JP2519657B2 - 雷電探知方法及び雷電探知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、雷電の探知に係り、特
に地上施設等への落雷予測および避雷、あるいは雷の電
気エネルギの有効活用に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、落雷予測としては、気象レーダー
により雷雲を早期に発見する方法が知られており、空港
等で実用化されている。その他の雷電探知方法として
は、雲と地上との間の電界測定を行い予測する電界感知
型雷雲探知システム、電磁波受信機を利用した雷電探知
法等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法の
うち気象レーダーによる方法では、雲の断面構造等の情
報を提供するのみで電荷の分布に関する情報までは提供
することはできず、雷雲か否かの判断はレーダー画像を
観察する人間に任されている。また、電界感知型雷雲探
知システムにおいては、正電荷と負電荷が垂直方向に分
布した通常の雷雲の場合、地上で電界を観測するだけで
は本質的にスカラー計測であり量とその方向とを同時に
計測するベクトル計測ではないため、上層の雲中におけ
る電位分布を正確に把握することが困難である。さら
に、この方法は雷雲の直下でなければ測定ができないた
め、流れてくる雷雲を事前に探知すること自体が非常に
困難であり、遠方からの雷雲を事前探知するには、広域
に多数の電位センサ等を配置すれば可能ではあるが、海
上から来る雷雲に対しては有効な対処法がないのが現状
であった。そして、電磁波受信機法とは、通常のアンテ
ナと受信機を用いて、雲中及び雲間放電時に発生する電
磁波を捕らえようとするものである。この方法は、安価
な市販の部品等を組み合せてシステム構築ができるとい
う利点があるが、電磁波の方位探知を瞬間的に行おうと
すると、アンテナ及び受信機等を多数配置し、それらの
受信信号を合成処理しなければ方位を算出することがで
きず、システム規模が大きくなりがちである。さらに、
空中放電のベクトルの把握が本質的に不可能である点が
問題点である。このように、従来の雷電探知方法では、
電界や、空中放電に伴う電磁波のみが探知に利用されて
いた。電界及び電磁波は、スカラー量としてとらえるた
め、電界センサを広域に設置したり、アンテナを全周方
向にめぐらせることにより方位を確認することはできた
が、電流の流れる方向を把握することはできなかった。
そのため、気象レーダー等による雲の構造に関するデー
タがあっても、これらを直接的に結び付けて雷電探知に
利用することができなかった。本発明は、上記の問題点
を解決するためになされたものであり、落雷位置及び空
中放電の位置と方向を検出することができる雷電探知方
法及び装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る雷電探知方法は、雲の内部構造に関す
る雲データを気象探知手段により検出する第１ステップ
と、落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に
伴い発生する磁場を磁気検出手段により磁場ベクトルデ
ータとして検出する第２ステップと、当該磁場ベクトル
データから、雷電の電流の方向を逆推定する第３ステッ
プと、前記雲データと当該逆推定された電流方向とか
ら、着目している雲中の電荷分布を算出する第４ステッ
プと、地面の電位差または磁気を測定することにより地
電流を求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する
第５ステップと、前記雲中電荷分布と当該地電位変化分
布とから、落雷する確率が最大の地上位置と、その場合
の雲における放電の位置及び電流の方向を割り出す第６
ステップと、を有して構成される。また、本発明に係る
雷電探知装置は、雲の内部構造に関する雲データを検出
する気象探知手段と、落雷の先行現象であるリーク電流
や空中放電現象に伴い発生する磁場を磁場ベクトルデー
タとして検出する磁気検出手段と、当該磁場ベクトルデ
ータから、雷電の電流の方向を逆推定する雷電流逆推定
手段と、前記雲データと当該逆推定された電流方向とか
ら、着目している雲中の電荷分布を算出する雲中電荷分
布算出手段と、地面の電位差または磁気を測定すること
により地電流を求め、雷雲に対する地電位の変化分布を
算出する地電位変化分布算出手段と、前記雲中電荷分布
と当該地電位変化分布とから、落雷する確率が最大の地
上位置と、その場合の雲における放電の位置及び電流の
方向を割り出す落雷予測手段と、を備えて構成される。

