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るるみふしはら
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1 地球環境研究,Vol.18(2016) * 高咲良規中川清隆吉﨑正憲 * 蓜島徹也渡来靖 * 武井祐興キーワード : ドップラーライダ強風日弱風日大気境界層 1. はじめに気象学において風 ( 風向風速 ) は重要な観測項目であるその場における直接観測として回転軸の周りにカップ状の羽をおいてその回転数から風の強さを評価するロビンソン風速計や超音波によるドップラー効果を利用した超音波風速計 ( 光田水間 1964, 岡本 1966) などがある一方遠方場をリモートで観測する方法としてドップラーレーダやドップラーライダ ( 今後 DL と略記 ) などのリモートセンシングの手法がある DL に関して水谷ほか (2014) に詳細なレビューがあるそこでは飛行機からの観測 (Bibro et al. 1984) や地上からの観測 (Fujiwara et al. 2011, 後藤大塚 2012) を挙げている DL による地上からの観測では大気境界層の対流運動は一つの観測対象であり対流パターンとして風の鉛直シアが弱いときには四角形から六角形の不定形鉛直シアが強いときには筋状のロール形となることが示された (Fujiwara et al. 2011) また dust devil や海洋上で見られる竜巻 (waterspout) と思われる 100m スケールの小さな渦の報告もある (Fujiwara et al. 2011,2014) このように DL は100m スケールの細かい大気現象を捉えるには非常に有効な測器である本稿では DL の概略と観測された晴天日における強風日と弱風日の事例について報告する晴天日強風日弱風日の定義については後述する晴天日で強風日の場合には DL で一般風を求める手法について解説するまた晴天日で弱風日の場合には低高度角でみると強風 - 弱風のペアが複数確認されたのでそれについて議論する * 立正大学地球環境科学部大学院生立正大学地球環境科学部 * 立正大学学生 2.DL の観測原理 DL の用語のうちライダ (LIDAR) は Light Detection And Ranging の略であり光源としてレーザ光を使うことを意味する大気中にレーザ光を発射すると光は大気中にある微小な物体 ( 主にエアロゾル ) にぶつかり散乱されるが散乱された光の一部はレーザ光の発射場所を発したところに受信波として戻ってくる ( 図 1) 散乱させる物体が視線方向に動いているときドップラー効果により送信した周波数とは異なる周波数となる送信波の周波数を f 受信波の周波数を f 光の速さを c 物体の速さ v とすると受信波の周波数は次式で表される c v f = f c + v (1) これから散乱体がレーザ光発射源から遠ざかっていくとき (v > 0) には f は小さくレーザ光発射源に近づいてくるとき (v < 0) には f は大きくなる (₁) 式から2つの周波数が分かると c の大きさおよび c >> v を使うと光を散乱させる物体の流れ (v) は (₂) 式のように計算できる c v = ( f f ') 2 f (2) 通常エアロゾルはミクロン (10-6 m) 以下のサイズであ図 1 風に流されるエアロゾルによって送信されるレーザ光が散乱されて受信波として戻ってくる様子そのとき周波数 ( あるいは波長 ) は変化している左側の三角形は発信機および受信機を表す 49

立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 (a (b 図２図３ DL システムの概要１式の DL の写真 DL と制御 PC の模式図熊谷キャンパスおよびその周辺の航空写真赤枠はの範囲赤点は DL の設置場所である観測域内の主要な建物黒実線グラウンド緑色道路二重実線一号機はほぼ北側

１号機をほぼ北向き２号機を POINT 走査高度角を固定してスキャナーを方位方向にほぼ南向きに配置することにより全天をカバーするこ回転させる PPI Plane Position Indicator 走査方位角とができる測器は３脚で支えられ光アンテナ装置のを固定してスキャナーを鉛直方向に回す RHI Range 部分は発信機であるとともに受信機である図２発信

