海洋レーダによる波浪観測技術の高度化
はやししょうたか な つ のぶよし

ふじりょうたろう

林 正太1・金津伸好1・藤良太郎11国際航業株式会社東京事業所（〒183-0057 東京都府中市晴見町2-24-1）

我が国の沿岸域においては，激甚化する自然災害に対して対策を進めることが急務であり，そのためにはまずは周辺海域をくまなく精度よく観測する必要がある．海洋レーダは沿岸から沖合まで，面的に広範囲の海象情報（波浪や流況）を連続的に観測できることから近年注目されているが，電波を使って波を観測するという特性上，観測精度の向上にはノイズ対策が不可欠となる．本検討では海洋レーダを使った波浪観測について新たな解析手法を考案し，従来の観測精度を飛躍的に向上させ，実用レベルでの活用に向けて一定の成果を得た．
Key Words :沿岸防災，リモートセンシング，海洋レーダ，ナウファス，ドップラスペク

トル，双峰型ピーク

１．はじめに(2) 海洋レーダの観測原理および特性
従来の観測機器のメンテナンス性や，観測範囲といった課題を解決する手段として，リモートセンシ
ングによる観測がある．その中で本稿では海洋レーダによる観測についてとりあげる．図-1に海洋レーダの観測方法のイメージを，図-2に静岡県御前崎の海洋レーダの設置例を示す．海洋レーダは海表面の流れや波浪を計測する陸上設置型の観測機器であり，陸上から海面に向けて電波を発射し，波によって反(1) 国内の波浪観測の現状
我が国は33,400kmにもおよぶ長い海岸線を有している．この海岸線は常に高波浪や高潮等の自然災害の脅威にさらされており，近年激甚化するこれらの自然災害に対して，沿岸防災を進めることが急務となっている．これら自然災害に対する対策を進めるには，まずは周辺海域を観測し，波浪や流況等の情送信波はその半波長の表面波によって強く散乱される（Bragg散乱）報を収集することが必要不可欠である．
(13.5Mhz)
f (24.5Mhz)
送信波（周波数
現在，国内で実施されている代表的な波浪観測と(22.2m)
 (12m)
しては，国土交通省港湾局のナウファス（全国港湾 (11.1m)
海洋波浪情報網:NOWPHAS（Nationwide Ocean Wave
(6m)f
information network for Ports and HArbourS))1)2
散乱波（周波数：が挙げられる．ナウファスは全国79観測地点において波浪の定常観測を実施しており，有義波高，有義波周期等のデータを取得している．ここで，有義波 f ：送信波の周波数， λ ：送信波の波長とはある地点で一定時間に観測される波について上 f ’ ：散乱波の周波数， λ/2：送信波に強く共鳴する海洋波の波長 ドップラーシフ
位1/3の高さの波を抽出し，その波の高さおよび周図-1 海洋レーダによる観測のイメージ
2V
近づく／遠f  fgTgL期を平均したものである．この波は工学的に重要なC Cr
移動速度22
意味を持ち，沿岸域の構造物の設計等に活用される．
L  6m  C  3m / s
しかしながら，これら海洋波の観測には一般に様々な困難が付きまとう．例に挙げたナウファスで観測値
理論により決定は，海底設置式の沿岸波浪計や，浮体ブイ式のGPS
Cは表面波求めたい流速波浪計により観測を行っているが，これらの計測機で決（波の移動速度V） （流れの速度V c ） （波の位相速度C ）器を維持管理していくには相当な労力と費用を要す
る．特に沖合に設置されるGPS波浪計は，メンテナ
ンス性等の問題から観測を停止しているものも少な＝＋ドップラーシフト
くない．また，これらの観測機器は，機器が設置さを引けば流れれた一地点のデータを把握するものであり，例えば流況等の空間分布をとらえることはできない．
図-2 御前崎に設置した海洋レーダ（受信アンテナ）

