JP3014759B2 - マイクロバースト前兆検出システムのための下降気流速度推定装置 - Google Patents

マイクロバースト前兆検出システムのための下降気流速度推定装置

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JP3014759B2 JP5511173A JP51117393A JP3014759B2 JP 3014759 B2 JP3014759 B2 JP 3014759B2 JP 5511173 A JP5511173 A JP 5511173A JP 51117393 A JP51117393 A JP 51117393A JP 3014759 B2 JP3014759 B2 JP 3014759B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は一般に気象の擾乱の予測に関し、より特定的
には、離着陸中の航空機に危険を及ぼすマイクロバース
トウインドシアの状態を地表面上空の低高度に引起こす
気象の擾乱の予測に関する。
2.先行技術の説明 マイクロバーストとは、通常雷雨または雨を伴なう空
気の強力な下方向の突風であり、これによって低高度で
あらゆる方向への激しい空気の流れであるウインドシア
が生じる。離着陸中の航空機に非常に危険であるウイン
ドシアは、比較的小さい領域で発生し、典型的には５な
いし15分続く。
アトラス（Atlas）による「危険な小規模の気象の擾
乱のレーダ検出（Radar Detection of Hazardous Small
Scale Weather Disturbances）」と題された米国特許
番号第Re.33,152号に開示されるような先行技術のシス
テムは、地表面でのマイクロバーストの発生を検出し、
かつ地表面に沿ってその経路を追跡して、検出位置から
離れた位置でのウインドシアの接近を警告する。これら
のシステムでは、差し迫ったマイクロバースト、その衝
突までの時間およびその衝突位置が予測され得る、地表
面上空の高所での垂直方向および水平方向の風速の情報
が得られない。もしマイクロバーストが空港の滑走路の
周辺で最初に衝突すれば、悲惨な結果になる可能性があ
る。
ウインドシアの状態を早期に警告するためのシステム
は、W.L.ラビン（W.L.Rubin）他による「マイクロ波レ
ーダを使用するマイクロバースト前兆検出（Microburst
Precursor Detection Utilizing Microwave Radar）」
と題され、本発明の譲受人に譲受された米国特許出願番
号第07/683,356号に開示される。この先行技術に従え
ば、垂直方向の風の下降気流が地表面に到達してウイン
ドシアを発生する状態を確立する前の、それが下降して
いる間に、その垂直方向の風の下降気流を検出すること
によって、ウインドシア状態の早期警告を行なう。垂直
方向の風の下降気流は、空港のまわりの予め定められた
距離の予め選択された高度範囲を照射する、走査する単
一のビームまたは垂直方向に重ねられた複数のビームの
マイクロ波ドップラーレーダシステムの受取った信号か
ら４つの気象パラメータを抽出することによって決定さ
れる。ドップラーレーダシステムのビームの数およびそ
れらのビーム幅は、ドップラーレーダシステムの各々の
レンジセルに関して、予め定められた距離よりも短い斜
めのレンズのすべてに対して垂直方向および水平方向の
境界を確立するように、予め選択された高度範囲にわた
る有効範囲を与えるように設計される。この水平方向の
境界は、垂直方向の風の下降気流の柱が確実にビームを
完全に満たすように選択され、垂直方向の境界は、レン
ジセル内での風速の勾配の影響を制限するように選択さ
れる。受取られたレーダ信号は処理され、照射された方
位−仰角セクタにおける各々のレンジ−方位セルの降水
のドップラー速度スペクトルの平均半径方向速度、スペ
クトル幅および歪みと、降水反射率とを確立する。その
後、このデータを用いてこれらのパラメータの大気水象
（降水）の垂直方向の速度、水平方向の風速、ならびに
空間的位置および範囲を確立する。その後、この垂直方
向の風速、空間範囲および反射率を、暴風により引起こ
されるマイクロバーストの前兆の気象学上の特徴と比較
する。この気象学上の特徴とは、垂直方向の下降気流の
風速が少なくとも５メートル／秒であること、垂直方向
の風の下降気流の柱の直径が1.5ないし3.0キロメートル
であること、および垂直方向の風の下降気流の領域内の
降水反射率が、そのまわりの領域の降水反射率に対して
０−20dB大きいことである。これらの基準はすべて、マ
イクロバーストを発生させる下降気流が起こっているこ
