WO2025004425A1

WO2025004425A1 - 気象レーダ装置

Info

Publication number: WO2025004425A1
Application number: PCT/JP2024/003142
Authority: WO
Inventors: 前坂剛; 亀山渉; 笠井裕之; 爲末和彦; 佐藤拓朗; 文鄭; 藤井秀彦; 渡辺尚史; 奥脇尚哉; 末田八郎; 青山靖; 鈴木洋介
Original assignee: Waseda University; Keycom Corp; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED)
Current assignee: Waseda University; Keycom Corp; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED)
Priority date: 2023-06-28
Filing date: 2024-01-31
Publication date: 2025-01-02
Anticipated expiration: 2025-12-28

Abstract

課題：降水発生前の雲または積雲に含まれる雲水量や水蒸気量の多い場所の分布等を適時・適切に観測して、早急な災害対応を行うことができる気象レーダ装置を提供すること。解決手段：気象レーダ装置１０は、雲に対してレイリー散乱が発生し、かつ、雲および水蒸気の少なくとも一つによる減衰特性が異なる複数周波数の電波を生成する送信部１２と、生成した複数周波数の電波を送信し雲からの反射波を受信して受信波として出力するアンテナ１１と、受信波を入力して電気的に処理し受信信号を出力する受信部１３と、受信信号の信号処理を行う信号処理部１４と、信号処理部１４からのデジタル信号を入力して雲水量および水蒸気量の多い場所の分布を求める気象パラメータ推定部１５と、を備える。複数周波数は、１２０GHｚ未満および１２０GHｚ以上の二つの周波数とすることができる。

Description

気象レーダ装置

　本発明は、雲や水蒸気等を観測する気象レーダ装置に関する。

　近年の気候変動の研究によれば、大雨の頻度や、総降水量に占める大雨による降水量の割合は増加する可能性が高いと評価されている。また、近年、現在の技術では予測が難しい局所的・突発的・散発的な大雨が頻繁に発生しており、いわゆる「線状降水帯」や「ゲリラ豪雨」の発生が盛んに報じられている。

　このような過去に起こってきた気象現象とは大きく異なる気象現象である極端気象に対する防災対策を行うため、雨が降り出しそうな場所を特定し、その周辺をレーダで観測することによって雨のでき始め（ファーストエコー）をより早く検出する技術が提案されている。

　例えば、特許文献１では、回転して周囲に電波を発射して、該電波の反射波を受信して降雨状況を検出する気象レーダを制御する気象レーダ制御装置であって、大気の水蒸気量に相当する情報に基づいて降雨を予測する予測手段と、前記予測手段が前記降雨を予測した場合に、該予測の結果に基づいて前記気象レーダに前記電波を発射させる制御手段と、を備え、前記予測手段は、ＧＰＳ信号の大気中の遅延量に基づいて前記大気の水蒸気量に相当する情報を求める気象レーダ制御装置、が開示されている。

　また、特許文献２では、大気中に含まれる水蒸気の量を算出する水蒸気観測装置であって、互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部と、前記水蒸気を通過した前記送信波が地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を受信波として受波する受波部と、前記第１送信波から得られる前記受信波としての第１受信波、から生成される第１受信情報と、前記第２送信波から得られる前記受信波としての第２受信波、から生成される第２受信情報とに基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する算出処理部と、を備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置、が開示されている。

国際公開第２０１６／０３５４９６号国際公開第２０１７／０１８０６２号

　しかしながら、特許文献１の気象レーダ制御装置は、ＧＰＳの電波から水蒸気量の大きな領域を検出し、通常の気象レーダの領域を集中観測することで降水の早期検出を目的としているため、降水が形成される前の雲の状態を観測することができない。さらに、特許文献１では、ＧＰＳを用いて観測しているため、水蒸気量の鉛直積算量を求めることはできるが、雲の存在場所の分布、そしてまた雲の広がりの状況、特に雲の鉛直方向（高さ方向）の広がりを観測することはできない。

　また、特許文献２の水蒸気観測装置は、地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を受信波として受波するため、雲が発生する上空の雲水量や水蒸気量を観測することができない。

　したがって、特許文献１および特許文献２の技術では、降水発生前の雲または積雲に含まれる雲水量や水蒸気量の多い場所の分布を適時・適切に観測することができない可能性がある。

