(57)【要約】【課題】地上観測装備からなる地上検証網を用いて凝結核、雲、降水を統合的に観測して相互間の関係を探知する観測システムを構築するエアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システム及び方法 を提供する。【解決手段】本発明は、エアロゾル、雲及び降雨遠隔観測システム及び方法に関するものであり、本発明の一実施例による遠隔観測システムは、雨雲プロファイルを算出するレーダーと、雨雲プロファイルの総量を算出するＧＮＳＳと、弱い雲プロファイルを算出するラジオメーターと、エアロゾルプロファイルを算出するライダーと、を備えてなる。本発明の一実施例による遠隔観測方法は、レーダーが雨雲プロファイルを算出する第１段階と、ＧＮＳＳが雨雲プロファイルの総量を算出する第２段階と、ラジオメーターが弱い雲プロファイルを算出する第３段階と、ライダーがエアロゾルプロファイルを算出する第４段階と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダーが雨雲プロファイルを算出する第１段階と、
ＧＮＳＳが雨雲プロファイルの総量を算出する第２段階と、
ラジオメーターが弱い雲プロファイルを算出する第３段階と、
ライダーがエアロゾルプロファイルを算出する第４段階と、
を含む、遠隔観測方法。
【請求項２】
前記第４段階においては、０．１〜１μｍの大きさの粒子を観測し、
前記第３段階においては、１〜１００μｍの大きさの粒子を観測し、
前記第２段階においては、１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測し、
前記第１段階においては、１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項３】
前記レーダーは、アクティブ電波放射方式を用いて１０〜２３０ｍｍの高周波に変調して電磁気波を連続的に放射するレーダーであって、放射された信号が目標物によって後方散乱されて再びアンテナに受信される電磁波によって降雨粒子に対するレーダー反射度、粒径の分布及び粒子の鉛直速度を含む情報を求めることができ、
前記ＧＮＳＳは、２０，２００ｋｍの上空において運営中のＧＰＳ衛星を用いて地上の位置情報を取得するシステムであって、ＧＰＳ受信機は３以上のＧＰＳ衛星から送信された信号を受信して衛星及び受信機の位置を決定する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項４】
前記ラジオメーターは、パッシブ方式の９．６×１０-４〜１１．５×１０-４ｍｍの波長帯を有し、上層大気の気温、湿度、可降水量、水液量を鉛直的に観測する装備であって、長波輻射を受信して水蒸気量及び水液量をリアルタイムにて算出する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項５】
前記ライダーは、アクティブ方式の（１１×１０-４〜０．２５ｍｍ）の波長帯を有し、後方散乱係数を３波長とし、消散係数を２波長とし、且つ、偏光解消度を２波長としてそれぞれ別々に大気中の空気分子及びエアロゾルの弾性散乱による放散乱光を測定する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項６】
前記第４段階においては、エアロゾルの濃度を観測する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項７】
前記第３段階においては、水液量を観測する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項８】
前記第２段階においては、水液量を観測する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項９】
前記第１段階においては、水液量及び落下速度を観測する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項１０】
前記第４段階においては、１１×１０〜０．２５ｍｍの大きさの波長を使用する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項１１】
前記第３段階においては、０．１〜１００ｍｍの大きさの波長を使用する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項１２】
前記第２段階においては、１００〜１０００ｍｍの大きさの波長を使用する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【請求項１３】
前記第１段階においては、１０〜２３０ｍｍの大きさの波長を使用する、請求項１に記載の遠隔観測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
