JP3720848B2 - 二偏波レーダを使用する降水率を決定する方法およびそれを利用する気象レーダ - Google Patents
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Description
気象学では、特に短期予報の問題のために降水量および他の大気水象を観測する必要がある。この目的のために、これらの現象に特有なパラメータである降水率を定量的に測定するレーダを使用することに対して検討が何年間もなされている。これを行うために、レーダビームで照射されるとき、雨あるいは大気水象の反射率を測定することに基づいて方法が使用される。しかしながら、これらの方法の大部分に関しては、大気水象による減衰は測定を偏らせ、したがって、できるだけ減衰が小さく、比較的長い波長で作動する必要がある。このことは実用的な難点および高いコストをもたらす。
他のより魅力的な方法、すなわち、2つの波長および単一の偏波のための減衰の方法が提案されている。これは、レーダの較正とは無関係である利点を有する。しかしながら、この方法は、所望の精度の測定値を得る際にある種の技術的な困難をもたらす。これは、問題点が2つの波長のビームを一致させる際および同時測定の際に見られるためである。
実施されている全ての研究は、より短い波長でレーダを使用する利点を実証し、よりコンパクトで、あまり高価でない装置を選択するのを可能にした。しかしながら、これは、特に大量の降水がある場合、解決するのが非常に困難である減衰を補正する問題を引き起こす。
示差反射率を使用することによって降水率を決定する二偏波レーダを使用することにある改良が提案されている。この種の解決策は、例えば、E.GORGUCCIら著の論文「A Robust Estimator of Rainfall Rate Using Differential Reflectivity」(Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,vol.11,April 1994,pages 586−592)あるいはC.W.ULBRICHら著の論文「Assessment of the contribution of differential polarization to improved rainfall measurement」(Radio Science,vol.19,No.1,January−February 1984,pages 49−57)に記載されている。これらの解決策は、適度の減衰に対して得られた結果を改良するが、大量の降水が直面する全ての問題点を解決しない。
本発明は、大気水象(雨、あられ、雲)が作る吸湿性媒体を通るリターン経路の電磁波の比較的高い減衰をもたらす短い波長の使用にもかかわらずこれらの欠点を解決する方法に関するものである。
本発明は、2つの偏波成分
の反射率を測定し、一方で得られる値への減衰の影響を行われる示差測定によって補正するために二偏波レーダの使用に基づいている。
したがって、本発明は、大気水象によって減衰される波長で作動するパルスレーダを使用して大気水象の降水率および反射率を測定する方法を提供し、前記レーダが、偏波の各々によるいろいろな距離ゲートに対する減衰反射率(ZHa(r),ZVa(r))の対の一連の測定値を供給する二偏波レーダであり、この方法において、降水率(R)が1つの偏波(ZH)に対する反射率および非減衰示差反射率(ZDR)に基づいて推定され、前記方法は、
A)レーダの各距離ゲートにおいて、反射率Zを式Z=αRβ(ここで、αおよびβはパラメータである)の降水率Rと、および単一の偏波に対する減衰率を降水率とに連結する式の組合せによって、単一の偏波に対して測定された反射率に基づいて降水率(Rs)の第1の推定を決定するステップ、
B)前記降水率の第1の推定に基づいて、非減衰示差反射率(ZDRs)の推定値を得るステップ、
C)前記非減衰示差反射率(ZDRs)の推定値および減衰示差反射率(ZDRa)のレーダ測定値から、示差偏光減衰(ADP)の推定値を導くステップ、及び
D)非減衰反射率(ZHs(r))および降水率(Rs(r))の補正値を抽出することができるように、反射率を降水率を連結する式のパラメータ(α)の中の一方を反復調整によって、他方のパラメータ(β)を所定の一定の値に保持して、レーダの単一の偏波に対するステップAで推定された降水率の積分(I1(r,R))と前記示差偏光減衰(ADP)から導かれた降水率の積分(I2(r,R))とが等しくなるように試みるステップ、
を備えていることを特徴とする。
この方法の最大の利点は、この方法が示差測定に基づいているためにレーダの較正および可能な未検出の雲による減衰とは無関係であるということである。
本発明の他の態様は、降水率及び反射率を決定するために、大気水象によって減衰される波長のパルスで作動する二偏波気象レーダを提供し、前記レーダが、
