地球環境研究，Vol.19（2017）

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価―ダブルセオドライト法によるパイバル観測値との比較―
渡

来

靖＊

中

村

祐

輔＊＊

青

木

翔

太＊＊

キーワード：ドップラーライダー、パイロットバルーン、ダブルセオドライト法、水平風

１ ．はじめにを捉えることができる。現在ではいくつかの機関において DL を用いた風の鉛直プロファイル観測がルーチン的

大気境界層を含む対流圏下層の流れを詳細に把握するに実施されている。DL 観測とゾンデ観測の比較結果がことは、雲や降水の発達、乱流輸送を介した大気－陸面

いくつか報告されており（岩渕2012；星野 ・ 岩渕2013；

相互作用、複雑地形に影響される局地風など、様々な大鈴木ほか2016）、両者は概ねよく一致した結果が得られて気現象を理解 ・ 予測する上で非常に重要である。近年でいる。立正大学に導入された DL システムについても、は、レーダー（radar；radio detection and ranging）、ラ

風の鉛直プロファイル観測に活用していく上で、他の観イダー（lidar；light detection and ranging）、ソーダー

測値と比較し DL 観測値の特徴を明確にしておくことは（sodar；sonic detection and ranging）などの地上リモー重要である。

トセンシング技術が開発 ・ 普及し、時空間的に細密な風

そこで本研究では、立正大学に導入された DL 観測デー

データが得られるようになってきた。これらの機器や取タより得られる水平風の鉛直プロファイルについて、他

得データは、天気予報の精度向上、大気乱流構造の理解、の独立した観測手法により得られた水平風と比較するこ風力エネルギー開発のための風況観測などの様々な目的とによって品質評価を行うことを目的とする。DL 観測で活用されている。

とともにパイロットバルーン（pilot balloon；以下、パイドップラーライダー（Doppler lidar；以下、DL と呼バル）による観測を実施し、両観測値を比較することでぶ）は、光アンテナからレーザー光を大気中に送信し、評価する。パイバル観測は上昇する気球を追跡しながらエアロゾルにより散乱されて戻ってきた光を受信する。

測量して割り出した気球の位置から風を求める直接観測

この送信波と受信波のドップラーシフトから視線方向風手法であり、比較値として妥当と言える。

と分散、信号雑音比を測定する。アンテナを走査することで、風の３次元的な分布を測定することができる。DL
はその高い時空間分解特性により、大気境界層内の対流２ ．観測概要

や複雑な乱流構造を測定することができる。立正大学で

DL とパイバルによる同時観測は2016年８月４日に、は2015年３月より可搬型の小型 DL が導入され、定期的

埼玉県熊谷市にある立正大学熊谷キャンパス内で実施さに観測が実施されている。例えば2015年７月26日の立正れた。観測点の配置図を図１に示す。

大学熊谷キャンパスにおける観測結果からは、弱風晴天

パイバル観測については、地点Ｐを放球地点とし、地で鉛直シアーの存在する大気境界層内において100ｍス

点Ａ、Ｂに２台のセオドライトを設置して同時に１つのケールの水平ロール状対流が見られたことが高咲ほか

気球を追跡する、ダブルセオドライト法を採用した。以（2016）により報告されている。

後、地点Ａに設置したセオドライトを一号機、地点Ｂの

DL は、高出力の機器を使用するかパルス幅を調整す

ものを二号機と呼称する。今回の観測で用いたセオドラ

るなどして観測範囲を広げ、数 km スケールの風の水平

イトは、どちらもタマヤ計測システム株式会社製 TD-4で分布や鉛直構造を観測することも可能である。大気の鉛ある。測定される高度角、仰角の記録間隔は２秒とした。

直プロファイル観測はゾンデ観測が主軸であるが、DL をそれぞれのセオドライトの方位角は磁北を基準に設定さ利用することにより非常に高い時間分解能で現象の変動
＊		 立正大学地球環境科学部＊＊
立正大学大学院地球環境科学研究科大学院生

れたので、解析時には偏角を補正して真北に変換した。

83

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）

表１

DL（LR-S 1 D 2 GA）の主な仕様

レーザー光波長1.55μm 帯

距離分解能

30ｍ

観測範囲
送信光パルス幅

図１

 測地点の地図。Ａ（一号機）
観、Ｂ（二号機）はそ
れぞれセオドライトの設置点、Ｐはパイバル放球
地点、DL は DL の設置点。l は地点 AB 間の水平距離（l=512ｍ）を意味する

