第章

4

気象と大気汚染の観測手法の開発

第４章

気象と大気汚染の観測手法の開発 ● 目次

狛江研究所大気科学部

主任研究員

赤井

幸夫

狛江研究所大気科学部

主任研究員

下田

昭郎

４−１

煙突を利用した上層風の観測……………………………………………………………………………………………53

４−２

ドップラーソーダの実用化………………………………………………………………………………………………57

４−３

移動型ラスレーダの開発…………………………………………………………………………………………………64

４−４

ライダー観測４−５まとめ………………………………………………………………………………………………………………71………………………………………………………………………………………………………………………73

赤井 幸夫（1965年入所）
火力、原子力発電所の大気環境保全に係わる気象観測手法に関する研究に従事してきた。
現在は主として、ドップラーソーダやラスレ
ーダなど地上設置型のリモートセンシング気象観測技術に関する研究を行っている。

コラム６

回想−30年前の気象観測………………………………………………………………………………………74

コラム７

大気中に排出された窒素酸化物の行く末を追う ……………………………………………………………75

コラム８

大気汚染物質の高精度・多種同時計測を狙うレーザーレーダ ……………………………………………76

赤井 幸夫（上記掲載）

藤井隆（1987年入所）
狛江研究所電気物理部主任研究員
銅蒸気レーザー用固体電源、半導体レーザ
ーの波長制御技術および波長可変固体レーザーの開発に従事。最近では、多波長差分吸収
レーザーレーダを用いた大気中汚染物質計測を行っている。

52

下田 昭郎（1990年入所）
人工衛星データを用いた温室効果気体濃度の測定手法に関する研究に従事してきた。現
在は、赤外分光法を用いたリモートセンシン
グ手法の開発あるいはライダー観測によるヒートアイランド内エアロゾルの挙動解明等に取り組んでいる。

速水洋（1990年入所）
狛江研究所大気科学部主任研究員
気象学と環境化学の学際分野に携わってきた。現在は、窒素化合物を対象に、現象を目撃しながら（観測）、解析（数値モデル開発）を進めることのできるスケールで調査を進め
ている。

４−１

煙突を利用した上層風の観測
一方、風速計が鉄塔の側面に位置するような風向の場

4-1-1

手引に規定された選択肢

合には、1.3 倍程度まで増速することが示され、鉄塔の影響による風速の増減が野外実測により確認された。

煙突や排気筒から放出される煙やガスの年間平均濃モーゼスの野外実測は、部材で組み立てられた空隙度を求める長期拡散予測計算では、放出口と同等の高のある鉄塔による実験であった。ミシガン大学のギル

さの風速値を用いる必要がある。このため、原子力発

ら ３）は、種々の形状の塔体模型を風洞内に設置し、塔電所の建設地点の多くは、排気筒と同じ高さの気象観

体まわりの気流を測定し、塔体に風向風速計を取り付測鉄塔を建設して風の観測を行っている。火力発電所

けて観測した場合の測定誤差について検討した。対象の建設の場合には、季節ごとに実施した低層ゾンデにとした塔は、鉄塔で空隙のある場合と無い場合や筒状よる上層気象の観測結果から、風速鉛直分布の形状をの１本の煙突である。実験結果からは、１本の煙突に表すの指数などを求めておき、地上高風速計を取り付ける場合、支柱の長さを煙突の直径と10m で通年観測した風速から実煙突高の一年間の風速同じにしても、風速計の位置が塔体の風下となる風向を推定することが多かった。一方、1999 年６月に発行

では、風速の減衰が極めて大きいことが示された。逆された資源エネルギー庁の「発電所に係る環境影響評に風速計の位置が煙突の側面に来るような風向では、

価の手引」 １）には、発電所の設置場所近傍の鉄塔や煙風速は増速することが示され、モーゼスの野外観測と突を利用して測定した風向、風速を使用してもよいと同じ傾向が得られた。

べき法則明記された。そのため、今後は、煙突や排気筒に風向

電力中央研究所では、ポテンシャル流理論の計算と風速計を取り付けて風の観測を行う場合が多くなると火力発電所での実測により、煙突まわりの風速分布を考えられる。電力中央研究所では従来から、煙突に風調べた４）。煙突筒身直径は 4.7m で、筒から最大 9.5m の向風速計を取り付けて風を観測する場合の煙突や構造位置まで種々の方向に９点風速計を設置して、約３ケ物の影響に関する研究や、測定誤差を少なくするため月間の観測を実施した。図 4-1 に実測結果とポテンシャの研究に取り組んできた。

ル流計算結果の例を示す。図には、前述したギルの風洞実験結果から条件の類似した結果を読みとりプロッ

4-1-2

内外の研究例トした。この結果、風速計が煙突の後方に位置する風向（θが 180 度近く）では、実測値は煙突の影響を受けない⒜

煙突が 1 本の場合

流れ（一般流）の風速に対して 0.5 倍近くまで減衰し、塔塔体を利用した風の観測手法に関する研究発表は体の影響が極めて大きいことが示された。また、この1960 年頃から見ることができる。アメリカのアルゴンように影響の大きな風向では、実測と計算結果の乖離

２）

は、火の見櫓の鉄塔を利が大きく、渦無しと仮定したポテンシャル流計算の限用し、鉄塔の下部にプロペラベーン型風向風速計を取界が示された。一方、増速は一般流に対して風速計がり付けて風の観測を行った。この鉄塔から約 50m 離れ

90 度横に位置するよりやや後流域（θが 90 度を超えたあた場所に高さ 5.5m の観測ポールを建て、頂部に突き出たり）に生じている。このことは、ギルが実施した風洞

すように風向風速計を設置した。観測ポールでの風は実験結果と同じであった。筒身側面での増速率は最大塔の影響を受けないため、これと鉄塔の観測値を比較

で約 1.5 倍である。

ヌ国立研究所のモーゼスらした。この結果、風速が弱いほど鉄塔の影響が大きく、以上の実測結果や計算結果から、1 本の煙突に風向風観測ポールでの風速が０〜 1.8m/s で、風速計が鉄塔の速計を取り付けて、風の観測を行う場合の方式が提案

陰になるような風向の場合、鉄塔の観測値は観測ポーされた。

ルの風速に対して 0.55 倍まで減衰することがあった。

①

ギルによる提案

電中研レビュー No.38 ● 53

煙突の側面に来る場合には、両者とも風速が増す。こ

風速比（測器による風速／一般流風速）
2.0
R/D=0.64

れに対して、当研究所の支柱を互いに 90 度方向に出す
実測値

提案では、図 4-2 において、風が図の上から下に吹いた
場合、Ｂの測器は煙突の陰になり風速は減衰し、測器

1.5

Ａは煙突の側面で増速する。実験結果から増速、減速の割合が同程度の大きさであることから、これらの平均値が一般流に近くなって合理的である。しかも、当1.0研究所の提案では、支柱に取り付けた測器が煙突直径の 0.2 倍程度まで煙突に近接した場合においても、一般
0.5

流の風速に対して 20%以下の誤差で観測できる。
ギルによる風洞実験結果ポテンシャル流
計算結果

⒝

0
0

90

180

方位 θ
測器

多筒身集合煙突の場合
大容量火力発電所の煙突は筒身の直径が６ m を超え、しかも複数の煙突を集合させて櫓で支持する構造のものが多い。図 4-3 は実際の煙突の近傍に取り付けた風向Rθ

風速計で、この写真から煙突と測器の大きさが比較で
D

風
（一般流）

きる。このような大きな煙突に風向風速計を取り付けて観測を行う場合の方法について、電力中央研究所は煙突煙突模型を用いた風洞実験、実際の煙突を利用した観測、ポテンシャル流計算により検討を行った ５、６）。風

図4-1

煙突のまわりの風速比

洞実験での検討は近年多くの実施例をみるが、1970 年
代後半当時は、風洞内部に置かれた模型周辺の風向を

ギルは、煙突は風向風速計の取り付け場所としては

定量的に測定することが難しかった。そこで、風洞実不適当であるとしながらも、もし観測を行うなら、煙験結果を参考に、現場実測結果およびポテンシャル流

突直径の３倍の長さの支柱を２本、180 度方向に出し、計算結果により、２本の集合煙突まわりに風向風速計

その先端に風向風速計を取り付け、風向により測定値を３点取り付けて風を観測する方法として以下を提案

を選択して観測することを推奨している。この場合、一般流の風速に対する誤差は最大で 10%程度であると述べている。
②

電力中央研究所の提案：風向風速計

3D

２台の風速計を同一高度に、互いに煙突中心から直角方向の同心円上に設置し、両者の出力の平均値を風速とする。また、風向は風速の高い方の測器による値
とする。

煙突

A

D

ギルの場合、煙突直径の３倍の支柱を設置することは現実には困難である。また、風向風速計が煙突近くBに設置された場合、測器が煙突の風上、風下のどちら

煙突
電力中央研究所による提案にあっても風速は減衰する。つまり、互いに 180 度方向に支柱を出し、測器を取り付けると、支柱方向の風向

ギルによる提案

では、観測された二つの風速は共に減衰している。逆に、支柱の方向と 90 度の風向、つまり２台の風速計が

54

図4-2

ギルおよび電力中央研究所の提案

（Laser Doppler Velocimeter : LDV）が開発され、正確な風向風速が測定できるようになった。ここでは、３筒集合煙突を対象に、風洞内で LDV を用いて模型まわりの気流を計測し、その結果をもとに風の観測を行う方法を提案した当研究所の研究例７）を示す。

⒜

LDV の原理LDV は２対のレーザー光線を交差させるように発信し、その交差部に発生する干渉縞部分にトレーサ粒子を流し、干渉縞の明滅速度が粒子の移動速度、つまり風速に比例していることから、この速度を検出し風速を測定する装置である。トレーサとして水をグリセリ
図4-3 集合煙突の支持部材に取り付けられた風向風速計

ンでコーティングした粒径２〜５μ m 程度の霧をシー
ディングジェネレータにより発生させ、風洞の上流から模型に向けて流す。LDV による１対のレーザー光線した。
「煙突支持鉄塔の 4 角のうち、最も出現頻度の少ないで求められる風速がレーザーの発信方向のベクトル成

