地球環境研究，Vol.21（2019）

ドップラーライダと温度センサーを付けたドローンによる同時観測
吉

﨑

正

憲＊

坂

田

啓

朗＊＊

キーワード：ドローン，おんどとり，ドップラーライダ

１．はじめに現在（2018年11月），立正大学・地球環境科学部の気象分野には，地上気象観測システム,ドップラーライダ（DL），高層観測システム（GPSゾンデ）があり，これらを利用して立正大学・熊谷キャンパスや長野市で精力的に観測を行っている．DLはレーザー光を発し大気

上昇流

中のエアロゾルから後方散乱で戻ってきた反射光の周波数の変化により視線方向の風を観測する測器である（Fujiwara and Fujiyoshi 2014, 水谷ほか 2014）．これにより，100mから数kmの風の細かい構造を見ることができる．
大気境界層内では，対流が活発な昼間では温位や水蒸気が鉛直方向に混合された対流混合層が形成される

図1 高咲ほか（2016）において観測された風の概念図．2次元ロー
図１
高咲ほか（2016）において観測された風の概念図．
ルは対流の循環を表し，水平に一様に並んでいる．面Aは高さ約50m
２次元ロールは対流の循環を表し，水平に一様の建物のDLを通る面であり，面Bは面Aから200mほど離れている．
に並んでいる．面Ａは高さ約50mの建物のDLを
赤点線はDLからの高度角0度の線を表す．面Bの白抜きの矢印は高度
角0度でみたときの水平風を表す．
通る面であり，面Ｂは面Ａから200mほど離れている．赤点線はDLからの高度角０度の線を表す．
面Ｂの白抜きの矢印は高度角０度でみたときの水平風を表す．

（光田・水間 1964，近藤・植田 1982，花房 1987，近藤
1999，森脇ほか 2003，八木ほか 2014）．鉛直シアのあするために，ドローンを用いた気温観測とDLによる風

る一般風が吹く中で対流が起こると，対流による鉛直流観測を行った．これによって，対流混合層の構造についの移流によって，上昇流のところでは下層からの弱風，て風と気温による同時観測を行うことが本研究の目的で下降流のところでは上層から強風が出現することが予想ある．

される（Asai 1970, Asai 1972）．そうした流れをDLで観測すると，強弱のある水平風が交互に並ぶパターンとなる．高咲ほか（2016）は，立正大学・熊谷キャンパス
においてこうしたロール状の対流パターンを捉えた（図１）．ところが，実際に観測されたのは視線方向の風だ
けであり，気温分布などはわからなかった．

２．観測手法・ドローンの飛行概要・観測日時（１）観測手法
本研究では，三つの観測測器を用いた．１つ目は，立正大学のDLシステム（三菱電機：LS-SID2GA）であり，当大学でこれから期待される観測測器として，ドロー

立正大学・熊谷キャンパスのユニデンス屋上（地上高約ンは有望な測器の一つである（国土交通省 2017）．ド45m）に設置してある．DLは，走査型ライダーで最大ローンとはコンピュータ制御で自立飛行する無人飛行機

180°の水平走査が可能である．詳しくは高咲ほか（2016）の総称であり，Unmanned aerial vehicleの頭文字を取っを参照してほしい．図２に設置場所と観測範囲を示す．

