JP2001033567A - 超短時間降雨瞬時予測方法及び装置 - Google Patents
超短時間降雨瞬時予測方法及び装置Info
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Abstract
狭い地域内における直近の1時間程度の雨量の推移を知
りたい場合に使用する降雨量予測方法として、時空間解
像度が高く、予測に要する時間を大幅に短縮できるもの
を提供する。 【解決手段】 気象庁によって所定時間毎に発表される
合成レーダーによる降水量分布の観測値Aと、その移動
経路に所定の間隔で分散配置された雨量計3で観測され
た雨量Bとを比較して得た二次元補正値Cを用い、上記
降水量分布の観測値Aを実雨量分布D(=A×C)に変
換する。さらに、実雨量分布Dに対してパターンマッチ
ングを行うことにより得た実雨量分布の平均移動ベクト
ルMから、現時点の実雨量分布Dの予測時点における到
達位置(x1 ,y1 )を求め、この到達位置の実雨量分
布Dから予測時点における予測地点の降雨量予測値Eを
算出する。
Description
高い降雨量予測を、瞬時に行うことができる超短時間降
雨瞬時予測方法及び装置に関する。
雨量を予測することは、ダムの貯水量管理をする上で極
めて重要である。上流域の降雨量が正確に予測できれ
ば、上流域における河川への流出水量を計算する流出予
測システムによって、将来のダムへの流入水量を正確に
把握でき、これによってダムの貯水能力を最大限に活用
した水資源管理が可能になるからである。
の初期状態(気圧p、気温T、密度ρ、水蒸気の質量濃
度m、地球に対する空気の相対的速度v)から出発し
て、質量保存則(連続の方程式)、ニュートンの第2法
則(運動方程式)、熱力学エネルギー方程式、水成分の
質量保存則等を用い、時間を追って数値積分することに
より、将来の大気の状態を計算することができる。近年
のスーパーコンピュータの発達により、これらの計算を
非線形で扱うことができるようになり、降雨量の予測
も、これによって行うことができる。
されている降水短時間予報は、予測地域を5.5km四
方の単位面積に区切り、各単位面積毎に、現時点から3
時間先までの1時間単位の降雨量を1時間間隔で予報す
るもので、毎正時を予測開始時点として約30分を経過
した後に発表されている。
は、空間解像度が5.5km四方、時間解像度が1時間
単位と共に低い。しかも予測時間に30分間もの長さを
必要とする。
その上流域は比較的狭く、時空間的に激しく降雨状況が
変動すると共に、この上流域に降水した水が河川に流れ
込む出水までの遅れ時間が比較的短時間である。
操作のための流出予測に利用しようとしても、時空間的
解像度及び予測時間の両面で不適当であり、入力雨量と
して活用することができなかった。
も利用できるように、空間解像度及び時間解像度が高
く、予測に要する時間を大幅に短縮できる予測方法と装
置を提供することを目的とする。
る発明は、所定時間毎に得られる合成レーダーによる降
水量分布の観測値と、上記降水量分布が予測地点に向か
って移動する経路に、所定の間隔で分散配置された雨量
計で観測された雨量とを用い、上記降水量分布の観測値
を、その降水量分布について雨量計により観測された雨
量と比較して、この降水量分布を実雨量分布に変換する
ための二次元補正値を算出し、この二次元補正値を、各
降水量分布の観測値に乗じることによって、実雨量分布
に変換し、所定時間毎に得られる上記実雨量分布に対し
てパターンマッチングを行うことにより得た実雨量分布
の平均移動ベクトルから、現時点の実雨量分布が予測時
点に到達する位置を求め、この到達位置の実雨量分布か
ら予測時点における予測地点の雨量予測値を算出するこ
とを特徴とする。
求項1に記載した超短時間降雨瞬時予測方法において、
現在観測されている降水量分布を二次元補正値によって
変換して得た実雨量分布が、予測地点に到達するまでに
発達する比率を、その通過経路の上昇気流に基づき計算
し、到達位置を算出した実雨量分布の強度を、この比率
で補正することを特徴とする。