射した受信電波を解析することで，ビーム方向（送信波発射方向）の流速や波浪（波高，周期，波向）を計測する．また，2局以上の海洋レーダで計測された流速を合成することで，流況（流速ベクトル）を算出することが可能である．
現在，海洋レーダは三大湾を中心に設置され，主に流況を観測し潮目予測を行うことによって，整備船によるごみ回収を支援している．また，宮崎県日向灘沖を観測している海洋レーダは流況だけでなく波浪を観測し情報を公開することで，水産関係者の漁業支援等に活用されている．しかしながら，電波を使って海象を観測するという特性上，海洋レーダには観測上の課題も存在する（例えば本検討では海外の短波ラジオ放送等による外部ノイズの影響により，波浪観測の精度が低下するという現象がみられた）．そこで、海洋レーダによる波浪観測に焦点を当て，精度向上に関する課題を解決するための新たな解析手法を開発し，波浪計との比較検証を行った．

湾外は黒潮の流れが卓越しているため，湾外の流速は湾内と比べ速く一方向（東向き）に流れていることがわかる．また，赤破線で囲った部分は，湾内の流れと黒潮の流れの境界となっていることがわかる．
100km
75km

清水港
清水港
50km

25km

御前崎港
御前崎港
下田港
下田港

御前崎沖GPS波浪計:沿岸波高計:GPS波浪計: 有効範囲２．海洋レーダによる波浪の試験観測
波浪計の設置位置および海洋レーダの観測範囲
信号強度(dB)

通常のピーク

2次
散乱

1次散乱

2次散乱

双峰型のピーク

1次散乱

2次
散乱
周波数(Hz)図-4 ドップラスペクトルの例
ゼロドップラ除去①

1次散乱と2次散乱の区分
バリック法による波高周期算出②

空間補間
波高周期分布算出①…新規改良②…新規対策図-5 海洋レーダの波浪解析フロー
改良前

GPS波浪計レーダ

改良前

GPS波浪計レーダ

SN比有義波高(m)SN比(2) 観測海域の特徴
図-3に示した御前崎沖に設置しているGPS波浪計
地点では，平常時，有義波高1～2m，有義波周期4～8sの波が卓越していた．また，2023年8月には台風6号と7号が来襲しており，有義波高は最大で約5m，有義波周期は約12sを観測していた（図-6黒線）．
比較として，JAMSTECが公開している2023/8/20の駿河湾の流況のシミュレーション結果 3)を図-7に示す．

図-3

有義波周期(s)(1) 海洋レーダによる波浪観測
本検討では静岡県の御前崎に海洋レーダを設置し，2021/1/13より観測を開始した．観測サイクルは20分毎であり，観測の有効範囲は100kmである．この範囲は駿河湾全域をカバーしており，観測範囲周辺には，ナウファスの沿岸波浪計が御前崎港，清水港，下田港に，GPS波浪計が御前崎沖（以下GPS波浪計）に設置されている（図-3）．また，本海洋レーダは，受信アンテナ8基（図-2），送信アンテナ１基および観測局舎で構成されており，アンテナ設置範囲は114m×6mである．観測局舎には電波の送受信機や，データ処理用等のPCが設置されている．
海洋レーダで電波を海面に照射すると，電波は海面で散乱されて戻ってくる（図-1）．その信号を周波数解析することによって得られるパワースペクトルをドップラスペクトル（図-4）と呼び，正負ほぼ対象な位置に現れるピークを1次散乱，その周囲の信号を2次散乱と呼ぶ 2)．0Hz付近に出現するスペク
トルはゼロドップラと呼ばれる．波浪解析は図-4のドップラスペクトルを基に図-5のフローにしたがって実施する．概略的にはゼロドップラを除去したのち，1次散乱と2次散乱のエネルギーの比を取ることで波高と周期を算出することができる．本稿では，精度向上のために行った対策（図-5のうち①，②部分に加えた改良および対策）について述べる．

