〈特別研究課題〉 局地的異常天候を早期に把握する
環境危機モニタリングシステムの開発
助 成 研 究 者

豊橋技術科学大学

針谷達

局地的異常天候を早期に把握する
環境危機モニタリングシステムの開発
針谷 達（豊橋技術科学大学）

Development of Environmental Hazard Monitoring System
for Early Detecting of Local Unusual Weather
Toru Harigai(Toyohashi University of Technology)

Abstract：
It has been required a system that deploys meteorological observation equipment at multiple
points and collects and analyzes data in real time to understand local environmental conditions. In
this paper, multi-environment measuring devices equipped with environmental measuring sensors
such as an inexpensive solar radiation sensor are fabricated. As the environmental hazard
monitoring system, the devices are wirelessly connected to multiple points. Field test using theenvironmental hazard monitoring system was conducted in an area centered on Toyohashi
University of Technology. From the change of the solar radiation intensity at each measuring point,
the flow direction and outline of the cloud were clarified. In the wind speed measurement, it was
found that differences in wind speed conditions reflecting the topography and urban environment at
each measuring point. Understanding the behavior of clouds can be used for weather change
information such as heavy rain. In addition, the measure of the actual wind speed at each location isexpected to lead to more accurate hazard avoidance information.
1．はじめに近年頻発する異常天候は，我々の日常生活，果ては生命活動にまで大きな影響をおよぼす状況になっている。特に，深刻かつ甚大な被害をもたらす熱中症や水害は，気温の急激な上昇やゲリラ豪－ 17 －

雨の発生といった都市環境等に付随する局地的異常天候が原因となる場合が多い。現時点で，この局地的異常天候の予測・把握は非常に困難である。気象庁は，異常天候早期警戒情報の提供等によ(1)
り，対象地域への早期対策を促すなどの取り組みを実施している。しかし，これらの情報は，1(1)
り，対象地域への早期対策を促すなどの取り組みを実施している。しかし，これらの情報は，1週間から2 週間程度の中・長期予報であり，またビルや道路，河川といった各都市の環境を十分に週間から2週間程度の中・長期予報であり，またビルや道路，河川といった各都市の環境を十分に考慮した局地的予報でもない。局地的状況の予測・把握には，多地点に気象観測機器を配置し，そ考慮した局地的予報でもない。局地的状況の予測・把握には，多地点に気象観測機器を配置し，それらをリアルタイムにデータ収集・分析するシステムが必要になる。しかし，従来の気象観測機器れらをリアルタイムにデータ収集・分析するシステムが必要になる。しかし，従来の気象観測機器は数十万円以上の高価な製品が主流であるため，多項目計測や多地点への配置が困難である。本研は数十万円以上の高価な製品が主流であるため，多項目計測や多地点への配置が困難である。本研究では，我々が独自に開発した安価な日射センサなど，安価なセンサ類で構成したマルチ環境計測
究では，我々が独自に開発した安価な日射センサなど，安価なセンサ類で構成したマルチ環境計測装置を作製し，それら装置を多地点にワイヤレスで接続する環境危機モニタリングシステムを開発
装置を作製し，それら装置を多地点にワイヤレスで接続する環境危機モニタリングシステムを開発する。
する。

2. マルチ環境計測装置の作製
2．マルチ環境計測装置の作製
2.1
環境計測センサ

本研究では，日射・風速・温度・湿度を計測可能なセンサ類を組み合わせたマルチ環境計測装置
2.1
環境計測センサを作製した。日射センサには，小型太陽電池を用いたオリジナル日射センサを採用した。図
1 にオ
本研究では，日射・風速・温度・湿度を計測可能なセンサ類を組み合わせたマルチ環境計測装置
リジナル日射センサの写真と基本回路構成図を示す。太陽電池の短絡電流は日射強度に対し，直線を作製した。日射センサには，小型太陽電池を用いたオリジナル日射センサを採用した。図1にオ相関を持つことから，適切な出力抵抗を選択することで，太陽電池の出力電圧から日射強度を算出
リジナル日射センサの写真と基本回路構成図を示す。太陽電池の短絡電流は日射強度に対し，直線(2–5)
できる。太陽電池の出力短絡電流が持つわずかな温度依存性を緩和するため，出力抵抗に対し，相関を持つことから，適切な出力抵抗を選択することで，太陽電池の出力電圧から日射強度を算出