偏角は、国土交通省国土地理院の地磁気測量ホームペー

75ｍ

150ｍ

60～630ｍ 75～1500ｍ 150～3000ｍ
200ns

500ns

1000ns

変復調方式

パルス変調方式

レンジビン数20（０～19）

ドップラー速度範囲－30～30m/s

送信繰り返し周波数

16kHz ±５％光アンテナ駆動方法

方位角、仰角独立駆動

光アンテナ走査方式

二軸走査方式

方位角走査範囲－90～＋90 ˚

仰角走査範囲－５～＋90 ˚
1.0～20.0˚/s（水平方向）
1.0～10.0˚/s（垂直方向）

駆動速度

ジ（http://vldb.gsi.go.jp/sokuchi/geomag/）で公開され駆動角読み取り分解能ている地磁気値計算フォームを利用して観測地点におけ

走査パターン

0.01 ˚
POINTING, PPI, RHI, VPPI,
VRHI

る2010年１月１日０時（協定世界時）の値を求めた７˚16’
西偏を用いた。放球は９時30分と、10時00分以降１時間
表２

毎に18時00分までの計10回行った。放球地点Ｐは、キャ
ンパス内の学生寮（ユニデンス）Ｂ館の屋上とした。毎DL 観測の主な設定値

距離分解能

150ｍ

観測範囲

150～3000ｍ

方位角および仰角を測定し、それら10回の観測データか

観測モード

PPI

ら地点Ｐの地点Ａに対する比高を47.7±0.1ｍと見積もっ

ビーム仰角

69˚

た。それに、国土交通省国土地理院が提供する基盤地図

方位角走査速度

6.0˚/s

パルス積分回数

4000

回の放球直前に２台のセオドライトにより放球地点Ｐの情報数値標高モデル５ｍメッシュデータから求めた地点
Ａの標高（48.5ｍ）と、観測時に測定した一号機の三脚高さ（134.3cm）を加算し、放球地点Ｐの標高を97.5ｍととした。また、本研究で採用したダブルセオドライト法

した。AB 二地点間の水平距離 l およびＡ地点から見たは、気球上昇速度一定の仮定を必要とせず気球の位置をＢ地点の方位角は、Google Earth の「定規」機能を利用確定できる点や、観測値の不確実性を評価できる点が利して計測を行い、l = 512ｍ、方位角261.92˚ とした。ＡＢ

点である。ダブルセオドライト法による水平風鉛直プロ

二地点の比高（Ｂの標高－Ａの標高）については、基盤

ファイルの算出や不確実性の評価方法については、第４

地図情報数値標高モデル５ｍメッシュデータより求めた節において概説する。

各地点の標高と、各測器の三脚高さから0.36ｍと見積もっ

DL 観測に用いた機器は、三菱電機株式会社製のコヒーた。なお、気球には20g 型パイバル用気球を用い、ヘリレントドップラーライダー LR-S1D2GA である。主な仕ウムガスを充填して55.7g 重の純浮力を与えた。これは実様を表１に、今回の観測における主な設定を表２に示す。

験式によれば気温０˚Ｃの海抜高度付近の条件で気球の上

DL は、パイバル放球地点と同じ建物の屋上に設置した

昇速度2.5m/s に相当する。

（図１の点 DL）
。したがって、DL の設置標高は放球地点

パイバル観測では、気球を観測者の手動により追跡すと同じ97.5ｍとした。DL の観測モードは PPI（Plan Posi-

るため、精度の良い観測結果を得るためには熟練を要す

tion Indicator）走査とし、ビーム仰角69˚と90˚の２種類のる。今回の観測は十分なパイバル観測経験のある観測者

観測を交互に繰り返し、仰角69˚ では6.0˚/s、90˚ では20˚/sが実施するとともに、気球を視野内に捉えたり見失ったで水平走査したが、今回は仰角69˚ のデータのみを用いりしたタイミングでセオドライトの「MISS」ボタンを押た。69˚ の PPI 走査は、約１分に１回の頻度で実行されすことにより識別フラグを記録し、２台のうち１台でもた。

気球を追跡できなかった時刻のデータは使用しないこと
84地球環境研究，Vol.19（2017）

３ ．データの品質管理と平均化処理

昇速度2.5m/s の気球を２s 毎に測定）でより細かい。そこで、DL データの高度分解能に合わせてパイバルデー

今回の DL 観測で用いた LR-S1D2GA では、本体装置

タを平均化する処理を行った。まず、２秒サンプリング

内蔵のソフトウェアにより、高仰角 PPI 走査を行った際で取得したパイバル観測による気球の方位角、仰角をもに１回の観測ごとに VAD（Velocity Azimuth Display）とに水平風速、風向を算出し、時間方向に56秒（28点）

