ウインドプロファイラ
レーダー方式のウインドプロファイラには、大気に対する透過率、想定される反射体(大気のゆらぎ、降水粒子など)の大きさ、国際的・国内的な電波の利用状況などにかんがみて、以下の帯域の電波が用いられる(国際電気通信連合の1997年世界無線通信会議決定による)。
50MHz帯:測定高度2~数十km
400MHz帯:測定高度0.5~15km
1000MHz帯:測定高度0.1~数km
気象庁のウインドプロファイラは、1000MHz帯のうち1300MHz付近を用いている。測定高度が0.4~5km(理論上は最大8~15km)であることから、下部境界層レーダー(LTR)と呼ばれることもある。
このレーダーのアンテナは、4×4mの正方形の中に24×24個×2組の素子を持つ、理論ビーム幅4°のアクティブフェイズドアレイアンテナであり、アンテナ面上で電波の位相の分布をずらす(ホイヘンスの原理 参照)ことによって送受信する電波の方向を変えるため、機械的作動部分は存在しない。また、アンテナの周囲には地面による反射の影響を避けるためのクラッタフェンスと呼ばれる柵が設けられ(アンテナ自体を地面から浮かせる方式もある)、さらに降雪からアンテナを保護するためのレドームで覆われる場合もある。
ウインドプロファイラで風を観測する一般的な方法は、5ビーム法と呼ばれる。
まず、鉛直方向及び東西・南北それぞれに同角度(気象庁では10°)ずつ傾けたビームにより、合計5方向に対して、パルスの発信及び反射波の受信を行う。この反射波の到達時間及び周波数の変位から、各高度における空気の動きのうち、各ビームに平行な成分(ドップラー速度)が測定される。
各ビームによる測定結果から風のベクトルを得る例として、右図に、鉛直方向及び東西方向のビームによる測定と風との関係を示す。東西方向のビームの傾きをθ、風の水平(図では東西)成分をu、鉛直成分をw、そして鉛直方向及び東西方向のビームによって同高度に観測されたドップラー速度をそれぞれVz、Ve、Vwとすると、これらには以下の関係式が成り立つ。
これらを連立方程式として解くと、
を得る。同じ処理を南北方向についても行えば、この高度の風を3次元のベクトルとして把握することができる。
測定の前提として、同高度で5本のビームが入る空間(気象庁のものの場合、高度5kmにおいて半径約900mの円内)において均一な風が吹いていなければならないが、これは地形や建造物による影響を受けない上空においては概ね妥当な仮定であるため、実用上の問題はない。
また、この式の未知数はu、wのふたつなので、適当な反射をもたらす大気のゆらぎが存在しなかったり、測定結果が他の2本と矛盾しているなどして、東西・南北各軸において3本のビーム中1本の測定値が使用できなくなっても、観測は成立する。このため、実際の製品では、鉛直方向のビームを用いない4ビーム法や、鉛直方向のビームと東(西)及び北(南)方向各1本の斜めビームだけを用いる3ビーム法を用いるものもある。