2 立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 (a (b 図２図３ DL システムの概要１式の DL の写真 DL と制御 PC の模式図熊谷キャンパスおよびその周辺の航空写真赤枠はの範囲赤点は DL の設置場所である観測域内の主要な建物黒実線グラウンド緑色道路二重実線一号機はほぼ北側二号機はほぼ南側を観測するように配置してあり太破線は二つの DL の観測範囲の境界を表す DL からの水平距離は200m ごとに描いてあるるから観測される流れは大気の流れと考えられるので装置からなる今後１号機２号機と呼ぶ二台の測こうして風が計測される器は水平方向に 90 90度鉛直方向に0 90度の範囲 DL1台の装置による観測手法として視線方向のを走査できるので１号機をほぼ北向き２号機を POINT 走査高度角を固定してスキャナーを方位方向にほぼ南向きに配置することにより全天をカバーするこ回転させる PPI Plane Position Indicator 走査方位角とができる測器は３脚で支えられ光アンテナ装置のを固定してスキャナーを鉛直方向に回す RHI Range 部分は発信機であるとともに受信機である図２発信 Height Indicator 走査上空の風を推定するには VAD する光の周波数は eye-safe の1.55μm 帯であり降水に Velocity-Azimuth Display がある豊田ほか 2009 吸収されるため観測は快晴から曇りのときに制限されるある距離が離れた２台の DL を使って同じターゲットを観測範囲は30 600m m m の３通り観測する手法としてデュアルドップラー法があり鉛直が設定することができ解像度は観測範囲を20分割した流が無視できるようなときには水平風を求めることでき大きさであるる本稿で紹介する観測事例は観測範囲30 600m 解像度30m で観測の時間間隔として６分とし高度角は0 ３立正大学 DL システムの概要立正大学の DL システムは２式の測器とデータ処理 50 70度の範囲を仰角10度刻みに観測を行った図３に DL の観測範囲の地図を示す DL 大学構内およびその周辺の600m の範囲が観測対象である以下の時間はすべて

3 地球環境研究,Vol.18(2016) 図年 5 月 31 日 9 時と 7 月 26 日 9 時の地上天気図 ( 気象庁日々の天気 ) は立正大学熊谷キャンパスの位置を表す図 5 気象観測露場における 2015 年 5 月 31 日 6 時から 17 時までの風速 ( 実線 ) 風向 ( 丸印 ) 温度 ( 実線 ) 相対湿度 ( 破線 ) 日射量 ( 実線 ) の時系列日本時とする 4. 観測データおよび観測事例 DL の近傍の地上観測サイトとして約 400m の距離にある立正大学熊谷キャンパス内にある気象観測露場 ( 気温風向風速相対湿度日射量の10 分値 ) を利用した DL の測器を設置した高さは海抜高度約 100m であり気象観測露場 ( 海抜高度 55m) より45m 高いまた立正大学熊谷キャンパスから約 5.2km 北東方向にある熊谷地方気象台 ( 気温風向風速相対湿度の10 分値 ) も利用したさらに周辺の環境場を把握するために気象庁メソ解析モデル (MSM) の1000hPa 面の解析値を用いた MSM の格子間隔は5km 5km であり時間間隔は3 時間である晴天日は気象観測露場における日照時間が10 時間以上の日とした観測は2015 年 5 月 26 日から7 月 27 日まで連続的に行ったがこの期間晴天日は5 月日 6 月 1 日 7 月日 7 月日 7 月 25 日の計 12 日であった気象観測露場の地上風の観測から強風日はほぼ一日強風 ( 平均 2.5m/s 以上 ) が吹く日弱風日はほぼ一日風が弱い ( 平均 1m/s 以下 ) 日とした本稿では晴天日で強風日として5 月 31 日弱風日として7 月 26 日を選びそれらの事例を詳しく解析した 5. 解析結果 5.1 強風日の観測 - 5 月 31 日図 4 に5 月 31 日 9 時の地上天気図を示す太平洋側に前線が停滞しており関東地方では北西風が卓越していた ( 図略 ) 図 5にその日の気象観測露場における風向風速気温相対湿度日射量の時系列を示すこれを見ると 9 時以降風速は2.5~3.5ms -1 で風向は北 ~ 北西であったまた最高気温は31.0 と5 月としては高温となり相対湿度は20% を切るなど乾燥していた 5 月 31 日 10 時 00 分における DL による高度角 0 度の観測結果を図 6に示す通常 1 台の DL で観測される視線方向の風速データから風向と風速 ( あるいは東西風と南北風 ) の2 成分を同時に決めるのはむずかしいところが本事例のような強風のときは観測全域で同じような風が吹いていると仮定することにより二つの成分を同時に決めることができる図 6から DL の東北 51