法によって風速 ・ 風向を算出、出力している。VAD 法

移動平均を施した。ここで、風向については単位ベクト

では、一定仰角で360˚PPI 走査した際に走査円上の風がル平均とした。次に、同じく56秒移動平均した気球高度一様であるとすれば測定されるドップラー速度が方位角が DL 観測高度と最も近い移動平均風速、風向データをに対する正弦関数となることを利用し、観測されたドッ抽出した。56秒移動平均を施した理由は、気球の上昇速

プラー速度をフーリエ変換するか正弦関数にフィッティ

度が2.5m/s で一定とすれば56秒で140ｍ上昇するためでングさせるかして、水平風を求める。このように、本来あり、平均化されたパイバルデータは厚さ約140ｍの気層の VAD 法では360˚ 水平走査したドップラー速度から水平均値とみなせる。このように求めたパイバルデータを平風を求めるが、LR-S1D2GA では１台につき最大で180˚用いることで、DL データと同じ高度、同じ高度分解能

までしか水平走査できない。LR-S1D2GA では、180˚ 水のデータとして比較できる。

平走査して得られたドップラー速度を正弦関数にフィッ

パイバル観測は上昇する気球を追跡することで上空のティングさせ、水平風を算出している（三菱電機株式会

風速を求めるため、その観測原理上、一回の観測におい社2015）。今回は、このように本体内蔵ソフトウェアにても上空ほど観測時刻が遅れる。そこで、各高度におけよって出力された水平風のデータを用いた。１回の PPIる両データを比較する際には、上述のように求めた平均走査につき１つの水平風鉛直プロファイルが出力される化パイバルデータの中心時刻を求め、それを基準時刻とので、DL 観測による水平風データの時間分解能は約１した。岩渕（2012）は、DL の７秒サンプリング値と10分である。なお、DL 観測値における方位も磁北が基準分平均値を地上の風速計や GPS ゾンデによる水平風と比となっているため、風向についてはパイバルデータと同較した結果、７秒値は10分値に比べて大きな短時間変動

様に7˚16' 西偏で補正して真北が基準となるように変換し成分を含んでいることや、10分値の方が風速計やゾンデた。また、岩渕（2012）が指摘するように、DL 観測距

による風とよく一致したことを示した。DL 観測が捉え離は本体装置の光送受信ユニットが基点となっているた

る大気エアロゾルの挙動は乱流の影響を大いに受けていめ、光アンテナ装置からの距離は光ケーブルの長さ（５るため、瞬間値では乱流成分を多く含むが、パイバルのｍ）分短い。今回は、光ケーブル長さ分の距離を補正し挙動はより平均的な流れに影響されると考えられるため、た高度を算出し、DL 測定高度とした。

DL データは時間平均値を用いるのが妥当である。そこ今回用いた DL では、データの品質管理のため、測定で岩渕（2012）に倣い、DL データは基準時刻を中心と値の信号雑音比が７dB 以下の場合はドップラー風速を出する10分間に含まれる同高度の観測値を単純平均したも力しない。また、VAD 法による水平風自動演算処理にのを求め、パイバルデータと比較した。平均値を求める

おいて、走査円上で取得されたデータ数が10個に満たな際には、基準時刻を中心とする10分間に含まれる同高度い場合には水平風を出力しないようになっている。しかの VAD 水平風データを v1, v2, …, vN とすると、N ≤ 4 でし、出力された VAD 水平風の一部には不自然と思われあれば四分位値 Q1/4、Q3/4と四分位範囲ΔQ=Q3/4－Q1/4をるデータが含まれており、それは取得データ数が少ない

