豪雨を高速に分解する
フェーズドアレイレーダ

牛尾知雄
大阪大学大学院工学研究科

豪雨被害（神戸都賀川事故，2008年7月28日）

濁流 逃げる子のむ
10数分後

神戸４人死亡守りきれず宮崎延岡での列車脱線事故(2006年9月17日)

サロマでのF3竜巻（2006年11月7日）

庄内平野での竜巻による列車脱線事故（2005年12月）

つくば竜巻被害（2012年5月6日）

竜巻か40人超死傷

茨城・栃木で倒壊・損壊300棟

BEFORE (TOP) AND AFTER
オクラホマ竜巻被害2013年5月20日

埼玉，千葉の竜巻被害（2013年9月2日）

6豪雨や竜巻などの親は積乱雲（Thunderstorm)

7こうした現象を観測し，現状把握に大きな威力を発揮するのが，レーダを代表格とする電波リモートセンシング技術
RADAR=RAdio Detection And Ranging

レーダの原理「電波を使って目的物を探し，その距離を測る」もの

レーダ観測イメージ図

レーダが電磁波を照射

散乱体（雨粒）が電磁波を反射・散乱•送信アンテナから電磁波を照射する。

•送信アンテナから照射された電磁波が，物体に当たることで反射・散乱する。

散乱された電磁波を観測•反射・散乱された電磁波を受信アンテナでキャッチすることにより，その到来⽅向・距離を測定する。

Nationwide Radar Network at S or C band

大型気象レーダ

受信装置・信号処理装置・空中線制御装置・データ変換装置

送信装置
写真は二重偏波用（水平偏波・垂直偏波）のため２ラック構成。
単偏波（水平偏波）の場合はいずれか１ラック分。

遠隔操作・表示装置
一次プロダクト表示のみ

4mほど

電源装置

空中線装置
二重偏波用

大型レーダの分解性能○前線，ハリケーン

×積雲，竜巻，マイクロバースト○メソサイクロン，スーパーセル，スコールライン△Thunderstorm，
ヒートアイランド，
マクロバースト

数min

数百m

求められる分解性能○前線，ハリケーン○積雲，竜巻，マイクロバースト○更に小規模な竜巻，豪雨等の予兆現象○メソサイクロン，
スーパーセル，スコールライン○雷嵐，
ヒートアイランド，
マクロバースト1min数m

Thunderstorm images in 10 minutes

Thunderstorm images in 5 minutes

Thunderstorm images in every 1 minute大型レーダの利点と欠点
大型レーダの利点
広い範囲を補償
低い仰角でのサーベイ観測

大型レーダの欠点
遠距離におけるビームの拡がりに伴う分解能劣化• 3次元構造の詳細な把握が×

大型アンテナに伴う高速スキャンニングの難しさ• 竜巻や集中豪雨など早く見る必要のある現象には不向き

観測不可能領域の大きさ• レーダ近くの頭上や遠距離のおける地上付近が観測不可能

大型レーダの運用概念図

自律分散型アプローチ
短距離型の高速高分解能レーダの多数配置
このネットワーク内に散在するレーダ群を仮想的な超高精度大型レーダとみなして，様々な規模の処理や運用を行う自律分散型レーダグリッドの構築<自律分散型><単体集中型>

2次元を主体としたサーベイランス観測から3次元高速高分解能観測への移行

未観測域

地球の曲率に伴う未観測域

高分解能レーダネットワーク
High Resolution RADAR System
Broad Band Radar Network

Phased Array RadarPhased Array RADAR in Osaka University
大阪大学と東芝は共同で，突発的局地現象の迅速・的確な観測のために，1次元アレイ技術，デジタルビームフォーミング技術を組み合わせることで，電子走査型のＸバンドフェーズドアレイ・ドップラー気象レーダーを開発した。レーダーサイトを中心に距離15kmから60ｋｍ程度までを3次元で，空間分解能（最小100m），時間分解能（最短10秒，1分以下）程度で観測する。

22

従来型レーダとフェーズドアレイレーダとの違い
約100仰角パラボラ型レーダ

フェーズドアレイレーダ

・ペンシルビーム・ファンビーム + DBF

仰角を逐次変えながら走査

仰角方向に電子走査

5~10分程度での観測

10~30秒での全天観測フェーズドアレイ気象レーダ：観測イメージ

10～30秒の「高速」で約100仰角の「高密度」観測に成功

アンテナ外観・各機器
約2m

約2m

スロットアンテナ(アンテナ素子)

フェーズドアレイアンテナ

左：レーダ処理装置（データ処理・監視制御・表示）

右：レーダ制御装置（駆動制御・分電盤）

大阪大学に設置されたフェーズドアレイレーダ(地上13階相当)製作したアンテナ

2.1m
2.2m

フェーズドアレイ気象レーダの研究開発
Copyright 2011, Toshiba Corporation.

23

Tx/Rx Unit

Condenser
card
Tx/Rx
Card
Frequency
Conversion
Card

Include 8ch Tx/Rx Elements This system uses 3 units
フェーズドアレイ気象レーダの研究開発

Copyright 2011, Toshiba Corporation.