風向の角を除く３つの角に風向風速計を設置する。風分である。実際には２対のレーザー光線を直交して発速は３点の瞬時値の合成値（算術平均）、風向は風向変

信させて風のベクトル成分を求める。平均風速はもと動の標準偏差の最も小さい点の観測値を採用する。こより、これまで数値として計測が難しかった風洞内のの観測では、風速は一般風に対して約± 10 〜 15%の誤風向およびその乱れの標準偏差（風向変動幅）も計測可差をもつ。」能である。

この方法は、火力発電所における上層風の観測に使われたことがある。

⒝

実験条件
集合煙突の模型は、風向風速計を取り付ける部分を

4-1-3

風洞実験による近年の研究例

中心に製作し、レイノルズ数や風洞の閉塞率を考慮して縮尺を 1/40 とした８、９）。集合煙突と風向風速計の取前述したように、塔体影響に関する風洞実験は古くり付け部分の概要を図 4-4 に示す。最大３本の筒身とこから行われてきた。しかしながら、従来のサーミスタ

れを支える部材から構成され、模型の筒身の直径は風速計や熱線風速計では、風洞内に置かれた模型まわりの気流の曲がり、すなわち風向やその変動量を定量
高度：180m

的に測ることが難しかった。したがって、風向の測定
は、模型に極細の糸を用いて毛糸やタンポポの冠毛を：風向風速計結び、これが気流になびく様子を風洞上部から写真撮
影して行っていた。また、風向変動幅については、カBAメラのシャッターを開放にして、気流変化で振動する
C

毛糸あるいはタンポポにストロボスコープから間欠的

高度：165mに光をあて、多重露光することにより画像化して解析してきた。しかし、これらの方法では、測定や解析に
煙突支持鉄塔

多くの時間を要し、その割には正確な風向やその変動
22.5m

量が測定できたとは言い難かった。これに対して、近年レーザー光線を用いたレーザードップラー流速計

図4-4

３筒集合煙突への風速計取り付け場所

電中研レビュー No.38 ● 55

⒟0.15m 程度となる。風洞開口面積にしめる模型の断面積

ポテンシャル流による計算結果の割合(閉塞率)は５%程度で、実験条件として妥当であ

図 4-5 には、ポテンシャル流により計算した結果が重る。風洞実験において最も大切なことは、実際の気流

ねて示されている。測定点Ｂについて示したが、風向との相似性をいかに保つかということである。本実験

NNW 付近の煙突後流部の乱れが大きくなるような位置、では、模型表面の粗さやレイノルズ数の相似をはかっつまりポテンシャル流では計算できない渦領域を除き、た。また、風洞風速は測定におよぼす空力的な模型の計算と測定結果はよく一致した。

振動を考慮して８ m/s とした。
⒠
⒞

測定結果

観測方法の提案
煙突まわりの風速分布を見ると、風向が NNE から E

LDV によって煙突模型まわりの気流が風のベクトル

までは、Ａ点の風速の減速とＢ点の風速の増速がほぼ成分として効率よく計測される。また、風洞内で模型同じである。したがって、この方位ではＣ点を除き、を回転させることにより、あらゆる風向に対して実験

Ａ点とＢ点の測定値を平均すればほぼ一般流に近い風ができる。風向別に測定した煙突まわりのＡ、Ｂ、Ｃ

速値が得られる。また、他の風向においても、どれか３箇所（図 4-4）の平均風速を図 4-5 に示す。どの測定点

１台の測器による測定値を除き、残る２台の測定値をにおいても風速が弱くほとんど０ m/s 近くになるのは、

平均することにより一般流に近い風速値が求められる。

その測定点が煙突の風下に位置する場合である。一方、

3 台の測器による測定値から一般流を演算するには、風測定位置が煙突の側面の場合は、風速が最大２割程度

向によって使用する２台の風速計を選択すればよく、増加する。また、煙突の風下では、風向変動幅が極め使用する測器を風向別に決める必要がある。そのためて大きくなった。これらの結果が示すように、個々のには、まず風向を把握する必要がある。風洞実験の結風向風速計による観測値では、ほとんどの方位に対し果、風向の乱れが大きくなる測定点を除く、２つの風て一般流を正しく計測することは難しい。このため、向の測定値を平均するとほぼ一般流の風向と一致した。

煙突に取り付けた３台の風向風速計の出力値を用いて以上から、３筒集合煙突を利用した風向、風速の観測演算処理し、風速の一般流速を推定することとした。

値の誤差を少なくするための補正方法として、以下を

1.4
風洞風速
1.2

風 速 比

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
NNE

NE

ENE

E

ESE

測定点Ａ

図4-5

56

SE

SSE

測定点Ｂ

S

SSW

風

向

SW

WSW

測定点Ｃ

W

WNW

NW

NNW

ポテンシャル流計算Ｂ点

３筒集合煙突のまわりに設置した風速計による風向別風速比N

提案した。
⑴

風向風速計 A

風向変動幅が最大となる測器を除く、２台の風向風向風速計 B

風向風速計 C

風速計のデータからベクトル平均風向を 16 方位単位
で求め、これを風向出力とする。
⑵

風向変動幅σθの最大値を出力する測器を除く２台の風向風速計を選択する。

風洞実験により決めた測器選択表から、当該風向に対する２台の風向風速計を選択し、ベクトル平均

風向のベクトル平均値を算出する。

風速を演算し、これを風速出力とする。

風向出力

この手法のフローを図 4-6 に示す。本手法による風向、風向により３台の内、増速側と減速側の２台の風向風速計を選択する。

風速の測定誤差は煙突の数に拘わらず± 10%以内である。
本手法により取得された上層風データが、火力発電所

風速のベクトル平均値を演算する。

の環境影響調査に活用されたことがある。

図4-6

風速出力

煙突に取り付けた風向風速計による観測ブロックダイアグラム

４−２

ドップラーソーダの実用化なかったり、様々な制約を受ける。

4-2-1

鉄塔による気象観測の問題点

一方、近年、上層気象のリモートセンシング技術の開発が急速に進歩し、その適用により上記問題点の改排煙、排ガスの拡散状態は、拡散場の風向、風速、善が期待された。電力中央研究所は、音波探査による

大気安定度等の気象条件によって変わる。大気環境影

大気観測技術の開発に率先して取り組み、電気事業に

響評価では、原子力施設の場合、「発電用原子炉施設のおけるドップラーソーダによる上層風観測技術の実用

安全解析に関する気象指針」10）（気象指針）により気象化を推進した。

観測の項目、方法が定められており、火力発電所においても気象指針を参考にしてほぼ同様の観測が実施さ

4-2-2

ソーダの開発れている。これらの観測項目のうち、上層風の観測は、気象観測鉄塔や低層ゾンデにより実施されてきたが、以下に示すように改善の余地があった。

⒜

ソーダの誕生ソーダ（Sound Detection and Ranging: Sodar）は、音⑴

観測鉄塔の建設には多大な費用を要する。

波を上空に送信し、上空大気からの散乱波を受信、処⑵鉄塔を利用した風の測定値には、塔体の影響によ理して、大気現象を把握する装置である。音波レーダる誤差が含まれる場合がある。
⑶⑷

低層ゾンデによる観測は、降雨、降雪、霧によっ

リア WRE（Weapons Research Establishment）のマッて妨げられる。また、自動化されていないために連

ク・アリスター 11）によって 1968 年に発表された論文に続観測が困難である。

より、世界の注目を集めることになった。当時の装置

低層ゾンデは上空の風に流され、本来測定したい
地点真上の気象を観測できない。

⑸（Acoustic Radar）とも呼ばれる。ソーダは、オーストラ

低層ゾンデによる観測は航空法による規制を受け、航空機の飛行経路にあたる地点での観測は許可されはコーン型スピーカ（開口径８インチ）を 196 個使用し、音波の送信機と上空からの散乱音波の受信機を兼用していた点が特徴である。送信周波数 900Hz、送信出力500W で動作した。マック・アリスター は、ソーダに

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よるエコーパタン画像に示された高さ約 900m の横帯状による大気境界層の研究を行っている。シンガルら 16）のエコーが逆転層によって生じたものであると発表しはソーダを大気拡散評価へ適用するため、エコーパタ

た。

ンとパスキルの大気安定度との比較検討を行った。彼
らはエコーパタンを細かく区分し、地表付近で観測さ⒝

ソーダの測定原理

れた風向変動幅およびパスキル安定度によって分類しソーダの理論的な検討に関する論文を、前述のマッた。シンガルは、大気汚染を悪化させる要因の一つでク・アリスターら 12）とアメリカ海洋大気局（National

ある強い安定層がソーダによって簡便に観測できるこ

Oceanic and Atmospheric Administration: NOAA）のとから、ソーダは大気汚染研究に有用な装置であると

リトル

13）

が、アメリカ電気電子学会の 1969 年４月号に評価している。さらに、ゲラら 17）は地表付近の気温と同時に発表していることは興味深い。両者とも共通し

ラジオゾンデを用いた上空気温の観測データによって、て、ロシアのカリストラトバ 14）による研究成果を引用

安定度指標としてよく用いられているバルクリチャー

し、大気からの音波散乱強度を表す式を示した。それ

ドソン数とエコーパタンとの比較を行い、両者の間にによると、大気中を伝搬する音波は、大気の温度およ

よい相関があることを示した。

び風の変動により四方八方に散らばり、地上から上空に送信した音波の一部が地上に戻ってくる。その際、⒟

電力中央研究所の取り組み

音波を送信した方向と 180 度逆方向への散乱音波、すなソーダ開発に関する情報が広がりつつあった 1970 年

わち音波の後方散乱波は、大気の温度変動のみによっ

代のわが国は、産業の発展が著しく、工場排煙によるて生じることが示された。音波散乱を生じさせる大気

大気汚染の対策が真剣に検討された時期であった。電の変動量は構造関数と呼ばれるが、温度構造関数は、

気事業においては、大気汚染対策の一環として、電力ある距離離れた２点間の温度変動の分散で距離の 2/3 乗中央研究所を中心に火力発電所周辺で拡散実験が盛んに反比例して大きくなる。ソーダによる観測では、上に実施された。この中で、多くの人手を必要とするラ

