JP5394690B2 - Wind prediction apparatus and program - Google Patents

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Description

本発明は、風予測装置及びプログラムに関し、より具体的には、地上の風向・風速、特に強風域を予測する装置及びコンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a wind prediction device and a program, and more specifically to a device and a computer program for predicting the wind direction and wind speed on the ground, particularly a strong wind region.

風(風向と風速)を予測することは、例えば、局所的に発生する強風への対策として有用であり、また、降雨予測の精度向上にも寄与する。風を予測するには、現在の風向・風速を精密に観測する技術又は体制と、観測値から精度よく予測可能なシステムの両方が必要である。   Predicting the wind (wind direction and wind speed) is useful, for example, as a countermeasure against strong winds generated locally, and also contributes to improving the accuracy of rainfall prediction. Prediction of wind requires both a technology or system for precisely observing the current wind direction and speed, and a system that can accurately predict from the observed values.

気象の時間変化を包括的に予測する手法として、3次元空間の所定距離間隔で想定されるメッシュ又は格子点上の気象データに一定の物理方程式を適用し、その時間変換をコンピュータシミュレーションする方法が知られている。特許文献1には、気象データサーバDSから定期的に提供される広域気象予測データを初期値として気象予測モデルを作成し、このモデルに気象状況の観測結果をデータ同化し、予測モデルから風分布を含む極細密気象予測演算を行い、その演算結果を気象予測情報として提供するシステムが記載されている。   As a method for comprehensively predicting temporal changes in weather, there is a method of applying a certain physical equation to meteorological data on meshes or lattice points assumed at predetermined distance intervals in a three-dimensional space and computer-simulating the time conversion. Are known. In Patent Document 1, a weather forecast model is created using the wide-area weather forecast data periodically provided from the weather data server DS as an initial value, and observation results of weather conditions are assimilated into this model, and wind distribution is calculated from the forecast model. Is described, and a system for providing the calculation result as weather prediction information is described.

また、風向・風速を計測する方法として、ゾンデやウインドプロファイラを用いた高層気象観測、地上の風向・風速計による観測、及び、ドップラーレーダによる観測がある。
特開2007−017316号公報
In addition, as a method of measuring the wind direction and wind speed, there are a high-rise meteorological observation using a sonde or a wind profiler, an observation using a wind direction and anemometer on the ground, and an observation using a Doppler radar.
JP 2007-017316 A

ゾンデやウインドプロファイラによる観測は、空間的にも時間的にも粗いために、強風の予測、特に、数分とか数十分後等の短時間後の予測(ナウキヤスト)には利用できない。   Observations with a sonde or wind profiler are rough both spatially and temporally, so they cannot be used to predict strong winds, especially for short time predictions such as minutes or tens of minutes (Nauquiast).

その点、ドップラーレーダによる観測は空間的時間的に十分な範囲のデータを得ることができる。しかし、1台のドップラーレーダから求まる情報は、動径線上の、近づく方向から遠ざかる方向での速度分布であり、そのままでは風向・風速の分布を求めることはできない。VADやVVPなどの従来手法は、風の場が一様あるいは線形であるという仮定のもとで1台のドップラーレーダの観測結果から風向・風速を推定するものであり、求まる風向・風速は、ある領域の平均的な値になる。すなわち、風が急変するような現象は捉えられない。   In that respect, observation by Doppler radar can obtain data in a sufficient spatial and temporal range. However, the information obtained from one Doppler radar is the velocity distribution in the direction away from the approaching direction on the radial line, and the wind direction / wind velocity distribution cannot be obtained as it is. Conventional methods such as VAD and VVP estimate the wind direction and wind speed from the observation result of one Doppler radar under the assumption that the wind field is uniform or linear. Average value in a certain area. That is, a phenomenon in which the wind changes suddenly cannot be captured.

このような状況から、現在まで、500mというような密な空間分解能で風のナウキヤストを行っている例はない。   Under such circumstances, there has been no example of wind naust with a high spatial resolution of 500 m so far.

本発明は、局所的な強風の発生を的確に予測可能な風予測装置及びプログラムを提示することを目的とする。   An object of this invention is to show the wind prediction apparatus and program which can predict the generation | occurrence | production of a local strong wind exactly.

本発明に係る風予測装置は、複数のドップラーレーダにより風観測されたドップラー速度データを記憶する記憶手段と、当該ドップラー速度データを折り返し補正する折り返し補正手段と、当該折り返し補正手段により補正されたドップラー速度データから、地形データを参照して風向・風速分布データを計算する風向・風速分布計算手段と、当該風向・風速分布データを数値気象モデルにデータ同化し、所定格子間隔の風速場データを生成するデータ同化手段と、所定時間内の複数の風速場データから、風の移動ベクトルを推定する移動ベクトル推定手段と、当該移動ベクトルに従い、現在の風速場データを時間方向に外挿して上空風速場を予測する上空風速場予測手段と、当該上空風速場予測手段の予測結果に従い所定の地上風域を予測する地上風域予測手段とを具備することを特徴とする。   A wind prediction apparatus according to the present invention includes a storage unit that stores Doppler velocity data observed by a plurality of Doppler radars, a folding correction unit that corrects the Doppler velocity data, and a Doppler corrected by the folding correction unit. Wind direction / wind speed distribution calculation means for calculating wind direction / wind speed distribution data by referring to topographic data from velocity data, and assimilating the wind direction / wind speed distribution data into a numerical weather model to generate wind field data at a predetermined grid interval Data assimilation means, movement vector estimation means for estimating a wind movement vector from a plurality of wind speed field data within a predetermined time, and according to the movement vector, the current wind speed field data is extrapolated in the time direction and the upper wind speed field Predicting a predetermined ground wind region according to the prediction result of the wind speed field prediction means Characterized in that it comprises a surface wind range prediction means that.

本発明に係る風予測プログラムは、複数のドップラーレーダにより風観測されたドップラー速度データをコンピュータの記憶手段に格納する機能と、当該コンピュータに、当該ドップラー速度データを折り返し補正させる折り返し補正機能と、当該コンピュータに、当該折り返し補正機能により補正されたドップラー速度データから、地形データを参照して風向・風速分布データを計算させる風向・風速分布計算機能と、当該コンピュータに、当該風向・風速分布データを数値気象モデルにデータ同化させ、所定格子間隔の風速場データを生成させるデータ同化機能と、当該コンピュータに、所定時間内の複数の風速場データから、風の移動ベクトルを推定させる移動ベクトル推定機能と、当該コンピュータに、当該移動ベクトルに従い、現在の風速場データを時間方向に外挿して上空風速場を予測させる上空風速場予測機能と、当該コンピュータに、当該上空風速場予測機能の予測結果に従い所定の地上風域を予測させる地上風域予測機能とを具備することを特徴とする。   The wind prediction program according to the present invention includes a function of storing Doppler velocity data observed by a plurality of Doppler radars in a storage unit of a computer, a folding correction function for causing the computer to correct the Doppler velocity data, and A wind direction / wind speed distribution calculation function that allows a computer to calculate wind direction / wind speed distribution data with reference to terrain data from Doppler speed data corrected by the aliasing correction function, and the computer calculates the wind direction / wind speed distribution data numerically. A data assimilation function for assimilating data to a weather model and generating wind velocity field data at predetermined grid intervals; a movement vector estimation function for causing the computer to estimate a wind movement vector from a plurality of wind velocity field data within a predetermined time; According to the movement vector, the computer The wind speed field prediction function that extrapolates the wind speed field data in the time direction to predict the sky wind speed field, and the ground wind area prediction that causes the computer to predict a predetermined ground wind area according to the prediction result of the sky wind speed field prediction function And a function.

本発明によれば、短時間後の地上風、例えば、強風域を局所的に精度よく予測することが可能になる。   According to the present invention, it becomes possible to predict a ground wind after a short time, for example, a strong wind region, with high accuracy locally.

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。本実施例は、理解を容易にするために、1台のコンピュータ上で動作するとしているが、勿論、複数のコンピュータを協調動作させることで、大量のデータを扱うことが可能になり、高速に結果を得ることができることは明らかである。   FIG. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of the present invention. In this embodiment, it is assumed that it operates on one computer for easy understanding, but of course, a large amount of data can be handled by operating a plurality of computers in a coordinated manner at high speed. It is clear that results can be obtained.

