JP2009098001A

JP2009098001A - 降雨減衰判定装置及びそれを用いた降雨観測システム並びに降雨減衰判定方法

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Publication number: JP2009098001A
Application number: JP2007269957A
Authority: JP
Inventors: Etsu Iwanami; 越岩波
Original assignee: NAT RES INST FOR EARTH SCIENCE; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED)
Current assignee: NAT RES INST FOR EARTH SCIENCE; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED)
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP4739306B2

Abstract

【課題】降雨データ取得不能領域を降雨減衰によるものであるか判定する簡易で計算負荷の小さい降雨減衰判定装置及びそれを用いた降雨観測システム並びに降雨減衰判定方法を提供する。
【解決手段】取得した観測データから減衰係数及び片道経路積算減衰量を計算する減衰演算手段３１１と、大気減衰等から最小受信感度を計算する最小受信感度演算手段３１２と、あらかじめ設定した検知限界降雨強度から検知限界反射強度を計算する検知限界演算手段３１３と、減衰演算手段３１１、最小受信感度演算手段３１２及び検知限界演算手段３１３で求めた値を比較した結果から検知不能領域を推定する検知不能領域推定手段３１４と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏波レーダーによる降雨観測時等における簡易な降雨減衰判定装置及びそれを用いた降雨観測システム並びに降雨減衰判定方法に関する。

従来、偏波レーダーにより、電波をアンテナから大気中へ射出し、射出された電波が雨に当たってアンテナに帰ってくることで、電波の強さを測定し、降雨位置、降雨強度及び降雨量を推定している降雨観測装置があった。

また、マルチパラメータレーダーにより得られる比偏波間位相差、反射因子差、反射因子に基づき降雨強度の推定式、雨水量の推定式を用い、地上付近の気温、観測仰角、標準大気の気温減率よりレンジ方向の温度プロファイルを計算し、温度依存性と仰角依存性を考慮した推定式の係数とべき指数を用いて降雨強度と雨水量の３次元分布を推定することで、降雨強度及び雨水量の３次元分布の推定精度を高めたものが開示されている（特許文献１）。
特開２００６−２０８１９５号公報

上記従来の技術では、偏波レーダーを用いることで、より正確な降雨強度推定ができるが、非常に強い降雨域の後面等の領域では、大きな降雨減衰が生じるため、降雨データが得られないことがあった。この場合、降雨データが取得できない領域について、他のレーダーにより判定をし、降雨データを得ていた。

しかしながら、他のレーダーがカバーできない領域等に関して、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域と、無降水領域とを区別し、判定することができず、データ合成や数値モデルへのデータ同化の際に誤差を生じることがあった。

本発明は、降雨データ取得不能領域を降雨減衰によるものであるか判定する簡易で計算負荷の小さい降雨減衰判定装置及びそれを用いた降雨観測システム並びに降雨減衰判定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の降雨減衰判定装置は、取得した観測データから減衰係数及び片道経路積算減衰量を計算する減衰演算手段と、大気減衰等から最小受信感度を計算する最小受信感度演算手段と、あらかじめ設定した検知限界降雨強度から検知限界反射強度を計算する検知限界演算手段と、前記減衰演算手段、前記最小受信感度演算手段及び前記検知限界演算手段で求めた値を比較した結果から検知不能領域を推定する検知不能領域推定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、前記検知不能領域推定手段は、前記減衰演算手段により計算した片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界演算手段により計算した検知限界反射強度と前記最小受信感度演算手段により計算した最小受信感度との差より大きい場合、所定値以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域であると判断することを特徴とする。

さらに、本発明の降雨観測システムは、偏波レーダーの取得した観測データから降雨強度分布を推定する降雨強度分布推定手段と、前記降雨強度分布推定手段の観測結果と前記降雨減衰判定装置の観測結果とから降雨強度分布を降雨減衰による検知不能領域で補正した観測結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明の降雨減衰判定方法は、観測データから比偏波間位相差を導出するステップと、前記比偏波間位相差から片道経路積算減衰量を計算するステップと、レーダー特有の定数及び大気減衰等から最小受信感度を計算するステップと、検知限界反射強度を計算するステップと、前記片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいか判断するステップと、前記片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいと判断した場合、所定値以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域であると判断するステップと、を有することを特徴とする。

