JP2011047742A - 気象レーダシステムとその降水強度算出方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能かつ高精度な降水強度の算出を可能とする。
【解決手段】水平偏波と垂直偏波のレーダ波を同時に送信し、その反射波を受信する送受信装置１１〜１６と、送受信装置の受信信号から二重偏波観測を行って偏波毎の受信電力を算出する信号処理装置１７とを備える気象レーダシステムにおいて、データ変換装置１９は、受信電力をもとにレーダ波のビーム幅及びパルス幅に基づく高分解能でレーダ反射因子（Z）を算出し、受信電力の偏波間位相差（φ_DP）をもとに低分解能で比偏波間位相差（K_DP）を算出し、比偏波間位相差（K_DP）をもとに低分解能領域毎の平均降水強度（R_ave[mm/h]）を算出し、平均降水強度（R_ave[mm/h]）とレーダ反射因子（Z）とをもとに、レーダ反射因子（Z）と降水強度（R[mm/h]）との間の関係式を推定し、関係式を用いて高分解能の降水強度（R[mm/h]）を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルチパラメータレーダ（別名、二重偏波ドップラーレーダ）を用いて、ダム・河川・道路・下水道管理等における雨量算出などの気象防災に資する気象レーダシステムに係り、特に降水強度算出の分解能及び精度を向上させるための技術に関する。

従来の気象レーダシステムでは、比偏波間位相差（K_DP）、レーダ反射因子（Z）、差分レーダ反射因子（Z_DR）のうちいずれかの１つ観測パラメータに基づく方式によって降水強度算出が行われていた。また、予想される降水強度の強弱、あるいはクラッターレベルなどにより、３つの方式を切り替えることにより降水強度算出が行われていた（非特許文献１参照）。

しかしながら、比偏波間位相差（K_DP）は得られる距離分解能が粗いこと、レーダ反射因子（Z）は降水強度の強弱の相対関係は維持するものの絶対的な精度が低いこと、レーダ反射因子（Z）と差分レーダ反射因子（Z_DR）は降雨等による電波減衰時の精度が悪いことなどの問題があった。

V.N.Bringi and V.Chandrasekar, POLARIMETRIC DOPPLER WEATHER RADAR, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, p.517, 2001. 「気象と大気のレーダーリモートセンシング」深尾、浜津著、京都大学学術出版会、２００５年３月発行

上述の如く、従来の気象レーダシステムでは、比偏波間位相差（K_DP）、レーダ反射因子（Z）、差分レーダ反射因子（Z_DR）のうちいずれか１つの観測パラメータに基づく方式によって降水強度算出が行われ、また、予想される降水強度の強弱、あるいはクラッターレベルなどにより、３つの方式を切り替えることにより降水強度算出が行われていたが、各観測パラメータには一長一短があり、精度のよい結果が安定して得られるものではないという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、高分解能かつ高精度な降水強度の算出を可能とする気象レーダシステムとその降水強度算出方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る気象レーダシステムとその降水強度算出方法及びプログラムは、上記目的を達成するために、以下のような手段を講じている。

第１の態様は、水平偏波と垂直偏波のレーダ波を同時に送信し、その反射波を受信する送受信装置と、前記送受信装置の受信信号から二重偏波観測を行って偏波毎の受信電力を算出する信号処理装置と、前記受信電力をもとに前記レーダ波のビーム幅及びパルス幅に基づく第１空間分解能でレーダ反射因子（Z）を算出する手段と、前記受信電力の偏波間位相差（φ_DP）をもとに前記第１空間分解能より低い第２空間分解能で比偏波間位相差（K_DP）を算出する手段と、前記比偏波間位相差（K_DP）をもとに前記第２空間分解能領域毎の平均降水強度（R_ave[mm/h]）を算出する手段と、前記平均降水強度（R_ave[mm/h]）と前記レーダ反射因子（Z）とをもとに、前記レーダ反射因子（Z）と降水強度（R[mm/h]）との間の関係式を推定する手段と、前記関係式を用いて前記第１空間分解能の降水強度（R[mm/h]）を算出する手段とを具備するものである。

