2 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿ができる 4) また気圧外気温露点の観測も可能である超音波速度計は気象観測用の風速計として広く利用されている超音波風速計をベースに航空機用としてより高速域でも使用できるよう JAXA で測定部の形状変更等の改良を加えたものである

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れれにかどり
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1 1 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿第 23 回風工学シンポジウム (2014) ドップラーライダヘリコプタを用いた都市境界層の風観測 WIND MEASUREMENTS OVER URBAN CANOPY USING DOPPLER LIDAR AND HELICOPTER 又吉直樹 1) 2) 田村哲郎 Naoki MATAYOSHI 1), Tetsuro TAMURA 2) ABSTRACT The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) has conducted wind measurements over urban canopy to build numerical wind model for roof-top heliport operation on high-rise building. Doppler lidar and the JAXA s research helicopter which is capable of measuring winds at 40Hz were used to measure winds aloft. In the measurement, larger power exponent of wind speed profile, more intensive turbulent intensity and smaller turbulence scale length were observed in urban canopy compared to the existing standard. These acquired data will be incorporated into the numerical wind model. Key Words: Urban canopy, Doppler lidar, Helicopter 1. はじめに近年運航実績が拡大しているドクターヘリや大都市圏の旅客輸送で使用される機会が多いビル屋上ヘリポートはヘリポートのあるビル自体が乱気流源となり得るため風の影響を受けやすい環境下にある特に高層ビル屋上は一般に地表面に比べて風が強くなるためより厳しい環境下にあると言えるこのため独立行政法人宇宙航空研究開発機構 (JAXA) では高層ビル屋上ヘリポートでのヘリコプタ運航の安全性および就航率の向上を目的として離着陸を模擬した飛行シミュレーションによりヘリコプタが運航可能な風の条件を検討設定する手法の研究を進めているこの一環として飛行シミュレーションに必要な高層ビル屋上ヘリポート周辺の風情報 ( 平均風や乱流特性の高度プロファイル等 ) を取得すべく JAXA 東京工業大学気象庁気象研究所の共同研究により東京都港区赤坂のアークヒルズヘリポート( 地上高 1), 2) 154m 標高 166m 図 1) を対象として風洞試験現地観測数値流体解析等を実施した特に現地観測ではヘリポート上の風に加えてヘリポート上空の都市境界層の風を観測するためドップラーライダヘリコプタを用いた風観測を実施した本稿ではこのドップラーライダヘリコプタを用いた都市境界層の風観測について報告する 2. 