ドップラーレーダは、電波を空中に放射し、その反射波のドップラー効果による周波数変化から、空中浮遊物質、例えば、降水粒子の動径方向での移動速度(ドップラー速度)を計測するものである。降水粒子は、水平方向にはその場の水平風速度で移動し、鉛直方向にはその場の鉛直風速度と大気に相対的な落下速度の和で移動すると考えられる。ドップラー速度は、測定位置の風速度と落下速度の和の動径方向成分である。一般に、降水粒子の落下速度とレーダ反射因子(受信電波の強度)との関係式が知られており、レーダ反射因子から推定された降水落下速度の動径方向成分を求め、これをドップラー速度から差し引くことにより、風速度の動径方向成分を知ることができる。   The Doppler radar radiates radio waves into the air and measures the moving speed (Doppler speed) in the radial direction of airborne substances such as precipitation particles from the frequency change due to the Doppler effect of the reflected waves. Precipitation particles move in the horizontal direction at the horizontal wind velocity of the spot, and in the vertical direction, the precipitation particles are thought to move in the sum of the vertical wind speed of the spot and the fall velocity relative to the atmosphere. The Doppler velocity is a radial component of the sum of the wind velocity and the falling velocity at the measurement position. In general, the relationship between the precipitation velocity of precipitation particles and the radar reflection factor (received radio wave intensity) is known. The radial component of the precipitation velocity estimated from the radar reflection factor is obtained, and this is calculated from the Doppler velocity. By subtracting, the radial component of the wind speed can be known.

通常、ドップラーレーダの観測では、ある仰角に固定した状態で方位角方向に一回転させるPPI(Plan Position Indicator)観測を基本としつつ、一定時間内に複数の仰角のPPI観測を行う(ボリュームスキャン)ことで、三次元的データを取得する。ドップラーレーダで観測されたドップラー速度およびレーダ反射因子データは、測定位置の仰角、方位角及び動径距離の情報とともに保存される。   In general, Doppler radar observation is based on PPI (Plan Position Indicator) observation that rotates in the azimuth direction while being fixed at a certain elevation angle, and performs PPI observation of a plurality of elevation angles within a certain time (volume scan). Thus, three-dimensional data is acquired. The Doppler velocity and radar reflection factor data observed by the Doppler radar are stored together with information on the elevation angle, azimuth angle, and radial distance of the measurement position.

1台のドップラーレーダでは、電波放射軸線上の速度成分(動径方向成分)しか計測できないが、複数のドップラーレーダの放射ビームを所定範囲の角度で交差させ、それぞれの電波で計測された速度成分をベクトル合成することで、その交差点上の風速度(風向・風速)を計測できる。このベクトル合成では、交差角度が90度からプラスマイナス60度の範囲で有意な結果を得ることができる。風速度を求めたい領域がこの交差角の範囲に収まるようにレーダを設置する必要がある。例えば観測範囲を80km四方とする場合、1辺の距離が40km程度の正三角形の頂点にドップラーレーダを配置すればよい。   A single Doppler radar can only measure the velocity component (radial direction component) on the radio wave radiation axis. However, the velocity component measured by each radio wave is obtained by intersecting the radiation beams of multiple Doppler radars at an angle within a predetermined range. The vector can be used to measure the wind speed (wind direction and speed) at the intersection. In this vector synthesis, a significant result can be obtained when the crossing angle is in the range of 90 degrees to plus or minus 60 degrees. It is necessary to install the radar so that the region where the wind speed is to be obtained falls within the range of this intersection angle. For example, when the observation range is 80 km square, a Doppler radar may be arranged at the apex of an equilateral triangle having a side distance of about 40 km.

本実施例では、n台のドップラーレーダ10−1〜10−nが計測対象空間の風向・風速を計測できるように、分散して配置されている。各ドップラーレーダ10−1〜10−nは、放射電波(本実施例では、Xバンド)のドップラー効果による反射波を解析して、動径方向のドップラー速度成分を出力する。反射の遅れを加味することで、動径線に沿った速度分布も計測可能である。各ドップラーレーダ10−1〜10−nのボリュームスキャンによる観測データ(ドップラー速度およびレーダ反射因子データ)は、各観測時の仰角、方位角及び動径距離の情報と共に、データネットワーク12を介して本実施例の風向・風速算出装置14に入力する。   In the present embodiment, n Doppler radars 10-1 to 10-n are arranged in a distributed manner so that the wind direction and the wind speed of the measurement target space can be measured. Each of the Doppler radars 10-1 to 10-n analyzes the reflected wave due to the Doppler effect of the radiated radio wave (X band in this embodiment), and outputs a radial Doppler velocity component. By taking into account the delay in reflection, the velocity distribution along the radial line can also be measured. The observation data (Doppler velocity and radar reflection factor data) of each Doppler radar 10-1 to 10-n is recorded via the data network 12 together with information on the elevation angle, azimuth angle and radial distance at the time of each observation. It inputs into the wind direction and wind speed calculation apparatus 14 of an Example.

風向・風速算出装置14は、データネットワーク12を介して各ドップラーレーダ10−1〜10−nから供給されるドップラー速度データ等から、風向・風速に関する数値気象予測データ(本実施例では、メソスケール気象予測モデル(MSM)の出力データを採用した)と、地形データ(標高・地表面粗度データ)を参照して、対象三次元空間の風向・風速分布を算出する。   The wind direction / wind speed calculation device 14 calculates numerical weather prediction data relating to the wind direction / wind speed from the Doppler velocity data supplied from the Doppler radars 10-1 to 10-n via the data network 12 (in this embodiment, mesoscale). The wind direction / velocity distribution of the target three-dimensional space is calculated with reference to the weather forecast model (MSM output data) and topographic data (altitude / surface roughness data).

降水観測で用いられるドップラーレーダは、一般にパルスレーダであり、観測されるドップラー速度を折り返し補正する必要がある。すなわち、パルスレーダでは、測定できるドップラー速度には、パルス繰り返し周波数と波長で決定される最大速度(ナイキスト速度)が存在する。このナイキスト速度を超えるドップラー速度は折り返して表現される。実際のドップラー速度Vと、検出されたドップラー速度Voの間には、
Vnyq = fλ/4 (1)
V=Vo+2nVnyq (2)
という関係が成立する。但し、ナイキスト速度をVnyqはナイキスト速度、fはパルス繰り返し周波数、λは電波の波長、nは整数である。
The Doppler radar used for precipitation observation is generally a pulse radar, and it is necessary to correct the observed Doppler velocity by turning it back. That is, in the pulse radar, there is a maximum speed (Nyquist speed) determined by the pulse repetition frequency and the wavelength among the Doppler speeds that can be measured. Doppler speeds exceeding this Nyquist speed are expressed in turn. Between the actual Doppler speed V and the detected Doppler speed Vo,
Vnyq = fλ / 4 (1)
V = Vo + 2nVnyq (2)
The relationship is established. However, the Nyquist speed Vnyq is the Nyquist speed, f is the pulse repetition frequency, λ is the wavelength of the radio wave, and n is an integer.

例えば、パルス繰り返し周波数fが2000Hz、波長λが3.2cmのドップラーレーダの場合、表現できるドップラー速度は−16m/sから+16m/sである。計測されたドップラー速度Voが+12m/sのとき、実際のドップラー速度Vは+12+32×n(m/s)となり、即ち、...-52、-20、+12、+44、+76、...という不確定性が存在する。これは、ある信号を標本化するときに、サンプリング周波数の1/2を超える周波数は折り返されて表現されることに由来する。   For example, in the case of a Doppler radar having a pulse repetition frequency f of 2000 Hz and a wavelength λ of 3.2 cm, the expressible Doppler speed is from −16 m / s to +16 m / s. When the measured Doppler velocity Vo is +12 m / s, the actual Doppler velocity V is + 12 + 32 × n (m / s), that is,. . . -52, -20, +12, +44, +76,. . . There is uncertainty. This is because when a signal is sampled, a frequency exceeding 1/2 of the sampling frequency is expressed by being folded.

そこで、風向・風速算出装置14は、数値気象予測モデルの予報データを参照してドップラー速度の折り返しを補正するドップラー速度折り返し補正装置16と、補正装置16により補正されたドップラー速度データから、地形(標高・地表面粗度データ)を参照して、風向・風速の分布を計算する風向・風速分布計算装置18とからなる。図2は、風向・風速算出装置14の概略構成ブロック図を示す。   Therefore, the wind direction / wind speed calculation device 14 refers to the forecast data of the numerical weather prediction model, corrects the Doppler velocity return correction device 16 for correcting the return of the Doppler velocity, and the Doppler velocity data corrected by the correction device 16 from the topography ( The wind direction / wind speed distribution calculating device 18 calculates the wind direction / wind speed distribution with reference to the altitude / ground surface roughness data). FIG. 2 shows a schematic block diagram of the wind direction / wind speed calculation device 14.