このような降雨減衰判定装置及びそれを用いた降雨観測システム並びに降雨減衰判定方法により、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域と、無降水領域とを、簡易に区別し、判定することができるので、データ合成や数値モデルへのデータ同化の際に誤差を生じることがなく、計算負荷も小さくすることができる。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１は、本発明の実施形態の降雨観測システムの主要構成を示す図である。図中、１は降雨観測システム、２は偏波レーダー、３は演算部、３０は降雨強度分布推定手段、３１は降雨減衰判定装置、３１１は減衰演算手段、３１２は最小受信感度演算手段、３１３は検知限界演算手段、３１４は検知不能領域推定手段、４は出力手段である。

本実施形態では、偏波レーダー２として、周波数９ＧＨｚ（波長３ｃｍ）を用いたＸバンドマルチパラメータレーダーを適用する。図２に示すように、偏波レーダー２は、水平と垂直の二種類の偏波の電波を使用する。これは、雨の強度により雨滴の形状が変化する原理を利用するからである。図３に示すように、雨滴は粒径が大きくなると球状から扁平な形状に変化する。偏波レーダー２は、この形状の変化を、水平と垂直の二種類の偏波の電波により観測することができる。なお、本実施形態ではＸバンドマルチパラメータレーダーを適用したが、これに限らず、偏波レーダーであればよい。

図４に示すように、まず、アンテナから水平と垂直の二種類の偏波の電波を送信する。これらの電波は、雨滴で反射し、アンテナに受信される。この受信された電波から観測データとして様々なパラメータが取得され、演算部３に出力される。

演算部３は、降雨強度分布推定手段３０と降雨減衰判定装置３１とを有する。

降雨強度分布推定手段３０は、偏波レーダー２の取得した観測データから降雨強度分布を推定する。

降雨減衰判定装置３１は、偏波レーダー２の取得した観測データから減衰係数及び片道経路積算減衰量を計算する減衰演算手段３１１と、偏波レーダー２に依存する定数及び大気減衰から最小受信感度を計算する最小受信感度演算手段３１２と、あらかじめ設定した検知限界降雨強度から検知限界反射強度を計算する検知限界演算手段３１３と、減衰演算手段３１１、最小受信感度演算手段３１２及び検知限界演算手段３１３で求めた値を比較した結果から検知不能領域を推定する検知不能領域推定手段３１４と、を有する。

そして、降雨強度分布推定手段３０と降雨減衰判定装置３１との推定結果から降雨減衰による降雨データ取得不能領域を判定し、その結果を考慮し補正した観測結果の表示データや数値データを出力手段４が出力する。

図５は、具体的な降雨観測システムのフローチャートを示す。まず、ステップ１で、偏波レーダー２から観測データを取得する（ＳＴ１）。続いて、ステップ２で、観測データの偏波間位相差φ_DPから比偏波間位相差Ｋ_DPを導出する（ＳＴ２）。偏波間位相差φ_DPは、図４に示したように、水平偏波と垂直偏波の位相差であり、比偏波間位相差Ｋ_DPは、水平偏波と垂直偏波の単位距離当たりの位相差である。これらのパラメータ、偏波間位相差φ_DP及び比偏波間位相差Ｋ_DPは、偏波レーダー２の制御計算部により求めてもよく、また演算部３により求めてもよい。

次に、ステップ３で、降雨強度分布推定手段３０により、降雨強度Ｒを推定する（ＳＴ３）。降雨強度Ｒは、例えば、特許文献１のように、比偏波間位相差Ｋ_DPや雨から反射して帰ってくる電波の強さを表す反射因子Ｚ_Hから求めることができる。例えば、本実施形態では、次の式（１）又は式（２）等から求めることができる。
Ｒ＝ｃＫ_DP ^d（ｒ）・・・（１）
Ｒ＝ｅＺ^f（ｒ）・・・（２）
次に、ステップ４〜ステップ９の降雨減衰判定装置３１による降雨減衰判定方法を説明する。

ステップ４で、減衰演算手段３１１により、減衰係数Ａと片道経路積算減衰量ＰＩＡを計算する（ＳＴ４）。まず、減衰係数Ａ_Hを次の式（３）から求める。
Ａ_H＝αＫ_DPβ ・・・（３）

ここで、α及びβを求める手法として、Self-consistent法（Bringi et al.2001, Park et al 2005a,b）及び簡易手法等がある。

Self-consistent法は、
Ａ_H＝Ａ_H（r，α），β＝１．０・・・（４）
と仮定し、（α_min，α_max）＝（０．０２５，０．５７５）の範囲で、αを０．０２５間隔で動かし、偏波間位相差φ_DPの観測値と推定値の誤差が小さくなるように最適値α_optを反復して評価する。このα_optを用いてＡ_H（ｒ）を推定する。

