JP2013205151A - Device for computing phase difference between specific polarized waves, rainfall observation system employing the same and method for computing phase difference between specific polarized waves - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二重偏波気象レーダーによる降雨観測時等における比偏波間位相差演算装置、及びそれを用いた降雨観測システム並びに比偏波間位相差演算方法に関する。 The present invention relates to a phase difference calculation device between specific polarizations at the time of rainfall observation by a dual polarization weather radar, a rain observation system using the same, and a phase difference calculation method between specific polarizations.
従来、気象レーダーにより、電波をアンテナから大気中へ射出し、射出された電波が雨に当たってアンテナに帰ってくることで、電波の強さを測定し、降雨位置、降雨強度及び降雨量を推定している降雨観測装置があった。 Conventionally, the weather radar emits radio waves from the antenna to the atmosphere, and the emitted radio waves hit the rain and return to the antenna, thereby measuring the strength of the radio waves and estimating the rainfall position, rainfall intensity, and rainfall. There was a rain observation device.
また、マルチパラメータレーダーにより得られる比偏波間位相差、反射因子差、反射因子 に基づき降雨強度の推定式、雨水量の推定式を用い、地上付近の気温 、観測仰角、標準大気の気温減率よりレンジ方向の温度プロファイルを計算し、温度依存性と仰角依存性を考慮した推定式の係数とべき指数を用いて降雨強度と雨水量の3次元分布を推定することで、降雨強度及び雨水量の3次元分布の推定精度を高めたものが開示されている(特許文献1)。 In addition, phase difference between polarized waves, reflection factor difference, reflection factor obtained by multi-parameter radar The temperature around the ground using the formula for estimating the rainfall intensity and the formula for estimating the amount of rainwater The temperature profile in the range direction is calculated from the observed elevation angle and the temperature decrease rate of the standard atmosphere, and the three-dimensional distribution of the rainfall intensity and the amount of rainwater is calculated using the coefficient and power index of the estimation formula considering the temperature dependency and elevation angle dependency. The thing which raised the estimation precision of the three-dimensional distribution of rainfall intensity and the amount of rainwater by estimating is disclosed (patent document 1).
特許文献1に記載された技術では、マルチパラメータレーダーを用いることで、より正確な降雨強度推定ができるが、非常に強い降雨域の後面等の領域では、大きな降雨減衰が生じるため、降雨データが得られないことがあった。この場合、降雨データが取得できない領域について、他のレーダーにより判定をし、降雨データを得ていた。 In the technique described in Patent Document 1, more accurate rainfall intensity can be estimated by using a multi-parameter radar. However, in areas such as the rear surface of a very strong rainfall area, a large amount of rain attenuation occurs. Sometimes it was not possible. In this case, the area where rain data cannot be obtained is determined by another radar and the rain data is obtained.
しかしながら、他のレーダーがカバーできない領域等に関して、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域と、無降水領域とを区別し、判定することができず、データ合成や数値モデルへのデータ同化の際に誤差を生じることがあった。 However, for areas that cannot be covered by other radars, it is not possible to distinguish between areas where rainfall data cannot be acquired due to rain attenuation and areas where precipitation is not possible, and it is impossible to make judgments. Data synthesis and data assimilation into numerical models In some cases, an error may occur.
そこで、特許文献2に記載された技術では、降雨減衰によって降雨データの取得が不能となる領域と、無降水領域とを、簡易に区別し、判定することができるようにした。
Therefore, in the technique described in
特許文献1及び2に記載されているように、粒径の大きな雨滴が落下するとき、空気抵抗によりその雨滴は水平方向の粒径よりも垂直方向の粒径の方が小さい扁平な形状となるため、雨の中では水平偏波の方が垂直偏波に比べ位相の遅れが大きくなることが知られている。
As described in
この偏波間の位相差ΦDPはマルチパラメータレーダーで観測可能な物理量であり、距離が遠くなるほど位相の遅れが積算されていくため、降雨中ではレーダーからの距離rが遠くなるほど大きくなる量である。偏波間の位相差ΦDPの距離微分は比偏波間位相差KDPと呼ばれ、以下の式(1)で示される。
雨に対する比偏波間位相差KDPはその地点に水平方向に扁平な大きい水滴が多いほど大きな値となり、大きな水滴が多いほど降水強度も大きくなることから、雨の比偏波間位相差KDPと降水強度Rの間にはKDP−Rと呼ばれる関係が存在する。 The ratio polarization retardation K DP against rain becomes a large value the larger the flat large water droplets in the horizontal direction at that point, precipitation intensity larger the water droplet is large since it also increases, and the ratio polarization retardation K DP rain A relationship called K DP -R exists between precipitation intensities R.
KDP−R関係を用いた定量的降雨強度推定において、偏波間の位相差ΦDPを精度よく観測することが重要であるが、偏波間の位相差ΦDPの観測に関していくつかの誤差要因が知られている。 In quantitative rainfall estimation using K DP -R relationship, it is important to observe the phase difference [Phi DP of polarization precisely, several error factors with respect to the observation of the phase difference [Phi DP polarizations Are known.
図11は、後方散乱による位相差の例を示す図である。また、図12は、実際に観測した偏波間の位相差ΦDP及び比偏波間位相差KDPのレンジプロファイルを示す図である。図12(a)は、実際に観測した偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイルを示す図、図12(b)は、実際に観測した比偏波間位相差KDPのレンジプロファイルを示す図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a phase difference due to backscattering. FIG. 12 is a diagram showing a range profile of the actually observed phase difference Φ DP between the polarizations and the phase difference K DP between the specific polarizations. 12A is a diagram illustrating a range profile of the phase difference Φ DP between actually observed polarizations, and FIG. 12B is a diagram illustrating a range profile of the phase difference K DP between the actually observed polarizations. is there.
図11において、実線はレーダーで観測される式(2)のレンジプロファイル、破線は復元すべき偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイルを示し、横軸は距離、縦軸は位相差を示す。 In FIG. 11, the solid line indicates the range profile of the equation (2) observed by the radar, the broken line indicates the range profile of the phase difference Φ DP between the polarizations to be restored, the horizontal axis indicates the distance, and the vertical axis indicates the phase difference.
また、図12は、2005年7月9日神奈川県海老名市に設置されたマルチパラメータレーダーで観測した方位角232°、仰角2.6°における偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイル及び比偏波間位相差KDPのレンジプロファイルを示す。なお、比偏波間位相差KDPは、レンジ幅1kmのデータを用いた偏波間の位相差ΦDPの線形回帰により算出した。 FIG. 12 shows the range profile and relative deviation of the phase difference Φ DP between the polarizations at an azimuth angle of 232 ° and an elevation angle of 2.6 ° observed by a multi-parameter radar installed in Ebina City, Kanagawa Prefecture on July 9, 2005. The range profile of wave phase difference K DP is shown. The phase difference K DP between specific polarizations was calculated by linear regression of the phase difference Φ DP between polarizations using data with a range width of 1 km.
例えば、非常に強い降雨の場合や降雨中に雹などの巨大な粒子が含まれる場合、後方散乱による位相差δが顕著になる場合がある。すると、図12の距離17km付近のように、その場所で偏波間の位相差ΦDPが過大に観測されてしまう。つまり、レーダーで観測される偏波間位相差Ψは、以下の式(2)のように表されるようになる。
そして、ある場所の偏波間の位相差ΦDPが過大に観測されると、図12に示すように、その場所のレーダーに近い側で比偏波間位相差KDPが過大に計算され、反対側では負の比偏波間位相差KDPが計算されてしまう。 Then, if the phase difference Φ DP between polarizations at a certain location is observed excessively, as shown in FIG. 12, the phase difference K DP between specific polarizations is excessively calculated on the side closer to the radar at that location, and the opposite side Then, the negative specific polarization phase difference K DP is calculated.
