JP5905646B2 - 津波監視システム - Google Patents

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Description

本発明は、レーダによって津波の海面流速を計測し、波高および陸上への到達時間を予測するための津波監視システムに関する。
近年、日本の沿岸部においては、大地震の発生により津波が来襲することが懸念されている。津波が沿岸に到達する前に、可能な限り早く精度良く到来を予測することは、効率のよい避難行動や対応を行うために重要である。従来、到来する津波を予測するため、幾つかの方法が提案されている。
例えば、現在の気象庁における津波予報システムでは、予め、津波を発生させる可能性のある断層を設定して津波の数値シミュレーションを行っておき、その結果を津波予報データベースとして蓄積している。実際に地震が発生した時はこのデータベースから発生した地震の位置や規模などに対応する予測結果を検索し、津波警報もしくは注意報の発表を行っている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、発生する津波の大きさを予測するのに必要な断層の位置やずれ量は、地震発生時に正確にわかるものではなく、後日のデータ分析に委ねられるため、津波の大きさや到達時間などの発表値には誤差が大きいという問題があった。
また、別の方法としては、到来する津波を計測することができる、ブイなどの複数個のセンサを海上や海中に配置し、沖合で津波そのものを捕らえる試みも行われている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、この方法では空間的に点のデータしか得られないため、広い範囲にわたって到来する津波の波高や到来方向を詳細に予測するには十分とはいえなかった。さらに、電源の確保及び信号伝播路の確保に多額の費用を要し、また海上及び海中のセンサが必要なため、そのメンテナンスが容易でないという問題があった。
上述した問題を解決するために、近年、海洋レーダによる津波の監視が始められつつある（例えば特許文献３参照）。海洋レーダは、陸上に設置したアンテナから海面に電波を照射し、海面の波浪による後方散乱波を受信して周波数解析することにより百ｋｍ程度の幅広い領域における海流、波浪、海上風などを測定することができる。海洋レーダは広範囲を同時間に観測できるという特徴があり、陸上から観測できるため長期間の観測にも適している。しかしながら、海洋レーダにおいては、アンテナから照射される電波の視線方向の海面流速成分のみしか計測することができず、到来する津波の波高を直接計測することはできない。
従って、特許文献３記載の津波監視システムにおいては、計測された流速や地形モデル等の条件に基づき、予め用意された津波の経験則（例えば波高＝流速ｖ×ある関数Ｆ、到達時間Ｔ＝距離／位相速度など。）から、近傍の海岸の津波到達時間と波高の予測値を取得する必要があり、事前に津波の流速パターンから津波特性を予測するのに必要なデータベースを構築し、取得された流速分布をこれらデータベースに照合する必要がある。
特開２０１３−４０８９８号公報 特許第３５１２３３０号公報 特許第２７２１４８６号公報 特許第４５３４２００号公報
高橋智幸著、「津波防災における数値計算の利用」、日本流体力学会数値流体力学部門Ｗｅｂ会誌、２００４年１１月、第１２巻、第２号、ｐ．２３−３２ Ｆ． Ｉｍａｍｕｒａ， Ａｈｍｅｔ Ｃｅｖｄｅｔ Ｙａｌｃｉｎｅｒ ａｎｄ Ｇｕｌｉｚａｒ Ｏｚｙｕｒｔ、"ＴＳＵＮＡＭＩ ＭＯＤＥＬＬＩＮＧ ＭＡＮＵＡＬ （ＴＵＮＡＭＩ ｍｏｄｅｌ）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００６年４月、［２０１３年４月８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｓｕｎａｍｉ．ｃｉｖｉｌ．ｔｏｈｏｋｕ．ａｃ．ｊｐ／ｈｏｋｕｓａｉ３／Ｊ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｍａｎｕａｌ−ｖｅｒ−３．１．ｐｄｆ＞ 高橋智幸著、「津波のメカニズム」、パリティ、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１１、２０１１年１１月、ｐ３４−４１
しかしながら、特許文献３記載の津波監視システムでは、全ての津波のパターンに対して事前にシミュレーションを行うことは事実上不可能であるので、十分な精度で津波を予測することができないという問題があった。また、想定外の津波においては精度がさらに悪化するという問題があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、到来する津波の波高を十分な精度で直接的に予測することができる津波監視システムを提供することにある。
本発明に係る津波監視システムは、
津波を検出するための送信信号を電波として海に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
上記送信信号と上記受信信号との周波数差であるビート信号を生成する信号処理部と、
上記電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記津波の海面の流速を算出し、上記算出された流速から上記津波の波高を推定する波高推定部とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る津波監視システムによれば、電波によって計測された海面の流速分布から津波の波高を直接的に予測することができるので、想定外の津波を含めた全ての津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る津波監視システム１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１の津波７の波高η及び全水深Ｄを説明するための断面図である。 図１の送受信アンテナ２から発射された送信電波５の照射領域を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図２の津波７の波高ηをシミュレーションする領域を説明するための平面図である。 １０分後の図５の波高ηをシミュレーションした結果を示す平面図である。 ２５分後の図５の波高ηをシミュレーションした結果を示す平面図である。 ２５分後の図５の波高ηの分布を示す平面図である。 図４の津波監視システム１Ａにより生成された、２５分後の図５の津波７の波高ηの分布を示す平面図である。 送受信アンテナ２から半径ｒに対する、図７Ａ及び図７Ｂの津波７の波高ηの変化を示すグラフである。 本発明の第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図９の津波監視システム１Ｂを用いて津波７の波高ηを推定する時の状態を示す平面図である。 時間ｔに対する送受信アンテナ２の設置位置での波高ηの変化をシミュレーションした結果を示す時間軸波形図である。 図９の津波監視システム１Ｂを用いて津波７が送受信アンテナ２に到達するまでの時間を予測するグラフである。 本発明の第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１３の津波シミュレーション部１５が伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。 図１３の津波監視システム１Ｃにより実行される津波波高分布並びに津波到達時間及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。 本発明の第６の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅにおける水位計測部３０の配置位置の一例を示す上面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅにおける水位計測部３０の配置位置の別の例を示す上面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る津波監視システム１Ｆ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第９の実施の形態に係る津波監視システム１Ｇ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第１０の実施の形態に係る津波監視システム１Ｈ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る津波監視システム１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１の津波監視システム１は、送信電波５が海上を走査できるような位置に設けられた送受信アンテナ２と、送受信部８と、信号処理部９と、演算部１０と、表示部１３とを備えて構成される。また、演算部１０は、計算機とプログラムとからなる波高推定部１１を備えて構成される。また、送受信アンテナ２は、陸１８上に設置されたが、送受信アンテナ２の位置は送信電波５が海上を走査できるような位置であればどこでもよく、例えば海４に設置してもよい。また、図１において送受信アンテナ２の形状を円柱形状ないしは線形状としたが、電波を送受信できればどのような種類や形状であってもよい。例えば、送受信アンテナ２の種類はアレー状のアンテナであってもよい。さらに、送受信アンテナ２は送信アンテナと受信アンテナとを一体としたが、送信アンテナと受信アンテナとを別々に設けられてもよい。