間毎に得られる合成レーダーによる降水量分布の観測値
を受信する手段と、予測地点に向かう降水量分布の移動
経路に、所定の間隔で分散配置された雨量計と、合成レ
ーダーによる降水量分布の観測値を、その降水量分布に
ついて雨量計により観測された雨量と比較して、この降
水量分布を実雨量分布に変換するための二次元補正値を
算出する補正値算出手段と、前記二次元補正値を、各降
水量分布の観測値に乗じることによって、実雨量分布に
変換する実雨量分布算出手段と、所定時間毎に得られる
上記実雨量分布に対してパターンマッチングを行うこと
により得た実雨量分布の平均移動ベクトルから、現時点
の実雨量分布が予測時点に到達する位置を求める到達位
置算出手段と、この到達位置の実雨量分布から予測地点
の予測時点における雨量予測値を算出する降雨量算出手
段とを備えたことを特徴とする超短時間降雨瞬時予測装
置である。
3に記載した超短時間降雨瞬時予測装置において、現在
観測されている降水量分布から変換された実雨量分布
が、予測地点に到達するまでに発達する比率を、その通
過経路の上昇気流に基づき計算する発達率算出手段と、
到達位置を算出した実雨量分布の強度を、この比率で補
正する強度補正手段とを備えたことを特徴とする。
求項3又は4に記載した超短時間降雨瞬時予測装置にお
いて、所定の間隔で分散配置された雨量計に、観測した
雨量が変化した時点で、この雨量を、電話回線を通じT
CP/IPプロトコルにより、補正値算出手段を備えた
サーバに自発的に送信する通信手段が備えられているこ
とを特徴とする。
求項3〜5のいずれか1項に記載した超短時間降雨瞬時
予測装置において、降雨量算出手段における降雨量の予
測計算が、空間解像度を最小2.5km四方とし、時間
解像度を最小5分間雨量として、夫々、任意に設定でき
るようにされていることを特徴とする。
水量の観測値を、予測時点における実雨量分布に換算す
るためのモデルを考え、このモデルによって予測計算を
行うことにより、上記降水短時間予報よりも、時空間的
解像度が高く予測計算に必要な時間を大幅に短縮した超
短時間降雨瞬時予測を行う。
ている。合成レーダーによる降水量分布の観測値Aは、
水滴によって反射するレーダー電波の受信電力を降水量
として検出したもので、複数のレーダの観測値を合成し
て得られる。この観測値は、観測域内の水滴の大きさに
よってレーダー電波の反射率が異なり、レーダー電波の
減衰率が通過経路中の水滴密度によって変化する等によ
って、実際の降水量を表わすものとはなっていない。そ
のため、実雨量に換算するための補正を行う必要があ
る。この補正値は、上記降水量分布Aを、降水量分布の
通過経路に分散配置された複数の雨量計で観測された雨
量Bと比較することにより、二次曲面で表わせる二次元
補正値Cとして決められる。そして、前記降水量分布の
観測値Aに、この二次元補正値Cを乗じることによっ
て、実雨量分布Dが求められる。
0,y0)から気象擾乱(前線)と共に移動して行く。こ
の予測時点における到達位置(x1,y1)は、それまで
に観測された実雨量分布Dの平均移動ベクトルMに経過
時間tを乗じた距離だけ隔たった位置として決定でき
る。そこで、到達位置(x1,y1)が計算された実雨量
分布Dに基づいて、予測地点の降雨量Eを求めることが
できる。
ことができるのは、降水量の通過経路に雨量計を必要数
だけ配置することによって、精度の高い二次元補正値C
が得られるからであり、これによって、例えば、2.5
km四方を単位として観測された合成レーダーの降水量
分布の観測値を用いて、2.5km四方の区域に対し5
分間雨量を予測する降雨量予測が可能になる。そして、
このモデルは単純化されているので、例えば予測開始後
1分後に予測雨量が求められるという高速演算が可能に
なる。
雲)が、上昇気流に出会うことにより発達することを考
慮し、通過経路の上昇気流から発達率を計算し、予測地
点が算出された実雨量分布Dの強度を、この発達率で、
さらに補正した実雨量分布D′として扱うことにより、
さらに高い予測精度を得ることができる。
間降雨瞬時予測装置1の構成例を示す。この図におい
