JPWO2015005020A1 - 気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法 - Google Patents

気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】安価かつ短時間で、雨雲を検出し、検出した雨雲の上空への移動を検出することができる気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法を提供する。【解決手段】雨雲検出部23は、異なる位置に配置された少なくとも第1、第2、第3の3つのレーダからの信号に基づいて、雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する。雨雲特性検出部26は、3つのレーダと異なる1つのレーダまたは3つのレーダの中の1つのレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出する。【選択図】図8

Description

本発明は、気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法に関し、特にレーダの信号に基づいて気象を観測または予測する気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法に関する。
従来から、レーダからの信号に基づいて気象を観測または予測するシステムが知られている。
特許文献1(特開平9−329672号公報)に記載の発雷予測方法では、二重偏波レーダの水平偏波に対するレーダ反射因子と、水平・垂直偏波のレーダ反射因子差に基づいて、降水粒子の種類を識別し、かつ発雷する可能性を予測する。
また、特許文献2(特開平11−281740号公報)に記載されたシステムは、ファンビームを用いた粗い分解能の探索用レーダで雨雲などの気象現象のおおまかな所在を検出し、ペンシルビームを用いた高い分解能の観測用レーダで雨雲などの気象現象の正確な所在を検出する。
特許文献3(特開2010−256333号公報)の気象レーダ装置は、降雨強度やドップラ速度を短時間で得るために、レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットを備える。
特開平9−329672号公報 特開平11−281740号公報 特開2010−256333号公報
しかしながら、特許文献1に記載の二重偏波レーダでは、上空全体について、降水粒子の種類を識別し、発雷する可能性を予測するので、信号処理に長時間(たとえば5〜10分)要するという問題がある。
特許文献2に記載のシステムでは、雨雲の3次元位置を検出することができるが、検出した雨雲の正確な所在や雨雲の特性を検出することができないという問題がある。
特許文献3に記載されているフェーズドアレイは、巨大かつ高価であるという問題がある。
それゆえに、本発明の目的は、安価かつ短時間に、雨雲の位置だけでなく雨雲の特性を検出することができる気象情報処理装置、気象レーダシステムおよび気象情報処理方法を提供することである。
本発明のある局面の気象情報処理装置は、異なる位置に配置された少なくとも第1、第
2、および第3の3つのレーダからの信号に基づいて、雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する雨雲検出部と、3つのレーダと異なる1つのレーダまたは3つのレーダの中の1つのレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出する雨雲特性検出部とを備える。
好ましくは、雨雲検出部は、検出された雨雲の3次元速度を利用して、検出された雨雲を追尾する。
好ましくは、雨雲特性検出部は、第3のレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出する。第1のレーダおよび第2のレーダは単一偏波レーダである。第3のレーダは、二重偏波レーダである。
好ましくは、雨雲特性検出部は、3つのレーダと異なる第4のレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出する。第4のレーダは、二重偏波レーダである。
好ましくは、雨雲検出部は、3つのレーダのアンテナをCAPPI方式で走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する。
好ましくは、雨雲特性検出部は、雨雲の特性を検出するための信号を得るレーダのアンテナをRHI走査させて得られる信号に基づいて、雨雲の特性を検出する。
好ましくは、雨雲検出部は、第1のレーダおよび第2のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置を検出し、第1のレーダ、第2のレーダ、および第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる検出された雨雲の位置での速度成分を合成することによって、雨雲の3次元速度を検出する。
好ましくは、雨雲検出部は、第1のレーダおよび第2のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置および2次元速度を検出し、検出された雨雲の2次元速度に基づいて雨雲の移動後の位置を予測し、第1のレーダ、第2のレーダ、および第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる予測した雨雲の位置での速度成分を合成することによって、雨雲の3次元速度を検出する。
好ましくは、雨雲検出部は、第1のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置を検出し、第1のレーダ、第2のレーダおよび第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる検出された雨雲の位置での速度成分を合成することによって、雨雲の3次元速度を検出する。
好ましくは、気象情報処理装置は、さらに、第1のレーダおよび第2のレーダからの信号によって雨雲を検出するまでは、第3のレーダを低電力消費状態で動作させるレーダ制御部を備える。
好ましくは、気象情報処理装置は、さらに、第1のレーダからの信号によって雨雲を検出するまでは、第2のレーダおよび第3のレーダを低電力消費状態で動作させるレーダ制御部を備える。
好ましくは、雨雲検出部は、複数個の雨雲を検出された場合に、3つのレーダのうちの1つのレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲を構成する降水粒子の大きさを検出し、検出した大きさに基づいて、降水可能性が最大の雨雲を追尾する雨雲として選別する。
好ましくは、雨雲特性検出部は、検出された雨雲を構成する降水粒子の特性を検出する。
好ましくは、雨雲特性検出部は、検出された雨雲の鉛直方向の長さを検出する。
好ましくは、気象情報処理装置は、さらに、検出された雨雲の位置、雨雲の3次元速度および雨雲の特性の少なくとも1つに基づいて、降水を予測する降水予測部を備える。
好ましくは、雨雲の特性は、雨雲を構成する降水粒子の大きさを含む。降水予測部は、雨雲を構成する降水粒子の大きさに基づいて、降水の発生を予測する。
好ましくは、降水予測部は、雨雲の鉛直方向の長さに基づいて、降水の発生を予測する。
本発明のある局面の気象レーダシステムは、異なる位置に配置された2つの単一偏波レーダと、1つの二重偏波レーダと、気象情報処理装置とを備える。気象情報処理装置は、2つの単一偏波レーダと1つの二重偏波レーダからの信号に基づいて、雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する雨雲検出部と、二重偏波レーダからの信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出する雨雲特性検出部とを備える。
好ましくは、3つのレーダは、電波の送信および受信時において、ペンシルビーム型のアンテナビームを形成する。
本発明のある局面の気象情報処理方法は、異なる位置に配置された3つのレーダのうちの少なくとも1つのアンテナをCAPPI走査させて得られる信号に基づいて、雨雲の位置を検出するステップと、3つのレーダのアンテナをCAPPI走査させて得られる信号に基づいて、検出した雨雲の3次元速度を検出するステップと、検出した雨雲の3次元速度を用いて、雨雲を追尾するステップと、3つのレーダと異なる1つのレーダまたは3つのレーダの中の1つのレーダのアンテナをRHI走査させて得られる信号に基づいて、検出された雨雲の特性を検出するステップとを備える。
本発明によれば、安価かつ短時間に、雨雲の位置だけでなく雨雲の特性を検出することができる。