また、他の誤差要因として、ノイズがある。図12(a)は、観測された偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイルの例であるが、図12(a)に示すように、レーダーからのレンジが14kmから16km付近の間に強い降雨が存在し、その場所で偏波間の位相差ΦDPが大きく変化している。しかし、観測された偏波間の位相差ΦDPにはレンジビン毎に変動するようなノイズが含まれ、例えば、強雨域の後方で、電波の減衰により信号が弱くなっていると考えられる距離18km以遠の領域のように、信号のS/N比の小さくなるところでは、そのノイズの変動も大きくなる傾向がある。 Another error factor is noise. FIG. 12 (a) shows an example of a range profile of the observed phase difference Φ DP between the polarized waves. As shown in FIG. 12 (a), strong rainfall occurs when the range from the radar is between 14km and 16km. And the phase difference Φ DP between the polarizations greatly changes at that location. However, the observed phase difference Φ DP between the polarizations includes noise that fluctuates for each range bin. For example, a distance of 18 km at which the signal is considered to be weak due to attenuation of radio waves behind a heavy rain region. Where the signal S / N ratio is small, such as in a far region, the noise fluctuation tends to increase.
図12(b)は図12(a)の偏波間の位相差ΦDPに対して、レンジ幅1kmの範囲で線形回帰を行い、求められた傾きから比偏波間位相差KDPを計算したものである。強雨域では大きな比偏波間位相差KDPが算出されているが、弱雨域では比偏波間位相差KDPのプロファイルが0の値を中心に変動している様子がみられる。 FIG. 12 (b) shows the result of linear regression in the range of 1 km range with respect to the phase difference Φ DP between the polarizations in FIG. 12 (a), and the phase difference K DP between the specific polarizations calculated from the obtained slope. It is. A large inter-polarization phase difference K DP is calculated in the heavy rain area, but the profile of the inter-polarization phase difference K DP fluctuates around a value of 0 in the light rain area.
本来、降雨中では偏波間の位相差ΦDPは距離に関して単調増加するはずであり、比偏波間位相差KDPは常に正の値になるはずである。しかし、観測された偏波間の位相差ΦDPに含まれるノイズのため、本来は現れることのない負の比偏波間位相差KDPが計算されている。そのノイズによる比偏波間位相差KDPの変動の半値幅は1°km-1から2°km-1程度であるが、降雨強度に換算すると20mm hour-1から35mm hour-1であり、この比偏波間位相差KDPの変動は無視できるものではない。 Originally, during rainfall, the phase difference Φ DP between the polarizations should increase monotonously with respect to the distance, and the phase difference K DP between the specific polarizations should always be a positive value. However, due to the noise included in the observed phase difference Φ DP between the polarizations, a negative specific polarization phase difference K DP that does not appear originally is calculated. The full width at half maximum of the variation of the phase difference K DP between specific polarizations due to the noise is about 1 ° km -1 to 2 ° km -1 , which is 20mm hour -1 to 35mm hour -1 in terms of rainfall intensity. Variation in the phase difference K DP between specific polarizations is not negligible.
本発明では、誤差要因による変動を補正して精度の良い比偏波間位相差KDPを演算する比偏波間位相差演算装置、及びそれを用いた降雨観測システム並びに比偏波間位相差演算方法を提供することを目的とする。 In the present invention, an inter-polarization phase difference calculating device that corrects a variation due to an error factor and calculates an accurate inter-polarization phase difference K DP , a rain observation system using the same, and a inter-polarization phase difference calculating method are provided. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の降雨減衰判定装置は、距離に関して変化する観測データの偏波間位相差の不連続な状況を補正し、元の連続的な観測された偏波間位相差を復元する偏波間位相差折り返し補正手段と、所定の閾値以下の偏波間相関係数を有する観測点のデータを、解析に使用しないように管理する品質管理手段と、観測された偏波間位相差の距離についての移動平均及び標準偏差を求め、それぞれの距離において、観測された偏波間位相差とその移動平均値との差が閾値を超えた場合、その距離のデータを移動平均値に置き換える外れ値除去手段と、降雨層と雨以外の降水粒子を含むと思われる領域を判別し、降雨層以外のデータを解析対象から外す降雨層の判別手段と、レンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件を決定する境界条件決定手段と、観測された偏波間位相差と求めるべき偏波間位相差との差の二乗及びローパスフィルタとして機能する距離に関する二階微分の二乗の和からなるコストファンクションを最小化する比偏波間位相差を決定する比偏波間位相差の決定手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the rain attenuation determination apparatus of the present invention corrects the discontinuous situation of the phase difference between the polarizations of the observation data changing with respect to the distance, and the original continuous observed phase difference between the polarizations is corrected. Interpolated polarization phase difference aliasing correction means, quality control means for managing observation point data having a correlation coefficient between polarizations equal to or less than a predetermined threshold so as not to be used for analysis, and observed polarization phase difference An outlier that calculates the moving average and standard deviation for the distance and replaces the distance data with the moving average if the difference between the observed polarization phase difference and the moving average exceeds the threshold at each distance. The removal means, the rain layer and the region that seems to contain precipitation particles other than rain, and the rain layer discrimination means that excludes the data other than the rain layer from the analysis target, and the boundary of the phase difference between the polarizations near and far from the range Minimizing the cost function consisting of the sum of the square of the difference between the observed phase difference between the polarization and the phase difference to be obtained and the square of the second derivative with respect to the distance acting as a low-pass filter And a means for determining a phase difference between specific polarizations for determining a phase difference between specific polarizations.
また、前記観測データの後方散乱による位相差を除去する除去手段と、を備えることを特徴とする。 And removing means for removing a phase difference caused by backscattering of the observation data.
また、Jobs及びJ'obsを観測された偏波間位相差Ψと求めるべき偏波間位相差ΦDPとの差の二乗和、Jlpfをローパスフィルタとして機能するkの距離に関する二階微分の二乗和、kをKDPにレンジビンの幅及び2をかけたものの平方根、Clpfをローパスフィルタの調整パラメータ、Φnear,Φfarをそれぞれレンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件、とし、以下の式(A)〜(F)とおいた場合、
さらに、比偏波間位相差演算装置を用いた降雨観測システムは、水平と垂直の二種類の偏波の電波を使用する二重偏波気象レーダーと、前記二重偏波気象レーダーによって観測されたデータを元に比偏波間位相差を演算する比偏波間位相差演算装置と、前記二重偏波気象レーダーの取得した観測データ及び前記比偏波間位相差演算装置が演算した比偏波間位相差から降雨強度分布を推定する降雨強度推定手段と、前記二重偏波気象レーダーの取得した観測データ及び前記比偏波間位相差演算装置が演算した比偏波間位相差から検知不能領域を推定する降雨減衰判定手段と、前記降雨強度推定手段の観測結果と前記降雨減衰判定手段の観測結果とから降雨強度分布を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする。 Furthermore, the rain observation system using the phase difference calculation device between specific polarizations was observed by a dual-polarization weather radar using radio waves of two types of polarization, horizontal and vertical, and the dual-polarization weather radar. A phase difference calculation device between specific polarizations that calculates a phase difference between specific polarizations based on data, observation data acquired by the dual polarization weather radar, and a phase difference between specific polarizations calculated by the phase difference calculation device between specific polarizations The rainfall intensity estimating means for estimating the rainfall intensity distribution from the rain, and estimating the undetectable region from the observation data acquired by the dual polarization weather radar and the phase difference between the specific polarizations calculated by the phase difference calculation unit between the specific polarizations It comprises attenuation determination means, and output means for outputting a rainfall intensity distribution from the observation result of the rainfall intensity estimation means and the observation result of the rain attenuation determination means.