【０００５】

【作用】上記した構成を有する本発明によれば、ＳＱＵ
ＩＤセンサ等の磁気検出手段を備え、落雷の先行現象で
あるリーク電流または雲中放電等によって発生する磁界
をベクトル量のデータとして検出することができ、この
ベクトルデータから雷電の電流の方向を逆推定し、気象
レーダー等の気象探知手段による雲の構造、例えば断面
形状、風速等の観測データと組み合せることにより、雲
中の電荷分布を算出することができる。上記情報に、地
面の電位差または磁気の測定により求められる地電流か
ら算出される、雷雲に対する地電位変化分布を加え、上
記の雲中電荷分布と地電位変化分布とから、総合的に判
断することにより、落雷確率が最大の地上位置、そのと
きの雲の放電先の位置、及び放電電流の方向の予知が可
能となる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図にもとづいて説明
する。まず、本発明の第１実施例である雷電探知方法の
手順を図１に示す。まず、第１ステップとして、気象レ
ーダー１₁ 〜１_n により、雷雲と思われる雲Ｃを観測
し、その雲Ｃの運動データと雲内部の構造データ（例え
ば、雲Ｃの断面形状）である雲データを検出する。

【０００７】次に、第２ステップとして、磁気検出手段
である複数のＳＱＵＩＤセンサ２₁〜２_n により、落雷
の先行現象であるリーク電流や空中放電Ｄ等の現象によ
り発生する磁場をベクトル量として計測する。この場
合、２₁ 〜２_n は、磁気センサ、特に高感度の磁気セン
サであれば他の形式のものであってもよい。次に、第３
ステップとして、上記の計測によりベクトル量としてと
らえられた磁場から雷雲Ｃ内の雷電の電流を逆に推定す
る。

【０００８】そして次に、第３ステップとして、上記の
雲データと逆推定電流値から、雷雲Ｃ中における正負の
電荷ｅ⁺ やｅ^- の分布を算出する。次に、第４ステップ
として、地電流（地表面Ｇを流れる電流）Ｉ_G を、電位
差または磁気等を測定するセンサ等により測定し、上記
の監視している雷雲Ｃに対する地電位の変化の分布を算
出する。

【０００９】また、次に、第５ステップとして、上記の
各処理の結果を総合して予測処理し、落雷が最も起こり
やすい確率となっている地上Ｇの位置と、そのときの雷
雲Ｃの放電予想位置、及び放電予想電流の方向等を算出
する。最後に、第６ステップとして、上記の落雷予測算
出結果を、他の誘雷システム等へ情報提供したり、「避
雷警報」等の気象情報等として提供する。

【００１０】次に、本発明の第２実施例の構成を図２に
示す。図に示すように、雷電探知装置であるこの落雷予
測システム１００は、地上Ｇにおいて広域に配設された
複数の気象レーダー１₁ 〜１_n 及びＳＱＵＩＤセンサ２
₁ 〜２_n 及び地電流測定センサ３₁ 〜３_n と、解析系２
０と、画像表示装置１１及び印刷出力装置１２を備えて
構成されている。

【００１１】上記の解析系２０は、雲運動・雲構造解析
装置５と、磁場ベクトル解析装置６と、雷電流逆推定装
置７と、雷雲中電荷分布算出装置８と、地電位変化分布
算出装置９と、落雷位置・方向予測処理装置１０と、を
有している。この解析系２０は、個々の装置を組み合せ
てもよいが、実際には、全体を一つのメインフレームの
コンピュータシステム、ワークステーション、あるいは
パーソナル・コンピュータによって構成することができ
る。

【００１２】次に、本システムの動作について説明す
る。まず、気象レーダー１₁ 〜１_n により、雷雲と思わ
れる雲Ｃを観測し、その雲Ｃの運動データと雲内部の構
造データ等を収集し、雲運動・雲構造解析装置５へ出力
する。雲運動・雲構造解析装置５は、収集データを解析
し、雲データを検出する。この場合、気象レーダー１₁
〜１_n と雲運動・雲構造解析装置５は、気象探知手段を
構成している。

【００１３】次に、雲運動・雲構造解析装置５は、この
雲データを落雷位置・方向予測処理装置１０へ出力す
る。この場合、雲Ｃの運動性状データの精度をさらに高
めるため、風速、風向等の測定器、及びデータ処理装置
等を本システム１００に組み込んでもよい。

【００１４】上記雲観測と同時に、複数のＳＱＵＩＤセ
ンサ２₁ 〜２_n により、上記の対象雲Ｃについて、落雷
の先行現象であるリーク電流や空中放電Ｄ等の現象によ
り発生する磁場をベクトル量として計測し、得たデータ
を磁場ベクトル解析装置６へ出力する。この場合、複数
のＳＱＵＩＤセンサ２₁ 〜２_n と磁場ベクトル解析装置
６は、磁気検出手段を構成している。