とを確認するために用いられる。
上向きのアンテナビーム内のドップラー速度スペクト
ルは、ビームの仰角の正弦の関数である垂直方向の雨滴
の速度の半径方向の成分と、ビームの仰角の余弦の関数
である水平方向の雨滴の速度の半径方向の成分とを各々
の上向きのビームのビーム幅にわたって組合わせること
によって確立される。この速度スペクトルは、各々のレ
ンジ−方位セル内での垂直方向および水平方向の大気水
象の平均速度の各々の組合わせに対して一意である。照
射された高度範囲内の各々のビームの各々のレンジ−方
位セルの測定されたドップラースペクトルパラメータ
は、連続的なレーダスキャンの際に記憶され、四次元マ
ップを確立する。測定されたドップラースペクトルパラ
メータは、平均ドップラー速度、ドップラースペクトル
幅、ドップラースペクトル非対称、およびレーダエコー
内の総ドップラースペクトルパワーを含む。マイクロバ
ーストの下降気流の中の大気水象のこれらの測定された
パラメータによって基本的な情報が得られ、それによっ
てマイクロバーストの前兆の垂直方向および水平方向の
風速を推定することができる。その垂直方向の風速が５
メートル／秒よりも大きくかつ降水反射率がまわりの領
域より０−20dB大きい、直径1.5ないし3.0キロメートル
の垂直方向の風の柱が検出されたことがこれらのマップ
から判断されると、マイクロバースト警報が発生され
る。垂直方向の下流気流がマップのデータ領域から地表
面に下降する時間は５分のオーダであるため、この警告
は、地表面のマイクロバーストウインドシアがその後に
実際に発生するよりも、着陸しようとしている航空機を
迂回させるまたは航空機の離陸を遅らせるのに十分な時
間だけ前に起こる。
上述の特許出願はマイクロバースト下降気流確認モー
ドを含み、ここで各々のレンジ−方位セルの測定値の対
になった集合（β,VRAD）（VRADは平均の半径方向のド
ップラー速度であり、βはドップラースペクトルの平均
の歪みである）を処理して対になった推定値（VV,VH）
（VVはレンジ−方位セルの雨滴の平均垂直方向速度であ
り、VHはレンジ−方位セルの雨滴の平均水平方向速度で
ある）を生成し、かつ測定値の対になった場合（σ,V
RAD）（σは平均ドップラースペクトル幅である）を処
理してレンジ−方位セルの補足的な対の推定値（VV,
VH）を生成する。
この先行技術のシステムでは２つの問題点がある。ま
ず第１に、スペクトルの歪みβの大きさが小さいため、
このパラメータの正確な推定値を得るには非常に多くの
データサンプル（処理のために受取られたデータパル
ス）が必要であることである。第２に、対になった集合
（σ,VRAD）から対になった集合（VV,VH）を得るため
に、システムが雨滴の乱れを1.0メートル／秒であると
仮定することである。実際の雨滴の乱れがこの仮定値か
ら外れていれば、対になった集合（VV,VH）に誤差が生
じる。気象学上のデータによれば雨滴の乱れは一般に1.
0メートル／秒のオーダであるが、この仮定に依存せず
に、雨滴の乱れがこの値と異なるときにより正確な対の
集合（VV,VH）を生成することが望ましい。
発明の概要 この発明に従えば、アンテナビームの１つ以上の組合
わせによって空港のまわりの予め選択された高度範囲を
走査する。各々の組合わせは２つのビームを含み、それ
らのピークは予め選択された仰角だけずれている。この
２つのビームの組合わせのうちの１つのビーム（以下、
第２のビームと称す）の仰角ビーム幅は、その組合わせ
の第１のビームの仰角ビーム幅よりも狭い。下降気流確
認追跡モードの間マイクロ波エネルギは第１のビームを
介して送られ、レーダ反射は両方のビームを介して受取
られる。受取られた信号を処理して、雨の反射率と、各
々のビームにおいて検出された半径方向速度の平均値が
生成される。その後この２つの平均値をさらに処理し
て、それらの間の差と、半径方向速度の２つの平均値の
平均値を生成する。これらの値、すなわち各々のビーム
の平均半径方向速度の間の差とこれらの２つの平均値の
平均値とを、水平方向の風速および垂直方向の雨の速度
の予め定められた値に関する、半径方向の速度の差対半
径方向の速度の平均値の平均値の予め定められた関数と
ともに用いて、水平方向の風速および垂直方向の雨の速
度を確立する。静止空気中の垂直方向の雨の速度は、ジ
ョス−ウォールボーゲル（Joss−Waldvogel）の関係に
おいて反射率を用いることによって得られ、それを確立
された垂直方向の雨の速度から減算することにより、垂
直方向の風速が得られる。その後、上述の先行技術（こ
れは引用によりここに援用される）と同様に、この水平
方向および垂直方向の風速をさらに処理して、マイクロ