　そこで、本発明では、前記課題に鑑みてなされ、降水発生前の雲または積雲に含まれる雲水量や水蒸気量の多い場所の分布等を適時・適切に観測して、早急な災害対応を行うことができる気象レーダ装置を提供することを主目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明に係る気象レーダ装置は、雲に対してレイリー散乱が発生し、かつ、雲よび水蒸気の少なくとも一つによる減衰特性が異なる複数周波数の電波を生成する送信部と、生成した前記複数周波数の電波を送信し雲からの反射波を受信して受信波を出力するアンテナと、前記受信波を入力して電気的に処理し受信信号を出力する受信部と、前記受信信号を入力してその信号をデジタルデータに変換し記憶装置に格納する信号処理を行う信号処理部と、信号処理部に格納されたデジタルデータを用いて降水発生前の雲、特に積雲に含まれる雲水量や水蒸気量の場所の分布等の情報を得る気象パラメータ推定部と、を備える。前記複数周波数は、１２０GHｚ未満および１２０GHｚ以上の二つの周波数とすることができる。また、前記複数周波数は、１３０GHｚから１８０GHｚの範囲内の二つの周波数とすることもできる。

　本発明に係る気象レーダ装置によれば、降水発生前の雲または積雲に含まれる雲水量や水蒸気量の多い場所の分布等を適時・適切に観測して、早急な災害対応を行うことができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしもこの範囲に限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る電波の周波数と酸素または水蒸気による単位距離当たりの減衰量との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る雲水による単位距離当たりの減衰量と雲水量との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る、水蒸気による単位距離当たりの減衰量と水蒸気量（相対湿度）との関係を示すグラフである。

　以下、本発明を実施するための好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が限定されることはなく、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形、および変更が可能である。

　図１から図５を参照して、本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置について説明する。

＜１－１．気象レーダ装置の構成＞
　まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置１０について説明する。図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置１０の典型的な構成と構造を示す概略図である。図２は、気象レーダ装置１０の構成を示すブロック図である。

　図１に示すように、気象レーダ装置１０は、１２０GHz未満の周波数である９４GHzと１２０GHz以上の周波数である１５０GHzの二つの周波数の電波を送信するアンテナと、当該二つの周波数の反射波を受信するもう一つのアンテナを有する。そして、水平面内である回転速度でアンテナの向きを３６０度回転させる機構と、鉛直面内でアンテナの向き所定の角度上下に回転させる機構を有し、アンテナから送信される電波が所要の全空間をカバーできるようにしている。

　そして、１２０GHz未満や１２０GHz以上の周波数などの複数周波数の電波を前記の水平面内および鉛直面内でのアンテナ回転機構により気象レーダ装置上空の全方向に向けて送信し、水粒子を含む雲などの標的Ｃからの反射波を受信して、標的Ｃおよび気象レーダ装置１０と標的Ｃとの間の電波の伝搬経路に存在する雲水量や水蒸気量を含む水分量の分布状態に対応する電波の減衰量等を観測するものである。

　ここで、一般的にレーダ装置における反射波とは、ある物体に向かってレーダ装置から送信された電波がその物体により反射されて当該レーダ装置に向かって逆向きに伝搬する電波をいう。当該物体とは、レーダ装置から送信された電波が伝搬する大気とは電気的性質の異なる物質により構成されたものであって、当該物体による反射には個々の物体の性質により種々の要因あるいは物理的な過程が存在する。気象レーダ装置１０に関しては、特にある一定空間内に分布する大小多数の水粒子あるいは氷粒子（「水粒子等」と総称）の集合、すなわち雲や降雨などが前記物体に該当し、当該水粒子等の集合により気象レーダ装置１０から送信された電波が（レイリー）散乱されることがその要因の一つである。当該散乱された電波は散乱波と称するが、散乱波のうち気象レーダ装置のアンテナ方向に散乱した電波が反射波となる。

　さらに、受信波とは、アンテナにより捕捉され受信された反射波をいう。そして、受信波には、電波の伝搬経路上における雲や水蒸気を含む大気による電波の減衰の影響も含まれる。

　なお、雲水や水蒸気はある範囲の空間全体に分布しており、その量と周波数に応じて電波が減衰するので、二つの周波数における雲および水蒸気による減衰量の比を計測することにより、気象レーダ装置１０から標的Ｃである雲までの間の雲水量の分布あるいは雲水量および水蒸気量の多い場所の分布状態を推定できる。雲水量および水蒸気量の多い場所は、雲水から雨水に変わる可能性のある場所であって、雲水量が雲水から雨水に変る閾値以上になる場所のことをいう。この雲水量の閾値は後述するように過去の論文等を参考にして決めることができ、この雲水量の閾値を後述するように雲中の単位距離当たりの減衰量の比の閾値に換算することができる。

