光学式反射型固体降水観測器の降水量に対する風向風速依存性に関する研究
長岡技術科学大学 地球環境工学研究室 遠藤 優斗
指導教員 熊倉 俊郎

はじめに

1

冬季における降雪・積雪による交通障害・災害などの問題に対して防災効果を高めるためには，正確な降水量および災害によっては降水種の情報が必要となる．一般に地上降水量の測定には円筒型の雨量計を

図 1

光学式反射型固体降水観測器と用いた手法が主流である．しかし，固体粒

出力概略図

子観測においては風の影響を受けやすく，捕捉率の低下に伴う降水量誤差が発生する

観測地点を防災科学技術研究所雪氷防災研究ことが知られる．また，降水種別判別に関センターとし，2018 年 1 月の風向風速データ，しても気象台など一部の観測に限られておDFIR 内の GEONOR 降水量，気温データを用いり，現場で使用できる機器が求められる．て，降雪期間の風向風速の統計を取った．降雪

本研究で対象としている光学センサーを用

期間は GEONOR 降水量を 10 分間降水量に変いた固体降水観測器は上記の問題を解決す換した後，1℃以下の気温で，0.5mm/10min 以るために開発されている．しかし，円筒状上のある期間とした．この降雪期間時の風向風とは異なるものの，降水粒子が風向風速の速を解析し，設置地点の主風向を南西と定めた．

影響受け，観測領域への入り方によって無これを図 2 に示す．この解析結果を元に設置と風時と計測値が異なる可能性が考えられ観測を行った．

る．そこで本研究では，光学式反射型固体

2.2.2 2018 年 12 月～2019 年 3 月の降雪観測

降水観測器の測定結果に対する風の影響を2018 年 12 月～2019 年 3 月の降雪観測を行う検証するとともに，降水量推定式に対する前に，観測に使用する本測器の校正を行った．

補正方法を提案することを目的とする．

観測地点は項 2.2.1 と同じ地点とし，図 2 から観測と方法

22.1

設置地点の主風向を南西とし，①主風向に対し光学式反射型固体降水観測器についてて正面．②主風向に対して直角（北西向き）で本研究の対象とする光学式反射型固体降設置を行い，防風ネット内にも本測器を 1 台設

水観測器（以下：本測器）を，図 1 に示置した．設置状況を図 3 に示す．

す．本測器は，固体粒子に対する近赤外線
300

信号を AD 変換して 0.2ms 間隔でデータを出

250

風向数

200

平均風速[m/s]

100

いる．なお，この算出は無風状態を前提と50している．

0観測

2.2.1 設置地点の風向風速の解析

2.00

1.50

150

イコン処理で降水種別と降水量を算出して

2.2

2.50

1.00
0.50
0.00
北 北 北 東 東 東 南 南 南 南 南 西 西 西 北 北 無
南 東 南
南 西 南
北 西 北 風北 東 北東東東西西西東西

図 22018 年 1 月の風向頻度分布

平均風速[m/s]

力する仕様である．この観測値から内部マ風向数の反射強度（電圧値）を測定し，アナログ

防風ネット

反射型FSO

反射型
NW

反射型
SW

1.

対象とする降水量計の観測

2.

WMO の推奨方法により，比較対象とする
DFIR の真の降水量の推定

GEONOR
降水量計

3.

風向の 16 方位ごとにデータを分類

4.

測器正面に対する入射角度ごとにデータを再分類

DFIR
反射型NW
反射型SW

5.

露場風車型
風速計
気温センサー

補足率を（測定値/真値）で表し，風速との依存関係を入射角度ごとに検証

6.

る．

FSO
反射型FSO

吉田（1959）の式 3)で回帰させ補正式を求め

2.4.2 解析に用いた降雪期間
観測データを元に，0°以下の気温で，降水が見

図 3

2.3

本測器の設置状況

られる期間のうち，すべての観測データが揃っている期間を表 1 に示す．

観測データ

2.3.1 降水量データ
降水量の観測データは DFIR 及び，FSO 内に設置

表 1 観測データが得られた降雪期間

さ れ た 重 量 式 降 水 量 計 GEONOR を 用 い た ．
GEONOR 降水量は観測値が積算値であるため，現時刻の積算値から 1 分前の積算値を減算して 1 分間降水量としたのち，3 つの重量式センサーの平均値としている．なお，DFIR の GEONOR は重量表 1 より，風のあるデータ数がもっとも多く得式センサーのうち 1 つのノイズが大きいかったた

