JP6719742B2 - データ処理方法、データ処理装置、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、データ処理方法、データ処理装置、及びプログラムに関する。

気象レーダ装置は、雲や霧等の対象物に電磁波を放射し、対象物で反射又は散乱されて戻ってくる反射波又は散乱波を受信することにより、対象物を観測する。例えば、反射波又は散乱波の強度によって、電磁波が入射した位置での水蒸気等の対象物の密度を知ることができる。

特許文献１に示されるように、電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を繰り返す気象レーダ装置が知られている。

特開平０７−１４０２２７号公報

上記気象レーダ装置から放射される電磁波はビーム状に絞られている。従って、対象物が風で流される場合、対象物全体にわたる電磁波の回転走査が、対象物の移流に対して遅すぎることとなる事態が生じうる。その場合、或る瞬間の対象物の３次元的な分布形状を把握できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、対象物としての火山灰雲が風で流される場合でも、火山灰雲の３次元的な分布形状を把握できる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るデータ処理方法は、
ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、コンピュータが、前記エコー強度データを取得する取得ステップと、
コンピュータが、前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出ステップと、
コンピュータが、前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出ステップで算出した前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿ステップと、
を有する。

前記仰角内内挿ステップの後に、
コンピュータが、或る仰角における前記内挿によって生成した、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データと、そのエコー強度データと同じ時間帯を表すエコー強度データであって、前記或る仰角とは異なる仰角における前記内挿によって生成した、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データと、を用い、それら仰角間に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角間内挿ステップ、
をさらに有してもよい。

前記仰角間内挿ステップの後に、
コンピュータが、或る時間帯の前記火山灰雲についての、前記レーダ装置から取得した前記エコー強度データ並びに前記仰角内内挿ステップ及び前記仰角間内挿ステップでの前記内挿によって生成した前記エコー強度データから求まる前記エコー強度値の総和値と、前記或る時間帯とは異なる時間帯の前記火山灰雲についての、前記レーダ装置から取得した前記エコー強度データ並びに前記仰角内内挿ステップ及び前記仰角間内挿ステップでの前記内挿によって生成した前記エコー強度データから求まる前記エコー強度値の総和値と、の差に基づいて、前記火山灰雲の地表への降下量を求める降下量算出ステップ、
をさらに有してもよい。

本発明の第２の観点に係るデータ処理装置は、
ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、前記エコー強度データを取得する取得手段と、
前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出手段と、
前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出手段によって算出された前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿手段と、
を備える。

本発明の第３の観点に係るプログラムは、
コンピュータに、
ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、前記エコー強度データを取得する取得機能と、
前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出機能と、
前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出機能によって算出された前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿機能と、
を実現させる。

本発明によれば、仰角毎に風速を算出し、算出された風速を用いて、第１断面から第２断面までの移流の軌跡上に、火山灰雲の断面を表すエコー強度データを内挿するので、対象物としての火山灰雲が風で流される場合でも、火山灰雲の３次元的な分布形状を把握できる。

実施形態に係る降灰量予測システムのブロック図である。 気象レーダ装置によるマイクロ波のスキャン動作を説明する説明図である。 気象レーダ装置による火山灰雲の観測の様子を示す概念図である。 降灰量算出処理のフローチャートである。 火山灰雲の断面位置を時間で内挿する様子を示す概念図である。 火山灰雲の断面位置を仰角間で内挿する様子を示す概念図である。 火山灰雲の形状の内挿結果を示す表示画面のスクリーンショットである。 降灰量分布の予測結果を示す表示画面のスクリーンショットである。

以下、電磁波を放射する対象物が火山灰雲である場合を例に挙げ、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図中、同一又は相当する部分に同一符号を付す。

図１に示すように、本実施形態に係る降灰量予測システム１００は、気象レーダ装置１０と、データ処理装置としての降灰量予測装置２０と、を備える。

気象レーダ装置１０は、送受信アンテナ１１、制御部１２、信号処理部１３、及び通信部１４を備える。

送受信アンテナ１１は、ビーム状に絞られた、電磁波としてのマイクロ波を、周囲に放射する一方、火山灰雲を構成する火山破屑物から、マイクロ波の反射波又は散乱波としてのエコーを受信する。エコーの強度が大きい程、エコーが生じた位置の火山破屑物の密度が高いことを表す。

