ＩＳＳＮ２４３６－０３５Ｘ

港湾空港技術研究所
資料
TECHNICAL NOTEOFTHE PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE

No.1382

March 2021

舶用風向風速計の現地における精度検証とキャリブレーション―東京湾口定期航路フェリーによる検討―
細川

国立研究開発法人

真也・大倉 翔太

海上・港湾・航空技術研究所

National Institute of Maritime,
Port and Aviation Technology, Japan目

次・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・3

1． まえがき ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

4

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

4

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

4

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

6

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

7

要

旨

2． 「かなや丸」 による風観測の概要及び信頼性
2.1 観測の概要

2.2 角度と測定値の定義

2.3 船上風の測定精度と対地風の推定精度

2.4 まとめ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 10

3． 「かなや丸」 の風向風速計の精度検証とキャリブレーション

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 11

3.1 概要・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 11

3.2 方法・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 12

3.3 結果と考察・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 14

3.4 まとめ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 18
4． 一般船舶における風向風速計の精度検証方法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 18
4.1 概要・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 18

4.2 方法・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 19

4.3 結果と考察・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 19

4.4 まとめ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 24
5． あとがき ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 24
5.1 本論文の結論

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 24

5.2 今後の展望・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 25

謝辞 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 26
参考文献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 27
付録 A 標本平均合成ベクトル長の特性 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 28
付録 B 船上風の測定精度と対地風の推定精度の関係
付録 C 推定される風向風速の往復比較

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 29

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 36

—1—

On In Situ Accuracy Verification and Calibration of Wind Speed and Direction Meter
on the Ship: Study using a ferry on a regular service route at the mouth of Tokyo Bay
Shinya HOSOKAWA*, Shota OKURA**

SynopsisWind observation by ships is important for the understanding of weather and oceanographic
conditions and for the safe navigation of ships. Therefore, the accuracy of the observation is required.
In this study, the misalignment and scale factor of the wind speed and direction meter were verified
based on the data accumulated by the Kanaya-Maru for 1.5 years, and calibration was performed basedon the verification results. The results indicated that the wind speed and direction meter on the KanayaMaru had a slight clockwise-misalignment angle from the course direction of the ship, and that the windspeed may have been slightly overestimated. Based on the results of this verification, the accuracy was
improved by the calibration of this wind speed and direction meter compared to before the correction.
Next, for general ships, the characteristics of the wind conditions, the number of data required, andthe index used in the validation were discussed to efficiently validate the wind speed and direction
meter, using the data from the Kanaya-Maru as simulation data. As a result, it was shown that themoderate wind-speed on the ground and the unbiased wind direction are important to find misalignment
angles and scale factors. The number of voyages can be reduced if the verification is conducted underappropriate conditions. In addition, it was shown that it is important to select an appropriate index
according to the conditions. Our results may contribute to more accurate atmospheric observations of
the Kanaya-Maru in the future and to more eﬃcient field calibration of general ships.
Key words: Wind on ship, Wind on the ground, Mobile observation, Misalignment, Scale factor,
On in situ calibration***

Group Leader, Marine Environmental Information Group
Researcher, Marine Environmental Information Group
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, Japan Port and Airport Research Institute
Phone : +81-46-844-5107, Fax : +81-46-844-1274
E-mail: hosokawa@p.mpat.go.jp—2—舶用風向風速計の現地における精度検証とキャリブレーション―東京湾口定期航路フェリーによる検討―
細川 真也 *， 大倉 翔太 **要

旨船舶による風観測は， 気象や海象の把握及び船舶の安全な航行のために重要であり正確性が求められる．
本研究では， 「かなや丸」 で約 1 年半の間に蓄積されたデータに基づき， 風向風速計のミスアライメント及び風速値の検証， 検証結果に基づいたキャリブレーションを行った． この結果， 「かなや丸」 の風向風速計には船の進行方向からやや時計回りのミスアライメント角があり， 風速の値はやや過大評価している可能性が示された．
この検証結果に基づきキャリブレーションしたところ， 補正前に比べて精度が改善された． 次に， 「かなや丸」のデータをシミュレーションデータとして活用し，一般船舶が効率的に風向風速計の検証を行うための風の条件，
必要とするデータ数，検証に用いる評価指数の特徴について考察した． この結果，対地風が適度な風速であり，かつ， 偏りのない風向の下で検証しなければ明確なミスアライメント角及び風速の倍率を見出せないこと， 適切な条件の下で検証すれば航行数は減らせることを示した． また， 条件に応じた適切な評価指標の選択が重要であることを示した． 本研究成果により 「かなや丸」 の今後の正確な大気観測が行われ， 一般船舶の現地キャ
リブレーションが効率的に実施されることが期待される．