第1の実施形態の気象レーダシステムを構成するレーダの配置を表わす図である。 単一偏波ドップラレーダの構成を表わす図である。 平面アンテナのCAPPI走査を表わす図である 二重偏波ドップラレーダの構成を表わす図である。 パラボラアンテナのCAPPI走査を表わす図である。 パラボラアンテナのRHI走査を表わす図である。 単一偏波ドップラレーダおよび二重偏波ドップラレーダのアンテナの走査範囲を説明するための図である。 第1の実施形態の気象情報処理装置の構成を表わす図である。 第1の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。 雨雲の発生および発達を説明するための図である。 氷相の地面からの距離と降水の種類を説明するための図である。 第2の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。 第3の実施形態の気象レーダシステムを構成するレーダの配置を表わす図である。 第3の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態の気象レーダシステムを構成するレーダの配置を表わす図である。
この気象レーダシステムは、2台の単一偏波ドップラレーダ1a,1bと、1台の二重偏波ドップラレーダ20と、気象情報処理装置50とを備える。
単一偏波ドップラレーダ1aと、単一偏波ドップラレーダ1bと、二重偏波ドップラレーダ20は、異なる地点に分散して配置される。これらのレーダ1a,1b,20は、小型であり、たとえばビルの屋上などの狭い場所に設置することが可能である。これらのレーダ1a,1b,20は同一直線上に配置されない。また、これらのレーダ1a,1b,20のアンテナは単一素子である。
単一偏波ドップラレーダ1a,1bおよび二重偏波ドップラレーダ20の検出距離は半径r1である。単一偏波ドップラレーダ1aの検出範囲と、単一偏波ドップラレーダ1aの検出範囲と、二重偏波ドップラレーダ20の検出範囲とが重複する領域ARが、雨雲の検出範囲である。
単一偏波ドップラレーダ1a,1bと、二重偏波ドップラレーダ20は、雨雲の位置および速度を検出するために用いられる。二重偏波ドップラレーダ20は、検出した雨雲の特性を検出するために用いられる。
単一偏波ドップラレーダ1a、単一偏波ドップラレーダ1b、二重偏波ドップラレーダ20は、有線または無線のネットワーク9a,9b,9cを通じて気象情報処理装置50と接続される。
図2は、単一偏波ドップラレーダ1aの構成を表わす図である。単一偏波ドップラレーダ1bの構成もこれと同様である。
図2に示すように、単一偏波ドップラレーダ1aは、平面アンテナ2と、アンテナ制御部3と、送受切替器4と、送信部5と、受信信号処理部6と、ネットワーク通信部7と、電源制御部8とを備える。
平面アンテナ2は、電波送信時および電波受信時において、方位角方向および仰角方向に鋭い指向性を有するペンシルビーム型のアンテナビームを形成する。このようにペンシルビームを用いたのは、本実施の形態では、特許文献3と異なり、単一偏波ドップラレーダ1aによって、雨雲の正確な位置を検出するためである。平面アンテナ2は、単一偏波の電波を送信および受信する。
アンテナ制御部3は、平面アンテナ2のCAPPI(Constant Altitude Plane Position Indicator)走査を制御する。CAPPI走査とは、複数の仰角で、平面アンテナ2を水平方向に回転させる方式である。図3は、平面アンテナ2のCAPPI走査を表わす図
である。図3に示すように、平面アンテナ2は、水平方向に一回転するごとに、仰角を変更させて、同様の回転走査を行なう。
送受切替器4は、送信時には送信部5からの信号を平面アンテナ2に出力し、受信時には平面アンテナ2からの信号を受信信号処理部6へ出力する。
送信部5は、マイクロ波またはミリ波の周波数帯の搬送波を用いて送信信号を生成して、平面アンテナ2へ送る。
受信信号処理部6は、平面アンテナ2からの受信信号を受けて、レーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を生成して、ネットワーク通信部7へ出力する。
ネットワーク通信部7は、気象情報処理装置50から電源制御に関する信号およびアンテナ制御に関する信号を受信する。ネットワーク通信部7は、レーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を気象情報処理装置50へ送信する。
電源制御部8は、気象情報処理装置50から低電力消費状態への移行を指示する信号を受信したときには、低消費電力状態へ移行する。電源制御部8は、気象情報処理装置50から通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信したときには、通常電力消費状態に移行する。低消費電力状態は、電力消費量が少ない状態である。低消費電力状態では、たとえば、各構成要素に通常よりも低速のクロックが供給され、通常よりも低い電源電圧が供給される。さらに、たとえば、気象情報処理装置50からの指示で電力を通常消費状態に復帰させるために必要な構成要素以外には、クロックおよび電源電圧を供給しないこととしてもよい。
図4は、二重偏波ドップラレーダ20の構成を表わす図である。
図4に示すように、二重偏波ドップラレーダ20は、パラボラアンテナ12と、アンテナ制御部13と、送受切替器14と、送信部15と、受信信号処理部16と、ネットワーク通信部17と、電源制御部18とを備える。
送信部15は、マイクロ波またはミリ波の周波数帯の搬送波を用いて送信信号を生成する。
送受切替器14は、送信時には送信部15からの信号をパラボラアンテナ12に出力し、受信時にはパラボラアンテナ12からの信号を受信信号処理部16へ出力する。
パラボラアンテナ12は、電波送信時および電波受信時において、方位角方向および仰角方向に鋭い指向性を有するペンシルビーム型のアンテナビームを形成する。パラボラアンテナ12は、水平偏波(電場が水平方向に振動する電波)と垂直偏波(電場が垂直方向に振動する電波)の2種類の電波を同時に送信および受信する。
アンテナ制御部13は、雨雲の検出時には、パラボラアンテナ12のCAPPI走査を制御し、雨雲の特性検出時には、パラボラアンテナ12のRHI走査を制御する。
受信信号処理部16は、水平偏波のレーダ反射因子、垂直偏波のレーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を生成して、ネットワーク通信部17へ出力する。
ネットワーク通信部17は、気象情報処理装置50からアンテナ制御に関する信号を受信する。ネットワーク通信部17は、水平偏波のレーダ反射因子、垂直偏波のレーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を気象情報処理装置50へ送信する。
電源制御部18は、気象情報処理装置50から低電力消費状態への移行を指示する信号を受信したときには、低消費電力状態へ移行する。電源制御部18は、気象情報処理装置50から通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信したときには、通常電力消費状態に移行する。
図5は、パラボラアンテナ12のCAPPI走査を表わす図である。パラボラアンテナ12は、水平方向に一回転するごとに、仰角を変更させて、同様の回転走査を行なう。
図6は、パラボラアンテナ12のRHI走査を表わす図である。パラボラアンテナ12は、仰角を変更させる走査を行なう。
図7(a)、(b)は、単一偏波ドップラレーダ1a,1bおよび二重偏波ドップラレーダ20のアンテナの走査範囲を説明するための図である。
図7(a)に示すように、レーダ1a,1b,20のCAPPI走査では、アンテナの方位角αが変化する。たとえば、方位角αの範囲は0≦α<360であり、方位角αは、Δα間隔で変化した後、もとの位置に戻る。
また、図7(b)に示すように、レーダ1a,1b,20のCAPPI走査およびレーダ20のRHI走査では、アンテナの仰角βが変化する。たとえば、仰角βの範囲はβS≦β≦βLであり、仰角βは、Δβ間隔で変化する。
図8は、第1の実施形態の気象情報処理装置の構成を表わす図である。図8に示される各機能ブロックは、CPU(Central Processing Unit)が予め記憶された気象情報処理プログラムを実行するによって実現されてもよく、あるいは専用の電子回路(ハードウェア)による演算処理によって実現されてもよい。
図8に示すように、この気象情報処理装置50は、ネットワーク通信部21と、レーダ制御部22と、雨雲検出部23と、雨雲特性検出部26と、降水予測部27とを備える。
レーダ制御部22は、単一偏波ドップラレーダ1a,1bおよび二重偏波ドップラレーダ20のアンテナの走査および電力消費を制御する信号を生成して、ネットワーク通信部21へ送る。
ネットワーク通信部21は、単一偏波ドップラレーダ1a,1bおよび二重偏波ドップラレーダ20へアンテナの走査および電力消費を制御する信号を送信する。
ネットワーク通信部21は、単一偏波ドップラレーダ1a,1bからレーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を受信する。ネットワーク通信部21は、二重偏波ドップラレーダ20から水平偏波のレーダ反射因子、垂直偏波のレーダ反射因子および動径方向の速度を表わす信号を受信する。