ハードディスク20aには、データネットワーク12を介して入力する各ドップラーレーダ10−1〜10−nからのドップラー速度データが格納され、ハードディスク20bには、各ドップラーレーダ10−1〜10−nからのレーダ反射因子データが格納される。また、ハードディスク20cには、対象地域に対する数値気象モデルによる予報データが格納される。この予報データは、水平垂直の3次元空間で一定距離に位置する格子点上の値(Grid Point Value)で表現されている。ハードディスク20dには、対象地域の標高・地表面粗度のデータが格納される。   The hard disk 20a stores Doppler velocity data from the Doppler radars 10-1 to 10-n input via the data network 12, and the hard disk 20b stores radars from the Doppler radars 10-1 to 10-n. Reflection factor data is stored. The hard disk 20c stores forecast data based on a numerical weather model for the target area. This forecast data is represented by a value (Grid Point Value) on a grid point located at a certain distance in a horizontal and vertical three-dimensional space. The hard disk 20d stores altitude / surface roughness data of the target area.

ドップラー速度折り返し補正装置16は、ハードディスク20aに格納されるドップラー速度データを、ハードディスク20bに格納されるレーダ反射因子データ及びハードディスク20cに格納される数値気象予報データを参照して、折り返し補正する。図3は、ドップラー速度折り返し補正装置16における折り返し補正のフローを示す。   The Doppler velocity return correction device 16 corrects the Doppler velocity data stored in the hard disk 20a with reference to the radar reflection factor data stored in the hard disk 20b and the numerical weather forecast data stored in the hard disk 20c. FIG. 3 shows a flow of aliasing correction in the Doppler velocity aliasing correction device 16.

ドップラー速度折り返し補正装置16は、ハードディスク20aからドップラー速度データを取り込むと共に、ハードディスク20bに格納されるレーダ反射因子データを取り込み、一定の品質管理基準の下で、明らかな異常値を除外する(S1)。具体的には、観測されたドップラー速度には、地形による電波の反射や干渉波の影響によるノイズが含まれるので、これらの異常なデータを検出し削除する。地形は移動しないので、その影響を受けたドップラー速度はほぼゼロとなる。そこで、ゼロに近いドップラー速度データをまず削除する。次に、干渉波の影響を取り除くために、動径方向にドップラー速度データの移動平均偏差を計算し、その値がある設定した閾値を超える場合はそのドップラー速度データを削除する。   The Doppler velocity folding correction device 16 takes in Doppler velocity data from the hard disk 20a and also takes in radar reflection factor data stored in the hard disk 20b, and excludes apparent abnormal values under a certain quality control standard (S1). . Specifically, since the observed Doppler velocity includes noise due to the reflection of radio waves due to topography and the influence of interference waves, these abnormal data are detected and deleted. Since the terrain does not move, the affected Doppler velocity is almost zero. Therefore, the Doppler velocity data close to zero is first deleted. Next, in order to remove the influence of the interference wave, the moving average deviation of the Doppler velocity data is calculated in the radial direction, and when the value exceeds a set threshold value, the Doppler velocity data is deleted.

異常データ又はノイズデータを除外した後(S1)、本実施例では、複数の方法で折り返し補正を実行し、精度を高める。   After the abnormal data or noise data is excluded (S1), in this embodiment, aliasing correction is executed by a plurality of methods to improve accuracy.

まず、数値気象予報モデルとの比較により、折り返しを補正する(S2)。気象庁のような現業の気象機関は、数値気象モデル(例えば気象庁メソ数値モデル:MSM)により計算された気温、気圧、風向・風速などの予報値を三次元格子データとしてリアルタイム配信している。ハードディスク20cには、このような数値気象モデルの予報データが格納され、この数値気象モデルの予報データには、ある一定の時間間隔及び空間間隔で風速度データが含まれている。   First, the aliasing is corrected by comparison with the numerical weather forecast model (S2). A working meteorological agency such as the Japan Meteorological Agency distributes forecast values such as temperature, pressure, wind direction, and wind speed calculated by a numerical meteorological model (for example, Meteorological Agency Meso Numerical Model: MSM) in real time as three-dimensional grid data. The hard disk 20c stores such forecast data of the numerical weather model, and the forecast data of the numerical weather model includes wind speed data at certain time intervals and spatial intervals.

ドップラー速度折り返し補正装置16は、予報データの風速度データを、ドップラーレーダ10−1〜10−nによる測定位置(レーダ10−1〜10−nからの仰角・方位角・動径距離で記述される)に時空間内挿する。次に、内挿された風速度と、レーダ観測されたレーダ反射因子により推定される降水の落下速度とから、レーダ10−1〜10−n動径方向の速度を計算する。そして、式(2)で与えられるドップラー速度Vがこの計算された動径方向の速度に一番近くなるnを決定する。この操作を、品質管理された全てのドップラー速度データVoに対して実行し、それぞれに対するn、即ち、ドップラー速度Vを決定する。   The Doppler velocity return correction device 16 describes wind speed data of the forecast data as measured by the Doppler radars 10-1 to 10-n (elevation angle, azimuth angle, and radial distance from the radars 10-1 to 10-n). Space-time interpolation. Next, the velocity in the radial direction of the radar 10-1 to 10-n is calculated from the interpolated wind velocity and the precipitation falling velocity estimated from the radar reflection factor observed by the radar. Then, n is determined such that the Doppler velocity V given by Equation (2) is closest to the calculated radial velocity. This operation is performed for all quality-controlled Doppler speed data Vo, and n, that is, Doppler speed V for each is determined.

本実施例では、折り返し補正に関して、複数の簡便な手法を順次組み合わせて使用している。そこで、各手法によりどの程度、折り返し補正が正しく行われたかを示す指標として、下記式に従いあるPPIデータに関する下記式のD値を定義する。すなわち、

Figure 0005394690
iは動径方向に関する添え字、jは方位角方向に関する添え字である。正しく折り返し補正が行われれば、ドップラー速度は空間的になめらかに変化する。そこで、動径方向・方位角方向に隣り合うドップラー速度データの差はナイキスト速度Vnyqよりも小さくなると考えられ、D値は減少する。 In this embodiment, a plurality of simple methods are sequentially used in combination for the aliasing correction. Therefore, the D value of the following equation relating to a certain PPI data is defined according to the following equation as an index indicating how much aliasing correction has been performed by each method. That is,
Figure 0005394690
i is a subscript in the radial direction, and j is a subscript in the azimuth direction. If the aliasing correction is performed correctly, the Doppler speed changes smoothly in space. Therefore, it is considered that the difference between the Doppler velocity data adjacent in the radial direction / azimuth direction is smaller than the Nyquist velocity Vnyq, and the D value decreases.

数値気象予報データとの比較により折り返し補正したドップラー速度データVに対して、上記D値を算出する。この算出結果をD1とする。   The D value is calculated with respect to the Doppler velocity data V corrected by the comparison with the numerical weather forecast data. Let this calculation result be D1.

次に、ドップラー速度折り返し補正装置16は、VAD(Velocity Azimuth Display)法による水平風との比較に基づき、折り返しを補正する(S3)。VAD法とは、一つのPPI観測データから、観測領域を代表する水平風の高度分布を推定する手法である。まず、ドップラー速度折り返し補正装置16は、VAD法により、観測時刻における水平風速度の高度分布を計算する。次に、ドップラーレーダ10−1〜10−nによる測定位置の高度を求め、VAD法で求めておいたその高度の水平風速度と、レーダ反射因子により推定される降水の落下速度とから、ドップラーレーダ10−1〜10−nの動径方向速度を計算する。ただし、仰角が10度程度までならば、鉛直方向の風速成分はゼロとみなすことができる。   Next, the Doppler velocity folding correction device 16 corrects the folding based on the comparison with the horizontal wind by the VAD (Velocity Azimuth Display) method (S3). The VAD method is a method of estimating the altitude distribution of the horizontal wind representing the observation region from one PPI observation data. First, the Doppler velocity folding correction device 16 calculates the altitude distribution of the horizontal wind velocity at the observation time by the VAD method. Next, the altitude of the measurement position by the Doppler radars 10-1 to 10-n is obtained, and the Doppler is calculated from the horizontal wind speed at the altitude obtained by the VAD method and the precipitation falling speed estimated by the radar reflection factor. The radial speed of the radars 10-1 to 10-n is calculated. However, if the elevation angle is up to about 10 degrees, the wind velocity component in the vertical direction can be regarded as zero.