キーワード ： 船上風， 対地風， 移動観測， ミスアライメント， 風速の倍率， 現地キャリブレーション***

海洋環境制御システム研究領域海洋環境情報研究グループ グループ長
海洋環境制御システム研究領域海洋環境情報研究グループ 研究官〒 239-0826 神奈川県横須賀市長瀬 3-1-1 港湾空港技術研究所
E-mail: hosokawa@p.mpat.go.jp
電話 ： 046-844-5107, Fax ： 046-844-1274—3—

1. まえがき

検証及びキャリブレーションに主眼を置き， 「かなや丸」 の風
向風速計に含まれる誤差の検証及びキャリブレーションを実海上における風の観測は気象や海象の把握 ・ 予測に欠か施した． さらに， このデータを活用し， 一般船舶が効率的にせないものの， 観測コストの高さから， そのデータは陸上に

風向風速計の精度を現地で検証し， キャリブレーションを行う

比べて著しく少ない． このような状況の中で， コストを抑えるために気を付ける事項を整理した．

海上風の観測が行われている． 例えば， 気象庁は， 船舶の

2. 「かなや丸」 による風観測の概要及び信頼性

安全かつ効率的な運航に資することを目的として， 一般船舶
から篤志で通報を受けてそれを気象情報として取りまとめた上で船舶関係者へ提供する業務を行っている 1)． また， 近年

2.1 観測の概要の通信機器やセンサーの低コスト化を背景として， 海上にお(1) はじめにける風観測システムの構築の試みも行われている 2)．

「かなや丸」 は， 東京湾の湾口上を航行し， 神奈川県久里海上における風観測の信頼性を高めるためには， その精度

浜港と千葉県金谷港を結ぶ民間フェリーであり， 一日当たりの確保が重要となる． しかし， 気象観測を目的としていない

6 もしくは 7 往復する． 「かなや丸」 の航跡は， 多くの場合は

一般船舶の場合， 風観測の障壁も少なくない． 例えば， 船

久里浜港と金谷港を直線的に結ぶものであるが， 周辺船舶体の構造が自体が障壁となる場合もあり， 数値計算等を用いを避けるために蛇行することもある （図―2.1a）． 風観測に用つつ最善の場所を探ることもある 3)． また， 一般船舶では風いる風向風速計は， 東京湾フェリー株式会社が所有するマス向風速計の測定値がアナログ指示器で示されていることも少ト上に既設の舶用プロペラ式のものであり， 計画満載喫水線なくなく， 船員による船上風の読み取りミスが対地風の推定にから鉛直方向に 19.6 m の位置に設置されている（図―2.1b）．

与える影響も検討されている 4)．

風向風速計 （N-162D， 株式会社日本エレクトリック ・ インス

また， 船舶による風観測は風向風速計自体が移動して行わ

ルメント社製 （現 ANEOS 株式会社）， 東京） の仕様は， 資れることから， その観測方法が精度に大きく影響する． 船舶料が残っておらず精度の詳細は不明である．

による流れの精度に関しては， 船舶に搭載した超音波ドップ

風向風速計は， これまで発信器から操舵室の指示器に

ラー流速計 （Acoustic Doppler Current Profiler， ADCP） に

アナログ信号で引き込んでいたが， 港湾空港技術研究所

よる検討が 1980 年代から活発に行われ 5),6)， 計測器の設置のデータ処理装置にもデータを分配するよう風向風速変換

等の誤差がその精度に強く影響することが知られている． し器 （WU60R， 株式会社日本エレクトリック ・ インスルメント社

かし， ADCP は船底に設置されていることも多く， 一度設置

製， 東京） を設置した （図―2.1c）． データ処理装置には，してしまうと取り付け直すことは容易ではない． このことから，

NMEA 信号 （海上電子装置のデータ仕様） へ変換したデー

現場での計測データに基づいた誤差の定量評価及びキャリタを引き込み， 位置情報と共に定期的に港湾空港技術研究

ブレーションが採用される 5)．

所へ伝送するようシステムを構築した．

風観測の精度に関してもこの考え方が参考になるが， 風向「かなや丸」 の航路近くには， 海上保安庁の AIS 信号所が

風速計は船上に設置されることから， ADCP に比べて事後であり （図―2.1a）， ここでも風観測が行われている 9)． AIS 信

設置誤差を修正しやすい． また， 風向風速計の測定値の劣号所における風向は， 概ね北－北東からと南西からの二方化を抑えるための検定を定期的に行うことで観測精度は確保向であり （図―2.2a）， 「かなや丸」 はこの風を横切るようにされる 7)． しかし， いずれにしても費用は掛かることから， 設

