JP2016085206A - 津波監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】到来する津波の波高を十分な精度で直接的に予測することができる津波監視システムを提供する。【解決手段】津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、所定の周波数を有する送信信号を発生する信号発生手段と、送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、ビート信号に基づいて、津波の海面の流速を算出する波高推定部と、算出された津波の海面の流速に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出し、算出された各時刻での津波の波高に基づいて、各時刻での津波の到達波高を算出する津波シミュレーション部と、算出された各時刻での津波の到達波高に基づいて、津波に対する到達時間及び到達波高を予測する到達予測部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーダによって津波の海面流速を計測し、波高および陸上への到達時刻を予測するための津波監視システムに関する。

近年、日本の沿岸部においては、大地震の発生により津波が来襲することが懸念されている。津波が沿岸に到達する前に、可能な限り早く精度良く到来を予測することは、効率のよい避難行動や対応を行うために重要である。従来、到来する津波を予測するため、幾つかの方法が提案されている。

例えば、現在の気象庁における津波予報システムでは、予め、津波を発生させる可能性のある断層を設定して津波の数値シミュレーションを行っておき、その結果を津波予報データベースとして蓄積している。実際に地震が発生した時はこのデータベースから発生した地震の位置や規模などに対応する予測結果を検索し、津波警報もしくは注意報の発表を行っている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、発生する津波の大きさを予測するのに必要な断層の位置やずれ量は、地震発生時に正確にわかるものではなく、後日のデータ分析に委ねられるため、津波の大きさや到達時刻などの発表値には誤差が大きいという問題があった。

また、別の方法としては、到来する津波を計測することができる、ブイなどの複数個のセンサを海上や海中に配置し、沖合で津波そのものを捕らえる試みも行われている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、この方法では空間的に点のデータしか得られないため、広い範囲にわたって到来する津波の波高や到来方向を詳細に予測するには十分とはいえなかった。さらに、電源の確保及び信号伝播路の確保に多額の費用を要し、また海上及び海中のセンサが必要なため、そのメンテナンスが容易でないという問題があった。

上述した問題を解決するために、近年、海洋レーダによる津波の監視が始められつつある（例えば特許文献３参照）。海洋レーダは、陸上に設置したアンテナから海面に電波を照射し、海面の波浪による後方散乱波を受信して周波数解析することにより百ｋｍ程度の幅広い領域における海流、波浪、海上風などを測定することができる。海洋レーダは広範囲を同時間に観測できるという特徴があり、陸上から観測できるため長期間の観測にも適している。しかしながら、海洋レーダにおいては、アンテナから照射される電波の視線方向の海面流速成分のみしか計測することができず、到来する津波の波高を直接計測することはできない。

従って、特許文献３記載の津波監視システムにおいては、計測された流速や地形モデル等の条件に基づき、予め用意された津波の経験則（例えば波高＝流速ｖ×ある関数Ｆ、到達時間Ｔ＝距離／位相速度など。）から、近傍の海岸の津波到達時間と波高の予測値を算出する必要があり、事前に津波の流速パターンから津波特性を予測するのに必要なデータベースを構築し、算出された流速分布をこれらデータベースに照合する必要がある。

特開２０１３−４０８９８号公報 特許第３５１２３３０号公報 特許第２７２１４８６号公報 特許第４５３４２００号公報

高橋智幸著、「津波防災における数値計算の利用」、日本流体力学会数値流体力学部門Ｗｅｂ会誌、２００４年１１月、第１２巻、第２号、ｐ．２３−３２ F. Imamura, Ahmet Cevdet Yalciner and Gulizar Ozyurt、"TSUNAMI MODELLING MANUAL (TUNAMI model)"、[online]、2006年4月、[2013年4月8日検索]、インターネット<URL : http://www.tsunami.civil.tohoku.ac.jp/hokusai3/J/projects/manual-ver-3.1.pdf> Kenji SATAKE,"INVERSION OF TSUNAMI WAVEFORMS FOR THE ESTIMATION OF A FAULT HETEROGENEITY: METHOD AND NUMERICAL EXPERIMENTS", J.Phys. Earth, 35, 241-254, 1987

しかしながら、特許文献３記載の津波監視システムでは、全ての津波のパターンに対して事前にシミュレーションを行うことは事実上不可能であるので、十分な精度で津波を予測することができないという問題があった。また、想定外の規模の津波においては精度がさらに悪化するという問題があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、到来する津波の波高を十分な精度で直接的に予測することができる津波監視システムを提供することにある。

本発明に係る津波監視システムは、
津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
所定の周波数を有する送信信号を発生する信号発生手段と、
送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、ビート信号に基づいて、津波の海面の流速を算出する波高推定部と、
算出された津波の海面の流速に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出し、算出された各時刻での津波の波高に基づいて、各時刻での津波の到達波高を算出する津波シミュレーション部と、
算出された各時刻での津波の到達波高に基づいて、津波に対する到達時間及び到達波高を予測する到達予測部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る津波監視システムによれば、電波によって計測された海面の流速分布から津波の波高を直接的に予測することができるので、想定外の規模の津波を含めた全ての津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る津波監視システム１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１の津波７の波高η及び全水深Ｄを説明するための断面図である。 図１の送受信アンテナ２から発射された送信電波５の照射領域を説明するための平面図である。 図１の津波シミュレーション部１５が伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。 図１の津波シミュレーション部１５による、任意の位置での各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す時間軸波形図である。 図１の波高データメモリ２０に格納される、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す表である。 図１の津波シミュレーション部１５による、任意の位置での各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１の津波監視システム１により実行される津波波高分布並びに津波到達時刻及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。 図８ＡのフローチャートにおけるステップＳ１０２の波高推定処理を詳細に示すフローチャートである。 図１の津波シミュレーション部１５により予測される津波到達時刻及び到達波高の精度を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１０の波高データメモリ２０に格納される、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す表である。 図１０の津波シミュレーション部１５による、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１０の到達予測部１２Ａの動作を説明するためのグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１４の津波シミュレーション部１５Ａが伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。 図１４の津波監視システム１Ｂにより実行される津波波高分布並びに津波到達時刻及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第６の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１９の津波シミュレーション部１５Ｃが伝播する津波７の挙動をシミュレーションするシミュレーション領域１６を説明するための平面図である。 図２０の津波シミュレーション領域１６の詳細を説明するための平面図である。 図１９の津波シミュレーション部１５Ｃにより予測される津波７の到達時刻及び到達波高の精度を示すグラフである。 本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｆ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る津波監視システム１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１の津波監視システム１は、送信電波５が海上を走査できるような位置に設けられた送受信アンテナ２と、送受信部８と、信号処理部９と、演算部１０と、表示部１３とを備えて構成される。また、演算部１０は、計算機とプログラムとからなる波高推定部１１、到達予測部１２、津波シミュレーション部１５を含む。また、演算部１０は、送受信アンテナ２が配置される例えば数十〜数百キロメートル四方の海域の水深分布や海岸線の位置を記憶した水深分布メモリ１７、地形データメモリ１９、さらに津波シミュレーション部１５にて計算された各位置での波高の時間変化を格納しておく波高データメモリ２０を備えて構成される。なお、水深分布データメモリ１７や地形データメモリ１９はシミュレーションを実施するために必要なものであるが、水深分布データメモリ１７に格納された水深分布が十分詳細で、水深０メートルの位置で十分に海岸線の位置が特定できるとみなされる場合には地形データメモリ１９は必ずしも必要では無く、水深分布データメモリ１７で代用される。

また、送受信アンテナ２は、陸１８上に設置されるが、送受信アンテナ２の位置は送信電波５が海上を走査できるような位置であればどこでもよく、例えば海４に設置してもよい。また、図１において送受信アンテナ２の形状を円柱形状ないしは線形状としたが、電波を送受信できればどのような種類や形状であってもよい。例えば、送受信アンテナ２の種類はアレー状のアンテナであってもよい。さらに、送受信アンテナ２は送信アンテナと受信アンテナとを一体としたが、送信アンテナと受信アンテナとは別々に設けられてもよい。