送受信部８は、所定の周波数を有する送信信号を発生し、当該送信信号を送受信アンテナ２に出力する信号発生手段を含む。また、送受信部８は、後述する送受信アンテナ２から受信信号を受信し、当該受信信号を信号処理部９に出力する受信手段を含む。なお、図１において送受信部８は一体の場合について記載したが、送信部と受信部の２つに分かれた構成としてもよく、送受信部８および信号処理部９の構成がどのような構成であっても本発明を適用することができる。
送受信アンテナ２は、津波７を検出するための送信信号を海上に送信電波５として放射する。さらに、送受信アンテナ２は、海面３上で強く後方散乱された受信電波６を受信信号として受信し、当該受信信号を送受信部８に出力する。なお、この後方散乱はブラック散乱と呼ぶ。
信号処理部９は、送受信部８が生成した送信信号と送受信アンテナ２が受信した受信信号とを乗算し、当該乗算された結果の信号をビート信号として波高推定部１１に出力する。すなわち、信号処理部９は、送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する。ここで、受信電波６はドップラー効果を受けて変調されており、その変調量は海面３の流速に依存し、ビート信号として算出する。さらに、信号処理部９には、送信信号と受信信号との乗算結果の信号からその高調波成分をフィルタリングで除去する機能を有する。
波高推定部１１は、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、この流速から津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３に出力する。ここで、送信電波５の電波照射領域１４を後述する図３等のように複数の領域に分割し、各領域ごとに津波７の海面３の流速を算出して、その領域での津波７の波高ηを推定する。また、表示部１３は、波高推定部１１から入力した波高ηのデータを表示する。
以上のように構成された津波監視システム１の波高推定部１１の動作について以下に説明する。
図２は、図１の津波７の波高η及び全水深Ｄを説明するための断面図である。図２において、ｈは静水深を示し、ηは津波７の波高を示す。なお、静水深ｈは波が立っていない場合の海底２１から海面３までの水深であって、津波７の波高ηは波が立っている場合の静水深ｈから海面３までの水深のことである。従って、波が立っている場合の海底２１から海面３までの全水深Ｄは波高ηと静水深ｈとの和となる。なお、一般に津波７の波長λは、静水深ｈより十分に大きい（ｈ＜＜λ）。従って、津波７の挙動は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を有し、当該ｚ軸は重量方向と逆向きであると仮定すると、ｘ軸及びｙ軸を有する２次元直交座標系では以下の質量保存式（１）と運動方程式（２）及び（３）とから構成される長波理論の基礎方程式（以下、津波の基礎方程式と呼ぶ。）によって表現できる（例えば非特許文献１及び２参照。）。なお、重量方向は、ｘ軸方向及びｙ軸方向と直交するものとする。
Figure 0005905646
Figure 0005905646
Figure 0005905646
ここで、ηは津波７の波高であり、Ｍはｘ軸方向の線流量であり、Ｎはｙ軸方向の線流量であり、ｎは海底摩擦係数（マニングの粗度係数）であり、Ｄは全水深であり（静水深ｈ及び波高ηを用いると、Ｄ＝ｈ＋ηとなる。）、ｔは時間であり、ｇは重力加速度である。
なお、上述した長波理論では、津波の流速は深さ方向（ｚ軸方向）に略一定と仮定できるので、津波７のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速ＶはそれぞれＵ＝Ｍ／Ｄ、Ｖ＝Ｎ／Ｄとして算出される。すなわち、津波監視システム１によって計測された海面３のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖは、ｘｙ平面上の座標により決定付けられる。従って、波高推定部１２では、ｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖと津波７の波高ηとを関連付けるためのデータベースや経験式を必要とすることなしに、上述した津波の基礎方程式に基づいて、津波監視システム１により計測された津波７のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖから波高ηを算出できる。
図３は、図１の送受信アンテナ２から発射された送信電波５の照射領域を説明するための平面図である。図３において、送受信アンテナ２からの送信電波５は送受信アンテナ２を中心とする扇形の電波照射領域１４に照射される。ここで、送受信アンテナ２を設置した場所を原点（０，０）として、原点（０，０）からの半径ｒ及びｚ軸を中心とした時計回りの回転角θを用いて、電波照射領域１４を距離幅Δｒ及び角度幅Δθの幅で番号Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの領域に区分する。なお、各領域での流速は一定のサンプル時間Δｔでの平均値として計測される。このサンプル時間Δｔは津波監視システム１の処理時間や電波照射領域１４の大きさ等によって異なるが、一般に数十秒から数分の範囲とされる。また、計測条件によって異なるが、電波照射領域１４の半径ｒの最大値は数十〜百キロメートルとされ、距離幅Δｒは数キロメートル以下、角度幅Δθは２５度以下とされるのが一般的である。また、図３では簡単のため、距離幅Δｒと角度幅Δθを一定としたが、電波照射領域１４の位置に応じてそれぞれに大きさを変化させてもよい。
図３において、半径ｒ方向の線流量Ｍｒ及び回転角θ方向の線流量Ｍθは次式から算出される。
Figure 0005905646
ここで、Ｕｒは計測された半径ｒ方向の流速であって、Ｕθは回転角θ方向の流速であって、Ｄは全水深である。
本実施の形態では、半径ｒ方向の流速Ｕｒを計測するための送受信アンテナ２を１台だけ設置している。従って、回転角θ方向の流速Ｕθは計測しないで、半径ｒ方向の流速Ｕｒのみを計測する。なお、半径ｒ方向の流速Ｕｒを用いて津波７の波高ηを算出する方程式（５）は、上述した津波の基礎方程式から以下のように導かれる。
先ず、上述した運動方程式（２）を円筒座標系に変換し、回転角θ方向成分を削除する。次に、全水深Ｄの大きさに比べて波高ηの大きさは十分に小さいと仮定すると、全水深Ｄの大きさは静水深ｈの大きさとほぼ等しくなるので、すなわちＤ＝ｈを上記変形された運動方程式代入すると以下の式（４）が導かれる。
Figure 0005905646
次に、静水深ｈが十分大きいものとし、Ｍｒ＝ＵｒＤ≒Ｕｒｈとして単純化して整理すると、次式（５）が導かれる。この式（５）を解くことによって、半径ｒ方向の流速Ｕｒから津波７の波高ηを算出することができる。
Figure 0005905646
ここで、式（５）の右辺は半径ｒ方向の流速Ｕｒの時間変化であり、時間ｔ及び時間（ｔ−Δｔ）において津波監視システム１によって計測された２つの半径ｒ方向の流速Ｕｒの値を用いて算出することができる。
上述した式（５）を例えば差分法などの数値解析手法を用いて解くことによって、図３の電波照射領域１４での津波７の波高ηの分布を算出することができる。ここで、図３の領域において差分した次式（６）を、Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの全領域について順に解くことによって津波７の波高ηの分布を算出することができる。