　複数周波数は、任意の二つの周波数であってもよく、三つ以上の周波数であってもよい。選択される周波数は，想定する雲についてレイリー散乱のメカニズムが十分に成り立つ周波数であり，後述するように酸素および水蒸気による吸収がピークになる周波数帯（具体的には、前者は約１２０GHz、後者は約１８５GHz）以外の周波数であり，想定する雲および水蒸気の少なくとも一つに対して減衰特性が異なる周波数である必要がある。

　ここで、散乱がレイリー散乱である場合、受信電力からレーダ反射因子という散乱粒子の粒径の6乗に比例する物理量を計算することができ、この物理量は周波数に依存しない。しかし、実際の受信波の受信電力より計算したレーダ反射因子（「観測されるレーダ反射因子」）は、電波の伝搬経路上で電波が減衰した分だけ値が減小している。そのため、電波の強度をレーダ反射因子に換算した場合、二周波それぞれで観測されるレーダ反射因子の比を計算すると散乱の効果はキャンセルされ、電波の減衰量の二周波比を取り出すことが可能になる。

　２つの周波数の場合、例えば、１２０GHz未満の９４GHz帯の電波と、１２０GHz以上の１５０GHzまたは１７０GHz帯の電波を利用することができる。なお、気象レーダ装置１０では、電波の高周波数化および周波数有効利用の観点から、高周波数帯である１２０GHz未満の電波は、94.1GHz～95GHz帯の周波数を利用することができ、従来レーダとして利用されていなかった１２０GHz以上の電波は、141GHz～148.5GHz帯の周波数を利用することができる。なお、１２０GHz未満の電波および１２０GHz以上の電波の周波数帯域は、上記に限らず他の範囲であってもよい。また、１２０GHz以上の周波数帯、例えば１３０GHzから１８０GHz帯から二つの周波数を選んでもよい。

　さらに、約１２０GHzと約１８５GHzを避ければ、例えば、９４GHz、１５０GHz、１７０GHzなどの三つ以上の周波数を用いることができる。三つ以上の周波数を用いる場合、その中から二つの周波数の組合せを複数組選択して使用することができる。例えば、上記の９４GHz、１５０GHz、および１７０GHzの三つの周波数を用いる場合、９４GHzおよび１５０GHzの比から雲水量と水蒸気量の多い場所を求め、別途９４GHzおよび１７０GHzの比から雲水量と水蒸気量の多い場所を求めて、それらの平均的な分布を求めることにより、より精度の高い雲水量と水蒸気量の多い場所の分布を求めることが可能となる。

　図２に示すように、気象レーダ装置１０は、アンテナ１１、送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、制御部１５、表示部１６、および操作部１７等を備えている。

　アンテナ１１は、送信部１２等で生成した複数周波数の電波を、標的Ｃを含む全方向に向けて送信し、標的Ｃからの反射波を受信して受信波として出力する。アンテナ１１は、送信部１２等で生成した複数周波数の電波を送信し、雲からの散乱に加え、電波の伝搬経路上における雲水および水蒸気を含む大気による減衰の影響を受けた電波を受信することもできる。

　アンテナ１１は、例えば、送信用アンテナと受信用アンテナの２つを１セットとした複数のアンテナで構成され、すでに述べたように送信用アンテナと受信用アンテナとを同期して回転させて様々な方向の標的Ｃに向けて電波を送信し、雲からの反射波を受信することができる。

　アンテナ１１は、単一周波数の電波を送信または受信するものであってもよく、複数周波数の電波を送信または受信するものであってもよい。また、アンテナ１１は、送信および受信の両方の機能を有する１つのアンテナで構成されていてもよく、この場合も、単一周波数の電波を送信または受信するものであってもよく、複数周波数の電波を送信または受信するものであってもよい。

　送信部１２は、雲に対してレイリー散乱が発生し、かつ、雲および水蒸気の少なくとも一つによる減衰特性が異なる複数周波数の電波を生成してアンテナ１１に入力する。

　受信部１３は、アンテナ１１による受信波を入力して電気的に処理し受信信号を出力する。なお、送信部１２および受信部１３を、送受信部として一つの構成としてもよい。

　信号処理部１４は、電波を生成する信号を送信部１２に向けて出力するとともに、受信信号の信号処理を行う。信号処理部１４は、例えば、１２０GHz未満および１２０GHz以上の周波数を含む二つまたは三つ以上の複数周波数の電波を生成する信号を送信部１２に入力する。