送受信部８は、所定の周波数を有する送信信号を発生し、当該送信信号を送受信アンテナ２に出力する信号発生手段を含む。また、送受信部８は、後述する送受信アンテナ２から受信信号を受信し、当該受信信号を信号処理部９に出力する受信手段を含む。なお、図１において送受信部８は一体の場合について記載したが、送信部と受信部との２つに分かれた構成としてもよく、送受信部８および信号処理部９の構成がどのような構成であっても本発明を適用することができる。

送受信アンテナ２は、津波７を検出するための送信信号を海上（海面３）に送信電波５として放射する。さらに、送受信アンテナ２は、海面３上で強く後方散乱された受信電波６を受信信号として受信し、当該受信信号を送受信部８に出力する。なお、この後方散乱はブラック散乱と呼ぶ。

信号処理部９は、送受信部８が生成した送信信号と、送受信アンテナ２が受信した受信信号とを乗算し、当該乗算された結果の信号をビート信号として波高推定部１１に出力する。すなわち、信号処理部９は、送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する。ここで、受信電波６はドップラー効果を受けて変調されており、その変調量は海面３の流速に依存し、ビート信号として算出する。さらに、信号処理部９には、送信信号と受信信号との乗算結果の信号からその高調波成分をフィルタリングで除去する機能を有する。

波高推定部１１は、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、この流速及び水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データに基づいて、例えば後述する方法にて津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３及び津波シミュレーション部１５に出力する。ここで、送信電波５の電波照射領域１４を後述する図３のように複数の領域に分割し、各領域ごとに津波７の海面３の流速を算出して、その領域での津波７の波高ηを推定する。また、表示部１３は、波高推定部１１から入力された波高ηのデータを表示する。

津波シミュレーション部１５は、波高推定部１１から津波７の波高ηのデータを初期条件として入力し、当該波高ηのデータと水深分布データメモリ１７に格納された静水深ｈの分布データと地形データメモリ１９に格納された地形データとに基づいて、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηの分布を計測サンプル周期Δｔごとにシミュレーションして津波の波高ηを算出し、当該計測サンプル周期Δｔごとに算出された津波の波高ηのデータを波高データメモリ２０にそれぞれ格納する。また、津波シミュレーション部１５は、算出された各時刻ｔでの津波の波高に基づいて、各時刻ｔでの津波の到達波高をさらに算出して波高データメモリ２０にそれぞれ格納する。ここで、シミュレーション結果は、後述する津波シミュレーション領域１６の各領域での各時刻での津波の波高ηの変化を示した波高分布データである。

ここで、時間経過に伴って伝播する津波７の挙動をシミュレーションするための初期条件として、後述する図４の斜線で図示された領域４０において波高推定部１１において推定された波高ηの分布を有する津波７が発生するように設定される。なお、シミュレーションは、例えば非特許文献２記載の長波理論に基づく津波の基礎方程式を用いて実施されるが、津波の基礎方程式を解いて、後述する図４の電波照射領域１４内の全領域での波高ηを求めることができればどのような方法を用いてもよい。

到達予測部１２は、各時刻ｔでの津波の到達波高のデータを入力し、その到達波高のデータに基づいて、津波７に対する到達時間や到達波高を予測し、当該予測された到達時間及び到達波高のデータを表示部１３に出力する。すなわち、シミュレーション結果から、送受信アンテナ２の設置位置での水位の時間変化を算出することによって、津波７の到達時間と到達波高とを予測する。また、表示部１３は、計測サンプル周期Δｔごとの津波７の到達波高データ並びに予測された到達時間及び到達波高のデータを表示する。

以上のように構成された津波監視システム１の波高推定部１１の動作について以下に説明する。

図２は、図１の津波７の波高η及び全水深Ｄを説明するための断面図である。図２において、ｈは静水深を示し、ηは津波７の波高を示す。なお、静水深ｈは波が立っていない場合の海底２２から海面３までの水深であって、津波７の波高ηは波が立っている場合の静水深ｈから海面３までの水深のことである。従って、波が立っている場合の海底２２から海面３までの全水深Ｄは波高ηと静水深ｈとの和となる。なお、一般に津波７の波長λは、静水深ｈより十分に大きい（ｈ＜＜λ）。従って、津波７の挙動は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を有し、当該ｚ軸は重量方向と逆向きであると仮定すると、ｘ軸及びｙ軸を有する２次元直交座標系では以下の質量保存式（１）と運動方程式（２）及び（３）とから構成される長波理論の基礎方程式（以下、津波の基礎方程式と呼ぶ。）によって表現できる（例えば非特許文献１及び２参照。）。なお、重量方向は、ｘ軸方向及びｙ軸方向と直交するものとする。

ここで、ηは津波７の波高であり、Ｍはｘ軸方向の線流量であり、Ｎはｙ軸方向の線流量であり、ｎは海底摩擦係数（マニングの粗度係数）であり、Ｄは全水深であり（静水深ｈ及び波高ηを用いると、Ｄ＝ｈ＋ηとなる。）、ｔは時間であり、ｇは重力加速度である。

なお、上述した長波理論では、津波の流速は深さ方向（ｚ軸方向）に一定と仮定できるので、津波７のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速ＶはそれぞれＵ＝Ｍ／Ｄ、Ｖ＝Ｎ／Ｄとして算出される。すなわち、津波監視システム１によって計測された海面３のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖは、ｘｙ平面上の座標により決定付けられる。従って、波高推定部１１では、ｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖと津波７の波高ηとを関連付けるためのデータベースや経験式を必要とすることなしに、上述した津波の基礎方程式に基づいて、津波監視システム１により計測された津波７のｘ軸方向の流速Ｕ及びｙ軸方向の流速Ｖから波高ηを算出できる。

図３は、図１の送受信アンテナ２から発射された送信電波５の照射領域を説明するための平面図である。図３において、送受信アンテナ２からの送信電波５は送受信アンテナ２を中心とする扇形の電波照射領域１４に照射される。ここで、送受信アンテナ２を設置した場所を原点（０，０）として、原点（０，０）からの半径ｒ及びｚ軸を中心とした時計回りの回転角θを用いて、電波照射領域１４を距離幅Δｒ及び角度幅Δθの幅で番号Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの領域に区分する。なお、各領域での流速は一定の計測サンプル時間Δｔでの平均値として計測される。この計測サンプル時間Δｔは津波監視システム１の処理時間や電波照射領域１４の大きさによって異なるが、一般に数十秒から数分の範囲とされる。また、計測条件によって異なるが、電波照射領域１４の半径ｒの最大値は数十〜百キロメートルとされ、距離幅Δｒは数キロメートル以下、角度幅Δθは２５度以下とされるのが一般的である。また、図３では簡単のため、距離幅Δｒと角度幅Δθを一定としたが、電波照射領域１４の位置に応じてそれぞれに大きさを変化させてもよい。

図３において、半径ｒ方向の線流量Ｍ_ｒ及び回転角θ方向の線流量Ｍ_θは次式から算出される。

ここで、Ｕ_ｒは計測された半径ｒ方向の流速であって、Ｕ_θは回転角θ方向の流速であって、Ｄは全水深である。

本実施の形態では、説明を簡単にするため、半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒを計測するための送受信アンテナ２を１台だけ設置した場合を例とする。従って、回転角θ方向の流速Ｕ_θは計測しないで、半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒのみを計測する場合について説明する。送受信アンテナ２が２台以上の場合には、半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒとＵ_θとの両方を計測することができるが、その場合でも同様の方法でよい。

半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒを用いて津波７の波高ηを算出する方程式（５）は、上述した津波の基礎方程式から以下のように導かれる。

先ず、上述した運動方程式（２）を円筒座標系に変換し、回転角θ方向成分を削除する。次に、全水深Ｄの大きさに比べて波高ηの大きさは十分に小さいと仮定すると、全水深Ｄの大きさは静水深ｈの大きさとほぼ等しくなるので、すなわちＤ＝ｈを上記変形された運動方程式代入すると以下の式（４）が導かれる。

次に、静水深ｈが十分大きいものとし、Ｍ_ｒ＝Ｕ_ｒＤ≒Ｕ_ｒｈとして単純化して整理すると、次式（５）が導かれる。この式（５）を解くことによって、半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒから津波７の波高ηを算出することができる。