制御部１２は、送受信アンテナ１１、信号処理部１３、及び通信部１４を制御する。特に、制御部１２は、送受信アンテナ１１の姿勢を変化させることにより、マイクロ波を放射する方向（エコーを受信する方向）を制御する。

図２（Ａ）に示すように、送受信アンテナ１１の位置を原点とするｒθφ球面座標系を定義する。図２（Ａ）には、理解を容易にするために、ｘｙｚ直交座標系も示す。送受信アンテナ１１は、仰角θを一定に保ったまま、方位角φの方向に３６０°回転した後、仰角θを変化させ、その仰角θを一定に保ったまま再び方位角φの方向に３６０°回転する動作を、仰角θが予め決められた複数の値内で周期的に変更されるよう繰り返す。

こうして、送受信アンテナ１１は、複数の仮想円錐の各々の側面に沿って、マイクロ波を回転走査させる。図１の制御部１２が、このような動作を実現させる。

図２（Ｂ）に、仰角θが取り得る具体的な値θ_１〜θ_１２を示す。仰角θ_１でのマイクロ波の方位角φ方向の走査の開始から、順番に仰角θ_１２でのマイクロ波の方位角φ方向の走査を終えるまでに要する時間、即ち、マイクロ波の走査の周期は、約５分である。

なお、図２（Ｂ）には、火山Ｖの位置も示す。マイクロ波を走査させる空間領域が、火山Ｖ上方の火山灰雲が存在しうる空間領域を内包している。

図１に戻って、気象レーダ装置１０の説明を続ける。信号処理部１３は、送受信アンテナ１１から、観測値としてのエコー強度を表す信号を取得し、取得したその信号に基づいて、観測データとしてのエコー強度データを生成する。エコー強度データは、エコーが生じた位置の火山破屑物の密度を表すエコー強度値と、そのエコーが生じた位置の座標（ｒ、θ_ｉ、φ）及び時刻ｔとが対応付けられたものである（但し、ｉ＝１〜１２）。即ち、エコー強度データ群によれば、球面座標系で想定される格子の各点（ｒ、θ_ｉ、φ）における各時刻ｔのエコー強度値が分かる。なお、このようなエコー強度データは、ＰＰＩ（Plan Position Indicator）データとも呼ばれる。

通信部１４は、信号処理部１３で生成されたエコー強度データを、通信ネットワークＮを介して、降灰量予測装置２０に送信する。

以下、気象レーダ装置１０による火山灰雲の観測動作、及び降灰量予測装置２０の動作の概要について説明する。

図３に示すように、或る仰角θ_ｎでのマイクロ波の回転走査により、火山灰雲の、マイクロ波が沿う仮想円錐の側面と交差する断面Ｄ１１についてのエコー強度データを得たとする。ここで断面とは、火山灰雲のうち回転走査されるマイクロ波が入射した部分を指す概念とする（以下、同様）。

次に、仰角をθ_ｎからθ_ｎ＋１に変更し、仰角θ_ｎ＋１で回転走査をしたとき、火山灰雲の断面Ｄ２２についてのエコー強度データを得る。次に、仰角をθ_ｎ＋１からθ_ｎ＋２に変更し、仰角θ_ｎ＋２で回転走査をしたとき、火山灰雲の断面Ｄ３３についてのエコー強度データを得る。このようにして、火山灰雲の複数の断面についてのエコー強度データが得られる。

しかし、それらエコー強度データは異なる時間帯に得られたものである。送受信アンテナ１１の仰角θ等を変更する間に、火山灰雲の位置や形状が風によって時々刻々変化する。火山灰雲の移流量は、例えば、５分あたり５ｋｍとなる場合もある。このため、異なる時間帯に得られたエコー強度データを寄せ集めても、或る瞬間での火山灰雲全体の３次元的な分布形状を把握することはできない。