第２の態様は、上記第１の態様において、前記偏波間位相差（φ_DP）の高周波成分を除去する手段をさらに具備するものである。

第３の態様は、上記第１又は２の態様において、前記レーダ反射因子（Z）の距離に対する減衰量を、前記偏波間位相差（φ_DP）を用いて補正する手段をさらに具備するものである。

第４の態様は、上記第１乃至３のいずれかの態様において、前記降水強度（R（K_DP）[mm/h]）を方位方向及び距離方向に平滑化する手段をさらに具備するものである。

本発明によれば、高分解能かつ高精度な降水強度の算出を可能とする気象レーダシステムとその降水強度算出方法及びプログラムを提供することができる。

本発明に係る気象レーダシステムの一実施形態を示すブロック構成図。 本発明に係る気象レーダシステムの他の構成例を示すブロック構成図。 図１に示した気象レーダシステムのデータ変換装置の処理の流れを示す処理系統図。 図３に示したローパスフィルタ処理を説明するための波形図。 図３に示した関係式推定処理の詳細を示す図。 図３に示したスムージング処理の詳細を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。

図１は本発明の一実施形態として、マルチパラメータレーダを用いた気象レーダシステムの構成を示すブロック図である。このシステムは、空中線装置（アンテナ）１１、送信装置（水平偏波）１２、受信装置（水平偏波）１３、送信装置（垂直偏波）１４、受信装置（垂直偏波）１５、周波数変換装置（垂直偏波）１６、信号処理装置１７、監視制御装置１８、データ変換装置１９、データ表示装置２０、データ蓄積装置２１、データ通信装置２２、遠隔監視制御装置２３、及び遠隔表示装置２４を備える。

ここで、図２に示すように、送信装置１２を水平偏波、垂直偏波共通とする構成にしてもよい。図１、図２ともに、例えば周波数変換装置１６を分離できるなどの構成もさらに考えられる。

上記構成において、遠隔監視制御装置２３からの監視制御信号が監視制御装置１８を通して信号処理装置１７に送られると、信号処理装置１７内では、内部に格納されている種信号のデジタルデータが発生され、Ｄ／Ａ変換された後、水平偏波、垂直偏波の送信ＩＦ信号として周波数変換装置１６に送られ、それぞれＲＦ信号にアップコンバートされる。

周波数変換装置１６で得られた水平偏波、垂直偏波の送信ＲＦ信号は、送信装置１２、１４により遠距離の観測可能な送信電力に増幅される。増幅された水平偏波、垂直偏波の２波は、空中線装置１１より空間に同時に送出される。

空間上の降水からの水平偏波、垂直偏波による反射波はいずれも上記空中線装置１１にて水平偏波／垂直偏波別に捕捉され、それぞれ受信装置１３，１５にて受信され、周波数変換装置１６でＩＦ信号に変換された後、共に信号処理装置１７に送られる。

信号処理装置１７は、水平偏波／垂直偏波に送られた水平偏波／垂直偏波の受信ＩＦ信号をそれぞれＡ／Ｄ変換し、Ｉ／Ｑ検波した後、受信電力（水平偏波、垂直偏波）、水平偏波と垂直偏波との間の偏波間位相差、偏波間相互相関、及びドップラ速度を算出する機能を持つ。

データ変換装置１９は、信号処理装置１７で得られる受信電力から比偏波間位相差（K_DP）やレーダ反射因子（Z）などの複数の観測パラメータを算出し、これら複数の観測パラメータを用いて降水強度（R）を算出する。具体的な処理の内容は後述する。

データ表示装置２０はデータ変換装置１９で解析されたデータを表示する。データ蓄積装置２１はデータ変換装置１９で解析されたデータを蓄積する。データ通信装置２２はレーダサイト外に通信手段を講じてデータ変換装置１９で解析されたデータを転送する。遠隔表示装置２４はレーダサイトから転送されてきたデータを表示、または解析等を実施する。また、遠隔監視制御装置２３は監視制御装置１８と同様にレーダシステムの監視が可能である。

上記構成による気象レーダシステムにおいて、図３を参照して本発明に係る降水強度算出方法を説明する。
図３は上記気象レーダシステムのデータ変換装置１９に用いられる降水強度算出方法の処理の流れを示す処理系統図である。なお、図３において、通常の算出方式は、非特許文献２の「気象と大気のレーダーリモートセンシング（深尾ほか）」に準ずる。