て，UAVとも称される．ドローンはGPSと機体を制御

２つ目はドローンであり，DJI社のPhantom３である．

するコンピュータを搭載することで自立飛行が可能とな

Phantom３は，全長・全幅350mm，全高200mm，重量

る．ドローンは，高度は限られるが，水平方向に面的には1280g（バッテリーとプロペラを含む）であり，小型・飛ぶことができる（佐々木ほか 2016）．

軽量である．ペイロードは約200gであり，動力源としそこで，立正大学・熊谷キャンパス上空の大気を観測＊＊＊て，4480mAhのリチウムポリマーバッテリーを使用す

立正大学地球環境科学部
日本気象㈱
125

ドップラーライダと温度センサーを付けたドローンによる同時観測（吉﨑・坂田）る。最大飛行時間は約23分である．また無風のときの飛－１

行速度は約５m s（２）ドローンの飛行概要
ドローンの飛行エリアは，安全上から，立正大学・熊である．

３つ目は簡易型の温度計であり，T＆D社のおんどと谷キャンパス内の陸上競技場上空とした（写真２）．陸り（TR-5106フッ素樹脂被覆サーミスタセンサー）で

上競技場は，DLが設置してあるユニデンスから北に約

あ る． 本 体 サ イ ズ は， 全 長62mm， 全 幅47mm， 全 高300mの場所にあり，DLとは約50mの高度差がある．陸19mmと小型であり，Phantom３にも搭載可能である．

上競技場の大きさは，東西約100m，南北約200mである．

観測できる項目は温度だけであり，0.1℃単位で記録でこの中で，地上50mと100mの二つの高度でＭ字形の飛きる．本体ロガーからセンサーが伸びており，その長さ行を行った．図３（ａ）に示すように，飛行は陸上競技場

は50cmである．先端の約１cm部分がセンサーとなって中央部から離陸して上昇しながらポイントａに移動し，いる．こうして，おんどとりをドローンに２台搭載し，そこから高度を保ちながらＭ字形の飛行を行い，ポイン

１秒毎に観測を行った．

トｂに達する．それから垂直に高度100mまで上昇してドローンは飛行中にバッテリーなどから熱を発していポイントｃまで移動し，そこから同じ高度を保ちながらる．この熱が観測値に影響を及ぼさないように，本研究50mのときとは逆向きにポイントｄまで達する．上からでは，Phantom３のアームに約30cmの“はり”を４方見ると，図３（ｂ）のようにＭ字形のコースを飛行するこ向に取り付けた．おんどとりを２台搭載し，センサー部とにより，DLで捉える（であろう）ロール状対流の走は進行方向後方の“はり”の先端２箇所に設置した（写行と比較できるようにした．

真１）
．

〶
200m
400m
600m

図2図２DLの観測範囲．DLは熊谷キャンパス内の学生寮（ユニデンス）のDLの観測範囲．DLは熊谷キャンパス内の学生寮
写真１ おんどとりを搭載したPhantom3．４方向に
写真1 “はり”を取り付け，進行方向の後方2箇所におんどとりを搭載したPhantom 3．4方向に“はり”
屋上に設置してある（三菱電機：LS-SID2GA）．本研究では，1台のDL（ユニデンス）の屋上に設置してある（三菱電機：
を取り付け，進行方向の後方2箇所にセンサーを取り付けた．
で大学側の半円のみを観測対象とした．陸上競技場は斜線域で示す．
LS-SID2GA）．本研究では，１台のDLで大学側センサーを取り付けた．
の半円のみを観測対象とした．陸上競技場は斜線
域で示す．

写真２
126

2017年９月13日９時48分ユニデンス屋上より北方向を撮影．赤枠内はドローンが飛行する観測領域を示す．

写真2 2017年9月13日9時48分ユニデンス屋上より北方向を撮影．赤枠内はドローンが飛行する観測領域を示す．

(a)地球環境研究，Vol.21（2019）

時刻のDLによる観測でも風速は全領域でほぼ０m s－１

(a)
(a)

であり，ロール状対流の構造は見られなかった．また10月18日以降の観測については，DL観測はなく，ドローンが観測した気温分布とDLと比較することができな
かった．そのため，ここでは両者の観測があった2017年
９月13日の事例について述べる．
（１）天気概況
2017年９月13日朝９時は，台風18号が先島諸島に接近

(b)
(b)
(b)