例えば、時刻τの瞬間での火山灰雲の分布形状を知るには、断面Ｄ１２及びＤ１３についてのエコー強度データも必要である。また、時刻τ＋Δτの瞬間での火山灰雲の分布形状を知るには、断面Ｄ２１及びＤ２３についてのエコー強度データも必要である。また、時刻τ＋２Δτの瞬間での火山灰雲の分布形状を知るには、断面Ｄ３１及びＤ３２についてのエコー強度データも必要である。

そこで、降灰量予測装置２０が、気象レーダ装置１０で生成されたエコー強度データを用いて、断面Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ２３、Ｄ３１、及びＤ３２についてのエコー強度データを内挿により求める。これにより、任意の時刻での、火山灰雲全体の３次元的な分布形状を把握することができる。また、降灰量の予測も可能となる。

図１に戻って、降灰量予測装置２０の説明を続ける。降灰量予測装置２０は、記憶部２１、ＲＡＭ（Random Access Memory）２２、指示部２３、表示部２４、通信部２５、及びＣＰＵ（Central Processing Unit）２６が、バス２７で接続された構成を備える。

記憶部２１は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体を含んで構成される。記憶部２１は、降灰量算出プログラム２１ａを記憶する。降灰量算出プログラム２１ａは、気象レーダ装置１０で生成されたエコー強度データを内挿し、降灰量を算出するためのＣＰＵ２６の動作を規定する。

ＲＡＭ２２は、ＣＰＵ２６のメインメモリとして機能する。ＣＰＵ２６による降灰量算出プログラム２１ａの実行に際し、ＲＡＭ２２に、降灰量算出プログラム２１ａが展開され、気象レーダ装置１０から取得されたエコー強度データ等が一時的に格納される。

指示部２３は、ユーザがＣＰＵ２６に対して降灰量算出プログラム２１ａの実行の開始及び終了を指示するための装置である。具体的には、指示部２３は、キーボードやマウス等で構成される。

表示部２４は、ＣＰＵ２６による火山灰雲の３次元的な分布形状の算出結果（図７参照）や、降灰量の算出結果（図８参照）等を表示出力するディスプレイで構成される。

通信部２５は、通信ネットワークＮを介して気象レーダ装置１０からエコー強度データを取得する。

ＣＰＵ２６は、記憶部２１に記憶された降灰量算出プログラム２１ａを実行することにより、降灰量算出処理を実現する。

以下、図４〜図７を参照し、降灰量算出処理について具体的に説明する。

図４は、降灰量算出処理のフローチャートである。本処理は、ユーザが火山の噴火を目視確認する等し、指示部２３で処理開始の指示を与えることにより開始する。

ＣＰＵ２６は、指示部２３による処理開始の指示を検出すると、気象レーダ装置１０からエコー強度データの取得を開始する（ステップＳ１１）。このようにしてＣＰＵ２６は、エコー強度データを取得する取得手段として機能する。なお、エコー強度データは、３次元球面座標系での各格子点（ｒ、θ_ｉ、φ）における各時刻ｔのエコー強度を表す。

以降、ＣＰＵ２６は、気象レーダ装置１０から順次新たなエコー強度データをリアルタイムに取得しながら、既に取得したエコー強度データを用いて、ステップＳ１２〜Ｓ１７の処理を行う。

まず、ＣＰＵ２６は、気象レーダ装置１０から取得したエコー強度データを用いて、仰角θ_ｉ毎に、風向及び風速を求める（ステップＳ１２）。以下、図５を参照し、具体例を挙げて、風向及び風速の求め方を説明する。

図５（Ａ）に示すように、時刻ｔａに、或る仰角θ_ｋ（但し、ｋは１〜１２の任意の整数とする。）での回転走査で火山灰雲の断面Ｄａについてのエコー強度データを取得した後、時刻ｔａ＋Ｔに、同じ仰角θ_ｋでの回転走査で火山灰雲の断面Ｄｂについてのエコー強度データを取得した場合を考える。ここでＴは、仰角を図２（Ｂ）のθ_１〜θ_１２の間で周期的に変化させる場合の１周期を表し、既述のようにＴ＝約５分である。