求めて各データ vi が Q1/4－1.5ΔQ ≤ vi ≤ Q3/4＋1.5ΔQ の範ときに該当するケースが多かった。そこで、取得データ

囲に含まれるかどうか判定し、含まれない場合は外れ値

数が50個未満のデータについては使用しないこととした。

として除外した。DL のサンプリングデータには、観測

本研究の観測設定において１回の PPI 走査で取得可能な時刻のごく近い同高度のデータ集合の中で他とは大きく

データ総数は117個であるから、取得データ数50個はその外れた値が含まれることがしばしばあるため、本研究で42.7％に相当する。

はこれをノイズと考えて上述の四分位範囲による処理に

DL データをパイバルデータと比較するにあたり、でよって平均操作から除外した。なお、同高度、同時刻にきるだけ同高度、同時刻における両データを比べる必要

おける DL の走査範囲にパイバル観測点が含まれるとはがある。高度分解能は、DL データが約140ｍ（＝150×

限らないが、本研究では両データの水平方向の観測位置

sin 69˚）であるのに対してパイバルデータが約５ｍ（上のずれを補正する処理は行わなかった。
85

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）

４ ．ダブルセオドライト法
パイバル観測では、ヘリウムや水素を充填した気球を放ちその位置をセオドライトで測量することにより、気球の位置変化から水平風の鉛直プロファイルを求める。
実際には、１台のセオドライトで気球を追跡する方法（シングルセオドライト法）が用いられることが多い。シン
グルセオドライト法の場合、セオドライトで測定される１組の高度角、仰角のみでは気球の位置を特定することができないので、気球の上昇速度が一定であるとして気球の高度を求め、それを加えて気球の３次元位置を確定する。一方、１つの気球を２台のセオドライトで同時に追跡するダブルセオドライト法は、２台のセオドライト
から同時に得られる２組の高度角、仰角データによって、

図２

理論上気球の３次元位置を決めることができ、気球の上
昇速度一定を前提とする必要がないことが大きな利点でダ ブルセオドライト法による気球位置算出の概念
図。Ａ、Ｂはそれぞれ一号機、二号機の設置点を表し、AD、BC はそれぞれ一号機、二号機の視野中心線であるある。また、気球の上昇速度一定を仮定すれば、ダブル

図２は、Thyer（1962）の方法による気球位置算出のセオドライト法によって決定された気球高度の時間変化

概念図である。点Ａ、Ｂがそれぞれ一号機、二号機の位と気球上昇速度との差から鉛直風を見積もることもでき置を表し、点Ｂから点Ａと同高度の水平面に下ろした垂る。近年実施されたダブルセオドライト法を用いた日本

線の足を点Ｅとすると、AE=l はＡＢ間の水平距離、BE=hの研究例として、佐々木ほか（2004）は山形県庄内平野

は比高である（本研究において、l=512ｍ、h=0.36ｍであで起こる清川だしの観測においてダブルセオドライト法る）。Thyer（1962）の方法では、２台のセオドライトかによるパイバル観測を行い、清川だし発生時の風の鉛直ら延びる２本の視野中心線（AD および BC）の両方と直構造を明らかにし、高度200ｍ付近に最強風帯が出現する

交する短い線分 DC を考え、気球の最適位置はその線分ことなどを明らかにしている。また、中川ほか（2009）

DC 上にあると考える。以下、算出方法について概説す

では、長野県長野市で実施されたダブルセオドライト法

る。

によるパイバル観測データより得られたパイバル高度に関して、その特徴や精度について議論している。
上述のように、ダブルセオドライト法では２台のセオ

簡単のため、点Ａを原点とし、点Ｂを y 軸上（y > 0）にとる。AD、BC の長さをそれぞれ r1、r2とすると、ベ
クトル AD、BC はそれぞれ

ドライトから高度角、仰角がそれぞれ測定され、計４つの角度が得られる。しかし、気球の３次元位置は３つの⑴角度が定まれば決定することができるため、観測された
４つの角度から気球の位置を決めようとすると、特別な場合を除き一意には決められない。そのため、測定され⑵た４つの角度のうち３つを使って気球の位置を求める方法が採用されることがあるが、この方法では測定値に誤差が含まれていた場合、選択した角度の組み合わせによって得られる位置に大きな違いが生じてしまうといった問と表すことができる。ここで、φ 1、φ 2は一号機、二号機の方位角、θ1、θ2は一号機、二号機の仰角、Δφ は一号機から見た二号機の方位角、i、j、k はそれぞれ x、y、z

題点がある（Schaefer and Doswell III 1978）。そこで方向の単位ベクトルである。DC の長さを s とし、ベク

Thyer（1962）は、ダブルセオドライト法で測定される

トル DC を

４つの角度全てを用いて気球の位置を決定する方法を考案した。本研究では、Thyer（1962）の方法により気球の３次元位置を算出した。
86⑶と置くと、DC が最短となるためには DC と AD、BC が地球環境研究，Vol.19（2017）

それぞれ直交すれば良いので、
⑾
⑷
⑿
⑸
⒀

また、ai＋bj＋ck は単位ベクトルであるから、⑹

次に図２より、AD＋DC と AB＋BC は等しくなければならないので、

式⑷～⑹より、係数 a、b、c は次のように求まる。
⑺

⒁

⑻
⑼

この恒等式⒁を解けば、係数 r1、r2、s はそれぞれ以下のように求まる。

ここで、
⑽

⒂

⒃


⒆

⒄

⒇

上述のように、気球は線分 DC 上に存在するはずである。線分 DC の長さが０でないということは、少なくとまた、セオドライト測定値に含まれる視野角誤差Δϕ は、も１台のセオドライトの測定値に誤差が含まれることを意味する。もし２台のセオドライト測定値に同じ視野角分の誤差が含まれていると仮定すれば、DF : FC=r1 : r2となる点Ｆに気球は存在する。したがって、気球の最適となる。
Netterville and Djurfors（1979）は、ダブルセオドラ
イト法によるパイバル観測において、観測値に含まれる