空からの散乱音波の強さを時系列的に画像化し、描かジオゾンデや係留気球により、汚染物質の地上濃度をれた画像の変化傾向から大気の状態を把握する。明確高めるといわれる気温逆転層の観測が数多く行われた。

に区別される画像のパタンは、横帯状のパタンと鋸状

当研究所は、地上に設置した装置によって簡便に上空のパタンであり、前者は安定な大気の場に出現し、逆の逆転層が把握できるソーダについて、内外の開発動

転層高度とよく対応する。一方、鋸状のエコーパタン

向を注目し、1976 年に試作機を作った 18）。

は不安定な大気の場に出現する。

試作機はマック・アリスターが発表したものと同様にコーン型のスピーカを用い、これを直線状に配置し⒞

ソーダの実用化たいわゆるトールボーイ型と呼ばれる音響送信機を持

マック・アリスターやリトルの論文発表を受けて、ち、散乱音波はアルミニウムのパラボラ反射鏡で集音

いち早く情報を入手した郵政省電波研究所（現在の通信するものであった。受信エコーの記録は、ブラウン管総合研究所）は、対流圏下部の電波伝搬におよぼす気象の蛍光面の残光特性を利用したストレージオシロスコ

構造探査を目的として、1969 年にソーダの開発調査にープを用いて行った。

着手した。福島が小金井市の電波研究所構内に製作しその後、当研究所は、メーカと共同でソーダの開発た音波送受信用のパラボラアンテナは、開口部の直径を行い、電力中央研究所狛江研究所（東京都狛江市）のが 16m のコンクリート製で、音波用としてはおそらく構内や火力発電所においてエコーパタン観測を実施し、世界最大級のものである。福島

15）

はこのアンテナを使ソーダによる逆転層観測手法の開発を進めた。さらに、ったソーダにより、典型的なエコーパタンを観測し、ソーダ観測によるエコーパタンの分類を行い、ほとん

マック・アリスター が発表したエコーパタンを用いた

どのエコーを接地型、上層型、サーマルプルーム型、

大気構造探査に関する可能性を確認した。

ブレーキングウェーブ型に区分することができた。まインドのシンガルは、一貫してソーダエコーパタン

58

た、火力発電所構内における約 2 ケ月間のエコーパタン

の連続観測結果と高さ 200m の煙突を利用した気温差の当研究所がソーダにより観測したエコーパタンと気温観測結果を比較し、サーマルプルーム型のエコーはほ

鉛直分布の関係を示す。ここで示されるように、逆転層

とんどの場合、空気塊の動きが活発になる大気が不安（下図の囲い込み領域）と層状エコー（上図の白い帯状の定の時に出現し、層状型や接地型のエコーは空気塊の領域）がよい対応で出現している。このようなエコーパ

動きが抑えられる安定や逆転層の大気に対応して出現

タンによる逆転層の観測により、大気境界層の実態がすることを明らかにし、マック・アリスター の結果を容易に把握できるようになった。

追認した 19）。興味深い結果として、火力発電所で観測4-2-3した層状エコーが、排煙そのものによる音波の反射によって発生するエコーであることを明らかにした

ドップラーソーダの開発

20）。

つまり、通常ほとんど目でみることができない煙の上
昇高さを知りたい場合にソーダを活用できる。図 4-7 に⒜

ドップラーソーダの誕生
ドップラーソーダは、ソーダによる受信信号を周波ソーダによる層状エコー
800

400

200

0

1/10
（℃）

高度（m）

高度（m）

600

13

12:10

14

15

時刻（時）
ラスレーダによって観測した上空温度と逆転層

図4-7

ソーダによる層状エコーと気温逆転層の対応

電中研レビュー No.38 ● 59

数解析し、上空大気の移動（風）によるドップラー効果研究としてあげられるのが、各社のドップラーソーダ

によって変化した周波数を検出して、上空の風を観測を一堂に集め、気象観測鉄塔に設置された風向風速計する装置である。音波の送信方向を短時間に変化させ、との比較観測を 10 年間に 6 回実施し、その結果を公表

それぞれの方向の風ベクトル成分を合成し、通常の風した点である。1979 年の第１回目の観測では、風向風向風速計で測るように風向、風速を出力させることが速計や温度計など多数の気象観測装置を取り付けたコできる。しかも、音波パルス送信後、連続した音波がロラド州ボルダーの高さ 300m の気象観測（Boulder

受信されるため、１回の音波の送信で複数高度の風速、

Atmospheric Observatory : BAO）鉄塔を利用して、各すなわち風速鉛直分布を観測することができる。

種気象観測装置の比較が行われた 23）。比較された測器

マック・アリスターが 1968 年に歴史的なソーダに関は、超音波風向風速計やベーン型風向風速計など 20 機する論文を発表した３年後に、アメリカ海洋大気局

種以上に達し、その中にアメリカ・エアロバイロメン

NOAA のビーランら 21）が、ドップラーソーダの開発にト社、スウェーデン・センシトロン社などのドップラ関する論文を発表した。開発当初のシステムはソーダ

ーソーダが 5 機種含まれていた。この最初の比較観測でを発展させたもので、鉛直風速を観測する装置であっは、ドップラーソーダが開発途上で観測に不慣れだった。その後、ビーランはバイスタティック型と呼ばれたこともあって、鉄塔との比較でかなりばらつきがみるドップラーソーダを開発した。バイスタティック型

られた 24）。これに対してメーカから、他社の装置の発は、音波を鉛直上方に送信し、上空からの散乱波を送信音による妨害のためというコメントがあった。

信アンテナから離して設置した２台の受信アンテナで

NOAA は、1980 年に追加観測を実施した。この時に受け、受信波のドップラー解析により風ベクトルを観試験されたフランス・ベルティン社のモノスタティック

測するものである。ビーランら 22）は空港などで観測を型ドップラーソーダに対して高い評価が寄せられた 25）。

行い、係留気球に搭載した風速計との比較から、ドッ

ベルティン社はその後レムテック社と改名し、モノスタ

プラーソーダによって従来の風向風速計による観測値

ティック型ドップラーソーダの販売で世界的にシェアをと同等の値が得られることを示した。一方、モノスタ

拡大していくこととなった。1988 年の観測では、アメティック型ドップラーソーダは、３台の音波送受信ア

リカ・ゾンダーと日本のカイジョーによってフェーズド

ンテナを１箇所に設置し、１台からは鉛直上方、他の 2アレイ型のアンテナを持つ新型の装置が試験された 26）。

台からは斜め上方に音波を送信し、それぞれのアンテ

以上述べた BAO 鉄塔とドップラーソーダによる比較

ナにおいて受信を行う。現在実用化されているドップ観測において、NOAA は平均風向、風速の測定能力にラーソーダはほとんどがモノスタティック型であるが、関して常にドップラーソーダを前向きに評価した。ここれはアンテナの設置が一箇所ですむことが一因であれらの結果が評価され、ドップラーソーダは世界に普る。

及していった。なお、気象観測鉄塔とドップラーソー

近年、フェーズドアレイ型のドップラーソーダ（図 4-

ダの比較観測は、ドイツ・カールスルーエ原子力研究

11 でトラック運転席の屋根に写っている）が開発されてセンター 27）やアメリカの North East Utilities28）でも行いる。これは、小型のスピーカを多数並べ、入力する

われた。いずれもドップラーソーダの実用性が評価さ

信号を操作し、音波の送信方向をコントロールする方れた。これらの比較観測について、1997 年に NOAA の式である。フェーズドアレイ型のドップラーソーダのクレセンティ 29）は、「ドップラーソーダの比較研究の 20

風を測る原理はモノスタティック型と同じである。

年を振り返って」という論文を発表している。そのまとめで、ドップラーソーダは平均風向、風速を測る装⒝

アメリカ海洋大気局（NOAA）の貢献

置としては十分に満足できると述べている。なお、約NOAA がドップラーソーダの開発および実用化に果

20 年前の 1978 年には、NOAA のブラウンとホール 30）

たした役割は大きい。ソーダを開発したビーランを始が、それまでのソーダに関する研究のレビューを行い、め多くの研究者によって、ドップラーソーダの理論的300 を超える論文を紹介して話題となった。このように考察や実験的検討が行われた。特に、NOAA の重要な

NOAA がソーダの研究開発に果たした役割は極めて大

60

きい。

ンドはこの気温減率とドップラーソーダのσ w を関係
づけ、原子力発電所における大気拡散評価に適用した。

⒞

ドップラーソーダの実用化
アメリカでは原子力発電所の緊急時における大気拡

4-2-4

わが国の電気事業における研究開発

散の実時間予測に、ドップラーソーダで観測された風が利用されている。スーリアー 31）はサンフランシスコ⒜

実用化研究に至るまでとロスアンジェルスのほぼ中間に位置する PG&E 社

1978 年にアメリカ製バイスタティック型ドップラー（Pacific Gas & Electric Co.）のダイアブロキャニオン原

ソーダのゾンダーが商社によってわが国に輸入され、子力発電所（PWR100 万 kW × 2 基、排気筒高さ 76m）を

筑波の気象研究所構内において公開実験が行われ、多対象に、緊急時の風の実時間予測を行った。風の実時

くの気象研究者らがその存在を知ることとなった。電間 予 測 は 、 ア メ リ カ 原 子 力 規 制 委 員 会（ N u c l e a r

力中央研究所では既にソーダを所有し、逆転層など大Regulatory Commission : NRC）
および連邦緊急事態管

気成層の観測手法の開発に取り組んでいたが、1979 年

理庁（Federal Emergency Management Agency :にはわが国で初めてバイスタティック型ドップラーソ

FEMA）からの要請に応えたものである。PG&E 社ではーダを導入した。そして、地上からリモートセンシン

当初、気象観測鉄塔の風を用いて拡散予測を行っていグによって上空の風が測れる特長を活かし、火力や原たが、地形が複雑なため、大気拡散がうまく説明でき

子力発電所など多くの地点で、煙突に取り付けた風向なかった。そこで、発電所構内に１台、発電所から約

風速計のデータの妥当性確認、拡散実験時の気象観測 33）、10km 地点に２台設置した合計３台のドップラーソーダ

上層大気の乱流計測 34）などに積極的に活用した。また、により風を観測し、大きな空間の気象変化の把握に努

発電所構内での連続観測結果にもとづく装置の性能評めた。

価結果もまとめた 35）。以上から、当研究所はドップラ

フランス電力公社（Electricite′de France: EDF）では1979 年以来、ドップラーソーダで観測した風向、風速、
鉛直風速の乱れ、エコー強度の鉛直分布を利用した大気拡散の予測手法を実用化している