ここで、式（５）の右辺は半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒの時間変化であり、時間ｔ及び時間（ｔ−Δｔ）において津波監視システム１によって計測された２つの半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒの値を用いて算出することができる。

上述した式（５）を例えば差分法などの数値解析手法を用いて解くことによって、図３の電波照射領域１４での津波７の波高ηの分布を算出することができる。ここで、図３の領域において差分した次式（６）を、Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの全領域について順に解くことによって津波７の波高ηの分布を算出することができる。

ここで、ｋは時間ｔに対応する値、（ｋ−１）は時間（ｔ−Δｔ）に対応する値を意味する。

なお、上述した式（６）の差分式は一例であって、式（５）を波高ηについて数値的に解き、Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの全領域において津波７の波高ηを算出できれば、これ以外の方法であってもよい。

また、波高ηの分布を求める別の方法として、津波の波高ηが静水深ｈに比べて十分小さいと仮定することで、次式（７）で表される津波の波速（特許文献４参照。）、

を用いて、

によって波高分布を求めることもできる。この式を用いれば、ある１つの時刻における１地点での流速Ｕ_ｒと静水深ｈのみから波高ηを求めることができるため、差分法などの数値解析手法を用いずとも、図３の電波照射領域１４での津波７の波高ηの分布を算出することができる。このように、波高ηの分布を求める方法はどのような方法を用いても問題は無い。

次に、津波シミュレーション部１５の動作について以下に詳細に説明する。

図４は、図１の津波シミュレーション部１５が伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。図４において、津波シミュレーション領域１６が設けられ、シミュレーション用の計算格子が形成される。津波シミュレーション領域１６の大きさや形状は、どのような大きさや形状であってもよいが、一般的には電波照射領域１４と同等かもしくはそれ以上の大きさが用いられる。また、形成される計算格子の座標系はどのような座標系であってもよいが、一般的には直交座標系または円筒座標系が用いられる。さらに、計算格子により形成された評価領域２１の寸法も、どのような大きさや形状であってもよいが、大きすぎるとシミュレーションの精度が悪化するので、一般的には数キロメートル角以下とする。

先ず、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηをシミュレーションするための初期条件として、図４の津波シミュレーション領域１６での領域４０において波高推定部１１によって推定された波高分布を設定してシミュレーションを実施する。ここで、津波シミュレーションは、例えば非特許文献２記載の方法などに基づいて、前述の式（１）〜（３）の長波理論に基づく津波の基礎方程式を計算機によって数値的に解くことにより求められる。なお、津波の基礎方程式を解いて、図４の全領域での波高ηを求めることができればどのような方法であってもよく、例えば差分法、有限体積法及び有限要素法などの方法を用いてもよい。さらに、上述した式（４）から式（５）への変形のように静水深ｈが十分大きいと仮定して基礎方程式を簡略化してもよいし、線形化してもよい。

また、時間経過に伴って伝播する津波７をシミュレーションするための初期条件として、前述では推定された波高ηのデータのみとする例について説明したが、さらに計測された流速分布データも用いてもよい。このようにすることで、より精度が高いシミュレーションが可能となる。

また、津波シミュレーション部１５では、推定された波高分布に基づいて、常にシミュレーションを実施してもよいが、推定された波高が津波と判断される波高の場合に限り、当該津波シミュレーションを実施するようにしてもよい。ここで、例えば推定された波高や計測された流速の大きさなどが所定のしきい値を超えるときに津波と判断される。なお、しきい値は、津波監視システム１が設置される海域において、風や潮流によって発生する波の高さや流速分布の計測誤差を考慮して予め決定する。

なお、上述したシミュレーションは、波高推定部１１による津波７検知直後だけに実施するのではなく、津波監視システム１による計測サンプル周期Δｔ、例えば１分ごとに実施する。この時、計測サンプル周期Δｔごとに計測される流速分布や推定された波高分布に基づいて、図４の津波シミュレーション領域１６の領域４０において波高推定部１１によって推定された波高分布を再設定し、時々刻々と最新のデータへと更新する。すなわち、シミュレーションは計測サンプル周期Δｔより短い時間で完了するように、図４における計算領域の大きさや計算格子数を事前に決定しておく。

また、計測サンプル周期Δｔごとのシミュレーションから算出された波高分布データは波高データメモリ２０に送られて格納される。ここで、波高データメモリ２０に送られる波高分布データは、津波の到達波高と到達時刻とを求める位置、例えば図４における送受信アンテナ２の設置位置における波高のみとしてもよいが、図４の津波シミュレーション領域１６の全領域あるいは任意の複数個所の波高分布データとしてもよい。津波シミュレーション領域１６の全領域あるいは任意の複数個所の波高分布データとすることで、複数個所の津波の到達波高と到達時刻とを同時に求めることが可能となる。

電波照射領域１４の大きさは上述したように半径ｒの最大値が数十〜百キロメートルであるので、津波７が電波照射領域１４に入り、例えば送受信アンテナ２の位置に到達するまでには通常数十分以上かかる。本発明では、シミュレーションが計測サンプル周期Δｔ、例えば１分以内に完了するので、津波到達前に送受信アンテナ２の位置での到達波高の時間変化、すなわち、到達波高と到達時刻とを知ることが可能となる。

ここで、津波の規模（スケール）が小さい、すなわち津波の規模が電波照射領域１４より小さい場合には、上述したシミュレーションを１回だけ行って、到達波高と到達時刻とを求める位置での波高の時間変化から直接、津波の到達時刻と到達波高とを求めることができた。しかし、津波の規模が電波照射領域１４より大きい場合には、図４の津波シミュレーション領域１６において、波高推定部１１によって波高分布を推定できる領域は電波照射領域１４内のみであり、電波照射領域１４外の領域では波高０メートルと設定せざるを得ない。従って、シミュレーションにおいて、電波照射領域１４外の領域に設定される波高分布も津波７の到達波高に影響を及ぼすので、１回だけのシミュレーションでは高い精度で津波の到達時刻と到達波高とを求めることができない。

従って、本発明では、複数のシミュレーションを実施してこれらのシミュレーション結果を用いることにより、電波照射領域１４より大きい規模を有する津波７であっても高い精度で到達波高と到達時刻とを予測することを特徴とする。

図５（ａ）、（ｂ）は、図１の津波シミュレーション部１５による、任意の位置での各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す時間軸波形図である。図５（ａ）では、時刻ｔ＝ｔ０においてシミュレーションが開始され、計測サンプル周期Δｔごとに津波の到達波高の変化が示され、図５（ｂ）では、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおいてシミュレーションが開始され、計測サンプル周期Δｔごとに津波の到達波高の変化が示されている。ここで、時刻ｔ＝ｔ０でのシミュレーションにおける到達波高の時間変化が計測サンプル周期Δｔごとに波高η１（１）、η１（２）、η１（３）、…の配列として波高データメモリ２０に格納され、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔでのシミュレーションにおける到達波高の変化が計測サンプル周期Δｔごとに波高η２（２）、η２（３）、η２（４）、…の配列として波高データメモリ２０に格納される。同様に、その後の時刻ｔ＝ｔ０＋２Δｔ、ｔ＝ｔ０＋３Δｔ、ｔ＝ｔ０＋４Δｔ、…においてもシミュレーションが開始され、各時刻ｔでのシミュレーションにおける到達波高の時間変化が計測サンプル周期Δｔごとに波高η３（３）、η３（４）、η３（５）、…，波高η４（４）、η４（５）、…，波高５（５）、…の配列としてそれぞれ波高データメモリ２０に格納される。なお、本実施の形態では説明を容易にするため、計測サンプル周期Δｔごとに到達波高の時間変化を波高データメモリ２０に格納するとしたが、この格納される周期は計測サンプル周期Δｔと同一とする必要はなく、到達波高の変化を読み取ることができるのであれば計測サンプル周期Δｔ以外の周期を用いてもよい。

図６は、図１の波高データメモリ２０に格納される、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す表である。図６に示すように、各時刻ｔでのシミュレーションから算出された、任意の位置における津波の到達波高の時間変化が各時刻ｔの配列として格納される。なお、図６の最下段の到達波高予測値η（１），η（２），η（３），…は、後述する到達予測部１２により算出された値である。