図-6

GPS波浪計と海洋レーダで観測された有義波高および有義波周期の比較（2023年）

３．海洋レーダの観測課題と解決策(1) GPS波浪計との比較結果
図 -6に 2023/7/1 ～2023/8/31 のGPS波浪 計と海 洋
レーダで観測された有義波高および有義波周期の比較を示す．海洋レーダの観測範囲は厳密にはGPS波
浪計設置の地点をカバーしていないが，設置地点に近い海洋レーダの観測値と比較している．図-6のレーダ観測値のプロットの色は信号対雑音比（以下SN比）を表している．これは波によって反射した受信電波の信号強度をノイズの信号強度で除したものであり，海面の擾乱や外部ノイズ等の影響を受け常に変動する．概ね20以上のSN比で受信電波を得られていないと，有意な情報として利用するのは困難である 2) ．今回観測した有義波高は，SN比が20を下回っている場合，GPS波浪計と比較してレーダの観測値が過大評価となっていた期間が多かった．また，有義波周期はSN比が高い時であってもGPS波浪計との相関は必ずしも高くないことも確認された．
(2) 双峰型ピークの出現領域の判定による波浪観測精度の向上策
ドップラスペクトルの例を図-8(a)に示す．図-7の赤枠で示した湾内の流れと黒潮の流れの境界の複雑な流れ場においては，図-8(a)で示すような1次散乱のピーク値が二山形状になる「双峰型ピーク」が多くみられた．そこで，観測範囲の双峰型ピークの出現率の分布を調査した．図-9に2023/8/20の双峰型ピークの出現率の分布を示す．図-7と比較すると湾内の流れと黒潮の流れの境界部の，特にGPS波浪計に近い地点で双峰型ピークの出現率が高いことがわかった．これらのことから，特定の観測範囲内が一様な流れでない場合において，双峰型ピークが出現していることが多いと考えられる（図-8(b)）．
海洋レーダによる波浪観測ではドップラスペクトルのピーク値で1次散乱を識別・分離しているため，双峰型ピークが出現した場合，1次散乱と2次散乱を正しく分離することができず誤った観測値を算出してしまう．そこでまず，図-5の①に双峰型ピークを検出する処理を追加した．波高および周期の算出はドップラスペクトルのプラス側またはマイナス側周波数領域のどちらかで行うが，これは任意で選択することができる．したがって，プラス側またはマイナス側周波数領域において，双峰型ピークを検出した場合，検出されていない側の領域で1次散乱と2次散乱を算出するように解析フローを改良した．
(3) 空間補間法の適用による波浪観測精度の向上策
解析地点のSN比が低い場合，波高および周期の観測精度が悪くなることから，図-5の②において，観測地点から同心円状の範囲を探索し，当該範囲に含まれるSN比が高い観測結果のみ抽出して，その値を用いる空間補間法を考案した．補間方法のイメージ
を図-10に示す．ここではSN比が20以上のデータのみを採用することとし，当該範囲のデータがすべて駿河湾ウォッチ（JAMSTEC-JCOPE海洋予測モデル/駿河湾可視化サイト)
https://www.jamstec.go.jp/jcope/vwp/suruga/

50km

25km

予測モデルで計算した流速(ノット)

図-7 駿河湾周辺の流況(a)

プラス周波数領域

マイナス周波数領域

双峰型になった
1次散乱ピーク

ドップラー周波数（Hz）(b)

ビームの観測範囲

流れある距離間のビームの観測範囲に一様でない流れの場がある場合

図-8双峰型ピーク出現時のドップラスペクトル(a)と観測範囲内の流れ場(b)のイメージ

2023/8/20

清水港

湾内の流れ
御前崎港

下田港

御前崎沖
（GPS波浪計）

出現率(%)

6040

黒潮の速い流れ200

図-9 双峰型ピークの出現分布

SN比20以下の場合は欠測扱いとした．
データの具体的な補間方法については，中央値，平均値，最近傍値を比較した結果，中央値が最もGPS波浪計と相関の高かったことから，中央値で補間することとした．