て、2は気象庁の発表する合成レーダーによる降水量分
布の観測値等の気象情報を気象衛星から受信する受信手
段、3,3,…は、上記降水量分布(雨雲)の通過経路
に、所定の間隔で分散配置された雨量計、4は降水量分
布を実雨量分布に補正するための二次元補正値Cを算出
する補正値算出手段、5は降水量分布Aに前記二次元補
正値Cを乗じることによって実雨量分布Dに変換する実
雨量分布算出手段、6は変換された実雨量分布Dが、予
測時点に到達する位置を算出する到達位置算出手段、7
は実雨量分布が通過する位置の風速から実雨量分布の発
達率を演算する発達率算出手段、8は到達位置を算出し
た実雨量分布に対して、計算されている発達率に基づい
て実雨量分布の強度を補正する実雨量分布の強度補正手
段、9は強度を補正された実雨量分布D′に基づいて、
予測地点の降雨量Eを算出する降雨量算出手段である。
用受信機2bを用いて、気象庁が通信衛星を介して発表
する気象情報を受信する。本発明は、この受信情報の内
で、降水量分布の合成レーダー観測値、アメダス雨量計
の観測値、及びGPV(グリッド・ポイント・バリュ
ー)情報に含まれる風速等を用いる。降水量分布の合成
レーダ観測値は、複数レーダーの観測値を合成し、図3
に示すように、経線と緯線で2.5km四方に区切った
区域毎に、その上空の降水強度レベル値*を表したもの
で、現在7.5分おきに発表されている。アメダス雨量
計の観測値は、この雨量計が、予測地点に向かって移動
する降水量分布の通過経路に設置されている場合に利用
される。例えば、図4において△はアメダス雨量計の設
置点を示しているが、■で示したダムの上流域(斜線で
囲まれた範囲)の降雨量を予測する場合、地点△1と地
点△2のアメダス雨量計の観測値が利用できる。GPV
情報は、20km間隔の経線と緯線の交点における気
温、水蒸気、風速等を提供するもので、本発明では主と
して風速、特に精度が必要な場合に気温と水蒸気を追加
して用いる。
移動する降水量分布の通過経路に、所定の間隔で分散配
置される。降水量分布Aは、気象擾乱(前線)と共に移
動するものであり、気象擾乱の移動方向は、地域と季節
によって決まるので、これに対応させて雨量計3,3,
…を配置する。図4の和歌山市周辺の配置例は、台風シ
ーズンにおいて、■で示したダムの上流域(斜線で囲ま
れた範囲)の降雨量予測を行うのに適合させた配置であ
る。通過経路には、前述したように地点△1と地点△2に
既設のアメダス雨量計があるが、これだけでは本発明に
よる予測ができないので、○で示す地点にも雨量計を新
設する。なお、□はダムの上流域における雨量を直接観
測する既設の雨量計で、この観測値は、予測値と実雨量
との比較のため等に利用される。なお、雨量計の配置間
隔は、上記二次元補正値に必要な精度が得られるよう
に、経験則に基づき決められるもので、図4の配置例
は、現在2.5km四方を単位として発表される合成レ
ーダーによる降水量分布に基づいて、2.5km四方を
単位として5分間雨量の予測を行うことができる配置例
である。
レーダーによる降水量分布の観測値Aを、雨量計で観測
された雨量Bと比較することにより、降水量分布を実雨
量分布に変換するための二次元補正値Cを算出する。
降水強度を観測したものであり、この雨量データを編集
して降水強度◎(単位時間当たりの降水量)に変換した
ものは、降下中に平均化されて地上への降雨量となる。
そこで、地上の雨量計の観測値Bに対応する降雨量とす
るため、雨量計の存在する区域と、これに隣接する区域
の降水強度を用い、空間平均化を行う。この平均化にお
いて、隣接する区域の降水強度を取り入れる比率は、実
際に計算を行い、実測値と比較することによって最適化
した値を用いる。この比率は、雨量計の区域内の位置に
よっても変化する。
と、雨量計で観測した降雨量との比を求めることによ
り、雨量計の設置位置での補正係数を決定することがで
きる。雨量計が設置されていない区域の補正係数は、二
次曲面近似による補間(内挿)によって求める。この補
間は、例えば、補正係数の集合によって形成される図3