次に、到達予測部１２の動作について以下に説明する。

図７は、図１の津波シミュレーション部１５による、任意の位置での各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。図７では、各時刻ｔでのシミュレーションによる到達波高予測結果が実線で示され、さらに到達波高予測値の時間変化が破線で示されている。本実施の形態では、津波７が０メートル以上の到達波高を有すると仮定する。

ここで、Ｍａｘ（Ａ，Ｂ，Ｃ）はＡ，Ｂ，Ｃのうちの最大値を表すと定義すれば、図６の最下段の到達波高予測値η（１），η（２），η（３），…は、
η（１）＝Ｍａｘ（０，η１（１））
η（２）＝Ｍａｘ（０，η１（２），η２（２））
η（３）＝Ｍａｘ（０，η１（３），η２（３），η３（３））
として求められる。すなわち、波高データメモリ２０に格納された各時刻ｔでのシミュレーションによる到達波高予測値の時間変化において、各時刻ｔごとの最大値をそれぞれ結んだ破線を到達波高予測値の時間変化とする。ここで、到達予測部１２は、津波シミュレーション部１５により算出された各時刻ｔでの津波７の到達波高に基づいて、当該各時刻ｔでの津波７の到達波高の最大値を算出し、当該算出された津波の到達波高の最大値を津波に対する到達波高として予測する。

以上のように構成された津波監視システム１の動作について以下に説明する。

図８Ａは、図１の津波監視システム１により実行される津波波高分布並びに津波到達時刻及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。図８ＡのステップＳ１０１において、時刻ｔ（ここで、０＜自然数ｔ≦Ｔ）にｔ０を代入する。ここで、時刻ｔは、シミュレーションを実行する時刻を示す。ステップＳ１０２において、波高推定部１１が、電波照射領域１４内の津波７の波高ηを推定する津波波高推定処理（後述する図８Ｂ参照）を実行する。ステップＳ１０３において、津波シミュレーション部１５が、推定された電波照射領域１４内の津波７の波高ηのデータと静水深ｈの分布データと地形データとに基づき、津波シミュレーション領域１６での津波７の波高分布をシミュレーションし、当該シミュレーションされた津波７の波高分布データから各時刻ｔでの津波７の到達波高を算出して波高データメモリ２０に出力する。ステップＳ１０４において、波高データメモリ２０が、シミュレーションされた津波７の到達波高データを格納する。ステップＳ１０５において時刻ｔに計測サンプル時間Δｔを加えて、次のステップＳ１０６に移動する。ステップＳ１０６において、時刻ｔが時刻Ｔ以上かどうかを判定し、時刻ｔが時刻Ｔ未満であれば、上述したステップＳ１０２からステップＳ１０６の処理を繰り返し、時刻ｔが時刻Ｔ以上であれば、到達予測部１２が、波高データメモリ２０に格納された各時刻ｔでの津波７の到達波高データに基づいて、所定の位置での津波７の到達時刻及び到達波高を予測する（ステップＳ１０７）。次に、ステップＳ１０８において、表示部１３が、計測サンプル周期Δｔごとの津波７の到達波高データ並びに予測された津波７の到達時刻及び到達波高のデータを表示し、当該処理は終了する。

図８Ｂは、図８ＡのフローチャートにおけるステップＳ１０２の波高推定処理を詳細に示すフローチャートである。ステップＳ２０１において、送受信部８が所定の周波数を有する送信信号を発生し、当該送信信号を海上に送信電波５として放射する。次に、送受信アンテナ２は、海面３上で強く後方散乱された受信電波６を受信信号として受信する（ステップＳ２０２）。送受信部８は、送受信アンテナ２から受信信号を受信する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０４では、信号処理部９が、送信信号と受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成し、当該生成されたビート信号を波高推定部１１に出力する。ステップＳ２０５では、波高推定部１１が、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出する。ステップＳ２０６では、波高推定部１１は、津波７の海面３の流速及び海４の静水深ｈの分布データに基づいて、津波７の波高ηを推定する。

図９は、図１の津波シミュレーション部１５により予測される津波到達時刻及び到達波高の精度を示すグラフである。図９では、図１の津波シミュレーション部１５により予測される到達波高のデータが予測値として破線で示され、事前に詳細なシミュレーションが実施され、その結果が真値として実線で示されている。ここで、真値は、津波の到達波高の実測値に相当する。さらに、図１の津波シミュレーション部１５において、時刻０分でのシミュレーションを１回だけ実施して予測される到達波高の予測値の時間変化が黒丸印で示されている。図９に示すように、時刻０分での１回だけのシミュレーションでは、時間の経過に伴って真値とのずれが大きくなり、到達波高を十分な精度で予測できないことが理解される。すなわち、複数のシミュレーション結果を用いることで、到来する津波の波高の時間変化を十分な精度で予測することができる。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１によれば、電波によって計測された海面の流速分布から津波の波高を直接的に予測することができるので、想定外の規模の津波を含めた全ての津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。また、海岸での津波の反射など複雑な津波挙動も考慮することができるので、精度高く、津波の到達時間と到達波高とを予測することができる。

第２の実施の形態．
第１の実施の形態では、０メートル以上の到達波高を予測する場合について説明した。しかしながら、実際の津波では、引き潮の場合が存在し、波高ηが静水深ｈよりも小さい負の値（０メートル未満の値）となる場合が存在する。本実施の形態では、到達する波高ηが０メートル未満であっても到来する津波７の波高ηを十分な精度で予測することができる。

図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る津波監視システム１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１０の津波監視システム１Ａは、図１の津波監視システム１と比較すると、演算部１０の代わりに演算部１０Ａを備えたことを特徴とする。演算部１０Ａは、演算部１０と比較すると、到達予測部１２の代わりに到達予測部１２Ａを備えたことを特徴とする。

図１０の到達予測部１２Ａは、各時刻ｔでの津波の到達波高のデータを入力し、その到達波高のデータに基づいて、津波７に対する到達時間や到達波高を予測し、当該予測された到達時間及び到達波高のデータを表示部１３に出力する。すなわち、シミュレーション結果から、送受信アンテナ２の設置位置における水位の時間変化を算出することによって、津波７の到達時間と到達波高とを予測する。

図１１は、図１０の波高データメモリ２０に格納される、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示す表である。図１１に示すように、各時刻ｔでのシミュレーションから算出された、任意の位置における津波の到達波高の時間変化は各時刻の配列として格納される。なお、図１１における下３段の最大到達波高予測値、最小到達波高予測値、及び到達波高予測値は、到達予測部１２Ａにより算出された値である。

次に、到達予測部１２Ａの動作について以下に説明する。

図１２は、図１０の津波シミュレーション部１５による、各時刻ｔに対する到達波高の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１２では、到達波高が０メートル以上の場合と０メートル未満の場合とについて、各時刻ｔでのシミュレーションによる到達波高予測結果が実線で示され、さらに到達波高予測値の時間変化が破線で示されている。

ここで、Ｍａｘ（Ａ，Ｂ，Ｃ）はＡ，Ｂ，Ｃのうちの最大値を表し、Ｍｉｎ（Ａ，Ｂ，Ｃ）はＡ，Ｂ，Ｃのうちの最小値を表すと定義すれば、図１１の最大到達波高予測値および最小津波波高予測値は、
ηｍａｘ（１）＝Ｍａｘ（０，η１（１））
ηｍａｘ（２）＝Ｍａｘ（０，η１（２），η２（２））
ηｍａｘ（３）＝Ｍａｘ（０，η１（３），η２（３），η３（３））
ηｍｉｎ（１）＝Ｍｉｎ（０，η１（１））
ηｍｉｎ（２）＝Ｍｉｎ（０，η１（２），η２（２））
ηｍｉｎ（３）＝Ｍｉｎ（０，η１（３），η２（３），η３（３））
としてそれぞれ算出される。