2つの直交する偏波チャネル
チャネルに対応するモードを抽出する手段に結合する二偏波アンテナ(1)と、
前記アンテナの2つのチャネルにパルスを送る送信機と、
2つの直交偏波チャネルによって出力される信号を処理する少なくとも1つの受信チャネルとを有し、
前記レーダは、前述の方法を利用するために設計されたディジタル信号処理装置を有することを特徴としている。
本発明は、下記の説明および添付図面によって、より明らかに理解され、他の特徴および利点は、明らかになる。
図1は、本発明による気象レーダの図である。
図2は、本発明による方法を利用するディジタル信号処理のブロック図である。
図1は、対の偏波気象レーダの図を表している。このレーダは、反射器(図示せず)を照明する二偏波主発生源1を備える二偏波アンテナを有する。この発生源は、2つの偏波チャネル
を有するモード(直交モード)抽出器2と結合されている。この主発生源は、所望の距離(例えば、150kmの距離に対してFr=1kHz)に一致する反復周波数を有するパルスを送出するパルス送信機(6)によって供給される。送信電力は、水平に対して45°に向けられた偏波を得るためにマジックTを介して、すなわち円形偏波を得るために3dBの結合器5によってアンテナの2つのチャネルに分配される。この目的は、直交偏波を有する2つの信号を送受信し、その振幅に基づいてこの2つの信号を処理することにあるため、これらの2つの送信モードは同等である。円形偏波は、アンテナによって送信機に反射された定在波比によって二次的な利点を有する。
2つの電力サーキュレータ3および4によって得られる信号を処理する2つの同一受信チャネルが備えられている。従来のように各チャネルは、リミッタ7、8と、増幅器9、10と、中間周波数に変えるミキサ11、12と、中間周波数増幅器15、16、そのとき大きなダイナミックレンジを得る対数増幅器17、18と、アナログ/ディジタルコーダ19、20とを備えている。符号化信号は、下記に詳述され、この符号化信号が補正された後その出力として反射率Zおよび降水率Rを供給する、本発明によるディジタル処理装置21に送られる。ミキサ11および12は、さらに、自動周波数制御回路14によって制御されるローカル発振器13から信号を受信する。
大気水象の特徴に関する補助的な情報を得ることが望ましいある種の気象上の応用では、付加的ドップラー受信チャネルを使用して受信信号の位相を測定することは有利である。これらのチャネルは、チャネル
の場合、直角符号化信号IH、QHを、またチャネル
の場合、IV、QVを供給するために、一方は2つのアナログ/ディジタルコーダ23、24、および他方は2つのアナログ/ディジタルコーダ26、28が続くベクトル復調回路22、25を備えている。
本発明による方法の原理は下記のとおりである。単一の偏波、例えば
チャネルに基づいて、距離rで雨(あるいは他の大気水象)の中で測定された減衰反射率ZHa(r)を減衰率に関係付ける式は下記のように記述することができる。
ここで、ZO(r)は非減衰反射率であり、Δrは距離ゲートの幅であり、aiは階数iの距離ゲートに属する減衰率であり、単位長当たりdBで表され、ここで、ZHa(r)およびZO(r)は、dBZで、つまり、mm6m-3の10・logZで表され、かつここで、r=n△rである。
減衰率は、下記の既知の式によって降水率Rと連結される。
ここで、kHおよびγHは、温度および粒径分布(DSD)に若干依存し、各波長に対して計算することができる偏波
に関するパラメータである。
式(1)および(2)を結合すると、下記の式となる。
Zo(r)=ZHa(r)+2ΔrkHI1(r,R) (3)
ここで、
である。
I1は、選択された
偏波に対するレーダのビームに沿った降水率の積分を表す。つまり、I1は、ゲートnの前のn−1の距離ゲートの累積減衰を表している。
ところで、雨による反射率Zと降水率Rとの間に既知の関係がある。すなわち、
Z=αRβ (5)
ここで、αおよびβはパラメータである。したがって、式(4)は下記の等式で記述できる。
パラメータαおよびβはDSDに強く依存する。式(3)および(5)の4つのパラメータk、γ、αおよびβに対する近似値を使用することによって、補正された推定値Z′(r)は、「雨の中で5cmのレーダの減衰の反復的補正(Iterative correction for attenuation of 5cm radar in rain)」(J.Appl.Meteor.,17,508〜514ページ)において、1978年にP.H.Hildebrandによって提案された反復方法を使用することによって、n個の一連の測定値Za(r)に基づいて計算することができる。この論文で示されるように、推定されるDSDの誤差および温度は、これらの減衰推定値をひどく劣化させるが、これらの劣化は、レーダを較正する際の誤差から生じる劣化と比較して小さい。レーダ較正誤差によって影響が及ぼされるパラメータはZをRに関係付ける式のパラメータであるので、I1(r,R)に関する本質的な不確実性はパラメータαおよびβに関する不確実性から生じる。