立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測 ( 高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 ) 図 6 2015 年 5 月 31 日 10 時 00 分における高度角 10 で観測された DL 視線方向の風速の水平分布右下の黒矢印と値は気象観測露場における同時刻の風向と風速を示す北西方向にデータがないのはエレベータ棟による遮蔽のためである

4 立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測 ( 高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 ) 図年 5 月 31 日 10 時 00 分における高度角 10 で観測された DL 視線方向の風速の水平分布右下の黒矢印と値は気象観測露場における同時刻の風向と風速を示す北西方向にデータがないのはエレベータ棟による遮蔽のためである東方向に視線成分が符号を変えるのがわかるこれは図 7の OP 方向にあたるとする OP 方向に垂線を引くとその方向が観測全域の風の向きに相当するしかし北北西か南南東かの風向はまだわからないここで一方向の風向を決定するために P 点を通る円を描き P 点の両側の円の上の点を Q 点と R 点とするそこで風向が P 点と同じとすると Q 点と R 点の風ベクトルは円を横切ることになるがそれぞれの視線成分の符号は逆になるこの符号の正負を見ることにより風向がわかるこれから図 6の場合は北北西の風向となるそして北北西からの風の強さは図 6の南南東方向の視線成分となるこうして求めた風は 10 時 00 分には北北西の風向で約 12ms -1 の強さであった一方気象観測露場で観測された同時刻の風向はほぼ同じであったが風速は3ms -1 であった DL で求めた風速とは約 9ms -1 の風速差があったがこの違いは高さ方向の風の強さの違いからきたものと考えられる 5.2 弱風日の観測 - 7 月 26 日図 4 に7 月 26 日 9 時の地上天気図を示す気圧分布をみると本州は気圧傾度が極めて弱くそのため関東地方も弱風であったこの日は関東地方では猛暑日であり熊谷地方気象台では15 時 50 分に38.2 の最高気温を記録した ( 図 8) また気象観測露場においても風速は1.5ms -1 ぐらいと弱かったまた最高気温は15 時 10 分で36.5 を記録した ( 図 9) 図 10に高度角 0 度の7 時から12 時までの1 時間ごと図年 5 月 31 日 10 時の強風日における風向の決定法の DL で観測された風を示すまず風の時間変動を見ると 7 時から8 時にかけて北北西から1~3ms -1 の風が吹いていた時間とともに風向は南風に変わり 12 時には風速は3ms -1 以上になったこのような風の変動は気象観測露場における風の変動と一致したしかし DL で観測された風の時間変動はどのくらいの水平の広がりを持つのか- 大学構内規模の現象なのかより大きいメソスケールの現象なのか-に関心があるそれを調べるためにまず熊谷地方気象台における風の変動を調べると ( 図 8) 7~8 時にかけては北北西の風そのあとは南風となっていて気象観測露場における風の変動と同じであったさらに広域な場を調べるために 1000hPa 面の MSM の6 時から15 時までの3 時間ごとの風と気温の場をみた ( 図 11) MSM では 6 時には北関東域の山岳から発する北西寄りの風があり 9 時から12 時にかけては関東地方全域で風が弱くなるとともに気温が上昇した 15 時になると相模湾方面から南風が吹いてきて北関東域とその西部の山岳地帯は高温となったこれから DL で捉えた北北西東南東風の風の変動は北関東スケールの風の変動であったことが分かる次に図 10に見られた風の水平分布について調べた図 10 とには北北西 - 南南東の方向には強風と弱風のペアが並ぶのが見られた強風域から強風域までの幅はほぼ100m であったこのパターンは DL の視線方向の方位変動によるものではなく風の強さの変動と考えられるその鉛直構造を見るために 8 時 00 分から04 分までの間の高度角別の風の分布を図 12に示す高度角 10 度の図 12 には DL の南側の水平距離 150~250m 付近に北北西 - 南南東の走向をもつ強風と弱風のペアが複数見られたしかしこのようなペアは高度角 20 度ではぼやけてゆき高度角 40 度では見えなくなった DL は周辺 52