する一方，北海道と沖縄から九州南部にかけては低気圧
図3 (a)ドローン飛行ルートのイメージ図．
陸上競技場中央で離陸したドローンは，高や前線の影響で雨や曇りであった．しかしながら，関東
図3 (a)ドローン飛行ルートのイメージ図．
図3 (a)ドローン飛行ルートのイメージ図．
度50mに上昇してポイントaに移動する．
地方では気圧傾度はゆるやかで概ね晴れていた（図４）．
陸上競技場中央で離陸したドローンは，高そこから等高度をM字飛行を行い，ポイン
陸上競技場中央で離陸したドローンは，高度50mに上昇してポイントaに移動する．
熊谷キャンパスの北東4.9kmにある熊谷地方気象台におトbまで移動する．それから垂直に高度
そこから等高度をM字飛行を行い，ポイン
度50mに上昇してポイントaに移動する．
100mまで上昇してポイントcから等高度ける観測では，最高気温は32.2℃と９月としては高温でトbまで移動する．それから垂直に高度を折り返してポイントdまで移動する．(b)そこから等高度をM字飛行を行い，ポイン
100mまで上昇してポイントcから等高度あり相対湿度は８時では28％と非常に乾燥していた（図赤枠はドローンの飛行範囲，黄色はドロー
を折り返してポイントdまで移動する．(b)トbまで移動する．それから垂直に高度ンの飛行ルートを表す．
５（ａ））．一方，風は朝６時頃では１m s－１程度と弱かっ
赤枠はドローンの飛行範囲，黄色はドロー
100mまで上昇してポイントcから等高度たが，次第に強まり９時には７ms－１に達した．このとンの飛行ルートを表す．

を折り返してポイントdまで移動する．(b)きの風向は西南西－北北西であった（図５（ｂ））．

赤枠はドローンの飛行範囲，黄色はドロー
ンの飛行ルートを表す．
（２）ドローンによる気温観測の結果
当日は，ドローンにより６時28分－６時40分（１回目），
図３ （ａ）
ドローン飛行ルートのイメージ図．陸上競技
場中央で離陸したドローンは，高度50mに上昇
してポイントａに移動する．そこから等高度をＭ
字飛行を行い，ポイントｂまで移動する．それから垂直に高度100mまで上昇してポイントｃから等高度を折り返してポイントｄまで移動する．
（ｂ）
赤枠はドローンの飛行範囲，黄色はドローンの飛行ルートを表す．

７時28分－７時40分（２回目），８時00分－８時12分（３回目）と計３回の観測を行った．図６は，ドローンが離陸してから着陸するまでの気温の変動を示す．プロット
した気温の時系列は二つの観測値の平均である．これによると，１回目の観測（図６（ａ））では高度50mの気温（３）観測日時2017年８月から12月にかけて12回観測した．観測実施
日は，８月１日，２日，29日，30日，９月13日，10月18日，11月15日，21日，22日，12月３日，５日，６日である．このうち，11月21日と12月５日は夕方，その他は全て朝の観測である．12月３日の観測を除き，Phantom３を使用して観測した．他の日時も計画したが，陸上競技場上空の使用時間の制限があったり，雨天や強風などにより中止になったりすることから，上記の観測日時となった．

３．観測結果観測を実施した12日間のうち，８月１日，８月２日，８月29日，８月30日は観測中に風が極めて弱かった．同

図４

図4

2017年９月13日09時00分の地上天気図．

2017年9月13日09時00分の地上天気図．
127

ドップラーライダと温度センサーを付けたドローンによる同時観測（吉﨑・坂田）

気温 （℃）

相対湿度 （%）(a)

時間 （時)

⾵速 （m s-1）

⾵向 （°）(b)

時間 （時)
図５

熊谷地方気象台における2017年９月13日６時～17時の（ａ）気温と相対湿度と（ｂ）風速（実線）と風向（丸点）の時系列．

図5 熊谷地方気象台における2017年9月13日6時~17時の(a)気温と相対湿度と(b)風速（実線）と風向（丸点）の時系列．

25℃

(a)
628

629

630

631

632

633 634

(b)
728

(c)