【００１５】この際、上記の雲観測、磁場計測と同時平
行して、地電位測定センサ３₁ 〜３_n により、上記の対
象雲Ｃの直下の地表面Ｇについて、地電位または磁気等
の測定を行い、得たデータを地電位変化分布算出装置９
へ出力する。

【００１６】次に、上記のＳＱＵＩＤセンサ２₁ 〜２_n
及び磁場ベクトル解析装置６によりベクトル量として計
測された磁場データに基づき、雷電流逆推定装置７にお
いて、雷雲Ｃ内の雷電流の方向が逆に推定される。

【００１７】この電流方向逆推定の方法について、図３
を参照しつつ説明する。まず、問題の定式化を行うた
め、推定の対象である雷電の電流を数学的に表現する方
法を考える。いま求める対象は、雷電の電流の中心的な
位置を推定することであるから、雷電を電流双極子とし
て扱うこととする。電流双極子は、６個のパラメータに
よって完全に記述される。すなわち、その位置について
は、ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標によって記述され、その方
向については、ｚ軸となす角度θ，ｘ軸となす角度φに
よって記述され、その電流値については、アンペア値Ｉ
によって記述される。

【００１８】そして、電流双極子が生成する磁場につい
ては、Biot-Savart の法則である下記の式 Ｂ（ｒ）＝（μo ／４π）・｛Ｉ・ｎ×（ｒ−ｓ）｝／｜ｒ−ｓ｜³ …（１） によって与えられる。

【００１９】上式（１）において、ｓは電流双極子の位
置を、ｎは電流双極子の方向を表わす単位ベクトルを、
ｒは測定位置を、μo ／４πは比例定数を、それぞれ示
している。

【００２０】以上の考察により、雷電の電流方向を逆推
定する問題は、上式（１）を制約条件として、Ｎ個の磁
気センサの測定結果から電流双極子の上記の６パラメー
タを推定する問題に帰着する（図３参照）。

【００２１】この場合、方程式の形式上からは、未知数
の個数が６個であるから、６個以上の測定点があれば、
原理的にはこの問題は解決可能である。しかし、実際に
は、これを解析的に解くのは非常な困難を伴うため、数
理計画法の最適化アルゴリズムを利用するとよい。

【００２２】具体的には、まず、２箇所の測定点それぞ
れにおいて、ｘ，ｙ，ｚ方向の磁場をそれぞれ計測す
る。これにより、独立な６個の測定値が得られる。次
に、電流双極子が測定点において生成する磁場の値と実
際の測定値との誤差をε_i としたときの誤差２乗和Σ
｛ε_i ｝² を目的関数とし、これを最小化するように数
値解法を用いてパラメータを探索していく。

【００２３】本実施例においては、いわゆる「反復法」
に基づく数値解法を用いるが、反復法とは、以下のよう
な手順によって数値解を探索する方法である。すなわ
ち、まず第１手順として「初期設定」を行う。初期設定
とは、変数ｘ_k のうち、ｋ＝０の初期点ｘ_o の値を与え
ること等をいう。次に、第２手順として、所定の停止条
件が満足されている場合には、そのｘ_k を解とみなす。
所定の停止条件を満足するｘ_k が無い場合には、次の第
３手順へ移行する。第３手順では、探索方向ｄ_kを決定
する。次いで、第４手順では、ｄ_k 方向での「きざみ幅
α_k 」を、「直線探索法」等によって求める。次に、第
５手順において、 ｘ_k+1 ＝ｘ_k ＋α_k ・ｄ_k ……………………（２） とおく。そして、第６手順として、ｋ＝ｋ＋１とおい
て、再び上記の第２手順以降の手順を実行する。

【００２４】上記の反復法の第２手順における「停止条
件」としては、勾配ベクトルの大きさ‖▽ｆ（ｘ_k ）‖
や点列｛ｘ_k ｝の変動‖ｘ_k −ｘ_k-1 ‖が、ある程度小
さくなったら求める解に収束した、とみなす場合が多
い。上記の反復法の例として、まず「最急降下法（Stee
pest Descent Method ）」が挙げられるが、この方法
は、目的関数の勾配ベクトルは関数を局所的に最大にす
る方向を示すことから、この方向と逆の方向に進めば、
最大の傾斜に沿ってｆ（ｘ）の値を下げることができる
だろう、との考えに基づくものである。この最急降下法
によれば、ｋ回目の探索ベクトルｄ_k は、次式 ｄ_k ＝−▽ｆ（ｘ_k ） ……………………（３） で与えられる。しかし、上記の探索方向は、大域的な解
を探索する場合には最良の探索戦略とは限らず、途中で
停滞してしまうことも多い。最急降下法は、直線探索を
上手に行えば大域的収束性が保証されるが、反面、収束
速度が非常に遅い、という欠点がある。