32）。EDF のグランーソーダは気象観測に実用的な装置であると結論を下した 36）。
1979 年に当研究所がドップラーソーダを導入し、その観測結果などが研究報告書、学会などで公開され、ドがドップラーソーダの長所として、まずあげたのは電気事業者内で徐々に注目を集めるようになった。ま

コスト面である。彼は 500m 上空までの風向、風速の鉛

た、当研究所以外でも気象研究所 37）や京都大学 38）で研直分布、鉛直方向の熱的構造や乱れの情報がルーチン究が進められた。さらに、NOAA の成果などが電気事観測できる最も安い気象観測法であると述べた。また、業関係者の目に触れるようになった。これらを背景に、90%以上の稼働率やデータ取得率は十分に満足できるも1989 年に電力中央研究所を中心に電力共通研究として、のと考えている。グランドは、エコー強度と気温鉛直

ドップラーソーダの実用化研究が始まった。以下にそ分布の関係を調べ、ソーダのエコーパタン画像解析にの概要を示す。

より、逆転層が確実に観測できることを報告した。さわが国の原子力発電所では、大気環境保全や緊急時らに、鉛直風速の乱れ（σ w）の日変化に注目し、大気安の対策として、上空の気象観測が発電所構内に建てら定度を次のように分類した。

れた気象観測鉄塔などを利用して常時行われている。

σ w<45cm/s ：安定

ドップラーソーダによる観測は、気象観測鉄塔などを

σ w>45cm/s ：中立または不安定用いた従来の観測方法に比べ、人手の削減と鉄塔建設

この分類の妥当性は、気温勾配から得られる大気安が不要になることから大幅なコスト削減が期待された。

定度との比較により確認された。なお、後年、グラン実用化研究では、国産のドップラーソーダ（カイジョドより当研究所にこの境界のσ w 値を修正する旨の連ー AR-410 型）が評価対象として選択された。AR-410 型

絡があった。NRC の指針では、パスキル安定度を気温

ドップラーソーダについては、伊藤ら 39）により開発経鉛直分布の傾き（気温減率）から分類しているが、グラ過などが気象学会誌に発表され、とかくブラックボッ

電中研レビュー No.38 ● 61

クス的といわれる海外の製品に比べ、動作条件等がす⑶

べて公開された装置であった。以下にその測定方式を
示す。

風速の演算
１台のアンテナによる音波送受信で得られたドップ

ラーシフト周波数、送信周波数および音速から一次速度が求められる。この一次速度は音波送信方向の風速⑴

ドップラー周波数算出成分であるため、音波送信方向の角度から水平風速に

上空からの音波散乱信号は、時間的に連続して受信換算される。さらに他の２方向に送信された音波によされ、コンピュータによりデジタル化される。したがる風速成分をベクトル合成し、いわゆる風向、風速がって、音波送信後から散乱波が受信されるまでの時間求められる。また、１回ごとの音波送受信により観測と音速を与えれば、一定の幅を持つが任意の高度の信された風速から、風速変動と風向変動の標準偏差が計

号を切り出すことができる。この切り出された信号に算される。

対してファーストフーリエ変換（FFT）を用いて周波数解析すると、その高度の周波数スペクトルが得られる。

⒝

実証試験と指針、手引での採用

もしドップラー効果が起こっていなければ、スペクト

AR-410 型ドップラーソーダを原子力発電所構内に設

ルピークは送信周波数と同一周波数の位置に生じる。

置し、気象指針に沿った風の観測が可能かどうかを実

静穏時を除けば、通常大気は移動しており、そこから証するために、1 年間にわたる連続観測を実施した。発の散乱音波はドップラー効果により周波数が変化する

電所構内に設置されたドップラーソーダを図 4-8 に示す。

ため、スペクトルピークは送信周波数とは異なる位置

発電所構内の気象観測鉄塔に取り付けた超音波風向風に生じる。スペクトルが最大となる周波数をはさむ前速計との比較結果から、図 4-9 に示すように、上層の風後合計５点のスペクトルの重心位置を示す周波数をド速値によい相関が得られた。また、年間の欠測率はップラー周波数とする。このドップラー周波数から計1.3%で気象指針に定められた値 10%を下回った。実証試

算される速度がドップラー速度となる。

験では、ドップラーソーダの欠測や異常値の出現要因等についても検討を加え、ドップラーソーダの上層風⑵

スペクトル信頼度の判定観測装置としての実用性を評価した 40、41）。その後、本ドップラーソーダから発信される音の周波数は 1000

研究成果にもとづくドップラーソーダ導入の検討が電〜 3000Hz 程度の可聴音波である。したがって、周辺か

気事業大で進められ、1994 年に改訂された気象指針 10）

らこの音域の音がドップラーソーダアンテナから取りで、原子力発電所における風向風速観測装置として採込まれるとノイズとなり、FFT スペクトルの一つのピ用された。現在、わが国の多くの原子力発電所においーク周波数が得られず、フラットな形状のスペクトルあるいは複数のピークスペクトルが出現する場合がある。このように一つのスペクトルピークが出現しない
場合には、風速のスペクトルの推定が困難となるため、スペクトル密度の最大値と前後２点ずつの周波数のス
ペクトル密度との比率を把握し、この値がある基準を超えない場合には、ドップラー速度の計算に使わないで棄却する。さらに、この棄却された数が 10 分間に一
定数以上あった場合には、その 10 分間測定値を欠測としている。このように、ドップラーソーダの観測では、周辺からのノイズの混入により欠測となる場合があることを念頭に置く必要がある。ノイズ発生の原因として、降雨、強風、周辺の車両による騒音、工事騒音などが考えられる。

62

図4-8

原子力発電所構内で実用化試験中のドップラーソーダ

30
：無降水時

ドップラーソーダによる風速（m/s）

：降水時

20

10

高度 100 m
データ数：N＝8108
回帰式：Y＝1.07X−0.16
相関係数：R2＝0.93

0
0

10

20

30

気象観測鉄塔による風速（m/s）

図4-9ドップラーソーダと気象観測鉄塔による風速の比較（毎正時値、年間）て、ドップラーソーダによる上層風の観測が行われてける研究成果などから、ドップラーソーダによる風向、いる。

風速の平均値の観測手法については実用化された。さ一方、火力発電所の環境影響評価の場合には、1999

らに、測器開発の面では、フェーズドアレイ型の小型

年６月に発行された資源エネルギー庁の発電所に係るアンテナを持つミニソーダが開発されるなどの進歩が環境影響評価の手引１）で、「発電所の設置の場所近傍の見られる 42）。

鉄塔、煙突等において、またはドップラーソーダ等にドップラーソーダをさらに活用するために、今後の研よる通年の上層気象観測が行われている場合は、上層究課題として、平均風速だけでなく、変動成分まで観測

拡散場の風向、風速としてこれを使用することができする手法を開発することがあげられる。風速や風向の変る」と明記され、ドップラーソーダの使用が認められ

動は、煙の拡散幅と直接的に結びつく量であり、これがた。

ドップラーソーダによって観測可能であれば、大気拡散評価にもたらす効果は大きい。フランスの EDF は、既⒞

将来の研究開発
以上、ドップラーソーダの実用化に関する技術開発

動向について述べた。NOAA やわが国の電気事業におに鉛直風速の乱れを大気拡散評価に用いているが、水平
風速の乱れや風向変動幅については、超音波風向風速計の観測値との乖離が問題となっている 43）。

電中研レビュー No.38 ● 63

４−３

移動型ラスレーダの開発
パルスではなく連続して送信して、そこに音波パルス

4-3-1

音波と電波を利用するラスを発信させる方式である。以上の論文発表を契機に、
ラスレーダの開発が各国の研究者により行われるよう

熱的に中立な大気では、高度が 100m 上昇するごとにになった。

約 1 ℃気温が下がる。逆転層と呼ばれる大気は、上空ほ

イタリアでは、イタリア電力公社（ENEL、現在は株

ど気温が高くなり強い安定状態を示す。また、高度と式会社の ENEL S.p.A.）とトリノ大学が共同してラスレ

ともに気温が低減する割合が１℃より大きい場合は、ーダの開発を進め、ミラノ近郊の Turbigo 火力発電所

不安定な大気と呼ばれる。気温勾配と煙の拡散状態はや PO Valley において観測を行った 46）。ENEL のラス

密接に関連している。例えば、上層に逆転層があり、レーダは Metric 型ラスレーダと呼ばれ、音波の波長が下層が不安定な状態では、煙は上方への拡散が抑えら

約１ m（周波数約 340Hz）の比較的低周波信号を用いる

れ、地上に降りてきて高濃度をもたらすことがある。

も の で あ る 。 対 応 す る 電 波 の 波 長 は 2 m（ 周 波 数 ：

従来、気温鉛直分布は、鉄塔に温度計を取り付けて観150MHz）となる。ENEL のラスレーダによる上空の気測するか、風船に低層ゾンデを取り付けて上空に飛ば温観測結果とラジオゾンデによる結果はよい相関があして観測している。しかし、これらの方法は経費や人る 47）。また、電波の受信強度は送信音波の周波数によ手がかかるため、リモートセンシングによって観測すって変化することが理論的に明らかにされているが、るための研究が進められてきた。現在、上空の温度を