位置 F（x,y,z）は以下のように求まる。

不確実性を検討した。それによると、風速および風向の⒅

不確実性ΔU、Δd はそれぞれ、

87

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）と見積もられる。ここで、
であり、U は風速、Δt はデータのサンプリング間隔、Δϕ は視野角の分解能、tn は放球からの経過時間である。
式、より、ダブルセオドライト法によって観測される風速や風向は、サンプリング間隔Δt や２台のセオドラ
イト間の距離 l が短いほど不確実性が急速に高まることがわかる。また、経過時間 tn や視野角の分解能（誤差）Δϕ が大きくなるほど、不確実性は高くなる。
図３

５ ．DL 観測とパイバル観測の比較
比較観測を実施した2016年８月４日は、日本付近は北日本を除いて南北に延びる高圧帯の勢力下にあり、関東パ イバル観測の航跡図。太線は各観測における気球軌跡の水平面投影図であり、 ４ 桁の数字は放球時刻を表す。×、＋、◆はそれぞれ一号機、二号機、DL の設置点を示す。半円は DL の走査半円であり、数字はレンジビン番号を意味する

地方は全般に晴天となった。熊谷地方気象台の観測記録

加えて、観測値から式  によって求めた視野角換算誤によれば、日最高気温は16時00分に34.7˚Ｃを記録し、日差Δϕ およびΔt =56s を与えて式 、 により算出され照時間は11.1時間であった。図３に、パイバル観測で得た風速および風向の不確実性ΔU、Δd の範囲も示していられた気球の航跡図を示す。９時30分の観測値では、気る。全体的に見ると、各事例の水平風の高度変化傾向は

球はまず南東方向に流されており、下層では北西寄りのDL とパイバル両観測で類似していると言えるが、両観風が吹いていることがわかる。11時00分の観測では、気測の差は事例による違いが大きい。図４に示した４事例

球は時計回りに進行方向を変えながら放球点付近を上昇

では、９時30分の事例が他の３事例に比べて両観測の差している。13時00の観測では西～西北西方向に流され、が大きい。特に風向については、高度500ｍ以下で DL 風

14時00分には北西、17時00分や18時00分には北と、下層向がパイバル風向に比べて90˚ ～130˚ 程度時計回りにずれの風向が時間経過とともに時計回りに変化している様子ている。一方、午後に観測された３事例については、両が見られる。

観測は比較的良く一致している。特に、14時00分の事例

図４は、個々のパイバル観測について、DL とパイバの風向や18時00分の事例の風速（高度1000ｍ以下）は両ルで観測された水平風速および風向を比較した図である。

者にほとんど差がなく、それらの鉛直分布も非常によく

図４には全10事例のうち、DL とパイバルがともに標高一致している。14時00分と17時00分の風速については、

1500ｍ付近までおおよそデータが取得できた ⒜ ９時30

DL 風速がパイバル風速に比べて、1000ｍ以下の高度で分、⒝ 14時00分、⒞ 17時00分および ⒟ 18時00分の結果

1m/s 程度過小傾向であるが、風速極大を示す高度などのみ示す。黒実線で描かれた要素が DL、灰破線がパイの特徴はおおよそ一致している。17時00分や18時00分の

バルの観測値を意味している。パイバル観測値には、厚風向については、DL がパイバルに比べて時計回りにずさ約140ｍ気層平均（56秒移動平均）の風速および風向にれているが、その差は10～20˚ 程度である。また、図４に88地球環境研究，Vol.19（2017）

図４

 L とパイバルによる水平風同時観測の比較図。黒実線は DL 観測値の高度毎の10分平均値であり、エラーバー
Dは標準偏差、各図中央の数字は各高度の DL 観測数を意味する。灰色はパイバル観測値（破線）およびその不確実性の範囲（エラーバー）を示す。2016年 ８ 月 ４ 日 ⒜ 9 時30分、⒝ 14時、⒞ 17時および ⒟ 18時の観測結果であり、それぞれ左側は風速、右側は風向の結果である

は黒実線のエラーバーで DL 観測値の標準偏差が示され

め、事例ごとに単純平均した値（実線）とその標準偏差ているが、これに着目すると DL 観測値のばらつきの大（エラーバー）を示している。風速バイアス（図５ａ）はきい事例 ・ 高度では DL とパイバルとの差が大きく、ば事例ごとの違いが大きく各事例の標準偏差も大きいが、らつきが小さいほど差が小さくなる傾向が見られる。