雨雲検出部23は、単一偏波ドップラレーダ1aおよび単一偏波ドップラレーダ1bのアンテナをCAPPI走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置および2次元速度を検出する。雨雲検出部23は、単一偏波ドップラレーダ1a、単一偏波ドップラレーダ1b、および二重偏波ドップラレーダ20のアンテナをCAPPI走査させて、各レーダから得られる動径方向の速度を合成することによって、雨雲の3次元速度を検出する。雨雲検出部23は、検出した雨雲の3次元速度を用いて、検出した雨雲を追尾する。
雨雲特性検出部26は、二重偏波ドップラレーダ20からの信号に基づいて、雨雲の特性を検出する。雨雲の特性は、たとえば、雨雲を構成する降水粒子の特性(降水粒子の種類および降水粒子の大きさ)および雨雲の鉛直方向の長さである。
降水予測部27は、検出された雨雲の位置、3次元速度および特性の少なくとも1つに基づいて降水を予測する。降水予測部27は、雨雲を構成する降水粒子の大きさおよび雨雲の鉛直方向の長さに基づいて、降水の発生を予測する。降水予測部27は、降水が発生する場合に、雨雲を構成する降水粒子の種類および降水粒子の地面からの距離に基づいて、降水の種類を予測する。また、降水予測部27は、雨雲を構成する降水粒子の地面からの距離および雨雲の3次元速度に基づいて、降水時刻および降水地点を予測する。
図9は、第1の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。図10は、雨雲の発生および発達を説明するための図である。
図10に示すように、発生した雨雲510aは、510bに示すように時間とともに上空へ移動し、その後、510cに示すように鉛直方向に発達するという特徴がある。図9に示す手順は、このような雨雲の発達のプロセスに着目したものである。
図9を参照して、ステップS101において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の低電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて低電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、低消費電力状態へ移行する。
ステップS102において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、2台の単一偏波ドップラレーダ1a,1bの平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9a,9bを通じて単一偏波ドップラレーダ1a,1bへ送信する。
単一偏波ドップラレーダ1aのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1aの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αa(i)(0≦αa(i)<360)、仰角βa(i)(βS≦βa(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離da(j)(j=1〜M,0<da(j)≦r1)についてのレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9aを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
同様に、単一偏波ドップラレーダ1bのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1bの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αb(i)(0≦αb(i)<360)、仰角βb(i)(βS≦βb(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離db(j)(j=1〜M,0<db(j)≦r1)でのレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9bを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏
波ドップラレーダ1aからレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号を受信し、単一偏波ドップラレーダ1bからレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、レーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))から降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))を算出し、レーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))から降雨強度Rb(αb(i),βb(i),db(j))を算出する。
ステップS103において、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図1に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図1に示す重複領域ARの中の単一偏波ドップラレーダ1aを中心とした(αa(i),βa(i),da(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。
また、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図1に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、降雨強度Rb(αb(i),βb(i),db(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図1に示す重複領域ARの中の単一偏波ドップラレーダ1bを中心とした(αb(i),βb(i),db(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。
雨雲を検出された場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))またはRb(αb(i),βb(i),db(j))が検出された場合に(ステップS103でYES)、処理がステップS104に進む。
雨雲が検出されなかった場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))またはRb(αb(i),βb(i),db(j))が検出されなかった場合に(ステップS103でNO)、処理がステップS102に戻る。
図10に示すように、雨雲510aが検出された場合には、ステップS104において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の通常電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、通常電力消費状態に移行する。
ステップS105において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20のパラボラアンテナ12をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。
二重偏波ドップラレーダ20のアンテナ制御部13は、ネットワーク通信部17を通じてパラボラアンテナ12をCAPPI走査させる信号を受信すると、パラボラアンテナ12のCAPPI走査を開始する。二重偏波ドップラレーダ20の受信信号処理部16は、時刻i=1〜Nについてのパラボラアンテナ12の回転角αc(i)(0≦αc(i)<360)、仰角βc(i)(βS≦βc(i)≦βL)における、パラボラアンテナ12からの距離dc(j)(j=1〜M,0<dc(j)≦r1)での水平偏波のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))、垂直方向のレーダ反射因子Zcv(αc(i),βc(i),dc(j))、および動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号をネットワーク通信部17およびネットワーク9c
を通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、二重偏波ドップラレーダ20から水平偏波のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))、垂直方向のレーダ反射因子Zcv(αc(i),βc(i),dc(j))と動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))とを表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、水平方向のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))から降雨強度Rc((αc(i),βc(i),dc(j))を算出する。