Figure 0005905646
ここで、ｋは時間ｔに対応する値、（ｋ−１）は時間（ｔ−Δｔ）に対応する値を意味する。
なお、上述した式（６）の差分式は一例であって、式（５）を波高ηについて数値的に解き、Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの全領域において津波７の波高ηを算出できれば、これ以外の方法であってもよい。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１によれば、電波によって計測された海面の流速分布から津波の波高を直接的に予測することができるので、想定外の津波を含めた全ての津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
第２の実施の形態．
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図４の津波監視システム１Ａは、図１の津波監視システム１に比較して、演算部１０の代わりに演算部１０Ａを備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ａは、図１の演算部１０に比較して、波高推定部１１の代わりに波高推定部１１Ａを備え、さらに送受信アンテナ２周囲の海４の静水深ｈの水深分布データを格納する第１のメモリである水深分布データメモリ１７を備えたことを特徴とする。ここで、送受信アンテナ２周囲の範囲は送信電波５が海上を走査できる範囲などによって適宜決められるが、一般には数十キロから数百キロの範囲とされる。
波高推定部１１Ａは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速のデータ及び水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３に出力する。
以上のように構成された津波監視システム１Ａの波高推定部１１Ａの動作について以下に説明する。
第１の実施の形態に係る式（５）は、静水深ｈが十分大きいと仮定し、Ｍｒ＝ＵｒＤ≒Ｕｒｈとして単純化されたので、計算負荷が小さくなるというメリットがある。しかしながら、このような単純化をせずに式（５）に相当する次式（７）から津波７の波高ηを第１の実施の形態に比較してより高い精度を推定することができる。
Figure 0005905646
ここで、半径ｒ方向の線流量Ｍｒは計測された半径ｒ方向の流速Ｕｒを用いてＭｒ＝ＵｒＤ≒Ｕｒｈとして求められる。なお、静水深ｈの分布データは、水深分布データメモリ１７から読み出される。
上述した式（７）は、例えば第１の実施の形態に係る式（５）と同様の方法で解くことによって、図３の電波照射領域１４における津波７の波高ηの分布を算出することができる。この場合には、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、さらに津波７の波高ηを精度良く推定することができる。
なお、上述した式（７）は、半径ｒ方向の線流量Ｍｒの時間変化を用いることにより波高ηを算出したが、例えば津波の波高ηが静水深ｈに比べて十分小さいと仮定して、次式（７Ａ）で表される津波の波速Ｃ（特許文献４参照。）を用いて、波高ηの分布を次式（７Ｂ）により算出してもよい。
Figure 0005905646
Figure 0005905646
上述した式（７Ｂ）を用いて波高分布を算出すれば、ある１つの時刻における１地点での流速Ｕｒと静水深ｈとのみから波高ηを求めることができる。従って、例えば差分法などの数値解析手法を用いなくても、図３の電波照射領域１４での津波７の波高ηの分布を算出することができるので、より短時間で波高ηの分布を算出することができる。なお、このように、津波７の海面３の流速と、海４の静水深ｈの分布データとに基づいて、津波７の波高ηを推定することができれば、どのような式を用いてもよい。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ａによれば、第１の実施の形態に比較すると、さらに津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
第３の実施の形態．
第２の実施の形態では、半径ｒ方向の流速Ｕｒを計測するための送受信アンテナ２のみを設置した場合について説明したが、さらに回転角θ方向の流速Ｖθを計測するための送受信アンテナ２を設置することによって、さらに精度高く津波７の波高ηを推定することが可能となる。
第１の実施の形態に係る運動方程式（２）及び（３）を変形し、全水深Ｄの大きさに比べて波高ηの大きさは十分に小さいと仮定すると、全水深Ｄの大きさは静水深ｈの大きさとほぼ等しいので、Ｄ＝ｈを上記変形された運動方程式に代入して整理すると式（８）及び式（９）が導かれる。
Figure 0005905646
Figure 0005905646
次に、半径ｒで微分された式（８）と回転角θで微分された式（９）とを加算すると、津波７の波高ηを推定する式（１０）が導かれる。
Figure 0005905646
次に、式（１０）を例えば式（５）と同様の方法で解くことによって、図３の電波照射領域１４における津波７の波高ηの分布を算出することができる。ここで、右辺は上述した２本の送受信アンテナ２で計測された２つの時間における半径ｒ方向の流速Ｕｒ及び回転角θ方向の流速Ｖθから得られ、静水深ｈは図４の水深分布データ１７から得られる。
図５は、図２の津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。図５において、１本の送受信アンテナ２が陸１８に設置され、当該陸１８からは堤防２７が突き出ている。ここで、時間経過に伴って伝播する津波７の挙動をシミュレーションするための初期条件として、領域２６において波高ηの津波７が発生するように設定し、送受信アンテナ２の視線方向の成分である半径ｒ方向の流速Ｕｒのみを使用し、波高推定に必要な時間間隔Δｔを６０秒に設定した。
次に、本実施の形態に係る方法によって波高η分布を推定した結果と、非特許文献２の津波シミュレーションによって算出された波高η分布とを比較した。この比較結果について以下に説明する。
図６Ａは、１０分後の図５の津波７の挙動をシミュレーションした結果を示す平面図である。また、図６Ｂは、２５分後の図５の津波７の挙動をシミュレーションした結果を示す平面図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、時間に対する津波７の波高η分布変化が図示されており、２５分後には電波照射領域１４内に津波７が到達している。
図７Ａは、２５分後の図５の波高ηの分布を示す平面図である。また、図７Ｂは、図４の津波監視システム１Ａにより生成された、２５分後の図５の津波７の波高ηの分布を示す平面図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、津波シミュレーション結果と津波監視システム１Ａにより算出された波高推定結果とが比較されている。ここで、津波７の発生から２５分後の電波照射領域１４における津波７の波高分布が図示され、津波監視システム１Ａにより算出された波高推定結果は非特許文献２の津波シミュレーション結果と比較的良く一致していることがわかる。
図８は、送受信アンテナ２から半径ｒに対する、図７Ａ及び図７Ｂの津波７の波高ηの変化を示すグラフである。図８において、半径ｒ方向に対する津波シミュレーション結果と波高推定結果とが比較される。ここでは、図５における回転角θ＝２５度の線上における半径方向の波高ηの分布が図示されており、津波監視システム１Ａにより算出された波高推定結果は非特許文献２の津波シミュレーション結果と良く一致しており、本実施の形態に係る効果が確認できる。
上述したように、津波７の波高ηの分布の推定は、長波理論に基づく津波の基礎方程式から導出されれば上述以外の方法で式の変形を行ってもよい。例えば半径ｒ方向の流速Ｕｒを計測するための送受信アンテナ２のみ設置する場合には、式（１０）において、回転角θ方向成分を削除し、上述した式（５）及び式（７）の代わりに次式（１１）を用いてもよい。
Figure 0005905646
以上の実施の形態に係る津波監視システム１によれば、第２の実施の形態に比較すると、さらに津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