さらに、比偏波間位相差演算方法は、距離に関して変化する観測データの偏波間位相差の不連続な状況を補正し、元の連続的な観測された偏波間位相差を復元するステップと、所定の閾値以下の偏波間相関係数を有する観測点のデータを、解析に使用しないように管理するステップと、観測された偏波間位相差の距離についての移動平均及び標準偏差を求め、それぞれの距離において、観測された偏波間位相差とその移動平均値との差が閾値を超えた場合、その距離のデータを移動平均値に置き換えるステップと、降雨層と雨以外の降水粒子を含むと思われる領域を判別し、降雨層以外のデータを解析対象から外すステップと、レンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件を決定するステップと、観測された偏波間位相差と求めるべき偏波間位相差との差の二乗及びローパスフィルタとして機能する距離に関する二階微分の二乗の和からなるコストファンクションを最小化する比偏波間位相差を決定するステップと、を有することを特徴とする。 Furthermore, the method for calculating the phase difference between specific polarizations corrects the discontinuous state of the phase difference between the polarizations of the observation data changing with respect to the distance, and restores the original continuous observed phase difference between the polarizations; The management of the observation point data having the correlation coefficient between the polarizations below the threshold value of not to be used for the analysis, the moving average and the standard deviation for the distance of the observed phase difference between the polarizations are obtained, and each distance is obtained. When the difference between the observed polarization phase difference and its moving average value exceeds the threshold, it is assumed that the data of the distance is replaced with the moving average value, and the precipitation layer and precipitation particles other than rain are included. The step of discriminating the region and excluding the data other than the rain layer from the analysis target, the step of determining the boundary condition of the phase difference between the polarizations near and far from the range, and the observed phase difference between the polarizations should be obtained. And having the steps of: determining the ratio polarizations phase difference that minimizes a cost function comprising a sum of the squares of the second order derivative with respect to distance that serves as the square and the low-pass filter of the difference between the polarizations phase difference, the.
また、前記レンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件を決定するステップは、前記レンジ近傍及び遠方から所定の個数の正常な観測データを用いて線形回帰直線を求めるステップと、前記レンジ近傍及び遠方で求めた前記線形回帰直線の傾きが正か負かを判断するステップと、前記レンジ近傍の前記線形回帰直線の傾きが正の場合、最近点に相当する値を近傍の境界条件とするステップと、前記レンジ近傍の前記線形回帰直線の傾きが負の場合、前記線形回帰直線を求めた前記レンジ近傍から所定の個数の正常な観測データの平均値を近傍の境界条件とするステップと、前記レンジ遠方の前記線形回帰直線の傾きが正の場合、最遠点に相当する値を遠方の境界条件とするステップと、前記レンジ遠方の前記線形回帰直線の傾きが負の場合、前記線形回帰直線を求めた前記レンジ遠方から所定の個数の正常な観測データの平均値を遠方の境界条件とするステップと、を有することを特徴とする。 Further, the step of determining the boundary condition of the phase difference between polarizations near and far from the range includes obtaining a linear regression line using a predetermined number of normal observation data from near and far from the range, and near the range and Determining whether the slope of the linear regression line obtained at a distance is positive or negative, and if the slope of the linear regression line near the range is positive, setting a value corresponding to the nearest point as a boundary condition in the vicinity And if the slope of the linear regression line near the range is negative, the average value of a predetermined number of normal observation data from the vicinity of the range from which the linear regression line was determined is used as a boundary condition of the neighborhood, When the slope of the linear regression line far from the range is positive, the step corresponding to the farthest point is a far boundary condition, and the slope of the linear regression line far from the range is negative. If, and having the steps of: a remote boundary conditions the mean value of normal observation data of the linear regression line the predetermined number from the range far obtained.
このような比偏波間位相差演算装置、及びそれを用いた降雨観測システム並びに比偏波間位相差推定方法により、誤差要因による変動を補正して精度の良い比偏波間位相差KDPを演算することが可能となる。 With such a specific polarization phase difference calculation device, a rain observation system using the same, and a specific polarization phase difference estimation method, the fluctuation due to the error factor is corrected and the accurate specific polarization phase difference K DP is calculated. It becomes possible.
本発明の実施の形態を図により説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明にかかる実施形態の降雨観測システムの主要構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a rainfall observation system according to an embodiment of the present invention.
図中、1は降雨観測システム、2は二重偏波気象レーダー、3は比偏波間位相差演算装置、31は偏波間位相差折り返し補正手段、32は偏波間相関係数による偏波間位相差の品質管理手段、33は偏波間位相差の外れ値除去手段、34は後方散乱による位相差の除去手段、35は降雨層の判別手段、36は偏波間位相差の境界条件決定手段、37はコストファンクションを最小化する比偏波間位相差の決定手段、4は降雨強度推定手段、5は降雨減衰判定手段、6は出力手段である。 In the figure, 1 is a rain observation system, 2 is a dual-polarization weather radar, 3 is a phase difference calculation device between specific polarizations, 31 is a phase difference folding correction means between polarizations, and 32 is a phase difference between polarizations based on a correlation coefficient between polarizations. Quality control means, 33 is an out-of-polarization phase outlier removal means, 34 is a phase difference removal means due to backscattering, 35 is a precipitation layer discrimination means, 36 is an inter-polarization phase difference boundary condition determination means, 37 Specific polarization phase difference determining means for minimizing the cost function, 4 is rainfall intensity estimating means, 5 is rain attenuation determining means, and 6 is output means.
降雨観測システム1は、二重偏波気象レーダー2によって観測されたデータを元に、比偏波間位相差演算装置3で比偏波間位相差KDPを演算し、降雨強度推定手段4及び降雨減衰判定手段5で降雨の状態を求めて出力手段6から出力するものである。
The rain observation system 1 calculates the inter-polarization phase difference K DP by the inter-polarization phase
本実施形態では、二重偏波気象レーダー2として、Xバンドマルチパラメータレーダーを適用する。二重偏波気象レーダー2は、水平と垂直の二種類の偏波の電波を使用する。これは、雨の強度により雨滴の形状が変化する原理を利用するからである。雨滴は粒径が大きくなると球状から扁平な形状に変化する。二重偏波気象レーダー2は、この形状の変化を、水平と垂直の二種類の偏波の電波により観測することができる。なお、本実施形態ではXバンドマルチパラメータレーダーを適用したが、これに限らず、二重偏波レーダーであればよい。二重偏波気象レーダー2は、アンテナから水平と垂直の二種類の偏波の電波を送信する。これらの電波は、雨滴で散乱し、アンテナに受信される。この受信された電波から観測データとして様々なパラメータが取得され、比偏波間位相差演算装置3に出力される。
In the present embodiment, an X-band multi-parameter radar is applied as the dual
比偏波間位相差演算装置3は、二重偏波気象レーダー2が出力した観測データを用いて、誤差要因による変動を補正して精度の良い比偏波間位相差KDPを推定するものである。詳細な構成については後述する。
The inter-polarization phase
降雨強度推定手段4は、二重偏波気象レーダー2の取得した観測データを比偏波間位相差演算装置3が補正演算した補正データから降雨強度分布を推定する。また、降雨減衰判定手段5は、二重偏波気象レーダー2の取得した観測データを比偏波間位相差演算装置3が補正演算した補正データから検知不能領域を推定する。そして、その結果を考慮し補正した観測結果の表示データや数値データを出力手段6が出力する。
The rainfall intensity estimating means 4 estimates the rainfall intensity distribution from the corrected data obtained by correcting the observation data acquired by the dual
なお、二重偏波気象レーダー2、降雨強度推定手段4、及び降雨減衰判定手段5については、特許文献1及び2に記載された技術を用いてもよい。
Note that the techniques described in
以下、比偏波間位相差演算装置3による比偏波間位相差KDPの推定方法について説明する。
Hereinafter, the method of estimating the specific polarization phase
二重偏波気象レーダー2で観測された偏波間位相差Ψには、電波が降雨中を伝搬する際に生じる偏波間の位相差ΦDP以外にもi)後方散乱の位相差δによる局所的な偏波間の位相差ΦDPのピーク、及びii)ノイズが含まれている。これらの誤差要因は、図11に示したように、局所的に現れるものであり、距離に関する相関関係はほぼ無いものと考える。よって、本実施形態では、レンジ全体のプロファイルが、二重偏波気象レーダー2観測された偏波間位相差Ψに近く、且つ単調増加する偏波間の位相差ΦDPを求めることにより、比偏波間位相差KDPを推定する。
In addition to the phase difference between polarized waves Φ DP generated when radio waves propagate in rain, i) local phase difference due to backscattering phase difference δ Peak of phase difference Φ DP between various polarizations, and ii) noise. These error factors appear locally as shown in FIG. 11, and are considered to have almost no correlation with respect to distance. Therefore, in the present embodiment, the profile of the entire range is close to the phase difference Ψ between the polarizations observed by the dual-
図2は、二重偏波気象レーダー2で観測された偏波間位相差Ψの折り返し補正処理のフローチャートである。また、図3は、二重偏波気象レーダー2で観測された偏波間位相差Ψの折り返し補正前と補正後を示す図である。
FIG. 2 is a flowchart of the aliasing correction processing of the polarization phase difference Ψ observed by the dual
偏波間位相差は、距離に関して連続的に変化していくパラメータであるが、位相は一般に0°〜360°の範囲で測定される。そのため、観測された偏波間位相差Ψが350°から370°に変化する場合、その測定値は、350°から360°へ変化した後、0°から10°に変化するような不連続な状況が生じる。このような状況を折り返しという。したがって、すべての処理に先立ち、図1に示した偏波間位相差折り返し補正手段31がこの折り返しを補正し、元の連続的な観測された偏波間位相差Ψを復元する。 The phase difference between the polarizations is a parameter that changes continuously with respect to the distance, but the phase is generally measured in the range of 0 ° to 360 °. Therefore, when the observed inter-polarization phase difference Ψ changes from 350 ° to 370 °, the measured value changes from 350 ° to 360 ° and then changes from 0 ° to 10 °. Occurs. This situation is called turnaround. Therefore, prior to all the processing, the inter-polarization phase difference folding correction means 31 shown in FIG. 1 corrects this folding and restores the original continuously observed inter-polarization phase difference Ψ.