事例平均値は－２～２m/s を示している。サンプル数の

図５は、全10事例について比較高度における風速およ多い９時30分⑹、14時00分⑼、17時00分⑽および18時00

び風向のバイアス（DL 観測値－パイバル観測値）を求

分⑽の風速バイアスを見ると、９時30分は0.23m/s で若89

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）

図５

 観測における ⒜ 風速バイアスおよび ⒝ 風向バ
各
イアスの平均値（太実線）と標準偏差（エラーバー）。図下の数字はサンプル数を表す

図６

 イバル風速階級別の ⒜ 風速バイアスおよび ⒝パ
風向バイアスの平均値（棒グラフ）と標準偏差（エラーバー）。図下の数字はサンプル数を示す

干の正値であるが、その他の平均はどれも負値を示してが非常に大きくなっているが、風速３～４m/s 以上の強おり、パイバルに比べて DL が過小となる傾向を示唆す

風時になるとばらつきは比較的小さくなり、階級平均のる。風向バイアス（図５ｂ）を見ると、午前の観測事例

風向バイアスは４～24˚ を示し DL 風向が若干時計回りにでは大きさが45˚ を超えるような大きな平均バイアスを示

ずれている。この傾向は、図５⒝ で見られた午後の観測

しばらつきも大きいが、12時00分以降の午後の観測では事例における傾向とよく似ている。

両観測の差が比較的小さく、13時00分の観測を除いては次に、全10事例のデータを用いて、高度ごとの両観測ばらつきも小さい。午後の観測における風向バイアスは、値について比較する。その際、高層気象台における DL

13時00分と15時00分の観測は約44˚ でやや大きいが、それとゾンデのデータを比較検証した星野 ・ 岩渕（2013）の以外では22˚ 以下であり、これは16方位における１方位分

手法に倣い、これまで用いてきた風速および風向バイアの違いと同程度かそれよりも小さい。

スに加えて、風ベクトル差の二乗平均値 RMSVD および

図６は、図５と同様の風速、風向バイアスについて、

風向差の平均値ΔDIR も算出し、比較した。RMSVD お

事例や高度についての区別はせず、パイバル風速の階級

よびΔDIR はそれぞれ以下の式 、 によって求めた。

別で分類した結果である。風速バイアス（図６ａ）の階

級別平均を見ると、風速が４m/s 以下の弱いときには DL
風速が過大傾向であるのに対し、４m/s 以上の強風時には DL 風速が過小傾向となることがわかる。今回の観測

で得られた風速４～10m/s のときの風速バイアスは－2.0～－0.5m/s を示した。しかし、各階級の風速バイアスの

ここで、N はサンプル数、VL,i、VP,i はそれぞれ DL およ

標準偏差は比較的大きく、個々の事例による違いが大きびパイバルの水平風ベクトルであり、いことを示唆する。風向バイアス（図６ｂ）の階級別平均について見ると、弱風時には個々のデータのばらつき
90地球環境研究，Vol.19（2017）

渕（2013）の結果と比較すると1000ｍ以上の上層では同程度であるが、下層では２倍前後大きい。風向バイアスについては、高度約900ｍを境に下層では平均はほぼ０であるがばらつきが非常に大きく、上層では正の傾向が見られる。上層側の高度1000～1500ｍ付近は風向バイアスのばらつきが比較的小さく、ΔDIR も20～30˚ 程度と他の高度に比べて小さい。星野 ・ 岩渕（2013）におけるΔDIRの結果では高度約700ｍより下層では15˚ 程度であり上層では高度とともに大きくなる分布を示しているが、今回の結果はそれとは逆の傾向である。しかしながら、今回の結果はサンプル数が非常に少ないため、星野 ・ 岩渕（2013）の結果との違いに意味があるかどうか議論することは難しい。

６ ．DL データ平均時間の影響
上述のように、個々の DL 観測で得られる風データは乱流成分を多く含んでおり、パイバル観測値と比較する
ためには時間平均値を用いるのが妥当と考えられる。しかし、本研究の目的に対してどのくらいの時間幅で平均するのが相応しいであろうか。そこで、今回の観測デー
タにおいて、DL データの平均時間幅を変えることによってパイバルデータとの風速 ・ 風向差がどのように変化す
図７