図５（Ｂ）は、火山灰雲の断面Ｄａ、Ｄｂをそれぞれ鉛直下方の仮想水平面に投影した領域Ｒａ、Ｒｂを示す。

まず、ＣＰＵ２６は、領域ＲａとＲｂの各々の重心を求める。ここで領域の重心とは、火山灰雲の断面内の各格子点におけるエコー強度値を質量と見立て、その各格子点に対応する領域内の各点にその質量の質点が存在すると考えた場合の重心を指す。

次に、ＣＰＵ２６は、重心ＧａとＧｂをつなぐ変位ベクトルＰを求める。重心ＧａとＧｂの座標が求まっているので、変位ベクトルＰの向きを表す方位角φ_ｋと長さ｜Ｐ｜とが分かる。変位ベクトルＰの長さ｜Ｐ｜は、火山灰雲の移流距離を表し、変位ベクトルＰの向きを表す方位角φ_ｋは風向を表す。また、変位ベクトルＰの長さ｜Ｐ｜を周期Ｔで割れば、風速が求まる。

次に、ＣＰＵ２６は、風速に移流の前後での平均火山灰量を重み付けした物理量としての風力を求める。ここで平均火山灰量とは、断面Ｄａ内でのエコー強度値の総和値Ｍａと、断面Ｄｂ内でのエコー強度値の総和値Ｍｂとの平均値（Ｍａ＋Ｍｂ）／２である。具体的には、風力は、Ｗｋ＝（｜Ｐ｜／Ｔ）・（Ｍａ＋Ｍｂ）／２で与えられる。

以上で、仰角θ_ｋについて、風向φｋと風力Ｗｋが求まった。以下、時刻ｔａからｔａ＋Ｔの間、高さｚ＝ｒａ・ｓｉｎθ_ｋ〜ｒｂ・ｓｉｎθ_ｋの範囲では、方向φｋに強さＷｋの風が吹いていたとみなす。ここで、ｒａは、断面Ｄａ内における重心Ｇａに対応する点の、球面座標系における原点からの距離を表す。ｒｂは、断面Ｄｂ内における重心Ｇｂに対応する点の、球面座標系における原点からの距離を表す。

以上のように、観測対象の火山灰雲そのものをトレーサ（tracer；追跡子）として利用することで、ＣＰＵ２６が、仰角θ_ｋ毎に、変位ベクトルＰを求め、変位ベクトルＰに基づき風向、風速、及び風力を算出することができる。

ＣＰＵ２６は、上述の要領で、仰角毎に風向、風速、及び風力を求めることによって、風プロファイル算出手段として機能する。仰角と標高は対応しているので、仰角θ毎に風のプロファイルを求めることは、標高毎に風のプロファイルを求めることに相当する。

次に、ＣＰＵ２６は、ステップＳ１２で求めた風力及び風向を用いて、エコー強度データを仰角内で内挿する（図４のステップＳ１３）。

図５を再び参照し、仰角θ_ｋ内でのエコー強度データの内挿を例に挙げて、具体的に説明する。上で求めた風向φ_ｋ及び風力Ｗｋをもつ風によって、火山灰雲が断面Ｄａの位置から断面Ｄｂの位置まで移流されたと考える。その移流の軌跡上に、エコー強度データを内挿する。

まず、ＣＰＵ２６は、どの時刻にエコー強度データを内挿するのか、その時刻を指定する。理解を容易にするために、図５（Ａ）には、時刻ｔａ〜ｔａ＋Ｔを３等分し、時刻ｔａ＋（Ｔ／３）、時刻ｔａ＋（２Ｔ／３）に、それぞれ仮想断面Ｄａｂ−１内のエコー強度データ、仮想断面Ｄａｂ−２内のエコー強度データを内挿した様子を示す。

次に、ＣＰＵ２６は、内挿しようとする仮想断面Ｄａｂ−１、Ｄａｂ−２に対応する射影領域の重心Ｇａｂ−１、Ｇａｂ−２を求める。上述のように、風力Ｗｋ及び風向φｋは、時刻ｔａ〜ｔａ＋Ｔの間一定とみなすが、火山灰雲を構成する火山破屑物の総量は時々刻々変化する。このため、時間的に均等に内挿しても、重心Ｇａｂ−１とＧａｂ−２が必ずしも変位ベクトルＰを３等分する訳ではない。