図2に示すように、二重偏波気象レーダー2で観測された偏波間位相差Ψの折り返し補正処理は、まず、ステップ1で、観測された偏波間位相差Ψiについてsin(Ψi)とcos(Ψi)を計算し、それぞれの距離について以下の式(3)で示す移動平均プロファイルを求める(ST1)。移動平均を求める際のデータの平均個数は、30個から50個程度、距離に換算して、3kmから5km程度とする。なお、iは距離に関する添え字である。
次に、ステップ2で、最も二重偏波気象レーダー2に近い距離(i=0)に関して、以下の式(4)を求める(ST2)。
次に、ステップ3で、i=1,2,3・・・に関して、ループ処理し、次の手順でΨiを求める(ST3)。
Next, in
まず、以下の式(5)を計算する。
続いて、以下の式(6)を満足する整数nを決定し、以下の式(7)とする。
次に、ステップ4で、すべてのiに対して以下の式(8)を満足する整数miを決定する(ST4)。
次に、ステップ5で、距離iにおける観測された偏波間位相差Ψiに対して、補正量360×miを加算する(ST5)。
Next, in
このように、二重偏波気象レーダー2で観測された偏波間位相差Ψの折り返し補正処理を行うと、図3(a)のデータを図3(b)のデータのように、連続的に復元することが可能となる。
In this way, when the return correction processing of the polarization phase difference Ψ observed by the dual-
次に、偏波間相関係数による偏波間位相差の品質管理手段32によって、品質管理処理を実行する。 Next, the quality management process is executed by the quality management means 32 for the phase difference between the polarizations based on the correlation coefficient between the polarizations.
偏波間相関係数ρHVは、二重偏波気象レーダー2で測定可能なパラメータである。二重偏波気象レーダー2の受信機により出力される複素数形式の受信信号時系列について、水平及び垂直偏波に関する自己相関関数をそれぞれRH、RVとし、偏波間の相互相関関数をRHVとすると、以下の式(9)及び式(10)が成り立つ。ただし、argは、複素数の偏角である。
偏波間相関係数ρHVが小さくなると、受信信号ノイズに対する偏波間の位相差ΦDP(観測される偏波間位相差Ψ)の応答は大きくなる。つまり、偏波間相関係数ρHVが小さい場合、観測された偏波間位相差Ψに現れるノイズ変動も多くなり、偏波間の位相差ΦDP(比偏波間位相差KDP)を高精度に決定することが困難になる。 When the correlation coefficient ρ HV between the polarizations becomes small, the response of the phase difference Φ DP between the polarizations to the received signal noise (observed phase difference Ψ between the polarizations) becomes large. In other words, when the correlation coefficient ρ HV between polarizations is small, noise fluctuations appear in the observed phase difference Ψ between polarizations, and the phase difference Φ DP between polarizations (specific phase difference K DP between polarizations) is determined with high accuracy. It becomes difficult to do.
通常の降雨中では、偏波間相関係数ρHVは1に近い値となるが、S/N比が小さい場合や、非降水エコーの場合は、1より小さい値となる。そこで、S/N比が小さい領域や非降水エコーのデータが偏波間の位相差ΦDP(比偏波間位相差KDP)の導出に悪影響を与えないように、所定の閾値以下の偏波間相関係数ρHVを有する観測点のデータを、未定義値や無効値を代入することで、解析に使用しないようにする。偏波間相関係数ρHVの閾値としては、0.5〜0.7程度が好ましい。 During normal rainfall, the correlation coefficient ρ HV between polarizations is close to 1, but it is less than 1 when the S / N ratio is small or in the case of non-precipitation echoes. Therefore, in order to prevent the data of the region where the S / N ratio is small and the non-precipitation echo from adversely affecting the derivation of the phase difference Φ DP (specific polarization phase difference K DP ) between the polarizations, The data of the observation point having the relation number ρ HV is not used for analysis by substituting undefined values and invalid values. The threshold value of the correlation coefficient ρ HV between polarizations is preferably about 0.5 to 0.7.
次に、偏波間位相差の外れ値除去手段33によって、外れ値除去処理を実行する。 Next, outlier removal processing is executed by the outlier removal means 33 for the phase difference between the polarizations.
外れ値除去処理では、観測された偏波間位相差Ψの距離についての移動平均及び標準偏差を求める。それぞれの距離において、観測された偏波間位相差Ψとその移動平均値との差が閾値を超えた場合、その距離のデータを移動平均値に置き換える。閾値は移動標準偏差の2倍程度とする。移動平均及び標準偏差を求める際のデータの平均個数は、30個から50個程度、距離に換算して、3kmから5km程度とする。 In the outlier removal processing, a moving average and a standard deviation with respect to the observed distance between the polarization phase differences Ψ are obtained. If the difference between the observed polarization phase difference Ψ and its moving average value exceeds the threshold value at each distance, the data of the distance is replaced with the moving average value. The threshold is about twice the moving standard deviation. The average number of data when calculating the moving average and the standard deviation is about 30 to 50, and is about 3 to 5 km in terms of distance.
次に、後方散乱による位相差δの除去手段34によって、後方散乱による位相差の除去処理を実行する。後方散乱による位相差δの除去のために、本実施形態では、繰り返しフィルタ法(非特許文献1参照)を適用する。なお、後方散乱による位相差の除去処理は、ローパスフィルタの制御係数を比較的大きな値とした場合、同様の効果を得ることができるので、省略してもよい。 Next, a phase difference removal process due to backscattering is executed by the phase difference δ removal means 34 due to backscattering. In this embodiment, an iterative filter method (see Non-Patent Document 1) is applied to remove the phase difference δ due to backscattering. Note that the phase difference removal processing due to backscattering may be omitted because the same effect can be obtained when the control coefficient of the low-pass filter is set to a relatively large value.
図4は、後方散乱による位相差の除去処理のフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart of the processing for removing the phase difference due to backscattering.
後方散乱による位相差の除去処理は、図4に示すように、まず、ステップ11で、観測された偏波間位相差Ψに対して4km程度のカットオフ周期を有するFIRフィルタを適用したプロファイルを作成し、Ψ’として出力する(ST11)。 As shown in FIG. 4, the phase difference removal processing by backscattering first creates a profile in which an FIR filter having a cutoff period of about 4 km is applied to the observed inter-polarization phase difference Ψ in step 11. And output as Ψ ′ (ST11).