到達予測部１２Ａは、始めに最大到達波高予測値ηｍａｘ（１），ηｍａｘ（２），ηｍａｘ（３），…及び最小到達波高予測値ηｍｉｎ（１），ηｍｉｎ（２），ηｍｉｎ（３），…を求め、これらの結果を用いて、最下段の到達波高予測値η（１），η（２），η（３），…を求める。すなわち、波高データメモリ２０に格納された各時刻ｔでのシミュレーションによる到達波高予測結果において、到達波高が０メートル以上の場合には各時刻ｔごとの最大値をそれぞれ結んだ破線を到達波高予測値の時間変化とし、到達波高が０メートル未満の場合には、各時刻ｔごとの最小値をそれぞれ結んだ破線を到達波高予測値の時間変化とする。ここで、到達予測部１２Ａは、予測された各時刻ｔでの津波の到達波高の最大値及び最小値を算出し、当該算出された最大値及び最小値を加算し、当該加算された値を津波に対する到達波高として予測する。

図１３（ａ）〜（ｃ）は、図１０の到達予測部１２Ａの動作を説明するためのグラフである。図１３（ａ）では、到達波高０メートル以上の最大到達波高予測値ηｍａｘの時間変化が破線で示され、図１３（ｂ）では、到達波高０メートル未満の最小到達波高予測値ηｍｉｎの時間変化が破線で示され、図１３（ｃ）では、到達波高予測値ηが実線で示されている。ここで、到達波高予測値ηは、最大到達波高予測値ηｍａｘと最小到達波高予測値ηｍｉｎとを加算することにより算出される。すなわち、図１１の到達波高予測値η（１），η（２），η（３），…は、
η（１）＝ηｍａｘ（１）＋ηｍｉｎ（１）
η（２）＝ηｍａｘ（２）＋ηｍｉｎ（２）
η（３）＝ηｍａｘ（３）＋ηｍｉｎ（３）
としてそれぞれ算出される。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ａによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、０メートル未満の到達波高も予測することができるので、さらに広い範囲における津波の到達時間と到達波高とを精度良く予測することができる。

第３の実施の形態．
上述した実施の形態では、図４の電波照射領域１４内の領域４０において波高推定部１１によって推定された波高分布をシミュレーションのための初期条件としたが、本実施の形態では、各時刻ｔでのシミュレーション結果を各時刻（ｔ＋Δｔ）でのシミュレーションの初期条件として用いることを特徴とする。すなわち、波高推定部１１により波高ηを推定することができる電波照射領域１４外の波高ηのデータとしてシミュレーションして算出されたデータを用いる。

図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１４の津波監視システム１Ｂは、図１の津波監視システム１と比較すると、演算部１０の代わりに演算部１０Ｂを備えたことを特徴とする。演算部１０Ｂは、演算部１０と比較すると、津波シミュレーション部１５の代わりに津波シミュレーション部１５Ａを備えたことを特徴とする。

図１４の津波シミュレーション部１５Ａは、図１の津波シミュレーション部１５と比較すると、時刻ｔでのシミュレーション結果を時刻（ｔ＋Δｔ）での津波７の挙動のシミュレーションを実行するための初期条件として用いることが相違する。詳細には、シミュレーションを開始する時刻ｔ０でのシミュレーションは、後述する図１６の斜線で図示された領域４０において波高推定部１１において推定された波高ηの分布を有する津波７が発生するように設定される。次に、時刻（ｔ０＋Δｔ）においてシミュレーションを開始するときは、波高推定部１１により推定された電波照射領域１４内の津波７の波高ηのデータを初期条件として用い、さらに時刻ｔ０においてシミュレーションされて算出された電波照射領域１４外の各領域での波高ηのデータをも初期条件として用いる。なお、時刻（ｔ０＋２Δｔ）以降のシミュレーションにおいても同様である。すなわち、津波シミュレーション部１５Ａは、波高推定部１１により推定された津波の波高及び算出された各時刻ｔでの津波７の波高ηに基づいて、計測サンプル周期Δｔごとの津波の挙動のシミュレーションを実行する。

次に、津波シミュレーション部１５Ａの動作について以下に詳細に説明する。

図１５は、図１４の津波シミュレーション部１５Ａが伝播する津波７の挙動をシミュレーションする領域を説明するための平面図である。図１５において、津波シミュレーション領域１６が設けられ、シミュレーション用の計算格子が形成される。津波シミュレーション領域１６の大きさや形状は、どのような大きさや形状であってもよいが、一般的には電波照射領域１４と同等かもしくはそれ以上の大きさが用いられる。また、形成される計算格子の座標系はどのような座標系であってもよいが、一般的には直交座標系または円筒座標系が用いられる。さらに、計算格子により形成された評価領域２１の寸法も、どのような大きさや形状であってもよいが、大きすぎるとシミュレーションの精度が悪化するので、一般的には数キロメートル角以下とする。

先ず、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηをシミュレーションするための初期条件として、図１５の津波シミュレーション領域１６内の領域４０において波高推定部１１によって推定された波高分布データと、時刻ｔ０でのシミュレーション結果の津波シミュレーション領域１６の波高分布データを用いる。

以上のように構成された津波監視システム１Ｂの動作について以下に説明する。

図１６は、図１４の津波監視システム１Ｂにより実行される津波波高分布並びに津波到達時刻及び到達波高の予測処理を示すフローチャートである。図１６のステップＳ３０１において、時刻ｔ（ここで、０＜自然数ｔ≦Ｔ）にｔ０を代入する。ここで、時刻ｔは、シミュレーションを実行する時刻を示す。ステップＳ１０２において、波高推定部１１が、電波照射領域１４内の津波７の波高ηを推定する津波波高推定処理（図８Ｂ参照）を実行する。ステップＳ３０２において、津波シミュレーション部１５Ａが、推定された津波７の波高ηのデータと静水深ｈの分布データと地形データとに基づき、津波シミュレーション領域１６での津波７の波高分布をシミュレーションし、シミュレーションされた津波７の波高分布データを波高データメモリ２０に出力する。ステップＳ３０３において、波高データメモリ２０が、シミュレーションされた津波７の波高分布データを格納する。ステップＳ１０２において、波高推定部１１が、電波照射領域１４内の津波７の波高ηを推定する津波波高推定処理を実行する。

ステップＳ３０４において、津波シミュレーション部１５Ａが、時刻ｔでシミュレーションされた津波７の波高分布データと推定された津波７の波高ηのデータと静水深ｈの分布データと地形データとに基づき、所定の位置での津波７の到達波高分布をシミュレーションし、シミュレーションされた津波７の波高分布データから各時刻ｔでの津波７の到達波高を算出して波高データメモリ２０に出力する。ここで、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔでのシミュレーション処理について説明する。この場合、すでに時刻ｔ＝ｔ０でのシミュレーションは実施済みであり、波高データメモリ２０には、電波照射領域１４外を含めた津波シミュレーション領域１６の全領域の津波７の波高分布データが格納されている。また、波高データメモリ２０には、図１６のステップＳ１０２において波高推定部１１によって推定された電波照射領域１４内の時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔでの波高分布データが格納されている。従って、時刻（ｔ０＋Δｔ）においてシミュレーションを開始するときには、ｔ＝ｔ０＋Δｔでの電波照射領域１４内の津波７の波高ηの分布データと、時刻ｔ０でのシミュレーション結果の津波シミュレーション領域１６の波高分布データとを初期条件として用いる。

ステップＳ３０５において、波高データメモリ２０が、シミュレーションされた津波７の到達波高データを格納する。ステップＳ３０６において時刻ｔに計測サンプル時間Δｔを加えて、次のステップＳ３０７に移動する。ステップＳ３０７において、時刻ｔが時刻Ｔ以上かどうかを判定し、時刻ｔが時刻Ｔ未満であれば、上述したステップＳ１０２からステップＳ３０７の処理を繰り返し、時刻ｔが時刻Ｔ以上であれば、到達予測部１２が、波高データメモリ２０に格納された各時刻ｔでの津波７の到達波高データに基づいて、所定の位置での津波７の到達時刻及び到達波高を予測する（ステップＳ３０８）。次に、ステップＳ３０９において、表示部１３が、計測サンプル周期Δｔごとの津波７の到達波高データ並びに予測された津波７の到達時刻及び到達波高のデータを表示し、当該処理は終了する。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂによれば、第１及び第２の実施の形態と比較すると、電波照射領域１４外の波高分布も考慮してシミュレーションすることが可能となるので、どのような規模の津波に対しても、より精度高く、津波の到達時間と到達波高とを予測することができる。