られた 2019 年 1 月 23 日 0 時 0 分から 1 月 29 日

め，2 つの平均とした．

0 時 0 分までの期間である降雪期間 5 を解析対象

2.3.2 光学式反射型固体降水観測器の観測データとした．

解析および結果

3
本測器の観測期間は 2018 年 12 月 31 日～2019 3.1

DFIR の補正

年 3 月 26 日で，その内 2019 年 1 月 1 日～10 日及DFIR の降水は以下に示した Goodison（1998）

び，1 月 21～22 日，1 月 29 日～2 月 7 日の間は欠の補正式 1)を用いて補正を行い，真の降水量とし測期間である．て扱う．なお，𝑃BUSH は真の降水量，𝑃DFIR は DFIR の2.3.3 風向風速気温データ

降水量，𝑊𝑠 は風速である．
𝑃BUSH /𝑃DFIR =100+0.439𝑊𝑠 +0.22𝑊𝑠 2 (1)

風向・風速・気温データはそれぞれ，ネット外に設置した本測器の西側に設置してある観測器を使用した．それぞれ，1 分データを用いている．

3.2

降水量推定
無風条件下において，疑似平均個数𝑁，粒形の直解析方法

̂ ，落下速度に相当する値𝑊
̂ より，本径に相当する値𝐷2.4.1 解析の手順

測器の推定降水量𝑃ℎは以下の式(2)で求めることが2.4

本測器の捕捉率補正手法の参考として，「冬期における降水量計の補足特性」（横山ら，2003）2)を参考として，以下の手順で解析を行うこととした．

できる．
33̂2𝑊
̂ 2 (2)
Ph=KN𝐷の時，DFIR において 0.1[mm/min]程度のノイズがあり，降水が少ない場合において，捕捉率に異常値が多く見られたことから，0.2[mm/min]以下の降水を外すこととした．また，反射型の降水が見られないデータも除いている．その後，
16 方位ごとに分割したデータ数を反射型 NWと反射型 SW それぞれについて表 2 に示す．

3.4 入射角度ごとのデータの再分類
捕捉率特性を知るためにはデータ数が多いことが望ましい．そこで，反射型 NW と SW それぞれに対する入射方向を 9 つの方向に分けて，データの再分類を行うこととした．入射角度ごとの区
図 43232

̂ 𝑊
̂ と反射型 FSO の KN𝐷

GEONOR 降水量の回帰図分を図 5 に示す．また，9 つの入射角度に対する反射型 NW と SW の風向の区分を再分類について
表 3 に示す．

表 2 16 方位ごとに反射型 NW と SW

3.5 入射角度ごとの風速に対する捕捉率特性のデータ数

ネット外の降水量を DFIR の真の降水量で除したものを捕捉率とし，本測器に粒子が入り込む入射角度ごとに，捕捉率と風速の特性を検証し，補正値を導出した．

33

̂ 2𝑊
̂ 2と FSO の GEONOR
係数𝐾は図 4 に示した，
N𝐷
降水量から回帰分析により定める．定めた式を式（3）に示す．
33

̂ 2𝑊
̂ 2 (3)Ph=3.14×10−7 N𝐷

式(3)より，ネット外の降水量推定値を算出する．

3.3

16 方位ごとにデータを分類
それぞれ風向を 16 方位に分割を行った．こ

図 5

入射角度の区分ととした．正面方向における捕捉率𝐶𝑅front を式（4）表 3 各風向に対する入射角度の振り分けに示す．
𝐶𝑅front =1.325 (4)図 6 より，側面方向における平均捕捉率は約 1 であるため，捕捉率𝐶𝑅side は 1 とした．これを式（5）に示す．
𝐶𝑅side =1 (5)図 6 より，背面方向における平均捕捉率は 1 よりも小さくなっている．また，最背面である入射角度 9 に近づくほど，捕捉率が下がっていることがわかる．そこで，吉田（1959）の式 3)を参考に入射角度 7,8,9,のそれぞれで線形回帰を行い，捕捉率を求めた．入射角度 7 の線形回帰を図 7 に示す．これにより求め式を式（6）に示す．𝑊𝑠 は風速である．
𝐶𝑅back7 =1-0.315𝑊𝑠 (6)入射角度 8 の線形回帰を図 8 に示す．これにより求め式を式（7）に示す．
𝐶𝑅back8 =1-0.412𝑊𝑠 (7)入射角度 9 の線形回帰を図 9 に示す．これにより求め式を式（8）に示す．
𝐶𝑅back9 =1-0.466𝑊𝑠 (8)次に，入射角度 7,8,9 は最背面である 9 に近づくほど，捕捉率が下がる傾向が見られたことから，角度を含む式が作成できると考えた．そこで，式（9）を基に角度依存性を含む式を作成した．これを式（9）に示す．なお，𝜃は入射角度の平均角度（例
図 6 入射角度ごとの平均捕捉率として 30°～40°なら 35°）である．
𝐶𝑅back =1+0.466𝑊𝑠 𝑐𝑜𝑠𝜃 (9)

