(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中における乱流の程度を表す指標であるＥＤＲを測定する方法であって、
観測地点において上空に向けて波動を発射し、前記波動の反射波または散乱波を検出して前記観測地点の上空の観測高度ｈにおける風の鉛直方向の速度の分散σwを求め、
前記分散σwの値から前記ＥＤＲを決定する方法。
【請求項２】
観測地点によって定まるパラメータをｋとし、
【数１】
0005520985.tif 000005
によって前記ＥＤＲを決定し、ここで、ｈが１６９［ｍ］未満であれば＝０．６５ｈ［ｍ］であり、ｈが１６９ｍ以上であればΛ＝１１０［ｍ］である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記波動は音波または光波である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
大気中における乱流の程度を表す指標であるＥＤＲを測定するシステムであって、
観測地点において上空に向けて波動を繰り返して発射し、前記波動の反射波または散乱波を検出してドップラーシフトを求めることにより、前記観測地点の上空の観測高度ｈにおける風速の鉛直方向成分を継続的に観測するドップラー測風手段と、
前記ドップラー測風手段で得られた前記鉛直方向成分での風速の分散を算出し、前記分散の値と、前記観測地点によって定まる係数と、前記観測高度とに基づいて、ＥＤＲを計算する計算部と、
を有するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空気象の技術分野に関し、特に、大気中における乱流の程度を表す指標であるＥＤＲ（渦消散率：Eddy Dissipation Rate）の測定方法及び測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の安全な運航のために、乱気流の状態を適切に評価することが重要である。航空機に与える乱気流の影響に関し、国際民間航空機関（ＩＣＡＯ：International Civil Aviation Organization）は、ＥＤＲという指標を定めている。
【０００３】
地上からの高さがｈ［ｍ］である点Ｐでの時々刻々と変化する風を考え、この点Ｐでの風速について３次元の各方向での分散を考える。鉛直方向成分での風速の分散をσwとする。点Ｐを含む水平面内において、風の流れの主軸方向での風速の分散をσuとし、主軸方向に直交する方向での分散をσvとする。ある方向での風速の分散とは、当該方向について考えたときに、風が揺らいで流れたために、風速の瞬時値が平均風速からどれだけばらつくかを示している。点Ｐにおける乱流エネルギーの消散率εは、大気成層が中立であるとすると、
【０００４】
【数１】
0005520985.tif 000002
【０００５】
で表される。Λは、ｈが１６９［ｍ］未満であれば、Λ＝０．６５ｈ［ｍ］で表され、ｈが１６９ｍ以上であれば、Λ＝１１０［ｍ］である。
【０００６】
このような大気中での乱流エネルギーの消散率εから、ＥＤＲは、
ＥＤＲ＝ε1/3        (2)
として求めることができる（非特許文献１）。
【０００７】
ＥＤＲの測定では、分散σu，σv及びσwは、例えば、数分から２０分の期間（典型的には１０分あるいは１５分の期間）内で１Ｈｚ以上のサンプリング周波数で風速を測定して各成分の風速値に対する統計処理を行うことによって求めることができる。ＥＤＲは、乱流と相関のある量であり、ＩＣＡＯは、表１に示すように、ＥＤＲの大きさによって乱流の程度を分類し、またその発生頻度を報告している（非特許文献２）。
【０００８】
【表１】
0005520985.tif 000003
【０００９】
ＥＤＲの大きさから表１に示すように乱流状態を分類したものは、乱流状態の警報、例えばウインドシア・アラームとして、航空機への通報に用いられる。
【００１０】
式(1)は、大気成層が中立である場合の気象モデルから算出されたものであり、厳密に言えば、大気成層が中立ではない場合には適用できないものである。しかしながら、空港での離着陸時に危険な乱気流現象が発生していないかどうかを判断するにおいては、問題とするような乱流は強風下に発生するものであって大気成層が中立であると考えられる場合がほとんどであるから、式(1), (2)を用いてＥＤＲを求めても支障はない。
【００１１】
従来は、超音波風速計などを地上の観測塔に取り付け、風の各方向の速度成分を求めてＥＤＲを求めていた。航空機は特にその離着陸時に乱気流の影響を受けると安全な運行が妨げられるので、空港においてＥＤＲを確実に観測できることが好ましい。しかしながら、空港においては航空機の進入や離着陸の障害となるため高い観測塔を設置することができず、せいぜい、高さ１０ｍ程度の低い観測塔しか設けることができない。このため、超音波風速計などの風速を直接観測する観測機器を用いてＥＤＲを観測することは、空港等においては極めて低い高度でしか行うことができず、航空機の運航に十分に役立つ程度までＥＤＲを観測することは困難である。