【００２５】他の方法として、「ニュートン法（Newton
Method ）」がある。ニュートン法は、目的関数を点ｘ
_k で２次近似したモデル関数 ｆ（ｘ_k＋d）≒ｆ（ｘ_k）＋▽ｆ（ｘ_k）^Td＋（1/2）d^T▽²ｆ（ｘ_k）d …（４） の最小点に向かう方向を探索ベクトルに選んでいる。す
なわち、ｋ回目の探索方向は、連立１次方程式 ▽² ｆ（ｘ_k ）ｄ＝−▽ｆ（ｘ_k ） ……………………（５） を解くことによって求まる。この探索方向を用いること
により、局所的二次収束性が実現される。

【００２６】しかし、ニュートン法においては、関数の
「ヘッセ行列」が必要であり、このヘッセ行列を解析的
に計算するのに非常な労力を要する、という欠点があっ
た。また、大域的収束性が保証できない、という短所も
有していた。そこで、上記の最急降下法とニュートン法
の長所を活かしつつ、その欠点を補いうる数値解法が模
索され、現在では、上記のニュートン法をさらに改良し
た「準ニュートン法（Quasi-Newton Method ）」が広く
用いられている。

【００２７】以上の方法によって推定された電流双極子
の位置と方向が求める雷電の位置と電流の方向となる。
この場合、雷電流逆推定装置７は雷電流逆推定手段に相
当している。

【００２８】そして、上記の逆推定電流値及び雲データ
とから、雷雲中電荷分布算出装置８は、雷雲Ｃ中におけ
る正負の電荷ｅ⁺ やｅ^- の分布を算出し、落雷位置・方
向予測処理装置１０へ送る。この場合、雷雲中電荷分布
算出装置８は雲中電荷分布算出手段に相当している。

【００２９】上記の解析と平行して、上記の地電位測定
センサ３₁ 〜３_n により測定され入力された地電位また
は磁気等のデータから、地電位変化分布算出装置９は、
地電流（地表面Ｇを流れる電流）Ｉ_G を、算出し、現在
監視している雷雲Ｃに対する地電位の変化の分布をとら
え、落雷位置・方向予測処理装置１０へ送る。ここに、
地電位変化分布算出装置９は地電位変化分布算出手段に
相当している。

【００３０】そして、最終的に、落雷位置・方向予測処
理装置１０は、送られてきた雷雲Ｃの運動データ、雷雲
内部の構造データ、雷雲中の電荷分布データ、地電位の
変化解析データ等に基づき、総合的に予測処理を行い、
現在監視している雷雲Ｃにおいて、落雷が最も起こりや
すい確率となっている地上Ｇの位置と、その場合の雷雲
Ｃからの放電予想位置、及び放電予想電流の方向等を割
り出す。ここに、落雷位置・方向予測処理装置１０は落
雷予測手段に相当している。

【００３１】また、落雷位置・方向予測処理装置１０
は、上記の落雷予測算出結果を、他の誘雷システム等へ
情報提供したり、画像表示装置１１からの画像表示出
力、あるいは印刷出力装置１２からのプリント出力等に
より、気象情報等として「避雷警報」等を出す。

【００３２】上記の雷電探知方法あるいは雷電探知装置
により、工場や化学プラント等の地上施設への落雷予測
および避雷が可能となる。また、空港における航空機へ
の落雷予測および避雷も可能となる。

【００３３】本発明は、さらに発展・応用が可能であ
る。すなわち、上記の落雷予測システム１００により、
落雷の位置や時刻等が正確に予知できるようになるの
で、レーザビームやロケット等により雷電のエネルギの
解放を誘発させ、放出されたエネルギを超伝導リング等
によるエネルギ蓄積技術等によって蓄積する雷電エネル
ギ蓄電システムを構築することができ、雷電の電気エネ
ルギを有効に活用することが可能となる。