次に、ステップ12で、FIRフィルタ適用前後の値の差|Ψi−Ψ'i|が所定の閾値より大きいか否かを判断する(ST12)。
Next, in
ステップ12において、FIRフィルタ適用前後の値の差|Ψi−Ψ'i|が所定の閾値より大きい場合、ステップ13で、ΨiにΨ'iを代入する(ST13)。
If the difference | Ψ i −Ψ ′ i | before and after the application of the FIR filter is larger than a predetermined threshold in
ステップ12において、FIRフィルタ適用前後の値の差|Ψi−Ψ'i|が所定の閾値より小さい場合、ステップ14に進む。
In
次に、ステップ14で、すべてのレンジビンで値の置き換えが無くなったか否かを判断する(ST14)。
Next, in
ステップ14において、すべてのレンジビンで値の置き換えが無くなっていない場合、ステップ11に戻る。
If it is determined in
ステップ14において、すべてのレンジビンで値の置き換えが無くなった場合、後方散乱による位相差の除去処理を終了する。
In
次に、降雨層の判別手段35によって降雨層の判別処理を実行する。 Next, the rain layer discrimination processing is executed by the rain layer discrimination means 35.
図5は、降雨層及び融解層の概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram of the rain layer and the melted layer.
本実施形態では、偏波間の位相差ΦDPの単調増加を仮定するため、降雨層のみで適用可能である。そのため、雨以外の降水粒子を含むと思われる図5に示した降雪層及び融解層のデータを、融解層下端に相当する距離以遠のデータに未定義値や無効値を代入することで、解析に用いないようにする。 In this embodiment, since it is assumed that the phase difference Φ DP between polarized waves is monotonically increased, the present invention can be applied only to the rain layer. Therefore, by substituting undefined values and invalid values into the data beyond the distance corresponding to the bottom of the melting layer, the data of the snow layer and melting layer shown in Fig. 5 that seems to contain precipitation particles other than rain can be analyzed. Don't use it.
降雨層の判別は、二重偏波気象レーダー2の観測結果を用いた降水粒子判別の結果を用いることも可能であるが、別途用意する気温の鉛直プロファイルやGPV(Grid Point Value)データから気温が0℃となる高度を調べて、融解層の厚さを仮定することでも決定することが可能である。
The precipitation layer can be identified by using the result of precipitation particle identification using the observation result of the dual-
次に、偏波間位相差の境界条件決定手段36によって偏波間位相差の境界条件決定処理を実行する。偏波間位相差の境界条件決定処理では、レンジ近傍及び遠方における偏波間の位相差ΦDPの境界条件(Φnear・Φfar)を決定する。 Next, boundary condition determination processing for the phase difference between polarizations is executed by the boundary condition determination means 36 for the phase difference between polarizations. In the boundary condition determination processing for the phase difference between the polarizations, the boundary condition (Φ near · Φ far ) of the phase difference Φ DP between the polarizations in the vicinity of the range and in the distance is determined.
図6は、偏波間位相差の境界条件決定処理のフローチャートである。また、図7は、偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイルと変数の概念図である。 FIG. 6 is a flowchart of boundary condition determination processing for the phase difference between polarizations. FIG. 7 is a conceptual diagram of the range profile and variables of the phase difference Φ DP between the polarizations.
図7において、横軸は距離、縦軸は偏波間の位相差ΦDPである。また、点は観測された偏波間位相差Ψである。rnearは、有効データの存在する最近点におけるレーダーからの距離、rfarは、有効データの存在する最遠点におけるレーダーからの距離である。近傍境界領域BDnear内の点は偏波間の位相差ΦDPの近傍境界条件Φnearを決定するために用いられる近傍領域観測値、遠方境界領域BDfar内の点は偏波間の位相差ΦDPの遠方境界条件Φfarを決定するために用いられる遠方領域観測値である。近傍境界領域BDnear内の実線はその境界値の決定に用いられた近傍回帰直線A1であり、遠方境界領域BDfar内の実線はその境界値の決定に用いられた遠方回帰直線B1である。また、破線Lnは決定されたレンジ近傍の境界条件Φnearであり、破線Lfは決定されたレンジ遠方の境界条件Φfarである。 In FIG. 7, the horizontal axis represents the distance, and the vertical axis represents the phase difference Φ DP between the polarized waves. The point is the observed polarization phase difference Ψ. r near is the distance from the radar at the nearest point where valid data exists, and r far is the distance from the radar at the farthest point where valid data exists. Neighboring region observed values used to determine the neighborhood boundary conditions [Phi near the points of the phase difference [Phi DP of polarization near the boundary region BD in near, the phase difference [Phi DP of the points distant boundary region BD in far-polarization This is a far field observation value used to determine the far boundary condition Φ far of. The solid line in the near boundary region BD near is the neighborhood regression line A1 used to determine the boundary value, and the solid line in the far boundary region BD far is the far regression line B1 used to determine the boundary value. A broken line Ln is a boundary condition Φ near near the determined range, and a broken line Lf is a boundary condition Φ far near the determined range.
偏波間位相差の境界条件決定処理は、図6に示すように、まず、ステップ21で、レンジ近傍から指定した個数の正常な観測データを用いて、近傍境界条件算出のための区間を決定し、その区間内で近傍回帰直線A1を求める(ST21)。 As shown in FIG. 6, in the boundary condition determination process between the polarization phase differences, first, in step 21, the number of normal observation data designated from the vicinity of the range is used to determine a section for calculating the boundary condition. Then, the neighborhood regression line A1 is obtained within the section (ST21).
本実施形態では、図7に示すように、近傍境界データとして近傍領域BDnear内のデータを使用し、近傍領域BDnear内で近傍回帰直線A1を求めた。なお、データの個数は、30個〜50個程度が好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the data in the neighborhood area BD near is used as the neighborhood boundary data, and the neighborhood regression line A1 is obtained in the neighborhood area BD near . The number of data is preferably about 30 to 50.
次に、ステップ22で、近傍回帰直線A1の傾きが正か負かを判断する(ST22)。 Next, in step 22, it is determined whether the slope of the neighborhood regression line A1 is positive or negative (ST22).
ステップ22において、近傍回帰直線A1の傾きが正の場合、ステップ23で、近傍回帰直線A1の最近点に相当する値をレンジ近傍における近傍境界条件Φnearとする(ST23)。 In step 22, if the slope of the neighborhood regression line A1 is positive, in step 23, the value corresponding to the nearest point of the neighborhood regression line A1 is set as the neighborhood boundary condition Φ near in the vicinity of the range (ST23).
ステップ22において、近傍回帰直線A1の傾きが負の場合、ステップ24で、近傍領域BDnear内のデータの平均値をレンジ近傍における近傍境界条件Φnearとする(ST24)。 If the slope of the neighborhood regression line A1 is negative in step 22, the average value of the data in the neighborhood region BD near is set as the neighborhood boundary condition Φ near in the neighborhood of the range (ST24).
本実施形態では、図7に示すように、近傍回帰直線A1の傾きが正なので、近傍回帰直線A1の最近点に相当する値をレンジ近傍における近傍境界条件Φnearとした。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, since the slope of the neighborhood regression line A1 is positive, the value corresponding to the nearest point of the neighborhood regression line A1 is set as the neighborhood boundary condition Φ near in the vicinity of the range.
次に、ステップ25で、レンジ遠方から指定した個数の正常な観測データを用いて、遠方境界条件算出のための区間を決定し、その区間内で遠方回帰直線B1を求める(ST25)。
Next, in
本実施形態では、図7に示すように、遠方境界データとして遠方領域BDfar内のデータを使用し、遠方領域BDfar内で遠方回帰直線B1を求めた。なお、データの個数は、30個〜50個程度が好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, data in the far region BD far is used as the far boundary data, and the far regression line B1 is obtained in the far region BD far . The number of data is preferably about 30 to 50.