　制御部１５は、信号処理部１４で生成および処理する信号や外部機器の信号等の制御を行う。制御部１５は、気象パラメータ推定部１８を備えることができる。

　気象パラメータ推定部１８は、信号処理部１４中の記憶装置から所定のデジタル信号を取得し、複数周波数の電波の雲による反射波の強度（「レーダ反射因子」に比例）、および、それらの比を計算し、送信された電波あるいは反射波の伝搬経路における同一点の減衰特性（減衰量の周波数による差異等）を分析することにより電波の経路上の雲および水蒸気の状態を推定する。気象パラメータ推定部１８は、複数周波数の電波のうち、任意の二周波による受信波を基に計算される「観測されるレーダ反射因子」の比によって得られる、電波の伝搬経路における電波の減衰量の二周波比から、電波の伝搬経路上の雲水および水蒸気の多い場所の分布状態を推定することもできる。なお、気象レーダ装置１０が観測に利用する標的Ｃとしての散乱体は、例えば、雲、特に積雲、さらには雲の一形態である霧である。

　また、制御部１５は、気象パラメータ推定部１８で推定された雲および水蒸気の少なくとも一つの情報から、雨の降り始める時間と降水量を予測する気象予測部１９を備えることができる。

　なお、気象パラメータ推定部１８および気象予測部１９は、その機能を実現できれば制御部１５内に備えられる場合に限らず、気象レーダ装置１０内の制御部１５内以外の部分に設けることもできる。

　表示部１６は、信号処理部１４から出力される映像信号や接続された各種センサの情報等をユーザが視認できるように表示する。例えば、気象レーダ装置１０がカバーする全空間の雲水量および水蒸気量の多い場所の分布をアンテナ１１の回転に同期させて表示することができる。操作部１７は、ユーザが気象レーダ装置１０の各種機能を操作するためのインターフェースである。

＜１－２．気象レーダ装置の動作＞
　次に、図１および図２を参照して、気象レーダ装置１０の動作の一例について説明する。

　ここで、本実施形態で取り扱う電波の減衰は、水蒸気に対しては水蒸気自身の吸収による効果によるもので、雲に対しては吸収と散乱を合わせた効果によるものである。ここでの散乱は、連続的に分布する水粒子の集合体からの散乱のことを示す。自由空間伝搬損失以外の電波の減衰は、大気と雲による減衰であり、大気による減衰は、酸素による吸収帯以外の周波数では、ほとんどが水蒸気によるものである。

　まず、操作部１７から制御部１５を介して、信号処理部１４に電波を生成するトリガー信号を送信する指示を行う。指示を受けた信号処理部１４は、トリガー信号を送信部１２に送信し、トリガー信号を受信した送信部１２は、例えば９４GHz帯の電波、および１５０GHz帯の電波を発生させる。

　発生した９４GHz帯の電波、および１５０GHz帯の電波は、アンテナ１１に送られ、送信用アンテナ１１から標的Ｃに向けて同一方向へ送信される。

　送信された９４GHz帯の電波、および１５０GHz帯の電波は、大気中を標的Ｃに向かって伝搬し、標的Ｃからの反射波がアンテナ１１まで返ってきて、アンテナ１１の受信用アンテナで当該反射波を受信する。すでに説明しているように、アンテナ１１と標的Ｃの間を電波が往復する際に、その間に存在する雲水および水蒸気の量に応じて反射波の強度は減衰する。この減衰量は周波数に依存する。

　アンテナ１１で受信された９４GHz帯の受信波、および１５０GHz帯の受信波は、受信部１３で電気的に処理されて受信信号が生成され、当該受信信号が信号処理部１４で信号処理され、デジタル信号として制御部１５に送り込まれる。

　制御部１５内の気象パラメータ推定部１８は、前記デジタル信号を用いて、ある高度における水平面内の雲の広がりや存在位置の分布、またある方位における鉛直面内の雲あるいは積雲の広がりなどの情報を求め、これらの情報を基にそういった雲や積雲を標的Ｃとして求められる複数周波数の内の二周波数における観測されるレーダ反射因子の比、すなわち二周波数における標的Ｃと気象レーダ装置間の電波の減衰量の比を計算し、その比を分析することにより、雲水や水蒸気の多い場所の分布を測定する。

　制御部１５内の気象予測部１９は、気象パラメータ推定部１８で求められた雲水および水蒸気の多い場所の分布といった情報から、雨の降り始める時間と降水量を予測する。

　信号処理部１４からデジタル信号として制御部１５に送り込まれた反射波の強度データは、表示部１６に表示するための映像に変換され、ユーザが見やすい波形で表示部１６に表示される。また、パラメータ推定部１８が出力する雲や水蒸気の多い場所の空間分布も同様に表示部１６に表示することができる。