バーストの前兆が検出されたかどうかを決定する。対に
なった集合（VV,VH）の正確な推定値を得るために、こ
の処理には先行技術で必要であるよりも約100の係数少
ないサンプルしか必要としない。さらに、本発明は雨滴
の乱れの影響は実質的に受けない。
本発明は、添付の図面を参照した以下に示す詳細な説
明においてより完全に説明される。
図面の簡単な説明 図１は、マイクロバーストを生じさせる気象状態、お
よびウインドシア状態の発生を説明するのに有用な図で
ある。
図2a、図2bおよび図2cは、マイクロバーストの前兆を
示す図である。
図３は、マイクロバースト予測データを得るために用
いられ得る垂直方向に重ねられたアンテナビームの組合
わせを示す図である。
図４は、本発明の好ましい実施例のブロック図であ
る。
図５は、水平方向および垂直方向の風速の種々の値に
関する、各々のビームの平均半径方向ドップラー速度の
差対各々のビームの平均ドップラー速度の平均値のカー
ペットプロット図である。
図６は、ウインドシア状態の予測のために、図４に示
す本発明の好ましい実施例によって得られるパラメータ
を処理するために用いられ得るウインドシア予測装置の
ブロック図である。
好ましい実施例の説明 航空機の離着陸の際の事故の主な原因は、マイクロバ
ーストと呼ばれる、ウインドシアの特定の形のものであ
る。航空の危険を示すための造語であるマイクロバース
トという言葉は、湿った空気の強力な下方向の突風のこ
とであり、これによって地表面の近くであらゆる方向に
激しい水平方向の空気の流れが生じる。この激しい水平
方向の空気の流れによって、その中心付近で水平方向の
風に速度差が生じる。このウインドシアが、地表面上
（AGL）500メートル未満の直径が約4Kmの地表面領域に
わたり、10メートル／秒以上であるときに、マイクロバ
ーストが発生したと言われる。地上からの高度が低いと
ころでは、クラッタとして既知の地面反射と、多くの場
合下降気流の（レーダエコーを生成する）湿気の多くが
地表面に到達する前に蒸発してしまうこととによって、
ウインドシアのレーダ検出は制限される。都市の空港で
の典型的なクラッタレベルおよび空港監視レーダアンテ
ナ回転速度のため、ウインドシアの検出は、10−20dBz
以上のオーダの降水反射率を有するマイクロバーストに
制限される。もしクラッタがなければ、または、可能で
あれば信号処理手段によってそれを減衰すれば、検出可
能な信号レベルはノイズによる制限により決められるこ
とになり、感度が１桁上がるであろう。信号のフィルタ
リングによってクラッタを減衰することができる程度
は、アンテナ回転速度および方位ビーム幅に依存する。
アンテナ回転がより速くなるかまたはアンテナビーム幅
がより狭くなれば地面クラッタの変調レベルはより高く
なり、入力信号をフィルタリングすることによってクラ
ッタを低減することはより困難になる。マイクロバース
トは、２つのタイプ、すなわちドライおよびウェットが
既知である。ドライマイクロバーストは一般に乾燥した
気候で発生するが、空中に多量の雨があるとき、この雨
が地上面でひどいウインドシア状態を引起こす現象を開
始させ、その雨の大部分は地上に到達する前に蒸発す
る。ドライマイクロバーストウインドシアは、地表面で
の浮遊する湿気のレベルが低いため、その反射率は20dB
zよりも遙に低い。ウェットマイクロバーストウインド
シアは一般に雨の多い地域で発生し、地表面に到達する
前に一部分しか蒸発しない。そのようなマイクロバース
トウインドシアの反射率は通常20dBzのレベルを遙に超
える。すなわち、地面クラッタによって、地表面に近い
レーダビームで動作するレーダシステムによるドライマ
イクロバーストウインドシアおよびウェットマイクロバ
ーストウインドシアの検出はともに抑制される。
次に図１を参照されたい。マイクロバーストは、高高
度で発生する垂直方向の強い下降気流によって発生し、
その水平方向の直径Ｄは1.5ないし３キロメートルであ
る。擾乱の直径は、下降気流が地表面に接近するに従っ
て増加し、最大4Kmの距離Ｗにわたる地表面の近くで水
平方向の風速の差Ｖ＝V2−（−V1）を示すが、これは少
なくとも10メートル／秒（20kts）であり、60ktsないし
100ktsにも達し得る。（Ｗが4Kmよりも大きいとき、マ
イクロバーストが発生したと言われるが、この状態では
航空機の離着陸の際の危険度はより少ない。）下降気流
は、まとめてマイクロバーストの前兆と呼ばれるいくつ
かの気象学的に検出可能な現象のうちの１つであるが、
次に起こる地表面でのマイクロバーストウインドシアの
前兆としては最も不確かである。
着陸しようとする航空機ACがマイクロバーストウイン