635

636

637

638

639

640

737

738

739

740

25℃
729

730

731

732

733 734

735

736

25℃

800 801 802 803 804 805 806
809 810 811 812
807 808(a)
6時28分 - 6時40分,７時28分－７時40分,(b) 7時28分 - 7時40分,(c) 8時00分 - 8時12分のドロー
図６ 図6
（ａ）
６時28分－６時40分,（ｂ）（ｃ）８時00分－８時12分のドローン観測における気温の時系列．
ン観測における気温の時系列．
128

地球環境研究，Vol.21（2019）より地上気温が低く，接地逆転層があったことがわかる．

布（図７（ｃ），図７（ｄ））は，低温域と高温域は南北に同一高度における気温の変動幅に着目すると，１回目の逆であり，気温分布は図中に矢印で示したドローンの進

観測（図６
（ａ）
）では高度100mの一部を除き，気温変行方向と相関があるように見えた．つまり，ドローンが動は0.3℃程度と小さく小刻みでランダムに見えた．と北西に進んでいるときは相対的に高温，南東に進んでいころが，２回目（図６（ｂ））と３回目（図６（ｃ））の観るときは相対的に低温になっていた．

測では，気温の変動幅は0.5℃程度と大きく，高い部分と低い部分がはっきりと分かれていた．このときはなん（４）DLによる風観測との比較
図８は，DL高度角０°で観測された８時00分から８時

らかの規則性があったといえる．

12分までの６分ごとの視線方向の風の分布である．風向（３）ドローンによる気温の水平分布

は全ての時間を通して，北-北西であった．陸上競技場

ドローンは高度50mの観測を行った後に上昇して高の南西側になるアカデミックキューブ付近では弱風域が度100mの観測を行っているため，進行方向は逆となる．

線状に伸びており，対流のロール状パターンのようにも

また高度50mと高度100mとの観測時刻には数分のズレ見えたが，DLの電波は観測範囲に届かず，陸上競技場がある．ここではDLの解像度が30mとなるように合わでの対流のロール状パターンまでは確認できなかった．

せて，気温の観測間隔を30m間隔とした．

ドローンが飛行した時間帯では観測範囲は200m前後と２回目の観測の高度50mにおける気温の水平分布を図

さらに狭く，陸上競技場上空の風の分布はわからなかっ

７（ａ），高度100mにおける気温の水平分布を図７（ｂ），

た（図略）．陸上競技場までDLが見通せなかった一つの３回目の観測の高度50mにおける気温の水平分布を図７

理由として，前日の雨により９月13日の朝は空気が澄ん（ｃ），高度100mにおける気温の水平分布を図７（ｄ）にでおり大気中のエアロゾルが少なくて，観測範囲が小さ示す．これによると，２回目の高度100mの場合（図７くなったためと考えられる．

（ｂ））を除き，高温域と低温域が交互に並んでいたように見えた．しかし，３回目の高度50mと100mの気温分

(a)

(b)

⻄

東 ⻄

(c)

(d)
東

⻄

東

⻄

東

図７図7
（ａ）７時29分－７時32分の高度50m，（ｂ）７時32分－７時36分の高度100m，（ｃ）８時01分－８時04分(a)７時29分 - 7時32分の高度50m，(b)７時32分- 7時36分の高度100m，の高度50m，（ｄ）８時05分－８時09分の高度100mにおける気温の水平分布．

(c) 8時01分 - 8時04分の高度50m,
る気温の水平分布．

(d) 8時05分 - 8時09分の高度100mにおけ

129

ドップラーライダと温度センサーを付けたドローンによる同時観測（吉﨑・坂田）

-8
図８

-4

0
(m s-1)

4

8

2017年９月13日８時00分～８時12分までの６分ごとのDL視線方向の風速の水平分布．

図8 2017年9月13日8時00分~8時12分までの6分ごとのDL視線方向の風速の水平分布．

４．議論（１）風向とドローンの進行方向と気温の関係
対 流 混合層について，さまざまな数 値 実 験 が あ る

高温であり，南東に進んでいるとき，つまり追い風のときに低温となっていた．つまり，想定される気温変化とは逆であり，直射日光は高温域と低温域のずれの主因ではなかったと結論された．