航行している． AIS 信号所における風速は 6 m s−1 にピーク

置者の立場からすれば， 可能な限り， 設置の修正は避け，を有している （図―2.2b）．
風向風速変換器は 2019 年 2 月 5 日の午後に設置し， そ

風観測の精度確保はキャリブレーションで済ませたいと考えるのは自然なことである．

れ以降のデータが蓄積されている． 2020 年 9 月までの約１

港湾空港技術研究所では東京湾フェリー株式会社の協力

年半の間ではデータの転送不良等による欠測期間が何度かを得て， 2003 年から 「かなや丸」 の船底に ADCP を設置しあったものの， 月当たり最大で 400 航行のデータが収録されて東京湾口の流動観測を行っている 8)． さらに， 近年は 「かた（図―2.3）．風向風速変換器を設置した 2019 年 2 月のデー

なや丸」 を用いた大気質観測手法の開発も試みており， そ

タ数はやや少なく， 2019 年 6 月と 12 月は 「かなや丸」 の入の一環として 2019 年から風観測を開始している． この観測に渠のため航行数が少ない． また， 2020 年 4 月においては，

おいては， 東京湾フェリー株式会社から風向風速計のデータ

新型コロナウィルスの感染拡大に伴う緊急事態宣言への対応を頂くことで費用低減を図っているが， この風向風速計の風により航行数が少なくなっている．

観測としての精度は不明である．

なお，「かなや丸」 は夜間においては港内で停泊中のため，

本研究では， 船舶における正確な風観測を目的とした精度

この風観測は 「かなや丸」 が運航するおよそ午前 6 時から

—4—

(a)

(c)
Ⓨಙჾ

Longitude, E
139° 30’140° 00’

20 km

35° 30’Latitude, Nᾆ㈡Ỉ㐨⯟㊰୰ኸ➨୍ྕ$,6ಙྕᡤᣦ♧ჾ

35° 14’035° 12’ஂ㔛὾
3 km
㔠㇂139° 44’139° 46’

35° 10’Latitude, N

35° 00’

180

60

AC

A/D ኚ᥮ჾ
(WU60R)

139° 48’

RS-422Longitude, E

ಙྕኚ᥮ჾ
(b)

30
0

㟁※ቃ⏺

AC

RS-232C

19.6 m

23.0 m

Ⓨಙჾ

ⅺ ↙

↳ ɺ

PC
79.0 mࢩࣥࢢ࣮ࣝ࣎ࢻ C✵◊㸦ࢹ࣮ࢱ⵳✚㸧 ࣜ࢔ࣝࢱ࢖࣒㓄ಙ

図―2.1 「かなや丸」の航路と風向風速計の概要． （a）「かなや丸」の航路，（b）風向風速計の発信器の設置場所，（c）データの取得方法を示している．
「かなや丸」 は， 神奈川県の久里浜港と千葉県の金谷港の間を概ね直線的に航行しており， 海上保安庁が設置している浦賀水道航路中央第一号 AIS 信号所 （35° 12’ 43”N， 139° 46’ 36”E；https://www6.kaiho.mlit.go.jp/info/mics_terms.html） 近くを航行している． 発信器は，計画満載喫水線より鉛直方向に 19.6 m のマスト上に設置され， ここから操舵室にアナログデータ （シアン） を引き込んでいる． 港湾空港
技術研究所による観測の開始前は， 発信器から指示器へアナログデータを引き込んでいたが （シアン破線）， A/D 変換器を設置してデジタルに変換したデータをデータ処理装置へ取り込むように工夫した （マゼンタ）．