雨は、まるで乾くことなく供給されるかのように土を塗らした後にも必ず再び降りる。これは、驚くべき循環過程のおかげであるが、蒸発、凝縮、降雨過程の重要な３種類の段階について説明すると、地球上の水の９７パーセントは大洋に含まれている。残りは、ほとんど氷河をなしているか、あるいは、湖及び帯水層に保存されている。
【０００３】
まず、大洋の水は蒸発して気体、すなわち、水蒸気となる。太陽熱は毎年陸地及び海から４０万ｍ３に達する水を大気中に蒸発させる。水の再循環は、土から１０〜２０ｋｍの高さまでの大気において行われ、空気は熱ければ熱いほどより多くの水を保有することができる。
【０００４】
水蒸気が大気中において非常に重要な機能を行うが、大気に残りさえすれば自然な雨を降らせるとは限らず、水分は凝縮によって再び液体状態となる。大気中には煙と微細な埃及び海塩粒子などの非常に小さな粒子でいっぱいである。これらの固体粒子に加えて、荷電粒子も凝結核の役割を果たすことができるが、一部の空気の温度が下がるにつれて、水蒸気は微細な凝結核に凝縮される。その結果、微細な水滴が視認可能な雲を形成する。多くの雲は雨又は降雨を全く作り出さない。
まず、降雨（ｒａｉｎｆａｌｌ）とは、雲中に水分が凝結されて地上に落ちるあらゆるタイプの水分を通称する。
【０００５】
分かり易く説明すれば、雲粒子が集まって雨滴となって地上に落ちるのである。しかしながら、降雨の形成過程とそれが地上に落ちるまでの全ての過程は簡単には説明し難い。現代の我々のように昔の人々も降水現象を観察しながら様々な理論を定立してきており、それぞれは問題も有している。このため、現在は、そのような問題を補い、より分かり易く説明可能な、新たに定立された理論の２種類で降雨現象を説明する傾向にある。一つは、広く受け入れられている理論であり、氷晶がある場合に水滴が蒸発した水蒸気が氷晶にくっついて成長していくという氷晶説（Ｂｅｒｇｅｒｏｎ−Ｆｉｎｄｅｉｓｅｎ ｔｈｅｏｒｙ）であり、もう一つは、異なる大きさの水滴が併合及び捕獲によって降りるようにする併合説（Ｃｏａｌｅｓｃｅｎｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ）である。しかしながら、これらの２種類は一つのみをもって純水に降雨現象について完璧に説明することはできない。実際の状況はそんなに単純なことではないため一緒に説明したりもし、時々、必要に応じて他の何かを取り込んで説明したりもする。
これらに加えて、これまでの知識によれば、降雨の形成のためにはいくつかの気象学的条件が備えられなければならないということが知られている。
【０００６】
第一に、空気を露点まで冷却可能な低い温度が存在しなければならず、第二に、雲中に水滴を形成可能な凝結核が存在しなければならず、第三に、凝結された疎水粉粒子を次第に大きくできなければならず、最後には、十分な強さ及び量の水分を集めて拡大できなければならない。このような大気中の凝結現象とは、主として雲粒、霧粒など水滴の凝結のことをいう。
そして、雲中において雨滴や雪片が生成される原理について説明する理論である。
【０００７】
第一は氷晶説であり、雲の頂上が０℃以下であるときに雲中において過冷却水滴及び氷晶が共存する。このとき、過冷却水滴と氷晶との間の飽和蒸気圧の違いによって水滴は蒸発し、氷晶は急速に成長して雪の結晶となる。これが落ちる間に互いにくっついて雪片になるか、あるいは、残りの過冷却水滴と衝突して雪あられとなる。地上近くの気温が高いときには溶けて雨を降らせる。第二は併合説であり、雲中に比較的に大きな雲粒があればこれが落ちながら他の小さな雲粒と互いに併合して雨滴として成長して落ちることである。
【０００８】
したがって、降雨は凝結核→雲水滴粒子→降雨に発展するが、これを一度に観測する装備はないのが現状であり、これを総合的に観測するためのシステムが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解消するために案出されたものであり、その目的は、地上観測装備からなる地上検証網を用いて凝結核、雲、降水を統合的に観測して相互間の関係を探知する観測システムを構築するエアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システム及び方法 を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した問題を解消するための本発明の一実施例による遠隔観測システムは、雨雲プロファイルを算出するレーダーと、雨雲プロファイル総量を算出するＧＮＳＳ(全球測位衛星システム)と、弱い雲プロファイルを算出するラジオメーターと、エアロゾルプロファイルを算出するライダーと、を備える。
【００１１】