第４の実施の形態．
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図９の津波監視システム１Ｂは、図４の津波監視システム１Ａに比較して、演算部１０Ａの代わりに演算部１０Ｂを備え、表示部１３の代わりに表示部１３Ａを備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｂは、演算部１０Ａに比較して、波高推定部１１Ａの代わりに波高推定部１１Ｂを備え、さらに津波７が到達する時間や到達する波高ηを予測する到達予測部１２を備えたことを特徴とする。さらに、到達予測部１２は、計算機及びプログラムを備えて構成される。
波高推定部１１Ｂは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、この流速及び水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３及び到達予測部１２に出力する。
到達予測部１２は、波高推定部１１Ｂから波高ηのデータを入力し、当該波高ηのデータ及び水深分布データメモリ１７に格納された静水深ｈの分布データに基づいて、波高ηが推定された津波７に対する到達時間や到達波高を予測し、当該予測された到達時間及び到達波高のデータを表示部１３Ａに出力する。また、表示部１３Ａは、波高推定部１１Ａから入力した波高ηのデータ並びに到達予測部１２から入力した予測された到達時間及び到達波高のデータを表示する。
以上のように構成された津波監視システム１Ｂの到達予測部１２の動作について以下に説明する。
まず、津波７の波速Ｃを表す次式（１２）（特許文献４参照。）を用いて、津波７の到達時間を予測する。
Figure 0005905646
ここで、津波７の波速Ｃは静水深ｈのみに依存する。
図１０は、図９の津波監視システム１Ｂを用いて津波７の波高ηを推定する時の状態を示す平面図である。図１０において、波高推定部１１Ａにより推定された波高分布が図示され、波高分布が推定された津波７が送受信アンテナ２の設置位置に到達する到達時間が予測される。ここで、津波７は検知されてから送受信アンテナ２に向かう方向に進行すると仮定する。
図１０において、到達時間は、扇形の電波照射領域１４の周方向に沿って回転角θ方向の各Ｊの各領域について、送受信アンテナ２から半径ｒ方向の水深分布データ１７及び式（１２）を用いて津波７の波速Ｃを算出し、津波７と送受信アンテナ２との間の距離が０になるまで積分することによって算出することができる。
図１１は、時間ｔに対する送受信アンテナ２の設置位置での波高ηの変化をシミュレーションした結果を示す時間軸波形図である。ここで、図５及び図６の津波シミュレーションによる送受信アンテナ２の設置位置での水位の時間変化を図示し、津波７の到達時間は水位が最高水位となる時間とした。また、送受信アンテナ２からの距離が４５キロメートルの時点で津波７を検知したものと仮定した。図１１を参照すると、津波７は津波監視システム１Ｂにより検知されてから１２分後に送受信アンテナ２の設置位置に到達していることが分かる。
図１２は、図９の津波監視システム１Ｂを用いて津波７が送受信アンテナ２に到達するまでの時間を予測するグラフである。ここで、上述した電波照射領域１４の各位置での津波７の波速Ｃを算出し、津波７と送受信アンテナ２との距離が０になる時間が到達予測時間である。図１２において、到達予測時間は１２分であることが分かり、図１１の実際の到達時間とほぼ一致し、精度の高い予測が可能であることが理解できる。
なお、津波７は水深が深いところほど速く伝播し、さらに略全方位から到来する場合もあり得る。従って、最初に津波監視システム１Ｂにより検知された津波７が先に送受信アンテナ２の設置位置に到達するとは限らないので、電波照射領域１４の回転角θ方向の全ての領域に対して到達予測部１２による予測が実行され、最も短い到達予測時間を津波７の到達予測時間とすることによって安全な予測を可能とする。
次に、到達予測部１２における到達波高の予測について説明する。
沖合での津波７が浅い沿岸域に近づき伝播速度が遅くなると、津波７の前部が遅れ出し、それに後部が追いつくため津波７の波高ηが増大する。津波７の波高ηは以下のグリーンの式（１３）により、一般に静水深ｈの４乗根に反比例して大きくなる（非特許文献３参照。）。
Figure 0005905646
ここで、η０は津波７の到達波高であって、ｈ０は送受信アンテナ２の設置位置から所定の距離での静水深である。すなわち、送受信アンテナ２到達時の波高ηは、一般には沖合で検知された津波７の波高ηと検知位置での静水深ｈから予想できる。しかしながら、送受信アンテナ２の設置位置での静水深ｈは０であるため、式（１３）にこの値を代入すると津波７の波高ηの値は無限大となってしまう。そこで、津波７が送受信アンテナ２の設置位置から所定の距離に到達した時点での静水深ｈ０とし、その時点での津波７の波高ηを到達波高η０とする。ここで、所定の距離とは、送受信アンテナ２の設置位置や周囲の静水深ｈの分布によって異なるが、通常は１キロメートル〜数キロメートルである。また、推定された波高ηの分布はサンプル時間Δｔごとに更新する。すなわち、これらの予測値は最新のデータに更新され、予測精度を向上させる。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂによれば、第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａに比較すると、さらに到達予測部１２を備えたので、さらに津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
第５の実施の形態．
第４の実施の形態においては、津波７の到達時間と到達波高を到達予測部１２にて、モデル化された式（１２）及び式（１３）を用いて予測した。これに対して、本実施の形態では、扇形の電波照射領域１４において、波高推定部１１Ｃにより推定された津波７の波高ηの分布に基づいて津波シミュレーションを実施し、得られたシミュレーション結果に基づいて津波７の到達時間と到達波高とを予測することによって、さらに津波７の到達時間と到達波高の予測精度を向上させることができる。
図１３は、本発明の第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１３の津波監視システム１Ｃは、図９の津波監視システム１Ｂに比較して、演算部１０Ｂの代わりに演算部１０Ｃを備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｃは、演算部１０Ｂに比較して、波高推定部１１Ｂの代わりに波高推定部１１Ｃを備え、到達予測部１２の代わりに到達予測部１２Ａを備え、津波シミュレーション部１５及び地形データを格納する第２のメモリである地形データメモリ１９をさらに備えたことを特徴とする。
図１３において、波高推定部１１Ｃは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、この流速及び水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３Ａ及び津波シミュレーション部１５に出力する。
津波シミュレーション部１５は、波高推定部１１Ｃから津波７の波高ηのデータを入力し、当該波高ηのデータと水深分布データメモリ１７に格納された静水深ｈの分布データと地形データメモリ１９に格納された地形データとに基づいて、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηの分布をシミュレーションし、そのシミュレーション結果を到達予測部１２Ａに出力する。ここで、時間経過に伴って伝播する津波７の挙動をシミュレーションするための初期条件として、後述する図１４Ａの斜線で図示された領域４０において波高推定部１１Ｃにおいて推定された波高ηの分布を有する津波７が発生するように設定される。また、上述した地形データとは、津波シミュレーションを実施するために必要な海岸線の位置情報であって、この海岸線の範囲は、津波シミュレーションを実施する範囲によって異なるが、一般的には送受信アンテナ２から数十キロメートル四方〜数百キロメートル四方の範囲とされる。なお、津波シミュレーションは、第３の実施の形態において説明したように、例えば非特許文献２記載の長波理論に基づく津波の基礎方程式を用いて実施されるが、津波の基礎方程式を解いて、後述する図１４Ａの電波照射領域１４内の全領域での波高ηを求めることができればどのような方法を用いてもよい。