また、雨雲検出部23は、単一偏波ドップラレーダ1a,1bもCAPPI走査を継続しているので、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏波ドップラレーダ1aからレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号を受信し、単一偏波ドップラレーダ1bからレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。
雨雲検出部23は、ステップS103において降雨強度RaまたはRbが所定値以上となった位置における動径方向の速度Vaおよび動径方向の速度Vbから得られる雨雲の2次元速度を用いて雨雲の現在の位置を予測する。さらに、雨雲検出部23は、予測した現在の位置の動径方向の速度Va、動径方向の速度Vbおよび動径方向の速度Vcから得られる雨雲の3次元速度を用いて雨雲の将来の3次元の位置を予測する。雨雲検出部23は、次に単一偏波ドップラレーダ1a、単一偏波ドップラレーダ1b、または二重偏波ドップラレーダ20から信号を受信すると、予測した移動後の位置の近傍において、所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置があるかどうかを判定する。3次元速度を用いることによって、雨雲の水平方向の移動だけでなく、図10の510bに示すように、鉛直方向の移動に対しても追尾することができる。
雨雲検出部23は、上記のような雨雲の追尾処理、すなわち、3つのレーダ1a,1b,10をCAPPI走査させて雨雲の3次元速度を検出し、雨雲の3次元速度を利用して雨雲の位置を予測して、予測した近傍に所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置があるかどうかを探す処理を所定時間繰り返す。
所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置がある状態、すなわち雨雲が維持されている状態が所定時間継続した場合には(ステップS106でYES)、処理がステップS107に進み、雨雲が維持されている状態が所定時間継続しなかった場合には(ステップS106でNO)、処理がステップS101に戻る。
ステップS107において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20のアンテナを方位角αclにおいてRHI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。方位角αclは、ステップS105で得られた3次元速度を用いて予測される雨雲の移動後の位置に基づいて算出される。
二重偏波ドップラレーダ20のアンテナ制御部13は、ネットワーク通信部17を通じて、アンテナを固定の方位角αclにおいて、RHI走査させる信号を受信すると、パラボラアンテナ12をRHI走査させる。二重偏波ドップラレーダ20の受信信号処理部16は、時刻i=1〜Nについての、パラボラアンテナ12の固定の方位角αcl、仰角βc(i)(βS≦βc(i)≦βL)における、パラボラアンテナ12からの距離dc(
j)(j=1〜M,0<dc(j)≦r1)での水平偏波のレーダ反射因子Zch(αcl,βc(i),dc(j))および垂直偏波のレーダ反射因子Zcv(αcl,βc(i),dc(j))を表わす信号をネットワーク通信部17およびネットワーク9cを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲特性検出部26は、ネットワーク通信部21を通じて、二重偏波ドップラレーダ20から水平偏波のレーダ反射因子Zch(αcl,βc(i),dc(j))と垂直偏波のレーダ反射因子Zcv(αcl,βc(i),dc(j))とを表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。
雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zch(αcl,βc(i),dc(j))と垂直偏波のレーダ反射因子Zcv(αcl,βc(i),dc(j))に基づいて、位置(αcl,βc(i),dc(j))での雨雲を構成する降水粒子の特性および雨雲の鉛直方向の長さを判定する。
たとえば、雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zch、水平偏波のレーダ反射因子Zchと垂直偏波のレーダ反射因子Zcvの差または比、水平偏波のレーダ反射因子Zchと垂直偏波のレーダ反射因子Zcvの相関係数、および水平偏波のレーダ反射因子Zchの位相変化と垂直偏波のレーダ反射因子Zcvの位相変化の差の距離に対する変化率である伝搬位相差変化率に基づいて、位置(αcl,βc(i),dc(j))における降水粒子の特性を判定する。雨雲特性検出部26は、降水粒子の特性として、たとえば、降水粒子の大きさおよび降水粒子の種類を判定する。雨雲特性検出部26は、降水粒子の種類として、雨、霰、氷晶および雪片の4種類のうちのいずれであるかを判定する。また、雨雲特性検出部26は、位置(αcl,βc(i),dc(j))の降水粒子の種類が霰、氷晶または雪片の場合に、その位置が氷相であると判定する。また、雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zch(αcl,βc(i),dc(j))から降雨強度Rc(αcl,βc(i),dc(j))を算出する。雨雲特性検出部26は、鉛直方向に連続して、降雨強度Rc(αcl,βc(i),dc(j))が所定値以上となる領域を雨雲の鉛直方向の存在範囲であると判定し、その鉛直方向の存在範囲の長さを雨雲の鉛直方向の長さであると判定する。
ステップS109において、降水予測部27は、位置(αcl,βc(i),dc(j))(i=1〜N,j=1〜M)の降水粒子の大きさが所定値以上または雨雲の鉛直方向の長さが所定値以上の場合に、降水が発生すると予測し、所定値未満の場合には、降水が発生しないと予測する。図10の510cに示すように、雨雲が発達した場合には、雨雲の鉛直方向の長さが所定値以上となる。
降水が発生すると予測した場合には(ステップS109でYES)、処理がステップS110に進み、降水が発生しないと予測した場合には(ステップS109でNO)、処理がステップS105に戻る。
ステップS110において、降水予測部27は、降水の種類を予測する。すなわち、降水予測部27は、図11(a)に示すように、氷相の地面からの距離が所定値D以上の場合には、霰、氷晶および雪片が落下途中に雨に変わり、降雨が発生すると予測する。降水予測部27は、図11(b)に示すように、氷相の地面からの距離が所定値D未満の場合には、霰、氷晶および雪片がそのまま落下すると予測する。
また、降水予測部27は、氷相の地面からの距離と、降水粒子の落下速度に基づいて、降水時刻を予測する。
また、降水予測部27は、氷相の地面からの距離と、降水粒子の落下速度、雨雲の3次元速度に基づいて、降水地点を予測する。
以上のように、本実施の形態によれば、2台の単一偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の位置を検出し、2台の単一偏波ドップラレーダと二重偏波ドップラレーダを走査させて検出した雨雲の3次元速度を検出して雨雲を追尾する。さらに、二重偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の特性を検出する。したがって、安価かつ短時間に、雨雲の正確な位置を検出し、かつ雨雲の特性を検出することができる。
[第1の実施形態の変形例]
ステップS105において、雨雲検出部23は、ステップS103において降雨強度RaまたはRbが所定値以上となった位置における動径方向の速度Vaおよび動径方向の速度Vbから得られる雨雲の2次元速度を用いて雨雲の現在の位置を予測したが、雨雲の速度に対して、レーダ1a,1bの走査速度が速い場合には、動径方向の速度Vaおよび動径方向の速度Vbから得られる雨雲の2次元速度を用いなくても、雨雲の現在の位置を検出することができる。
すなわち、雨雲検出部23は、ステップS103において降雨強度RaまたはRbが所定値以上となった位置の動径方向の速度Va、動径方向の速度Vbおよび動径方向の速度Vcから得られる雨雲の3次元速度を用いて雨雲の将来の3次元的の位置を予測してもよい。
[第2の実施形態]
図12は、第2の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。