レーダ反射因子算出処理１０１では、レーダ方程式に基づいて水平偏波の受信電力（Pr_H）からレーダ反射因子（Z_H）を算出する。レーダ反射因子（Z_H）の分解能は、方位方向は水平ビーム幅、距離方向はパルス幅に相当する。このレーダ反射因子（Z_H）の分解能を高分解能（第１空間分解能）と呼ぶものとする。

ローパスフィルタ処理１０２では、偏波間位相差（φ_DP）を距離方向にIIRやFIR等のローパスフィルタを用いてフィルタリングする。偏波間位相差（φ_DP）は、可能な限り高周波成分を取り除くため、方位方向のヒット平均数を多く取ることとなる。この影響で、方位方向にもレーダの一定のヒット数を取ることで、水平ビーム幅以上のビーム幅にてデータが生成される。さらに、距離方向に高周波成分が存在するため、このまま偏波間位相差（φ_DP）の距離微分である比偏波間位相差（K_DP）を算出すると、ノイズ成分の多く含むデータとなる。このため、ローパスフィルタ処理１１１にて、偏波間位相差（φ_DP）の距離方向の高周波成分を取り除く。この様子を図４に示す。図４において、（ａ）がフィルタ処理前、（ｂ）がフィルタ処理後を示したもので、横軸に距離（r）をとり、縦軸に偏波間位相差（φ_DP）を示している。

減衰補正処理１０３では、レーダ反射因子（Z_H）について、当該領域までの水平偏波、垂直偏波それぞれの電波減衰量を偏波間位相差（φ_DP）から推定し、これを補正する。具体的には、下記式により補正後のレーダ反射因子（Z_H）を求める。なお、αは定数とする。補正前の地点rにおけるレーダ反射因子をZ_H(r)´とすると、
10log₁₀Z_H(r)＝10log₁₀Z_H(r)´−α(φ_DP(r)−φ_DP(0))
と算出できる。また、偏波間位相差（φ_DP）には、上記ローパスフィルタ処理１０２でのフィルタ処理後の値を用いるとよい。

比偏波間位相差算出処理１０４では、偏波間位相差（φ_DP）を距離微分することにより比偏波間位相差（K_DP）を求める。２点間の総雨量に相当する比偏波間位相差（K_DP）は、距離方向の２地点r1，r2のフィルタ通過後の偏波間位相差をφ_DP(r₁)，φ_DP(r₂)とすると、次式により算出できる。
K_DP＝｛φ_DP(r₂)-φ_DP(r₁)｝／｛２（ｒ₂−ｒ₁）｝
ここでは、低分解能（第２空間分解能）として方位角Θ[deg]、距離L[m]における比偏波間位相差（K_DP）により算出する。上記図４（ｂ）に示したように、偏波間位相差（φ_DP）の高周波成分を取り除く際には距離方向の分解能が低下するので、２地点r1，r2間の距離（L＝r2−r1）をローパスフィルタ通過後の距離方向の分解能に設定する。Lの大きさはローパスフィルタの分解能による。また、方位角Θの分解能は、φ_DP算出の際に必要なヒット数による。

平均降水強度算出処理１０５では、低分解能の比偏波間位相差（K_DP）により低分解能領域毎の平均降水強度（R_ave）を算出する。具体的には次式で計算される。なお、fは送信周波数[GHz]、b2は定数（たとえば0.85）とする。
R_ave＝129×（K_DP／f)^b2
関係式推定処理部１０６では、レーダ反射因子（Z）と降水強度（R）との関係式を推定する。レーダ反射因子（Z）を用いた降水強度（R）の算出においては下記の式１が知られている。B，βは、定数であり、雨の種類等によって決定される。ここでは、計算量が膨大になるのを避けるため、定数Bを例えば２００と固定して定数βについて推定を行うが、定数B，定数β共に推定するようにしてもよい。
Z＝B×R^β ・・・（式１）
ここで、レーダ反射因子（Z）は、方位角θ[deg]、距離l[m]で高分解能として算出されている。高分解能と低分解能との関係は次のように考える。
Θ＝m×θ
L＝n×l
そこで、図５に示すように、高分解能の方位方向のメッシュ番号ｉ＝1〜m、距離方向のメッシュ番号ｊ＝1〜nとすると、上記式１は次のように変換される。
Z（i,j）＝B×R（i,j）^β・・・（式２）
上記式２より、
R（i,j）＝（Z（i,j）/B）^-β・・・（式３）
ここで、低分解能でも高分解能でも方位角Θ[deg]、距離L[m]の領域における総降水量は同じであると仮定すると、