風観測手法 2.1 ドップラーライダドップラーライダは空中にレーザ光を発しその散乱光を受信する装置である散乱光のドップラーシフトを用いて散乱源となる空中の微粒子の移動速度即ち風速を観測する主に非降水時の風観測に適している本観測で用いたライダの外観と主要諸元を図 2 表 1 に示すライダはアークヒルズヘリポートの南西端に設置したまた同ヘリポートの北西端および南東端には 3 成分超音波風速計 ( ヤング社 CYG 観測レート 20Hz) を設置した ( 図 1) 2.2 ヘリコプタ本観測では JAXA の実験用ヘリコプタ ( 図 3) を用いて風観測を実施した一般に航空機による風観測では航空機の対地速度ベクトルと対気速度ベクトルの差として風ベクトルが求められる同ヘリコプタは対気速度ベクトルを観測する超音波速度計対地速度ベクトルを観測する DGPS/INS (Differential Global Positioning System / Inertial Navigation System) を装備し 3) 飛行中に遭遇した風の 3 軸成分を 40Hz 約 1m/s の精度で観測すること図 1 アークヒルズヘリポート 1) 2) 宇宙航空研究開発機構航空本部主任研究員 ( 東京都三鷹市大沢 ) 東京工業大学大学院総合理工学研究科教授 ( 神奈川県横浜市緑区長津田町 4259) 37

2 2 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿ができる 4) また気圧外気温露点の観測も可能である超音波速度計は気象観測用の風速計として広く利用されている超音波風速計をベースに航空機用としてより高速域でも使用できるよう JAXA で測定部の形状変更等の改良を加えたものである ( 図 3) 実験用ヘリコプタはメインロータの吹き下ろし等の機体の周りの気流の影響 ( 位置誤差 ) を小さくするため測定部をノーズブーム先端に装備しているが対気速度 10m/s 以下ではメインロータの吹き下ろしの影響が大きく正確な対気速度観測は不可能となるこのため風観測は対気速度約 40m/s で実施した 3. ドップラーライダによる風観測結果 3.1 平均風の高度プロファイルの観測ドップラーライダを用いてアークヒルズ上空の平均風の高度プロファイルの観測を行った観測諸元を表 2 に示すライダはレーザ視線方向の 1 軸の風速しか観測できないため円錐状に視線方向を変える PPI スキャンを行いスキャン中は風が一定と仮定して 3 軸風速を算出した観測範囲の最低高度である地上高 330m で風速 10m/s 以上のデータについて風速分布のべき指数を算出した結果を表 3 に示すべき指数は地上高 330~530m の 4 高度 ( 約 65m 間隔 ) の 10 分間平均風速を用いて算出した大気安定度の影響を見るため一般に安定 ( 安定度が正 ) と考えられる夜間 (21 ~6 時 ) と中立 ~ 不安定 ( 安定度がゼロ~ 負 ) と考えられる日中 (11~14 時 ) で分類しているまた風速 10m/s 以上のデータ数が最も多かった南南西の風向について 10 分間平均風速と気象庁のメソ数値予報モデル GPV(MSM) を用いて算出した仮温位の高度プロファイルを図 4 に示す仮温位は MSM 地上面からの温位差を示している以下結果を示すべき指数は風向に関わらず夜間の方が日中より大きい日中のべき指数の平均値は 0.28 であるのに対し夜間のべき指数の平均値は 0.54 に達する夜間にべき指数が大きい要因として大気安定度の影響が考えられる図 4 に示すように夜間は上空の仮温位が地上面より高く大気が安定しているのに対し日中は上空の仮温位が地上面より低く大気が不安定化しているさらに大気安定度とべき指数の関係を定量化するため大気安定度の指標として勾配リチャードソン数を導入する図 4 からべき指数に対しては地表面付近の安定度の影響が大きいと考えられるため勾配リチャードソン数 Ri は MSM 地上面と 1000hPa 面 ( 地上高 100m 前後に相当 ) の仮温位差風速差を用いて算出した ( 式 (1)) (1) 図 2 ドップラーライダ表 1 ドップラーライダの主要諸元型式三菱電機 LR-09FLⅢ 送信光波長出力観測項目 1.5 m 帯 ( アイセーフ波長 ) クラス 1M(JIS C 6802:2005) 視線方向風速風速幅 SN 比観測範囲最大 1.5km( 分解能 75m 時 ) 距離分解能 30/75/150m より選択最大観測風速 ±30m/s( 視線方向 ) ビーム走査寸法重量消費電力 PPI RHI VPPI VRHI 等本体 : 約 cm 光学アンテナ : 約 cm 本体 :30kg 光学アンテナ:8kg 200VA(AC100V) 図 3 JAXA 実験用ヘリコプタ表 2 ライダによる平均風の高度プロファイルの観測諸元観測期間 2011 年 3 月 29 日 ~6 月 1 日の内の約 32 日間 ( 雨天時等は観測せず ) 観測手法 PPI 観測 ( 仰角 60 度一定で方位角 ±90 度を 2 度 / 秒でスキャン ) 観測範囲地上高 330~1500m ( 約 65m 間隔観測範囲は気象条件により変動 ) ただし g: 重力加速度 T: 絶対温度 : 仮温位 u: 風速 z: 地上高である図 4 と同条件で抽出したデータについて勾 38

