国立防災科学技術セソター研究報告第9号1974年3月

551，508．77：621．38

トトランジスタによ1る雪面の検出

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木村忠志・清水増治郎

国立防災科学技術セソター雪害実験研究所第2研究室

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論

積雪の深さ計の最重要構成要素となる，確度の高い雪面検出機構として，レーザービームによるものが報告されている（木村，1974a）．これは，He−Neガスレーザーの発生する，細くかつ太陽定数に近い強度の光ビームを，受光面積が光ビームの断面積と同程度のシリコソ光電変換素子で受けるもので，受光素子に小口径のフードをつけ，また小容量の送風機を用いるなどの簡易な処置によって，外光および気象条件の変化から完全に独立した雪面検出動作を実現できる．しかし，この機構を用いて積雪の深さ計を構成する場合には，光ビームとフードの直径が小さいため，投光部と受光部の上下送り機構にきわめて高い精度が要求される（木村，1974b）．それで，より簡易な機構一で積雪の深さ計を実現するために，雪面上下一33一

国立防災科学技術セソター研究報告第9号

1974年3月の照度分布による雪面検出をこころみた．

積雪層内の照度分布については，古くから研究されており，雪面から入射した光は，積雪層内では完全に拡散して，その照度は深さのみの関数であり（大浦，1951b），深さzにおける照度五は，Bouger・Lambertの法則に従っていて雪面での照度をム，係数をリとして，ム＝ムe一で与えられる（たとえば，Me11or，1964）ことが，実測によってたしかめられている（たとえば，工藤，1940）．

一方，雪面上の照度の上向き成分については，鉛直分布を直接測定した例はないようであるが，積雪層の厚さが40mm以上で，積雪層からの反射光の照度が一定値になる（Gid・dingsandLaChape11e，1961）という測定例がある．また，雪面からの反射が，雪面の状態，光の照射角によって影響される（大浦，1951a）など，要するに，雪面上の照度の上向き成分は，積雪層内とは異なった鉛直分布をもち，雪面がその境界になるので，雪面付近の上向き成分照度の鉛直分布（以下，鉛直分布と略記）から雪面を検出することは，原理的に可能である．

2．実験装置
図1に実験装置の略図と測定結果の模式図を示す．鉛直分布は，雪面上10cmから，雪面下20・mまで測定した．測定による積雪層の破壌をできるだけ少なくするために，外径2．0mmの小型フォトトランジスタを，外径4mm，長さ480mmのしんちゅうパイブの先端に，アラルダイトで固定した探針を作り，これを積雪層のなかに鉛直にそう入して測定した．探針の受光角は30。である．

この照度測定深針は，二相可逆電動機，滑車装置および鋼線で構成した上下機構に固定し，野外の場合には約8m離れた位置から操作した．これは，探針から充分はなれていないと，測定者のからだの動きによる付近の照度の不規則な変化が，探針に拾われるためである．作動に伴う上下機構の影の変化は，探針の部分のみであり，測定値に不規則な変動を及ぼすことはない．

探針の操作は，押しボタ：／スイッチ（P．B．）と，逆転スイッチ（Sr）によりなされる．探針の行程は，上限リミットスイッチ（S1）と，下限リミットスイッチ（Sl）によって300mmに定めた．最初探針をS。の位置までひきあげて，深針の先端が雪から10cmの高さになるように，装置の高さを調整したのち，Srを下降にセヅトし，P．B．を短時問押して深針を下降させる．30cm下降するとS。が作動して探針が停止する．次に，S・を上昇にセットし，P．B．を短時間押して，探針を最初の位置まで上昇させる．探針の上昇および下降速度は20mm／sで，1回の測定は32〜33秒で終了する．この速度で雲による日射の変化の影響を，受けることはなかった．

一34一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村・清水

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した．測定の再現性を高くするために，定電圧放電特性をもつ水銀電池をフォトトラソジスタとポテンショメーターの電Y−Ou巾uf源に用いた．

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OEどは，図1の右下の略図に示すような鉛直分布曲線が現われた．この曲線は雪面付

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3．室内実験

図1実験装置の略図と測定結果の模式図

写真1に，低温実験室内に組みたてた実験装置を示す．長さ38cmx幅25cmx高さ35cmの木箱のなかに氷をカソナで削ってつめ，これを2週問放置して作った人エシマリ雪層について実験した．雪面はできるだけ平らにした．また，霧吹きで水をかけて，表面のみザラメ化した場合についても測定した．照明には写真用のブラッドラソプを用い，照射角は37。および62。をとった．照度はスライダックによって加滅した．