以下、重心Ｇａｂ−１の求め方を説明する。重心Ｇａｂ−２も同様にして求めることができる。

まず、ＣＰＵ２６は、仰角θ_ｋにおける火山灰雲の重量変化率αを求める。重量変化率αは、断面Ｄａ内でのエコー強度値の総和値Ｍａと、断面Ｄｂ内でのエコー強度値の総和値Ｍｂとの差を時間Ｔで割った値、α＝（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｔで与えられる。

次に、ＣＰＵ２６は、重量変化率αを用いて、時刻ｔａから、内挿する時刻ｔａ＋（Ｔ／３）までの間の、火山灰雲の平均重量Ｍｍを求める。具体的には、この平均重量Ｍｍは、Ｍｍ＝（Ｍａ＋Ｍａ・（１−α）・（Ｔ／３））／２で与えられる。

次に、ＣＰＵ２６は、風力Ｗｋを平均重量Ｍｍで割った値に時間Ｔ／３をかけて得られる移動距離Ｌ＝（Ｗｋ／Ｍｍ）・（Ｔ／３）を求める。変位ベクトルＰに沿って点Ｇａから距離Ｌ隔てた点が、求めようとしている重心Ｇａｂ−１の位置である。Ｇａｂ−１は、重心位置がＧａで総重量がＭｍの火山灰群が、風力Ｗｋの風を風向φｋの方向に時間Ｔ／３の間受け続けた結果の重心位置を表す。同様に、ＣＰＵ２６は、重心Ｇａｂ−２の位置も求める。

次に、ＣＰＵ２６は、重心Ｇａｂ−１及びＧａｂ−２に配置されるエコー強度値の分布を、公知のモーフィング法により求める。モーフィング法は、コンピュータグラフィックスの分野において、２つの画像データがある場合に、一方の画像データを他方の画像データへ滑らかに変化させる手法としてしばしば用いられている。例えば、或る顔の画像データを別の顔の画像データに連続的に変化させることができる。

エコー強度データも、画像データと同様、座標毎に値（エコー強度値）をもつ。従って、ＣＰＵ２６は、公知のモーフィング法を用いて、領域Ｒａのエコー強度値の分布から、領域Ｒｂのエコー強度値の分布へと滑らかに変化していくように、重心Ｇａｂ−１、Ｇａｂ−２の位置に、エコー強度値の分布を内挿することができる。

重心Ｇａｂ−１、Ｇａｂ−２におけるエコー強度値の分布が求まれば、対応する仮想断面Ｄａｂ−１、Ｄａｂ−２におけるエコー強度値の分布も求まる。以上のようにして、ＣＰＵ２６は、仰角内で火山灰雲の断面を表すエコー強度データを内挿する。なお、内挿の時間間隔（上述したＴ／３に相当する値）は、例えば、３０秒である。

図３を再び参照する。以上までの処理で、断面Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ２３、Ｄ３１、及びＤ３２についてのエコー強度データが内挿により求まる。これにより、同じ時刻における火山灰雲の複数の断面についてのエコー強度データが得られたので、任意の時刻、即ち図３の例では、時刻τ、τ＋Δτ、τ＋２Δτのそれぞれにおける火山灰雲全体の３次元的な分布形状を把握しうる。但し、火山灰雲全体の分布形状をより詳細に把握するには、各時刻における火山灰雲の、より多くの断面についてのエコー強度データが望まれる。

そこで、ＣＰＵ２６は、次に、仰角間でのエコー強度データの内挿を行う（図４のステップＳ１４）。以下、図６を参照し、具体的に説明する。

図６には、既にエコー強度データが得られている、同じ時刻の火山灰雲の断面Ｄｋと断面Ｄｋ＋１とが示されている。断面Ｄｋは、仰角θｋに対応する仮想円錐の側面で切り取られ、断面Ｄｋ＋１は、仰角θｋ＋１に対応する仮想円錐の側面で切り取られる。断面Ｄｋについてのエコー強度データは、気象レーダ装置１０から取得したか、又はステップＳ１３で内挿したものである。断面Ｄｋ＋１についてのエコー強度データは、ステップＳ１３で内挿したものとする。