本発明の他の一実施例によれば、前記ライダーは０．１〜１μｍの大きさの粒子を観測し、前記ラジオメーターは１〜１００μｍの大きさの粒子を観測し、前記レーダーは１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測し、前記ＧＮＳＳは１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記ライダーは、エアロゾルの濃度を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記ラジオメーターは、水液量を観測する。
本発明の他の一実施例によれば、前記レーダーは、水液量及び落下速度を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記ＧＮＳＳは、水液量を観測する。
【００１２】
本発明の他の一実施例によれば、前記ライダーは、１１×１０−４〜０．２５ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、前記ラジオメーターは、０．１〜１００ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、前記レーダーは、１０〜２３０ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、請求項１において、前記ＧＮＳＳは、１００〜１０００ｍｍの大きさの波長を使用する。
【００１３】
本発明の一実施例による遠隔観測方法は、レーダーが雨雲プロファイルを算出する第１段階と、ＧＮＳＳが雨雲プロファイルの総量を算出する第２段階と、ラジオメーターが弱い雲プロファイルを算出する第３段階と、ライダーがエアロゾルプロファイルを算出する第４段階と、を含む。
【００１４】
本発明の他の一実施例によれば、前記第４段階においては、０．１〜１μｍの大きさの粒子を観測し、前記第３段階においては、１〜１００μｍの大きさの粒子を観測し、前記第２段階においては、１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測し、前記第１段階においては、１００〜１０００μｍの大きさの粒子を観測する。
【００１５】
本発明の他の一実施例によれば、前記第４段階においては、エアロゾルの濃度を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記第３段階においては、水液量を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記第２段階においては、水液量を観測する。本発明の他の一実施例によれば、前記第１段階においては、水液量及び落下速度を観測する。
【００１６】
本発明の他の一実施例によれば、前記第４段階においては、１１×１０−４〜０．２５ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、前記第３段階においては、０．１〜１００ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、前記第２段階においては、１００〜１０００ｍｍの大きさの波長を使用する。本発明の他の一実施例によれば、前記第１段階においては、１０〜２３０ｍｍの大きさの波長を使用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施例によれば、地上観測装備からなる地上検証網を用いて凝結核、雲、降水を統合的に観測して相互間の関係を探知する総合観測体系を提供することができるという効果がある。また、本発明の実施例によれば、地上観測装備からなる地上検証網を用いて地上及び高層観測資料を用いて雲高、雲、雲形を調べて繰り返し循環する過程を現行化してシステムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】エアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システムの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、添付図面を参照して好適な本発明の一実施例について詳細に説明する。但し、実施例を説明するに当たって、関連する公知の機能若しくは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を余計に曖昧にする虞があると認められる場合にはそれについての詳細な説明は省略する。なお、図中の各構成要素の大きさは説明のために誇張されてもよく、実際に適用される大きさを意味することはない。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例によるエアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システムに対する図であり、エアロゾル、雲及び観測別のローションの発端過程及び装備の模式図を示す。図２は、エアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測方法の流れ図である。