（Nakanishi 2000, Fujiwara et al. 2011, 中 西 2013）． 例

気温を測定するために使用したおんどとりの空気に対えば，中西（2013）の理想化された数値実験例を見る

する時定数は約80秒であり，ドローンの無風時の飛行速と，対流活動によって混合層が再現され，内部に対流

度は約５m s－１である．無風の場合，おんどとりを装着

セル構造が見られた．温位分布をみると，混合層内でしたドローンが約400m（＝５m s－１ ×80秒）以上離れは対流セルの上昇流と下降流の間では１Kぐらいの温位

ると物理的に意味のある観測ができるようになるが，今差があった．これから，混合層内での水平方向の気温

回のドローン観測では最大直線距離は高々約140m（Ｍ差は0.5～１℃が観測されると考えられた．また，気温

字の中の１直線）であり，直射日光の問題や気温の時定の水平分布における高温域と低温域は，50mと100mの数に関しては問題が多かったと思われる．

高度では同じような位置にあると予想された．しかし，３.（３）節で述べたように，50mと100mの高度で高温域と低温域の位置はずれており，むしろドローンの進行方向と相関があるように見えた．このずれの一因とし（２）ドローン観測にかかわる問題点
今回の観測からいくつか問題点がわかってきたので，それらをリストしておく．

て，Phantom３に搭載した温度計のセンサー部が直射日

１つ目は，ドローンによる観測の手法が確立されてい光に当たっていた可能性があった．直射日光が当たる場なかった点である．またPhantom３の積載容量の不足等

合，センサーは温められ周囲の気温より少なからず観測により，予定通りの飛行実験が実施できなかった．まず値は高くなると予想できる．もし，この状態で強い風がは前段階として，風洞実験や気象観測鉄塔などを用いて吹けばセンサー部より温度が低い空気がドローンの動き

比較検証を行うべきであった．
（本学にそのような設備に応じてセンサー部にぶつかることになり，センサー部はない）．またドローンの飛行速度と移動方向，一般風

は無風時に比べて空気による冷却効果が大きくなると思との関係，おんどとりのセンサーの通風や日射の問題なわれる．そうなると，向かい風のときに低温となり追いどをまず明らかにすべきであった．

風のときには高温となると想像される．しかし，観測値

２つ目は，対象としている対流によるロール状パター

では，北西に進んでいるとき，つまり向かい風のときにンの発生頻度が低い点である．ロール状の対流が発生

130地球環境研究，Vol.21（2019）

したとしても，それをDLで観測できる最低条件として，晴天であること，上空にある程度の風が吹いており鉛直

参考文献

シアがあること，空気中に適度な量のエアロゾルが存在

Asai T., 1970: Three-dimensional features of thermal

すること，などがある．しかしながら，それらすべてを

convection in a plane Couette flow. J. Meteor. Soc. Japan ,満たすのは非常に難しかった．
３つ目は，実際のフィールドには気温や風を決定する要因が多数にあり，それぞれが複雑に絡まり合って様々な乱流が発生したことである．熊谷キャンパスの東側か

48, 18-29．
Asai, T., 1972: Thermal instability of a shear flow turning
the direction with height. J. Meteor. Soc. Japan , 50, 525532
Fujiwara, C. and Y. Fujiyoshi, 2014: Detection of invisible

ら南側にかけては森林や田畑が広がるが，西側は住宅やwaterspout 3D scanning Doppler lidar. SOLA , 10, 127-130．

工場が立ち並んでいる．こういった周辺環境は気温分布

Fujiwara. C., K. Yamashita, M. Nakanishi and Y. Fujiyoshi,にさまざまな影響を与えていたと想像される．

2011: Dust devil like vortices in an urban area detected by a
3-D scanning Doppler lidar. J. Appl. Meteor. Climatology , 50,
534-547．

５．おわりに

花房龍男，1987：地表面付近の風と温度のふるまい．日本気象学会北海道支部機関紙「細氷 」，33，45-68．

本研究の狙いは，図１に示されたような対流混合層の国土交通省：無人航空機（ドローン・ラジコン機等）の飛行

構造（温度や風の分布）を観測することであった．しかルール．http://www.mlit.go.jp/koku/koku_tk10_000003.