以下、理解を容易にするために、仰角θｋ〜仰角θｋ＋１の間の仰角θｘ及びθｙについて、エコー強度データを内挿する具体例について説明する。

まず、ＣＰＵ２６は、断面Ｄｋ内の重心Ｇｋと、断面Ｄｋ＋１内の重心Ｇｋ＋１とを結ぶ直線Ｑを求める。次に、ＣＰＵ２６は、仰角θｘ、θｙのそれぞれに対応する仮想円錐の側面と直線Ｑとが交差する点Ｇｘ、Ｇｙを求める。

次に、ＣＰＵ２６は、点Ｇｘを重心とするエコー強度値の分布、及び点Ｇｙを重心とするエコー強度値の分布を、それぞれモーフィング法により求める。即ち、ＣＰＵ２６は、断面Ｄｋのエコー強度値の分布から、断面Ｄｋ＋１のエコー強度値の分布へと仰角方向に滑らかに変化していくように、仮想断面Ｄｘ及びＤｙの位置に、エコー強度値の分布を内挿する。このようにして、ＣＰＵ２６は、仰角間でエコー強度データを内挿する。内挿の仰角間隔は、例えば、０．５°である。

以上のように、ＣＰＵ２６は、エコー強度データを仰角内で内挿する仰角内内挿手段、及び仰角間で内挿する仰角間内挿手段として機能する。

次に、ＣＰＵ２６は、気象レーダ装置１０から取得したエコー強度値データ、及びステップＳ１３及びＳ１４で内挿して得られた内挿データに対して、ｒθφ球面座標系から、ｘｙｚ直交座標系への座標変換を行う（ステップＳ１５）。具体的には、両座標系間には、ｘ＝ｒ・（ｓｉｎθ）・（ｃｏｓφ）、ｙ＝ｒ・（ｓｉｎθ）・（ｓｉｎφ）、ｚ＝ｒ・（ｃｏｓθ）なる関係がある。

また、ＣＰＵ２６は、得られた直交座標系の元データを、直交座標系のメッシュに当てはめてもよい。メッシュの格子点に対応する元データが存在しない場合は、その格子点に最も近い点の元データをその格子点のデータとみなしてもよい。

なお、ステップ１５の座標変換は、後に立体画像を表示するために行われる。ｒθφ球座標のデータ形式で立体画像表示を行うことができる場合は、ステップ１５の座標変換は必ずしも必要でない。

以上により、或る時間間隔、例えば１分ごとの、火山灰雲全体の３次元形状分布を知ることができる。そこで、ＣＰＵ２６は、火山灰雲の３次元形状の時間変化の模様を表示部２４に表示出力させることができる。

図７に、火山灰雲の３次元形状の時間変化の表示画面のスクリーンショットを示す。左から順に、降灰量算出処理の開始から２分後、１０分後、及び２０分後の火山灰雲の３次元形状を示す。

次に、ＣＰＵ２６は、地上降灰量分布を算出する（図４のステップＳ１６）。以下、具体的に説明する。或る時間帯の火山灰雲についてのエコー強度データ及び内挿データから求まるエコー強度値の総和値をＡ１とする。また、それより後の時間帯の火山灰雲についてのエコー強度データ及び内挿データから求まるエコー強度値の総和値をＡ２とする。

このとき、全体の火山灰量は保存するから、差Ａ１−Ａ２で表される減少量は、地上に降った火山灰の量を表すと考えられる。各時間帯の火山灰雲の空間的位置は分かるので、火山灰が地上のどの領域に降ったかも特定することができる。