したがって、これらの不確実性を解決するために、レーダの両方の偏波を使用する示差測定が使用される。示差反射率ZDRは下記の式によって定義される。
ZDR=ZH-ZV (6)
ここで、ZはdBZで表され、ここで、添え字HおよびVは、レーダの2つの偏波、例えば水平および垂直に対応する。
減衰波長の場合、H偏波およびV偏波に対して式(1)を使用して、H項からV項を減算すると下記の式が与られる。
ZDRa(r)=ZDRS(r)-2ADP(r) (7)
ここで、ZDRaは減衰偏波レーダ測定値であり、ZDRs=ZOH−ZOVは、単に滴の形状による非減衰示差反射率であり、ADPは、電磁波の経路に対する示差偏波減衰であり、すなわち、
である。
仮定されたDSDの場合、滴の形状による示差反射率ZDRsは降水率の関数として計算することができる。すなわち、
ZDRS=f(R) (9)
式(8)の減衰率aiHおよびaiVは、H偏波およびV偏波に対する式(2)によって表される。DSDが仮定されている場合、パラメータkH、kV、γHおよびγVを計算することができる。計算は、差aH−aVがDSDには著しく依存しないことを示している。所与の波長に関しては、kHおよびkVはまったく異なるが、
である。
したがって、式(2)および(8)を結合することにより、下記の式が与えられる。
ADP(r)=Δr(kH-kV)I2(r,R) (10)
ここで、
式(11)は、式(4′)として、つまり、Zの関数として同様に記述することができる。
I2(r,R)は、正確に既知と仮定される示差減衰ADP、kH−kVから推定される降水率の積分を表す。I2(r,R)は示差測定から生じるので、ADPはレーダの較正に依存しない。
これはI1およびI2の推定における場合であり、パラメータαおよびβだけは、雨および較正の誤差におけるDSDの自然の変動性のために可変である。
本発明による方法において、観察される降雨の種類と波長に対応する気候学上の平均値に等しい一定値にβを保持し、示差減衰ADPを使用してパラメータαを調整することが提案されている。
このβに関する仮定は文献で利用可能な多数の測定値によって確認されている。
したがって、この原理は、偏波の中の単一の偏波に対する一連の測定値に基づいてI1を決定する一方、αの任意の中間値を選択し、示差レーダ測定値および非示差反射率を推定するためのI1を使用する計算に基づいてI2を推定し、そのとき非減衰反射率Zi(r)および降水率Ri(r)の補正推定値を抽出することができるαを
まで変えるのに適当であるかのようにI1およびI2を比較することにある。
図2は、この方法を利用することができるディジタル処理装置を示している。この図の左側の部分は単一の偏波、すなわちH偏波の処理に関するものであるのに対して、右側の部分は示差処理に関するものである。
Hチャネルのコーダ19によって供給された対数信号は、変換され、ステップ30の線形信号ZHa(r)に戻される。これらの信号はレーダのN個のパルスにわたって平均化され(ステップ31)、それから、推定降水率
は、αの場合には任意に式(5)により予め決定されるパラメータαおよびβに基づいて計算され(ステップ32)、これは各距離ゲートiに対して行われる。
ステップ33は、式(2)に基づいて減衰率aiを計算することにある。
それから、値
の推定は、そこから式(2)および(4)により導かれる(ステップ34)。
さらに、単一の偏波Hに対する一連の測定値から導かれる減衰反射率
はステップ36および37によって計算され、式(3)の減衰項
はステップ35で推定される。足し算からなるステップ38によってこの式(3)を利用することによって、H偏波に対する非減衰反射率の推定ZHS(r)を提供し、それから、ステップ47によって、既に選択されたパラメータαおよびβを有する式(5)利用することによって補正された降水率
の推定値を提供する。
この推定値に基づいて、ステップ48によって、式(9)により非減衰示差反射率ZDRsの推定値を計算できる。
さらに、30および40によって供給されるHチャネルおよびVチャネルに対する符号化信号で開始し、比率ZHa(r)/ZVa(r)がとられ(ステップ41)、それからステップ42のN個のパルスにわたって平均化される減衰偏波レーダ測定値ZDRa(r)を提供する。この平均値と48によって供給された非減衰示差反射率の推定値との差(ステップ43)は、示差偏波減衰
の推定を構成する。値ΔrおよびkH−kVに基づいて、ステップ44は、式(10)により
の推定値を供給する。それから
がステップ45で比較される。