このことの確認や混合層高さの日変化の観測が行われ

地 上 か ら 遠 隔 探 査 す る 唯 一 の 方 法 は 、 ラ ス（ R a d i o

た。ENEL では、Turbigo 火力発電所周辺の大気環境保Acoustic Sounding System : RASS）レーダによるもの

全のために、発電プラントの運転コントロールをラスである。ラスレーダは音波と電波を組み合わせた観測

レーダやドップラーソーダの観測データを用いて行っ装置である。電力中央研究所では、近年、都市上空のている 48）。

温度を移動しながら観測することができる移動型ラス

わが国では、郵政省電波研究所（現在の通信総合研究

レーダを内外に先駆けて実用化し、都市域における環所）の福島 49）によって、1977 年にラスレーダの開発が開境影響評価手法の開発に活用している。

始された。福島は 1979 年に日本気象学会春期大会において、ラスレーダ開発の第一報を講演した。上空の気

4-3-2

ラスレーダの開発経緯

温がプローブ等を一切使用せずに、地上から非接触で観測できるということに注目が集まった。その後、ラ1972 年にアメリカ・スタンフォード大学のマーシャ

スレーダと低層ゾンデによる観測結果はよく一致する

ルら 44）は、周波数 85Hz のパルス音波を 36.8MHz のパことを報告した 50）。福島は、電波を連続して送受信す

ルスドップラーレーダの電波によって追跡し、音波面る CW（Continuous Wave）型のドップラーレーダを用から反射した電波を受信して音速を計測し、それからいて、音波を追跡する方式を採用した。ラスレーダを

上空の温度を観測できるという論文を発表した。マー開発する上での問題点は、送信音波が上空の風下に流シャルらはその論文の中で、送信した音波の２倍の波され、反射電波が受信機の設置場所に到達しないこと

長の電波を送信した場合に反射強度が最大となる、いであった。これを解決するために、電波研究所の松浦

わゆるブラッグ条件を満たすことが重要であると指摘

ら 51）は、音波および電波の送信アンテナを複数台使用した。同じスタンフォード大学のノースら 45）は、装置

したラスレーダを開発した。これは、風向変化に応じのブロックダイアグラムを示し、ラスレーダが比較的て音波の送信位置を常に風上になるように変化させ、簡単な装置により構成されていることを伝えた。ノー電波が多数配置した受信アンテナに到達するようにしスのラスレーダはマーシャルのものと異なり、電波をたものである。このような方式のラスレーダは、電波64

の受信位置が上空の風向、風速に依存していることかの伝搬速度を電波のドップラーレーダにより計測し、ら、風向、風速も測定できる。

これから音波の伝搬速度を決めている気温を算出する

電力中央研究所では、1986 年に郵政省方式のラスレ装置である。大気中を進行する音波の伝播部分は、空ーダを導入し、観測データの評価を行った。当研究所

気の圧縮、膨張が繰り返され、空気密度の粗密が生じの装置は音波周波数が約 1kHz、電波周波数が 400MHzている。空気密度の変化は、電波伝播に対する大気屈で、図 4-10 に示すように送信音波アンテナが４台、直折率を変化させ、音波波面に入射した電波はわずかな

径 1.8m の電波アンテナが 40 台からなる大型のものであがら反射する。また、音波面からの反射電波は、音波った。これは、上空の風で音波が風下方向に流され、の移動速度によるドップラー効果によって周波数がず

電波受信位置が変化しても複数の受信アンテナで受信れ、地上の受信機で受信した上空からの反射電波を解できること、また、風向が変化した場合には、電波受

析すればドップラー速度、つまり音速が求まる。音速

信アンテナが音波アンテナの風下に位置するように音は、大気温度の関数であるため気温に換算することが波アンテナを切り替えられるように設計したためであできる。

る。一般にラスレーダの問題点は、強風時に音波の波

上空に送信した音波に電波を入射した際、電波が反面が風下に流され、電波受信位置が変化することから射する強さを表す重要な関係がある。マーシャルが示生ずる観測高度の低下である。大型の当研究所の装置したブラッグの定理は、音波の波長に対して、これにでは、風速５ m/s 程度における高度 300m までの気温鉛作用する電波の波長が２倍のときに個々の波からの反直分布データ取得率は約 80%であった。当研究所は、鉄射電波が同位相で積算されるため、反射される電波が塔に取り付けた温度計との比較を行い、良好な相関関最大になるというものである。このブラッグ条件は比係を確かめた。これにより、従来、鉄塔や低層ゾンデ

較的敏感で、実際の装置の動作では重要なポイントとにより行ってきた上空温度の観測が、音波と電波を利なる。特にラスレーダを自動運転する場合、送信する用したリモートセンシング機器によって可能であるこ

音波周波数をどのように決めるかが課題となる。当研とを示した 52）。

究所の従来の装置では、地上付近の気温を温度計により測定し、これに対応した音速と電波の波長の 1/2 とな

4-3-3

ラスレーダの動作原理

る音波の波長をなす音波周波数でまず送信する。次に上空の気温を想定し、これに対応した周波数の音波を

大気中を進行する音波の伝播速度は、気温の平方根

約 100ms 後に送信する。このように、地上付近から上に比例する。ラスレーダは、鉛直上方に送信した音波

空 700m 程度までの観測を行うのに、2 つの周波数の音

図4-10

大型ラスレーダのアンテナ（当研究所 赤城試験センター）

電中研レビュー No.38 ● 65

波を用いている 52）。ENEL の Turbigo 発電所に設置された METRIC 型ラスレーダの場合にも、同様に地上の気温を測定し、送信音波周波数を決定している。しかし、この方法の場合、地上付近で測られた温度により計算される音波周波数が必ずしも上空のブラッグ条件を満足していないことから、解析に十分な大きさの電波を受信できないことがある。したがって、最初に送信した周波数を基準に、周波数を少しずつ変化させて音波を発信し、受信信号が最も大きくなる周波数を探すという操作が必要となり、温度データが観測されるまで数分から 10 分程度の時間がかかった。

4-3-4

移動型ラスレーダの開発

電力中央研究所では都市域における環境影響評価手法開発の一環として、建物まわりやヒートアイランド
発生時の大気拡散現象について研究を進めている。既に述べたように、大気拡散と気温勾配には密接な関連があるため、都市域においても気温鉛直分布を観測す

図4-11

移動型ラスレーダによる都市域での観測状況

ることが重要である。しかも、様々な形状の都市建造物のことを考えると、都市域のいろいろな場所で気温の全長は約７ m で、移動の容易性を考慮するとこの大

鉛直分布の観測を行えることが望ましい。そこで、当きさが最大と考えられる。移動型ラスレーダに関して研究所は移動型ラスレーダを開発することにした。

は、近年 ENEL が大学と共同開発した Decimetric 型ララスレーダは風が強いと観測高度が低下するが、ヒスレーダがある。この装置の全長は 12m あるが、彼ら

ートアイランドは風が弱い静穏時に発生する場合が多はこれをトレーラーに積載して移動観測できると報告

い 53）。このため、ラスレーダを風速約２ m/s 以下の静している 55）。

穏時あるいは弱風時に用いることとし、アンテナの数を削減して４トントラックに積載して観測できるよう⒝

有害電波対策に改造した。改造にあたっては、事前に大型ラスレー

移動型ラスレーダ構築に際しては、送受信電波アン

ダをアンテナの接続数を削減して動作させ、観測精度

テナの周囲に電波吸収体を設置することにより、有害や観測高度について小型化するためのデータを取得し電波を低減させた。ラスレーダを広い敷地に設置して

54）

た

。

観測する場合、装置の周囲に電波を反射するものがほ
とんどないため、有害電波対策は必要ない。ところが、⒜

移動の容易性ラスレーダを車に積載して動作させる場合には、車を移動型ラスレーダは、直径 1.1m、高さ２ｍの音波ア構成する鉄板などから電波の直接反射があり、計測に

ンテナ 1 台、直径 1.8m の電波パラボラアンテナ２台か悪影響をおよぼすことが予想された。また、都市域でらなり、420.001MHz で動作する CW ドップラーレーダ、は観測場所周囲に多数の建物が存在し、そこからの反データ処理システム、電源装置などで構成される。こ射電波の影響がある。そこで、電波アンテナの側面周

れらのすべての機器を４トントラックに積載し、移動囲に電波吸収体を設置し、 送信電波が横方向に発射さした場所で観測できるようにした。東京都内で観測中れることを防ぐとともに、横方向からの電波の受信をの移動型ラスレーダを図 4-11 に示す。ラスレーダ装置

防いだ。

66

電波吸収体には、フェライトを焼き固めた磁性材料 56）が瞬時値として用いられている。したがって、本移動を用いた。これは、電波アンテナの特性を計測する場

型ラスレーダの OSAP モードによる温度観測値につい合に使用される電波無響室の内壁に貼られているものても、基本的には音波送信１回ごとの測定値を観測値である。使用した電波吸収体１枚は６ cm 四方、厚さとして扱い、必要に応じて平均をとることとした。

4.5mm と小さい。 実際は、パラボラアンテナを囲むよ
うに６枚のアルミ板を設置し、これに約 1300 枚の電波

⒟

データ処理

吸収体を貼り付けた。電波吸収体の周波数特性は、移音波から反射した電波を受信し、これを周波数解析

動型ラスレーダの使用周波数帯域である 400MHz で減するとドップラー周波数が求められ、これから音速さ衰量が最大の約 36dB になる。これは電波吸収体に垂直

らに温度が計算される。大型のラスレーダのデータ処に当たった電波の入射波の強さに対して、反射波が理装置では、前述の最適音波周波数の検出操作に加え、1/63 に減衰することを示している。

観測値の平均化操作などのため、一つの気温鉛直分布を求めるのに多くの時間がかかった。また、コンピュ⒞

観測の迅速性ータ機器も大型であり、車に積載するにはやや無理がラスレーダによる観測では、上空に音波を送信するあった。これに対して、移動型ラスレーダでは、１回ことが必須となる。この音波は出力が大きいため騒音

音波を送信するたびに地上付近から上空までの気温鉛となりうる。従来のラスレーダでは、先に述べたブラ直分布を求められるようにデータ解析ソフトを改良しッグ条件を満たすために、周波数を少しずつ変化させた。ノートブック型のパソコンを用い、データ処理部