向の風速の水平分布図の上の数値の並びは例えばの0726_07:00:00-00:40_el00は７月26日７時00分00秒から00分40秒まで高度角00度であることを意味する右下の黒矢印と値は気象観測露場における同時刻の風向と風速を示すの地表から50m ぐらい高い建物の屋上にあるので高度角０度とは約50m の高さの水平面に相当する DL から図11

5 地球環境研究 Vol 図８谷地方気象台における2015年７月26日６時 17時の風速実線風向丸印と温度実線熊相対湿度破線の時系列図９図10 気象観測露場における2015年７月26日６時 17時の時系列ほかは図５と同じ高度角０度で観測された2015年７月26日７時00 分から 12時00分までの１時間ごとの DL 視線方向の風速の水平分布図の上の数値の並びは例えばの0726_07:00:00-00:40_el00は７月26日７時00分00秒から00分40秒まで高度角00度であることを意味する右下の黒矢印と値は気象観測露場における同時刻の風向と風速を示すの地表から50m ぐらい高い建物の屋上にあるので高度角０度とは約50m の高さの水平面に相当する DL から図 hPa 面における2015年７月26日６時９時 12時 15時における気温カラーと風ベクトルの気象庁 MSM 出力立正大学と熊谷地方気象台の位置はそれぞれとで示すいうことになる地上では弱風といっても一般に上層にゆくと風の強さの水平距離を200m とすると高度角10度では地上72m は大きくなる当日の MSM の北関東域の風の鉛直分布高度角20度では地上122m の高さになるこれから強をみると 1000hPa 面では1ms 1以下の北西風 975 hpa 風弱風のペアの鉛直スケールは100m のオーダーとな面では約2ms 1の北西風 950hPa 面では約3ms 1の北るそのためこの風のペアの縦横比は１のオーダーと西風であり少なくとも地上近傍では風の鉛直シアがあっ 53

立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測 ( 高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 ) た ( 図略 ) 鉛直シアのある場において卓越する対流は鉛直シアの方向に沿う2 次元ロール解であることを Asai (1970,1972) は理論的に示した冬季日本海上に発生する筋状雲がその例である DL で見られた風の強弱の分布は対流によってもたらされたものであり

6 立正大学熊谷キャンパスにおけるドップラーライダによる水平風の観測 ( 高咲吉﨑渡来中川蓜島武井 ) た ( 図略 ) 鉛直シアのある場において卓越する対流は鉛直シアの方向に沿う2 次元ロール解であることを Asai (1970,1972) は理論的に示した冬季日本海上に発生する筋状雲がその例である DL で見られた風の強弱の分布は対流によってもたらされたものであり地上付近で鉛直シアを持つ一般風が吹くとき対流の上昇流域では下から弱い水平風下降流域では上から強い水平風が移流されて形成されたと考えられる図 13に風の立体構造に関する模式図を示すこのような2 次元ロール状の対流パターンはすでに Fujiwara et 図年 7 月 26 日 8 時 00 分から 04 分にかけての高度角 10 度 20 度 30 度 40 度における DL 視線方向の風速の水平分布 al.(2011) に報告されているが彼らの場合は風の鉛直シアが強く対流の循環のサイズも数 km と対流混合層として十分発達したものだったそれに対して今回の事例は同じ2 次元ロール状の対流であるけれども 100m スケールの縦横比 1の対流であり対流混合層としては発生初期であったと考えられるより詳細なそうした実態やその後の発展等に関しては数値モデルの適用を含めて今後の課題である 6. まとめ 2015 年 3 月に立正大学熊谷キャンパスの学生寮屋上に DL システムを設置し観測を開始した本稿では晴天日で強風日である場合と晴天日で弱風日である場合に焦点をあてそれぞれ1 事例を解析した 5 月 31 日の強風日の場合には観測域では同じような風が吹くという仮定を用いることにより水平風の2 成分 ( 風向と風速 ) を求めることができた 7 月 26 日の弱風日の場合には DL では7 時から8 時にかけては北北西からの約 1~3ms -1 の風が吹いていたが時間とともに南風に変わってゆくのが見られたこうした時間変動は気象観測露場や熊谷地方気象台の観測データにも見られ気象庁メソ気象モデル (MSM) の 1000hPa 面の風の空間分布から北関東スケールで起きていたことが分かったまた早朝から9 時ぐらいまで北北西 - 南南東の走向に強風と弱風のペアが複数並ぶのが観測された強風と強風の間の幅は約 100m でありまたその鉛直スケールも100m あり風のペアの縦横幅は 1のオーダーであったこうした風のペアを作ったのは地上から約 100m の高さの大気境界層内における対流であったと考えられる謝辞 DL の購入運用に関して松井秀郎地球環境科学部長川野良信前環境システム学科主任河野忠環境システム学科主任地球環境科学部事務室の岩崎秀男氏をはじめ環境システム学科の先生方にはお世話になりました心より感謝します図年 7 月 26 日 8 時において観測された風の概念図 2 次元ロールは対流の循環を表し水平に一様に並んでいる面 A は高さ約 50m の建物の DL を通る面であり面 B は面 A から 200m ほど離れている赤点線は DL からの高度角 0 度の線を表す面 B の白抜きの矢印は高度角 0 度で見たときの水平風を表す参考文献 Asai, T.,1970: Three-dimensional features of thermal convection in a plane Couette flow. J. Meteor. Soc. Japan, 48, Asai, T.,1972: Thermal instability of a shear flow turning 54