ステップS201において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の低電力消費状態への移行を指示する信号をおよび単一偏波ドップラレーダ1bの低電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9b,9cを通じて単一偏波ドップラレーダ1bおよび二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて低電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、低消費電力状態へ移行する。単一偏波ドップラレーダ1bの電源制御部8は、ネットワーク通信部7を通じて低電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、低消費電力状態へ移行する。
ステップS202において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、1台の単一偏波ドップラレーダ1aの平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9aを通じて単一偏波ドップラレーダ1aへ送信する。
単一偏波ドップラレーダ1aのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1aの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αa(i)(0≦αa(i)<360)、仰角βa(i)(βS≦βa(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離da(j)(j=1〜M,0<da(j)≦r1)についてのレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9aを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏
波ドップラレーダ1aからレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、レーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))から降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))を算出する。
ステップS203において、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図1に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図1に示す重複領域AR内の単一偏波ドップラレーダ1aを中心とした(αa(i),βa(i),da(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。
雨雲を検出された場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))が検出された場合に(ステップS203でYES)、処理がステップS204に進む。
雨雲が検出されなかった場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))が検出されなかった場合に(ステップS203でNO)、処理がステップS202に戻る。
図10に示すように、雨雲510aが検出された場合には、ステップS204において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の通常電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、通常電力消費状態に移行する。また、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、単一偏波ドップラレーダ1bの通常電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9bを通じて単一偏波ドップラレーダ1bへ送信する。単一偏波ドップラレーダ1bの電源制御部8は、ネットワーク通信部7を通じて通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、通常電力消費状態に移行する。
ステップS205において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20のパラボラアンテナ12をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9cを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。
また、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、1台の単一偏波ドップラレーダ1bの平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9bを通じて単一偏波ドップラレーダ1bへ送信する。
単一偏波ドップラレーダ1bのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1bの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αb(i)(0≦αb(i)<360)、仰角βb(i)(βS≦βb(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離db(j)(j=1〜M,0<db(j)≦r1)についてのレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9bを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
二重偏波ドップラレーダ20のアンテナ制御部13は、ネットワーク通信部17を通じてパラボラアンテナ12をCAPPI走査させる信号を受信すると、パラボラアンテナ1
2のCAPPI走査を開始する。二重偏波ドップラレーダ20の受信信号処理部16は、時刻i=1〜Nについてのパラボラアンテナ12の回転角αc(i)(0≦αc(i)<360)、仰角βc(i)(βS≦βc(i)≦βL)における、パラボラアンテナ12からの距離dc(j)(j=1〜M,0<dc(j)≦r1)での水平偏波のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))、垂直偏波のレーダ反射因子Zcv(αc(i),βc(i),dc(j))、および動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号をネットワーク通信部17およびネットワーク9cを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏波ドップラレーダ1bからレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、レーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))から降雨強度Rb(αb(i),βb(i),db(j))を算出する。
また、雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、二重偏波ドップラレーダ20から水平偏波のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))、垂直偏波のレーダ反射因子Zcv(αc(i),βc(i),dc(j))、および動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))とを表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、水平方向のレーダ反射因子Zch(αc(i),βc(i),dc(j))から降雨強度Rc((αc(i),βc(i),dc(j))を算出する。
また、雨雲検出部23は、単一偏波ドップラレーダ1aもCAPPI走査を継続しているので、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏波ドップラレーダ1aからレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。
雨雲検出部23は、ステップS303において降雨強度Raが所定値以上となった位置の動径方向の速度Va、動径方向の速度Vbおよび動径方向の速度Vcから得られる雨雲の3次元速度を用いて雨雲の将来の3次元の位置を予測する。
以降の処理は、第1の実施形態の処理と同様であるので説明を繰り返さない。
以上のように、本実施の形態によれば、1台の単一偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の位置を検出し、2台の単一偏波ドップラレーダと二重偏波ドップラレーダを走査させて検出した雨雲の3次元速度を検出して雨雲を追尾する。さらに、二重偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の特性を検出する。したがって、安価かつ短時間に、雨雲の正確な位置を検出し、かつ雨雲の特性を検出することができる。