た大音量の音波パルスを繰り返し発信させて、最適なを大幅に小型軽量化して、トラックの車室内でデータ周波数を把握した。このような方式によるラスレーダ

処理を行えるようにした。

を都市域内で動作させることは、周辺環境に騒音をま

電波受信アンテナで受信された約 420MHz の高周波

き散らすこととなり、観測そのものを困難とする。そ信号は、ヘテロダイン型の周波数変換部で低周波信号

こで、当研究所では音波を一回送信しただけで気温鉛に変換され、パソコンに内蔵された A-D 変換機により直分布が観測できる方法を考案した 57）。まず、ラスレ

ディジタル信号として取り込まれる。その後、移動型ーダの受信電力をオシロスコープなどで監視し、連続ラスレーダ用に開発したデータ処理ソフトによりドッした音波を小音量で送信し周波数を変化させる。ブラプラー周波数が求められ、温度が算出される。ドップ

ッグ条件を満足する音波周波数になると電波受信電力

ラー周波数の解析にはソフトウェア FFT を用いた。実は最大となる。このときの音波周波数で大音量のパル

際の A-D 変換機のサンプリング周波数は 10kHz である

ス音波を発信させると、観測に十分な電波受信電力がが、解析周波数分解能等を考慮して、FFT の解析では得られ、１回の送信音波により気温鉛直分布を観測す

5kHz のサンプリング周波数（sf）を用いた。また、解析ることが可能となる。この方式によるラスレーダは内

データ数（N）は 1024 点とした。このため、周波数分解能

外において例がなく、電力中央研究所では本方式を（sf/N）は 4.88Hz、温度分解能は約 0.3 ℃となる。解析高OSAP RASS（One Shot Acoustic Pulse ラスレーダ）と度幅は約 70 ｍとなるが、データウィンドウにハミング名付けた。ここで考案した OSAP 方式では、送信音波

ウィンドウを採用し、計算上の観測高度幅に対して中一発で観測が完了し、高度 200m の気温鉛直分布の観測

心付近の高度に重みを持たせた温度が観測できるようそのものに要する時間は約 0.5 秒である。

にした 58、59）。なお、音速の計算式で鉛直風速の寄与分

一般に温度計測では、10 分間平均値で論じられる風を省略した。これは、ヒートアイランドが発生するよ向、風速とは異なり、平均化時間に関する議論は少な

うな大気では風が弱く、風速の鉛直成分を小さいと仮い。低層ゾンデに搭載された直径 10 μ m のタングステ

定したためである。音速の計算に必要な気圧、湿度は

ン線温度センサーのように 0.2 秒程度の短い時定数を持トラックの荷台に設置した測器で観測した。

つものから、棒状温度計のように 1 分程度の長い時定数

観測高度は音波送信後、電波が受信されるまでの時を持つ測器まで、多くの種類のセンサーによる測定値

間と音速から求められ、地上近傍を除き 40 〜 80m から

電中研レビュー No.38 ● 67

上空の任意の高度を複数設定できる。最低観測高度は地点を示す。４トントラックに積載した移動型ラスレ

音波パルス幅に依存しており、パルス幅が 200ms で約ーダは、主に首都高速道路を移動し、観測は道路上の80m、100ms で約 40m となる。最高観測高度は、電波パーキングエリアあるいは一般の駐車場等に短時間停の受信状態によって変わる。外来電波ノイズの増加や車して行った。各観測場所では OSAP 方式により、到上空風速の増大などによって観測高度が低下する。開着後速やかに気温鉛直分布の観測結果を得ることがで発した移動型ラスレーダでは、ヒートアイランドが発きた。また、OSAP 方式により、夜間、静寂な住宅地域

生する比較的風が弱い条件を対象としているため、最でさえ、騒音が問題となることはなかった。なお、レ高観測高度の目標を 200m 以上とした。図 4-12 に移動

ーダ機器やコンピュータに必要な電力は、観測用とし型ラスレーダのブロックダイアグラムを示す。

て積み込んだ２個の 24V バッテリーをインバーターでAC100V に変換して供給された。観測用バッテリーは、

4-3-5

移動型ラスレーダによる観測

荷台に設置したエンジン発電機により観測を行わない
時間帯に充電された。
移動型ラスレーダによる気温鉛直分布の観測は 1996

東京都内で移動型ラスレーダによる観測を実施した。
同時に郊外にある電力中央研究所狛江研究所（東京都狛

年の夏に開始した。しかし、当初の観測高度は 120m 程江市）構内あるいは都内で、低層ゾンデによって気温鉛度と目標の 200m に達しなかった。このような事例は都

直分布を観測した。狛江研究所では、移動型ラスレー内の観測では多く見られた。これは、有害電波対策がダと低層ゾンデによる比較観測結果を得ることができ十分でなく、信号雑音比が低下し、良好なスペクトルた。図 4-13 に移動型ラスレーダ、低層ゾンデ、気象庁

ピーク解析ができなかったためである。図 4-14 に高度の地域気象観測システム・アメダス（AMeDAS）の観測

100m 以上の場合について、ノイズが少ない場所とノイ

音速：Vss

音波伝搬方向速度ベクトル：Vsscosθ

ドップラーシフト周波数：fd =2feVsscosθ
Cθ
音速：Vss =観測高度：h ＝ tVs

大気温度：T =

電波送信機

音響増幅器

信号発生器

電波受信機

ローカル信号

fdC
2fecosθVss2
A (1＋B eP)2

fe ：電波周波数
C ：光速
P ：気圧
e ：水蒸気圧A ：ガスコンスタント
B ：定数
Vs：平均音速t ：音波送信後の電波が受信されるまでの時間

オシロスコープ
地上気象観測データ

電源

図4-12

68

A/D変換器パーソナルコンピュータ

移動型ラスレーダのブロックダイアグラム

N
20km
◆

◆

★
板橋

池袋

練馬

千葉県
神田橋

永福
府中

秋葉原

新宿

東京
皇居
新橋

代々木

調布

二の橋
品川埠頭

★
狛江

東雲

神奈川県

新木場

平和島
有明
大井

：移動型ラスレーダ観測地点

東京湾

羽田空港

★：低層ゾンデ観測地点：AMeDAS観測地点
：高速道路

図4-13

0

スペクトル
ピーク
H=168m 周波数（Hz）

ノイズの少ないスペクトル狛江−2
パワースペクトル（dB）

移動型ラスレーダ、低層ゾンデなどの観測場所

938.9

−4
H=138m

−5
−15
0

937.9
920

930
940
950
周波数（Hz）

ノイズの多いスペクトル

960

970

月の観測から改良した移動型ラスレーダを用いて、東日〜 4 日の夜間の観測結果を図 4-15 に示す 60）。天気は

H=178m−5938.9

晴れで風が弱く、ラスレーダの観測には好条件であった。移動型ラスレーダの観測場所は、図中に示すよう

H=138m−5

948.6に狛江、代々木、秋葉原、神田橋、皇居前広場、二の橋、新宿（図 4-13 参照）である。観測結果から明らかな

−10
0
−5

H=108mように、有害電波対策の効果が得られ、各地点におい
932.0

−10
910

ナの周囲に設置した電波吸収体を大型化した。1998 年 3

京都内において気温鉛直分布の観測を実施した。3 月 3

東京都内

−10
0

装置性能の向上のためには、一層の有害電波対策が必要であることが示された。そこで、電波送受信アンテ

H=108m−5−10

パワースペクトル（dB）

上記の移動型ラスレーダによる初期観測結果から、
937.9

−10

0

イズの大きい場所では、パソコンが自動検出したスペ
クトルピークの位置がばらついている。

−6
0

−15
910

ズが大きい場所でのスペクトルの比較を示した 60）。ノ

920

930
940
950
周波数（Hz）

960

970てほぼ目標とする高度 200m までの気温鉛直分布が観測できた。一晩に様々な地点で気温鉛直分布を観測した
例として、内外において貴重な結果と言える。各地点

図4-14

ノイズによるスペクトル形状の違いの気温鉛直分布の図には、狛江研究所構内の低層ゾン

電中研レビュー No.38 ● 69

3 March 1998(2)4 March 1998(4)

180

180

180

180

160

160

160

160

140

140

140

140

120

120

120

120

100
80

100
80

高度（m）

200

高度（m）

200

100
80

100
80

60

60

60

60

40

40

40

40

20

20

20

20

0

0
4

6

8 10 12 14

0
2

4

温度（℃）
RASS ：狛江 2209
Sonde：狛江 2200

6

8 10 120
2

4

6

8 10 122

RASS ：代々木 2333
Sonde：狛江
2400

RASS ：秋葉原 0248
Sonde：狛江
0200

RASS ：秋葉原 0401
Sonde：狛江
0400

4 March 1998(6)4 March 1998(7)4 March 1998(8)

180

180

180

160

160

160

160

140

140

140

140

120

120

120

120

100
80

高度（m）

180

高度（m）

200

高度（m）

200

100
80

100
80

60

60

60

60

40

40

40

40

20

20

20

20

0

0

0

2

4

6

8 10 128 10 12

温度（℃）

200

80

6

温度（℃）

200

100

4

温度（℃）

4 March 1998(5)

高度（m）

4 March 1998(3)

200

高度（m）

高度（m）

3 March 1998(1)
200

2

4

6

8 10 120
2

4

6

8 10 122

4

6

8 10 12

温度（℃）

温度（℃）

温度（℃）

温度（℃）

RASS ：神田橋 0419
RASS ：皇居
0436
Sonde：狛江
0400

RASS ：二の橋 0501
Sonde：狛江
0600

RASS ：新宿 0555
Sonde：狛江 0600

RASS ：狛江 0748
Sonde：狛江 0800

図4-15

移動型ラスレーダによる都市域内の気温鉛直分布観測結果

デの観測結果を示したが、郊外と都市域内部での比較⑶

同様に早朝の都市域内部では、地上付近の気温はから以下のことが言える。

狛江市の地上気温に比べて約２℃高かった。

⑴

深夜から朝方にかけて高度 160m の気温を比較する

この観測結果から、夜間のヒートアイランドを観測と、狛江市と都市域内部の各地とも 6.5 ℃程度とほとしたことは明らかである。また、移動型ラスレーダはんど同じ温度が観測されている。このことから、観