並列に負特性サーミスタを取り付けた。太陽電池の上面は，防水・防汚のためドーム状の撥水カバできる(2–5)。太陽電池の出力短絡電流が持つわずかな温度依存性を緩和するため，出力抵抗に対し，ーで覆った。
また，上空の一時的な障害物によって生じた影によるデータ取得エラーを避けるため，並列に負特性サーミスタを取り付けた。太陽電池の上面は，防水・防汚のためドーム状の撥水カ1バーで覆った。また，上空の一時的な障害物によって生じた影によるデータ取得エラーを避けるた
台のマルチ環境計測装置に対し，3 つの日射センサへバイパスダイオードを並列に組みし，取り付けた。これによって，3つの日射センサのうち，1 つ以上が影の影響外であれば，マルチ環境計
め，1台のマルチ環境計測装置に対し，3つの日射センサへバイパスダイオードを並列に組みし，(3)測装置としては影の影響を受けずに日射データを取得することが可能である。
取り付けた。これによって，3つの日射センサのうち，1つ以上が影の影響外であれば，マルチ環2.2装置構成とデータ通信ネットワークシステム
(3)
境計測装置としては影の影響を受けずに日射データを取得することが可能である。

マルチ環境計測装置の概略構成図と，データ通信システム構成を図2 に示す。日射センサと風速2.2
装置構成とデータ通信ネットワークシステム
センサ，制御 BOX がそれぞれ独立した構成になっており，制御 BOX 内には，温湿度センサを備
マルチ環境計測装置の概略構成図と，データ通信システム構成を図2に示す。日射センサと風速えた CPU と，データ通信用の通信モジュールを組み込んだ。また，装置位置情報を把握するためセンサ，制御BOXがそれぞれ独立した構成になっており，制御BOX内には，温湿度センサを備えに，GPS センサも取り付けた。各種センサから得たデータは，制御 BOX 内 CPU を介して通信モジたCPUと，データ通信用の通信モジュールを組み込んだ。また，装置位置情報を把握するために，ュールへ送られ，この通信モジュールから，3G 回線を経由したワイヤレス通信にて，専用サーバGPSセンサも取り付けた。各種センサから得たデータは，制御BOX内CPUを介して通信モジューへデータを送信した。さらに，専用サーバへ蓄積したデータをデータ解析用 PC へ送ることで，デ太陽電池