3 3 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿配リチャードソン数とべき指数の関係を図 5 に示す変動は大きいものの勾配リチャードソン数が正 ( 大気が安定 ) の時にべき指数が大きく負 ( 大気が不安定 ) の時にべき指数が小さくなる傾向が見られる特に勾配リチャードソン数が -0.2 以下ではべき指数は 0.3 以下と小さくなっている表 3 アークヒルズ直上の風速の高度プロファイル時間帯 *1 データ数 ( イベント数 *2 ) べき指数の平均値 ( 標準偏差 ) 全風向南南西全風向南南西日中 (7) 74(6) (11~14 時 ) (0.28) (0.26) 夜間 (9) 128(6) (21~6 時 ) (0.22) (0.18) *1 10 分間毎に算出した 10 分間平均風速を 1 データとする *2 3 時間以内で連続しているデータは 1 イベントとみなす図 4 アークヒルズ直上の 10 分間平均風速および観測時の仮温位差の高度プロファイル ( 抽出条件 : 地上高 330m 図 5 アークヒルズ直上でのべき指数と勾配リチャードソンで風速 10m/s 以上風向が南南西 ) 数の関係 ( 抽出条件 : 地上高 330m で風速 10m/s 以上風向が南南西 ) 3.2 乱流強度乱れスケールの観測ヘリポートへの流入風の乱流強度乱れスケールを観測するためライダの視線方向を水平風上方向に固定し水平風速の主流成分を連続観測したライダの観測諸元を表 4に観測範囲を図 6に示すライダの視線方向 ( 真北 0 度 ) と観測中の平均風向 (5 度 ) の差は小さいので以下ライダが観測した視線方向風速を水平風速の主流成分と見なす視線方向風速の平均値乱流強度 ( 風速の標準偏差と平均値の比 ) の算出に加えてライダ観測値の欠測が十分小さい ( データ取得率 99% 以上 ) 観測レンジに対しては風速時刻歴の自己相関関数を算出しそれを積分することにより乱れスケールを算出した算出結果を図 7 表 5 に示すアークヒルズ近傍 ( アークヒルズから 400m 以下 ) ではヘリポート上と同じく風速 10m/s 前後の風が観測されており乱流強度は 0.2~0.3 の値を示すアークヒルズから約 400~800m の領域は観測範囲の脇にある高層ビル S( 図 6) の影響を受けて平均風速が低下すると共に乱流強度が大きくなり最大 0.7 近くに達しているアークヒルズの北側 330~440m の範囲において乱れスケールは 60~80m の値を示しヘリポート上の風速計の観測値 (90m) に近い 4. ヘリコプタによる観測 JAXA 実験用ヘリコプタによりアークヒルズ周辺の半径 5km 以内を螺旋状に上昇降下してアークヒルズ上空の風観測を実施したさらに観測後に調布飛行場に着陸する際にも風観測を実施した観測日時風の条件を表 6 に示す 40Hz で観測した風データを平均時間 30 秒間で移動平均して平均風と乱流強度を算出しさらに高度 100m 間隔で平均して平 39

4 4 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿表 4 ライダによる乱流強度乱れスケールの観測諸元観測期間 2011 年 5 月 30 日 13:50~14:20 (30 分間 ) 観測手法観測範囲固定観測 ( 真北方向水平に視線方向を固定 ) 地上高 156.5m アークヒルズの北 180~900m(75m 間隔 ) 観測レート 0.5Hz (2 秒間隔 ) 観測期間の平均風風向 5 度風速 11.3m/s ( ヘリポート北東端設置の 3 成分超音波風速計による観測値 ) 表 5 ライダによる乱流強度乱れスケールの算出結果 *1 距離 0m *2 335m 372m 410m 443m 平均風速 11.3m/s 9.9m/s 9.3m/s 8.6m/s 7.9m/s 乱流強度乱れ 90m 79m 75m 77m 64m スケール *1 アークヒルズからの距離 *2 ヘリポート北東端設置の 3 成分超音波風速計の観測値図 6 ライダによる観測範囲図 7 ライダによる視線方向風速 ( 南風成分 ) の観測結果均風と乱流強度の高度プロファイルを算出した結果を図 8 