なお、時間経過に伴って伝播する津波７をシミュレーションするための初期条件として、前述では推定された波高ηのデータのみとする例について説明したが、さらに計測された流速分布データも用いてもよい。このようにすることで、より精度が高いシミュレーションが可能となる。その場合、波高データメモリ２０に各時刻での流速分布を格納できる機能を設ける。

また、津波シミュレーション部１５Ａでは、推定された波高分布に基づいて、常にシミュレーションを実施してもよいが、推定された波高が津波と判断される波高の場合に限り、当該シミュレーションを実施するようにしてもよい。ここで、例えば推定された波高や計測された流速の大きさなどが所定のしきい値を超えるときに津波と判断される。なお、しきい値は、津波監視システム１Ａが設置される海域において、風や潮流によって発生する波の高さや流速分布の計測誤差を考慮して予め決定する。

第４の実施の形態．
第１の実施の形態に係る津波監視システム１は、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。この場合には、図３の領域において送受信アンテナ２から遠方に向かうにつれて波高推定誤差が蓄積されることとなる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｂは、波高ηを計測する水位計測部３０をさらに備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することを特徴とする。

図１７は、本発明の第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１７の津波監視システム１Ｃは、図１の津波監視システム１に比較して、演算部１０の代わりに演算部１０Ｃを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０をさらに備えたことを特徴とする。また、演算部１０Ｃは、図１の演算部１０に比較して、波高推定部１１の代わりに波高推定部１１Ａを備えたことを特徴とする。

図１７において、水位計測部３０は、水位計測部３０が設置された位置での海４の各時刻における波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ａに出力する。波高推定部１１Ａは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速データ、水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データ及び当該水位計測部３０からの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３及び津波シミュレーション部１５に出力する。

以上のように構成された津波監視システム１Ｃの波高推定部１１Ａの動作について以下に説明する。

波高推定部１１Ａは、第１の実施の形態に係る波高推定部１１と同様の動作をし、第１の実施の形態に係る波高推定部１１と比較すると、水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータに基づいて、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することが異なる。この構成とすることにより、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができる。例えば、式（６）においては、Ｉを１〜ＩＩ−１まで順に増加させれば全領域の波高ηの分布を算出することができるが、Ｉ＝１すなわち送受信アンテナ２の位置での波高ηが正確にわかり、その値を境界条件とすれば、より精度よく波高ηの分布を求めることができる。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。また、送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０により当該水位計測部３０が配置された位置での波高ηのデータを校正することができる。

なお、ここでは、第１の実施の形態に水位計測部３０を備えた例について説明したが、第２の実施の形態や第３の実施の形態に水位計測部３０を備えた場合についても同様の効果を得ることが可能である。

また、上述した実施の形態において、水位計測部３０は、ブイのように海４の上に浮かぶ方式の他、海底に配置された圧力センサによって波高を計測する方式やスポット的に電波を照射するものなど、リアルタイムで海４の局所的な波高を計測することができれば、どのような手段を用いてもよい。当然ながら水位計測部３０は電波照射領域１４において１箇所でなく複数個所配置してもよい。複数個所配置することで、１箇所の場合より精度良く波高分布を予測することができる。

第５の実施の形態．
第１の実施の形態に係る津波監視システム１は、電波によって計測された海面３の流速分布のみから津波７の波高ηを推定する場合について説明した。また、第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃは、波高ηを計測する水位計測部３０を備え、当該水位計測部３０が配置された位置において推定された波高ηのデータを校正する場合について説明した。これらの場合においては、シミュレーション時には図４の津波シミュレーション領域１６の電波照射領域１４外では初期条件として波高０メートルと設定した。しかしながら実際には、海４には日ごとや季節ごとの潮の満ち引きなど、津波７以外の水位変化があるため、その水位変化が到達波高や到達時刻の予測誤差に繋がる。これに対して、本実施の形態の津波監視システム１Ｄでは、波高ηを計測する水位計測部３０Ａを備え、当該水位計測部３０Ａが配置された位置において推定された波高ηのデータを校正すること、さらに図４の津波シミュレーション領域１６における電波照射領域１４外の領域はシミュレーションの初期条件として水位計測部３０Ａにて計測された水位を設定することを特徴とする。

図１８は、本発明の第５の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１８の津波監視システム１Ｄは、図１の津波監視システム１に比較して、演算部１０の代わりに演算部１０Ｄを備え、電波照射領域１４内の任意の位置に配置された水位計測部３０Ａをさらに備えたことを特徴とする。また、図１８の演算部１０Ｄは、図１７の演算部１０に比較して、津波シミュレーション部１５の代わりに津波シミュレーション部１５Ｂを備えたことを特徴とする。

図１８において、水位計測部３０Ａは、水位計測部３０Ａが設置された位置での海４の各時刻ｔにおける波高ηを計測し、当該波高ηのデータを波高推定部１１Ａに出力する。また、水位計測部３０Ａは、津波シミュレーション部１５Ｂに現在の水位の値を出力する。

波高推定部１１Ａは、信号処理部９からビート信号を受信して、当該ビート信号に基づき、津波７の海面３の流速を算出し、当該流速データ、水深分布データメモリ１７に格納された海４の静水深ｈの分布データ及び当該水位計測部３０Ａからの波高ηのデータに基づいて、津波７の波高ηを推定し、推定された波高ηのデータを表示部１３及び津波シミュレーション部１５Ｂに出力する。

以上のように構成された津波監視システム１Ｄの波高推定部１１Ａの動作について以下に説明する。

波高推定部１１Ａは、第１の実施の形態に係る波高推定部１１と同様の動作をし、第１の実施の形態に係る波高推定部１１と比較すると、水位計測部３０Ａが配置された位置での波高ηのデータに基づいて、当該水位計測部３０Ａが配置された位置において推定された波高ηのデータを校正することが異なる。

また、水位計測部３０Ａが配置された位置での波高ηのデータに基づいて、津波シミュレーション部１５Ｂが図４の津波シミュレーション領域１６における電波照射領域１４外の領域にシミュレーションの初期条件として水位計測部３０Ａにて計測された水位を設定することが異なる。なお、水位計測部３０Ａでの水位は津波到来によって変化する。そのため、ここで使用する水位は現在の時刻での水位ではなく、津波７が到来する前、例えば２時間前の水位、または現在の時刻から津波７が到来する前、例えば２時間前までの時間平均水位を用いる。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｄによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と同様の効果を得ることができる。また、第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｃと同様に送受信アンテナ２近傍の津波の波高が急激に変化した場合でも、水位計測部３０Ａにより当該水位計測部３０Ａが配置された位置での波高ηのデータを校正することができる。

また、津波シミュレーション部１５Ｂは、図４の津波シミュレーション領域１６における電波照射領域１４外の領域はシミュレーションの初期条件として水位計測部３０Ａにて計測された水位を設定する。次に津波シミュレーション部１５Ｂでシミュレーションを行うことで、潮の満ち引きを考慮した津波７の到達波高および到達時刻を予測することができる。そのため、第１の実施の形態に係る津波監視システム１及び第４の実施の形態に係る津波監視システム１Ｂと比較すると、さらに津波の波高を精度良く推定することが可能となる。

なお、本実施の形態では、第１の実施の形態に水位計測部３０Ａをさらに備えた場合について説明したが、第２の実施の形態や第３の実施の形態に水位計測部３０Ａをさらにそれぞれ備えた場合についても同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態において、水位計測部３０は、ブイのように海４の上に浮かぶ方式の他、海底に配置された圧力センサによって波高を計測する方式やスポット的に電波を照射するものなど、リアルタイムで海４の局所的な波高を計測することができれば、どのような手段を用いてもよい。当然ながら水位計測部３０は電波照射領域１４において１箇所でなく複数個所配置してもよい。複数個所配置する場合には、潮の満ち引きによる水位変化はその平均値とするのが一般的である。複数個所配置することで、１箇所の場合より精度良く波高分布を予測することができる。