弱風時の都市気象を観測するのに有効な手法であるこ測地点の広い範囲の上空に等温度層が存在することとが示された。

が推定される。
⑵

午前４時から早朝６時にかけて、高度 100m の都市
域内部の気温は狛江市の気温に比べて約２℃高かった。

70

本装置には、鉛直風速の補正機能の導入や装置の小型化等でさらに性能を向上できる余地が残されており、今後の研究成果が期待される。

４− ４

4-4-1

ライダーとはライダー（Light Detection and Ranging; Lidar）は、

4-4-3

ライダー観測ミーライダー

発電所からの排煙に含まれる粒子や、大気中のエアロ

レーザーレーダ（Laser rader）とも呼ばれる気象、大気

ゾルの粒径は、おおむねサブミクロンオーダと考えられ物理の分野における呼称で、レーザー光の周波数が単る。したがって、これらの大気中の分布や挙動の解明を

一の線スペクトルに近いという単色性と、平行光線に目的とした観測には、ミーライダーが用いられることが極めて近いという指向性を利用して、遠方にある物体多い。ミーライダーは、先に示した数種のライダーの中までの距離やその形状などの諸情報を遠隔測定する装で、最も簡単な原理にもとづいており、1963 年に初め置である。ライダーは、1960 年にレーザー発信が成功て超高層エアロゾルの観測に用いられた 62）。図 4-16 にしてまもなく、それを応用した計測技術の一つとしてミーライダーの構成概念を示す。天頂方向に発射された研究が開始された 61）。電力中央研究所では、ライダー

レーザーパルスは、大気中に漂う排煙中の粒子、雲粒子

を大気汚染の観測に利用している。

あるいはエアロゾルなどによって散乱される。そのうち後方への散乱光が望遠鏡により集光される。集光された

4-4-2

ライダーの原理

光は、背景光の除去を目的とした干渉フィルターを通して光電子増倍管により検出される。検出器からの出力は、ライダーの基本原理は、観測対象物にレーザーパル
スを照射し、そこからの後方散乱によって戻ってきた

デジタイザーによりディジタル変換され、コンピュータ
により各種処理が行われる。

パルス光を検出することで、観測対象物までの距離およびその他の情報を得るというものである。検出される散乱光は、大気中の観測対象物とレーザー光との相互作用の差異によって幾つかに分類されるが、その中エアロゾル・雲のどの種の散乱光を検出するかによって測定対象も異なる。現在、ライダーに利用されている光散乱現象は、

排煙①レーザー光の波長と同程度またはそれ以上の粒径を有する球状粒子によって生ずるミー散乱、②波長に比べて十分に小さい粒径を有する粒子（一般には原子や分子に対応する）によって生ずるレーリー散乱、③照レーザー光射されたレーザー光によって、分子の振動−回転準位が遷移して生ずるラマン散乱、④レーザー光の波長と散乱光

分子、原子特有の共鳴波長が同調することで生ずる共集光望遠鏡

鳴散乱がある。これらを利用したライダーは、それぞれ、ミーライダー、レーリーライダー、ラマンライダ
ー、共鳴散乱ライダーと呼ばれる。他に、測定対象分

レ
ー
ザ
ー

干渉フィルター
光電子増倍管子の吸収特性が異なる複数波長のレーザーを用いるこ

デジタイザーとによって、分子濃度を導出する差分吸収ライダー

パソコン（コラム８参照）などもある。
図4-16

ミーライダーの構成概念

電中研レビュー No.38 ● 71

気温の鉛直分布（℃）
0

4

8

0

4

8

0

4

8

0

4

8
強

1400
1200

エアロゾル散乱強度

高

度（m）

1000
800
600
400
200

弱

0
1：00
98/03/03

図4-17

2：00

3：00
時

4：00

5：00

6：00

間

ミーライダーによるエアロゾル観測の解析結果

今、散乱に寄与する粒子までの距離を r とすると、検出される後方散乱光の受信強度 P（r）は、次式に示すラ4-4-4

イダー方程式によって表される。

P(r ) =

P0 LKT 2 ( r ){β1 ( r ) + β 2 ( r )} ArY ( r )
r2

+ Pb

ライダーを用いた大気中浮遊粒子の観測

電力中央研究所では、気象観測や大気汚染観測を目的とした可搬型ミーライダーの開発を行っている。そここで、P0 はレーザーの発信出力、L は距離分解能、Kの基本仕様を表 4-1 に示す。これまでに、このライダー

はシステム定数、T（r）は大気の透過率、β 1（r）は粒子を用いて、発電所の有効煙突高度の測定や都市域ヒーによる後方散乱係数、β 2（r）は空気分子による後方散乱

トアイランド内のエアロゾル観測を行ってきた。観測

係数、Ar は受光望遠鏡の有効面積、Y（r）は送信レーザ

例として、1998 年 3 月 3 日の深夜から早朝にかけて、当ービームと受光望遠鏡の視野との重なりを示すパラメー

研究所狛江研究所構内において行った連続測定の結果

タ、Pb は太陽光などに起因する背景光の強度である。距を図 4-17 に示す。なお、観測当時の天候は、ほぼ快晴

離ｒは、レーザーパルスの射出時間と後方散乱光のサンであった。結果には、距離２乗補正のみが施されていプリング時間との差から求められる。観測によって得らる。また、連続観測中に行われたゾンデ観測から得られた後方散乱光の受信強度 P（r）からライダー方程式をもれた気温の鉛直分布も同時に示す。図より、観測開始とに定量的な解析を行い、β （r）を求めることで、大気1中の粒子の空間分布を導出することができる。しかし、

表4-1

ミーライダーの基本仕様（電力中央研究所）

大気の透過率 T（r）自体が後方散乱係数β 1（r）に依存していることや、システム定数 K の正確な決定が困難なことなどから、定量的な解析を行うためには、各種の近似

レーザー

Nd : YAGレーザー

レーザー波長532 nmレーザー出力160 mJを用いる必要があり、十分な精度を得ることは容易では

発信繰り返し20 Hz（Max.）ない。有効煙突高や雲の高度の測定、あるいはエアロゾ

受信部光学系

カセグレン型反射望遠鏡

ルの空間的な分布構造の定性的な解明を利用目的とする

検 出 器

光電子増倍管場合は、単純に距離の２乗（r2）で補正を行うだけで十分

サンプリングレート

20 M-samples/s

距離分解能

7.5 m

である。

72

時点で高度約 300m から観測終了時点の高度約 600m に有効であることがわかる。

かけて、連続的に散乱強度の不連続線を見ることがで

一般に、散乱強度を測定対象にしたミーライダーは、きる。また、ゾンデ観測によって得られた気温の鉛直

定常的な観測に利用可能な段階に達していると言える。

分布から、放射冷却により形成された逆転層が時間と現在は、その発展型として、偏光フィルターを利用しともに発達していき、この高度が散乱強度の不連続線て偏光解消度の測定を行い、粒子の性状や形状に関すと極めてよく一致していることもわかる。このように、る情報を導出するなどの高度化に関する研究を行ってミーライダーを観測に用いることは、大気中の粒子状いる。また、高精度で定量的な解析を行う手法につい物質の立体構造のみならず、逆転層の立体的な検出もても今後の研究課題である。

可能となるなど、気象や大気汚染の現象解明に極めて

４−５

ま

と

め

電力中央研究所では、発電所の環境影響評価や大気た、煙突を利用した上層風の観測手法は、発電所の気環境の実態把握のために、気象観測手法を開発してき象調査で役立った。当研究所が開発した移動型のラス

た。ドップラーソーダによる高所あるいは上層風観測

レーダやライダーにより、都市の気象と大気汚染の実の実用化研究の成果は、原子力安全委員会の安全解析

態把握が可能となった。今後は、大気拡散との関連でに関する気象指針や資源エネルギー庁の環境影響評価重要となる風の変動成分をドップラーソーダで観測すの手引で採用された。こうして、原子力発電所では、る手法の開発や、移動型観測装置の様々な地域への適

気象鉄塔の替わりに、建設や観測の費用、データ取得用を行う予定である。

の面で有利なドップラーソーダの導入が行われた。ま

電中研レビュー No.38 ● 73

コラム６

回想−30年前の気象観測

電力中央研究所が大気環境影響調査の一環として、気算される。現在ならば、少し古いパソコンでさえ数千点

象や大気汚染の観測を開始したのは1960年代なかばである。

のデータ数であろうがたちどころに計算してしまう。こ

当時、産業の発達にともない公害問題が深刻化し、電気れをアナログ式で計算しようとした。磁気テープに収録

事業も率先して大気環境影響調査研究を行った。その中で、された風速などの１対のデータに対して、１個のデータ

当研究所が中心となり、多くの発電所において大気拡散は常に固定されたヘッドで、もう一個のデータは可動式実験を行った。当時の目玉は、何といっても係留気球（飛のヘッドで時間差を与え読みとる。時間差を大きくする

行船型あるいは卵型の大型風船、図１）を使用した温度ごとに、巻き戻した磁気テープを再生させて相関係数をと風速の観測であった。温度計のサーミスタセンサーは計算した。数十点の計算ですら大変な時間がかかった。

気球を上げ下げするための強靱なピアノ線を兼用し、地データが欲しいという熱意と挑戦すればできるという努上に置かれたブリッジ回路に電気的に接続され、出力は力が作り出した、古き時代の傑作であろう。

電気信号に変換された。気球は最高500m程度まで上げもうひとつ、20年近く前になるが、いわゆるヤジロベ

られ、逆転層を中心に気温鉛直分布が観測された。大阪

イを測定器に利用した。長さ約15cmのプラスチック板

府堺市近郊では、観測地点から約2kｍの場所に放送局により飛行機の胴体型を作り、その重心部分を地面に立の電波送信塔があり、この送信電波が係留気球を支えるてた針金の先端に置くだけのものであった。つまり、わピアノ線に誘導したため、異常な温度が出力された。そずかな風の変化にも追従する風向計である。これを10ｍ

れのみならず、ピアノ線に白熱電球を接続したところ、煌々

四方の板の上に、30cm程度の間隔でメッシュ状に配置し、と輝いたことがあり、放送電波からの誘導電圧の大きさ

上空から写真やビデオで撮影した。現在では、数値シに驚かされた。測定に際しては、そのノイズをどのようミュレーションによりコンピュータ画面上に気流計算結に除去するかが課題となり対策に追われた。今考えると、果がベクトル表示されるが、飛行機型模型の写真撮影結最新のラスレーダにしても同じであるが、計測の歴史は