到達予測部１２Ａは、津波シミュレーション部１５によってシミュレーションされた津波７の波高分布データを入力し、その波高分布データに基づいて、津波７に対する到達時間や到達波高を予測し、当該予測された到達時間及び到達波高のデータを表示部１３Ａに出力する。すなわち、津波シミュレーション結果から、送受信アンテナ２の設置位置における水位の時間変化を算出することによって、津波７の到達時間と到達波高とを予測する。
表示部１３Ａは、波高推定部１１Ｃから入力した波高ηのデータ並びに到達予測部１２Ａから入力した予測された到達時間及び到達波高のデータを表示する。
次に、津波シミュレーション部１５の動作について以下に説明する。
図１４Ａは、図１３の津波シミュレーション部１５が伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。図１４Ａにおいて、津波シミュレーション領域１６が設けられ、津波シミュレーション用の計算格子が形成される。津波シミュレーション領域１６の大きさや形状は、どのような大きさや形状であってもよいが、一般的には電波照射領域１４と同等かもしくはそれ以上の大きさが用いられる。また、形成される計算格子の座標系はどのような座標系であってもよいが、一般的には直交座標系または円筒座標系が用いられる。さらに、計算格子により形成された評価領域２０の寸法も、どのような大きさや形状であってもよいが、大きすぎると津波シミュレーションの精度が悪化するので、一般的には数キロメートル角以下とする。
次に、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηをシミュレーションするための初期条件として、図１４Ａの津波シミュレーション領域内１６内の領域４０において波高推定部１１Ｃによって推定された波高分布を設定してシミュレーションを実施する。
図１４Ｂは、図１３の津波監視システム１Ｃにより実行される津波波高分布並びに津波到達時間及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。図１４ＢのステップＳ１では、送受信部８が所定の周波数を有する送信信号を発生し、当該送信信号を海上に送信電波５として放射する。次に、送受信アンテナ２は、海面３上で強く後方散乱された受信電波６を受信信号として受信する（ステップＳ２）。ステップＳ３では、信号処理部９が、送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成し、当該生成されたビート信号を波高推定部１１Ｃに出力する。ステップＳ４では、波高推定部１１Ｃが、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、この流速から津波７の波高ηを推定する。
ステップＳ５では、津波シミュレーション部１５が、波高推定部１１Ｃから津波７の波高ηのデータを入力し、当該波高ηのデータと水深分布データメモリ１７に格納された静水深ｈの分布データと地形データメモリ１９に格納された地形データとに基づき、津波７の波高ηの波高分布をシミュレーションし、その結果を到達予測部１２Ａに出力する。次に、ステップＳ６では、到達予測部１２Ａが、シミュレーションされた津波７の波高分布データに基づいて、津波７に対する到達時間及び到達予測を予測する。ステップＳ９では、表示部１３Ａは、津波７の波高データ並びに予測された津波到達時間及び到達波高のデータを表示し、当該処理は終了する。
また、津波シミュレーション部１５では、推定された波高分布に基づいて、常に津波シミュレーションを実施してもよいが、推定された波高が津波と判断される波高の場合に限り、当該津波シミュレーションを実施するようにしてもよい。ここで、例えば推定された波高や計測された流速の大きさなどが所定のしきい値を超えるときに津波と判断される。なお、しきい値は、津波監視システム１Ｃが設置される海域において、風や潮流によって発生する波の高さや流速分布の計測誤差等を考慮して予め決定する。
なお、津波シミュレーションは、例えば非特許文献２記載の方法などの長波理論に基づく津波の基礎方程式を用いて実施される。また、津波の基礎方程式を解いて、図１４Ａの全領域での波高ηを求めることができればどのような方法であってもよく、例えば差分法、有限体積法及び有限要素法などの方法を用いてもよい。さらに、上述したように静水深ｈが十分大きいと仮定して基礎方程式を簡略化してもよいし、線形化してもよい。
なお、上述した津波シミュレーションは、波高推定部１１Ｃによる津波７検知直後だけに実施するように設定してもよいが、津波監視システム１Ｃによる計測サンプル周期Δｔごとに実施するように設定してもよい。この場合には、サンプル周期Δｔごとに時々刻々と最新のデータに更新を行なうことが可能となるので、よりシミュレーションの精度を向上させることが可能となる。また、時間経過に伴って伝播する津波７をシミュレーションするための初期条件として、推定された波高ηのデータのみを用いたが、さらに計測された流速分布データも用いてもよい。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃによれば、上述した実施の形態に係る津波監視システム１Ａ及び１Ｃに比較すると、さらに海岸での津波の反射など複雑な津波挙動も考慮することができるので、より精度高く、津波の到達時間と到達波高とを予測することができる。
第６の実施の形態．
第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃは、波高推定部１１Ｃにより推定された津波７の波高分布に基づき、津波シミュレーション部１５が到達予測部１２Ａと連携して、津波７の到達時間及び到達波高を予測したが、これらの動作をすべて津波シミュレーション部１５Ａのみで実行してもよい。これについて以下に説明する。
図１５は、本発明の第６の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１５の津波監視システム１Ｄは、図１３の津波監視システム１Ｃに比較すると、演算部１０Ｃの代わりに演算部１０Ｄを備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｄは、図１３の演算部１０Ｃに比較すると、波高推定部１１Ｃ及び到達予測部１２Ａを削除し、津波シミュレーション部１５の代わりに津波シミュレーション部１５Ａを備えたことを特徴とする。
津波シミュレーション部１５Ａは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき海面３の流速を算出し、この流速及び水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された津波７の波高ηのデータと、水深分布データメモリ１７に格納された静水深ｈの分布データと、地形データメモリ１９に格納された地形データとに基づいて、時間経過に伴って伝播する津波７の波高分布をシミュレーションし、そのシミュレーション結果に基づいて津波７に対する到達時間や到達波高を予測し、当該予測された到達時間及び到達波高のデータ並びに算出された波高ηのデータを表示部１３Ａに出力する。
ここで、時間経過に伴って伝播する津波７をシミュレーションするための初期条件として、上述した図１４Ａの斜線で図示された領域４０において津波シミュレーション部１５Ａにより推定された波高ηを有する津波７が発生するように設定される。また、地形データは、津波シミュレーションを実施するために必要な海岸線の位置情報であって、この海岸線の範囲は、津波シミュレーションを実施する範囲によって異なるが、一般的には送受信アンテナ２から数十キロメートル四方から数百キロメートル四方の範囲とされる。なお、津波シミュレーションは、第３の実施の形態において説明したように、例えば非特許文献２記載の長波理論に基づく津波の基礎方程式を用いて実施されるが、津波の基礎方程式を解いて、上述した図１４Ａの電波照射領域１４内の全領域での波高ηを求めることができればどのような方法を用いてもよい。
また、津波シミュレーション部１５Ａの津波シミュレーションに関する動作については、第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃの津波シミュレーション部１５の動作と同様である。