【００３４】特に、本発明により、雲中における電荷分
布及び地電位の分布から、最も落雷の起こりやすい地上
点Ｇの位置とそのときの雲Ｃにおける放電位置、放電電
流の方向が割り出せれば、レーザビーム等の誘雷システ
ムに対し制御情報の提供や、蓄電システムに対し電荷の
極性に関する情報提供が可能になる。

【００３５】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３６】例えば、上記実施例の雷電探知方法及び雷
電探知装置においては、気象レーダーやＳＱＵＩＤセン
サ、電流測定センサ等を地上Ｇに配設し、陸上での落雷
予測を行う例について説明したが、これは、全く同様の
原理により、航行中の船舶上への落雷予測および避雷、
あるいは飛行中の航空機への落雷予測および避雷を行う
ことが可能である。それらの場合には、地電流や地電位
の解析のかわりに、船体や機体の表面電流、あるいは船
体や機体の電位の解析を行うことになる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本発明によれば、ＳＱＵＩＤセンサ等の磁気検出手段を
備え、落雷の先行現象であるリーク電流または雲中放電
等によって発生する磁界をベクトル量のデータとして検
出することができ、このベクトルデータから雷電の電流
の方向を逆推定し、気象レーダー等の気象探知手段によ
る雲の構造、例えば断面形状、風速等の観測データと組
み合せることにより、雲中の電荷分布を算出することが
できる。上記情報に、地面の電位差または磁気の測定に
より求められる地電流から算出される、雷雲に対する地
電位変化分布を加え、上記の雲中電荷分布と地電位変化
分布とから、総合的に判断することにより、落雷確率が
最大の地上位置、そのときの雲の放電先の位置、及び放
電電流の方向の予知が可能となる。そして、これによ
り、空港や工場等における落雷被害の防止が可能とな
る、という利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である雷電探知方法の手順
を説明する概念図である。

【図２】本発明の第２実施例である落雷予測システムの
全体構成を示すブロック図である。

【図３】図１または図２における電流逆推定の原理を説
明する概念図である。

【符号の説明】

１₁ 〜１_n 気象レーダー ２₁ 〜２_n ＳＱＵＩＤセンサ ３₁ 〜３_n 地電流測定センサ ５ 雲運動・雲構造解析装置 ６ 磁場ベクトル解析装置 ７ 雷電流逆推定装置 ８ 雷雲中電荷分布算出装置 ９ 地電位変化分布算出装置 １０ 落雷位置・方向予測処理装置 １１ 画像表示装置 １２ 印刷出力装置 ２０ 解析系 １００ 落雷予測システム Ｃ 雷雲 Ｄ 放電 ｅ⁺ ，ｅ^- 電荷 Ｇ 大地 Ｉ_G 地電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小室 貴紀 千葉県印旛郡印西町武西学園台２−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 風見 邦夫 千葉県印旛郡印西町武西学園台２−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 春田 康博 千葉県印旛郡印西町武西学園台２−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 審査官 長井 真一

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 雲の内部構造や運動性状に関する雲デー
   タを気象探知手段により検出する第１ステップと、 落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に伴い
   発生する磁場を磁気検出手段により磁場ベクトルデータ
   として検出する第２ステップと、 当該磁場ベクトルデータから、雷電の電流の方向を逆推
   定する第３ステップと、 前記雲データと当該逆推定された電流方向とから、着目
   している雲中の電荷分布を算出する第４ステップと、 地面の電位差または磁気を測定することにより地電流を
   求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する第５ス
   テップと、 前記雲中電荷分布と当該地電位変化分布とから、落雷す
   る確率が最大の地上位置と、その場合の雲における放電
   の位置及び電流の方向を割り出す第６ステップと、を有
   することを特徴とする雷電探知方法。
2. 【請求項２】 雲の内部構造や運動性状に関する雲デー
   タを検出する気象探知手段と、 落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に伴い
   発生する磁場を磁場ベクトルデータとして検出する磁気
   検出手段と、 当該磁場ベクトルデータから、雷電の電流の方向を逆推
   定する雷電流逆推定手段と、 前記雲データと当該逆推定された電流方向とから、着目
   している雲中の電荷分布を算出する雲中電荷分布算出手
   段と、 地面の電位差または磁気を測定することにより地電流を
   求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する地電位
   変化分布算出手段と、 前記雲中電荷分布と当該地電位変化分布とから、落雷す
   る確率が最大の地上位置と、その場合の雲における放電
   の位置及び電流の方向を割り出す落雷予測手段と、を備
   えたことを特徴とする雷電探知装置。