果はちょうどそのような感じになる。

ノイズ対策の歴史でもある。

近年、気象測定器の歴史に大きな変化をもたらしたも係留気球に取り付ける風速計は、ピアノ線を経由し定のは、リモートセンシング技術の導入である。特にドッ電流電源により加熱したサーミスタに風をあて、奪われプラーソーダの電気事業での実用化は大きな出来事で、る熱量を測る方式を採用した。当時はまだトランジス

鉄塔を撤去する施設もでてきた。気になるのは、このよタが開発途上ということもあり、定電流電源の開発に四うな新技術の多くが外国に依存して開発されている点で苦八苦した。また、サーミスタ風速計の検定装置も製作ある。相対湿度を電気的に変換するセンサーとして約20した。1.5ｍ位の長さの棒をモータで回転させ、その先年前にスイスの製品を導入したが、現在でも欧州の製品にサーミスタのセンサーを取り付け、室内で回転速度をの評価が高い。ラジオゾンデにGPS (Global Positioning

変化させ風速の検定を行った。こんな手作り測器が現場

System) を搭載した製品がいまだにわが国では開発され実験を支えていたのである。

ていない。先端技術を用いた測器の開発に関して、私た

当時、係留気球は上空の気象を測る必須の道具であっちの奮起が必要だ。

たが、ピアノ線が強風のために切断し、気球が飛ばされてしまったという危うい経験が３度ほどあった。その後のリモートセンシング技術の出現が嬉しかった。係留気
球にはボンベ約５本分のガスが充填されたが、ガスはヘリウムではなく水素であった。
模型飛行機による高所の温度や風の遠隔測定も試みられた。その飛行機は某電子機器メーカの社長が伊豆大島
から湘南海岸まで無着水飛行をした当時話題の機種であった。しかし、製作者による試験飛行中に真っ逆様に地面に墜落し、全長２mほどの機体の半分くらいが地面に埋まり、その後実用化されることはなかった。
1970年代に極めてユニークなデータ解析装置の開発が行われた。大気乱流解析などでは相関係数がしばしば計74

図1

30年前の気象観測の様子

コラム７

大気中に排出された窒素酸化物の行く末を追う

大気汚染物質・窒素酸化物

中のガス状物質を、内壁に塗布した溶液に吸着して捕集

窒素酸化物（NOx）はそれ自身も、また、それから生する。粒子はデニューダを通過する性質があるため、デ成した二次汚染物質も含めて、都市大気汚染に深く関わニューダの後段にフィルターパックを装着すれば、ガスっている。窒素酸化物の多くは化石燃料の燃焼に由来し、状硝酸と粒子状硝酸を分けて捕集することが可能となる。

排出時の約９割が一酸化窒素（NO）、残りが二酸化窒

ただし、粗大粒子はデニューダの内壁に衝突して捕捉さ素（NO2）とされている。大気中では、一酸化窒素は酸れてしまう可能性があるため、デニューダの前段に分別化されて二酸化窒素に変質する。生成した二酸化窒素は装置を付けて、そこで粗大粒子を捕集する。このような日射により光分解されて再び一酸化窒素に戻るが、一連

サンプラー（図１）を用いれば、１本のラインで粗大粒の反応においてオゾンが生成される。この間、窒素酸化

子状硝酸塩、ガス状硝酸、微小粒子状硝酸塩を分別捕集物（＝一酸化窒素＋二酸化窒素）量は変わらない。石油することができる。

精製、溶剤等から大気に放出された炭化水素類は、オゾ

このデニューダ付きフィルターパックを用いた方法でンと競合して一酸化窒素を酸化するため、豊富に存在す濃度を測定したところ、冬季には微小粒子状硝酸塩が全ると、オゾンの消費を抑える方向に働く。一方で、二酸体の80％ほどを占めるが、夏季には50％程度にまで下が化窒素の光分解によるオゾン生成は続くから、結果的にることなどが示された。このような結果はフィルターパ

高濃度のオゾンが発生する。このように窒素酸化物は、ック法による測定結果からも予想されていたが、大気中高濃度オゾンの発現において重要な役割を果たしている。

での現象なのか、測定上の誤差なのか、見極められない

窒素酸化物の一部は、さらに酸化されて硝酸（HNO3）でいた。デニューダ付きフィルターパック法は、重要なに変質する。硝酸は、硫酸とともに大気中の主要な酸性

窒素化合物のひとつであるアンモニアにも適用可能であり、物質であり、降水酸性化の原因物質である。また、大気

現在、硝酸との同時測定を通年で実施している。

の状態によって粒子化し、視程低下や呼吸器障害を招く。
都市部では、なかなか減少しない二酸化窒素と粒子状物質がにわかに注目を集めるようになっている。これから

試料空気の都市大気汚染を考える上では、高濃度オゾンに関わる
窒素酸化物だけでなく、硝酸までも含めた「窒素化合物」の動態 （排出から、大気を輸送されながら変質し、地表面に除去されるまで）を把握することが必要とされる。

PM2.5インパクタ（粗大粒子状硝酸塩）

硝酸塩の濃度測定
動態の把握には、まず大気中濃度の実測値を知らなくてはならない。窒素酸化物の濃度測定は、連続的に自動運転可能な測定機器がすでに実用化されているが、デニューダ（ガス状硝酸）硝酸の場合、濃度測定はかなりの部分を手作業に頼らざるを得ない。また、上述したように、硝酸は大気の状態
によりガスとしても粒子としても存在する。粒子状の硝酸（硝酸塩）は、大気中のアンモニアと反応して微小粒フィルターパック（微小粒子状硝酸塩）

子（粒径0.1-1ミクロン）を形成したものと、土壌粒子や海塩粒子の粗大粒子（同1-10ミクロン）に取り込まれたものに大きく分けられる。すなわち、大気中の硝酸は大きく分けてガス、微小粒子、粗大粒子の３相に存在できる。
相により大気から除去される特性が大きく異なるため、硝酸の濃度は相別に把握しなければならない。
硝酸の濃度測定には簡便なフィルターパック法がよくポンプへ使われるが、測定上の誤差がともなうことが知られている。
この誤差は、デニューダの使用により低減可能である。
デニューダはガラス製の円筒で、そこを通過する空気

図１

デニューダ付きフィルターパックサンプラー

電中研レビュー No.38 ● 75

コラム８

大気汚染物質の高精度・多種同時計測を狙うレーザーレーダ

酸性雨原因物質の広域的な輸送モデルの開発や都市大気汚染の発生メカニズム解明のために、大気中におけるの他、３波長DIALを用いてppbオーダの大気中SO2濃度の空間分布計測にも成功している。

二酸化硫黄（SO2）、窒素酸化物（NOx）、オゾン濃度

大気分子・粒子による散乱の高精度空間分布計測や多種同時計測が望まれる。この計測手法として、ゾンデ、気球、航空機を用いた方法があるが、これらに比べて連続的な観測を簡便にかつリ
アルタイムに行える方法としてレーザーレーダ（ライダー）

波長Ａ

波長Ｂ

がある。ライダーの種類と原理は4-4-2節に記載されているが、ここでは、測定対象物質の濃度分布を求める
ために、差分吸収ライダー（DIfferential Absorption

測
定
高
度

Lidar：DIAL）を用いる。この原理を図１に示す。物質
特有の光吸収スペクトルを利用し、測定対象物質による吸収の小さな波長（波長A）とそれに隣接した吸収の大きな波長（波長B）のレーザー光をほぼ同時に大気中に波長Ａ照射する。この場合、波長Bの光は波長Aの光に比べて測定対象物質による減衰が大きい。また隣接した２波長波長Ｂレーザー光強度を選ぶことにより、他の分子、粒子による光減衰の２波

後方散乱光強度

レーザー光

長間の差は、測定対象物質によるものに比べて十分小さ

後方散乱光いとみなすことができる。レーザー光出射点から光が散測定対象物質による減衰

乱される位置までの距離は、レーザー光が受光系に戻っ

他の成分による減衰てくるまでの時間により求めることができる。したがって、
図1

大気中における光の減衰を２波長間で比較することにより、差分吸収ライダー（DIAL）の測定原理

測定対象物質濃度の空間分布を求めることができる。しかしながら、例えば大気中を長距離輸送されてくるSO2
3500の濃度は数ppbと非常に微量であり、この場合他の分子、粒子の寄与が無視できなくなる。この問題点を解消する
DIALと呼ぶ）が提案されている。
電力中央研究所では、環境大気中のSO 2、NO 2、オゾン濃度の空間分布計測が可能な多波長DIAL装置を開発し、当研究所狛江研究所構内に設置している。本装置では、

高度（m）

方法として、３波長以上を用いたDIAL（以下多波長
3000
Null分布

2500

２波長交互発振が可能な色素レーザーを２台（レーザー１、

オゾン濃度分布レーザー２）用いており、これにより紫外から可視域において４波長を１ショットごと交互に発振することができる。このため多波長DIALによる大気中微量物質濃度

2000
−2

の高精度計測が可能であり、また多種同時計測により実大気中における光化学反応の解明に寄与することができる。

0

2
4
6
8
10 12 14
オゾン濃度（×1017molecule/m3）16オゾン濃度分布レーザー1（285nm）/ レーザー1（290nm）
レーザー2（285nm）/ レーザー2（290nm）
レーザー1（285nm）/ レーザー2（290nm）
レーザー2（285nm）/ レーザー1（290nm）

測定例として、1998年12月10日、午前３時50分〜3時55分に行った、東京都狛江市上空2000〜3500mにおけるオ

Null分布

ゾン濃度分布の観測結果を図２に示す。通常の２波長レーザー1（285nm）/ レーザー2（285nm）
レーザー1（290nm）/ レーザー2（290nm）

DIALを２組同時に用いることにより、４組の濃度分布285nm：オゾンによる吸収が大きい波長
290nm：オゾンによる吸収が小さい波長計測と２組のNull分布計測（波長が等しいペアによる計測）を同時に行った。これにより、濃度分布計測と同時に測定誤差をモニターすることが可能となり、今回のオゾン計測による測定誤差は５％程度と見積もられた。またこ76

図2

大気中オゾン濃度の高度分布計測結果

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