4

結果と考察

式（9）の妥当性を評価するために，入射角度 7,8,9

図 5 に示した入射角度の区分ごとに，捕捉率ののそれぞれで線形回帰により求めた式と比較を平均を求めたものを図 6 に示す．入射角度 1,2,3 を行った．入射角度 7 における式（6）と式（9）の正面方向，入射角度 4,5,6 を側面方向，入射角度比較を図 10 に示す．入射角度 8 における式（7）7,8,9 を背面方向と定義する．式（2）で示した降と式（9）の比較を図 11 に示す．入射角度 9 にお水量推定式に加える補正係数として，正面・側面・ける式（8）と式（9）の比較を図 12 に示す．

背面ごとに捕捉率を定め，その逆数を乗することとした．図 6 より，正面方向の平均捕捉率はそれぞれ 1 を超えていることから，平均値を用いるこ

図 7 入射角度 7 の線形回帰

図 10 回帰式と角度を含む関数の比較（角度7）黒線：式（6），赤線：式（9）図 11 回帰式と角度を含む関数の比較（角度
図 8 入射角度 8 の線形回帰

8）黒線：式（7），赤線：式（9）図 12 回帰式と角度を含む関数の比較（角度
図 9 入射角度 9 の線形回帰

9）黒線：式（8），赤線：式（9）入射角度 7 における式（6）と式（9）の比

参考文献

較を図 10 に示す．入射角度 8 における式

1) Goodison B.E， Louie P. Y.T. and Yang D（1998）“WMO（7）と式（9）の比較を図 11 に示す．入射Solid Precipitation Measurement Intercompar sison Final

角度 9 における式（8）と式（9）の比較をReport”，WMO：14

図 12 に示す．

2)横山宏太朗・大野宏之・小南靖弘・井上聡・川方俊和．

図 10 より，入射角度 7 における式（6）と式（9）の比較では，式（9）を用いた方が平均捕65 巻 3 号捉率に近い捕捉率を示すことが分かる．
図 11 よ3) 吉田作松．積算雪量計の研究（第二報）主として型別り，入射角度 8 における式（7）と式（9）の比の捕集率ならびに積算雪量計実用化のための吟味．研究時

較では，式（9）の方が風速 0~1.5m/s に対して

報 11 1959 年

平均捕捉率に近い値を示している．図 12 は入射角度 9 における式（8）と式（9）の比較である．式（9）における𝜃は最背面の平均角度を 180°として，式（8）と同じ係数となる．よって，同一の近似曲線となる．以上の比較から式（9）を背面方向の捕捉率として用いることとした．

5

冬期における降水量計の捕捉特性．日本雪氷学会誌雪氷

まとめ
入射角度ごとの平均捕捉率の傾向から，正面方向および側面方向の補正係数を定めた式を以下に示す．正面方向の補正降水量
𝑃front が式（10），側面方向の補正降水量𝑃side が式（11），背面方向の補正降水量𝑃𝑏𝑎𝑐𝑘 が式（12）である．なお，本研究における背面方向の式（12）は線形近似により係数を定めたが，風速の高い場合はこの式では，マイナスの値を示してしまう．観測による高い風速域のデータ数も少なかったことから，今回定めた式は，低風速域（風速 2m/s以下）程度で有効な式であると考えられる．
33

̂ 2𝑊
̂ 2 (10)𝑃front =0.755×3.14×10−7 N𝐷
33

̂2𝑊̂ 2 (11)
𝑃side =3.14×10−7 N𝐷
𝑃𝑏𝑎𝑐𝑘 =

3.14
1+0.446𝑊𝑠𝑐𝑜𝑠𝜃

33

̂2𝑊
̂ 2 (12)
×10−7 N𝐷

2003 年 5 月 PP.303-316

PP.507-524