ステップS2における数値気象予報モデルとの比較と同様に、式(2)で、ここで計算された動径方向速度に一番近くなるnを決定する。すなわち、ステップS2で折り返し補正されたドップラー速度データをVoとして式(2)に代入し、式(2)で得られるドップラー速度Vがここで計算された動径方向の速度に一番近くなるnを決定する。この操作を、ステップS2で折り返し補正された全てのドップラー速度データに対して実行し、それぞれに対するn、即ち、ドップラー速度Vを決定する。   Similar to the comparison with the numerical weather forecast model in step S2, n that is closest to the radial velocity calculated here is determined by equation (2). That is, the Doppler velocity data corrected in step S2 is substituted as Vo into Equation (2), and the Doppler velocity V obtained by Equation (2) is closest to the radial velocity calculated here. To decide. This operation is executed for all the Doppler speed data corrected in step S2, and n for each, that is, the Doppler speed V is determined.

ステップS3での折り返し補正の結果に対して、式(3)によりD値を計算し、その結果をD2とする。D2がD1以下の場合、ステップS3による折り返し補正を有効とする。D2がD1よりも大きくなっている場合は、折り返し補正が正しく行われていないと判断し、ドップラー速度データをステップS3の適用前のものに戻し、D2にD1を代入する。すなわち、ステップS3の折り返し補正をキャンセルする。   With respect to the result of the aliasing correction in step S3, a D value is calculated by the equation (3), and the result is set to D2. When D2 is equal to or less than D1, the aliasing correction in step S3 is validated. If D2 is larger than D1, it is determined that the folding correction is not performed correctly, the Doppler speed data is returned to the one before application of step S3, and D1 is substituted into D2. That is, the loopback correction in step S3 is cancelled.

次に、時間的な連続性に基づき、折り返しを補正する(S4)。上空の風速は時間に関して連続的に変化しており、その変動時間スケールよりもドップラーレーダの観測間隔が短い場合(例えば5分間程度)、直前の折り返し補正済みの速度データとの比較は有意である。そこで、先ず、直前の時間の同じ仰角における折り返し補正済みドップラー速度データを、ステップS3からの折り返し補正されたドップラー速度データの測定位置と同じ位置に空間的に内挿する。そして、ステップS3で折り返し補正されたドップラー速度データをVoとして式(2)に代入し、式(2)で得られるドップラー速度Vが、空間的に内挿されたドップラー速度に一番近くなるnを決定する。この操作を、ステップS3で折り返し補正された全てのドップラー速度データに対して実行し、それぞれに対するn、即ち、ドップラー速度Vを決定する。   Next, the aliasing is corrected based on temporal continuity (S4). The wind speed in the sky changes continuously with respect to time, and when the Doppler radar observation interval is shorter than the fluctuation time scale (for example, about 5 minutes), the comparison with the speed data corrected with the previous aliasing is significant. . Therefore, first, the aliasing corrected Doppler velocity data at the same elevation angle at the immediately preceding time is spatially interpolated at the same position as the measurement position of the aliasing corrected Doppler velocity data from Step S3. Then, the Doppler velocity data corrected in step S3 is substituted for Vo in Equation (2), and the Doppler velocity V obtained in Equation (2) is closest to the spatially interpolated Doppler velocity n. To decide. This operation is executed for all the Doppler speed data corrected in step S3, and n for each, that is, the Doppler speed V is determined.

ステップS4での折り返し補正の結果に対して、式(3)によりD値を計算し、その結果をD3とする。D3がD2以下の場合、ステップS4による折り返し補正を有効とする。D3がD2よりも大きくなっている場合は、折り返し補正が正しく行われていないと判断し、ドップラー速度データをステップS4の適用前のものに戻し、D3にD2を代入する。すなわち、ステップS4の折り返し補正をキャンセルする。   With respect to the result of the aliasing correction in step S4, the D value is calculated by the equation (3), and the result is set to D3. When D3 is equal to or smaller than D2, the aliasing correction in step S4 is validated. If D3 is larger than D2, it is determined that the folding correction is not performed correctly, the Doppler speed data is returned to the one before application of step S4, and D2 is substituted into D3. That is, the loopback correction in step S4 is cancelled.

最後に,空間連続性を考慮して、折り返しを補正する(S5)。すなわち、同時刻の隣接する位置の風速度は近い値を取ることを利用する。上空の風速は空間に関して連続的に変化しており、ドップラー速度に関しても、方位角・動径方向に隣り合うデータは連続に分布している。   Finally, aliasing is corrected in consideration of spatial continuity (S5). That is, it is utilized that the wind speeds of adjacent positions at the same time take close values. The wind speed in the sky changes continuously with respect to space, and the data adjacent in the azimuth and radial directions are also continuously distributed with respect to the Doppler velocity.

まず、ステップS4の折り返し補正結果のうち、より補正結果の確からしいデータ点を抽出する。その抽出条件は例えば、ステップS2,S3,S4において、それぞれの補正済みドップラー速度と、それぞれの比較に用いられた速度データの差が常にある閾値(例えば1m/s)よりも小さいこととし、この条件に合致するデータ点を抽出する。次に、その確からしい点データと方位角・動径方向に隣り合う点のドップラー速度データに対して、確からしいデータ点のドップラー速度に一番近くなるnを決定する。このように補正されたデータも確からしいデータ点として、この点に隣り合うデータを補正する。このような再帰的な処理により、全体のドップラー速度データの折り返しを補正する。   First, data points that are more likely to be corrected are extracted from the folding correction results in step S4. The extraction condition is, for example, that the difference between each corrected Doppler velocity and the velocity data used for each comparison is always smaller than a certain threshold value (for example, 1 m / s) in steps S2, S3, and S4. Extract data points that meet the conditions. Next, n that is closest to the Doppler speed of the probable data point is determined with respect to the probable point data and Doppler speed data of the point adjacent in the azimuth / radial direction. Data corrected in this way is also regarded as a probable data point, and data adjacent to this point is corrected. By such recursive processing, the entire Doppler velocity data is corrected.

ステップS5での折り返し補正の結果に対して、式(3)によりD値を計算し、その結果をD4とする。D4がD3以下の場合、ステップS5による折り返し補正を有効とする。D4がD3よりも大きくなっている場合は、折り返し補正が正しく行われていないと判断し、ドップラー速度データをステップS5の適用前のものに戻す。   With respect to the result of the aliasing correction in step S5, the D value is calculated by the equation (3), and the result is set to D4. When D4 is equal to or smaller than D3, the aliasing correction in step S5 is validated. If D4 is larger than D3, it is determined that the aliasing correction is not performed correctly, and the Doppler velocity data is returned to the one before application of step S5.

ドップラー速度折り返し補正装置16は、このように複数の手法で折り返しを補正したドップラー速度データをハードディスク22に格納する。   The Doppler speed folding correction device 16 stores the Doppler speed data corrected for folding by a plurality of methods in the hard disk 22 as described above.

風向・風速分布計算装置18は、ハードディスク20bのレーダ反射因子データと、後述する標高・地表面データとを参照し、ハードディスク22の折り返し補正済みドップラー速度データから上空の風向・風速分布を計算し、計算結果をハードディスク24に格納する。   The wind direction / wind speed distribution calculating device 18 refers to the radar reflection factor data of the hard disk 20b and altitude / surface data described later, calculates the wind direction / wind speed distribution of the sky from the aliasing corrected Doppler speed data of the hard disk 22, The calculation result is stored in the hard disk 24.

一般にレーダ観測では地球の曲率及び山岳・構造物等による電波の遮蔽により、地表面付近の観測が困難である。しかし、防災上は、地表面付近の風情報は非常に重要である。これに対し、本実施例では、対数則と呼ばれる風速の鉛直プロファイルモデルを仮定することにより、対流圏下層の指定した海抜高度Z(たとえば、海抜高度1km)における風向・風速と、地表面付近(たとえば、地上高度10m)における風向・風速を計算する。 In general, radar observation makes it difficult to observe the vicinity of the ground surface due to the curvature of the earth and the shielding of radio waves by mountains and structures. However, wind information near the ground surface is very important for disaster prevention. On the other hand, in this embodiment, by assuming a vertical profile model of wind speed called logarithmic rule, the wind direction and wind speed at the specified sea level altitude Z 1 (for example, 1 km altitude above sea level) in the lower troposphere and the vicinity of the ground surface ( For example, the wind direction and wind speed at a ground altitude of 10 m) are calculated.