次に、ステップ26で、遠方回帰直線B1の傾きが正か負かを判断する(ST26)。 Next, in step 26, it is determined whether the slope of the far regression line B1 is positive or negative (ST26).
ステップ26において、遠方回帰直線B1の傾きが正の場合、ステップ27で、遠方回帰直線B1の最遠点に相当する値をレンジ遠方における遠方境界条件Φfarとする(ST27)。 If the slope of the far regression line B1 is positive in step 26, in step 27, the value corresponding to the farthest point of the far regression line B1 is set as the far boundary condition Φ far in the far range (ST27).
ステップ26において、遠方回帰直線B1の傾きが負の場合、ステップ28で、遠方領域BDfar内のデータの平均値をレンジ遠方における遠方境界条件Φfarとする(ST28)。 If the slope of the far regression line B1 is negative in step 26, in step 28, the average value of the data in the far region BD far is set as the far boundary condition Φ far in the far range (ST28).
本実施形態では、図7に示すように、遠方回帰直線B1の傾きが負なので、遠方領域BDfar内のデータの平均値をレンジ遠方における遠方境界条件Φfarとした。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, since the slope of the far regression line B1 is negative, the average value of the data in the far region BD far is set to the far boundary condition Φ far in the far range.
次に、コストファンクションを最小化する比偏波間位相差KDPの決定手段37によってコストファンクションを最小化する比偏波間位相差KDPの決定処理を実行する。 Then, to execute the process of determining the ratio polarizations retardation K DP that minimizes a cost function by the ratio polarization retardation K DP determining means 37 that minimizes a cost function.
図8は、コストファンクションを最小化する比偏波間位相差の決定処理のフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart of the process for determining the phase difference between specific polarizations that minimizes the cost function.
コストファンクションを最小化する比偏波間位相差KDPの決定処理は、図8に示すように、まず、ステップ31で、偏波間位相差プロファイルの傾きの全区間平均値を求め、その値からkaを計算し、これをkmの初期値とする。ただし,mは距離に関する添え字でm=0,1,2,・・・,Nである(ST31)。
As shown in FIG. 8, in the determination process of the relative polarization phase difference K DP that minimizes the cost function, first, in
本手法では、KDPは、常に正の値をとると仮定するので、以下の式(11)が成り立つkiを定義する。ただし、iはmと同様に距離に関する添え字でi=0,1,2,・・・,Nである。
まず、すべての処理に先立ち、kmの初期プロファイルを設定しておく。この初期プロファイルとして、全レンジビンにおける比偏波間位相差KDPの平均値に対応するkaをすべてのレンジビンに与える。 Prior to all processing, setting the initial profile of k m. As this initial profile, providing a k a corresponding to the average value of the ratio polarizations retardation K DP in all range bins to all range bins.
図7の偏波間の位相差ΦDPのプロファイルにおいて、プロファイルの傾きの平均値は、以下の式(12)で表されるので、式(1)と式(11)及び式(12)より、kmの初期値であるkaは、式(13)のように表される。
次に、ステップ32で、現在のkmに対して、コストファンクション及びkmに関する微分値を計算する(ST32)。
Next, at
観測された偏波間位相差ΨのレンジプロファイルΨiに近似させて求める偏波間の位相差ΦDPのレンジプロファイルを(ΦDP)iとする。ここで、iは距離に関する添え字でi=0,1,2,・・・,Nである。この偏波間の位相差レンジプロファイル(ΦDP)iに関して以下の式(14)が成り立つ図7に示すようなφiを定義する。
式(1)より、φiを離散化した積分形で表現すると、以下の式(15)及び式(16)で表される。
式(11)を用いると、式(16)は式(17)のように置き換えられる。
一方、図7に示すようなφ'iを以下の式(18)のように定義すると、φiと同様に、以下の式(19)及び式(20)が成り立つ。
観測された偏波間位相差ΨのレンジプロファイルΨiに関しても同様に、以下の式(21)及び式(22)となるψi,ψ'iを定義する。
ここで、最小にすべきコストファンクションJを以下の式(23)、式(24)、式(25)及び式(26)のように定義する。
Jobs及びJ'obsは、観測された偏波間位相差Ψと求めるべき偏波間位相差ΦDPとの差の二乗和であり、Jlpfは、ローパスフィルタとして機能するkの距離に関する二階微分の二乗和である。Clpfは、ローパスフィルタの調整パラメータであって、ローパスフィルタの調整パラメータClpfが大きいほど結果は滑らかになる。 J obs and J ′ obs are the sum of squares of the difference between the observed polarization phase difference Ψ and the polarization difference Φ DP to be obtained, and J lpf is the second derivative of the k-distance that functions as a low-pass filter. The sum of squares. C lpf is an adjustment parameter for the low-pass filter. The larger the adjustment parameter C lpf for the low-pass filter, the smoother the result.
ここで、調整パラメータClpfによって調整されるローパスフィルタの特性について考察する。コストファンクションJは、観測データへのフィッティングを行うためのJobs+J'obsと、ローパスフィルタの機能を持つJlpfからなる。JlpfがJobs+J'obsより大きな値になる場合、コストファンクション全体におけるJlpfの寄与が大きくなるため、その平滑化の効果が大きくなる。逆に、JlpfがJobs+J'obsより小さな値になる場合、その平滑化の効果は小さくなる。 Here, the characteristics of the low-pass filter adjusted by the adjustment parameter C lpf will be considered. The cost function J includes J obs + J ′ obs for fitting to observation data and J lpf having a low-pass filter function. When J lpf is larger than J obs + J ′ obs , the contribution of J lpf to the entire cost function increases, and the smoothing effect increases. On the contrary, when J lpf becomes a value smaller than J obs + J ′ obs , the smoothing effect becomes small.
今、kが距離方向に波長Lで周期的に変化すると仮定して、kを以下の式(27)のようにおき、式(11)に代入すると、以下の式(28)のようになる。
式(27)に対応するKDPの周期的変化の波長はL/2となり、その変動幅は0からa2/2Δrである。このkのrに関する二階微分の二乗は、以下の式(29)のようになる。
この値のすべてのレンジビンにおける平均値は、以下の式(30)である。
したがって、式(26)より、以下の式(31)が求まる。
一方、Jobs及びJ'obsは、偏波間位相差の観測誤差の二乗平均に相当する量であり、その値をσobs 2とおくと、JlpfとJobs+J'obsがおよそ等しい値になる場合、以下の式(32)を満足し、変形すると式(33)となる。
つまり、Lが式(33)の右辺よりも小さな値の場合、JlpfはJobs+J'obsよりも大きな値になるため、平滑化の効果が大きくなる。調整パラメータClpfの設定にあたっては、式(33)が数百メートルから数キロメートルになるような値を設定するとよい。 That is, when L is a value smaller than the right side of Expression (33), J lpf is a value larger than J obs + J ′ obs , so that the smoothing effect is increased. In setting the adjustment parameter C lpf , it is preferable to set a value such that the expression (33) is several hundred meters to several kilometers.
また、式(33)からわかるように、波長Lは調整パラメータClpfの1/4乗に比例する。つまり、調整パラメータClpfの値が10倍になっても、波長Lの変化量は約1.78倍しかないので、調整パラメータClpfの細かな変動にあまり意味はない。調整パラメータClpfの調整にあたっては、10-3倍から103倍程度の変化幅で行うことが好ましい。 Further, as can be seen from the equation (33), the wavelength L is proportional to the 1/4 power of the adjustment parameter C lpf . That is, even if the value of the adjustment parameter C lpf is increased ten times, the amount of change in the wavelength L is only about 1.78 times, so there is little meaning to the minute fluctuation of the adjustment parameter C lpf . The adjustment of the adjustment parameter C lpf is preferably performed with a change width of about 10 −3 times to 10 3 times.