が成り立つ。

ここで、上記の式２と式４からβを解析的に推定する。なお、βの算出にあたっては、隣接する低分解領域のβの値±10％以内で決定する、などの拘束条件をいれてスムージング処理を施してもよい。

降水強度算出処理１０７では、低分解能領域において推定されたβと、高分解領域で算出されたレーダ反射因子（Z（i,j））とを用いて、上記式３に基づいて、高分解能のR（i,j）を算出する。定数Bは、βの推定を行った時の値とする。
スムージング処理１０８では、方位方向及び距離方向でデータのスムージング処理を行ってつなぎ目の段差のないデータとする。スムージング手法は、例えば、下記の２つの手法を用いる。

（第１のスムージング手法）
第１のスムージング手法は、図６に示すように、高分解能メッシュに対して、距離方向及び方位方向にずらした互い異なる４パターンの低分解能メッシュを配置するものである。比偏波間位相差算出処理１０４では、この４パターンの低分解能メッシュについて、それぞれ比偏波間位相差（K_DP）を求めることにより、４パターンの比偏波間位相差（K_DP）についての高分解能の降水強度（R（K_DP））を算出することができる。そして、スムージング処理１０７において、４パターンの高分解能の降水強度（R（i,j））から図６に示すように、各低分解能メッシュの中央付近の値を採用することにより、平滑化された降水強度（（R（i,j））を求めることができる。または、４パターンで重複するメッシュについて加重平均をとるようにしてもよい。

（第２のスムージング手法）
第２のスムージング手法は、比偏波間位相差算出処理１０４において、低分解能の比偏波間位相差（K_DP）を算出する際に、隣接する低分解能メッシュの比偏波間位相差（K_DP）と比して一定以上の差を持たないように拘束条件を設ける方法である。例えば、他の周辺メッシュ領域の比偏波間位相差（K_DP）の値±10％以内で決定する。

以上述べたように、本実施形態では、低空間分解能であるが降水強度との相関が高い性質を持つ比偏波間位相差（K_DP）から求めた平均降水強度（R_ave）と、空間分解能が高いが降水強度の絶対値との相関は低く、その地点付近の相対的な値となるレーダ反射因子（Z）とをもとに、レーダ反射因子（Z）と降水強度（R）との間の関係式を推定し、この関係式を用いて高分解能の降水強度（（R（i,j）））を算出するようにしている。したがって、上記の降水強度算出方法によれば、高空間分解能でかつ高精度な降水強度を算出することができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、本発明によれば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…空中線装置（アンテナ）、１２…送信装置（水平偏波）、１３…受信装置（水平偏波）、１４…送信装置（垂直偏波）、１５…受信装置（垂直偏波）、１６…周波数変換装置（水平偏波）、１７…信号処理装置、１８…監視制御装置、１９…データ変換装置、２０…データ表示装置、２１…データ蓄積装置、２２…データ通信装置、２３…遠隔監視制御装置、２４…遠隔表示装置、１０１…レーダ反射因子算出処理、１０２…ローパスフィルタ、１０３…減衰補正処理、１０４…比偏波間位相差算出処理、１０５…平均降水強度算出処理、１０６…関係式推定処理、１０７…降水強度算出処理、１０８…スムージング処理。

Claims (12)