に示すような二次曲面Cを最小自乗的に推定するMcL
ainの手法によって行う。この手法で用いる二次曲面
式θ(x,y)=C20・x2+C11・xy+C02・y2+
C10・x+C01・y+C00は、複数のパラメータC20〜
C00を持つので、これらの値を決めるため、前述したよ
うに複数の雨量計を設置する必要がある。
量分布Aに、前記二次元補正値Cを、乗じることによっ
て実雨量分布Dに変換する。
布Dが、予測を行う時点に到達する位置を算出する。こ
れは、図5に示すような、所定時間毎に得られる合成レ
ーダーによる降水量分布の観測値Aに対し、図1に示す
補正を行って実雨量分布Dに変換した後、図6に示すよ
うに、この実雨量分布Dの強度の大きい部分に対してパ
ターンマッチングを行って、その平均移動ベクトルMを
算出し、これに予測時点までの経過時間tを乗じて得た
移動量M・tから、現時点の実雨量分布Dの予測時点に
おける到達位置(x1,y1)を求めるものである。
度差が小さい場合等にパターンマッチングをすると、明
瞭なパターンを認識することができず誤認識する場合が
ある。これに対応するため、前回のパターン認識位置に
対して、今回のパターン認識位置が、それまでの進行方
向に対して90°以上変化しているときは、パターン認
識の失敗と判断して、それまでに求められている実雨量
分布Dの平均移動ベクトルMをそのまま使用する。
る位置の風速から実雨量分布Dの発達率を演算する。実
雨量分布(雨雲)は上昇気流に出会うと発達して、その
強度が大きくなる。気象庁は、前記GPV情報として、
観測地域を20km四方に区切る経線と緯線の各交点に
ついて、3次元方向の風速等を発表している。この交点
の風速がわかると、その区域内の山、谷、平野といった
各部分の地形から、各部分の上昇気流が求められ、これ
に基づいて発達率を計算できる。
に求めることができる。実雨量分布(雨雲)の通過経路
の各区域の上昇気流の平均値が、図7に示したように分
布していたとする。このとき、実雨量分布の現在位置の
上昇気流の平均値をW0、予測した到達位置の上昇気流
の平均値をW1とすると、発達率=1.+log〔√(W
1−W0)〕として求めることができる。
出手段5によって求められた実雨量分布Dの各メッシュ
の降水強度に対して、上記発達率を乗じることによっ
て、実雨量分布の強度を補正する。
雨量分布D′に基づき空間分解能(予測の単位面積)と
時間分解能(5分間雨量,10分間雨量といった予測の
単位時間)を任意に設定して、予測地点の降雨量を算出
する。この計算は前述した空間平均化によって行われ
る。上述したように、合成レーダによる降水量の観測値
として、2.5km四方単位の降水量が7.5分おきに発
表されるものを用い、雨量計の配置が図3に示すような
配置間隔となっている場合は、この空間分解能を最小で
2.5km四方、時間分解能を最短で5分間雨量とする
ことができる。
に行われ、最大1時間先までの予測を行うものとする。
予測に要する時間は1分間程度であるので、これよりも
短い間隔で予測を行うこともできるが、7.5分おきに
発表される合成レーダによる降水量の観測値を用いるた
め、これ以上予測間隔を短くしても、余り意味がないか
らである。また1時間先までの予測としたのは、電力ダ
ムで必要とするデータの時間範囲に合せたものである。
測装置1の実設備への配置例を示したものである。本発
明装置は、周辺に複数の雨量計3,3,…を配置したダ
ム10と、電力会社の支店等の管理施設11に分散して
設けられ、LAN回線12及び電話回線13等の通信網
で接続されて運用される。
サーバ14が設置される。受信手段2は前述したよう
に、パラボラアンテナ2aと専用受信機2bを持ち、気
象庁が通信衛星を介して発表する気象情報を受信し、自
社のLAN回線12に受信データを送出する。気象情報
サーバ14は、上記補正値算出手段4、実雨量分布算出
手段5、到達位置算出手段6、発達率算出手段7、強度
補正手段8、及び降水量算出手段9を備えたもので、上
記LAN回線12から取得した情報をもとに、降水量分
布の予測計算を行う。
管理システム16が設置される。気象観測サーバ15