第６の実施の形態．
上述した実施の形態では、電波照射領域１４内で観測された津波７の波高ηに基づいて、津波ηの到達時刻及び到達波高を予測した。従って、当該予測された津波ηの到達時刻及び到達波高の精度は電波照射領域１４の寸法に依存する。これに対して、本実施の形態では、電波照射領域１４の外側に位置する津波波源領域４９（後述する図２０及び図２１参照）で発生する津波７の波高η（複数の単位波源領域５０_ｉでの初期波高を含む初期波高分布）を算出し、当該算出された津波７の波高ηを津波シミュレーションの初期条件として利用することを特徴とする。従って、電波照射領域１４の寸法に依存せずにかつより高精度で津波ηの到達時刻及び到達波高を予測することが可能となる。

図１９は、本発明の第６の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１９の津波監視システム１Ｅは、図１の津波監視システム１と比較すると、演算部１０の代わりに演算部１０Ｅを備えたことを特徴とする。また、図１９の演算部１０Ｅは、図１の演算部１０と比較して、波高推定部１１の代わりに波高推定部１１Ｂを備え、津波シミュレーション部１５の代わりに津波シミュレーション部１５Ｃを備え、流速データメモリ６０及び津波波源領域波高算出部６１をさらに備えたことを特徴とする。

図１９の波高推定部１１Ｂは、図１の波高推定部１１と比較すると、推定された波高ηのデータを津波シミュレーション部１５に出力する代わりに、算出された津波７の海面３の流速データを流速データメモリ６０に格納することが相違する。

津波波源領域波高算出部６１は、流速データメモリ６０に格納される流速データ及び応答関数メモリ６１に格納される応答関数に基づいて、津波波源領域４９（後述する図２０及び図２１参照）の波高ηを算出し、当該算出された波高ηのデータを津波シミュレーション部１５Ｃに出力する。

図１９の津波シミュレーション部１５Ｃは、図１の津波シミュレーション部１５と比較すると、波高推定部１１からの津波７の波高ηのデータを初期条件として入力する代わりに、津波波源領域波高算出部６１からの津波波源領域４９（後述する図２０及び図２１参照）の波高ηのデータを初期条件として入力することが相違する。すなわち、時間経過に伴って伝播する津波７の波高ηをシミュレーションするための初期条件として、津波波源領域４９（後述する図２０及び図２１参照）における津波波源領域波高算出部６１によって算出された波高分布を設定してシミュレーションを実施する。

図２０は、図１９の津波シミュレーション部１５Ｃが伝播する津波７の挙動をシミュレーションするシミュレーション領域１６を説明するための平面図である。図２０において、送受信アンテナ２からの送信電波５は送受信アンテナ２を中心とする扇形の電波照射領域１４に照射される。ここで、送受信アンテナ２を設置した場所を原点（０，０）として、原点（０，０）からの半径ｒ及びｚ軸を中心とした時計回りの回転角θを用いて、電波照射領域１４を距離幅Δｒ及び角度幅Δθの幅で番号Ｉ＝１〜ＩＩ、Ｊ＝１〜ＪＪの区分領域４８_ｊに区分する。ここで、時刻ｔ及び区分領域４８_ｊでの波高推定部１１Ｂにより算出された津波７の海面３の半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）は一定の計測サンプル時間Δｔでの平均値として計測される。この計測サンプル時間Δｔは津波監視システム１Ｅの処理時間や電波照射領域１４の大きさによって異なるが、一般に数十秒から数分の範囲とされる。また、計測条件によって異なるが、電波照射領域１４の半径ｒの最大値は数十〜百キロメートルとされ、距離幅Δｒは数キロメートル以下、角度幅Δθは２５度以下とされるのが一般的である。また、図２０では簡単のため、距離幅Δｒと角度幅Δθを一定としたが、電波照射領域１４の位置に応じてそれぞれに大きさを変化させてもよい。

流速データメモリ６０は、電波照射領域１４内の区分領域４８_ｊにおいて計測される実際の津波の半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）を時系列で蓄積（格納）する。この蓄積時間は任意であるが、津波７の第一波が送受信アンテナ２に到達するまでにかかる時間かもしくは津波７の第一波が送受信アンテナ２に到達して反射するまでの一周期程度の時間に設定してもよい。また、時系列の間隔は計測サンプル周期Δｔに設定してもよい。

次に、上述した応答関数の算出方法について以下に説明する。なお、応答関数は、事前に複数回の津波シミュレーションを行うことによって算出される。

図２０の津波波源領域４９は、津波シミュレーション領域１６において、海底の断層が上下にずれることで海面３が上下して津波７が発生する領域を含むように設定される。従って、津波シミュレーション領域１６は予め津波７が発生すると予測される領域よりも広く設定される。さらに、津波波源領域４９は津波シミュレーション領域１６内であれば、どこに設定してもよいし、複数の箇所に設定してもよい。

同図に示すように、津波波源領域４９は自然数ｍ個の単位波源領域５０_ｉ（ｉ＝１，２，３，４，…，ｍ）に区分される。すなわち、津波波源領域４９は（複数行×複数列）のマトリックス状に区分された単位波源領域５０_ｉから構成される。ここで、津波波源領域波高算出部６１により各単位波源領域５０_ｉの波高（初期波高）ηが算出され、当該算出された初期波高を含む初期波高分布が算出される。なお、本実施の形態では、津波波源領域４９は（２行×１２列）の２４個（ｍ＝２４）の単位波源領域５０_ｉ（ｉ＝１，２，３，４，…，２４）から構成される。また、単位波源領域５０_ｉの寸法は任意であるが、あまり大きすぎると初期波高分布が詳細に表現できず、逆に小さすぎると計算の負荷が増大する。従って、単位波源領域５０_ｉは１キロメートル〜数十キロメートル角程度の領域とするのがよい。また、波高η_ｉは各単位波源領域５０_ｉでのそれぞれの波高を示す。

先ず、単位波源領域５０_１のみに波高η_１＝１メートルの単位波高を与え、津波シミュレーションを実施し、区分領域４８_ｊにおける流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）の時間変化を応答関数メモリ６１ｍに格納する。次に、単位波源領域５０_２から単位波源領域５０_ｍに対して順番に１メートルの単位波高をそれぞれ与え（波高η_２〜波高η_ｍ＝１メートル）、各区分領域４８_ｊにおける流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）の時間変化を応答関数メモリ６１ｍにそれぞれ格納する。このように、応答関数は複数回の津波シミュレーションを実施することによって算出される。

次に、津波波源領域波高算出部６１の動作（非特許文献３参照）について以下に説明する。

静水深ｈが十分に深いと仮定すれば、上述した式（１）〜式（３）の津波の基礎方程式は線形化することができ、津波波源領域４９で発生する津波７は、次式のように単位波源領域５０_ｉで発生する津波７の線形和で表せる、という重ね合わせの原理が成立する。

ここで、Ａ_１（ｔ）〜Ａ_ｍ（ｔ）は係数であり、ｔは時間であり、η_ｍ（ｔ）は津波波源領域４９で発生する津波７の波高である。

次に、単位波源領域５０_ｉに対する半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）の応答関数Ｇ_ｉｊ（ｔ）は次式で表すことができる。

さらに、（１０）式は次式に書き直される。

式（１０）に対して最小２乗法を適用し、電波照射領域１４内の区分領域４８_ｊにおいて計測される実際の津波の半径ｒ方向の流速Ｕ_ｒｊ（ｔ）と応答関数Ｇ_ｉｊ（ｔ）を用いて、残差の二乗和Ｅは次式で表すことができる。

残差の二乗和Ｅが最小となるように、単位波源領域５０_ｉ（ｉ＝１，２，３，４，…，ｍ）の波高η_ｉを求めれば、津波波源領域４９内の初期波高分布を予測できる。

次に、津波シミュレーション部１５Ｃの動作について説明する。

津波シミュレーション部１５Ｃは、図１の津波シミュレーション部１５と比較すると、図２０の津波シミュレーション領域１６において、津波波源領域波高算出部６１で算出された単位波源領域５０_ｉの波高η_ｉのデータを初期条件として津波シミュレーションを行うことが相違する。