[第3の実施形態]
図13は、第3の実施形態の気象レーダシステムを構成するレーダの配置を表わす図である。
図13に示すように、この気象レーダシステムは、3台の単一偏波ドップラレーダ1a,1b,1cと、1台の二重偏波ドップラレーダ20と、気象情報処理装置50とを備える。
単一偏波ドップラレーダ1aと、単一偏波ドップラレーダ1bと、単一偏波ドップラレ
ーダ1cと、二重偏波ドップラレーダ20は、異なる地点に分散して配置される。これらのレーダ1a,1b,1c,10は、小型であり、たとえばビルの屋上などの狭い場所に設置することが可能である。これらのレーダ1a,1b,1cは同一直線上に配置されない。また、これらのレーダ1a,1b,1c,20のアンテナは単一素子である。
単一偏波ドップラレーダ1a,1b,1cの検出距離は、半径r1であり、二重偏波ドップラレーダ20の検出距離は、半径r1である。単一偏波ドップラレーダ1a,1b,1cは、雨雲の位置を検出するために用いられ、二重偏波ドップラレーダ20は、検出した雨雲の特性を検出するために用いられる。
単一偏波ドップラレーダ1aの検出範囲と、単一偏波ドップラレーダ1aの検出範囲と、単一偏波ドップラレーダ1cの検出範囲と、二重偏波ドップラレーダ20が重複する領域ARが、雨雲の検出範囲である。
単一偏波ドップラレーダ1a、単一偏波ドップラレーダ1b、単一偏波ドップラレーダ1c、および二重偏波ドップラレーダ20は、有線または無線のネットワーク9a,9b,9c,9dを通じて気象情報処理装置50と接続される。
図14は、第3の実施形態の雨雲の検出および雨雲の特性検出の手順を表わす図である。
ステップS301において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の低電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9dを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて低電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、低消費電力状態へ移行する。
ステップS202において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、3台の単一偏波ドップラレーダ1a,1b、1cの平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9a,9b,9cを通じて単一偏波ドップラレーダ1a,1b,1cへ送信する。
単一偏波ドップラレーダ1aのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1aの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αa(i)(0≦αa(i)<360)、仰角βa(i)(βS≦βa(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離da(j)(j=1〜M,0<da(j)≦r1)についてのレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9aを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
同様に、単一偏波ドップラレーダ1bのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1bの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αb(i)(0≦αb(i)<360)、仰角βb(i)(βS≦βb(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離db(j)(j=1〜M,0<db(j)≦r1)でのレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9bを通じて気象情報
処理装置50へ送信する。
同様に、単一偏波ドップラレーダ1cのアンテナ制御部3は、ネットワーク通信部7を通じて平面アンテナ2をCAPPI走査させる信号を受信すると、平面アンテナ2のCAPPI走査を開始する。単一偏波ドップラレーダ1cの受信信号処理部6は、時刻i=1〜Nについての平面アンテナ2の回転角αc(i)(0≦αc(i)<360)、仰角βc(i)(βS≦βc(i)≦βL)における、平面アンテナ2からの距離dc(j)(j=1〜M,0<dc(j)≦r1)でのレーダ反射因子Zc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号および動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号をネットワーク通信部7およびネットワーク9cを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲検出部23は、ネットワーク通信部21を通じて、単一偏波ドップラレーダ1aからレーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号および動径方向の速度Va(αa(i),βa(i),da(j))を表わす信号を受信し、単一偏波ドップラレーダ1bからレーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号および動径方向の速度Vb(αb(i),βb(i),db(j))を表わす信号を受信し、単一偏波ドップラレーダ1cからレーダ反射因子Zc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号および動径方向の速度Vc(αc(i),βc(i),dc(j))を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。雨雲検出部23は、レーダ反射因子Za(αa(i),βa(i),da(j))から降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))を算出し、レーダ反射因子Zb(αb(i),βb(i),db(j))から降雨強度Rb(αb(i),βb(i),db(j))を算出し、レーダ反射因子Zc(αc(i),βc(i),dc(j))から降雨強度Rc(αc(i),βc(i),dc(j))を算出する。
ステップS303において、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図13に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、について、降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図13に示す重複領域AR内の単一偏波ドップラレーダ1aを中心とした(αa(i),βa(i),da(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。また、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図13に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、降雨強度Rb(αb(i),βb(i),db(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図13に示す重複領域AR内の単一偏波ドップラレーダ1bを中心とした(αb(i),βb(i),db(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。また、雨雲検出部23は、i=1〜N,j=1〜Mのうちの図13に示す重複領域ARに含まれるiおよびjについて、降雨強度Rc(αc(i),βc(i),dc(j))が所定値TH以上か否かを判定することによって、図13に示す重複領域AR内の単一偏波ドップラレーダ1cを中心とした(αc(i),βc(i),dc(j))で特定される位置に雨雲が存在するか否かを調べる。
雨雲を検出された場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))、Rb(αb(i),βb(i),db(j))、またはRc(αc(i),βc(i),dc(j))が検出された場合に(ステップS303でYES)、処理がステップS304に進む。
雨雲が検出されなかった場合、すなわち所定値TH以上となる降雨強度Ra(αa(i),βa(i),da(j))、Rb(αb(i),βb(i),db(j))、またはRc(αc(i),βc(i),dc(j))が検出されなかった場合に(ステップS303でNO)、処理がステップS302に戻る。