7 地球環境研究,Vol.18(2016) the direction with height. J. Meteor. Soc. Japan, 50, Bilbro, J. W.,G. Fichtl, D. Fitzjarrald, M. Krause and R. Lee, 1984: Airborne Doppler lidar wind field measurements. Bull. Amer. Meteor. Soc.,65, Fujiwara, C.,and Y. Fujiyoshi, 2014: Detection of invisible waterspout using 3D scanning Doppler lidar. SOLA,10, Fujiwara, C.,K. Yamashita, M. Nakanishi and Y. Fujiyoshi, 2011: Dust devil-like vortices in an urban area detected by a 3-D scanning Doppler lidar. J. Appl. Meteor. Climatology,50, 岩渕真海 2012: ドップラーライダー観測データ品質管理手法の開発と性能評価, 高層気象台彙報,70,23-30 光田寧, 水間満郎,1964: 超音波風速計とその試作. 天気, 11, 水谷耕平石井昌憲森一正藤吉康志藤原忠誠,2014: 高層気象観測の発展と現状. 気象研究ノート ( 水野量上窪哲郎定村努編集 ),229, 岡本雅典,1966: 超音波風速温度計による測定された乱れの顕熱フラックス. 天気,13, 豊田康嗣, 中屋耕, 橋本篤, 松宮央登, 田中伸和,2009 ; ドップラーライダを用いた風速観測手法についての検討, 研究報告 N08032, 電力中央研究所報告,32. Doppler Lidar Observation of Horizontal Winds at Fine Weather Days at Kumagaya Campus of Rissho University TAKASAKI Yoshinori *, YOSHIZAKI Masanori, WATARAI Yasushi, NAKAGAWA Kiyotaka, HAISHIMA Tetsuya *, and TAKEI Yu-ki * * Graduate Student, Faculty of Geo-Environmental Sciences, Rissho University Faculty of Geo-Environmental Sciences, Rissho University * Student, Rissho University Key words: Doppler lidar,strong wind day,weak wind day,atmospheric boundary layer 55

風力発電インデックスの算出方法について 1. 風力発電インデックスについて風力発電インデックスは気象庁 GPV(RSM) 1 局地気象モデル 2 (ANEMOS:LAWEPS-1 次領域モデル ) マスコンモデル 3 により 1km メッシュの地上高 70m における 24 時間の毎時風速を予測し

風力発電インデックスの算出方法について 1. 風力発電インデックスについて風力発電インデックスは気象庁 GPV(RSM) 1 局地気象モデル 2 (ANEMOS:LAWEPS-1 次領域モデル ) マスコンモデル 3 により 1km メッシュの地上高 70m における 24 時間の毎時風速を予測し 2000kW 定格風車の設備利用率として表示させたものです数値は風車の定格出力 (2000kW)