時空間的に連続な３次元レーダーデータの利用可能性

時空間的に連続な３次元レーダーデータの利用可能性時空間的に連続な３次元レーダーデータの利用可能性佐藤晋介（NICT）、牛尾知雄、吉川栄一、河崎善一郎（大阪大）水谷文彦、和田将一（東芝）、井口俊夫（NICT）気象学会2011年度秋季大会＠名古屋大学 2011年11月16日

ビームの広がり 低層観測ギャップ　　（地球の曲率）社会的背景・気象レーダーの課題・近年頻発している突発的・局所的気象災害（局地的大雨、集中豪雨、竜巻突風等）の予測や被害軽減に対する社会的ニーズが大きくなってきている。・国土交通省河川局では従来のC-band気象レーダー観測網に加えて、都市域へのＸ-band MPレーダーの配備を進めている。・現状レーダーでは、突然発生したり急発達する豪雨の発見・追跡が困難なことが多く、高精度予測には高時間空間分解能が必要都賀川の鉄砲水（2008/7/28）国交省河川局C-bandレーダ雨量計観測網とX-band MPレーダ配備状況（○印）. 豊島区雑司が谷の下水道事故（2008/8/5）＜時間分解能の向上＞＜空間分解能の向上＞低層まで観測できる小型・短距離レーダを多数配置パラボラアンテナによる３次元立体観測（５～１０分）フェーズドアレイレーダーによる３次元立体観測（１０～３０秒）

集中豪雨 竜巻・突風 10秒以内の３次元スキャン格子間隔 100 m 洪水・土砂崩れ次世代ドップラーレーダー技術の研究開発突発的、局所的気象災害の予測や災害対策のため、その原因となる集中豪雨、竜巻突風等を10秒以内に100 m以下の分解能で立体的に観測可能な次世代ドップラーレーダーの研究開発を行う。課題アフェーズドアレイ・レーダーの開発・水平30 km四方、高度14 kmまでを10秒以内に観測・座標変換後の水平・鉛直格子間隔は100 m以下・ネットワーク運用のための混信低減技術・リモート運用、リアルタイムデータ処理・配信・製造コスト、運用・保守コストの低減産学官連携プロジェクトNICT委託研究東芝・大阪大が受託課題イフェーズドアレイ・レーダーの性能評価と実証実験・地表面クラッタの低減手法の検討と評価・オーバーサンプリング評価等のためのシミュレーション実験・ユーザーニーズを考慮した実効的なレーダー運用方法・実証実験、実用化を目指した運用試験研究開発スケジュール

～2.4 m ～2.4 m 受信ビーム幅（～１°）送信ビーム幅（ 6 ～ 8°）長パルス＋短パルスフェーズドアレイレーダーの概要 ● 仰角方向には１次元アレイとDBF（Digital Beam Forming）による高速スキャン ● 方位角方向には機械式回転 ● パルス圧縮技術により、60 kmレンジ観測も可能 ● 送受信機・信号処理装置等を取り付けたアンテナはレドーム内に設置。計算機は光ロータリジョイントを通して室内に設置。

アレイアンテナ・各ユニットの開発 仰角電子走査時の送受信往復のアンテナパターン ● 128素子スロットアレイ ● 送信 24ch、受信 128ch ● アンテナ開口径 2.2m ×2.1 m （ビーム幅～１°） A/D変換・ＩＱ検波ユニット（１6 ｃｈ ×８枚）レーダ信号処理ユニット（16ビーム程度の同時ＤＢＦ処理）送受信ユニット（8ch送受信×3枚＋ 8ch受信×13枚）

レーダー観測網の構築 観測方法・信号処理手法等の検討・評価 ● フェーズドアレイレーダーの観測手法の検討および設置に向けた準備を実施 ● 地形等による不要エコーを除去するための信号処理手法の検討と評価 ● 正確な降雨量を算出するための、降雨減衰補正手法の開発確率論的降雨減衰補正結果検証用レーダーによる予備観測 ●検証用Ku帯広帯域レーダーを、「大阪大学豊中キャンパス」、「渚水みらいセンター（枚方市）」、「住友電工大阪製作所（此花区島屋）」の３ヶ所に設置し、予備観測を実施。 ● フェーズドアレイレーダーは、H24年4月～大阪大学吹田キャンパスに設置予定（詳細観測範囲として、淀川水系、大阪北部一帯をカバー）２代の検証用レーダーによる観測結果の合成