出力抵抗
出力電圧
図1．オリジナル日射センサの上面写真と基本回路構成
図 1. オリジナル日射センサの上面写真と基本回路構成－ 18 －2

ータ解析が可能になる。作製したマルチ環境計測装置
ルへ送られ，この通信モジュールから，3G回線を経由したの写真を図 3 に示す。地上から数 m の高さの位置へ装ワイヤレス通信にて，専用サーバへデータを送信した。さ置を配置できるよう金具を用意し，その金具上に日射らに，専用サーバへ蓄積したデータをデータ解析用PCへ送ータ解析が可能になる。作製したマルチ環境計測装置
センサと風速センサを配置した。制御 BOX は，この金ることで，データ解析が可能になる。作製したマルチ環境の写真を図 3 に示す。地上から数 m の高さの位置へ装具下部に配置した。
計測装置の写真を図3に示す。地上から数mの高さの位置へ置を配置できるよう金具を用意し，その金具上に日射装置を配置できるよう金具を用意し，その金具上に日射セセンサと風速センサを配置した。制御 BOX は，この金3. フィールド試験ンサと風速センサを配置した。制御BOXは，この金具下部具下部に配置した。
3.1 マルチ環境計測装置の配置に配置した。
 局所環境データを取得するために，2019 年 12 月～
3. 2020
フィールド試験
年 1 月のうち，約 1 ヶ月間，フィールド試験を実3．フィールド試験
3.1 マルチ環境計測装置の配置施した。豊橋技術科学大学を中心とした 8 方位（半径3.1 マルチ環境計測装置の配置
 局所環境データを取得するために，2019 年 12 月～2.5 km）にマルチ環境計測装置を配置した。装置の配置
局所環境データを取得するために，2019年12月～2020年
2020 年 1 月のうち，約 1 ヶ月間，フィールド試験を実
図を図 4 に示す。各方位にそれぞれ 1 台のマルチ環境1月のうち，約1ヶ月間，フィールド試験を実施した。豊橋
図2．マルチ環境計測装置の概略図施した。豊橋技術科学大学を中心とした 8 方位（半径計測装置を配置し，中心に位置する大学には，市販の図 2. マルチ環境計測装置の概略図
技術科学大学を中心とした8方位（半径2.5km）にマルチ環境2.5 km）にマルチ環境計測装置を配置した。装置の配置
日射計と全天球カメラを配置した。大学を 0 番とし，計測装置を配置した。装置の配置図を図4に示す。各方位に図を図 4 に示す。各方位にそれぞれ 1 台のマルチ環境
各方位のマルチ環境計測装置には，北から時計回りに 1それぞれ1台のマルチ環境計測装置を配置し，中心に位置す計測装置を配置し，中心に位置する大学には，市販の～8 の番号を付与した。大学に設置した市販日射計は， 図 2. マルチ環境計測装置の概略図
る大学には，市販の日射計と全天球カメラを配置した。大日射計と全天球カメラを配置した。大学を 0 番とし，豊橋技術科学大学自然エネルギー実験棟屋上に配置し，学を0番とし，各方位のマルチ環境計測装置には，北から時各方位のマルチ環境計測装置には，北から時計回りに 1マルチ環境計測装置は，柱から突き出した金具の先端計回りに1～8の番号を付与した。大学に設置した市販日射～8 の番号を付与した。大学に設置した市販日射計は，上，地上数 m の高さに設置した。
計は，豊橋技術科学大学自然エネルギー実験棟屋上に配置
豊橋技術科学大学自然エネルギー実験棟屋上に配置し，
3.2 日射変化と雲の挙動把握
し，マルチ環境計測装置は，柱から突き出した金具の先端
マルチ環境計測装置は，柱から突き出した金具の先端
図 5 は，2019 年 12 月 21 日 12 時 34 分から 12 時 44
上，地上数mの高さに設置した。
上，地上数 m の高さに設置した。
分まで 10 分間の各地点における日射強度を示す。最も
図3．作製したマルチ環境計測装置
図 3. 作製したマルチ環境計測装置
3.2
3.2 日射変化と雲の挙動把握
日射変化と雲の挙動把握
西に配置した 7 番のマルチ環境計測装置から得た日射
図5は，2019年12月21日12時34分から12時44分まで10分間の各地点における日射強度を示す。
図 5 は，2019 年 12 月 21 日 12 時 34 分から 12 時 44強度に着目すると，12 時 35 分頃から徐々に日射強度が減少し，その後，12 時 37 分頃を境に日射最も西に配置した7番のマルチ環境計測装置から得た日射強度に着目すると，12時35分頃から徐々分まで 10 分間の各地点における日射強度を示す。最も強度が増加し，12 時 39 分頃には元の日射強度まで戻った。日射強度のこの一連の増減は，この時図 3. 作製したマルチ環境計測装置
西に配置した 7 番のマルチ環境計測装置から得た日射に日射強度が減少し，その後，12時37分頃を境に日射強度が増加し，12時39分頃には元の日射強間帯に雲（雲影）が 7 番の装置の上空を通過したことを意味する。また，各地点の日射強度変化の強度に着目すると，12 時 35 分頃から徐々に日射強度が減少し，その後，12度まで戻った。日射強度のこの一連の増減は，この時間帯に雲（雲影）が7番の装置の上空を通過し 時 37 分頃を境に日射Solar radiation intensity
Solar radiation intensity

7強度が増加し，12 時 39 分頃には元の日射強度まで戻った。日射強度のこの一連の増減は，この時たことを意味する。また，各地点の日射強度変化の様子が類似しており，西に配置した装置から6間帯に雲（雲影）が 7 番の装置の上空を通過したことを意味する。また，各地点の日射強度変化の
84000

32000
4000

10003000

図 4. マルチ環境計測装置のフィールド配置図

32000

10000

マルチ環境計測装置の図 図4．
4. マルチ環境計測装置のフィールド配置図

12:38

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Time (hh:mm)

12:42

12:36

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Time (hh:mm)

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図5．
各地点における日射強度変化
図 5.
各地点における日射強度変化