に示し風速分布のべき指数を表 6 に示すまた大気安定度を評価するためヘリコプタで観測した気圧気温露点から算出した仮温位も図 8 に示すなお移動平均時間の 30 秒間は風観測中のヘリコプタの上昇降下速度が約 150m/ 分であることを考慮し 100mの高度分解能が確保できる時間として選定している風観測時のヘリコプタの対気速度が約 40m/s なので 30 秒間の移動平均時間は風速 10m/s 時における 2 分間の平均時間に相当するアークヒルズ上空では高度 200~1500m 調布飛行場では高度 25~400m の範囲で風データが得られている以下結果を示す (1) 風速分布のべき指数アークヒルズと調布飛行場での観測の時間差が小さく仮温位の分布にも大きな差がない ( 図 8) にも関わらず風速分布のべき指数はアークヒルズ上空の方が調布飛行場より大きい ( 表 6) アークヒルズ周辺は高層ビルが林立する都市部 ( 地表面粗度区分 VI~V 相当 ) であるのに対し調布飛行場周辺は住宅地 ( 地表面粗度区分 II 相当 ) であり地表面粗度によるべき指数の違いが現れている高度 400m 以下で大気安定度がほぼ中立である 3 日の方が同高度帯でやや不安定な 9 日に比べて風速分布のべき指数が大きくなっている両日の大気安定度の違いは天候 (3 日は曇り 9 日は晴れ ) が影響していると考えられる (2) 乱流強度アークヒルズと調布飛行場での観測の時間差が小さいにも関わらず高度約 400m 以下ではアークヒルズの方が乱流強度が大きく高度 200m で 0.2~0.3 に達している ( 図 8) べき指数と同じく地表面粗度の影響と考えられるアークヒルズの高度約 400m 以下では南風の 9 日の方が北風の 3 日より乱流強度が大きい 9 日の同高度帯では大気がやや不安定であることに加えてアークヒルズの南側に隣接する地上高約 200m の高層ビルの影響が現れていると考えられる 40

5 5 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿アークヒルズ上空の高度 400m 以上では乱流強度は 0.1~0.2 の値を示す変動は大きいものの高度約 400m 以上では乱流強度は等方性を有していると考えられる一方高度約 400m 以下では等方性が崩れ特に上下風の乱流強度の減少が顕著になる 5. 観測結果に対する考察 5.1 ライダ観測結果とヘリコプタ観測結果の比較ドップラーライダとヘリコプタの両手段によるアークヒルズ周辺での観測結果を比較するヘリコプタで観測した風速分布のべき指数 ( 表 6) はライダ観測結果の平均値 ( 表 3) に比べて大きい特に 3 月 3 日の観測結果は 0.69 と大きいが図 5 に示すように大気が中立に近い状態ではべき指数の変動が大きくヘリコプタ観測結果もその範囲内であるライダとヘリコプタの観測結果は共に大気安定度が不安定な方がべき指数が小さくなっている ( 図 5 8 表 6) ヘリコプタ観測で得られた北風時の高度 200m での乱流強度 0.21( 図 8) はライダ観測で得られた北風時の高度 156.5m での乱流強度 0.27~0.40( 表 5) と比べてやや小さいライダ観測の乱流強度はアークヒルズからの水平距離により変化していることから高層ビルと同程度の高さである高度 200m 以下では乱流強度の観測位置 ( 水平位置高度 ) への依存性は大きいと考えられるこのためライダとヘリコプタの観測空間の違い ( 前者は水平 75m 間隔高度 156.5m 後者は半径 5km の円内高度 200m) が乱流強度の観測値の差の一因と考えられる以上の通りライダとヘリコプタの観測結果は整合性があり両観測結果は信頼できると考えられる表 6 ヘリコプタ観測日時と風の条件風向 / 風速日時天候べき指数 (10 分間平均 ) 0.69 N/5.1m/s ( 高度 200~ アークヒルス屋上 400m) 2011 年 3 月 3 日 13 時 58 分 ~ 14 時 28 分 2011 年 3 月 3 日 14 時 32 分 ~ 14 時 35 分 2011 年 3 月 9 日 13 時 56 分 ~ 14 時 24 分 2011 年 3 月 9 日 14 時 28 分 ~ 14 時 32 分 N/5.5m/s 調布飛行場 S/4.3m/s アークヒルス屋上 SSW/5.0m/s 調布飛行場曇り晴れ 0.20 ( 高度 0~ 350m) 0.40 ( 高度 200~ 400m) 0.18 ( 高度 0~ 350m) 図 8 ヘリコプタ観測による平均風乱流強度仮温位の高度プロファイル 41