なお、津波シミュレーションは、例えば非特許文献２記載の方法などの長波理論に基づく津波の基礎方程式を用いて実施される。また、津波の基礎方程式を解いて、図１４Ａの全領域での波高ηを求めることができればどのような方法であってもよく、例えば差分法、有限体積法及び有限要素法などの方法を用いてもよい。さらに、上述したように静水深ｈが十分大きいと仮定して基礎方程式を簡略化してもよいし、もしくは線形化してもよい。
なお、上述した津波シミュレーションは、津波シミュレーション部１５Ａによる津波７検知直後だけに実施するように設定してもよいが、津波監視システム１Ｄによる計測サンプル周期Δｔごとに実施するように設定してもよい。この場合には、サンプル周期Δｔごとに時々刻々と最新のデータに更新を行なうことが可能となるので、より津波７の挙動のシミュレーション精度を向上させることが可能となる。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄによれば、第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃと同様の効果を得ることができる。
第７の実施の形態．
第１の実施の形態に係る津波監視システム１は、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。この場合には、図３の領域において送受信アンテナ２から遠方に向かうにつれて波高推定誤差が蓄積されることとなる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｅは、波高ηを計測する水位計測部３０をさらに備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することを特徴とする。
図１６は、本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１６の津波監視システム１Ｅは、図１の津波監視システム１に比較して、演算部１０の代わりに演算部１０Ｅを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０をさらに備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｅは、図１の演算部１０に比較して、波高推定部１１の代わりに波高推定部１１Ｄを備えたことを特徴とする。
図１６において、水位計測部３０は、水位計測部３０が設置された位置での海４の各時刻における波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ｄに出力する。波高推定部１１Ｄは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速のデータ及び水位計測部３０からの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３に出力する。
以上のように構成された津波監視システム１Ｅの波高推定部１１Ｄの動作について以下に説明する。
波高推定部１１Ｄは、第１の実施の形態に係る波高推定部１１と比較すると、水位計測部３０により計測された波高ηのデータに基づいて、式（６）により推定された当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することが異なる。以下に、推定された波高ηのデータを校正する方法を説明する。
図１７は、本実施の形態に係る津波監視システム１Ｅにおける水位計測部３０の配置位置の一例を示す上面図である。図１７では、水位計測部３０が電波照射領域１４内の領域３１に配置され、当該水位計測部３０は領域３１での津波７の波高ηを計測する。次に、計測された波高ηのデータに基づいて、前進差分式である式（６）を用いて電波照射領域１４内の領域Ｉ＝２，３，…，ＩＩ、Ｊ＝１の位置での波高ηを順番に推定する。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と同様の効果を得ることができる。また、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができるので、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。
また、水位計測部３０の配置位置は、電波照射領域１４内のどこでもよく、図１７で図示された領域以外に水位計測部３０を配置することも可能である。
図１８は、本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅにおける水位計測部３０の配置位置の別の例を示す上面図である。図１８では、水位計測部３０が電波照射領域１４内の領域３１に配置され、当該水位計測部３０は領域３１での津波７の波高ηを計測する。次に、当該水位計測部３０により計測された領域３１の津波７の波高ηのデータに基づいて、前進差分式である式（６）を用いて電波照射領域１４内の領域Ｉ＝４，５，…，ＩＩ、Ｊ＝２の位置での津波７の波高ηを順番に推定する。また、当該水位計測部３０により計測された領域３１の津波７の波高ηのデータに基づいて、後退差分式である以下の式（１４）を用いて電波照射領域１４内の領域Ｉ＝２，１、Ｊ＝２の位置での津波７の波高ηを順番に推定する。
Figure 0005905646
上述した本発明の第７の実施形態に係る変形例においても、本実施形態と同様の動作及び効果を有することができる。
第８の実施の形態．
第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａは、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。この場合には、図３の領域において送受信アンテナ２から遠方に向かうにつれて波高推定誤差が蓄積されることとなる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｆは、波高ηを計測する水位計測部３０をさらに備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することを特徴とする。
図１９は、本発明の第８の実施の形態に係る津波監視システム１Ｆ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１９の津波監視システム１Ｆは、第２の実施の形態に係る図４の津波監視システム１Ａに比較して、演算部１０Ａの代わりに演算部１０Ｆを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０をさらに備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｆは、図４の演算部１０Ａに比較して、波高推定部１１Ａの代わりに波高推定部１１Ｅを備えたことを特徴とする。
図１９において、水位計測部３０は、水位計測部３０が設置された位置での海４の各時刻における波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ｅに出力する。波高推定部１１Ｅは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速のデータ、水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データ及び当該水位計測部３０からの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３に出力する。
以上のように構成された津波監視システム１Ｆの波高推定部１１Ｅの動作について以下に説明する。
波高推定部１１Ｅは、第２の実施の形態に係る波高推定部１１Ａと同様の動作をし、第２の実施の形態に係る波高推定部１１Ａと比較すると、水位計測部３０により測定された津波７の波高ηのデータに基づいて、式（７）により推定された当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することが異なる。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｆによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と同様の効果を得ることができる。また、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができるので、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。