計算に先立ち、海抜高度Zおいて、緯度幅及び経度幅が一定で格子間隔が約500m程度となるような水平格子を定義する。次に、標高・地表面粗度データを、定義した格子点と同じ緯度・経度上に空間内挿する。ただし、地表面粗度データの空間内挿に関しては、その格子点の値ではなく、格子点から2500m程度風上の地点までの間で平均化した地表面粗度を使用する。たとえば、その格子点から風上方向に、0m、100m、200m、…、2400m、2500mというように100m置きに離れた地点の地表面粗度を空間内挿により計算し、それらを平均したものをその格子点における地表面粗度として使用する。これは、対流圏下層風速の鉛直プロファイルが直下の地表面状態のみでなく、風上側の地表面状態の影響を受けていることを考慮するためである。また、風上方向を定義する際に使用する風向・風速は、本実施例により直前に計算されたもの、即ち,ハードディスク24の風向・風速分布データから読み出したデータと、計算毎に更新する。 Prior to calculations, altitude Z 1 Oite latitude width and longitude width defining a horizontal grating as lattice spacing of about 500m approximately constant. Next, the altitude / surface roughness data is spatially interpolated on the same latitude / longitude as the defined grid points. However, regarding the spatial interpolation of the ground surface roughness data, the ground surface roughness averaged from the lattice point to a point about 2500 m upwind is used instead of the value of the lattice point. For example, the surface roughness of points separated every 100 m, such as 0 m, 100 m, 200 m,..., 2400 m, 2500 m in the windward direction from the lattice points, is calculated by spatial interpolation, and the average of these is calculated. It is used as the ground surface roughness at the lattice point. This is to consider that the vertical profile of the lower tropospheric wind speed is influenced not only by the ground surface state directly below but also by the ground surface state of the windward side. Further, the wind direction and wind speed used when defining the windward direction are updated every time the calculation is performed immediately before by this embodiment, that is, the data read from the wind direction and wind speed distribution data of the hard disk 24.

定義した格子点上の風向・風速を以下のように計算する。ここで、各格子点上の風速のx軸(東西)、y軸(南北)及びz軸(鉛直)各成分をu,v,wとする。まず、各格子点の風速三成分(u,v,w)と折り返し補正済みドップラー速度から計算するコストファンクションJを定義し、このコストファンクションJを最小とするような(u、v、w)を求める。コストファンクションJは、

Figure 0005394690
と記述される。ここで、iは格子点を示す添え字である。jは格子点iを中心とする、ある大きさの楕円球(たとえば水平軸の半径が1.5km、鉛直軸の半径が500m)の内側に分布するレーダ観測点を示す添え字である。ωは格子点iからレーダ観測点までの距離に依存する重みであり、距離が長くなると小さくなる関数で与えられる。α,β,γはそれぞれ、レーダビームがx軸(東西)、y軸(南北)及びz軸(鉛直)方向となす角度を示す。fはレーダ反射因子により推定される降水の落下速度である。Kは、格子点iの周りに分布するレーダ観測点におけるドップラー速度Vと格子点iにおける風速度の動径方向成分の差についての重み付き二乗平均である。 The wind direction and wind speed on the defined grid points are calculated as follows. Here, the x-axis (east-west), y-axis (north-south), and z-axis (vertical) components of the wind speed on each lattice point are u, v, and w. First, a cost function J that is calculated from the three wind speed components (u, v, w) at each lattice point and the Doppler velocity corrected for aliasing is defined, and (u, v, w) that minimizes the cost function J is defined. Ask. Cost function J is
Figure 0005394690
It is described. Here, i is a subscript indicating a lattice point. j is a subscript indicating radar observation points distributed inside a certain size ellipsoid (for example, the radius of the horizontal axis is 1.5 km and the radius of the vertical axis is 500 m) with the lattice point i as the center. ω is a weight that depends on the distance from the grid point i to the radar observation point, and is given by a function that decreases as the distance increases. α, β, and γ represent angles formed by the radar beam with respect to the x-axis (east-west), y-axis (north-south), and z-axis (vertical) directions, respectively. f is the precipitation falling speed estimated by the radar reflection factor. K i is a weighted root mean square for the difference between the Doppler velocity V at the radar observation points distributed around the lattice point i and the radial component of the wind velocity at the lattice point i.

最終的に計算される風速三成分(u,v,w)が、観測されたドップラー速度と矛盾しなければ、Kの値は0に近づき、全ての格子点についてのKの総和であるコストファンクションJの第一項目の値も0に近づくはずである。コストファンクションJの第二項目は、空間に関するローパスフィルタの機能を持ち、減衰させる波長は係数Cによって調節される。 If the finally calculated three wind velocity components (u, v, w) are consistent with the observed Doppler velocity, the value of K i approaches 0 and is the sum of K i for all grid points. The value of the first item of the cost function J should also approach 0. The second item of the cost function J has a function of a low pass filter related to space, and the wavelength to be attenuated is adjusted by the coefficient C.

地上に設置したドップラーレーダによる観測の場合、得られるドップラー速度には、鉛直風成分の寄与が小さいので、コストファンクションJを最小化させる(u,v,w)を求める際に、鉛直風速成分wが不安定な挙動を示す。すなわち、鉛直風速成分wを確定するのが難しい。そこで、本実施例では、質量保存の法則と風速の対数則の仮定を適用し、鉛直風速成分wをx軸風速成分uとy軸風速成分vの関数として記述する。   In the case of observation by a Doppler radar installed on the ground, the vertical wind component w is small when calculating (u, v, w) that minimizes the cost function J because the contribution of the vertical wind component is small to the obtained Doppler velocity. Shows unstable behavior. That is, it is difficult to determine the vertical wind speed component w. Therefore, in this embodiment, the assumption of the law of conservation of mass and the logarithm rule of wind speed are applied, and the vertical wind speed component w is described as a function of the x-axis wind speed component u and the y-axis wind speed component v.

地表面付近の海抜高度zにおける風速U(z)、V(z)は、風速の対数則により、

Figure 0005394690
と表現できると仮定する。ただし、u*、v*は摩擦速度、kはカルマン定数、zは地表面の海抜高度、zは地表面粗度である。海抜高度zにおける水平面内の風速を(u、v)とすると、式(1)、(2)から摩擦速度u*,v*を消去でき、
Figure 0005394690
と変形できる。 The wind speeds U (z) and V (z) at sea level altitude z near the ground surface are expressed by the logarithmic law of the wind speed,
Figure 0005394690
It can be expressed as However, u * and v * are friction rates, k is the Kalman constant, z h is the altitude above sea level, and z 0 is the ground surface roughness. If the wind speed in the horizontal plane at sea level altitude z 1 is (u, v), the friction velocities u *, v * can be eliminated from equations (1) and (2).
Figure 0005394690
And can be transformed.

式(4),(5)を地表面高度zからzまで積分することにより、高度z以下での質量フラックス(Fx,Fy)は、

Figure 0005394690
となる。ただし、ρは大気密度である。ここでは、地表面付近の現象のみを扱っているので、大気密度ρは、高度によらず一定であると仮定している。Lは下記式
Figure 0005394690
のように定義される。 By integrating the equations (4) and (5) from the ground surface height z h to z 1 , the mass flux (Fx, Fy) below the altitude z 1 is
Figure 0005394690
It becomes. Where ρ is the atmospheric density. Here, since only phenomena near the ground surface are handled, it is assumed that the atmospheric density ρ is constant regardless of the altitude. L is the following formula
Figure 0005394690
Is defined as follows.

式(9)及び式(10)の質量フラックス(Fx,Fy)から、高度zにおける鉛直風速成分wは、質量保存の法則により、

Figure 0005394690
となる。ただし、aは地球の半径、λは経度、φは緯度である。水平発散dは、
Figure 0005394690
と表される。式(12)により鉛直風速成分wは、水平速度成分(u,v)の関数として表すことができる。これを式(4)に代入することにより、コストファンクションJは、uとvの関数になる。 From the mass flux (Fx, Fy) of the equations (9) and (10), the vertical wind velocity component w at the altitude z 1 is expressed by the law of conservation of mass.
Figure 0005394690
It becomes. Where a is the radius of the earth, λ is the longitude, and φ is the latitude. The horizontal divergence d is
Figure 0005394690
It is expressed. The vertical wind velocity component w can be expressed as a function of the horizontal velocity component (u, v) by the equation (12). By substituting this into equation (4), the cost function J becomes a function of u and v.

以上の計算により、最小にすべきコストファンクションJが決定する。このコストファンクションJが最小になる各格子点の風速成分(u,v)が決定されれば、式(12)により鉛直風速成分wが求まり、式(5),(6)により高度z以下の風速の鉛直プロファイルが決定される。 The cost function J to be minimized is determined by the above calculation. If the wind speed component (u, v) at each lattice point at which the cost function J is minimized is determined, the vertical wind speed component w is obtained by the equation (12), and the altitude z 1 or less is obtained by the equations (5) and (6). The vertical profile of the wind speed is determined.