フィールド配置図
3－ 19 －

312:44

図 5. 各地点における日射強度変化

12:340

571638 4025112:34
12:36
3423000012:44

7, 6, 8, 0, 5, 1, 3, 4, 2の順に，減少増加の変化が見られた。日射強度変化の様子の類似は，同形の様子が類似しており，西に配置した装置から
7, 6, 8, 0, 5, 1, 3, 4, 2 の順に，減少増加の変化が見られ雲が各装置上空を通過したことを示唆する。また，西から順に雲の通過が見られることから，各装た。日射強度変化の様子の類似は，同形の雲が各装置上空を通過したことを示唆する。また，西か置を同一の雲が通過し，その雲の幅は装置の配置円直径（約5 km）より大きいことが推察できる。
ら順に雲の通過が見られることから，各装置を同一の雲が通過し，その雲の幅は装置の配置円直径
また，装置の日射強度変化の順から，雲は西から到来し，北東方向へ通過したと考えられる。実際（約 5 km）より大きいことが推察できる。また，装置の日射強度変化の順から，雲は西から到来の同時間帯の雲の動きを，0番装置近くに設置した全天球カメラで確認した結果，雲が北東方向にし，北東方向へ通過したと考えられる。実際の同時間帯の雲の動きを，0 番装置近くに設置した全流れていた。これらのことから，マルチ環境計測装置を用いて計測した日射強度とその変化から，天球カメラで確認した結果，雲が北東方向に流れていた。これらのことから，マルチ環境計測装置
雲の動きを推測可能であることが明らかになった。特に急激な日射強度の減少は，豪雨をもたらすを用いて計測した日射強度とその変化から，雲の動きを推測可能であることが明らかになった。特ような積乱雲等の厚い雲到来に関わると考えられる。多地点の日射強度変化を分析することで，雲に急激な日射強度の減少は，豪雨をもたらすような積乱雲等の厚い雲到来に関わること考えられる。の挙動を捉え，豪雨予測の精度向上などへの活用が期待できる。
多地点の日射強度変化を分析することで，雲の挙動を捉え，豪雨予測の精度向上などへの活用が期
3.3 暴風警報と局地風速待できる。
マルチ環境計測装置に組み込んだ風速センサを用いて測定した風速データの代表例を，図6に示3.3 暴風警報と局地風速す。風速は，0.1 s間隔でデータを取得した。平均風速は，気象庁等で用いられている10分間の平
マルチ環境計測装置に組み込んだ風速センサを用いて測定した風速データの代表例を，図 6 に示均風速とした。
す。風速は，0.1 s 間隔でデータを取得した。平均風速は，気象庁等で用いられている 10 分間の平2020年1月27日15時54分から2020年1月28日10時13分まで，愛知県豊橋市域に暴風警報が発令
均風速とした。
された。この暴風警報の発令および解除前後における各地点の風速状況を図7と図8にそれぞれ示2020 年 1 月 27 日 15 時 54 分から 2020 年 1 月 28 日 10 時 13 分まで，愛知県豊橋市域に暴風警報す。豊橋市における暴風警報の発令基準は，陸上で平均風速20 m/sである。図7に示す警報発令前が発令された。この暴風警報の発令および解除前後における各地点の風速状況を図 7 と図 8 にそれ後の各地点の平均風速は，気象庁発表の値も含め，いずれも20 m/sを下回っていた。暴風警報のぞれ示す。豊橋市における暴風警報の発令基準は，陸上で平均風速 20 m/s である。図 7 に示す警報発令は，陸上・内海・外海でそれぞれ発令基準が設けられている。したがって，この暴風警報は，発令前後の各地点の平均風速は，気象庁発表の値も含め，いずれも 20 m/s を下回っていた。暴風警
内海もしくは外海の発令基準に基づき発令され，合わせて陸上にも警報が発令されたと考えられ報の発令は，陸上・内海・外海でそれぞれ発令基準が設けられている。したがって，この暴風警報る。図8に示す暴風警報解除前後における各地点の平均風速からは，警報解除時には，平均風速がは，内海もしくは外海の発令基準に基づき発令され，合わせて陸上にも警報が発令されたと考えら警報発令基準を十分に下回っていることがわかる。
れる。図 8 に示す暴風警報解除前後における各地点の平均風速からは，警報解除時には，平均風速
暴風警報の発令時および解除時の平均風速は，警報発令基準値を下回っていたが，一方で，10が警報発令基準を十分に下回っていることがわかる。
分間ごとの最大瞬間風速では，発令時において15m/s程度，解除時においては20 m/sを上回る地暴風警報の発令時および解除時の平均風速は，警報発令基準値を下回っていたが，一方で，10点も見られた。風速20 m/sは，風に向かって歩くことが困難であり，歩行者転倒の恐れもある危
分間ごとの最大瞬間風速では，発令時において15 m/s 程度，解除時においては 20 m/s を上回る地険な状況である。また，地点別の風速状況では，比較的南側，特に南西方向に配置した装置の風速点も見られた。風速20 m/s は，風に向かって歩くことが困難であり，歩行者転倒の恐れもある危険が高い傾向であった。図4に示した豊橋技術科学大学を中心とする試験フィールドは，西および南な状況である。また，地点別の風速状況では，比較的南側，特に南西方向に配置した装置の風速が高い傾向であった。図 4 に示した豊橋技術科学大学を中心とする試験フィールドは，西および南側
wind speed (m/s)

