ方向に複数点あるか、積乱雲の幅が予め設定した幅よりも狭いか、又は、積乱雲の高さが予め設定した高さよりも高いか否かを判断する。積乱雲の中心部であると想定される領域が高さ方向に複数点あり、積乱雲の幅が予め設定した幅よりも狭く、又は、積乱雲の高さが予め設定した高さよりも高い場合、状況判定部３３は、積乱雲の中心部であると想定される領域を含む垂直方向の平面を高密度に観測するように観測シーケンスを作成する。なお、状況判定部３３は、積乱雲の中心部であると想定される領域が高さ方向に複数点あるか、積乱雲の幅が予め設定した幅よりも狭いか、又は、積乱雲の高さが予め設定した高さよりも高いか、との条件の全てを満たした場合に、垂直方向の観測を行うように観測シーケンスを作成しても構わないし、これらの条件のうち少なくともいずれかを満たした場合に、垂直方向の観測を行うように観測シーケンスを作成するようにしても構わない。

また、状況判定部３３は、降水強度データにおいて強い降水強度のデータが狭い領域に存在する場合、つまり、局所的に強い積乱雲が存在するような場合には、強度の高い所定の範囲の領域を指定し、その範囲の領域のみを観測するセクタスキャンを行うように観測シーケンスを作成するようにしても良い。

レーダ制御部３２は、状況判定部３３で作成された観測シーケンスを実現するように、パラボラアンテナ１１の仰角及び方位角を指定し、指定した仰角及び方位角を動作制御部１３へ出力する。

以上のように構成された気象レーダ装置が降水強度データを取得する際の動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る気象レーダ装置が降水強度データを取得する際のフローチャートを示す。なお、図２では、気象レーダ装置は、およそ３０秒で１平面の対象降雨の空間分布を観測することとする。また、図２における観測シーケンスでは、１０分間における観測手順、つまり、２０回分の観測についての仰角及び方位角等が示されている。また、図２では、最初の１０分間の観測シーケンスは予め作成されており、次の１０分間からの観測シーケンスが状況判定部３３により１０分毎に作成される。予め設定された観測シーケンスでは、例えば、仰角５度で方位角を３６０度回転させて１平面の降水強度データ及び風向・風速データを取得し、仰角５度から所定の幅で仰角を上げつつ、各仰角での平面における降水強度データ及び風向・風速データを取得するように設定されている。

まず、気象レーダ装置は、予め設定された観測シーケンスに従い、２０回の観測を行い、各観測における降水強度データ及び風向・風速データを取得する（ステップＳ２１〜ステップＳ２２０）。図３は、ステップＳ２１〜ステップＳ２２０で観測される平面を模式的に示した図である。図３における粗いドット部は積乱雲を表し、密なドット部は積乱雲における中心部分を示す。図３では、Ｎ回目からＮ＋３回目の観測において積乱雲が観測され、Ｎ＋１回目とＮ＋２回目の観測において積乱雲の中心部分が観測される。

予測部３２は、ステップＳ２１〜ステップＳ２２０で取得した２０個の降水強度データ及び風向・風速データに基づき、１分後から１０分後までの予測データを３０秒間隔で作成する（ステップＳ２２１）。状況判定部３３は、作成された予測データを参照し、積乱雲の中心部であると想定される領域を高密度に観測するように、観測シーケンスを作成する（ステップＳ２２２）。図４は、状況判定部３３により作成された観測シーケンスに則って観測される平面を模式的に示した図である。積乱雲を観測することはないと想定される低仰角と高仰角とでの観測回数を減らし、積乱雲の中心部分近傍の観測回数を増やすことで、Ｎ’回目からＮ’＋７回目までの観測で積乱雲が観測され、Ｎ’回目からＮ’＋６回目までの観測で積乱雲の中心部分が観測されるようになる。