コストファンクションJを最小にする各格子点の水平風速成分(u、v)の値を決定するには、非線形計画法で取り扱われる様々な解法を利用できる。たとえば共役勾配法の一種であるPolak−Ribiere法を用いると、コストファンクションJとそのu,vについての偏微分を与えることにより、各格子点における(u,v)の各値が求められる。このようにして得られた各格子点上の水平風速成分(u,v)の値、及び、これらから式(12)により求めた鉛直方向風速成分(w)は、ハードディスク24に格納され、データ同化装置30に供給される。   In order to determine the value of the horizontal wind velocity component (u, v) at each grid point that minimizes the cost function J, various solutions handled by nonlinear programming can be used. For example, when the Polak-Ribiere method, which is a kind of conjugate gradient method, is used, each value of (u, v) at each lattice point can be obtained by giving a partial differential for the cost function J and its u, v. The values of the horizontal wind speed components (u, v) on each grid point obtained in this way and the vertical wind speed components (w) obtained from these by the formula (12) are stored in the hard disk 24 and are stored in the data Supplied to the assimilation device 30.

データ同化装置30は、風向・風速算出装置14からの風向・風速分布データ(風観測値データ)と、雲解像モデル(本実施例では、Cloud Resolving Storm Simulator(CReSS)を採用した)の予測結果である第一推定値を三次元変分法により同化し、観測値と物理的に整合する広範囲の風速場(これを客観解析データと呼ぶ)を作成する。同化手法として三次元変分法を用いることで、計算コストが甚大な四次元変分法やアンサンブルカルマンフィルタとは異なり、実時間における風速の客観解析データを提供することが可能となる。   The data assimilation device 30 predicts the wind direction / wind speed distribution data (wind observation value data) from the wind direction / wind speed calculation device 14 and the cloud resolving model (in this embodiment, Cloud Resolving Storm Simulator (CResS) is adopted). The first estimated value that is the result is assimilated by the three-dimensional variational method, and a wide range of wind speed fields (this is called objective analysis data) that physically matches the observed value is created. By using the three-dimensional variational method as an assimilation method, it is possible to provide objective analysis data of wind speed in real time, unlike the four-dimensional variational method and the ensemble Kalman filter, which have a large calculation cost.

図4は、データ同化装置30の動作フローを示す。データ同化装置30は、風向・風速算出装置14により算出された風速場(ハードディスク)24)のデータを風観測値として取り込み、レーダ反射因子データを降水粒子の観測値として取り込む。取り込んだ観測値を、その観測場所付近の雲解像数値モデル(CReSSモデル)の格子点に内挿する(S21)。   FIG. 4 shows an operation flow of the data assimilation apparatus 30. The data assimilation device 30 takes in the data of the wind speed field (hard disk) 24) calculated by the wind direction / wind speed calculation device 14 as wind observation values, and takes in the radar reflection factor data as observation values of precipitation particles. The captured observation values are interpolated into the grid points of the cloud resolution numerical model (CReSS model) near the observation location (S21).

次に、リアルタイム運用されている雲解像数値モデルの予測データから、観測時刻に対応するデータを抽出し、それを第一推定値(観測以外の手段により推定される、各格子点の風向・風速、気圧、気温、水蒸気混合比、降水粒子の混合比)とする。   Next, the data corresponding to the observation time is extracted from the prediction data of the cloud resolving numerical model that is operated in real time, and the first estimated value (the wind direction of each grid point, estimated by means other than observation) Wind speed, atmospheric pressure, temperature, water vapor mixing ratio, precipitation particle mixing ratio).

こうして、観測領域内の雲解像数値モデルの格子点には、観測値と第一推定値の2つの風データを持つことになる。以下の手順を繰り返すことで、観測値と第一推定値の両者にできるだけ近く、かつ、質量保存則をできるだけ満たす風の推定値を求める。すなわち、風の推定値と観測値との差分、風の推定値と第一推定値との差分、及び式(14)で得られる収束発散項であるDvをすべての格子点について合計する(S23)。すなわち、

Figure 0005394690
ただし、ρは大気密度である。この合計値を最も小さくする風の推定値が最適な推定値である。総和が一定範囲に収束しない場合(S24)、共役勾配法を使って風の推定値を更新し(S25)、合計値を再計算する(S23)。 Thus, the cloud point of the cloud resolving numerical model in the observation region has two wind data of the observed value and the first estimated value. By repeating the following procedure, an estimated wind value that is as close as possible to both the observed value and the first estimated value and that satisfies the mass conservation law as much as possible is obtained. That is, the difference between the estimated wind value and the observed value, the difference between the estimated wind value and the first estimated value, and the convergence divergence term Dv obtained by Equation (14) are summed for all grid points (S23). ). That is,
Figure 0005394690
Where ρ is the atmospheric density. The estimated wind value that makes the total value the smallest is the optimum estimated value. If the sum does not converge to a certain range (S24), the wind estimation value is updated using the conjugate gradient method (S25), and the total value is recalculated (S23).

合計値が最小値に収束したと判定したら(S24)、データ同化を終了し、データ同化による風速場データ(客観解析データ)をハードディスク32に保存する。ハードディスク32に保存される風速場データは、CReSSモデルで想定される地域の海抜1km以下の空間における風向・風速を所定距離間隔の格子点上で示すデータである。この風速場の移動方向と速度を予測することで、強風の発生とその地域を予測できる。   If it is determined that the total value has converged to the minimum value (S24), the data assimilation is terminated and the wind velocity field data (objective analysis data) by the data assimilation is stored in the hard disk 32. The wind speed field data stored in the hard disk 32 is data indicating the wind direction and the wind speed in a space of 1 km or less above sea level in an area assumed by the CReSS model on grid points at predetermined distance intervals. By predicting the moving direction and speed of this wind speed field, it is possible to predict the occurrence of strong winds and their areas.

予測装置34は、データ同化装置30により算出された現在及び過去の一定時間内の風速場の時間変化から風速場の移動ベクトル(時間変化)を推定し、1時間程度先までの範囲で5分毎の、地上での強風の発生とその地域を推定する。なお、水平解像度を500mメッシュとし、更新間隔を5分とした。図5は、予測装置34の移動ベクトル推定装置36と上空風速場予測装置38の動作フローを示す。   The prediction device 34 estimates the movement vector (time change) of the wind speed field from the time change of the wind speed field within a certain time in the present and the past calculated by the data assimilation device 30, and takes 5 minutes in the range up to about one hour ahead Estimate the occurrence of strong wind on the ground and the area. The horizontal resolution was 500 m mesh and the update interval was 5 minutes. FIG. 5 shows an operation flow of the movement vector estimation device 36 and the sky wind velocity field prediction device 38 of the prediction device 34.

移動ベクトル推定装置36が、ハードディスク32の500mメッシュの現在及び過去の一定時間内の風速場データから、強風域の移動方向と移動速度(以降、移動ベクトルと呼ぶ)を推定する。なお、本実施例の目的が強風域の予測なので、ハードディスク32から現在及び過去3時刻の風速場データを読み込み(S31),その内から、一定以上の強風域、ここでは15m/s以上を抽出する(S32)。抽出した風速場データに対し、移流モデルを用いて移動ベクトルを算出する(S33)。強風域と予測されなかった領域の値は、不定(風速は弱いかもしれないし強いかもしれない)として扱う。   The movement vector estimation device 36 estimates the movement direction and movement speed (hereinafter referred to as a movement vector) of the strong wind region from the current and past wind speed field data of the 500 m mesh of the hard disk 32. Since the purpose of this embodiment is to predict a strong wind region, the current and past three time wind velocity field data are read from the hard disk 32 (S31), and a certain level or more of a strong wind region, here 15 m / s or more is extracted. (S32). A movement vector is calculated using the advection model for the extracted wind speed field data (S33). The values of areas that were not predicted to be strong wind areas are treated as indefinite (wind speed may be weak or strong).

本実施例では、移動ベクトルの推定に移流モデルを採用する(S33)。移流モデルの概念を簡単に説明する。風速をZ(x,y,t)のように位置(x,y)と時刻tの関数で表したとき、Z(x,y,t)は、時刻を固定すると1つの曲面を表す。風速予測は、この曲面の変化を予測することに相当する。   In this embodiment, an advection model is adopted for estimating the movement vector (S33). The concept of the advection model is briefly explained. When the wind speed is expressed as a function of position (x, y) and time t like Z (x, y, t), Z (x, y, t) represents one curved surface when the time is fixed. The wind speed prediction corresponds to predicting the change of the curved surface.