6 6 又吉直樹 23 風工学シンポシンポ HP 登載用原稿 5.2 観測結果と建築物荷重指針の風分布との比較今回のアークヒルズ周辺での観測結果を建築物荷重指針 5) で示される風速分布と比較する (1) 風速分布のべき指数アークヒルズ周辺は高層ビルが林立する都市部 ( 地表面粗度区分 VI~V 相当 ) であり建築物荷重指針では風速分布のべき指数として 0.27~0.35 の値が示されている今回の観測結果では日中は指針と近い平均値 0.28 が得られたものの夜間は指針よりかなり大きい 0.5 を超える平均値となった ( 表 3) またべき指数は大気安定度の影響を強く受け安定時には大きく不安定時には小さくなる傾向があることも定量的に明らかとなった ( 図 4 5) 日中の平均値が不安定時のデータも含めていることを考えると強風時 ( 中立時 ) ではべき指数は 0.28 より大きい値になるものと判断されるなお今回は MSMを用いて算出した勾配リチャードソン数を大気安定度の指標としたが MSMによる地表面付近の気象の再現性については観測値との比較等による検証が今後も必要と考えられる (2) 乱流強度今回の観測では高度 150~200m において乱流強度 0.2~0.3 程度が観測された ( 表 5 図 8) 指針では粗度区分 VI ~V において同高度帯では 0.15~0.2 程度の値が示されており指針に比べてやや大きめの値を示したまたビル近傍では局所的に 0.7 近い乱流強度も観測されている ( 図 7) (3) 乱れスケール今回の観測では高層ビル間の高度約 150m の乱れスケール ( 風速時刻歴の自己相関関数の積分値 ) として 60~80m の値が得られた ( 表 5) 指針では地表面粗度区分によらず一律に高度の関数として乱れスケールを与えており高度 150mでは約 230mとなる観測値はこれに比べてかなり小さく指針の解説に示される観測例と比較しても小さい一方 1) 著者らが実施したアークヒルズ周辺の風洞試験では高度 150m 相当において流入風の乱れスケールが 150m 前後であったものがアークヒルズ周辺では 50~90m 程度まで小さくなり観測結果と近い結果が得られている風洞試験では熱的要素は考慮せず中立の状態を模擬しているので高層ビル群の形状の影響により乱れスケールが小さくなっていると考えられる 6. おわりに JAXA によるドップラーライダヘリコプタを用いた都市境界層の風観測について報告したドップラーライダは降水時に観測できない弱点はあるものの騒音の問題もなく都市境界層の風観測に適していることが示されたまたヘリコプタによる観測は観測回数が限定されるものの平均風に加えて乱流強度や大気安定度を評価可能なデータが取得可能であり有力な風観測手段であることが示された得られた風観測結果は既存の指針に比べて大きな風の高度勾配 ( べき指数 ) や空間スケールの小さな乱れが都市境界層にあることを示している風速の大きな高度勾配は離着陸するヘリコプタにとっては風速の急激な時間変化として操縦を難しくする方向に働くため注意が必要であるまた乱れの空間スケールは乱気流の周波数特性としてヘリコプタの飛行に大きく影響するパラメータである今後は今回の風観測結果に加えて風洞試験数値解析等の結果も参考に飛行シミュレーション用の風モデルを構築する予定である謝辞アークヒルズヘリポートにおける風観測は同ヘリポートを管理する森ビルシティエアサービス社の多大なる協力を得て実施されたまた観測データの解析に際しては都市乱流境界層研究会のメンバ各位の助言を得たこの場を借りて厚く御礼申し上げます参考文献 1) 又吉奥野毛利田村中村高層ビル屋上ヘリポート周辺の風計測第 48 回飛行機シンポジウム講演集 ) Kataoka, H. and Tamura, T.: Hybrid RANS/LES Simulation of Wind Flow over An Urban Area, 12th Americas Conference on Wind Engineering, ) 奥野又吉照井若色穂積井之口舩引実験用ヘリコプタ MuPAL-εの開発航空宇宙技術研究所 TM ) 又吉奥野井之口実験用ヘリコプタ搭載エアデータセンサの位置誤差計測飛行試験航空宇宙技術研究所 TM ) 日本建築学会建築物荷重指針同解説丸善

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