 風速バイアスの平均と標準偏差、⒝ RMSVD、⒜⒞ 風向バイアスの平均と標準偏差、および ⒟（ΔDIR）の高度分布。各図右の数字はサンプル数を示す

るか調査した。
図８の実線は、基準時間を中心に DL データを平均した時間幅に対する、RMSVD の全事例 ・ 高度平均値を表している。平均時間幅を長くするほど RMSVD が小さくなる傾向が見られる。時間幅が短い範囲では特にその傾向が大きいが、時間幅が15～20分の長さになると RMSVD
はおおよそ2.8m/s に収束し、20～30分ではほぼ一定となっている。なお、ΔDIR の平均値についても平均時間

幅による変化を示す（図８の破線）と、ΔDIR も RMSVDと同様に時間幅が長くなるにつれて小さくなる傾向があ
るが、時間幅30分までの範囲では RMSVD のように20分である。図７は、高度別の ⒜ 風速バイアス、⒝ RMSVD、以上で収束する傾向は見られない。

⒞ 風向バイアスおよび ⒟ ΔDIR を示す。風速バイアス

平均化時間を長くするほど RMSVD が低下し20分でおは高度約900ｍ以下の下層で正、上層で負となる傾向が見

およそ極小となった理由として、時間スケールの短い乱られる。この傾向は、星野 ・ 岩渕（2013）において DL

流成分が平均化でフィルターされたことが考えられる。

自動出力の VAD 水平風についてゾンデと比較した結果

しかし、今回のパイバル観測において気球には上昇速度（星野 ・ 岩渕2013の図５に破線で示される）と類似してい2.5m/s に相当する浮力を与えており、20分間で気球は約る。RMSVD は高度約900ｍ付近で極小で約1.9m/s を示

3000ｍ上昇しているから、平均化時間としてはやや長いしており、最下層でも値は比較的小さく約2.2m/s であ印象を受ける。本研究で用いた観測事例数が少ないため、る。しかし、RMSVD はどの高度も２～４m/s の値を示

20分という平均化時間が同様な観測で常に風速差極小としている。これは風速の誤差としては大きく、星野 ・ 岩

なるかどうか明らかにするには、事例数を増やしたさら
91

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）ていることからもわかるように、風速４m/s 以上の特徴
は、おおよそ午後の事例の特徴を表している。すなわち、風速の大きさが DL とパイバルの差に影響を及ぼし、それが事例による差の大きさの違いとなっていることが示唆される。DL による都市上空での視線方向速度の観測において、弱風時の日中には水平スケール0.5～１km 程度の網目状の風速分布を示す（網目状構造）一方、強風図８

 L 観測値の平均時間幅（横軸）に対する RMSVD
D（破線）の変化（実線）および（ΔDIR）

時の日中には風速の強弱分布が吹走方向に沿って線状に分布するストリーク構造を示すことが明らかにされている（藤吉ほか2008；八木ほか2013）。この事実は、弱風時には水平風の局所性が大きく、強風時には吹走方向に風なる研究が必要である。また、今回のライダー観測によの均質性が高いことを示唆する。このような流れの構造

る水平風の時間分解能は約１分であるから、図８の横軸の違いが本研究における事例ごとの違いをもたらした可は平均化に用いた最大サンプル数と読み替えることもで能性がある。また、図３からわかるように、午前の事例

きる。平均化時間が短いと適切な平均値（期待値）を表

では気球は南東方向に流れており、一方で午後の事例ですのに十分なサンプル数が確保できないため、RMSVD

は西北西～北方向に流れていた。図３に DL の走査範囲が大きくなっている可能性もある。

も示しているが、午前は風上側から、午後は風下側から走査していることになる。もし風上側と風下側で DL の

７ ．考

察

観測精度に差が生じているとすれば、データを風向別に扱うなどの注意が必要となるが、今回の観測事例はサン

図７に示した、今回の全観測における高度別風速 ・ 風

プルが偏っており、風速による違いと風向による違いを

向差の平均では、RMSVD で２～４m/s、ΔDIR で20～切り分けることが困難である。また、図３は午前中の気70˚ であり、平均的には両観測に大きな差があることが示

球の軌跡が DL 走査範囲に含まれないことや、午後におされた。下層の高度300～800ｍ（DL のレンジビン番号

いても気球は上空に行くほど DL 走査範囲から水平距離２～５）では特に差が大きく、RMSVD は３m/s 以上、が大きく外れていることを示しており、両データの水平

ΔDIR は60˚ 前後である。DL とゾンデを比較した星野 ・方向の観測位置のずれが両データの差を大きくした可能岩渕（2013）では、同高度の RMSVD は1.5～２m/s、性がある。これらの点を明らかにするためには、サンプ