図２１は、図２０の津波シミュレーション領域１６の詳細を説明するための平面図である。図２１において、１本の送受信アンテナ２が陸１８に設置される。ここで、時間経過に伴って伝播する津波７の挙動をシミュレーションするための初期条件として、津波波源領域４９において初期波高５メートルの津波７が発生するように設定した。さらに、津波シミュレーション領域１６は１２５キロメートル×１２５キロメートル四方の領域に設定され、電波照射領域１４は半径３０キロメートルの領域に設定され、津波波源領域４９は５０キロメートル×２５キロメートル四方の領域に設定される。

図２２は、図１９の津波シミュレーション部１５Ｃにより予測される津波７の到達時刻及び到達波高の精度を示すグラフである。図２２では、図１９の津波シミュレーション部１５Ｃにより予測される到達波高データが予測値として白丸で示され、事前に詳細なシミュレーションが実施され、その結果が津波の到達波高の実測値に相当する真値として実線で示される。ここで、図１９の津波シミュレーション部１５Ｃにおいて、津波７が発生してから１９分後でのシミュレーションを１回だけ実施して予測される到達波高の予測値の時間変化が白丸で示される。図２２に示すように、１回のシミュレーションでも時間の経過に伴って真値とのずれはほとんど観測されず、到達波高を十分な精度で予測できることが理解される。従って、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と比較すると、到達波高をさらに長時間に亘って高精度で予測できる。さらに、複数回数の津波シミュレーションに基づいて津波７の到達時刻及び到達波高を予測する第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、１回の津波シミュレーションにより津波７の発生時から津波７の収束時までの長時間にわたって津波７の到達時刻及び到達波高を予測することができる。

以上の実施の形態に係る津波監視システム１Ｅによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、津波シミュレーションの初期条件として津波波源領域４９での津波の初期波高データを用いるので、津波７の到達時刻及び到達波高をさらに長時間に亘って精度良く予測することが可能となる。さらに、津波監視システム１Ｅによれば、第１の実施の形態に係る津波監視システム１と比較すると、１回の津波シミュレーションを実施するだけで津波７の発生時から津波７の収束時までの長時間にわたって津波７の到達時刻及び到達波高を予測することができる。

第７の実施の形態．
上述した第６の実施の形態では、電波照射領域１４の津波７の流速データに基づいて津波波源領域４９の津波７の波高ηを算出した。これに対して、本実施の形態では、電波照射領域１４の津波７の波高データに基づいて津波波源領域４９の津波７の波高ηを算出することを特徴とする。

図２３は、本発明の第７の実施の形態に係る津波監視システム１Ｆ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図２３の津波監視システム１Ｆは、図１９の津波監視システム１Ｅと比較すると、演算部１０Ｅの代わりに演算部１０Ｆを備えたことを特徴とする。図２３の演算部１０Ｆは、図１９の演算部１０Ｅと比較すると、波高推定部１１Ｂの代わりに波高推定部１１Ｃを備え、流速データメモリ６０の代わりに波高データメモリ７０を備え、津波波源領域波高算出部６１の代わりに津波波源領域波高算出部６１Ａを備え、応答関数メモリ６１ｍの代わりに応答関数メモリ６１Ａｍを備えたことを特徴とする。

波高推定部１１Ｃは、図１の波高推定部１１と比較すると、算出された津波７の波高データを波高データメモリ７０に格納することが相違する。

津波波源領域波高算出部６１Ａは、波高データメモリ７０に格納される波高データ及び応答関数メモリ６１Ａｍに格納される応答関数に基づいて、津波波源領域４９の波高ηを算出し、当該算出された波高ηのデータを津波シミュレーション部１５Ｃに出力する。

図２３の応答関数メモリ６１Ａｍに格納される応答関数は、図１９の応答関数メモリ６１ｍに格納される応答関数と比較すると、電波照射領域１４内の津波７の流速データに基づいて津波波源領域４９での津波７の初期波高を算出するための応答関数の代わりに、電波照射領域１４内の津波７の波高データに基づいて津波波源領域４９での津波７の初期波高を算出するための応答関数であることが相違する。なお、本実施の形態に係る応答関数の算出方法は、上述した第６の実施の形態に係る応答関数の算出方法と同様である。

以上の実施形態に係る津波監視システム１Ｆによれば、上述した第６の実施の形態と同様の動作及び作用効果を得ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ 津波監視システム、２ 送受信アンテナ、３ 海面、４ 海、５ 送信電波、６ 受信電波、７ 津波、８ 送受信部、９ 信号処理部、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ 演算部、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 波高推定部、１２，１２Ａ，１２Ｂ 到達予測部、１３，１３Ａ 表示部、１４ 電波照射領域、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ 津波シミュレーション部、１６ 津波シミュレーション領域、１８ 陸、２０ 波高データメモリ、２１ 評価領域、２２ 海底、１７，１７Ａ 水深分布データメモリ、１２，１２Ａ 到達予測部、１９，１９Ａ 地形データメモリ、３０，３０Ａ 水位計測部、４０ 領域、４１ 外領域、４８_ｊ 区分領域、４９ 津波波源領域、５０_ｉ 単位波源領域、６０ 流速データメモリ、６１，６１Ａ 津波波源領域波高算出部、６１ｍ，６１Ａｍ 応答関数メモリ。

Claims (9)

1. 津波を検出するための送信信号を電波として海面に向かって放射する送信アンテナと、上記津波に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えた津波監視システムにおいて、
   所定の周波数を有する上記送信信号を発生する信号発生手段と、
   上記送信信号と上記受信信号との周波数差の周波数を有するビート信号を生成する信号処理部と、
   上記電波照射領域を複数の領域に分割し、各領域ごとに、上記ビート信号に基づいて、上記津波の海面の流速を算出する波高推定部と、
   上記算出された上記津波の海面の流速に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出し、上記算出された各時刻での津波の波高に基づいて、各時刻での津波の到達波高を算出する津波シミュレーション部と、
   上記算出された各時刻での津波の到達波高に基づいて、上記津波に対する到達時間及び到達波高を予測する到達予測部とを備えたことを特徴とする津波監視システム。
2. 上記波高推定部は、上記算出された上記津波の海面の流速に基づいて、上記津波の各領域ごとの波高を推定し、
   上記津波シミュレーション部は、上記推定された上記津波の各領域ごとの波高に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出することを特徴とする請求項１記載の津波監視システム。
3. 上記算出された流速に基づいて、上記津波が発生する領域である津波波源領域の波高を算出する津波波源領域波高算出部をさらに備え、
   上記津波シミュレーション部は、上記算出された津波波源領域の波高に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出することを特徴とする請求項１記載の津波監視システム。
4. 上記波高推定部は、上記算出された上記津波の海面の流速に基づいて、上記津波の各領域ごとの波高を推定し、
   上記算出された上記津波の各領域ごとの波高に基づいて、上記津波が発生する領域である津波波源領域の波高を算出する津波波源領域波高算出部をさらに備え、
   上記津波シミュレーション部は、上記算出された津波波源領域の波高に基づいて、津波の挙動のシミュレーションを計測サンプル周期ごとに実行して各時刻での津波の波高を算出することを特徴とする請求項１記載の津波監視システム。
5. 上記津波シミュレーション部は、上記推定された津波の波高及び上記算出された各時刻での津波の波高に基づいて、上記計測サンプル周期ごとの津波の挙動のシミュレーションを実行することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
6. 上記到達予測部は、上記算出された各時刻での津波の到達波高に基づいて、当該各時刻での津波の到達波高の最大値を算出し、当該算出された津波の到達波高の最大値を、各時刻での上記津波に対する到達波高として予測することを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
7. 上記到達予測部は、上記算出された各時刻での津波の到達波高に基づいて、当該各時刻での津波の到達波高の最大値及び最小値を算出し、当該算出された最大値及び最小値を加算し、当該加算された値を上記津波に対する到達波高として予測することを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
8. 上記算出された各時刻での津波の到達波高を格納する記憶部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。
9. 上記津波の波高を計測するための１つ以上の水位計測部をさらに備え、
   上記波高推定部は、上記水位計測部により計測される上記津波の波高のデータに基づいて、上記津波の波高を推定することを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の津波監視システム。

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