午後 8 時までの限定のものとなっている． また， 港内での停RD instruments 社製， CA） では， 船舶と海底面との相対な

泊中は風向風速計の電源を落としているため， 港内の風の移動方向と速度を測定する高性能ボトムトラック機能がついて測定は行っていない．

おり， 2% 以内の精度で船舶の移動方向及び速度を測定で(2) 使用した観測機器

きる． この機能の方が GPS よりも高精度であり， 通常， 流動

船舶による風観測では， 船上の風向風速計の他に船舶の観測においてはこの機能による測定値が採用される 10)． し

移動方向及び速度が必要となる． 「かなや丸」 でこれらを測かし， 本研究成果が一般船舶で活かされることを期待すると定可能な機器として， GPS コンパス （V102 GPS Compass，GPS で測定した船速を採用する方が一般性がある． なお，Hemisphere GNSS, Inc. 製， AZ） がある． また， 流動観測に

この GPS コンパスの水平精度は単独測位で 2.5 m 未満であ用いている ADCP （WH-ADCP マリナー 300 kHz， Teledyne

り， 機器の状態については入渠時にチェックしている．

—5—

(a)

(b)
N


8.9
5.9
3.0

NE

W

Number of data

NW

E

500

0

SE

SW



0

S



20

30

Wind speed (m sí)No. of navigations monthí

図―2.2 浦賀水道航路中央第一号 AIS 信号所における 2019 年 3 月 7 日から 2020 年 9 月 30 日までの （a） 風配図と （b） 風速の頻度分布．

大きく変動することから， 風の定常成分に関心がある場合は，

400

通常，ある程度の時間で平均化したものを取り扱う 7)． しかし，採用する平均時間が短すぎると変動成分の影響を受け平均300も変動し， 長すぎれば船舶及び風の定常的な変動を捉えられなくなる．

200

流動観測のために設置しているデータ処理装置は， 研究
100
0所へのデータ転送量を抑えるため， 船の位置や流速の raw
データを 20 秒間で平均している． 風観測は船の位置データ
Feb

Jun

Oct

2019

Jun

と共に取り扱う必要があるため， 風向風速データもこの時間

2020

間隔 （20 秒間） で平均し，これを１つのデータとして定義した．

Feb

なお， プロペラ式のような機械式の風向風速計では， ペラ
図―2.3 解析対象とした月別の航行数 （2019 年 2 月から 2020 年 9月まで）． 航行した中でデータが正常に取得できたものを解析対象としている．

の慣性モーメントや軸受けの摩擦等の影響で風の高周波数の変動に対しては鈍く応答する 11)． 本研究では高周波数成分を取り扱わないことからこのことは問題とならないが， 平均値の代表性については別途検証が必要である．

2.2 角度と測定値の定義

ここで， 1 秒間隔で測定された風向風速 （vr,measured） と 20(1) 角度の定義

秒間で平均した風向風速 （vr） との関係は下式となる ：本論文では基準となる方位は北向きとし， 北向きから時計

vr,measured = vr + vr' ．

回りを正， 反時計回りを負として， 方位の範囲は −180° から(1)

180° までとした． 風は， 船上で測定するものを船上風とし，ここに， vr は， vr,measured の南北及び東西成分のそれぞれの地上に対するものを対地風として用語を区別している．

平均合成ベクトル 12) として定義しており， vr' はそこからの変

風向 （θw） は風がやって来る方向で定義されるが， 船の動成分である．

進行方向 （θs） は進む方向で定義しており， それぞれ定義

船上風が船の移動と対地風に対して線形応答するなら， 船が異なることから注意が必要である （図―2.4a）．

上風はこれらの合成ベクトルとして表すことができる （図―船上風の風向は， 船の進行方向に対する時計回りの方向

2.4b）． ここで， これらの風の 20 秒平均が線形応答するものの角度 （α） として定義しており （図―2.4b）， 基準方位 （北と仮定すれば， ３つのベクトルの関係は以下で表される ：向き） に対する角度ではない．

vw* = vr − vs(2) 測定値の定義．

(2)「かなや丸」 に設置した風向風速変換器は 1 秒間隔で風向

ここに， vs は 20 秒で平均した船速ベクトル， vw* は船上風と風速の raw データを出力し， データ処理装置を介して港湾

船速から推定される対地風である． vr は， vr からの補正値で空港技術研究所へ伝送している． 風のデータは数秒単位であり， その詳細については第 3 章で説明する． なお， 対地