しながら，今回のトライアルでは大気中のエアロゾルが少なくてDLの電波はドローンの飛行領域まで届かず観測は不十分となり，期待したような対流混合層内での風と気温の構造までは得られなかった．しかし，本研究は，ドローン観測という新しい手法で，対流混合層におけるロール状対流を直接観測しようとした試みであり，先駆html（2017.12.23閲覧）
近藤次郎，植田洋匡, 1982：大気境界層内の乱流輸送現象，

ながれ , 1, 21-34．
近藤純正，1999：風はどのように吹くか．大気境界層の気象，

天気 ，46，21-30．
光田寧，水間満郎，1964：超音波風速計とその試作，天気 ，
11，33-40．

的なものであった．また，９月13日のドローンの観測か

水谷耕平・石井昌憲，森一正，藤吉康志・藤原忠誠，2014：

ら，気温の変動幅が0.5℃ぐらいの規則性のある構造を

高層気象観測の発展と現状，気象研究ノート （水野量・上捉えることができた．これは一つの大きな成果である．
今後さらなる発展を期待したい．
謝辞
本研究を進めるにあたり，データの取得，解析方法など多大な援助をして頂いた院生の髙咲良規氏，ドローンの運用に関してご協力頂いた後藤真太郎先生には心から感謝いたします．助言などを頂いた総観気象学研究室の森泉慎一氏，春原光希氏，田中洋祐氏，梅澤僚太氏，小川吉史氏，石島裕一氏，矢野雄大氏，岩崎翔氏，渡辺洋
平氏，また本研究において協力頂いた方々にも感謝します．

窪哲郎，定村努編集），229, 83-122．
森脇亮，神田学，木本由花, 2003：都市接地層における乱流
プロファイルの大気安定度依存性，水工学論文集 , 47, 1-6．
Nakanishi, M., 2000: Large-eddy simulation of radiation fog.

Bound. －Layer Meteor ., 94, 461-493.
中西幹郎，2013：大気境界層，地球環境の事典（吉﨑正憲，
野田彰編集），94-95．
佐々木寛介，河見博文，町田駿一，小島啓美，井上実，辻本浩史，渡辺豊，名取悦朗，平坂直行（2016）：ドローンを用いた高層気象観測技術の開発，水文・水資源学会，セッションID: 20．
高咲良規，吉崎正憲，渡来靖，中川清隆，蓜島徹也，武井祐
興，2016：立正大学・熊谷キャンパスにおけるドップラー
ライダによる水平風の観測，地球環境研究 , 18, 49-55．
八木綾子，稲垣厚至，神田学，藤原忠誠，藤吉康志（2014）：
相似則に基づいた大気境界層における水平乱流場の分類，

土木学会論文集Ｂ1（水工学），70, 1_325-l_330．

131

ドップラーライダと温度センサーを付けたドローンによる同時観測（吉﨑・坂田）

Combined observation of a Doppler lidar anda drone with temperature sensors
Yoshizaki Masanori＊ , Sakata Hiroaki＊＊＊

Faculty of Geo-environmental Science, Rissho University＊＊
Japan Weather

Abstract:
Doppler lidar（DL）observations by Takasaki et al.（2016）suggested that roll-shaped convections mightoccur early morning in the Kumagaya campus of the Rissho University. In order to reconfirm such disturbances,
a combined observation of DL and a drone with temperature sensors was conducted in a fair morning on 13
September 2017. The drone’s flights followed an M-shaped course covering an area of 100 x 200 m at two flightlevels（50 and 100 m above the ground）．The observed temperature showed alternate patterns with high and low
temperatures of about 0.5 degrees difference. However, DL observation was not obtained due to insufficient amountof aerosols, preventing from the DL to cover the drone’s flight area.
Key words: temperature sensor，drone，Doppler lidar

132