　ここで、気象予測に関しては局地的大雨、集中豪雨や突風（竜巻、ダウンバースト）、降雹や落雷といった極端気象は、発達した積乱雲（雨や雪、雹、霰といった落下する水物質（以下「降水」という。）を含む塔状の雲）から発生する。これらの極端気象を予測するためには、積乱雲をできるだけ早く、できるだけ正確に予測することが必要である。

　また、積乱雲は積雲（降水を含まない塔状の雲）から発達して形成される。積雲は日射や地形、地表付近の風の収束により発生した上昇気流により水蒸気が凝結し（微小水滴、すなわち雲粒の発生）、その凝結により発生した潜熱により上昇気流がより強化されるという正のフィードバックにより形成される。この過程により発生した雲粒がお互いに衝突・併合を繰り返して大きくなることにより雨滴が形成される。

　このことから、積乱雲の予測において、積乱雲発生前の水蒸気量（積乱雲の発達度を決定する重要なパラメータ）、積雲（積乱雲発生のトリガー情報）の分布を知ることは非常に重要であると考えられる。

　従来の気象レーダ装置は、降水を含む積乱雲の観測は可能であるが、積乱雲へ成長する前の積雲（降水を含まない雲）は観測することができない。それは、雲粒の粒径（数十マイクロメートル程度）が降水の粒径（数ミリメートル程度）より小さく、また、電波の散乱強度は粒径の６乗に比例するため、雲からの電波散乱が従来の気象レーダ装置の最小受信感度を下回るためである。

　また、雲粒は水蒸気の凝結により発生するが、水蒸気の分布を安定的に測定可能なリモートセンシング手法は極めて少なく、実用には至っていない。

　現状、降水の短時間予測手法には「ナウキャスト（これまでの降水の移動に基づく外挿予測）」と「雲解像数値シミュレーション」の２つがあるが、いずれも、予測の基盤となる情報は、積乱雲の観測情報である。雲解像数値シミュレーションでは積乱雲の発生・発達を計算することが可能であるが、積乱雲の発生のトリガー情報（いつ・どこに積雲が発生したか）がないと積乱雲の発生位置の予測が難しく、また、積乱雲がどの程度まで発達するかの予測には、雲周辺の水蒸気量の情報が重要である。

　しかしながら、現状、積雲と水蒸気の実用的なリモートセンシングは確立していないため、積乱雲の予測においては位置ずれと発達強度の誤差が大きな問題となっている。このため、積乱雲の予測を開始できるタイミングが降水発生後となり、また、積乱雲の発達度を支配する水蒸気の情報を与えることができないため、社会的ニーズに充分に応えることができていない状況となっている。

　以上を踏まえると、降雨が発生する前に積乱雲の位置・強度を高精度に予測し、その予測リードタイムを伸ばすことにより早急かつ積極的な災害対応をとることができるよう、降水発生前の積雲や水蒸気を適時・適切に観測し、これらの情報を適切に同化した予測を行うことが課題となる。

　このような気象観測や気象予測の対象および気象観測センサに係る課題を解決するため、気象レーダ装置１０は、１２０GHz未満および１２０GHz以上の二つの周波数の電波を用いて、周波数によって雲や水蒸気の電波の減衰が異なる特性を利用し、雲や水蒸気の多い場所を観測する。

　具体的には、気象レーダ装置１０は、９４GHz帯（94.1GHz～95GHz）、および、レーダ受信感度の値から許容しうる減衰量と所望の測定距離が両立しうる１５０GHz帯（141GHz～148.5GHz）または１７０GHzの二周波数で降水発生前の水蒸気や雲を観測し、より精度の高い観測を実現する。

　ここで、９４GHz帯および１５０ＧHz帯等の周波数の電波を発生する機能については、コスト削減の観点から、レーダ方式を周波数連続変調（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）タイプとすることができる。

　また、気象レーダ装置１０は、観測されるレーダ反射因子の精度が重要になることから、気象レーダ装置の諸元を基にしたレーダのキャリブレーションを行い、それぞれの観測されるレーダ反射因子の値を精度よく観測できるようにしている。

＜１－３．減衰量＞
　図３を参照して、酸素または水蒸気による減衰量について説明する。図３は、気圧1,000hPa、気温２０℃，相対湿度８０％の大気を通過するある周波数の電波と酸素または水蒸気による単位距離当たりの減衰量（理論計算値）との関係を示すグラフである。