—6—

E

D

ᑐᆅ㢼

N
㐍⾜᪉ྥ

ș 

ș !
ᑐᆅ㢼

⯪ୖ㢼㸦

ᐃ㸧

Į 
㐍⾜᪉ྥ

⯪㏿ᡂศ

図―2.4 本論文で取り扱う角度の定義． （a） 北を基準方位として， 船が進む方向を進行方向 （θs） として定義しているのに対し， 風が吹いてくる方
向を風向 （θw） として定義している． 一方， （b） 船上風の風向は， 進行方向を基準方位に対して吹いてくる方向 （α） として定義する．
それぞれは， 時計回りを正， 反時計回りを負とし， 範囲は −180° から 180° までとする．

ここに， C と S は， それぞれ下式で求まる ：風は， 船速と船上風の測定に基づく実現値から求まることから， 本論文では， 船舶によって観測される対地風を推定値とnC=している． 観測値である AIS 信号所における対地風と用語を

cos α j
Σ
j=1

，

(5)

．

(6)

使い分けている．
nS=
2.3 船上風の測定精度と対地風の推定精度

sin α jΣj=1

(1) はじめにここに， α j は 1 秒間隔で出力された船上風の進行方向に対「かなや丸」 の船上で測定している風向風速データの平均

1，
する風向であり，S.M.R.L. は，すべての α が同じであれば
j

値の代表性について， 対地風の推定精度への影響の観点か

完全にばらついている時に 0 となる指数であり，1 − S.M.R.L. とら検証した． この精度については， まず， 船上で測定した値することで角度分散として考えることができる 12)．

の 20 秒間での変動特性について検討し， 次に， その平均

本論文では， さらに， 角度分散を平方根としたものを風向

値が対地風の推定のための代表性を有しているか検討した．

の変動の指標とした．風向が正規分布に従ってばらつく場合，

さらに， 対地風の推定結果は， 最終的に一航行分の平均値

この指標は， 0.4 程度までであれば， 標準偏差の大きさと直として扱うことから， このことに着目した精度検証も行った． な線的な関係となる （付録 A）．

お， 対地風の推定の手順については第 3 章で詳述し， ここ

風速と風向の変動を表すこれらの指標に関して， 風速の大では事前評価の位置づけの解析を行った．

きさとの関係を分位点回帰により解析した． 分位点回帰は，(2) 方法

分位点を用いて誤差を評価する方法であり， 任意のパーセa） 船上で測定する風の変動

ンタイル値の傾向を示すことができる． また， 外れ値を有する「かなや丸」 の風向風速計で測定される風の変動を把握す

データに対して頑健な解析結果を示す利点がある 13)–15)． 解るため， 風速と風向に分けてそれぞれの変動量と風速との析対象期間において 1,490,417 データが収録されたが， ここ関係を評価した． 風速の変動については， 平均時間内に含では， 計算負荷を抑えるためにランダムに非復元抽出で抽出まれる n 個の raw データに基づき， 下式に従って変動係数

した 10,000 データのみを使い， 風速が 2 m s−1 以上の条件（Coeﬃcient of Variation， C.V.） で評価した ：を満たすデータを対象として分位点回帰を実行した． 解析対[Σ ]nC.V. =

象のパーセンタイル値は， 下位から 80% と 95% として設定し1/2|vr'j|2/n/|vr| ．

(3)

解析した． R の quantreg パッケージを使った 15)．

j=1b） 航行中における対地風の変動

変動係数は， 全く変動がなければ 0 を取り， 平均と同程度の本論文では， 対地風に関して， 20 秒で平均した船上風のバラつきがある場合に 1 を取る指数である．

測定値と船速から推定し， これをさらに一航行で平均したも風向の変動については， 下式の標本平均合成ベクトル長のを扱っている． 航行については， 陸域から離れた湾口中（Sample Mean Resultant Length， S.M.R.L.） で評価した ：央部付近 （東経 139° 44.4’ から 139° 48.0’ までの区間） で

S.M.R.L. = (C2 + S2)1/2/n ．

の航行として定義した． 「かなや丸」 はこの区間をおよそ 20(4)分で通過し， 50 程度の船上風の平均値が得られた．

—7—

航行中における対地風の変動を把握するため， 式(3) より対地風の風速の C.V. を算出し， 式 (4) より風向の変動を算出した． ただし， n については湾口中央部

表―2.1 データの変動と 20 データの算術平均値が取り得る範囲の関係． 変動係
数及び風向の標準偏差 （S.D.） と平均 0 の正規分布でばらつく 20 データの算術平均との関係を示している． 数値的に求めているため非対称となっているものもある．

Mean ± S.E.