30Sampling time: 0.1 s

25
20

15
10

508:00

8:10

8:20

8:30

8:40

8:50

9:00

9:10

9:20

9:30

9:40

9:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30 11:40 11:50 12:00

Time (hh:mm)
wind speed (m/s)

30
25
20

Maximum wind speed at each 10 min

15

10Average

508:00

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9:30

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9:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30 11:40 11:50 12:00

Time (hh:mm)

風速の測定
図図6．
6. 風速の測定－ 420 －

Average wind speed (m/s)

30

Average25

Alert status
Alert level20215468Official

1050012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

Max wind speed (m/s)

Time (hh:mm)
30

Maximum wind speed ateach 10 min

25

Alert status

20

2468Official

15
10500

12345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

Time (hh:mm)

Average wind speed (m/s)

暴風警報発令時の風速の比較
図図7．
7. 暴風警報発令時の風速の比較30Average

25

Alert status
Alert level20152468Official

1050012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

Max wind speed (m/s)

Time (hh:mm)
3025

Maximum wind speed
at each 10 min

Alert status

072468Official

20

1510501234568

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

Time (hh:mm)

暴風警報解除時の風速の比較
図図8．
8. 暴風警報解除時の風速の比較に海があり，北東側に山を持つ地形である。また，豊橋駅を含む市内中心部は北側に位置し，南側は側に海があり，北東側に山を持つ地形である。また，豊橋駅を含む市内中心部は北側に位置し，南
田畑や農園の広がる建物の少ない地域である。こ れらの地形・都市環境から，建物が少なく遮るも側は田畑や農園の広がる建物の少ない地域である。これらの地形・都市環境から，建物が少なく遮のが少ない南および南西地点に配置した装置の 風速が高く，都市中心部に近く建物が多い北側にるものが少ない南および南西地点に配置した装置の風速が高く，都市中心部に近く建物が多い北側配置した装置の風速が低い傾向になったと考え られる。に配置した装置の風速が低い傾向になったと考えられる。


4. まとめ4．まとめ
独自に開発した安価な日射センサを含め，安価なセンサ類で構成したマルチ環境計測装置を作製
独自に開発した安価な日射センサを含め，安価なセンサ類で構成したマルチ環境計測装置を作製した。本装置に3G 回線通信モジュールを組み込むことで，各地点に配置した装置からワイヤレス通信を介してサーバへデータを転送する環境危機モニタリングシステムを開発した。豊橋技術科学した。本装置に3G回線通信モジュールを組み込むことで，各地点に配置した装置からワイヤレス通信を介してサーバへデータを転送する環境危機モニタリングシステムを開発した。豊橋技術科学

5－ 21 －

大学を中心とした地域においてフィールド試験を実施した。日射強度変化から雲の挙動把握が可能であることを明らかにした。また，風速測定では，各地点の地形および都市環境を反映した風速状況の違いが見られた。雲の挙動把握は，豪雨などの天候変化情報へ活かすことが可能であり，各地点における実際の風速状況の把握は，より正確な危険回避情報の提供につながると期待される。今後はさらにデータ解析を進め，多量な計測データからの必要な危険情報の抽出方法の検討を進めるとともに，長期的な環境データの収集・解析によって，地球温暖化対策等への貢献を目指す。
参考文献⑴

経田正幸，前田修平，天気，56（2009）pp.841-846⑵ 桶 真一郎，杉山智美，須田善行，滝川浩史，川嶋和子，太陽エネルギー，35（2009）pp.71–
76⑶ 杉山智美，M. A. Farizul，田上英人，須田善行，滝川浩史，桶真一郎，川嶋和子，太陽エネルギー, 37（2011）pp.55–61⑷ A
 . Bilguun, T. Nakaso, T. Harigai, Y. Suda, H. Takikawa, H. Tanoue, AIP Conf. Proc., 1709
(2016) pp.020025-1–020025-11⑸

針谷達，平岩剛，須田善行，滝川浩史，電気学会論文誌A，137（2017）pp.674–675－ 22 －