第９の実施の形態．
第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂは、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。この場合には、図３の領域において送受信アンテナ２から遠方に向かうにつれて波高推定誤差が蓄積されることとなる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｆは、波高ηを計測する水位計測部３０をさらに備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することを特徴とする。
図２０は、本発明の第９の実施の形態に係る津波監視システム１Ｇ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図２０の津波監視システム１Ｇは、第４の実施の形態に係る図９の津波監視システム１Ｂに比較して、演算部１０Ｂの代わりに演算部１０Ｇを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０をさらに備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｇは、図９の演算部１０Ｂに比較して、波高推定部１１Ｂの代わりに波高推定部１１Ｆを備えたことを特徴とする。
図２０において、水位計測部３０は、水位計測部３０が設置された位置での海４の各時刻における波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ｆに出力する。波高推定部１１Ｆは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速データ、水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データ及び当該水位計測部３０からの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３及び到達予測部１２に出力する。
以上のように構成された津波監視システム１Ｇの波高推定部１１Ｆの動作について以下に説明する。
波高推定部１１Ｆは、第４の実施の形態に係る波高推定部１１Ｂと同様の動作をし、第４の実施の形態に係る波高推定部１１Ｂと比較すると、水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータに基づいて、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することが異なる。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｇによれば、第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂと同様の効果を得ることができる。また、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができるので、第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂと比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。
第１０の実施の形態．
第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃは、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。この場合には、図３の領域において送受信アンテナ２から遠方に向かうにつれて波高推定誤差が蓄積されることとなる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｈは、波高ηを計測する水位計測部３０をさらに備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することを特徴とする。
図２１は、本発明の第１０の実施の形態に係る津波監視システム１Ｈ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図２１の津波監視システム１Ｈは、図１３の津波監視システム１Ｃに比較して、演算部１０Ｃの代わりに演算部１０Ｈを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０をさらに備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｈは、図１３の演算部１０Ｃに比較して、波高推定部１１Ｃの代わりに波高推定部１１Ｇを備えたことを特徴とする。
図２１において、水位計測部３０は、水位計測部３０が設置された位置での海４の各時刻における波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ｇに出力する。波高推定部１１Ｇは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速データ、水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データ及び当該水位計測部３０からの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３Ａ及び津波シミュレーション部１５に出力する。
以上のように構成された津波監視システム１Ｈの波高推定部１１Ｇの動作について以下に説明する。
波高推定部１１Ｇは、第５の実施の形態に係る波高推定部１１Ｃと同様の動作をし、第５の実施の形態に係る波高推定部１１Ｃと比較すると、水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータに基づいて、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することが異なる。
以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｈによれば、第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃと同様の効果を得ることができる。また、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができるので、第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃと比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。
なお、上述した第７〜第１０の実施の形態において、水位計測部３０は、ブイのように海４の上に浮かぶ方式の他、海底に配置された圧力センサによって波高を計測する方式やスポット的に電波を照射するものなど、リアルタイムで海４の局所的な波高を計測することができれば、どのような手段を用いてもよい。当然ながら水位計測部３０は電波照射領域１４において１箇所でなく複数個所配置してもよい。複数個所配置することで、１箇所の場合より精度良く波高分布を予測することができる。
以上詳述したように、本発明に係る津波監視システムによれば、電波によって計測された海面の流速分布から津波の波高を直接的に予測することができるので、想定外の津波を含めた全ての津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ 津波監視システム、２ 送受信アンテナ、３ 海面、４ 海、５ 送信電波、６ 受信電波、７ 津波、８ 送受信部、９ 信号処理部、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 演算部、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ 波高推定部、１３，１３Ａ 表示部、１８ 陸、２１ 海底、１７ 水深分布データメモリ、２７ 堤防、１２，１２Ａ 到達予測部、１９ 地形データメモリ、１５，１５Ａ 津波シミュレーション部、３０ 水位計測部、４０ 領域。

Claims (14)

  1. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