50% 区間80% 区間95% 区間速度 C.V.
0.20
0.00 ± 0.04
0.37
0.00 ± 0.08
1.00
0.00 ± 0.22

−0.03 ‒ 0.03
−0.06 ‒ 0.05
−0.15 ‒ 0.16

−0.06 ‒ 0.06
−0.11 ‒ 0.11
−0.29 ‒ 0.29

−0.09 ‒ 0.09
−0.17 ‒ 0.16
−0.44 ‒ 0.44

風向の S.D.
10°
0.0° ± 2.2°20°
0.0° ± 4.5°

−1.5° ‒ 1.5°
−3.1° ‒ 3.0°

−2.8° ‒ 2.9°
−5.8° ‒ 5.8°

−4.4° ‒ 4.3°
−8.9° ‒ 8.6°

指標付近で得られるデータ数とし， 風向については各デー
タにおける推定値 θw* で置き換えた． また， 同様に θsで置き換え， 「かなや丸」 の進行方向の角度の変動についても算出した．
(3) 結果と考察
a） 平均データに内在する変動
ランダムに抽出した 10,000 データのうち， 船上の測定風の風速 C.V. 及び風向の変動を算出できた有効なデータは， それぞれ， 8,688 データ及び 8,670 データであった． それ以外のデータは船上風の測定値が 0 m s−1 に船上で測定した風速の頻度は， 2 から 3 m s−1 をピークとし近く算出できなかった．

て大きな方に尾を引く分布であった（図―2.5a）．風速の C.V. とこのデータのうち， 航行中のデータは 4 割程度であり， そ風向の変動は， 風速が大きくなる程小さくなる傾向であった

れ以外は久里浜港もしくは金谷港の港内で停泊中， 旋回中，

（図―2.5b， c）． 分位点回帰より， 風速の C.V. の 95% 値は，もしくはゆっくりと移動中のものであり， 安定した航行の状態

風速 10 m s−1 において 0.20， 風速 4 m s−1 において 0.32，で得られたデータではなかった． 「かなや丸」 の航行中の船

風速 2 m s−1 において 0.37 であった． 風速 2 m s−1 以下では

速の平均速度は， 6.2 ± 0.2 m s−1 であった．

C.V. は 1.0 を超えることもあった （図―2.5b）．
風向の変動の 95% 値は， 風速 10 m s−1 において 0.14，

Frequency

風速 4 m s−1 において 0.23， 風速 2 m s−1 において 0.27 であった． 風速 2 m s−1 以下では， 風向の変動は 1.0 に近づく

(a)

500
0

「かなや丸」 の船速の精度は， １つのデータが取得される
0

間 （20 秒間） の移動距離と GPS コンパスの精度から推定で

きる． まず，「かなや丸」 の平均船速 （6.2 ± 0.2 m s−1） から，

(b)

3

&9

傾向を示していた （図―2.5c）．

１つのデータが取得される間の移動距離は 124 m と見積もることができ， GPS コンパスの水平精度が 2.5 m 未満であることから最大でこの倍の誤差 （5 m） があったとしても， その精

度は船速の精度の 4% となる． 船上風が安定する風速 10 m
s−1 における C.V. は 0.20 であり， この変動の下で得られる平0

í605/ 



0



均値は， 期待値として 0.00±0.04 の平均が得られるものの，



9% の誤差が生じる可能性もある （表―2.1 ； 95% 確率）． こ(c)の誤差は， 船速の誤差に対して倍程度である． 風速 2 m s−1においては（C.V. は 0.37），船速の誤差の 4 倍となる 16%（95%確率） の誤差が生じる可能性がある．
角度の誤差に関しては， 「かなや丸」 の誤差が進行方向の直角方向に 5 m あった場合に 2° と見積もることができる． 一


0



方， 風向は， 風速 10 m s−1 と 2 m s−1 において 0.14 と 0.27

で変動していたことから， 正規分布のばらつきを仮定すると概Ensemble mean wind-speed (m sí)

ね 10° から 20° の標準偏差に基づく変動があったものと推定される （付録 A）． この下での 20 秒平均は， 船速による誤差

図―2.5 「かなや丸」 で測定した船上風の風速と風向の変動． 全1,490,417 データ （停泊中も含む） からランダムに抽出した10,000 データにおける （a） 測定風速の頻度分布と測定風速に対する （b） 風速の変動係数 （C.V.） 及び （c） 風向の変動 （1 – S.M.R.L. の平方根） を示している． 白線は，分位点回帰の結果に基づく下位からの 80% 値と 95% 値を示している．