以下では、表１を参照して本発明の一実施例によるエアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測システムについて説明する。
【００２１】
本発明の一実施例による遠隔観測システムは、雨雲プロファイルを算出するレーダー１３０と、雨雲プロファイル総量を算出するＧＮＳＳ１４０と、弱い雲プロファイルを算出するラジオメーター１２０と、エアロゾルプロファイルを算出するライダー１１０と、を備える。
【００２２】
下記表１は、ライダー１１０、ラジオメーター１２０、レーダー１３０、ＧＮＳＳ１４０のそれぞれの使用波長、対象、対象となる粒子の大きさ及び対応する微細物理を簡略に示す表である。
【００２３】
【表１】
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＊非常に弱い雲：薄霧
＊＊弱い雲：濃霧、霧
＊＊＊雨雲：霧雨、雪あられ、降雨、あられ
【００２４】
前記表１に簡略に示すように、本願発明の一実施例によれば、ライダー１１０、ラジオメーター１２０、レーダー１３０、ＧＮＳＳ１４０を用いた地上及び高層観測資料を用いて雲高、雲、雲形を調べて繰り返し循環する過程を現行化してシステムに適用する。
【００２５】
地上観測資料は、地上に設けられたラジオメーター１２０、レーダー１３０、例えば、鉛直降雨レーダー（ＭＲＲ）の資料を活用し、雲高観測資料のためにライダー１１０で高度別の観測資料を確保し、ＧＮＳＳ１４０（例えば、ＧＰＳ衛星を用いて地上の位置情報を取得する。
以下では、表１を参照してライダー１１０、ラジオメーター１２０、レーダー１３０、ＧＮＳＳ１４０のそれぞれについてより具体的に説明する。
【００２６】
まず、本願発明の一実施例によれば、ライダー１１０は、１１×１０−４〜０．２５ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が０．１〜１μｍの大きさである、エアロゾル（凝結核、水滴などを含む）の濃度を観測して、エアロゾル（又は、非常に弱い雲を含む）のプロファイルを算出してもよい。
【００２７】
一実施例によれば、ライダー１１０は、アクティブ方式の（１１×１０−４〜０．２５ｍｍ）波長帯を有し、後方散乱係数を３波長とし、消散係数を２波長とし、且つ、偏光解消度を２波長としてそれぞれ別々に大気中の空気分子及びエアロゾルの弾性散乱による放散乱光を測定してもよい。これを用いて、大気汚染性硫酸などのエアロゾル、光吸収性の煤、海塩粒子、黄砂などを識別してそれぞれの濃度分布を推定することが可能である。
【００２８】
次いで、本願発明の一実施例によれば、ラジオメーター１２０は、０．１〜１００ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が１〜１００μｍの大きさである、弱い雲の水液量などを観測して、弱い雲のプロファイルを算出してもよい。
【００２９】
一実施例によれば、ラジオメーター１２０は、パッシブ方式の（９．６×１０−４〜１１．５×１０−４ｍｍ）の波長帯を有し、上層大気の気温、湿度、可降水量、水液量を鉛直的に観測する装備であって、長波輻射を受信して水蒸気量だけではなく、水液量をリアルタイムにて算出してもよい。但し、降雨による観測エラーが発生する虞がある。ＧＰＳは、地上の受信所で伝搬されながら対流層を通過するが、このとき、対流圏の色々な構成成分によって信号遅延が発生するが、信号遅延量を用いて可降水量を算出するＧＰＳは、時間及び場所を問わずに可降水量値を常時観測することができる。
【００３０】
次いで、本願発明の一実施例によれば、レーダー１３０は、１０〜２３０ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が１００〜１０００μｍの大きさである、雨雲の水液量、粒子の落下速度などを観測して、雨雲のプロファイルを算出してもよい。
【００３１】
一実施例によれば、レーダー１３０は、アクティブ電波放射方式を用いて（１０〜２３０ｍｍ）の高周波に変調してパルス状ではない電磁気波を連続的に放射するレーダーである。放射された信号が降水粒子のような気象学的に意味のある目標物によって後方散乱されて再びアンテナに受信される電磁波によって降雨粒子に対するレーダー反射度及び粒子の大きさ分布などの色々な情報を求めることができ、粒子の鉛直速度を知ることができるので、上昇気流の発生有無を知ることができる。ＭＲＲは、６ｋｍの上空まで液体（雪を含む）状態の水に対する反射度、終端速度などの垂直プロファイルを提供することができる。
【００３２】