深針の上下機構は，長さ77cm×幅9cm×厚さ2cmの2枚の木板を平行に並べ，内側に戸車用のレールをつけたガイドフレームのなかに，両側に4個の戸車をつけた，長さ25cm×幅3cm×厚さ2cmの木のベッドをはめこみ，これを上下に動かすようにしたもので，ベッドに探針の上端を固定した．この上下機構は，かたい雪層の中にも探針をそう入できるよ
うに，機械的強度を充分もたせたので，かなり大型になった．測定値には，装置の影による照度分布の変化も含まれるが，これは一定値であり，分布曲線の形に不規則な変動を及ぼすことはない．

図2に，室内実験で得られたXγレコーダーの記録例を示す．縦軸は照度に比例した電圧で，横軸は探針先端の高さである．深針は，雪面上10・mから下降し，雪面下20・mまでそう入した後，もとの位置まで上昇させ，往復の分布曲線を得た

測定は，しまり雪の雪面とざらめ雪の雪面のそれぞれについて，そう入場所を20mmずつずらして12回ずつ，計24回行ない，1回の測定ごとに，探針の上下を6ラウソドくり返した．1回の測定結果
一35一

国立防災科学技術セソター研究報告第9号

1974年3月

は，図示のように座標軸をずらして，6ラウソド分を1枚の記録紙に記録した．

室内実験で得られた鉛直分布曲線の傾向を，図3に示す．横軸は雪面を基準にした深針の位置で，雪面がゼロ，プラス側が雪面上の高さである．縦軸は照度に比例した量をとった．

鉛直分布曲線は雪面付近に変曲点をもつが，これは雪面と必ずしも一致しない．そこで，雪面を基準にした変曲点の高さは，図中に記入した1〜6項目の要因に影響されると考え，その程度をそれぞれの場合について調べた．これらの要因のうち，1〜3項目は外的要因であり，4と6の項目は実験装置の特性に関するものである．1は雪面および雪面上の雪片の種類で定まる．2は探針の片道行程で得られた照度の最大値と最小値の差で，図3の場合には十10cmと一20cmの照度差になる．3
は雪面への光線の照射角度で，野外では太陽高度になる．室内実験では37。と62。について調べた．4は装置のバックラッシで，装置の構造上，とくに深針上昇時に大きく現われる．5は深針をくり返し上下したときの，積雪層に生じたそう入孔の変形の程度で，ラウソド別に表示した．6は変曲点付近の照度の滅少率であって，これが小さいほど変曲点をよみとりにくくなる．

室内実験の結果を図4に示す．3段にわけて表示した．横軸はくり返しの回数で全体に
写真1実験装置（低温実験室内）共通する．縦軸は各段とも此で，雪面を基

図2Xγレコーダーの記録

一36一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村・清水■

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図3照度鉛直分布の傾向
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図4

室内実験の結果

準としてプラス側が雪面上，マイナス側が雪面下を意味する．

最上段は，資料のすべてを，上昇と下降のみ区別して記入したもので，白丸が上昇時，黒丸が下降時の値である．此の値は，くり返し回数とは無関係に一様に分布し，土4mmの範囲に納まった．しかし，どのラウソドにおいても，上昇時の値の分布範囲が，下降時をうわまわっている．これは装置のバックラッシによるものであろう．

下の2段は雪面の状況と照明の照射角度についてまとめたもので，白丸で人エシマリ雪面，黒丸でザラメ雪面の場合をそれぞれ示した．上段は照射角37。，下段は62oの場合であ一37一国立防災科学技術セソター研究報告
1sfRound

第9号（Down）

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1974年3月

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図5照度差と変曲点の照度減少率の変化（実験室）

る．各ラウソドごとに上昇と下降を分けて記入した．

下の2段のグラフから，ザラメ雪の場合がプラス側にズレている様子が認められ，照射角62。の場合にこの傾向が著しい．この理由として，雪面上の雪粒とその周囲の明暗のコソトラストが，ザラメ雪の場合により大きく，一方，探針の受光角が小さいことが考えられる．