は、ダムの周辺に設置された複数の雨量計3,3,…で
観測された雨量を収集して記録すると同時に、この情報
をLAN回線12を通して前記気象情報サーバ14に送
信し、気象情報サーバ14で算出された降雨量予測値を
受信して、ダム管理システム16に出力する。ダム管理
システム16は、降雨量予測値から上流の流出水量予測
を行って、ダムを制御する。
の各地区の観測所A,B,C,…に設置されている雨量
計3,3,…は、観測した雨量を、従来使用されていた
テレメータに代え電話回線13を通じネットワーク通信
手順(TCP/IPプロトコル)により、気象観測サー
バ15に送信する。このため雨量計3には、観測した雨
量を収集記録するネットロガー3aと、電話回線13に
接続するための通信手段としてのモデム3bが設けられ
ている。
するようにしたのは、次の理由による。データ伝送用の
テレメーターは、山間僻地の遠隔地に雨量計を設置する
場合に必須とされていた。しかし、山岳地帯に専用のア
ンテナを立てて送受信装置を配置するのは、平野部での
施工と異なり工費がかなり嵩む。このため、雨量計1台
設置するだけでも多大なコストが必要となり、本発明で
必要とされる数の雨量計を確保するのは困難である。
観測サーバ15に向けて単方向通信により送信するもの
で、気象観測サーバ15から指令することはできない。
これに対して、電話回線は双方向通信が可能であり、気
象観測サーバ15から雨量計3に観測及び報告の手順を
指令したり自己診断結果を報告させる等の遠隔制御が可
能になる。これによって、雨量計3を設置した無人観測
所A,B,C,…の保守・管理費用を低減することがで
きる。
行うには、携帯電話を使用することができる。これによ
って配線コストが不要になり、設置費用はテレメータを
使用した場合の1/10以下にすることができる。電話
回線を使用する場合は、雨量計3からの観測値の送信
は、例えば、観測の最小単位である0.1mm以上雨量
が変化した時点でのみ、雨量計側から発信する自己発呼
型動作とすることにより、通信コストを抑制できる。ま
た、この通信方法は汎用性の高いネットワーク技術を利
用しているため、特殊なプログラム等の開発が不要であ
り、開発費用も低額で済む利点がある。
ながれている雨量計3の観測値は、このLAN回線を通
して送信される。また、アメダス雨量計の観測値は、気
象協会の通信網を通して収集され、通信衛星を介して受
信される。
測サーバ15に収集された後に、気象情報サーバ14に
転送され、気象協会から発表された前記気象情報と合せ
ることにより、降雨量の超短時間瞬時予測が行われる。
この予測情報は、ダムの気象観測サーバ15を通して、
ダム管理システム16に送られ、出水予測システムによ
ってダムに流入する水量を計算して、ゲートの開閉等の
調整が行われる。この予測データは、制御所、電力所、
及び他のダム等において、LANを通してつながれた端
末でも知ることができる。
作のために行う場合に即して行ったが、本発明は、例え
ば屋外球技場において雨に対して試合の続行を判断する
場合のように、狭い区域内で直近の1時間以内の雨量の
推移を知りたいような場合にも利用することができるも
のである。
瞬時予測方法は、合成レーダーによって観測された降水
量分布の実雨量分布への換算を、必要位置に所定数だけ
設置した雨量計の観測値と、降水量分布とを比較して得
た二次元補正値によって行い、この実雨量分布の予測時
点における到達位置を、その平均移動ベクトルによって
決定するというモデル化によって、時空間的解像度が高
い降雨量予測を、予測時間を大幅に短縮して行うことが
できる。
時予測方法は、実雨量分布の強度が通過経路における上
昇気流によって発達することを考慮し、請求項1の予測
モデルに、この上昇気流に基づいて計算した発達率によ
って、実雨量分布の強度を補正するという要素を加えた
ので、さらに精度の高い予測を行うことができる。
装置は、請求項1に記載した方法を装置とした場合の構
成を示したもので、これによって上記方法を具体的に実
施することが可能になる。
装置は、請求項2に記載した方法を装置とした場合の構