気象レーダ装置は、作成した観測シーケンスに従って、その後の１０分間、つまり２０回の観測を行う（ステップＳ２２３〜ステップＳ２４２）。

以上のように、第１の実施形態では、気象レーダ装置は、前の観測シーケンスに従って取得した降水強度データ及び風向・風速データに基づき、次の観測シーケンスと対応する期間における対象降雨の空間分布を予測する。そして、気象レーダ装置は、予測データに基づいて、次の観測シーケンスを作成するようにしている。これにより、気象レーダ装置は、観測シーケンスを対象降雨の空間分布の変化に合わせて動的に変更することが可能となる。

したがって、本実施形態に係る気象レーダ装置によれば、観測シーケンスに従って観測を行う場合であっても、積乱雲の中心部を高密度かつ高精度に観測することができる。

また、上記実施形態では、状況判定部３３は、垂直平面における対象降雨の空間分布も観測可能なように観測シーケンスを作成するようにしている。これにより、積乱雲の鉛直方向への成長度合いをより高精度に観測することが可能となる。

また、上記実施形態では、状況判定部３３は、セクタスキャンを行うように観測シーケンスを作成するようにしている。これにより、所定の範囲における対象降雨の空間分布をより高精度に観測することが可能となる。

なお、上記実施形態では、単偏波の気象レーダ装置について説明したが、気象レーダ装置は、偏波の方向が垂直方向と水平方向との二種類のパルス信号を送信する２重偏波レーダであっても構わない。２重偏波レーダでは、二種類のパルス信号に基づいて得られる反射因子の差から降水粒子の粒径分布と落下速度とを求めた後、降水強度を算出するため、単偏波のパルス信号を用いる気象レーダ装置よりも精度の高い観測が可能である。

このとき、２重偏波レーダのデータ変換部は、降水強度データ、降水粒子の分布データ及び風向・風速データを算出する。データ変換部は、降水強度データ及び降水粒子の分布データを状況判定部へ出力し、降水強度データ、降水粒子の分布データ及び風向・風速データを予測部へ出力する。

予測部は、データ変換部から供給される降水強度データと、風向・風速データとに基づき、対象降雨の将来の空間分布である第１の予測データを作成する。また、予測部は、データ変換部から供給される降水強度データ、降水粒子の分布データ及び風向・風速データに基づき、対象降雨の将来の降水粒子の分布である第２の予測データを作成する。

状況判定部は、データ変換部から供給される降水強度データ及び降水粒子の分布データと、第１及び第２の予測データとに基づいて観測シーケンスを作成する。例えば、状況判定部は、降水強度データ及び第１の予測データが閾値を超え、かつ、粒径が予め設定した値よりも大きい領域がある場合、その領域を特に高密度に観測するように観測シーケンスを作成する。また、状況判定部は、降水強度データ及び第１の予測データのうち、閾値を超えるデータがない場合であっても、粒径が予め設定した値よりも大きい領域がある場合には、その領域を高密度に観測するようにしても構わない。

これにより、例えば、粒径の大きな雪雲のみを観測対象とすることが可能となる等、観測者が観測したい現象に合わせて、観測シーケンスを動的に変更することが可能となる。

また、上記実施形態では、１０分毎に観測シーケンスが作成される場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。観測シーケンスが作成される周期は、１０分未満であっても以上であっても構わない。

また、上記実施形態では、気象レーダ装置は、パラボラアンテナ１１を利用する場合を例に説明した。しかしながら、リフレクタアンテナであれば、パラボラアンテナ１１に限定される訳ではない。

また、上記実施形態では、気象レーダ装置は、およそ３０秒で１平面における対象降雨の空間分布を観測可能であるとしたが、１平面を観測する時間はこれに限定される訳ではない。

また、上記実施形態では、観測シーケンスは、水平方向の観測、垂直方向の観測及びセクタスキャンによる観測のうち、いずれか１種類の観測を実施するように作成される場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、水平方向の観測と、垂直方向の観測とが１つの観測シーケンス内で実施されても構わないし、水平方向の観測と、セクタスキャンによる観測とが１つの観測シーケンス内で実施されても構わない。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…空中線装置、１１…パラボラアンテナ、１２…送受信装置、１３…動作制御部、２０…信号処理装置、３０…データ変換装置、３１…データ変換部、３２…予測部、３３…状況判定部、３４…レーダ制御部

Claims (7)

1. レーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する空中線装置と、
   前記反射パルスに基づき、受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出する信号処理装置と、
   前記受信強度に基づいての降水強度データを算出し、前記ドップラー速度及び速度幅に基づいて風向・風速データを算出するデータ変換部と、
   前記降水強度データと、前記風向・風速データとに基づき、観測シーケンスを作成するための所定の期間における対象降雨の空間分布を予測した予測データを作成する予測部と、
   前記予測データと、予め設定された閾値とを比較し、前記予測データに前記閾値を超えるデータが含まれる場合、前記閾値を超えるデータに対応する領域の観測に、前記領域外の観測の少なくともいずれかを割り当てるように、前記空中線装置による観測手順を示す観測シーケンスを作成する状況判定部と、
   前記観測シーケンスに従い、前記空中線装置を制御するレーダ制御部と
   を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
2. 前記状況判定部は、前記閾値を超えるデータに対応する領域を水平面で観測するように前記観測シーケンスを作成することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
3. 前記状況判定部は、積乱雲の中心部であると想定される領域が高さ方向に複数点あること、積乱雲の幅が予め設定した幅よりも狭いこと、及び、積乱雲の高さが予め設定した高さよりも高いこと、のうち少なくとも１つを満たす場合、前記閾値を超えるデータに対応する領域を垂直面で観測するように前記観測シーケンスを作成することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
4. 前記状況判定部は、前記閾値を超えるデータに対応する領域における所定範囲をセクタスキャンするように前記観測シーケンスを作成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気象レーダ装置。
5. 前記空中線装置は、偏波の方向が互いに異なる第１及び第２のレーダパルスを、観測シーケンスに従った方向へ放射し、前記第１及び第２のレーダパルスが反射された第１及び第２の反射パルスを受信し、
   前記信号処理装置は、前記第１の反射パルスに基づいて第１の受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出し、前記第２の反射パルスに基づいて第２の受信強度を算出し、
   前記データ変換部は、前記第１及び第２の受信強度に基づいて降水粒子の粒径分布データ及び降水強度データを算出し、
   前記予測部は、前記降水強度データ、前記粒径分布データ及び前記風向・風速データに基づき、観測シーケンスを作成するための所定の期間における粒径分布を予測した粒径分布予測データをさらに作成し、
   前記状況判定部は、前記粒径分布予測データをさらに参照し、前記観測シーケンスを作成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気象レーダ装置。
6. 放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信し、
   前記反射パルスに基づき、受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出し、
   前記受信強度に基づいての降水強度データを算出し、
   前記ドップラー速度及び速度幅に基づいて風向・風速データを算出し、
   前記降水強度データと、前記風向・風速データとに基づき、観測シーケンスを作成するための所定の期間における対象降雨の空間分布を予測した予測データを作成し、
   前記予測データと、予め設定された閾値とを比較し、前記予測データに前記閾値を超えるデータが含まれる場合、前記閾値を超えるデータに対応する領域の観測に、前記領域外の観測の少なくともいずれかを割り当てるように、気象レーダ装置による観測手順を示す観測シーケンスを作成することを特徴とする観測シーケンス作成方法。
7. 気象レーダ装置で用いられる観測シーケンス作成プログラムであって、
   放射したレーダパルスが反射された反射パルスに基づき、受信強度、ドップラー速度及び速度幅を算出する処理と、
   前記受信強度に基づいての降水強度データを算出する処理と、
   前記ドップラー速度及び速度幅に基づいて風向・風速データを算出する処理と、
   前記降水強度データと、前記風向・風速データとに基づき、観測シーケンスを作成するための所定の期間における対象降雨の空間分布を予測した予測データを作成する処理と、
   前記予測データと、予め設定された閾値とを比較し、前記予測データに前記閾値を超えるデータが含まれる場合、前記閾値を超えるデータに対応する領域の観測に、前記領域外の観測の少なくともいずれかを割り当てるように、前記気象レーダ装置による観測手順を示す観測シーケンスを作成する処理と
   を前記気象レーダ装置のコンピュータに実行させることを特徴とする観測シーケンス作成プログラム。

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