【００１２】
離れた場所の風向や風速を求める技術として、ドップラー・ソーダー(SODAR)あるいはドップラー・ライダー(LIDAR)がある。ドップラー・ソーダーは、音波を上空の大気中に向けて放射し、気温躍層や気温変動領域に起因する密度の不連続や揺らぎなど、大気の音響特性の不連続または変動箇所で発生する微弱な反射波あるいは散乱波を受信する。そして、受信信号における周波数のドップラー・シフト量を求めることによって、その受信信号に対応した反射または散乱を生じさせた密度変動領域の移動速度、すなわちその個所における風向・風速を算出する。音波の送信から受信までの時間は、密度変動領域の高度に依存するから、所望の高度ごとに測風を行うことができ、この場合、１台の受波器により風速の１成分を求めることができる。異なる場所に配置された３台の受波器を有する３次元ドップラー・ソーダーを用いれば、方向成分別に風速とその分散を求めることができ、前述の式(1), (2)に基づいて、上空の任意の場所でのＥＤＲを求めることができる。非特許文献３には、ドップラー・ソーダーを用いてＥＤＲを観測した例が示されている。ドップラー・ソーダーでの音波の代わりに光を用い、空気密度の不連続や揺らぎによって反射あるいは散乱した光を検出するようにしたものが、ドップラー・ライダーである。
【００１３】
しかしながら、受波器を３箇所に分散配置したドップラー・ソーダーを用いて上空の風速の方向別成分を観測してそれらの分散を求め、ＥＤＲを算出するようにした場合、装置の構成が大規模なものとなる、という問題点がある。また、式(1)で用いられるσu，σv及びσwをドップラー・ソーダーでの測定値から得るために複雑な計算を行わなければならない、という問題も点もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】C. Donaldson and A. Bilanin, "Vortex Wakes of Conventional Aircraft", AGARD-AG-204 (1975)
【非特許文献２】ICAO, 2001: Meteorological Service for International Air Navigation, Annex 3 to the Convention on International Civil Aviation
【非特許文献３】P. W. Chan, "Measurement of Eddy Dissipation Rate by a Mini-sodar for Aviation Application: Comparison with Tower Measurement", 11th Conference on Aviation, Range, and Aerospace Meteorology, American Meteorological Society, P4.9, 4-8 October 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＥＤＲを観測し、ＥＤＲの大きさによって乱流状態を分類することは、航空機に対して乱流状態について警報を行うことにとって極めて有効である。しかしながら、ウィンドシアなどの乱流が航空機の離着陸に対して大きな影響を与えるような高度範囲（例えば、地表から１５０ｍ（５００フィート））でのＥＤＲを、例えば各空港などの現地で、簡便かつ実時間で決定できるような方法は存在しないのが実情である。
【００１６】
本発明の目的は、ＥＤＲを簡便かつ実時間で決定できる方法及びシステムを提供することになる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、観測高度ｈにおける風の鉛直方向の速度の分散σwを求めるだけでＥＤＲを決定する方法を見つけ出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明のＥＤＲ（渦消散率：Eddy Dissipation Rate）の測定方法は、大気中における乱流の程度を表す指標であるＥＤＲを測定する方法であって、観測地点において上空に向けて波動を発射し、波動の反射波または散乱波を検出して観測地点の上空の観測高度ｈにおける風の鉛直方向の速度の分散σwを求め、分散σwの値からＥＤＲを決定する。また本発明のＥＤＲの測定システムは、大気中における乱流の程度を表す指標であるＥＤＲを測定するシステムであって、観測地点において上空に向けて波動を繰り返して発射し、波動の反射波または散乱波を検出してドップラーシフトを求めることにより、観測地点の上空の観測高度ｈにおける風速の鉛直方向成分を継続的に観測するドップラー測風手段と、ドップラー測風手段で得られた鉛直方向成分での風速の分散を算出し、分散の値と観測地点によって定まる係数と観測高度とに基づいてＥＤＲを計算する計算部と、を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上空の一方向のみを観測可能なドップラー・ソーダーあるいはドップラー・ライダー、さらには１軸（成分）ドップラー測風装置といった簡単な機器（これらを総称してドップラー測風手段と称する）を使用して観測高度ｈにおける風の鉛直方向の速度の分散σwを求めるだけでＥＤＲを決定できるので、簡便かつ実時間でＥＤＲを求めることができる、という効果を有する。これにより、安価な装置によって任意高度でのＥＤＲを決定することができるようになる。本発明によれば、地形が複雑で気流の乱れが大きい山間部や島嶼部の空港においても、容易にＥＤＲを観測できるようになり、航空機に対して乱流の警報（ウインドシア・アラート）を確実に出せるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に基づいてＥＤＲを測定するための装置構成を示すブロック図である。