本実施形態で用いた簡易手法は、（α，β）＝（０．２９３，１．１０１）とし、Ａ_H（ｒ）を評価した。このα及びβは、雨滴形状としてAndsager et al.1999の関係式を採用した場合の数値である。

片道経路積算減衰量ＰＩＡは、次の式（５）から求められる。

なお、図６に示す理論値による距離に対するグラフから片道経路積算減衰量ＰＩＡを求めてもよい。ここで、括弧内の数値は、降雨強度（ｍｍ／ｈ）を表す。

次に、ステップ５で、最小受信感度演算手段３１２により最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）を計算する（ＳＴ５）。最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）は、レーダー特有の定数Ｃ及び大気減衰Ｌから次の式（６）により計算する。
ｄＢＺ₀（ｒ）＝Ｃ＋２０logｒ＋２Ｌｒ・・・（６）

次に、ステップ６で、検知限界演算手段３１３により検知限界反射強度ｄＢＺ_Cを計算する（ＳＴ６）。検知限界反射強度ｄＢＺ_Cは、検知限界降雨強度Ｒ_Cから次の式（７）及び式（８）により計算する。
Ｚ_C＝ａＲ_C ^b ・・・（７）
ｄＢＺ_C（ｒ）＝１０logＺ_C ・・・（８）

なお、本実施形態では、ｄＢＺ_C（ｒ）はディスドロメータで測定された多数の雨滴粒径分布から散乱計算によって独自に求めたＺ−Ｒ関係（Ｚ_C＝４２２Ｒ_C ^1.22，Ｚ≦３５（Park et al 2005a,b））から推定した。

また、図７に示す理論値による距離に対するグラフから最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）及び検知限界反射強度ｄＢＺ_Cを求めてもよい。ここで、（）内の数値は、降雨強度（ｍｍ／ｈ）を表す。

次に、ステップ７で、片道経路積算減衰量ＰＩＡを２倍した値が、検知限界反射強度ｄＢＺ_Cと最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）との差より大きいか判断する（ＳＴ７）。

すなわち、ステップ４において求めた片道経路積算減衰量ＰＩＡと、ステップ５において求めた最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）と、ステップ６において求めた検知限界反射強度ｄＢＺ_Cとを次の式（９）に代入し、比較する。

２ＰＩＡ（ｒ）≧ｄＢＺ_C−ｄＢＺ₀（ｒ）・・・（９）
ステップ７において、片道経路積算減衰量ＰＩＡを２倍した値が、検知限界反射強度ｄＢＺ_Cと最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）との差より大きい場合、ステップ８で、所定値Ｒ_C以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域と判断する（ＳＴ８）。

また、ステップ７において、片道経路積算減衰量ＰＩＡを２倍した値が、検知限界反射強度ｄＢＺ_Cと最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）との差より小さい場合、ステップ９で、ステップ３において求めた推定降雨強度Ｒを採用する（ＳＴ９）。

次に、ステップ１０で、ステップ３、ステップ８及びステップ９において求めた推定降雨強度Ｒ及び降雨減衰による検知不能領域の結果を表示データや数値データとして出力する（ＳＴ１０）。

図８及び図９は、本実施形態による観測結果及び従来の観測結果を示す図である。

図９は、従来の観測結果を示すもので、データのない領域は、降雨減衰による検知不能領域か、無降雨領域なのか判断することができなかった。これに対して、本実施形態による観測結果は、図８に示すように、降雨減衰による検知不能領域Ａを表示することができるので、降雨減衰による検知不能領域か、無降雨領域なのか判断することができる。

なお、本実施形態では、ステップ１〜１０の順序で降雨観測システムのフローチャートを説明したが、実行する順序はこれに限らない。例えば、ステップ３はステップ２〜ステップ１０の間であれば、いつ実行してもよい。また、ステップ４、ステップ５及びステップ６の順序もどの順序でもよい。特に、ステップ５及びステップ６は、ステップ１やステップ２の前にあらかじめ計算しておいてもよい。

このように降雨減衰判定装置３１は、取得した観測データから減衰係数及び片道経路積算減衰量を計算する減衰演算手段３１１と、大気減衰等から最小受信感度を計算する最小受信感度演算手段３１２と、あらかじめ設定した検知限界降雨強度から検知限界反射強度を計算する検知限界演算手段３１３と、減衰演算手段３１１、最小受信感度演算手段３１２及び検知限界演算手段３１３で求めた値を比較した結果から検知不能領域を推定する検知不能領域推定手段３１４と、を備えたので、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域を判定することができる。