　図３では、グラフの横軸は電波の周波数GHzを表し、グラフの縦軸は単位距離当たりの減衰量ｄＢ／ｋｍを表している。大気による減衰は酸素（破線）と水蒸気（一点鎖線）による減衰からなり、その合計を実線で示している。なお、計算にはＭＰＭ（Millimeter-wave Propagation Model, Liebe et al. 1993）を用いた。

　図３に示すように、周波数が約２０GHzと約１８５GHzで水蒸気による減衰量が大きくなり、周波数が約６０GHzと約１２０GHzで酸素による減衰量が大きくなっている。そこで、従来レーダとして利用されていなかった周波数帯域であって、酸素による減衰量が大きくなる周波数帯を避けるため、１２０GHz未満の電波と１２０GHz以上の電波を使用するのが望ましい。また、１２０GHz付近および１８５GHz付近を避けて、周波数変化に対する水蒸気による減衰量の変化が大きい範囲である１３０GHzから１８０GHzの範囲内の電波を使用することもできる。

　次に、図４および図５を参照して、雲水量および水蒸気量による減衰量（前記文献による理論計算値）について説明する。図４は、気温20℃における、雲水量と単位距離当たりの減衰量との関係を示すグラフである。図５は、気圧1000hpaで気温20℃における、相対湿度と単位距離当たりの減衰量との関係を示すグラフである。図４および図５では、一例として、１２０GHz未満である９４GHz帯の周波数の電波と、１３０GHzから１８０GHzの範囲内である１５０GHzおよび１７０GHz帯の周波数の電波のグラフを示している。

　図４に示すように、グラフの横軸は雲水量ｇ／ｍ３を表し、グラフの縦軸は単位距離当たりの減衰量ｄＢ／ｋｍを表している。図５に示すように、グラフの横軸は相対湿度％を表し、グラフの縦軸は単位距離当たりの減衰量ｄＢ／ｋｍを表している。

　雲水による減衰量は、大気中を電波が通過するとき、送信した電波に対して標的Ｃ（前記雲水を含む雲）に到達した電波が、電波の伝搬経路上の雲水によってどれだけ減衰しているかを示す量である。この雲水による減衰量は、電波の伝搬経路上の雲水量の分布から図４により求められる単位距離当たりの減衰量を雲水の存在区間にわたって積分したものに相当し、実際には標的Ｃである雲中の往復の経路を考慮する。

　同様に、水蒸気による減衰量は、大気中を電波が通過するとき、送信した電波に対して標的Ｃに到達した電波が、電波の伝搬経路上の水蒸気によってどれだけ減衰しているかを示す量である。この水蒸気による減衰量は、電波の伝搬経路上の水蒸気量から図５により求められる単位距離当たりの減衰量を電波の伝搬区間にわたって積分したものに相当し、実際には標的Ｃまでの往復の経路を考慮する。

　まず、気象レーダ装置１０で観測されるのは、受信波によって「観測されるレーダ反射因子」（真のレーダ反射因子から電波減衰の分だけ値が減少したもの）である。そこで、選択した二つの周波数のどちらでもレイリー散乱が十分に成り立つならば、二つの周波数で真のレーダ反射因子は同じ値になるため、二つの周波数で観測されたレーダ反射因子の比を取ると、真のレーダ反射因子は相殺され、二つの周波数の減衰量の比を求めることができる。

　そして、気象レーダ装置１０と標的Ｃとの間の電波伝搬経路上の「二つの周波数の減衰量の比」の距離に対する分布を雲中の電波伝搬区間において距離微分を計算すると、「二つの周波数の単位距離当たりの減衰量の比」の雲中の電波伝搬区間における距離分布を求めることができる。

　図４に示すように、適切な周波数を選択すると、二つの周波数の単位距離あたりの減衰量の比は雲水量に対して単調に増加する。このことから、前記の方法で単位距離当たりの減衰量の比（dB差）を求められれば、図４の関係を用いて標的Ｃである雲中の雲水量を求めることができる。

　さらに、図５に示すように、二つの周波数の単位距離あたりの減衰量の比（dB差）は、水蒸気量に対しても増加するため、図４と同様に、単位距離当たりの減衰量の比（dB差）から標的Ｃである雲中の水蒸気量を求めることができる。

　ここで、「二つの周波数の単位距離当たりの減衰量の比（dB差）」が大きいということは、水蒸気も雲水も多いところなので、乱雲発生のおそれがある。そこで、気象レーダ装置１０では、単位距離当たりの減衰量の比に対してある適切な閾値を設定することにより、「二つの周波数の単位距離当たりの減衰量の比（dB差）」から積乱雲の発生と発達を予測することができる。