変分法を用いてJを最小化するkmを求めるために、以下の式(34)、式(35)、及び式(36)のように、Jのkmについての偏微分を求める。
次に、ステップ33で、現在のkmよりもコストファンクションを小さくするkmを求める(ST33)。
Next, at
定義したコストファンクションJのkmに関する偏微分が既知であることから、本実施形態では、非線形計画問題を扱う準ニュートン法の一種であるBFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-shanno)法を用いてコストファンクションJを最小化するkmを求める。なお、BFGS法に限らず、他の手法を用いてもよい。 Since the partial differential related to k m of the defined cost function J is known, in the present embodiment, by using the BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb- shanno) method which is a kind of quasi-Newton method to deal with non-linear programming problem cost Find km m that minimizes function J. In addition, you may use not only the BFGS method but another method.
ニュートン法では、あるベクトルv=(v1,v2,・・・,vn)の関数F(v)について、以下の式(37)で定義されるヘッセ行列A(v)を用いて、以下の式(38)により関数F(v)を最小化するvを求める。ただし、添え字kは反復回数を表す添え字であり、αは別途一次元探索で決定するステップサイズである。
しかし、この漸化式にはヘッセ行列の逆行列が含まれており、その計算コストは非常に大きい。準ニュートン法と呼ばれる手法では、このヘッセ行列の逆行列の代わりに、それを逐次近似したHを使用し、次の漸化式(39)により最終的なvを求める。
BFGS法では、次の漸化式(40)により、Hを求める。
行列Hは、n×nのサイズを持つため、nが大きな問題をBFGS法で扱う場合、Hのための計算機メモリ容量が問題となる。レーダーデータの場合、レンジビン数は、数百個程度であるため、計算機上におけるHについてのメモリ使用量は、数メガバイト程度でしかないので、問題なく、BFGS法を使用することが可能である。 Since the matrix H has a size of n × n, when a problem with a large n is handled by the BFGS method, the computer memory capacity for H becomes a problem. In the case of radar data, since the number of range bins is about several hundreds, the amount of memory used for H on the computer is only about several megabytes, so the BFGS method can be used without any problem.
次に、ステップ34で、kmが収束したか否かを判定する(ST34)。
Next, at
ステップ34において、kmが収束していない場合、ステップ32に戻る。
In
ステップ34において、kmが収束した場合、ステップ35で、最終的なkmに対応する比偏波間位相差KDPを式(11)より求める(ST35)。
In
図9は、図12の観測された偏波間の位相差ΦDPに対して、本実施形態の手法を用いた結果を示す図である。滑らかな線が本手法の結果である。 FIG. 9 is a diagram showing a result of using the method of this embodiment with respect to the observed phase difference Φ DP between the polarizations in FIG. A smooth line is the result of this method.
このレンジプロファイルのレンジビンの幅Δrは100mであり、調整パラメータClpfとして1.0×1011を用いた。なお、本実施形態では、繰り返しフィルタ法は使用していない。 The range bin width Δr of this range profile is 100 m, and 1.0 × 10 11 is used as the adjustment parameter Clpf . In the present embodiment, the iterative filter method is not used.
図9(a)に示すように、観測された偏波間の位相差ΦDPには、距離17km付近で大きなδが含まれているが、本実施形態の結果では、δは除去されている。 As shown in FIG. 9A, the observed phase difference Φ DP between the polarized waves includes a large δ near the distance of 17 km, but δ is removed in the result of the present embodiment.
また、観測された観測された偏波間の位相差ΦDPに対し、幅1kmの線形回帰により求めた比偏波間位相差KDPには、図9(b)に示すように、負の値が多く算出されているが、本実施形態の結果では、負の比偏波間位相差KDPは、算出されていない。さらに、距離15km付近の比偏波間位相差KDPのピーク値付近では、両方の手法によるプロファイルは、ほぼ一致している。 Further, as shown in FIG. 9B, a negative value is obtained in the specific polarization phase difference K DP obtained by linear regression having a width of 1 km with respect to the observed phase difference Φ DP between the observed polarizations. Although many are calculated, the negative specific polarization phase difference K DP is not calculated in the result of the present embodiment. Furthermore, the ratio polarization near the phase difference peak value of K DP near distance 15km, profile by both methods is almost identical.
図10は、本実施形態における調整パラメータClpfの依存性を調べたものである。 FIG. 10 shows the dependency of the adjustment parameter Clpf in this embodiment.
図10(c)の結果は、図9(b)と同じものであり、その結果を基準として、調整パラメータClpfを変倍して結果を調べた。 The result of FIG. 10C is the same as that of FIG. 9B, and the adjustment parameter C lpf was scaled with the result as a reference, and the result was examined.
図10(a)は図10(c)の調整パラメータClpfを10-2倍して、調整パラメータClpf=1.0×109とした場合、図10(b)は図10(c)の調整パラメータClpfを10-1倍して、調整パラメータClpf=1.0×1010とした場合、図10(d)は図10(c)の調整パラメータClpfを101倍して、調整パラメータClpf=1.0×1011とした場合、及び図10(e)は図10(c)の調整パラメータClpfを102倍して、調整パラメータClpf=1.0×1013とした場合、をそれぞれ示す図である。
FIG. 10A shows a case where the adjustment parameter C lpf in FIG. 10C is multiplied by 10 −2 so that the adjustment parameter C lpf = 1.0 × 10 9 . adjustment parameter C lpf by
調整パラメータClpfが大きくなるほど比偏波間位相差KDPの変動は滑らかになり、そのピーク値が小さくなることがわかる。また、調整パラメータClpfが小さくなると、ピーク手前側の比偏波間位相差KDPと比較してピーク奥側の比偏波間位相差KDPの落ち込みが急激になる様子が見られる。これは、比偏波間位相差KDPを正の値に拘束しながら偏波間の位相差ΦDPを観測地にフィットさせる際に、偏波間の位相差ΦDPの上方向に凸の部分で偏波間の位相差ΦDPの変化が抑えられ、比偏波間位相差KDPが0になるように働く効果がより小さな空間スケールの凸部に対しても現れてしまうためである。 It can be seen that as the adjustment parameter Clpf increases, the variation of the specific polarization phase difference K DP becomes smoother and the peak value becomes smaller. Further, when the adjustment parameter Clpf is small, it can be seen that the drop of the relative polarization phase difference K DP on the peak rear side becomes sharper than the relative polarization phase difference K DP on the near peak side. This is because when the phase difference Φ DP between the polarizations is fitted to the observation site while the specific phase difference K DP between the specific polarizations is constrained to a positive value, the phase difference Φ DP between the polarizations is biased upward. This is because the change in the phase difference Φ DP between the waves is suppressed, and the effect of causing the phase difference K DP between the specific polarizations to be zero appears even on the convex portion of the smaller spatial scale.
また、観測された偏波間の位相差ΦDPにおいて、後方散乱による位相差δの影響も同様な凸として現れる。小さな調整パラメータClpfを使用する倍、繰り返しフィルタを適用することが好ましい。 Further, in the observed phase difference Φ DP between the polarized waves, the influence of the phase difference δ due to backscattering also appears as a similar convexity. It is preferable to apply a double, iterative filter using a small adjustment parameter C lpf .
なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。 In addition, this invention is not limited by this embodiment. That is, in the description of the embodiments, many specific details are included for illustration, but those skilled in the art can add various variations and modifications to these details without departing from the scope of the present invention. It will be understood that this is not exceeded. Accordingly, the exemplary embodiments of the present invention have been described without loss of generality or limitation to the claimed invention.