また、検知不能領域推定手段３１４は、減衰演算手段３１１により計算した片道経路積算減衰量を２倍した値が、検知限界演算手段３１３により計算した検知限界反射強度と最小受信感度演算手段３１２により計算した最小受信感度との差より大きい場合、所定値以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域であると判断するので、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域を簡易に判定することができ、計算負荷も小さくすることができる。

さらに、降雨観測システム１は、偏波レーダー２の取得した観測データから降雨強度分布を推定する降雨強度分布推定手段３０と、降雨強度分布推定手段３０の観測結果と降雨減衰判定装置３１の観測結果とから降雨強度分布を降雨減衰による検知不能領域で補正した観測結果を出力する出力手段４とを備えるので、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域と、無降水領域とを、簡易に区別し、判定することができ、データ合成や数値モデルへのデータ同化の際に誤差を生じることがなく、計算負荷も小さくすることができる。

さらに、降雨減衰判定方法は、観測データから比偏波間位相差を導出するステップ（ＳＴ２）と、比偏波間位相差から片道経路積算減衰量を計算するステップ（ＳＴ４）と、レーダー特有の定数及び大気減衰等から最小受信感度を計算するステップ（ＳＴ５）と、検知限界反射強度を計算するステップ（ＳＴ６）と、片道経路積算減衰量を２倍した値が、検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいか判断するステップ（ＳＴ７）と、片道経路積算減衰量を２倍した値が、検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいと判断した場合、所定値以下の降雨強度の領域は降雨減衰による検知不能領域であると判断するステップ（ＳＴ８）と、を有するので、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域を簡易に判定することができ、計算負荷も小さくすることができる。

本発明の実施形態の降雨観測システムの主要構成を示す図である。水平偏波と垂直偏波を示す図である。雨滴の形状変化を示す図である。偏波レーダーによる電波の伝搬、散乱の概念図である。本実施形態の降雨観測システムのフローチャートを示す図である。距離に対する片道経路積算減衰量ＰＩＡを示すグラフである。距離に対する検知限界反射強度ｄＢＺ_C及び最小受信感度ｄＢＺ₀（ｒ）を示すグラフである。本実施形態の観測データを示す図である。従来の観測データを示す図である。

符号の説明

１…降雨観測システム、２…偏波レーダー、３…演算部、３０…降雨強度分布推定手段、３１…降雨減衰判定装置、３１１…減衰演算手段、３１２…最小受信感度演算手段、３１３…検知限界演算手段、３１４…検知不能領域推定手段、４…出力手段

Claims

取得した観測データから減衰係数及び片道経路積算減衰量を計算する減衰演算手段と、大気減衰等から最小受信感度を計算する最小受信感度演算手段と、あらかじめ設定した検知限界降雨強度から検知限界反射強度を計算する検知限界演算手段と、前記減衰演算手段、前記最小受信感度演算手段及び前記検知限界演算手段で求めた値を比較した結果から検知不能領域を推定する検知不能領域推定手段と、を備えたことを特徴とする降雨減衰判定装置。
前記検知不能領域推定手段は、前記減衰演算手段により計算した片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界演算手段により計算した検知限界反射強度と前記最小受信感度演算手段により計算した最小受信感度との差より大きい場合、所定値以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域であると判断することを特徴とする請求項１に記載の降雨減衰判定装置。
偏波レーダーの取得した観測データから降雨強度分布を推定する降雨強度分布推定手段と、前記降雨強度分布推定手段の観測結果と前記降雨減衰判定装置の観測結果とから降雨強度分布を降雨減衰による検知不能領域で補正した観測結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の降雨減衰判定装置を用いた降雨観測システム。
観測データから比偏波間位相差を導出するステップと、前記比偏波間位相差から片道経路積算減衰量を計算するステップと、レーダー特有の定数及び大気減衰等から最小受信感度を計算するステップと、検知限界反射強度を計算するステップと、前記片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいか判断するステップと、前記片道経路積算減衰量を２倍した値が、前記検知限界反射強度と前記最小受信感度との差より大きいと判断した場合、所定値以下の降雨強度の降雨が降雨減衰により検知できない検知不能領域であると判断するステップと、を有することを特徴とする降雨減衰判定方法。