フェーズドアレイ気象レーダーの特長 ［*１］機能的には10秒間の３次元スキャンが可能であるが、実利用目的には精度向上のため20～30秒程度が適当かもしれない。［*２］接線方向の空間分解能（ビームの広がり）はアンテナの大きさで決まるが、フェーズドアレイでは信号処理・画像処理技術によって座標変換後の分解能として水平・鉛直ともに（少なくとも25 km観測範囲では）100mグリッドサイズを実現することを目標とする。［*３］パラボラアンテナのボリュームスキャン(１分間で3～6仰角)では、他のレーダで補完しない限りレーダ近傍の上空は観測できない。［*４］デジタル・ビーム・フォーミング（DBF)技術により、128本のアンテナで受信した信号から複数仰角データを同時に復元できる。［*５］現状のフェーズドアレイ設計では偏波機能付加は困難であり(コストの大幅増)、降雨減衰補正は複数のレーダ観測から行う予定。［*６］基本構成のみの導入コスト。固体化送信機の採用とアンテナ回転の単純化により運用・保守コストは相当低減する見込み。

高時間・空間分解能の３次元観測 10:58JST 10:59:20JST 10:59:00JST 10:59JST 10:59:40JST 11:00JST BBR 11:00:00JST ILTS 15 10 Z (km) 5 CAPPI -15 -10 -5 0 5 10 15 【現状】１～５分毎の水平分布による降雨短時間予測 ⇒ 急激な発達は予測困難【将来】 10～30秒毎の詳細な３次元観測データ ⇒ 雨滴の発生・成長・落下による予測が可能【ボリュームスキャンによる鉛直断面： 5～10分毎】【フェーズドアレイレーダによる鉛直断面（予想図）：10～30秒毎】 COBRA COBRA 18:45Z, 29JUL2010 18:46Z, 29JUL2010 レーダ近傍の上空は観測空白域 HEIGHT (km) DISTANCE from Radar (km) DISTANCE from Radar (km) グリッドサイズ： 250 m（５分間の１４仰角：0.5～24°から合成）グリッドサイズ： 100 m（30秒間のRHI観測データから作成）

フェーズドアレイレーダの応用分野 ○○県△△市竜巻注意情報平成××年4月20日10時29分 △△地方気象台発表 ○○県△△市では竜巻発生のおそれがあります。発生予測時刻と場所は以下の地図のとおりです。頑丈な建物内に移動するなど、安全確保に努めてください。ダム放流（洪水調整）【ダム管理事務所】洪水予測、土砂災害予測【河川局】航空管制【航空局】数値予報モデルへのデータ同化、きめ細かな竜巻注意情報【気象庁】突発的・局所的現象の解明【研究機関・大学】住民避難勧告【市町村】列車安全運行【鉄道会社】下水道ポンプ制御【市町村】一般市民への情報提供【民間気象会社】

まとめ ● 突発的・局地的気象災害の予測・軽減を目的としたフェーズドアレイ気象レーダーを開発しており、2011年度中にシステム完成、2012年４月に大阪大学吹田キャンパスに設置、６月頃（目標）から実証実験を開始する予定である。 ● 早期の実用化を目指して、10秒毎に得られる隙間のない３次元観測データの利用方法について検討を開始した。従来の降雨水平分布（ＣＡＰＰＩ）の時間変化だけでなく、特に鉛直方向の情報（降水の生成、成長、落下）をユーザーに分かりやすく表現する手法（可視化技術）の開発が重要と考えている。公開シンポジウム「気象災害の軽減を目指したリモートセンシング技術の利用」　●日時：平成２４年１月１８日(水)13:00～16:30 　●場所：大阪大学中之島センター　●主催：次世代安心・安全ICTフォーラム、ＮＩＣＴ（予定）災害軽減が期待される最先端リモセン技術や取組等について、研究紹介や自治体等との意見交換を実施予定

次世代ドップラーレーダー技術の研究開発 【概要】突発的、局所的気象災害の予測や災害対策のため、その原因となる局地的大雨、集中豪雨、竜巻突風等を１０秒以内に１００ m以下の分解能で立体的に観測可能なフェーズドアレイ・ドップラーレーダーの研究開発を行う。高速スキャンを実現するフェーズドアレイレーダーのアンテナ部外観 10～30秒毎に空間的に抜けのない３次元観測が可能（降水強度、ドップラー速度） 25 km range 大阪大（吹田市）に設置予定 NICT委託研究 ⇒東芝・大阪大が受託開発スケジュール完成

雨粒の落下・成長による局地的大雨の予測 上空4000 mの雨雲から、地上に雨粒が到達する時間は10分程度１５：００１５：１０１５：２０雨粒が大きく成長し、降下を始める。上空で雨粒が急速に成長を開始雨雲の移動降　雨上昇気流上昇気流上昇気流大きな雨粒が、地上に到達。積乱雲が発生　　 15～16時頃まで、A地区では　　夕立が発生しやすい状態　　15時20分頃、A地区で非常に　　強い雨が突然降り出す　　現在、A地区で非常に強い雨を降らせている雨雲は、15時40分頃にB地区に移動する観測データ１０秒毎の３次元観測により、いわゆるゲリラ豪雨が１０分前に予測可能となる通信事業者等データセンター

60 km range 25 km range

時空間的に連続な３次元レーダーデータの利用可能性

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