1…降雨観測システム
2…二重偏波気象レーダー
3…比偏波間位相差演算装置
31…偏波間位相差折り返し補正手段
32…偏波間相関係数による偏波間位相差の品質管理手段
33…偏波間位相差の外れ値除去手段
34…後方散乱による位相差の除去手段
35…降雨層の判別手段
36…偏波間位相差の境界条件決定手段
37…コストファンクションを最小化する比偏波間位相差の決定手段
4…降雨強度推定手段
5…降雨減衰判定手段
6…出力手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (6)
所定の閾値以下の偏波間相関係数を有する観測点のデータを、解析に使用しないように管理する品質管理手段と、
観測された偏波間位相差の距離についての移動平均及び標準偏差を求め、それぞれの距離において、観測された偏波間位相差とその移動平均値との差が閾値を超えた場合、その距離のデータを移動平均値に置き換える外れ値除去手段と、
降雨層と雨以外の降水粒子を含むと思われる領域を判別し、降雨層以外のデータを解析対象から外す降雨層の判別手段と、
レンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件を決定する境界条件決定手段と、
観測された偏波間位相差と求めるべき偏波間位相差との差の二乗及びローパスフィルタとして機能する距離に関する二階微分の二乗の和からなるコストファンクションを最小化する比偏波間位相差を決定する比偏波間位相差の決定手段と、
を備えることを特徴とする比偏波間位相差演算装置。 Correcting the discontinuous state of the phase difference between the polarizations of the observation data that changes with respect to the distance, and restoring the phase difference between the polarizations of the original continuous observation to restore the phase difference between the polarizations observed continuously,
Quality control means for managing observation point data having a correlation coefficient between polarizations below a predetermined threshold so as not to be used for analysis;
Obtain the moving average and standard deviation for the distance between the observed polarization phase differences, and if the difference between the observed polarization phase difference and the moving average value exceeds the threshold value at each distance, the distance data Outlier removal means that replaces with a moving average;
A method for determining a rain layer and a region that is considered to contain precipitation particles other than rain, and for determining a rain layer that excludes data other than the rain layer from the analysis target,
Boundary condition determining means for determining the boundary condition of the phase difference between the polarizations near and far from the range;
A ratio that determines the phase difference between the polarizations that minimizes the cost function consisting of the square of the difference between the observed phase difference between the polarizations and the phase difference between the polarizations to be determined and the square of the second derivative with respect to the distance that functions as a low-pass filter. Means for determining the phase difference between the polarizations;
An apparatus for calculating the phase difference between specific polarizations.
を備えることを特徴とする請求項1に記載の比偏波間位相差演算装置。 Removing means for removing a phase difference due to backscattering of the observation data;
The phase difference calculation apparatus between specific polarizations according to claim 1, comprising:
Jlpfをローパスフィルタとして機能するkの距離に関する二階微分の二乗和、
kをKDPにレンジビンの幅及び2をかけたものの平方根、 Clpfをローパスフィルタの調整パラメータ、
Φnear,Φfarをそれぞれレンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件、
とし、
以下の式(A)〜(F)とおいた場合、
The sum of squares of the second derivative with respect to the distance of k, where J lpf functions as a low-pass filter,
k is the square root of K DP multiplied by the width of the range bin and 2; C lpf is the adjustment parameter of the low-pass filter;
Φ near and Φ far are the boundary conditions of the phase difference between polarizations near and far from the range,
age,
When the following formulas (A) to (F) are used,
前記二重偏波気象レーダーによって観測されたデータを元に比偏波間位相差を演算する比偏波間位相差演算装置と、
前記二重偏波気象レーダーの取得した観測データ及び前記比偏波間位相差演算装置が演算した比偏波間位相差から降雨強度分布を推定する降雨強度推定手段と、
前記二重偏波気象レーダーの取得した観測データ及び前記比偏波間位相差演算装置が演算した比偏波間位相差から検知不能領域を推定する降雨減衰判定手段と、
前記降雨強度推定手段の観測結果と前記降雨減衰判定手段の観測結果とから降雨強度分布を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の比偏波間位相差演算装置を用いた降雨観測システム。 A dual-polarization weather radar that uses radio waves of two types of polarization, horizontal and vertical,
A phase difference calculation device between specific polarizations that calculates a phase difference between specific polarizations based on data observed by the dual polarization weather radar; and
A rainfall intensity estimating means for estimating a rainfall intensity distribution from the observation data acquired by the dual-polarization weather radar and the phase difference between specific polarizations calculated by the phase difference calculation unit between specific polarizations;
Rain attenuation determination means for estimating an undetectable region from the observation data acquired by the dual-polarization weather radar and the phase difference between specific polarizations calculated by the phase difference calculation unit between specific polarizations;
Output means for outputting a rainfall intensity distribution from the observation result of the rainfall intensity estimating means and the observation result of the rain attenuation determining means;
The rain observation system using the phase difference calculation apparatus between specific polarizations of any one of Claims 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned.
所定の閾値以下の偏波間相関係数を有する観測点のデータを、解析に使用しないように管理するステップと、
観測された偏波間位相差の距離についての移動平均及び標準偏差を求め、それぞれの距離において、観測された偏波間位相差とその移動平均値との差が閾値を超えた場合、その距離のデータを移動平均値に置き換えるステップと、
降雨層と雨以外の降水粒子を含むと思われる領域を判別し、降雨層以外のデータを解析対象から外すステップと、
レンジ近傍及び遠方における偏波間位相差の境界条件を決定するステップと、
観測された偏波間位相差と求めるべき偏波間位相差との差の二乗及びローパスフィルタとして機能する距離に関する二階微分の二乗の和からなるコストファンクションを最小化する比偏波間位相差を決定するステップと、
を有することを特徴とする比偏波間位相差演算方法。 Correcting the discontinuity of the phase difference between the polarizations of the observation data that varies with distance, and restoring the original continuous observed phase difference between the polarizations;
Managing data of observation points having a correlation coefficient between polarizations equal to or lower than a predetermined threshold so as not to be used for analysis;
Obtain the moving average and standard deviation for the distance between the observed polarization phase differences, and if the difference between the observed polarization phase difference and the moving average value exceeds the threshold value at each distance, the distance data Replacing with a moving average,
Discriminating regions that are likely to contain precipitation and non-rain precipitation particles, and removing non-rainfall data from the analysis;
Determining boundary conditions for the phase difference between polarizations near and far from the range;
Determining a specific interpolarization phase difference that minimizes the cost function consisting of the square of the difference between the observed interpolarization phase difference and the interpolarization phase difference to be determined, and the square of the second derivative with respect to the distance acting as a low-pass filter. When,
A method for calculating the phase difference between specific polarizations, comprising:
前記レンジ近傍及び遠方から所定の個数の正常な観測データを用いて線形回帰直線を求めるステップと、
前記レンジ近傍及び遠方で求めた前記線形回帰直線の傾きが正か負かを判断するステップと、
前記レンジ近傍の前記線形回帰直線の傾きが正の場合、最近点に相当する値を近傍の境界条件とするステップと、
前記レンジ近傍の前記線形回帰直線の傾きが負の場合、前記線形回帰直線を求めた前記レンジ近傍から所定の個数の正常な観測データの平均値を近傍の境界条件とするステップと、
前記レンジ遠方の前記線形回帰直線の傾きが正の場合、最遠点に相当する値を遠方の境界条件とするステップと、
前記レンジ遠方の前記線形回帰直線の傾きが負の場合、前記線形回帰直線を求めた前記レンジ遠方から所定の個数の正常な観測データの平均値を遠方の境界条件とするステップと、
を有することを特徴とする請求項5に記載の比偏波間位相差演算方法。 Determining the boundary condition of the phase difference between polarizations near and far from the range,
Obtaining a linear regression line using a predetermined number of normal observation data from near and far from the range;
Determining whether the slope of the linear regression line determined near and far from the range is positive or negative;
When the slope of the linear regression line near the range is positive, a value corresponding to the closest point is set as a boundary condition in the vicinity;
When the slope of the linear regression line in the vicinity of the range is negative, a step of setting an average value of a predetermined number of normal observation data from the vicinity of the range from which the linear regression line has been obtained as a boundary condition of the neighborhood;
When the slope of the linear regression line far from the range is positive, a value corresponding to the farthest point is set as a far boundary condition;
When the slope of the linear regression line far from the range is negative, the average value of a predetermined number of normal observation data from the far range to obtain the linear regression line as a far boundary condition;
The method of calculating a phase difference between specific polarizations according to claim 5.
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