　周波数の有効利用のため従来ほとんど使われてなかった１５０GHz帯の周波数を利用し、９４GHz帯の周波数の電波と１５０GHz帯の周波数の電波とを同期運用し、二周波の電波を用いて、大気中の雲水量および水蒸気量による減衰量の比を観測し、当該空間の雲水および水蒸気の多い場所を推測するに足るデータを得る。１５０GHz帯は、９４GHzとは適度に減衰量が異なり、また極端に減衰量が大きくない周波数であるために利用している。さらに、上述の通り、１２０GHz付近および１８５GHz付近を避けた１３０GHzから１８０GHzの範囲内の二つまたは三つ以上の周波数の電波を用いて、大気中の雲水量および水蒸気量による減衰量の比（ｄB差）を観測し、当該空間の雲水量および水蒸気量の多い場所を推測するに足るデータを得ることもできる。

　雲水量と水蒸気量の多い場所を推測するための、単位距離当たりの減衰量の閾値の具体的な求め方について説明する。まず、雲の中で雨が形成されるためには、雲水量がある程度大きくなる必要がある。また、雲の中では水蒸気は飽和状態であるため、相対湿度は100％であると仮定できる。

　そして、雲水から雨水への変換が発生する雲水量の閾値はいくつかの研究が知られているが、例えば、Kessler (1969) の研究によれば、雲水量の閾値は、１．０g/m３程度である。図４に示す雲水量と各周波数の単位距離当たりの減衰量との関係図から、１．０g/m３における二周波の単位距離当たりの減衰量の比を求めることができる。例えば、９４GHzと１５０GHzの二周波の場合、単位距離当たりの減衰量の比は、およそ５．８dB/kmとなる。
参考文献：Kessler, E., On distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations. Meteorological Monographs 10: pp1-84. 1969.

　一方，図５に示す、ある気圧・気温における相対湿度と単位距離当たりの減衰量の関係図から、相対湿度100％に対する二周波の単位距離当たりの減衰量の比を求めることができる。例えば、９４GHzと１５０GHzの二周波の場合、単位距離当たりの減衰量の比は、およそ２．２dB/kmとなる。なお、このとき、レーダの標的地点の気圧・気温の情報が必要となるが、上空の気圧・気温は、気候値、近隣のラジオゾンデ観測結果、気象庁などが提供する数値気象モデル、または客観解析の格子点値、で代用可能である。

　このように、観測される「二つの周波数の単位距離当たりの減衰量の比（dB差）」が上記の雲水・水蒸気に関する単位距離当たりの減衰量の比の積（dB和）を越える場所が、一例として、「雲水量および水蒸気量の多い場所」となる。上記の例では、単位距離当たりの減衰量の比の積は、５．８dB＋２．２dB＝８．０dBとなる。以上の手順をまとめると、以下のようになる。

　第１に、雨が生成し始める雲（標的Ｃ）中の雲水量をあらかじめ決定する。第２に、前記の求めた雲水量に対する二周波の単位距離当たりの減衰量の比（dB表示では「差」）Ａを求める。第３に、前記の求めた上空の標的Ｃ（雲）中における気圧・気温（推定値）に対する相対湿度100％の場合の水蒸気による二周波の単位距離当たりの減衰量の比（同上）Ｂを求める。第４に、減衰量の比Ａと減衰量の比Ｂの積Ａ×Ｂ（dB表示では「和」）を算出すれば、これが単位距離当たりの減衰量の比で表示した閾値となる。

　上記の閾値は、雲中における二つの周波数の電波に対する単位距離当たりの減衰量の比に対して設定したものであるが、他の例として、二つの周波数の電波に対する観測されるレーダ反射因子の比、すなわち二つの周波数に対する減衰量（雲中および雲から気象レーダ装置までの減衰量の総和）の比に閾値を設定することもできる。この減衰量は、雲中の雲水・水蒸気の量のほかに降雨に影響するとされる雲の外部における水蒸気量と相関があるとされているので、二つの減衰量の比に閾値を設定してもよい。この閾値は、降雨の始まり直前から直後にかけての雲状況の観測と気象レーダ装置の観測とを同期させて得られたデータから設定することもできる。