であるならば、ステップ46は、適当な方向に増分量Δαだけパラメータαを変え、計算を再開するためにステップ32および47に新しいα′を適用することにある。これらの演算は、αに与えられる正しい値に相当する
が得られるまで繰り返される。したがって、非減衰反射率
および降水率
の補正値を導くことができる。
本発明による方法の原理の説明において、ZDRs、ならびに式(10)に対するkHおよびkVが単一の仮定されたDSDに対して計算されたことが、式(9)に対して仮定された。このことは、所与の気候条件に対して平均DSDは安定したパラメータであるので、受け入れられる。したがって、気候学上の考慮すべき問題に基づいて特定のDSDを選択できる。
さらに、反射率が低い場合、距離rの距離ゲートを選択することが好ましい。何故ならば、そのときZDRsは低く、式(9)による推定の誤差はその一部に対しても低いためである。距離rのゲートは著しく変更される係数I1、I2およびαなしの異なる反射率を有する、rの周りの他の距離ゲートと取り換えることができるので、この特定のゲートの選択は、いっそう正当化され、容易になる。
したがって、2あるいは3つの隣接するゲートに基づいてαを計算し、DSDの分散の影響を減らすために平均値を使用することができる。
観測された半径方向が、本発明による方法が同時に利用できるいくつかのセグメントに細分できることにも注目できる。
前述の方法は、1つの偏波に対するレーダで測定された反射率に影響を及ぼすかあるいは示差値に影響を及ぼすランダムサンプリング誤差にあまり影響を受けない。
本発明による方法の主な利点の1つが既に述べられている。すなわち、これは、レーダの較正および未検出の雲による減衰とは無関係である。
他の可能な使用があられの定性的な検出であることを加えることができる。このための説明は、あられが雨のセルの中にあるとき、あられはほぼ球状であるので、あられは、両方の偏波に対して高い反射率を生じ、その結果、
であり、したがってほぼゼロの示差反射率を生じることである。一方、偏波とは無関係な強烈な減衰があり、そしてそのゆえに示差減衰ADPにゼロ寄与である。したがって、あられの存在はI1を修正するが、均一の雨の場合とは著しく違って、同様にI2を修正しない。したがって、αのかなりの変化が観測され、これはあられの表示として使用することができる。
前述の説明は示差偏波減衰ADPを使用することで示されているが、本発明による方法は、伝搬の程度×kmで示される示差移相KDP=KH−KVで作動するように行うこともできる。
明らかに、記載されている例はどの方法でも本発明を限定しない。特に、記載されている気象レーダは、記載されている2つのチャネルの代わりに単一の受信チャネルを使用でき、2つの偏波に対する信号は、時分割でチャネルを使用するために入力でスイッチされ、出力で“スイッチされない”。スイッチング速度は、偏波Hおよび偏波Vに対して受信された信号がスイッチング時間中に互いに関連しないように単に選択される必要がある。
さらに、ドップラーチャネルの出力の使用可能な信号IおよびQによって、チャネルHおよびVの各々の信号振幅
を計算でき、この振幅は、チャネル17、19および18、20を使用することを避けるためにコーダ19および20による信号出力の代わりに使用できる。しかしながら、これに関する欠点は、この振幅が対数増幅器の使用から生じるダイナミックレンジを与えないということである。
最後に、図2の本発明による処理装置において、変換して線形信号に戻す代わりに対数信号を使用し続けることは考えられる。
Claims (15)
- 大気水象によって減衰される波長で作動するパルスレーダを使用して大気水象の降水率および反射率を測定する方法であって、前記レーダは、偏波の各々に従っていろいろな距離ゲートに対する減衰反射率(ZHa(r),ZVa(r))の対の一連の測定値を供給する二偏波レーダであり、この方法において、降水率(R)が1つの偏波(ZH)に対する反射率および非減衰示差反射率(ZDR)に基づいて推定され、前記方法は、
A)レーダの各距離ゲートにおいて、反射率Zを式Z=αRβ(ここで、αおよびβはパラメータである)の降水率Rと、および単一の偏波に対する減衰率を降水率とに連結する式の組合せによって、単一の偏波に対して測定された反射率に基づいて第1の降水率(Rs)の推定値を決定するステップ、
B)前記降水率の第1の推定に基づいて、非減衰示差反射率(ZDRs)の推定値を得るステップ、
C)前記非減衰示差反射率(ZDRs)の推定値および減衰示差反射率(ZDRs)のレーダ測定値から、示差偏波減衰(ADP)の推定値を導くステップ、
D)非減衰反射率(ZHs(r))および降水率(Rs(r))の補正値を抽出することができるように、反射率を降水率を連結する式のパラメータの中の一方(α)を反復調整によって、他方のパラメータ(β)を所定の定数に保持して、レーダの単一の偏波に対するステップAで推定された降水率の積分(I1(r,R))と前記示差偏光減衰(ADP)から導き出された降水率の積分(I2(r,R))とが等しくなるように試みるステップ、