24

レドーム吊り上げレーダ設置サイトからの眺め高速高分解能レーダ観測ネットワーク
大阪大学
豊中キャンパス
2重偏波広帯域
ドップラーレーダ１

住友電工
大阪工場
広帯域
ドップラーレーダ２

枚方渚水みらいセンター
広帯域
ドップラーレーダ３
大阪大学
吹田キャンパス
フェーズドアレイ
ドップラーレーダ

おお時間進展(30秒毎)
2012年7月6日22時49分39秒～23時59分39秒

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:23:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:24:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:24:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:25:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:25:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:26:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:26:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:27:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:27:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:28:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:28:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:29:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:29:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:30:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:30:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:31:09の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:31:39の観測結果

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:32:09の観測結果

地表付近に強い降雨分布

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPI時間進展2012年7月6日 23:23:39
コア発生

2012年7月6日 23:32:09
地上到達8分30秒間

時間進展(5分毎)2012年7月6日22時49分39秒～23時59分39秒

右図の赤い線に沿ったRHI

仰角4.35度におけるPPINBE is a perfect proxy for monitoring
severe thunderstorm

Wu, T. et al., Spatial relationship between lightning narrow
bipolar events and parent thunderstorms as revealed byphased array radar, Geophys. Res. Lett., VOL. 40, 618–623,
doi:10.1002/grl.50112, 2013

今後の計画
フェーズドアレイレーダ

広帯域レーダ×3

コンピュータクラウド

クラウド内で稼働する様々なアプリケーション処理
ネットワーク内に散在するレーダ群を仮想的な超大型レーダとみなして，様々な規模の処理や運用を行う。

一機関一台のレーダ
一家に一台のレーダ
一人一台のレーダ
自治体

基礎研究

研究機関

様々な測器

個人ユーザ

Osaka Phased Array Radar and Lightning Experiment(OPAR) Project

Osaka Univ.
NICT(TBD)

まとめ

Ｘバンドフェーズドアレイドップラーレーダの開発について紹介した。
こうしたレーダを用いて，少しでも悲劇的な事故が減ることを願います。

Application field of phased array radar○○県△△市竜巻注意情報
平成××年4月20日10時29分△△地方気象台発表○○県△△市では竜巻発生のおそれがあります。 発生
予測時刻と場所は以下の地図のとおりです。
頑丈な建物内に移動するなど、安全確保に努めてください。

Forecast of flash flood and controla of water supply

ダム放流（洪水調整）【ダム管理事務所】

Forecasting and assimilation of weather
リアルタイムで観測データを配信

航空管制 【航空局】
Aviation control

ユーザが必要とする情報の提供

低コスト
レーダーの開発

Scientific Research

住民避難勧告 【市町村】
Evacuation call [municipality]

次世代ドップラーレーダー技術の研究開発

10%
50%
80%

10%
50%
80%

30min
20min
10min

一般市民への情報提供【民間気象会社】

列車安全運行 【鉄道会社】
Train operating

下水道ポンプ制御 【市町村】

Sewerage pump [municipality]

6
Date:2012 7/22 15:50~19:10
比較位置：ディスドロメータ上空

青線：PAR（１km上空）
赤線：BBR（地上）緑線：ディスドロメータ（地上）橙線：Cバンドレーダ（１km上空）

・PAR・Cバンドレーダは，落下前約1km上空を観測
落下前を観測・PARとディスドロメータとの相関係数0.604，標準偏差10dB(・1km上空においてBBRとPARの挙動は概ね一致)→1km上空を観測しているため，降水イベントが変化していると考えられる

2PAR@大阪府吹田市
大阪大学
吹田キャンパスE‐360km
20km
100km以上

BBR‐network@ 渚水みらいセンター
豊中キャンパス
住友電工大阪営業所

C‐band Radar@大阪府八尾市
高安山
気象レーダ観測所

Disdrometer@渚水みらいセンター

4
Date:2012 8/6 18:00 ~18:50

BBR‐network(1分毎)PAR(30秒毎)

C‐band Radar(10分毎)00-

Meridional[km]20

Meridional[km]20

Meridional[km]20-2-200200

2

Zonal[km]0CAPPI 高度3km
・PARの中央部は当時調整中→現在は改善されている

0-20020

Zonal[km]20-20020

Zonal[km]

CAPPI 高度3km

PPI 仰角
0.7°

PAR・BBR

相関係数

分散

0.904

4.01dB→Cバンドレーダとの比較は次項

初期観測結果

各仰角ごとの変化

仰角 0.00°

仰角 0.97°

仰角 1.97°

クラッタ
仰角 2.94°

仰角 3.93°

仰角 4.35°

仰角 4.35°

仰角 5.30°

モード5 2012年7月6日 23時25分9秒 PPI(Plan Position Indicator)

初期観測結果

各仰角ごとの変化

モード5 2012年7月6日 23時25分9秒 PPI(Plan Position Indicator)
仰角 0.00°

仰角 0.97°

仰角 1.97°

仰角 2.94°

仰角 3.93°

仰角 4.35°

仰角 4.35°

仰角 5.30°積乱雲と災害をもたらす大気現象との関係

0o C+ ++ + +++ + + +++ +++