図10に示すように、雨雲510aが検出された場合には、ステップS304において、雨雲検出部23は、ステップS303において降雨強度Ra、RbまたはRcが所定値以上となった位置における動径方向の速度Va、動径方向の速度Vb、動径方向の速度Vcから得られる雨雲の3次元速度を用いて雨雲の現在の3次元位置を予測する。さらに、雨雲検出部23は、予測した現在の位置の動径方向の速度Va、動径方向の速度Vbおよび動径方向の速度Vcから得られる雨雲の3次元速度を用いて雨雲の将来の3次元の位置を予測する。
雨雲検出部23は、次に単一偏波ドップラレーダ1a、単一偏波ドップラレーダ1b、または単一偏波ドップラレーダ1cから信号を受信すると、予測した移動後の位置の近傍において、所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置があるかどうかを判定する。3次元速度を用いることによって、雨雲の水平方向の移動だけでなく、図10の510bに示すように、鉛直方向の移動に対しても追尾することができる。
雨雲検出部23は、上記のような雨雲の追尾処理、すなわち、3つのレーダ1a,1b,1cをCAPPI走査させて雨雲の3次元速度を検出し、雨雲の3次元速度を利用して雨雲の位置を予測して、予測した近傍に所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置があるかどうかを探す処理を所定時間繰り返す。
所定値以上となる降雨強度Ra、RbまたはRcとなる位置がある状態、すなわち雨雲が維持されている状態が所定時間継続した場合には(ステップS305でYES)、処理がステップS306に進み、雨雲が維持されている状態が所定時間継続しなかった場合には(ステップS305でNO)、処理がステップS301に戻る。
ステップS306において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20の通常電力消費状態への移行を指示する信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9dを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。二重偏波ドップラレーダ20の電源制御部18は、ネットワーク通信部17を通じて通常電力消費状態への移行を指示する信号を受信すると、通常電力消費状態に移行する。
ステップS307において、気象情報処理装置50のレーダ制御部22は、二重偏波ドップラレーダ20のアンテナを方位角αdlにおいてRHI走査させる信号をネットワーク通信部21およびネットワーク9dを通じて二重偏波ドップラレーダ20へ送信する。方位角αdlは、ステップS303で得られた3次元速度を用いて予想される雨雲の移動後の位置に基づいて算出される。
二重偏波ドップラレーダ20のアンテナ制御部13は、ネットワーク通信部17を通じてアンテナを固定の方位角αdlにおいて、RHI走査させる信号を受信すると、パラボラアンテナ12をRHI走査させる。二重偏波ドップラレーダ20の受信信号処理部16は、時刻i=1〜Nについての、パラボラアンテナ12の固定の方位角αdl、仰角βd(i)(βS≦βd(i)≦βL)における、パラボラアンテナ12からの距離dd(j)(j=1〜M,0<dd(j)≦r2)での水平偏波のレーダ反射因子Zdh(αdl,βd(i),dd(j))および垂直偏波のレーダ反射因子Zdv(αdl,βd(i),dd(j))を表わす信号をネットワーク通信部17およびネットワーク9dを通じて気象情報処理装置50へ送信する。
気象情報処理装置50の雨雲特性検出部26は、ネットワーク通信部21を通じて、二重偏波ドップラレーダ20から水平偏波のレーダ反射因子Zdh(αdl,βd(i),dd(j))と垂直偏波のレーダ反射因子Zdv(αdl,βd(i),dd(j))と
を表わす信号を受信する。ただし、i=1〜N、j=1〜Mである。
雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zdh(αdl,βd(i),dd(j))と垂直偏波のレーダ反射因子Zdv(αdl,βd(i),dd(j))に基づいて、位置(αdl,βd(i),dd(j))での雨雲を構成する降水粒子の特性および雨雲の鉛直方向の長さを検出する。
たとえば、雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zdh、水平偏波のレーダ反射因子Zdhと垂直偏波のレーダ反射因子Zdvの差または比、水平偏波のレーダ反射因子Zdhと垂直偏波のレーダ反射因子Zdvの相関係数、および水平偏波のレーダ反射因子Zdhの位相変化と垂直偏波のレーダ反射因子Zdvの位相変化の差の距離に対する変化率である伝搬位相差変化率に基づいて、位置(αdl,βd(i),dd(j))における降水粒子の特性を判定する。雨雲特性検出部26は、降水粒子の特性として、たとえば、降水粒子の大きさおよび降水粒子の種類を判定する。雨雲特性検出部26は、降水粒子の種類として、雨、霰、氷晶および雪片の4種類のうちのいずれであるかを判定する。
また、雨雲特性検出部26は、位置(αdl,βd(i),dd(j))の降水粒子の種類が霰、氷晶または雪片の場合に、その位置が氷相であると判定する。
また、雨雲特性検出部26は、水平偏波のレーダ反射因子Zch(αdl,βd(i),dd(j))から降雨強度Rd(αdl,βd(i),dd(j))を算出する。雨雲特性検出部26は、鉛直方向に連続して、降雨強度Rd(αdl,βd(i),dd(j))が所定値以上となる領域を雨雲の鉛直方向の存在範囲であると判定し、その鉛直方向の存在範囲の長さを雨雲の鉛直方向の長さであると判定する。
以降の処理は、第1の実施形態の処理と同様であるので説明を繰り返さない。
以上のように、本実施の形態によれば、3台の単一偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の位置を検出し、3台の単一偏波ドップラレーダを走査させて検出した雨雲の3次元速度を検出して雨雲を追尾する。さらに、二重偏波ドップラレーダを走査させて雨雲の特性を検出する。したがって、安価かつ短時間に、雨雲の正確な位置を検出し、かつ雨雲の特性を検出することができる。
(変形例)
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含む。
(1)第3の実施形態の二重偏波ドップラレーダ
本発明の第3の実施形態では、二重偏波のレーダがドップラレーダとして説明したが、これに限定するものではない。二重偏波のレーダは、速度を検出する機能を持たないレーダであってもよい。
(2)雨雲の検出
本発明の実施形態では、降雨強度が所定値以上の場合に雨雲が存在すると判断したが、これに限定するものではない。たとえば、降雨強度が所定値以上である連続した塊が存在する場合に、雨雲が存在すると判断することとしてもよい。
(3)雨雲の選別
本発明の実施形態において、複数の雨雲が検出された場合に、そのうちの降雨強度が最大の雨雲を追尾および特性を検出する雨雲として選別することとしてもよい。
あるいは、降水粒子の大きさが最大(すなわち、二重偏波ドップラレーダから得られる水平偏波のレーダ反射因子と垂直偏波のレーダ反射因子との比が最大)の雨雲が降水を発生しやすいという特徴を考慮して、雨雲検出部は、複数個の雨雲を検出された場合に、二重偏波ドップラレーダからの信号に基づいて、検出された雨雲を構成する降水粒子の大きさを検出し、検出した大きさに基づいて、降水可能性が最大の雨雲を追尾および特性を検出する雨雲として選別することとしてもよい。
(4)降水粒子の特性の判定
本発明の実施形態では、水平偏波のレーダ反射因子、垂直偏波のレーダ反射因子、水平偏波のレーダ反射因子と垂直偏波のレーダ反射因子の差または比、水平偏波のレーダ反射因子と垂直偏波のレーダ反射因子の相関係数、および伝搬位相差変化率を用いて、降水粒子の特性を判定したが、これに限定するものではない。これらのうちの一部のみを用いたり、あるいはその他の特徴量を用いて、降水粒子の特性を判定するものとしてもよい。
また、本発明の実施形態では、降水粒子の特性を判定するために二重偏波レーダを用いたが、これに限定するものではない。たとえば、円偏波レーダを用いて降水粒子の特性を判定することとしてもよい。また、本実施の形態では、降水粒子の特性として、降水粒子の大きさおよび降水粒子の種類を判定したが、これに限定するものではない。たとえば、降水粒子の形状も判定することとしてもよい。
(5)降水の予測
本発明の実施形態では、降水が発生すると予測した場合には、さらに降水の種類、降水時刻、および降水地点を予測したが、これに限定するものではない。上記のうち一部のみを予測するものとしてもよく、あるいはさらに降水量を予測するものとしてもよい。降水量は、たとえば降雨強度などから予測することができる。
(6)判定結果および予測結果
本発明の実施形態によって判定された雨雲の位置および降水粒子の特性、および予測された降水発生の有無、降水の種類、降水時刻、降水地点、降水量は、気象情報処理装置と接続され、監視員が視認できる位置に設置された表示装置に表示するものとしてもよい。また、予測結果は、河川の氾濫や土砂崩れなどの予測のために、防災情報システムへ送信するものとしてもよい。