用的なレベルで一定の成果を得ることに成功した．
近年激甚化する高波浪や高潮等の沿岸域の自然災害については，その対策についてもリスクを分散させておく必要があると考えられる．海洋レーダについても従来の観測機器と組み合わせて互いの観測を補い合う活用が効果的であり，それぞれの特性を理解したうえで，連携させることで質の高い海洋観測が行えると考える．
これらの複合的な海洋観測によって得られた情報を用いれば，より精度の高い観測情報に基づき沿岸施設等の設計を高度化することができる．また，周辺海域のデータの取得が容易になることで，さらなる海洋環境の保全や漁業支援，引いては海上保安等への活用の期待も高まると考えられる．
従来の観測機器では提供できなかった情報を提供する観測機器として，またはバックアップや代替機能を提供する観測機器として，今後さらに海洋レーダの普及に向けた検討を加速させていきたい．

(4) 波浪観測精度の改善効果
図-11に2023/7/1～2023/8/31のGPS波浪計の観測値と，改良後のレーダの観測値との比較を示す．改良前の図-6と比較すると，有義波高については，SN比が改善したことにより過大評価している観測値が減り，高波浪時においても精度よく観測することができるようになった．また有義波周期についても，SN比が改善されたことによって波浪計と相関の高い観測値が観測できるようになり，長周期の波においても精度よく観測できるようになった．
改良前後の相関係数に着目すると，有義波高については 0.03から 0.80に，有義波周期については −0.01から0.70に改善しており，本手法の適用により飛躍的な向上が実現できた（図-12）．

参考文献
1）リアルタイムナウファス（国土交通省港湾局
全国港湾海洋波浪情報網）
https://www.mlit.go.jp/kowan/nowphas/
2）土木学会海岸工学委員会研究現況レビュー小委
員会編：陸上設置型レーダによる沿岸海洋観測，2001.
3）駿河湾ウォッチ（JAMSTEC-JCOPE海洋予測モデル/駿河湾可視化サイト)
https://www.jamstec.go.jp/jcope/vwp/suruga/

3km

L

3km
陸域 電波照射方向 海域

L n+1ビームn+1ビーム
nビーム
解析値
異常値
正常値

nビーム

波高波高計(m)海洋レーダ

波高計(m)

４．今後の展望海洋レーダは，ナウファス等の従来の波浪観測機器が特定の一地点を観測していることに対して，広範囲の情報を面的に観測することができるという優れた特徴を持っている．また，陸上設置型の観測機器であるため，従来の観測機器と比較して，現地への設置や維持管理において，コストや労力を低減できるという大きなメリットもある．
電波を用いて波浪を観測するという原理的な特性
上，観測精度はSN比（海面の擾乱や外部ノイズ等の謝辞：本業務の遂行にあたり，国土交通省中部地方影響）に大きく依存するため，精度向上には継続的整備局名古屋港湾空港技術調査事務所のご指導・ごな観測技術の研究開発が望まれるが，本検討では実支援を賜りました．また，本稿の作成に際して検討
n+3ビーム
成果の利用について許可をいただきました．ここにn+3ビーム
L=探索距離深く感謝の意を表します．
n+2ビームn+2ビーム
波高-改良後波高-改良前

解析値
異常値
正常値

図-10 空間補間法のイメージ

海洋レーダ(m)

海洋レーダ(m)周期-改良後

周期-改良前GPS波浪計レーダ

改良後

GPS波浪計
レーダ

波高計(m)

SN比

有義波周期(s)周期波高計(m)SN比有義波高(m)

改良後

海洋レーダ(m)図-11 改良後のGPS波浪計と海洋レーダで観測された有義波高および有義波周期の比較（2023年）

海洋レーダ(m)図-12 推定手法改良に伴う観測値の相関の変化（左：改良前，右：改良後）