成を示したもので、これによって上記方法を具体的に実
施することが可能になる。
求項3及び4に記載した超短時間降雨瞬時予測装置にお
いて、気象観測サーバに雨量を伝送する装置として、テ
レメータに代え携帯電話等の電話を用いる構成を示して
いる。これによって、時空間的解像度を高くするため、
所定の間隔で必要数設ける必要があり、山岳地帯に設置
されることが多くなる雨量計を、低コストに設置すると
同時に、その運用コストを抑制することができる。
求項3〜5に記載した超短時間降雨瞬時予測装置に、電
力ダムの操作に利用できる程度の時空間的解像度を持た
せた構成を示したもので、これによって、電力ダムの操
作に実際に利用できる雨量予測を行うことが可能にな
る。
る図。
を示す図。
図。
図。
Claims (6)
- 【請求項1】 所定時間毎に得られる合成レーダーによ
る降水量分布の観測値と、上記降水量分布が予測地点に
向かって移動する経路に、所定の間隔で分散配置された
雨量計で観測された雨量とを用い、 上記降水量分布の観測値を、その降水量分布について雨
量計により観測された雨量と比較して、この降水量分布
を実雨量分布に変換するための二次元補正値を算出し、 この二次元補正値を、各降水量分布の観測値に乗じるこ
とによって、実雨量分布に変換し、 所定時間毎に得られる上記実雨量分布に対してパターン
マッチングを行うことにより得た実雨量分布の平均移動
ベクトルから、現時点の実雨量分布が予測時点に到達す
る位置を求め、 この到達位置の実雨量分布から予測時点における予測地
点の雨量予測値を算出することを特徴とする超短時間降
雨瞬時予測方法。 - 【請求項2】 現在観測されている降水量分布を、二次
元補正値によって変換して得た実雨量分布が、予測地点
に到達するまでに発達する比率を、その通過経路の上昇
気流に基づき計算し、到達位置を算出した実雨量分布の
強度を、この比率で補正することを特徴とする請求項1
に記載した超短時間降雨瞬時予測方法。 - 【請求項3】 所定時間毎に得られる合成レーダーによ
る降水量分布の観測値を受信する手段と、 予測地点に向かう降水量分布の移動経路に、所定の間隔
で分散配置された雨量計と、 合成レーダーによる降水量分布の観測値と、この降水量
分布について雨量計により観測された雨量とを比較し
て、この降水量分布を実雨量分布に変換するための二次
元補正値を算出する補正値算出手段と、 前記二次元補正値を、各降水量分布の観測値に乗じるこ
とによって、実雨量分布に変換する実雨量分布算出手段
と、 所定時間毎に得られる上記実雨量分布に対してパターン
マッチングを行うことにより得た実雨量分布の平均移動
ベクトルから、現時点の実雨量分布が予測時点に到達す
る位置を求める到達位置算出手段と、 この到達位置の実雨量分布から予測地点の予測時点にお
ける雨量予測値を算出する降雨量算出手段とを備えたこ
とを特徴とする超短時間降雨瞬時予測装置。 - 【請求項4】 現在観測されている降水量分布から変換
された実雨量分布が、予測地点に到達するまでに発達す
る比率を、その通過経路の上昇気流に基づき計算する発
達率算出手段と、到達位置を算出した実雨量分布の強度
を、この比率で補正する強度補正手段とを備えたことを
特徴とする請求項3に記載した超短時間降雨瞬時予測装
置。 - 【請求項5】 所定の間隔で分散配置された雨量計に、
観測した雨量が変化した時点で、この雨量を、電話回線
を通じTCP/IPプロトコルにより、補正値算出手段
を備えたサーバに自発的に送信する通信手段が備えられ
ていることを特徴とする請求項3又は4に記載した超短
時間降雨瞬時予測装置。 - 【請求項6】 降雨量算出手段における降雨量の予測計
算が、空間解像度を最小2.5km四方とし、時間解像
度を最小5分間雨量として、夫々、任意に設定できるよ
うにされていることを特徴とする請求項3〜5のいずれ
か1項に記載した超短時間降雨瞬時予測装置。
Priority Applications (1)
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