    所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角とを用いて、上記送信アンテナから放射された電波が照射される電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記円筒座標系の半径方向の上記海面の流速を算出し、津波の基礎方程式を構成する運動方程式を上記円筒座標系とし、該運動方程式から回転角方向成分を削除して導かれた、半径方向の流速の時間変化と津波の波高との関係式を用いて、上記算出された流速の時間変化から上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部とを備えたことを特徴とする津波監視システム。
  2. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
    所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角とを用いて、上記送信アンテナから放射された電波が照射される電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記円筒座標系の半径方向の上記海面の流速を算出し、上記算出された流速の時間変化から上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部とを備え、
    上記波高推定部は、上記津波の波高の分布を、
    Figure 0005905646
     により算出し、
    ここで、ｒは上記送信アンテナを中心とした半径であり、ηは上記津波の波高であり、ｔは時間であり、Ｕｒは半径ｒ方向の流速であることを特徴とする津波監視システム。
  3. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
    所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角とを用いて、上記送信アンテナから放射された電波が照射される電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記円筒座標系の半径方向の上記海面の流速を算出し、上記算出された流速の時間変化から上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部とを備え、
    上記波高推定部は、上記津波の波高の分布を、
    Figure 0005905646
     により算出し、
    ここで、ｒは上記送信アンテナを中心とした半径であり、ηは上記津波の波高であり、ｔは時間であり、ｈは海の静水深であり、ｇは重力加速度であり、Ｍｒは半径ｒ方向の線流量であり、ｎは海底摩擦係数であることを特徴とする津波監視システム。
  4. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
    所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角とを用いて、上記送信アンテナから放射された電波が照射される電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記円筒座標系の半径方向の上記海面の流速を算出し、上記算出された流速の時間変化から上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部とを備え、
    上記波高推定部は、上記津波の波高の分布を、
    Figure 0005905646
     により算出し、
    ここで、ｒは上記送信アンテナを中心とした半径であり、ηは上記津波の波高であり、ｈは海の静水深であり、Ｍｒは半径ｒ方向の線流量であり、ｇは重力加速度であり、ｔは時間であることを特徴とする津波監視システム。
  5. 上記海における上記静水深ｈの分布データを格納するメモリをさらに備え、上記波高推定部は、上記メモリに格納された上記静水深ｈの分布データに基づいて上記津波の波高の分布を推定することを特徴とする請求項３または４に記載の津波監視システム。
  6. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
    所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角とを用いて、上記送信アンテナから放射された電波が照射される電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記円筒座標系の半径方向の上記海面の上記送信アンテナを中心とした半径方向の流速を算出し、上記算出された流速から上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部とを備え、
    上記波高推定部は、上記津波の波高の分布を、
    Figure 0005905646
     により算出し、
    ここで、ηは上記津波の波高であり、ｈは海の静水深であり、ｇは重力加速度であり、Ｕｒは上記送信アンテナを中心とした半径ｒ方向の流速であることを特徴とする津波監視システム。
  7. 上記津波の波高の分布に基づいて、上記津波に対する到達時間及び到達波高を予測する到達予測部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
  8. 上記到達予測部は、上記到達波高を、
    Figure 0005905646
     により算出し、
    ここで、η０は上記送信アンテナ及び上記受信アンテナの設置位置から所定の距離での津波の到達波高であり、ｈ０は上記送信アンテナ及び上記受信アンテナの設置位置から所定の距離での静水深であることを特徴とする請求項７に記載の津波監視システム。
  9. 電波として海面に向かって送信アンテナから放射された送信信号と、上記電波の反射波が受信アンテナにより受信された受信信号とを用いて津波を監視する津波監視システムにおいて、
    上記送信アンテナが設置された場所を原点とし、上記原点からの半径と、上記原点から重量方向と逆向きの軸を中心とする回転角とで位置を表す円筒座標系の上記半径と上記回転角と用いて電波照射領域が区分されてなる複数の領域の各領域ごとに、送信信号と前記受信信号との周波数差で生成されたビート信号から、上記海面の上記送信アンテナを中心とした上記円筒座標系の半径方向の流速を算出し、津波の基礎方程式を構成する運動方程式を上記円筒座標系とし、該運動方程式から回転角方向成分を削除して導かれた、上記半径方向の流速の時間変化と津波の波高との関係式を用いて、上記半径方向の流速の時間変化から上記電波照射領域における上記津波の波高の分布として上記各領域ごとの波高を推定する波高推定部を備えることを特徴とする津波監視システム。
  10. 上記波高推定部で用いる上記流速の時間変化は１台の上記送信アンテナで計測された上記半径方向の流速の時間変化のみであることを特徴とする請求項１または９に記載の津波監視システム。
  11. 上記波高推定部は、２つの異なる時間で算出された上記海面の流速の値を用いて波高の分布を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の津波監視システム。
  12. 上記波高推定部は、上記流速の時間変化と上記波高の分布の関係式を、上記複数の領域について差分法により順に解くことで上記波高の分布を算出することを特徴とする請求項９〜１１のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
  13. 上記推定された津波の波高の分布に基づいて、津波の挙動の津波シミュレーションを実行する津波シミュレーション部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
  14. 上記津波の波高を計測するための１つ以上の水位計測部をさらに備え、上記波高推定部は、上記水位計測部により計測される上記津波の波高のデータに基づいて、上記推定された波高のデータを校正することを特徴とする請求項１〜１３のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009509330A (ja) * 2005-09-20 2009-03-05 スカンジノヴァ システムズ エイビー フォイル巻線パルストランス

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