1. 水平偏波と垂直偏波のレーダ波を同時に送信し、その反射波を受信する送受信装置と、
   前記送受信装置の受信信号から二重偏波観測を行って偏波毎の受信電力を算出する信号処理装置と、
   前記受信電力をもとに前記レーダ波のビーム幅及びパルス幅に基づく第１空間分解能でレーダ反射因子（Z）を算出する手段と、
   前記受信電力の偏波間位相差（φ_DP）をもとに前記第１空間分解能より低い第２空間分解能で比偏波間位相差（K_DP）を算出する手段と、
   前記比偏波間位相差（K_DP）をもとに前記第２空間分解能領域毎の平均降水強度（R_ave[mm/h]）を算出する手段と、
   前記平均降水強度（R_ave[mm/h]）と前記レーダ反射因子（Z）とをもとに、前記レーダ反射因子（Z）と降水強度（R[mm/h]）との間の関係式を推定する手段と、
   前記関係式を用いて前記第１空間分解能の降水強度（R[mm/h]）を算出する手段と
   を具備することを特徴とする気象レーダシステム。
2. 前記偏波間位相差（φ_DP）の高周波成分を除去する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の気象レーダシステム。
3. 前記レーダ反射因子（Z）の距離に対する減衰量を、前記偏波間位相差（φ_DP）を用いて補正する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダシステム。
4. 前記降水強度（R（K_DP）[mm/h]）を方位方向及び距離方向に平滑化する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気象レーダシステム。
5. 水平偏波と垂直偏波のレーダ波を同時に送信し、その反射波を受信する送受信装置と、前記送受信装置の受信信号から二重偏波観測を行って偏波毎の受信電力を算出する信号処理装置とを備える気象レーダシステムに用いられる方法であって、
   前記受信電力をもとに前記レーダ波のビーム幅及びパルス幅に基づく第１空間分解能でレーダ反射因子（Z）を算出する過程と、
   前記受信電力の偏波間位相差（φ_DP）をもとに前記第１空間分解能より低い第２空間分解能で比偏波間位相差（K_DP）を算出する過程と、
   前記比偏波間位相差（K_DP）をもとに前記第２空間分解能領域毎の平均降水強度（R_ave[mm/h]）を算出する過程と、
   前記平均降水強度（R_ave[mm/h]）と前記レーダ反射因子（Z）とをもとに、前記レーダ反射因子（Z）と降水強度（R[mm/h]）との間の関係式を推定する過程と、
   前記関係式を用いて前記第１空間分解能の降水強度（R[mm/h]）を算出する過程と
   を具備することを特徴とする降水強度算出方法。
6. 前記偏波間位相差（φ_DP）の高周波成分を除去する過程をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の降水強度算出方法。
7. 前記レーダ反射因子（Z）の距離に対する減衰量を、前記偏波間位相差（φ_DP）を用いて補正する過程をさらに具備することを特徴とする請求項５又は６に記載の降水強度算出方法。
8. 前記降水強度（R[mm/h]）を方位方向及び距離方向に平滑化する過程をさらに具備することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の降水強度算出方法。
9. 水平偏波と垂直偏波のレーダ波を同時に送信し、その反射波を受信する送受信装置と、前記送受信装置の受信信号から二重偏波観測を行って偏波毎の受信電力を算出する信号処理装置とを備える気象レーダシステムを制御するコンピュータに、
   前記受信電力をもとに前記レーダ波のビーム幅及びパルス幅に基づく第１空間分解能でレーダ反射因子（Z）を算出する処理と、
   前記受信電力の偏波間位相差（φ_DP）をもとに前記第１空間分解能より低い第２空間分解能で比偏波間位相差（K_DP）を算出する処理と、
   前記比偏波間位相差（K_DP）をもとに前記第２空間分解能領域毎の平均降水強度（R_ave[mm/h]）を算出する処理と、
   前記平均降水強度（R_ave[mm/h]）と前記レーダ反射因子（Z）とをもとに、前記レーダ反射因子（Z）と降水強度（R[mm/h]）との間の関係式を推定する処理と、
   前記関係式を用いて前記第１空間分解能の降水強度（R[mm/h]）を算出する処理と
   を実行させることを特徴とする降水強度算出プログラム。
10. 前記偏波間位相差（φ_DP）の高周波成分を除去する処理をさらに具備することを特徴とする請求項９記載の降水強度算出プログラム。
11. 前記レーダ反射因子（Z）の距離に対する減衰量を、前記偏波間位相差（φ_DP）を用いて補正する処理をさらに具備することを特徴とする請求項９又は１０に記載の降水強度算出プログラム。
12. 前記降水強度（R（K_DP）[mm/h]）を方位方向及び距離方向に平滑化する処理をさらに具備することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の降水強度算出プログラム。

Images