そこで、風速Zの変化を、

Figure 0005394690
と表す。式(15)はいわば質量保存の式であり、ある微小面積内でのZの時間変化と、その微小面積に周囲から流れ込み又は周囲に流れ出す量との和が、その場所でのZの増減と等しいことを意味している。ここで、uはZの東西方向の移動速度を示し、vはZの南北方向の移動速度を示す。u,vは、Zの移動方向と移動速度を表すので、これを移動ベクトルと呼ぶ。また、wはZの発達・衰弱を表す。 Therefore, change in wind speed Z
Figure 0005394690
It expresses. The equation (15) is, so to speak, a mass conservation equation, and the sum of the time change of Z within a certain small area and the amount flowing into or out of the minute area from the periphery is the increase / decrease of Z at that location. Means equal. Here, u represents the moving speed of Z in the east-west direction, and v represents the moving speed of Z in the north-south direction. Since u and v represent the moving direction and moving speed of Z, they are called moving vectors. W represents the development and weakness of Z.

(15)式における(u,v,w)を、パラメータC〜Cを使って、位置座標の一次式で表すことができるものと仮定すると、下記のように表される。

Figure 0005394690
式(16)により、風速Zの平行移動だけでなく、変形も表現できる。 Assuming that (u, v, w) in equation (15) can be expressed by a linear expression of position coordinates using parameters C 1 to C 9 , the following expression is obtained.
Figure 0005394690
Expression (16) can express not only the translation of the wind speed Z but also the deformation.

式(16)のパラメータC〜Cを同定できれば、風速Zの移動ベクトルと発達・衰弱量を推定できる。そこで、連続する複数時刻分の風速データ(Z)を使用して、点(x,y)、時刻tにおける(15)式の残差(左辺と右辺の差)をVijkとおくと、

Figure 0005394690
が得られる。ここで、i,j,kは三次元の格子点を示す添え字である。 If the parameters C 1 to C 9 in Expression (16) can be identified, the movement vector of the wind speed Z and the amount of development / weakness can be estimated. Therefore, using the wind speed data (Z) for a plurality of consecutive times and setting the residual (the difference between the left side and the right side) of the equation (15) at point (x, y) and time t k as V ijk ,
Figure 0005394690
Is obtained. Here, i, j, and k are subscripts indicating three-dimensional lattice points.

パラメータC〜Cが正しく同定されれば、残差Vijkはゼロとなるはずである。これは、下記式

Figure 0005394690
で与えられる評価値Jを最小にすることに相当する。従って、式(18)を最小にするように、C〜Cを決めれば良く、具体的には、式(18)のJをC〜Cで偏微分して0とおいて得られる連立一次方程式を解くことにより求めることができる。 If the parameters C 1 to C 9 are correctly identified, the residual V ijk should be zero. This is the following formula
Figure 0005394690
It corresponds to minimizing the evaluation value J c given by. Therefore, C 1 to C 9 may be determined so as to minimize Equation (18). Specifically, J c in Equation (18) is partially differentiated with C 1 to C 9 and set to 0. It can be obtained by solving the simultaneous linear equations.

このモデルでは、風速域の回転まで表現することができる。ただし、精度上問題がある例も見られるので、予測範囲をいくつかの小領域に分け、小領域ごとに単一の移動ベクトルを算出した後、それらを内挿してメッシュ単位の移動ベクトルに置き換えて、場所による風速域の移動方向の変化を表現する。小領域毎の移動ベクトルは、パラメータC〜Cのうち、CおよびC以外はすべて0とする。これは、各小領域では風速域の移動が平行移動であると仮定していることに相当する。 In this model, it is possible to express even rotation in the wind speed region. However, there are cases where there are problems with accuracy, so the prediction range is divided into several small areas, and after calculating a single movement vector for each small area, they are interpolated and replaced with movement vectors in mesh units. To express the change in the direction of movement of the wind speed region. The movement vector for each small area is set to 0 except for C 3 and C 6 among the parameters C 1 to C 9 . This is equivalent to assuming that the movement of the wind speed region is a parallel movement in each small region.

上空風速場予測装置38は、移動ベクトル推定装置により推定された移動ベクトルが1時間先まで継続すると仮定して、ハードディスク32の現在の風速場データの強風域を外挿する(S34)。これにより、1時間先までの強風域の位置又は移動を予測する。   The upper wind speed field prediction device 38 extrapolates the strong wind region of the current wind speed field data of the hard disk 32 on the assumption that the movement vector estimated by the movement vector estimation device continues for one hour ahead (S34). Thereby, the position or movement of the strong wind area up to 1 hour ahead is predicted.

上空風速場予測装置38により予測される強風域は、上空(例えば、高度1000m)での強風域である。そこで、地上強風域予測装置40が、上空風速場予測装置38により予測される各時刻の上空強風域に対し地上強風域を予測する。   The strong wind region predicted by the upper wind speed field prediction device 38 is a strong wind region in the sky (for example, altitude 1000 m). Therefore, the ground strong wind region prediction device 40 predicts the ground strong wind region with respect to the sky strong wind region at each time predicted by the sky wind speed field prediction device 38.

対象地域の風向・風速の観測値が存在する場合には、現時刻の地上風速観測値と上空風速値の差を、上空風速場予測装置38により得られる上空風速予測値に加算し、その加算結果を地上風速予測値とする。   When observation values of the wind direction and wind speed of the target area exist, the difference between the current wind speed observation value and the upper wind speed value is added to the upper wind speed prediction value obtained by the upper wind speed field prediction device 38, and the addition The result is the ground wind speed prediction value.

対象地域の観測値が存在しない場合、対数則と呼ばれる風速の鉛直プロファイルに基づき、上空風速場予測装置38により得られる上空風速予測値から地上風速値を予測する。   When there is no observation value in the target area, the ground wind speed value is predicted from the predicted upper wind speed value obtained by the upper wind speed field prediction device 38 based on a vertical wind speed profile called a logarithmic rule.

地上強風域予測装置40は、このようにして得られた各時刻の地上風向・風速データをハードディスク42に格納する。強風域の表示を目的としているので、ハードディスク42に格納される地上風向・風速データは、上空で強風になっている地域のデータである。   The ground strong wind region prediction device 40 stores the ground wind direction and wind speed data obtained in this way at each time in the hard disk 42. Since the purpose is to display a strong wind region, the ground wind direction and wind speed data stored in the hard disk 42 is data of an area where the wind is high in the sky.

なお、移動ベクトル推定装置36の推定単位、並びに、上空風速場予測装置38及び地上強風域予測装置40の予測単位を、予測対象地域を分割した小領域とすることで、計算量を削減でき、計算時間を短縮できる。   In addition, the amount of calculation can be reduced by making the estimation unit of the movement vector estimation device 36 and the prediction unit of the sky wind velocity field prediction device 38 and the ground strong wind region prediction device 40 into small regions obtained by dividing the prediction target region, Calculation time can be shortened.

表示装置44は、ハードディスク42に格納される風向・風速分布情報を、グラフィカル・ユーザ・インターフェースの画面上に、強度を色で区分して表示するグラフィックとして表示する。   The display device 44 displays the wind direction / wind speed distribution information stored in the hard disk 42 as a graphic for displaying the intensity classified by color on the screen of the graphical user interface.

本実施例により、風、特に強風を局所的に予測できる。得られる風の予測情報を基にして、降雨の発達・衰弱を考慮できるようになるので、降雨の短時間予測精度も向上する。   According to this embodiment, wind, particularly strong wind, can be predicted locally. Since it becomes possible to consider the development and weakness of rainfall based on the wind prediction information obtained, the short-term prediction accuracy of rainfall is improved.

本実施例は、主として、コンピュータプログラムにより実現されるが、その機能の一部を専用ハードウエアに置換しても同様の作用効果を奏することができることは明らかである。また、単一のコンピュータ上で動作するコンピュータプログラムのみならず、多数のコンピュータ上でそれぞれ動作するコンピュータプログラムを協調動作させることでも、同様の作用効果を奏することができる。これらのいずれの構成も、本発明の技術的範囲に属するものである。   Although this embodiment is mainly realized by a computer program, it is obvious that the same effect can be obtained even if a part of the function is replaced with dedicated hardware. Further, not only a computer program that operates on a single computer but also a computer program that operates on a large number of computers can be operated in a coordinated manner to achieve the same effects. Any of these configurations belong to the technical scope of the present invention.

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。   Although the invention has been described with reference to specific illustrative embodiments, various modifications and alterations may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the claims. This is obvious to an engineer in the field to which the present invention belongs, and such changes and modifications are also included in the technical scope of the present invention.