そこで、ＣＰＵ２６は、差Ａ１−Ａ２で表される降灰量を算出すると共に、火山灰が地上のどの領域に降ったかを地図と併せて表示部２４に表示出力させることができる。

図８に、降灰量分布の予測結果を示す表示画面のスクリーンショットを示す。このように、ＣＰＵ２６は、地図上に濃淡で降灰量を表現した予測分布を示す。

次に、ＣＰＵ２６は、降灰量予測処理を終了するか否か判定する（図４のステップＳ１７）。ＣＰＵ２６は、処理を継続する場合は（図４のステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ１２〜Ｓ１６を繰り返し、指示部２３における処理終了の指示を検出すると（図４のステップＳ１７；ＹＥＳ）、本処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、仰角毎に風向及び風速を算出し、算出された風向及び風速を用いて、火山灰雲の移流の軌跡上にエコー強度データを内挿するので、火山灰雲が風で流される場合でも、火山灰雲の３次元的な分布形状を把握できる。

また、風向及び風速の算出と、エコー強度データの内挿とを、仰角毎に行うので、風のプロファイルが高さ方向に変化している場合でも、火山灰雲の３次元的な分布形状を適切に把握できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、以下の変形が可能である。

（１）上記実施形態では、ステップＳ１２で、火山灰雲の移流距離を求めるために、移流の前後での断面の重心を求め、いわゆる重心追跡法に則って変位ベクトルＰ（図５参照）を求めた。火山灰雲の断面の移流距離を求めるに際し、必ずしも重心を算出する必要はない。例えば、断面内の任意の点を重心の代わりに用いてもよい。

（２）また、図５で、仰角θ_ｋに対応する仮想円錐の側面上において、時刻ｔａと時刻ｔｂの少なくとも一方において、火山灰雲の複数の断面が観測される場合もありうる。その場合は、時刻ｔａで観測された断面と、時刻ｔｂで観測された断面との組み合わせのうち、エコー強度値の分布が最もマッチングする、即ち近似する組み合わせの断面間で、移流距離を求めればよい。

（３）上記実施形態では、ユーザが火山の噴火を目視確認し、指示部２３にて、降灰量予測処理の開始を指示するようにした。降灰量予測装置２０が、気象レーダ装置１０から常時にエコー強度データを取得していて、ＣＰＵ２６が、火山灰雲の存在を表すエコー強度値を検出した場合に、図４のステップＳ１２以降の処理を自ら開始してもよい。また、図４のステップＳ１７では、処理終了の契機をユーザが与えたが、火山灰雲を表すエコー強度値が検出されなくなった場合に、ＣＰＵ２６が、自ら処理を終了してもよい。

（４）上記実施形態では、ＣＰＵ２６が、最終的に、火山灰雲を構成する火山破屑物の地表への降下量を求めた。ＣＰＵ２６は、エコー強度データの内挿によって、火山灰雲の３次元的な分布形状を把握できるので、降下量の算出に限らず、例えば、噴煙の高度、噴出率、噴出速度等を算出することも可能である。

（５）上記実施形態では、対象物の密度を表す観測値が、電磁波の反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻と対応付けられた観測データとして、エコー強度データを挙げて説明した。観測データに含まれる観測値としては、エコー強度以外にも、ドップラー速度、反射因子差、比偏波間位相差等の偏波パラメータ等が挙げられる。これらの観測値によれば、降灰粒子の数密度や形状の判別の他、雨と降灰粒子の判別等も可能となる。

（６）上記実施形態では、レーダ装置が電磁波を照射する対象物を火山灰雲としたが、例えば、山火事等の火災による噴煙、黄砂、霧、雨雲等を対象物とすることもできる。

（７）上記実施形態では、電磁波としてマイクロ波を用いたが、例えば、ミリ波を用いてもよい。対象物に応じた波長の電磁波を用いることができる。

（８）上記実施形態では、降灰量予測装置２０を、通信ネットワークＮを介して気象レーダ装置１０から離れた位置に配置したが、通信ネットワークＮを介さずに、気象レーダ装置１０が設置される設備に降灰量予測装置２０を配置してもよい。