ドシア領域にはいるとまず向かい風が増加し、これによ
って航空機ACは滑空スロープGLよりも上を飛行する。パ
イロットは、対気速度および迎え角を減少させることに
よって滑空スロープGLに戻ろうと試みるかもしれない。
マイクロバースト内を進むと、航空機ACは水平方向に飛
行しながら強い下降気候に遭遇して下に押し下げられ、
その後追い風に遭遇してその結果揚力を失う。航空機AC
が滑空スロープGLより下に下降すると、パイロットはパ
ワーおよび迎え角を増加させて航空機ACを滑空スロープ
GLに戻さなければならない。航空機が制御命令に応答す
るにはある時間が必要であるため、航空機が地面に近す
ぎて回復できない場合は墜落するかもしれない。
マイクロバーストの前兆は、低高度でウインドシアが
始まる約５−15分前に地表面上空（AGL）の１ないし8Km
で起こる。典型的なウェットマイクロバーストの形成
は、図2a、図2bおよび図2cに示されている。第１の段階
10では、水分が非常に多く含まれそれに伴って反射率が
高い核11が、３ないし8KmのAGLの高度で形成される。核
11が形成されるのと同時に、核11にまたはその上に空気
の流入12が起こる。不安定なために高反射率核11が下降
すると、それによって、それが下降した後に空気のさら
なる収束13が生じ、多くの場合、下降する柱の空気の回
転14が生じる。下降する高反射率核11はまた、その下方
の湿気を含んだ空気を押し下げ、その結果、湿気の蒸発
のために空気冷却が発生するため、強い下降気流が加速
する。この高反射率核は、ウインドシアが起こると同時
にまたは起こった後に地表面に到達し得る。強い下降気
流によって地表面に空気の発散15が起こり、風速差Ｖが
生じる。
したがって、空気中の気象現象により、離着陸時の航
空機の事故を防ぐのに十分なリードタイムで、地表面の
マイクロバーストが予測され得る前兆を検出できる。下
降する下降気流に関連する前兆には、反射率核が下降す
ること、上空で風が水平方向に収束すること、および下
降気流の柱が水平方向に回転することが含まれる。これ
らの前兆は、地表面のマイクロバーストウインドシアの
直接の原因である垂直方向の風の下降気流の間接的な兆
候である。下降する高反射率核も、風の収束および回転
も、垂直方向の風の下降気流の間接的な兆候でしかない
ため、それらは、これから起こるマイクロバーストの指
標としては、垂直方向の風速を直接測定するよりも信頼
性に欠ける。下降する高反射率核が水平方向の風のかな
りの収束および回転とともに観測されてもその後にマイ
クロバーストが起こらない場合があり、それらが観測さ
れなくてもマイクロバーストが発生したこともある。し
たがって、マイクロバーストを確実に予測するために
は、反射率が典型的にはまわりの領域と少なくとも等し
いまたはそれよりも大きく15dBzを上回り、かつ上空で
の直径が1.5ないし3.0Kmである柱内で垂直方向の風速が
５メートル／秒を上回る垂直方向に下降する下降気流を
直接観測する必要がある。湿った下降気流は、下降する
に従い、柱での蒸発が冷却を引起こして加速され、これ
により垂直方向の風速は25メートル／秒まで増加するこ
とが可能である。３つのファクタがすべて揃えば、差し
迫ったマイクロバーストの明確な前兆が成立する。
したがって、地表面のマイクロバーストの予測のため
の早期警報システムは、１−3Kmの高度の垂直方向の下
降気流を検出することができなければならない。図３に
示すように、これは、各々がドップラーレーダシステム
に結合されかつ高い仰角を走査する方向に配向される、
軸のずれたアンテナビームの組か、または、各々の組が
指定された仰角セクタを走査する方向に配向されるよう
なアンテナビームの複数の重ねられた組で達成され得
る。ビームの組の各々において、第１（1a、2a、3a）ま
たは主ビームは、レーダ信号を伝送しかつレーダ信号反
射を受取るために用いられ、この第１のビームのビーム
ピークから予め選択された仰角によってオフセットされ
たビームピークを有する第２（1b、2b、3b）または付加
ビームはレーダ信号反射を受取るためにのみ用いられ
る。各々の組の第２のビームは、主ビームよりも３゜な
いし５゜狭い仰角ビーム幅を有し得る。重ねられたビー
ムシステムでは、ビームの組の数および主ビームのビー
ム幅は、空港のまわりの領域の地表面上空（AGL）の所
望の高度範囲にわたって有効となるように選択される。
一旦、仰角の有効範囲およびこの有効範囲を与えるため
のビームの数が選択されると、各々の主仰角ビームにお
いて測定されるのとほぼ同じパーセンテージの範囲に広
がる垂直方向の風速が得られるような各々の主ビームの
仰角ビーム幅が定められる。