【図２】本発明によって求めたＥＤＲ値と気象観測塔で観測した乱流エネルギーから求めたＥＤＲとの相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
ＥＤＲを求めるために上述の式(1), (2)では、風速の各成分の分散σu，σv及びσwが必要である。これらの分散のうち、鉛直方向の分散σwは、ドップラー・ソーダーやドップラー・ライダーにおける測線方向での速度の分布であり、上空に向けて音波あるいは光波を発射し、反射波におけるドップラー・シフトから風速の鉛直成分を求め、その風速における時間的揺らぎを求めることによって、極めて容易に求めることができる。風速の観測高度ｈについても、音波または光波の発射から受波までの伝搬の往復時間によっても直ちに定めることができる。
【００２２】
ところで、本発明者らが３次元での風速の測定結果に基づいて分散σu，σv及びσwの各値の関係を検討したところ。地表から例えば２００ｍまでの高度範囲では、大気成層が中立という条件の下で、水平面内での風の流れの主軸方向での分散σuに対し、鉛直方向の分散σwは、概ね、
０．５≦σw／σu≦０．７        (3)
の範囲内にあり、水平面内で主軸方向と直交する方向の分散σvは、
０．７≦σv／σu≦１．０        (4)
の範囲内に収まっていた。ここでｋ1＝σw／σu，ｋ2＝σv／σuとおくと、ｋ1，ｋ2は、観測場所の地形や高度に依存するパラメータであり、式(3), (4)より、０．５≦ｋ1≦０．７，０．７≦ｋ2≦１．０を満たす。観測高度ｈが２００ｍ程度以下であれば、実質的には、ｋ1，ｋ2は地形のみに依存するパラメータであるとみなしても構わない。特に地形上の特徴がないような空港の場合であれば、ｋ1＝０．６，ｋ2＝０．７５程度の値となる。
【００２３】
式(3), (4)より、
σu＝σw／ｋ1            (5)
σv＝ｋ2σw／ｋ1        (6)
これらを式(1), (2)に代入すれば、
【００２４】
【数２】
0005520985.tif 000004
【００２５】
式(7)中、Λは観測高度ｈのみに依存する値であり、ｋ1，ｋ2は主として観測場所の地形に依存するパラメータであるから、結局、観測場所において観測高度ｈにおける風速の鉛直方向でのゆらぎ成分（すなわち分散σw）を求めれば、その観測場所における高度ｈでのＥＤＲを知ることができる。
【００２６】
図１は、本実施形態の方法に基づいてＥＤＲを測定するシステムの構成例を示している。ここでは、パルス状の音波２を上空に向けて周期的に発射し、反射波におけるドップラー・シフトから上空の風の鉛直方向成分の風速を求めるドップラー測風装置１が用いられている。このドップラー測風装置１は、ドップラー測風装置１における視線方向での風速を検出できる１軸成分の観測装置である。パルス音波の発射時刻と反射波の到達時刻との差に音速の半分を乗じたものが観測高度ｈとなる。ドップラー測風装置１からは、観測高度ｈにおける風速の鉛直方向成分の値が連続的に出力されるから、計算部３において、ドップラー測風装置１からの出力値を処理して分散σwを求め、σwに式(7)を適用することによって、ＥＤＲが計算される。ドップラー測風装置１の代わりに、ソーダーやライダーを用いることもできる。求められたＥＤＲは、ＩＣＡＯの乱流指標にしたがって、軽い乱流状態、中程度の乱流状態、及び激しい乱流状態に分類され、ウインドシア・アラートを出すのに用いることができる。
【００２７】
次に、本実施形態の方法に基づいて実際にＥＤＲを測定した例を説明する。気象観測塔において超音波風速計で３次元の風速観測を行いその結果からＥＤＲを求めることと、本実施形態に基づき図１に示したシステムによってＥＤＲを決定することとを多数の乱流事象に対して行い、結果を比較した。図２は比較結果を示すグラフであり、縦軸は、３次元の風速観測から乱流エネルギーを求めて決定したＥＤＲであり、横軸は、本実施形態の方法に基づき、風速の鉛直方向成分の分散のみから決定したＥＤＲを示している。ここでは、ｋ1，ｋ2として、ｋ1＝０．６，ｋ2＝０．７５を使用した。両者は相関係数ＲがＲ＝０．８程度で良好に一致した。このことから、本発明の方法によって、簡便かつ実時間でＥＤＲを求めることができることが分かった。
【図１】
0005520985.tif 000006
【図２】
0005520985.tif 000007