（９）図４の降灰量予測処理は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータを用いて実現できる。例えば、降灰量算出プログラム２１ａをコンピュータにインストールすることで、降灰量予測装置２０を実現できる。降灰量算出プログラム２１ａは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read-Only Memory）、ＭＯ（Magneto Optical Disk）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納し配布することもできる。また、インターネット等の通信ネットワーク上のサーバが有する記憶装置に降灰量算出プログラム２１ａを格納しておき、通信ネットワークを通じて他のコンピュータが降灰量算出プログラム２１ａをダウンロード等してもよい。搬送波に降灰量算出プログラム２１ａを重畳し、配信することもできる。通信ネットワーク上の掲示板（BBS, Bulletin Board System）に降灰量算出プログラム２１ａを掲示し、ネットワークを介して配信してもよい。降灰量予測装置２０の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担又は協働で実現する場合は、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。

本発明は、その広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされる。上記実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１０…気象レーダ装置（レーダ装置）、１１…送受信アンテナ、１２…制御部、１３…信号処理部、１４…通信部、２０…降灰量予測装置（データ処理装置）、２１…記憶部、２１ａ…降灰量算出プログラム（プログラム）、２２…ＲＡＭ、２３…指示部、２４…表示部、２５…通信部、２６…ＣＰＵ（取得手段、風プロファイル算出手段、仰角内内挿手段、仰角間内挿手段）、２７…バス、１００…降灰量予測システム、Ｎ…通信ネットワーク。

Claims (5)

1. ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、コンピュータが、前記エコー強度データを取得する取得ステップと、
   コンピュータが、前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出ステップと、
   コンピュータが、前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出ステップで算出した前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿ステップと、
   を有するデータ処理方法。
2. 前記仰角内内挿ステップの後に、
   コンピュータが、或る仰角における前記内挿によって生成した、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データと、そのエコー強度データと同じ時間帯を表すエコー強度データであって、前記或る仰角とは異なる仰角における前記内挿によって生成した、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データと、を用い、それら仰角間に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角間内挿ステップ、
   をさらに有する請求項１に記載のデータ処理方法。
3. 前記仰角間内挿ステップの後に、
   コンピュータが、或る時間帯の前記火山灰雲についての、前記レーダ装置から取得した前記エコー強度データ並びに前記仰角内内挿ステップ及び前記仰角間内挿ステップでの前記内挿によって生成した前記エコー強度データから求まる前記エコー強度値の総和値と、前記或る時間帯とは異なる時間帯の前記火山灰雲についての、前記レーダ装置から取得した前記エコー強度データ並びに前記仰角内内挿ステップ及び前記仰角間内挿ステップでの前記内挿によって生成した前記エコー強度データから求まる前記エコー強度値の総和値と、の差に基づいて、前記火山灰雲の地表への降下量を求める降下量算出ステップ、
   をさらに有する請求項２に記載のデータ処理方法。
4. ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、前記エコー強度データを取得する取得手段と、
   前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出手段と、
   前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出手段によって算出された前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿手段と、
   を備えるデータ処理装置。
5. コンピュータに、
   ビーム状の電磁波を、仰角を保って方位角方向に回転走査させた後、仰角を変更し、変更後の仰角を保って再び方位角方向に回転走査させる動作を、仰角が周期Ｔで周期的に変更されるよう繰り返す一方、対象物からの前記電磁波の反射波又は散乱波を受信することにより、反射又は散乱が生じた位置の前記対象物の密度を表すエコー強度値と、該反射又は散乱が生じた位置の座標及び時刻とが対応付けられたエコー強度データを生成するレーダ装置から、前記エコー強度データを取得する取得機能と、
   前記エコー強度データを用いて、前記仰角毎に、その仰角での前記回転走査で前記電磁波が前記対象物としての火山灰雲に入射した部分である第１断面を仮想水平面に投影した領域と、その回転走査の後の前記回転走査において同じ仰角で前記電磁波が前記火山灰雲に入射した部分である第２断面を前記仮想水平面に投影した領域と、の前記仮想水平面上における移動距離を求め、求めた前記移動距離と前記周期Ｔとに基づいて、風速を算出する風プロファイル算出機能と、
   前記仰角毎に、その仰角について前記風プロファイル算出機能によって算出された前記風速を用いて、前記第１断面から前記第２断面までの移流の軌跡上に、前記火山灰雲の断面を表す前記エコー強度データを内挿する仰角内内挿機能と、
   を実現させるプログラム。