図３のビーム構成における各々のビームの主仰角ビー
ム幅は、以下の関係に従って選択されるであろう。
ここで、Θ１は主ビームの仰角の交差を規定する連続
する仰角である。図３には３つのビームの組しか示して
いないが、これに限定されず、システムの位置で有効範
囲を最適化するためにこれより多いまたは少ない数のビ
ームの組を選択してもよい。
次に、１組のアンテナビームでの動作に関する本発明
の好ましい実施例をブロック図で示す図４を参照された
い。トランスミッタ５はレーダ信号を生成し、このレー
ダ信号はサーキュレータ６を介してアンテナおよびビー
ムセレクタ７に結合され、このアンテナおよびビームセ
レクタ７からたとえばビームの組１のビームａ（ビーム
1a）のような選択されたビームの組の主ビームを介して
このレーダ信号が放射される。反射信号は選択された組
のビームａおよびビームｂの両方に受取られ、かつそれ
ぞれコヒーレントレシーバ８および９に結合される。図
示していない方位駆動メカニズムによってアンテナの方
位が回転すると連続的な仰角セクタの有効範囲を与える
ようにビームの組が順に選択されることを認識された
い。コヒーレントレシーバ８、９はそれぞれ、Ｉおよび
Ｑとして示される２つの出力信号を平均速度推定器16、
17のデジタルフィルタバンク16aおよび17aに与える。フ
ィルタバンク16a、17aの各々のフィルタは、当該技術分
野において周知の態様で予め定められた数の受取られた
レーダ反射から得られるＩおよびＱ信号を処理し、かつ
フィルタの中心周波数に対応するドップラー周波数を有
する信号が検出されるとフィルタの中心周波数を表わす
コード化信号を生成する。これらのコード化信号はそれ
ぞれ平均化プロセッサ16b、17bに結合され、ここでビー
ム1aおよび1bのレーダ反射の平均ドップラー周波数が計
算される。これらの２つの平均値を表わす信号は、平均
ドップラー速度の間の差を与える差分プロセッサ21と、
ビーム1aおよび1bにおける平均ドップラー速度の平均値
を与える平均化プロセッサ22とに結合される。これらの
２つのビームの仰角の差は小さいため、組合わせて検出
された半径方向速度を確立する水平方向および垂直方向
の速度はビーム1aおよび1bにおいて等しい。当業者は、
平均半径方向速度の間の差 および平均半径方向速度の平均値Σを以下のように表わ
すことができることを容易に確認できる。
（２）Σ＝VVR SIN（Θ−δ/2）＋VHW COS（Θ−δ/2） ここで、Θは第１のビーム1aのピークの仰角であり、δ
は、第１のビーム1aのピークからの第２のビーム1bのピ
ークのオフセット仰角であり、VVRは垂直方向の雨の速
度であり、VHWは水平方向の風速である。Θおよびδは
既知であるため、これらの方程式を解くとVVRおよびVHW
の値が一意に得られる。
図５は、Θが40゜でありかつδが３゜であるときの上
の方程式の解をグラフで示すカーペットプロット図であ
る。グラフ中の実線の曲線は一定の水平方向の風速を表
わし、点線の曲線は一定の垂直方向の雨の速度を表わ
す。
Σの値の各々の組により、それに対応する一意の組のV
VR、VHWの値が得られる。
差分プロセッサ21および平均化プロセッサ22によって
計算された Σの値の各々の組は、垂直方向の雨の速度および水平方
向の風速に関する方程式（１）および（２）を同時に解
くプロセッサ23に結合される。このプロセッサは、 Σの値の組によってアドレス指定されるメモリセルを有
するメモリであってもよく、各々のメモリセルは、アド
レス指定する値に関する解を含む。プロセッサ23はま
た、方程式（１）および（２）を直接同時に解くように
プログラムされたコンピュータであってもよい。
レシーバ８、９からのＩおよびＱの値はまた、各々の
ビームによって受取られた平均パワーが上述の特許出願
において記載されるのと同様の態様で決定される反射率
プロセッサ25に結合される。引用した特許出願において
記載されるように、これらの平均パワーは平均され、そ
の平均値を用いて雨の反射率が決定される。そのように
決定された反射率は、ジョス−ウォールドボーゲル（Jo
ss−Waldvogel）の関係を用いて静止空気中の垂直方向
の雨の速度の推定値を得る静止空気中の垂直方向の雨の
速度推定器27に結合される。この推定値は差分ネットワ
ーク28に結合され、ここでプロセッサ23から差分ネット
ワークに結合される垂直方向の雨の速度VVRからこの推
定値が減算されて垂直方向の風速VVWが得られる。
コンパレータ29においてこの垂直方向の風速はマイク
ロバーストの下降気流の最小速度を表わす下降気流速度
のしきい値Vwtと比較され、このコンパレータから信号
がゲート32を可能化するように結合され、このゲートを