ΔDIR は15～25˚ 程度であり、本研究の結果は特に下層でル数を増やすために様々な卓越風向時の観測を蓄積する

やや差が大きい結果となった。しかし、図４や図５で示ことが必要である。また、DL を２台使用するなどしてされるように、両観測の差の大小には観測事例による違360˚ の PPI 走査を行い、今回扱った180˚ 走査に基づくいが大きい。風速バイアスは個々の事例におけるデータ

データと360˚ 走査に基づくデータを比較して、両者の差のばらつきが大きいが、午前の事例では DL の方がややを把握することも重要であろう。

過大であり、午後は逆に DL の方がやや過小となる傾向

DL とパイバルとの差の大小に影響したと思われるもとなった。風向バイアスについては、午前は大きくばらう一つの要素として、DL データを時間平均した際のサつきも大きいが、午後の多くの事例は DL がパイバルにンプル数が挙げられる。図８が示すように、本研究では対してやや時計回りにずれるものの、その大きさは16方

サンプル数約20で RMSVD が約2.8m/s に収束したが、そ位における１方位分以内に収まっており両者の差は小さ

れでも図４を見ると事例や高度によっては個々のサンプ

かった。

ルのばらつきが大きく、ばらつきが大きいほど DL とパ

このような事例による違いは、何によってもたらされイバルとの差が大きい傾向が見られた。大数の法則に従たと考えられるだろうか。図６で示したように、DL とうとすればサンプル数が増えるほどその平均値は期待値

パイバルの差は風速によってその傾向が異なり、特に風に近づくはずであり、より高い時間分解能の DL 観測を

向の差は風速が４m/s 以上のときに小さかった。今回の実施することで両観測の差を最小化できる可能性がある。

観測期間では、時間とともに観測された気層の平均風速が強くなる傾向にあった。図５と図６の見かけが類似し92地球環境研究，Vol.19（2017）

８ ．まとめ2016年８月４日に埼玉県熊谷市の立正大学熊谷キャン
パス内において、計10回のパイバル観測が実施された。
本研究では、パイバル観測と同時に実施された DL による PPI 観測より自動出力された VAD 水平風推定値に関して、パイバル観測値と比較することでその品質評価を行った。パイバルデータは DL 観測高度に合わせて56秒
移動平均を施すことで厚さ約140ｍの気層平均値を求め、DL データはパイバル通過時刻を中心に10分間の観測値を平均してそれらを比較した。
観測事例全体で見れば、RMSVD で２～４m/s、ΔDIR
で20～70˚ と両者の差は小さいとは言えない。しかし事例ごとの違いが大きく、午前の事例は両者の差が比較的大きい一方、午後の多くの事例については両者の差は小さ
く DL は十分な精度で平均的な風の鉛直分布を捉えていると考えられる。本研究の観測結果からは、風速が約４m/s より大きい事例では両観測の差が小さくなる傾向が見られ、差の大きさと風速との関係が示唆された。風速の違いによる流れの構造の違いが、両観測の風速差に影響を与えている可能性がある。そのほか、風向や DL デー
タのサンプル数との関係も示唆されたが、今回はそれらを実証するための十分なデータが得られていないため、さらなる研究が必要である。
謝辞

環境システム学科の鈴木パーカー明日香助教および岩﨑達哉、上田有佑、藤倉志帆の学部生３名には、パイバル観測に参加 ・ 協力頂いた。また、匿名の査読者には大変有益なコメントを頂いた。ここに記して深謝の意を表します。

参考文献
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93

単一ドップラーライダーによる VAD 水平風推定値の品質評価（渡来・中村・青木）

Quality evaluation of horizontal winds estimated by VAD methodfrom single Doppler lidar―Comparison with pibal winds obtained by double theodolite method―
WATARAI Yasushi ＊ , NAKAMURA Yusuke ＊＊ and AOKI Shota ＊＊＊＊＊Faculty of Geo-environmental Science, Rissho University
Graduate Student, Graduate School of Geo-environmental Science, Rissho University

Abstract:
The simultaneous observation of horizontal wind profiles by the single Doppler lidar and pibal measurements was
performed on August 4, 2016. In order to evaluate the quality of the wind estimated by VAD (Velocity Azimuth
Display) method from the lidar, two kinds of wind data based on separate observations are compared each other.
As a result, the difference of two data is rather large (2 – 4 m/s for a wind speed and 20 – 70˚ for a wind direction)
on a whole. However, it is widely different by observation cases. Especially, two observed values are quite similar
for the cases in the afternoon. The difference of two data is small when the wind speed is more than 4 m/s. Thissuggests that it depends upon the wind speed.
Key words: Doppler lidar, pilot balloon, double theodolite method, horizontal wind94