(7)二重偏波ドップラレーダ
本発明の第1の実施形態では、1つの二重偏波ドップラレーダと、2つの単一偏波ドップラレーダを設けたが、これに限定するものではない。3つの二重偏波ドップラレーダを設けるものとしてもよい。
(8)気象情報処理装置の位置
本発明の実施形態では、気象情報処理装置は、二重偏波ドップラレーダまたは二重偏波ドップラレーダとネットワークを通じて接続されるものとしたが、これに限定するものではない。気象情報処理装置が、二重偏波ドップラレーダまたは二重偏波ドップラレーダと一体化されているものとしてもよい。
(9)レーダの受信信号処理部
本発明の実施形態では、各レーダ内の受信信号処理が、受信信号からレーダ反射因子および動径方向の速度を生成したが、これに限定するものではない。たとえば、気象情報処理装置側で受信信号からレーダ反射因子および動径方向の速度を算出することとしてもよい。
(10)3次元速度の利用
本発明の実施形態で得られた3次元速度は、たとえば以下のようにして、降水予測に用いることができる。隣接する複数の領域で3次元速度の向きが一致している場合には、それらの複数の領域で構成される雨雲が将来さらに発達する可能性が高いと予測し、隣接する複数の領域で3次元速度の向きが異なる場合には、それらの複数の領域で構成される雨雲が将来消失する可能性が高いと予測することとしてもよい。
(11)雨雲検出時のレーダの制御
本発明の第1の実施形態では、雨雲のサーチ時には、二重偏波ドップラレーダが低消費電力状態に設定され、2台の単一偏波ドップラレーダのアンテナをCAPPI走査させることにしたが、これに限定するものではない。1台の二重偏波ドップラレーダと2台の単一偏波ドップラレーダのアンテナをCAPPI走査させて、雨雲をサーチすることとしてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1a,1b,1c 単一偏波ドップラレーダ、2 平面アンテナ、3,13 アンテナ制御部、4,14 送受切替器、5,15 送信部、6,16 受信信号処理部、8,18 電源制御部、9a,9b,9c,9d ネットワーク、12 パラボラアンテナ、20 二重偏波ドップラレーダ、50 気象情報処理装置、7,17,21 ネットワーク通信部、22 レーダ制御部、23 雨雲検出部、26 雨雲特性検出部、27 降水予測部,510a,510b,510c 雨雲。

Claims (20)

  1. 異なる位置に配置された少なくとも第1、第2、および第3の3つのレーダからの信号に基づいて、雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する雨雲検出部と、
    前記3つのレーダと異なる1つのレーダまたは前記3つのレーダの中の1つのレーダからの信号に基づいて、前記検出された雨雲の特性を検出する雨雲特性検出部とを備える気象情報処理装置。
  2. 前記雨雲検出部は、前記検出された雨雲の3次元速度を利用して、前記検出された雨雲を追尾する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  3. 前記雨雲特性検出部は、前記第3のレーダからの信号に基づいて、前記検出された雨雲の特性を検出し、
    前記第1のレーダおよび前記第2のレーダは単一偏波レーダであり、
    前記第3のレーダは、二重偏波レーダである、請求項1記載の気象情報処理装置。
  4. 前記雨雲特性検出部は、前記3つのレーダと異なる第4のレーダからの信号に基づいて、前記検出された雨雲の特性を検出し、
    前記第4のレーダは、二重偏波レーダである、請求項1記載の気象情報処理装置。
  5. 前記雨雲検出部は、前記3つのレーダのアンテナをCAPPI方式で走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  6. 前記雨雲特性検出部は、前記雨雲の特性を検出するための信号を得るレーダのアンテナをRHI走査させて得られる信号に基づいて、雨雲の特性を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  7. 前記雨雲検出部は、前記第1のレーダおよび前記第2のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置を検出し、前記第1のレーダ、前記第2のレーダ、および前記第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる前記検出された雨雲の位置での速度成分を合成することによって、前記雨雲の3次元速度を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  8. 前記雨雲検出部は、前記第1のレーダおよび前記第2のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置および2次元速度を検出し、前記検出された雨雲の2次元速度に基づいて雨雲の移動後の位置を予測し、前記第1のレーダ、前記第2のレーダ、および前記第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる前記予測した雨雲の位置での速度成分を合成することによって、前記雨雲の3次元速度を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  9. 前記雨雲検出部は、前記第1のレーダのアンテナを走査させて得られる信号に基づいて雨雲の位置を検出し、前記第1のレーダ、前記第2のレーダおよび前記第3のレーダのアンテナを走査させて、各レーダで得られる前記検出された雨雲の位置での速度成分を合成することによって、前記雨雲の3次元速度を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  10. 前記気象情報処理装置は、さらに、
    前記第1のレーダおよび前記第2のレーダからの信号によって前記雨雲を検出するまでは、前記第3のレーダを低電力消費状態で動作させるレーダ制御部を備える、請求項7ま
    たは8記載の気象情報処理装置。
  11. 前記気象情報処理装置は、さらに、
    前記第1のレーダからの信号によって前記雨雲を検出するまでは、前記第2のレーダおよび前記第3のレーダを低電力消費状態で動作させるレーダ制御部を備える、請求項9記載の気象情報処理装置。
  12. 前記雨雲検出部は、複数個の雨雲を検出された場合に、前記3つのレーダのうちの1つのレーダからの信号に基づいて、前記検出された雨雲を構成する降水粒子の大きさを検出し、前記検出した大きさに基づいて、降水可能性が最大の雨雲を前記追尾する雨雲として選別する、請求項2記載の気象情報処理装置。
  13. 前記雨雲特性検出部は、前記検出された雨雲を構成する降水粒子の特性を検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  14. 前記雨雲特性検出部は、前記検出された雨雲の鉛直方向の長さを検出する、請求項1記載の気象情報処理装置。
  15. 前記気象情報処理装置は、さらに、
    前記検出された雨雲の位置、雨雲の3次元速度および雨雲の特性の少なくとも1つに基づいて、降水を予測する降水予測部を備える、請求項1記載の気象情報処理装置。
  16. 前記雨雲の特性は、前記雨雲を構成する降水粒子の大きさを含み、
    前記降水予測部は、前記雨雲を構成する降水粒子の大きさに基づいて、降水の発生を予測する、請求項15記載の気象情報処理装置。
  17. 前記降水予測部は、前記雨雲の鉛直方向の長さに基づいて、降水の発生を予測する、請求項15記載の気象情報処理装置。
  18. 異なる位置に配置された2つの単一偏波レーダと、1つの二重偏波レーダと、
    気象情報処理装置とを備え、
    前記気象情報処理装置は、
    前記2つの単一偏波レーダと前記1つの二重偏波レーダからの信号に基づいて、雨雲の位置と雨雲の3次元速度を検出する雨雲検出部と、
    前記二重偏波レーダからの信号に基づいて、前記検出された雨雲の特性を検出する雨雲特性検出部とを備える、気象レーダシステム。
  19. 前記3つのレーダは、電波の送信および受信時において、ペンシルビーム型のアンテナビームを形成する、請求項18記載の気象レーダシステム。
  20. 異なる位置に配置された3つのレーダのうちの少なくとも1つのアンテナをCAPPI走査させて得られる信号に基づいて、雨雲の位置を検出するステップと、
    前記3つのレーダのアンテナをCAPPI走査させて得られる信号に基づいて、前記検出した雨雲の3次元速度を検出するステップと、
    前記検出した雨雲の3次元速度を用いて、前記雨雲を追尾するステップと、
    前記3つのレーダと異なる1つのレーダまたは前記3つのレーダの中の1つのレーダのアンテナをRHI走査させて得られる信号に基づいて、前記検出された雨雲の特性を検出するステップとを備える、気象情報処理方法。
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