図5は，照度差を横軸にとり，変曲点の照度減少率を縦軸にとって両者の関係を示した．
上段が照射角37。，下段が62。の場合である．いずれも白丸が人エシマリ雪面，黒丸がザラメ雪面の場合である．

図5から，シマリ雪面からの光の散乱が，ザラメ雪面と比較して一様なことがうかがわれる．ザラメ雪面の場合は，照射角37oにおいて照度差が小さく，67。では大きい．そして，照度滅少率はシマリ雪面の場合の1／2である．これは図4で述べた理由と同じ原因によるものであろう．また，照度減少率が最大値の20％以下になって，雪面付近の鉛直分布がかなりダラダラした場合でも，此の値を土4mmの範囲内で定めうることが，この結果から主張できる．

一38一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村・清水

写真2

実験装置（勇駒別）

写真3

探針の先端部（雪面アラレ）

4．野外実験
4．1．勇駒別における野外実験：

1971

年3月27目から4月2日まで，北海道勇駒別（ゆこまんべつ）・白雲荘で野外実験を行なった．実験地は大雪山系旭岳の西側，標高1，080mに位置し，雪片の種類が豊富である．

写真2に実験装置を示す．探針の上下装置は室内実験と同じもので，写真用の大型三脚で固定し，各測定ごとに約0．5mずつ位置を変えた．

写貞3は，雪面上10cmにセットした探針の先端部を示す．このときの雪面は直径3mmぐらいのアラレで，こまかな凹凸がたく
写真4探針の先端部（雪面ザラメ）さんあり，明暗のコソトラストが強い．大雪
片の場合にも同じようにこまかい影がたくさんできる．ふりたての雪面は，ほとんどの場合このような状態を示し，実験室のシマリ雪面とくらべて，はるかに凹凸がはげしい．

一39一

国立防災科学技術セソタr研究報告第9号

1974年3月Y∪k◎mon−befs∪27Morch−2Apri11971

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図6測定ラウソドとκの変化
写真4は表面がザラメ化した雪面の例で，この場合は比較的なめらかであるが，暗い部分が点在している．しかし，ふりたての雪面の場合にくらべて明るさが一様である．

測定は，降雪時と照度変化のはげしいときを除いて，0700〜0900および1300〜1400のそれぞれの時間帯に1回ずつ行なった．図6に，勇駒別で得られたすべての資料について，横軸にラウ：／ド数，縦軸に此をとって，此の分布状態を示した．図中の白丸は深針上昇時の値，黒丸は下降時の値である．白丸の分布が全体として上にズレているのは，装置のバックラッシによるものと考えられる．室内実験の場合にくらべてその程度が大きいのは，装置のガタが輸送中に増加したことに基因している．この報告では，下降時の値のみをとりあつかうことにする．

4．2．勇駒別の実験結果：

図6の黒丸の分布範囲は，雪面を基準として土10mmになっている．これは実験室の結果の約2倍であるが，雪面の凹凸の相違によるものであろう．
この分布状態と，考えられる要因との関係について以下に述べる．

図7に，横軸に照度差，縦軸に変曲点付近の照度滅少率をとって，両者の関係を示した．

各点は図の下段に表示した記号で記入し，雪面上の雪片の種類および状態を区別した．また，各点に添記した数字はラウソドの回数を示す．各記号には，観察されたそれぞれの雪片の大きさを併記した．黒丸印のF1atというのは，写真4のような状態である．黒四角印は黄砂を含んで茶かっ色に着色した雪で，3月30目早朝に降った．この研究では，鉛直分布曲線上の変曲点の検出を主な目的としたので，照射光の照度は測定しなかったが，ザラメ化した雪面と黄砂を合んだ雪面の場合は，快晴時の測定がほとんどであったにもかかわらず，

一40一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村・清水
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照度差と変曲点の照度減少率の変化（勇駒別）照度差が比較的小さくなった．照度差が小さいほど照度減少率も小さくなる傾向は，図5で示した室内実験の結果と同様であるが，各点のバラツキは図7の方がはるかに大きい．そして雪面が平らなほど，雪面上の雪片が小さいほど，平均曲線からのバラツキが小さい．また平均曲線の傾斜も，室内実験の1／3弱になった．ラウソドの効果は図7では判然としない．