介してしきい値を超える速度の下降気流のレンジ枠のア
ドレスが前兆領域識別器33に送られる。これらのアドレ
スは、ビームセレクタ７およびレシーバ８からそれぞれ
受取られるアンテナ位置信号およびレンジゲート位置信
号を処理する探索領域判定器34によって与えられる。レ
ンジ枠のアドレスは領域識別器33に記憶され、そこから
これらのアドレスはゲート35および空間範囲テスタ36に
結合され、この空間範囲テスタで、しきい値を超える速
度の下降気流の空間範囲が決定され、かつ記憶されたマ
イクロバーストの空間範囲と比較される。比較の結果、
しきい値を超える速度の下降気流の空間範囲がマイクロ
バーストの空間範囲に匹敵すると判定されると、ゲート
35が活性化され、垂直方向の風速および水平方向の風速
の値と、位置とがゲート35の出力端子に与えられる。
ゲート35を介して結合される水平方向および垂直方向
の風速と位置座標とは、ウインドシア予測器37に与えら
れ、図６がそのブロック図である。プロセッサ25によっ
て与えられた反射率Ｒは、ゲート35を介して、反射率の
大きさに基づいてウェットまたはドライマイクロバース
トを予測するマイクロバースト予測器39に結合される。
もしＲが15−25dBzであればドライマイクロバーストが
予測され、Ｒが25dBzを上回ればウェットマイクロバー
ストが予測される。
プロセッサ23によって与えられた水平方向の風速、差
分ネットワーク28によって与えられた垂直方向の風速、
および下降気流の速度がしきい値を超える領域の座標
は、このデータを従来のように用いてマイクロバースト
の地表面への衝突位置を予測するマイクロバースト地表
面位置予測器41に結合される。垂直方向の風速はまた、
マイクロバーストが地表面に衝突する時間を従来の態様
で予測する衝突までの時間予測器42、およびウインドシ
アの大きさ予測器43にも結合される。
ウェット／ドライマイクロバースト予測器39および地
表面位置予測器41はそれぞれ、データをウインドシアト
ラッカ44に結合し、このウインドシアトラッカ44はま
た、地表面近くの有効範囲を有するドップラーレーダビ
ーム、すなわち図３のビーム４に結合されるレーダレシ
ーバ（図示せず）からレーダデータを受取る。ウェット
／ドライマイクロバーストデータ、マイクロバーストの
予測衝突位置、およびビーム４に結合されるレシーバに
よって得られたデータを用いて、地表面近くのウインド
シアを追跡しかつ次に起こるウインドシアの位置を予測
する。
最初に空中に含まれる湿気のほとんどが、下降気流が
地表面に到達する前に蒸発するため、地表面のドライマ
イクロバーストウインドシアに含まれる湿気の量は非常
に少ない。したがって、マイクロバーストの下降気流の
衝突位置およびウインドシアの大きさを予測していなけ
れば、地面クラッタのため、ドライマイクロバーストウ
インドシアの地表面での発生をその最も初期に検出する
ことは非常に困難である。ウェット／ドライマイクロバ
ースト予測器、衝突までの時間予測器、およびマイクロ
バースト地表面位置予測器からの情報を用いて、ビーム
４に結合されるレシーバは、各々の走査の際に、予測さ
れた地表面衝突領域をカバーするレンジ−方位枠を探索
し、地表面に到達する下降気流から生じるウインドシア
の最初の徴候を得る。ウインドシアを最初に検出した
後、ビーム４から得られた情報によって、マイクロバー
ストウインドシアの位置および大きさに関する最新の情
報が得られる。この情報は、ウインドシアの大きさが問
題にならない程度に減衰するまで与えられる。
本発明をその好ましい実施例に関して記載したが、用
いた言葉は説明のためであって本発明を限定するもので
はなく、より広い局面において本発明の真の範囲および
意図から外れることなく添付の請求の範囲内において変
更を加えることができることが理解されるはずである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−43495（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−43494（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−43493（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−506537（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−500861（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−500860（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−508930（ＪＰ，Ａ) 米国特許4649388（ＵＳ，Ａ) 米国特許4712108（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/42 G01S 13/00 - 13/95