本発明の一実施例の概略構成ブロック図である。It is a schematic block diagram of one Example of this invention. 風向・風速算出装置14の概略機能ブロック図である。3 is a schematic functional block diagram of a wind direction / wind speed calculation device 14. FIG. ドップラー速度折り返し補正装置16における折り返し補正のフローを示す。A flow of aliasing correction in the Doppler velocity aliasing correction device 16 is shown. データ同化装置30の動作フローである。4 is an operation flow of the data assimilation apparatus 30. 移動ベクトル推定装置36及び上空風速場予測装置38の動作フローである。It is an operation | movement flow of the movement vector estimation apparatus 36 and the sky wind speed field prediction apparatus 38. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10−1〜10−n:ドップラーレーダ
12:データネットワーク
14:風向・風速算出装置
16:ドップラー速度折り返し補正装置
18:風向・風速分布計算装置
20a:ハードディスク(ドップラー速度データ)
20b:ハードディスク(レーダ反射因子データ)
20c:ハードディスク(数値気象モデル予報データ)
20d:ハードディスク(標高・地表面粗度データ)
22:ハードディスク(折り返し補正済みドップラー速度データ)
24:ハードディスク(風向・風速分布データ)
30:データ同化装置
32:ハードディスク(風速場データ)
34:予測装置
36:移動ベクトル推定装置
38:上空風速場予測装置
40:地上強風域予測装置
42:ハードディスク(風向・風速分布予測データ)
44:表示装置
10-1 to 10-n: Doppler radar 12: Data network 14: Wind direction / wind speed calculation device 16: Doppler speed return correction device 18: Wind direction / wind speed distribution calculation device 20a: Hard disk (Doppler speed data)
20b: Hard disk (radar reflection factor data)
20c: Hard disk (Numerical weather model forecast data)
20d: Hard disk (altitude / surface roughness data)
22: Hard disk (Folder corrected Doppler speed data)
24: Hard disk (wind direction / velocity distribution data)
30: Data assimilation device 32: Hard disk (wind velocity field data)
34: Predictor 36: Movement vector estimator 38: Above wind speed field predictor 40: Ground strong wind region predictor 42: Hard disk (wind direction / wind speed distribution prediction data)
44: Display device

Claims (8)

複数のドップラーレーダにより風観測されたドップラー速度データを記憶する記憶手段(20a)と、
当該ドップラー速度データを折り返し補正する折り返し補正手段(16)と、
当該折り返し補正手段により補正されたドップラー速度データから、地形データを参照して風向・風速分布データを計算する風向・風速分布計算手段(18)と、
当該風向・風速分布データを数値気象モデルにデータ同化し、所定格子間隔の風速場データを生成するデータ同化手段(30)と、
所定時間内の複数の風速場データから、風の移動ベクトルを推定する移動ベクトル推定手段(36)と、
当該移動ベクトルに従い、現在の風速場データを時間方向に外挿して上空風速場を予測する上空風速場予測手段(38)と、
当該上空風速場予測手段の予測結果に従い所定の地上風域を予測する地上風域予測手段(40)
とを具備することを特徴とする風予測装置。
Storage means (20a) for storing Doppler velocity data observed by a plurality of Doppler radars;
A folding correction means (16) for correcting the Doppler speed data by folding;
Wind direction / wind speed distribution calculating means (18) for calculating wind direction / wind speed distribution data by referring to the terrain data from the Doppler speed data corrected by the folding correction means;
Data assimilation means (30) for assimilating the wind direction / velocity distribution data into a numerical weather model and generating wind field data at predetermined grid intervals;
Movement vector estimation means (36) for estimating a wind movement vector from a plurality of wind velocity field data within a predetermined time;
According to the movement vector, an upper wind speed field predicting means (38) for extrapolating the current wind speed field data in the time direction to predict the upper wind speed field,
Ground wind region prediction means (40) for predicting a predetermined ground wind region according to the prediction result of the above-mentioned sky wind velocity field prediction means
The wind prediction apparatus characterized by comprising.
当該折り返し補正手段が、数値気象予報データとの比較による第1の折り返し補正、水平風との比較による第2の折り返し補正、時間方向での比較による第3の折り返し補正、及び空間連続性を考慮した第4の折り返し補正の内の2以上を実行することを特徴とする請求項1に記載の風予測装置。   The aliasing correction means considers the first aliasing correction by comparison with the numerical weather forecast data, the second aliasing correction by comparison with the horizontal wind, the third aliasing correction by comparison in the time direction, and spatial continuity. The wind prediction apparatus according to claim 1, wherein two or more of the fourth aliasing corrections are performed. 当該記憶手段が、当該複数のドップラーレーダからのレーダ反射因子データを記憶し、
当該当該折り返し補正手段の、当該第1及び第2の折り返し補正において、当該レーダ反射因子を参照する
ことを特徴とする請求項2に記載の風予測装置。
The storage means stores radar reflection factor data from the plurality of Doppler radars;
The wind prediction apparatus according to claim 2, wherein the radar reflection factor is referred to in the first and second folding corrections of the folding correction unit.
当該地上風域予測手段は、当該上空風速場予測手段の予測結果に従い地上の強風域を予測する地上強風域予測手段(40)であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の風予測装置。   4. The ground strong wind region predicting means (40) for predicting a strong wind region on the ground according to a prediction result of the sky wind speed field predicting unit. The wind prediction apparatus described in 1. 複数のドップラーレーダにより風観測されたドップラー速度データをコンピュータの記憶手段に格納する機能と、
当該コンピュータに、当該ドップラー速度データを折り返し補正させる折り返し補正機能(16)と、
当該コンピュータに、当該折り返し補正機能により補正されたドップラー速度データから、地形データを参照して風向・風速分布データを計算させる風向・風速分布計算機能(18)と、
当該コンピュータに、当該風向・風速分布データを数値気象モデルにデータ同化させ、所定格子間隔の風速場データを生成させるデータ同化機能(30)と、
当該コンピュータに、所定時間内の複数の風速場データから、風の移動ベクトルを推定させる移動ベクトル推定機能(36)と、
当該コンピュータに、当該移動ベクトルに従い、現在の風速場データを時間方向に外挿して上空風速場を予測させる上空風速場予測機能(38)と、
当該コンピュータに、当該上空風速場予測機能の予測結果に従い所定の地上風域を予測させる地上風域予測機能(40)
とを具備することを特徴とする風予測プログラム。
A function of storing Doppler velocity data observed by a plurality of Doppler radars in a storage means of a computer;
A folding correction function (16) for causing the computer to correct the Doppler velocity data;
A wind direction / wind speed distribution calculation function (18) for causing the computer to calculate wind direction / wind speed distribution data with reference to the terrain data from the Doppler speed data corrected by the turn-back correction function;
A data assimilation function (30) for causing the computer to assimilate the wind direction / velocity distribution data into a numerical meteorological model and generate wind velocity field data of a predetermined grid interval;
A movement vector estimation function (36) for causing the computer to estimate a wind movement vector from a plurality of wind speed field data within a predetermined time;
An upper wind speed field prediction function (38) for causing the computer to extrapolate current wind speed field data in the time direction according to the movement vector and predicting the upper wind speed field;
A ground wind region prediction function (40) for causing the computer to predict a predetermined ground wind region in accordance with the prediction result of the sky wind speed field prediction function.
The wind prediction program characterized by comprising.
当該折り返し補正機能が、数値気象予報データとの比較による第1の折り返し補正機能、水平風との比較による第2の折り返し補正機能、時間方向での比較による第3の折り返し補正機能、及び空間連続性を考慮した第4の折り返し補正機能の内の2以上を有することを特徴とする請求項5に記載の風予測プログラム。   The loopback correction function includes a first loopback correction function by comparison with numerical weather forecast data, a second loopback correction function by comparison with horizontal wind, a third loopback correction function by comparison in time direction, and spatial continuity The wind prediction program according to claim 5, wherein the wind prediction program has two or more of the fourth aliasing correction functions in consideration of characteristics. 当該記憶手段が、当該複数のドップラーレーダからのレーダ反射因子データを記憶し、
当該第1及び第2の折り返し補正機能が当該レーダ反射因子を参照する
ことを特徴とする請求項6に記載の風予測プログラム。
The storage means stores radar reflection factor data from the plurality of Doppler radars;
The wind prediction program according to claim 6, wherein the first and second aliasing correction functions refer to the radar reflection factor.
当該地上風域予測機能は、当該コンピュータに当該上空風速場予測機能の予測結果に従い地上の強風域を予測させる地上強風域予測機能(40)であることを特徴とする請求項5乃至7の何れか1項に記載の風予測プログラム。   The ground surface wind region prediction function is a ground strong wind region prediction function (40) for causing the computer to predict a ground strong wind region according to a prediction result of the sky wind speed field prediction function. The wind prediction program according to claim 1.
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