を備えていることを特徴とする方法。 - ステップA)が
a)第1の前記一連の測定値(ZHa(r))に対して、任意の一定のパラメータ(α,β)に基づいていろいろな距離ゲート(1〜n−1)に対する降水率(Ri)の推定値を計算するステップ、
b)前記降水率(Ri)の推定値から、降水による減衰に固有な第1の推定値(I1(r,R))を導くステップであって、前記第1の推定値は、単一の偏波に対する推定された降水率の積分であり、
c)前記第1の推定値(I1(r,R))および第1の一連の測定値(ZHa(r))に基づいて、非減衰反射率(ZHs(r))および補正された降水率(Rs)の推定値を決定するステップ、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記ステップB)が、
d)前記補正された降水率(Rs)の推定値および所与の粒径分布(DSD)に基づいて、非減衰示差反射率(ZDRs(r))の推定値を計算するステップ、
を備えていることを特徴とする請求項1および2のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ステップC)が
e)前記減衰反射率(ZHa(r),ZVa(r))の対の一連の測定値に基づいて、減衰示差反射率(ZDRa(r))の測定値を計算するステップ、
f)減衰示差反射率(ZDRa(r))の測定値およびステップd)中に得られた非減衰示差反射率(ZDRs(r))の推定値から、示差偏波減衰(ADP)の推定値を導くステップ、
を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ステップD)が、
g)前記示差偏波減衰(ADP)の推定値から、降水による減衰に固有な第2の推定値(I2(r,R))、すなわち降水率の積分を導くステップ、
h)前記降水による減衰に固有な前記第1の推定値(I1(r,R))および第2の推定値(I2(r,R))を比較するステップ、
i)ステップh)による前記比較が、前記第1および第2の推定値が異なっていることを示しているならば、ステップa)の前記パラメータ(α,β)の少なくとも1つを変え、かつステップa)〜h)を繰り返すステップ、
j)ステップh)による前記比較が、前記第1および第2の推定値が等しいことを示しているならば、非減衰反射率(ZHs(r))および補正降水速度(Rs)の前記推定値を抽出するステップ、
を備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - ステップe)が、
e.1)レーダの減衰示差反射率(ZDRa(r))の値を得るために前記一連の対の系列(ZHa(r),ZVa(r))における測定値の比をとること、
e.2)レーダのN個のパルスにわたって前記減衰示差反射率の前記値を平均化すること、
を含むことを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の方法。 - 大気水象によって減衰される波長のパルスで作動し、降水率および反射率を測定する二偏波気象レーダにおいて、前記レーダは、
手段(2,3,4)に結合し、2つの直交偏波チャネル
に対応するモードを抽出する二偏波アンテナ(1)と、
前記アンテナの2つのチャネルにパルスを供給する送信機(5、6)と、
前記2つの直交偏波チャネルによって出力される信号を処理する少なくとも1つの受信チャネル(7、9、11、13、15、17、19;10、12、13、16、18、20)とを有し、
前記レーダは、請求項1〜11のいずれか一項による方法を実施するたるに設計されたディジタル信号処理装置(21)を有することを特徴とする二偏波気象レーダ。 - 前記受信チャネルの出力において、前記レーダがダイナミックレンジを増加させる対数増幅器(17、18)を備え、前記ディジタル信号処理装置(21)が受信信号の値を取り出すためにその入力で変換手段(30、36、40)を有することを特徴とする請求項12に記載のレーダ。
- 2つの偏波のための受信チャネルの出力とそれぞれ結合された2つのドップラー受信チャネル(22〜24;25〜27)をさらに備えていることを特徴とする請求項12および13のいずれか一項に記載のレーダ。
- 2つの偏波を交互に処理するために同時に制御される入出力スイッチング手段と結合された単一の受信チャネルを有し、スイッチング速度が、2つの偏波で受信された信号がスイッチング時間中に互いに関連しないようなものであることを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項に記載のレーダ。
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