＜１－４．降水予測＞
　次に、気象レーダ装置１０を用いた降水の予測について説明する。

　気象レーダ装置１０を用いて、雲、積雲等である標的Ｃを含む全方位に送信した電波の反射波受信し、信号処理してデジタル化した信号から雲の広がりや雲の存在場所の分布等の情報を取得し、その情報を基に雲の存在する方向における二周波数の電波の減衰量の比を求めると、雲水量および水蒸気量の多い場所を推定することができる。そして、二周波数の電波の減衰量の比があらかじめ定めた閾値を超えると、雲が積雲から積乱雲へ成長したり、あるいは豪雨をもたらす雲に成長したりする可能性が高いため、積乱雲の発生や発達を予測することができる。

　本実施形態に係る気象レーダ装置１０によれば、送信された二周波数の電波の反射波の強度を観測しその比を取る手法によって、従来の降水発生後の状態ではなく、降水発生前の雲・水蒸気の状態を観測することができる。これにより、降水発生前の雲や水蒸気等を適時・適切に観測して、豪雨発生などの前に早急な災害対応や避難等を行うことができる。

　本発明は、以下の構成を備えることができる。
（１）
　雲に対してレイリー散乱が発生し、かつ、雲、降水、および水蒸気の少なくとも一つによる減衰特性が異なる複数周波数の電波を生成する送信部と、
　生成した前記複数周波数の電波を送信し雲からの反射波を受信して受信波として出力するアンテナと、
　前記受信波を入力して電気的に処理し受信信号を出力する受信部と、
　前記受信信号の信号処理を行う信号処理部と、
を備える気象レーダ装置。
（２）
　前記複数周波数の電波の周波数は、１２０GHｚ未満および１２０GHｚ以上の二つの周波数である、（１）に記載の気象レーダ装置。
（３）
　前記複数周波数の電波の周波数は、１３０GHｚから１８０GHｚの範囲内の二つの周波数である、（１）に記載の気象レーダ装置。
（４）
　前記アンテナが、複数のアンテナより構成され、同一の、雲および水蒸気の少なくとも一つを観測する目的に用いられる、（１）から（３）のいずれか一つに記載の気象レーダ装置。
（５）
　前記複数周波数の電波の雲による前記反射波の強度、および、それらの比によって得られる電波の伝搬経路における減衰量の周波数による差異から、電波の伝搬経路上の雲に加え水蒸気の状態を推定する気象パラメータ推定部をさらに備える、（１）から（４）のいずれか一つに記載の気象レーダ装置。
（６）
　前記気象パラメータ推定部で推定される雲および水蒸気の少なくとも一つの情報から、降水量を予測する予測部を備える、（５）に記載の気象レーダ装置。
（７）
　前記気象パラメータ推定部で推定される雲および水蒸気の少なくとも一つの情報から、雨が降り始める時間を予測する予測部を備える、（５）に記載の気象レーダ装置。

１０　気象レーダ装置
１１　アンテナ
１２　送信部
１３　受信部
１４　信号処理部
１５　制御部
１６　表示部
１７　操作部
１８　気象パラメータ推定部
１９　気象予測部
Ｃ　　標的

Claims

　雲に対してレイリー散乱が発生し、かつ、雲および水蒸気の少なくとも一つによる減衰特性が異なる複数周波数の電波を生成する送信部と、
　生成した前記複数周波数の電波を送信し雲からの反射波を受信して受信波として出力するアンテナと、
　前記受信波を入力して電気的に処理し受信信号を出力する受信部と、
　前記受信信号の信号処理を行う信号処理部と、
を備える気象レーダ装置。
　前記複数周波数の電波の周波数は、１２０GHｚ未満および１２０GHｚ以上の二つの周波数である、請求項１に記載の気象レーダ装置。
　前記複数周波数の電波の周波数は、１３０GHｚから１８０GHｚの範囲内の二つの周波数である、請求項１に記載の気象レーダ装置。
　前記アンテナが、複数のアンテナより構成され、同一の、雲および水蒸気の少なくとも一つを観測する目的に用いられる、請求項１に記載の気象レーダ装置。
　前記複数周波数の電波の雲による前記反射波の強度、および、それらの比によって得られる電波の伝搬経路における減衰量の周波数による差異から、電波の伝搬経路上の雲に加え水蒸気の状態を推定する気象パラメータ推定部をさらに備える、請求項１に記載の気象レーダ装置。
　前記気象パラメータ推定部で推定される雲および水蒸気の少なくとも一つの情報から、降水量を予測する予測部を備える、請求項５に記載の気象レーダ装置。
　前記気象パラメータ推定部で推定される雲および水蒸気の少なくとも一つの情報から、雨が降り始める時間を予測する予測部を備える、請求項５に記載の気象レーダ装置。