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーダ信号を伝送しかつ受取るための手段
    と、受取られたレーダ信号を処理するための手段とを含
    む気象監視装置であって、 前記伝送手段が、少なくとも１つの仰角セクタをそれぞ
    れ気象監視するために少なくとも１組のレーダビーム
    （1a、1b）を与えるためのアンテナ手段（７）を含み、
    前記１組は、予め定められた仰角でピークを有する、前
    記仰角セクタ内の予め定められた仰角領域においてレー
    ダ監視を行なうための第１のビーム（1a）と、予め選択
    されたオフセット仰角によって前記予め定められた仰角
    からオフセットされたピークを有する、前記仰角セクタ
    内の予め選択された仰角領域においてレーダ監視を行な
    うための第２のビーム（1b）とを有すること、および 前記装置が、前記受取手段に結合され、前記第１および
    第２のビームのレーダ信号反射を処理して前記少なくと
    も１つの仰角セクタにおける垂直方向および水平方向の
    風速を確立するための手段（８、９、17、23、15、36）
    をさらに含むことを特徴とする、気象監視装置。
  2. 【請求項２】前記受取手段が、 前記アンテナ手段（７）にそれぞれ結合され、前記第１
    および第２のビームのドップラー偏移されたレーダ信号
    反射を表わす信号を生成するための第１および第２のレ
    シーバ手段（８、９）を含むこと、および 前記処理手段が、前記ドップラー偏移されたレーダ信号
    反射に応答し、前記第１のビームの信号の平均ドップラ
    ー周波数を表わす信号を生成するため、および前記第２
    のビームの信号の平均ドップラー周波数を表わす信号を
    生成するための手段（16、17）と、 前記第１のビームの信号の平均ドップラー周波数を表わ
    す前記信号および前記第２のビームの信号の平均ドップ
    ラー周波数を表わす前記信号に応答し、前記垂直方向の
    風速および前記水平方向の風速を決定するための手段
    （21−23、25、27、28）とを含むことをさらに特徴とす
    る、請求項１に記載の気象監視装置。
  3. 【請求項３】前記処理手段が、 前記第１および第２のビームの平均ドップラー周波数を
    表わす前記信号に応答し、前記第１のビームの前記平均
    ドップラー周波数と前記第２のビームの前記平均ドップ
    ラー周波数との間の差を表わす信号を生成するための差
    分手段（21）と、 前記第１および第２のビームの平均ドップラー周波数を
    表わす前記信号に応答し、前記第１のビームの前記平均
    ドップラー周波数と前記第２のビームの前記平均ドップ
    ラー周波数との平均値を表わす信号を生成するための平
    均手段（22）と、 前記差および平均値を表わす信号を受取るように結合さ
    れ、水平方向の風速を表わす信号と垂直方向の雨の速度
    を表わす信号とを生成するための平均および差処理手段
    （23）とを含むことをさらに特徴とする、請求項２に記
    載の気象監視レーダ。
  4. 【請求項４】前記平均および差処理手段（23）が、前記
    差および平均値を表わす信号を処理して、垂直方向の雨
    の速度VVRおよび水平方向の風速VHWに関する以下の方程
    式を解くための手段を含み、 （２）Σ＝VVR SIN（Θ−δ/2）＋VHW COS（Θ−δ/2） ここで、 は前記差を表わす信号であり、Σは前記平均値を表わす
    信号であり、Θは前記第１のビームのピークの前記仰角
    を表わす信号であり、δは前記第１のビームからの前記
    第２のビームの前記オフセット仰角を表わす信号である
    ことをさらに特徴とする、請求項３に記載の気象監視レ
    ーダ。
  5. 【請求項５】前記処理手段が、 前記第１および第２のレシーバ手段に結合され、静止空
    気中の垂直方向の雨の速度を表わす信号を生成するため
    の手段（25、27）と、 前記垂直方向の雨の速度を表わす信号と前記静止空気中
    の垂直方向の雨の速度を表わす信号とに応答し、垂直方
    向の風速を表わす信号を生成するための手段（28）とを
    さらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の気象監
    視レーダ。
  6. 【請求項６】前記垂直方向の風速手段（28）が、前記垂
    直方向の雨の速度を表わす信号と前記静止空気中の垂直
    方向の雨の速度を表わす信号との間の差を表わす信号を
    生成する差分回路であることを特徴とする、請求項５に
    記載の気象監視レーダ。
  7. 【請求項７】前記静止空気中の垂直方向の雨の速度手段
    が、 前記第１および第２のレシーバ手段に結合され、前記第
    １および第２のビームを通過する雨の反射率を表わす信
    号を生成するための手段（25）と、 前記反射率を表わす信号に応答し、静止空気中の垂直方
    向の雨の速度を表わす信号を生成するための手段（27）
    とを含むことをさらに特徴とする、請求項５に記載の気
    象監視レーダ。
  8. 【請求項８】前記静止空気中の垂直方向の雨の速度手段
    （25、27）は、ジョス−ウォールドボーゲルの関係を用
    いて前記反射率を表わす信号を処理し、前記静止空気中
    の垂直方向の雨の速度を表わす信号を生成するための手
    段を含むことをさらに特徴とする、請求項７に記載の気
    象監視レーダ。
  9. 【請求項９】前記第１のレシーバ手段（８）と前記アン
    テナ手段（７）とに結合され、前記垂直方向および水平
    方向の風速を表わす信号が決定される領域を表わす信号
    を生成するための手段（34）と、 予め選択されたしきい値信号と前記垂直方向の風速を表
    わす信号とを受取るように結合され、前記垂直方向の風
    速が前記予め選択されたしきい値を超えるとイネーブル
    信号を生成するためのコンパレータ手段（29）と、 前記コンパレータ手段に結合され、かつ前記領域を表わ
    す信号、前記垂直方向の風速を表わす信号、前記水平方
    向の風速を表わす信号、および前記反射率を表わす信号
    を受取るように結合され、前記イネーブル信号によって
    可能化されると、前記領域の座標を表わす信号、前記垂
    直方向および水平方向の風速を表わす信号、および前記
    反射率を表わす信号を生成するためのゲート手段（32、
    33、35、36）とをさらに含むことを特徴とする、請求項
    ５に記載の気象監視レーダ。
  10. 【請求項１０】前記ゲート手段が、 前記イネーブル信号によって可能化されると前記領域を
    表わす信号を生成するように結合される第１のゲート手
    段（32）と、 前記第１のゲート手段を介して前記領域を表わす信号を
    受取るように結合され、前記領域の座標を表わす前記信
    号を生成するための領域識別手段（33）と、 前記座標を表わす信号に応答し、前記垂直方向の風速が
    前記予め定められたしきい値を超える領域の空間範囲を
    決定し、かつ前記空間範囲が予め定められた寸法範囲内
    であるとき空間イネーブル信号を生成するための空間範
    囲手段（36）と、 前記空間イネーブル信号によって可能化されると、前記
    垂直方向および水平方向の風速を表わす信号、前記反射
    率を表わす信号、および前記座標を表わす信号を生成す
    るように結合される第２のゲート手段（35）とを含むこ
    とをさらに特徴とする、請求項９に記載の気象監視レー
    ダ。
  11. 【請求項１１】前記反射率を表わす信号に応答し、ウェ
    ットまたはドライマイクロバーストを表わす信号を生成
    するための手段（39）と、 前記座標を表わす信号、前記垂直方向の風を表わす信
    号、および前記水平方向の風を表わす信号に応答し、マ
    イクロバースト地表面位置を表わす信号を生成するため
    の手段（41）と、 前記ウェットまたはドライマイクロバーストを表わす信
    号および前記マイクロバースト地表面位置を表わす信号
    に応答し、ウインドシアを追跡するための手段（43）
    と、 前記垂直方向の風速を表わす信号に応答し、ウインドシ
    アの大きさを表わす信号を生成するための手段（42）
    と、 前記垂直方向の風速に応答し、マイクロバーストが地表
    面に衝突する時間を表わす信号を生成するための手段と
    をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の気象
    監視レーダ。
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