最後に、本願発明の一実施例によれば、ＧＮＳＳ１４０は、１００〜１０００ｍｍの大きさの波長の通信時間の遅延を用いて、粒子が１００〜１０００μｍの大きさである、雨雲の水液量を観測して、雨雲のプロファイルの総量を算出してもよい。
【００３３】
一実施例によれば、ＧＮＳＳ１４０ＧＰＳは、２０，２００ｋｍの上空において運営中のＧＰＳ衛星を用いて地上の位置情報を取得するシステムである。ＧＰＳ受信機は、３以上のＧＰＳ衛星から送信された信号を受信して衛星及び受信機の位置を決定する。衛星において送信された信号及び受信機において受信された信号の視差を測定すると、衛星及び受信機間の距離を求めることができるが、このときに送信された信号には衛星の位置に関する情報が含まれている。少なくとも３つの衛星との距離及び各衛星の位置が既知であるが、三角測量などの方法を用いて受信機の位置を計算することができる。しかしながら、時間同期が完全に正確ではないため、誤差を補正するために、普通４以上の衛星を用いて位置を決定する。ＧＰＳは、６つの軌道に２４個の衛星を配置してサービスを提供し、衛星からの信号は、２つの搬送波Ｌ１（１５７５.４２ＭＨｚ）及びＬ２（１２２７.６ＭＨｚ）で送信している。
以下では、図１を参照して本発明の一実施例によるエアロゾル、雲及び降雨の遠隔観測方法について説明する。
【００３４】
図１に示すように、本願発明の一実施例によれば、電波計（ＭＲＲ、レーダー、ＧＮＳＳなど）を用いた雨雲を判別する段階（Ｓ１００）、輻射計（衛星、ラジオメーターなど）を用いた雲（又は、弱い雲）を判別する段階（Ｓ２００）、光学計（ライダー）を用いて凝結核（又は、エアロゾル、非常に弱い雲）を判別する段階（Ｓ３００）を含んでいてもよい。
【００３５】
一実施例において、電波計において雨雲を判別しなければ（Ｓ１００のＮ）、輻射計を用いて雲を判別し（Ｓ２００）、雲が判別されなければ（Ｓ２００のＮ）、光学計を用いて凝結核を判別してもよい（Ｓ３００）。光学計において観測した強さが低い場合には凝結核として区別し、その強さが高い場合には黄砂として区別してもよい。
【００３６】
一実施例において、電波計を用いた雨雲を判別する段階（Ｓ１００）は、レーダーが雨雲プロファイルを算出する第１段階と、ＧＮＳＳが雨雲プロファイルの総量を算出する第２段階と、を含んでいてもよく、輻射計を用いた雲（又は、弱い雲）を判別する段階（Ｓ２００）は、ラジオメーターが弱い雲プロファイルを算出する第３段階を含んでいてもよ、光学計を用いて凝結核（又は、エアロゾル、非常に弱い雲）を判別する段階（Ｓ３００）は、ライダーがエアロゾルプロファイルを算出する第４段階を含んでいてもよい。
【００３７】
上述した天気判別段階（Ｓ１００〜Ｓ３００、又は第１から第４段階）において、電波計（ＭＲＲ、レーダー、ＧＮＳＳなど）、輻射計（衛星、ラジオメーターなど）及び光学計（ライダーなど）の具体的な動作は、図１、表１及びこれを参照した詳細な説明において上述した通りである。
【００３８】
例えば、レーダー１３０は、１０〜２３０ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が１００〜１０００μｍの大きさである、雨雲の水液量、粒子の落下速度などを観測して、雨雲のプロファイルを算出し（第１段階）、ＧＮＳＳ１４０は、１００〜１０００ｍｍの大きさの波長の通信時間の遅延を用いて、粒子が１００〜１０００μｍの大きさである、雨雲の水液量を観測して、雨雲のプロファイルの総量を算出して（第２段階）、雨雲を判別してもよい（Ｓ１００）。
【００３９】
また、例えば、ラジオメーター１２０は、０．１〜１００ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が１〜１００μｍの大きさである、弱い雲の水液量などを観測して、弱い雲のプロファイルを算出して（第３段階）雲を判別してもよい（Ｓ２００）。
【００４０】
さらに、例えば、ライダー１１０は、１１×１０−４〜０．２５ｍｍの大きさの波長を用いて、粒子が０．１〜１μｍの大きさである、エアロゾル（凝結核、水滴などを含む）の濃度を観測して、エアロゾル（又は、非常に弱い雲を含む）のプロファイルを算出して（第４段階）、凝結核を判別してもよい（Ｓ３００）
【００４１】
以上、本発明について本発明の好適な実施例を参照して説明したが、本発明の保護範囲は前記実施例に何等限定されるものではなく、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内において本発明を種々に修正及び変更することができるということが理解できる筈である。
【符号の説明】
【００４２】
１１０：ライダー
１２０：ラジオメーター
１３０：レーダー
１４０：ＧＮＳＳ（ＧＰＳ）
【図１】
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