図8は，照度差，ラウ1／ド回数，雪面の状態のそれぞれが，の大きさに及ぼす効果を示すもので，横軸に照度差，縦軸に雪面を基準として〃をとり，ラウソド別に6段に分けて表示した．また雪面の状態は図7と同じ記号で区別した．雪片が小さいほど，また雪面が平らなときに，此の絶対値が小さくなる傾向が認められる．ラウソド回数と照度差は，それぞれはっきりした効果をもたない．

図9は図6の黒丸の分布に，午前の測定値にm，午後の測定値にaを添え書きし，また，それぞれの場合の雪質も表示したもので，光の照射角の効果を示す．午前と午後に同じ状態の雪面を測定できたのは，大粒のアラレの場合だけであるが，照射角はκに対して，はっきりした効果を示していない．

一41一

国立防災科学技術セソター研究報告
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図8照度差，ラウソド回数，雪面状態によるκの変fヒ

4．3．嶽における野外実験：

1971年3月20目から28目まで，青森県岩木町嶽温泉で，前節と同様な野外実験を行なった．実験地は岩木山の南ろく冬期間風雪の強いところで積雪層はよくしまっており，アラレまたは，日中解けて夜間に凍結した水板に近い雪面が多く，深針をそう入した穴の変形は少ない．

写真5は実験地の状況である．測定装置は室内実験および勇駒別の場合と同じ寸法と機構のもので，直径5cmの鉄パイプを加工した支柱に固定した．この写真の左側が北になるが，装置の北側の雪面が乱れているのは，支柱を設置する穴を掘ったためで，探針の付近は白然雪面である．装置の操作は，北側に約10mはなれた地点から行なった．

測定は0700〜0830および1300〜1400の各時間帯に1回，それぞれ2ラウソドずつくり返して行ない，探針の下降時の値のみを採用した．

4．4．嶽の実験結果：

図10は横軸に照度差，縦軸に照度減少率をとって，嶽温泉にお一42一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村
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図9

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全体の傾向は勇駒別の場合とほぼ一致するが，ザラメ状の雪面とふりたての雪面の値に大きな相違はない．また，ラウソド回数の効果は全く認められない．

図11は横軸に照度差，縦軸にをとって，の分布範囲を示す．上脚ヰラウンドと，雪面状況を区別し，下段は午前の測定と午後の測定を区別して示した．上脚とついては，各要因と全く関係なく，が土10mmの範囲内に納まっている．下段については，午後の測定値が午前の測定値よりも，やや上方に分布している．これは室内実験におけるザラメ化雪面の結果と一致する．

一43一

国立防災科学技術セソタr研究報告
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万第9号1974年3月

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この雪面検出機構は，測光探針を積雪層内にそう入する必要があるために，完全に非破壌的な雪面検出を行なうことはできない．しかし，雪面にあけられた直径4mm程度の穴は，小量の降雪によってふさがれてしまうので，積雪期においては，探針のそう入孔が大きな測定誤差を生ずることはない．また，融雪期においても，探針のそう入場所を，測定ごとにわずかに移動することによって，そう入口の拡大による誤差をさけることができる．

この雪面検出機構の機械的動作は，探針の上下動のみであるが，等速度で作動させることを必要としない．また上述した実験では，いずれの場合にも装置の鉛直を目分量で定めたが，探針の数度の傾斜は誤差にほとんど関係しないと考えられるので，探針を完全に鉛直に上下させる必要もないことになる．それで，この雪面検出機構によって積雪の深さ計を構成する場合には，機械的構造にあまり高い精度を必要とせず，安価な装置が実現できるであろう．

6．結諭

この研究により，次の事柄が明らかになった．

1．測定装置が示した雪面付近における散乱光上向き成分の鉛直分布は，雪面付近に変曲点をもち，これによって雪面を検出することが可能である．

2．変曲点と雪面の位置の相違は，雪面の雪質によってもっとも大きく左右されるが，測一44一

小型フォトトラソジスタによる雪面の検出一木村・満水
Doke
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図11照度差と〃の変化定条件によらず，雪面を基準にして土10mmの範囲内に，変曲点が位置する．
謝辞

勇駒別の現地入りに際して，北海道教育大学旭川分校地学教室の桜井兼市助教授のお世話になった．また嶽の実験のために，北陸農業試験場農業気象研究室の大沼匡之室長より，Xγレコーダーを借用した．以上をしるして謝意を表明する．

参考文献
1）

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（！973年5月17目原稿受理）

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