と比較すると， 50% 確率では同程度であるが 95% 確率で十分に大きな誤差が含まれている可能性がある （表―2.1）．
以上のことから， 対地風の推定精度においては， 船上風の測定精度の方が船速の精度よりも支配的であると判断できる．

—8—しかし， 船上風の測定精度が対地風の推定精度に影響するでは， 風速 C.V. と風向の変動は， それぞれ 0.1 程度未満で条件は， 対地風の風速が船速に対して大きい場合であり （付あったが， 風速が小さい場合は大きな値であった． 航路の途

録 B）， 実際に 「かなや丸」 で船上風の測定精度が影響し中で風速が大きく変化するケースにおいては， 風速 C.V. とていたかどうかについては， さらなる検討が必要である．

風向の変動ともに大きな値であった． 例えば， 図―2.6c-2 のb） 推定される対地風の変動パターン

時間帯においては， 気象台横浜観測所や三浦観測所にお推定される対地風のパターンとして， 風速が大きく， 風向及

いても風向風速の急激な変動を確認することができる （https://

び風速が共に一様なケース （図―2.6a）， 風速が小さく， 風

www.data.jma.go.jp）． このことから， 非常に急激な変化では

向及び風速がばらつくケース （図―2.6b）， 航路の途中で風あるものの， 測定上の問題によるものではなく， 実際の対地速が大きく変化するケース （図―2.6c），航路が大きく蛇行し，風の非定常性が捉えられていたものと考えられる．

その影響を受けているように見えるケース （図―2.6d） が確

航路が大きく蛇行する場合， 進行方向の角度の変動は他認された．

のケースよりも大きな値となったが， 対地風の風速 C.V. と風

風速 C.V. と風向の変動は，ケース間で違いが見られた （表向の変動は， 対地風が一様な場合と比べてやや大きいもの―2.2）． 風速が大きく， 風向及び風速が共に一様なケースの， 他のケースの変動に比べると安定している （表―2.2）．

14’

a–1

a–2

a–3

b–1

b–2

b–3

c–1

c–2

c–3

d–1

d–2

d–3

12’

10’
14’

Latitude, N (35°)

12’

10’
14’

12’

10’
14’

12’

10’
44’

46’

48’

44’

46’

48’

44’

46’

48’

Longitude, E (139°)
図―2.6 対地風の風向風速推定の例 （αmis = 0.0， 1+β = 1.0）． （a） 対地風の風速が強く定常性が高いケース， （b） 風速が弱いケース， （c） 風
速が強く非定常性が強いケース， （d） 航路が大きく蛇行しているケースを示している． 濃い青色は， 東経 139° 44.4’ から 139° 48.0’ までの区間の推定結果を示している．

—9—

表―2.2 対地風の風向風速推定の例における統計値． 航行中の 「かなや丸」 の進行方向の変動と対地風の平均風速， 風速の変動係数 （C.V.）， 風向の変動を示している． 進行方向及び風向の変動は， 1 – S.M.R.L. の平方根を示している． それぞれのケースについては図―2.6 を参照．

「かなや丸」

ケース名

対地風の推定結果

進行方向の角度変動

風速 （m s−1）

風速の C.V.

風向の変動

15:20 16:00
18:25 19:00
10:20 11:00

0.09
0.13
0.02

5.4
11.0
6.2

0.09
0.05
0.09

0.10
0.06
0.13

2019/04/03
2019/05/25
2019/12/26

14:20 15:10
9:25 10:00
6:20 7:00

0.05
0.10
0.17

1.7
0.6
1.2

0.36
0.33
0.52

0.31
0.64
0.52

c-1
c-2
c-3

2020/02/08
2020/02/22
2020/06/01

18:25 19:00
8:20 9:00
13:50 14:30

0.12
0.07
0.09

8.2
8.2
5.1

0.38
0.64
0.41

0.39
0.58
0.50

d-1
d-2
d-3

2019/08/17
2019/10/17
2019/10/24

15:20 16:00
17:25 18:05
18:15 18:55

0.34
0.36
0.43

9.7
10.0
11.5

0.15
0.11
0.10

0.15
0.08
0.08

年/月/日

出港

a-1
a-2
a-3

2019/03/24
2019/05/09
2019/11/05

b-1
b-2
b-3



到着

E(|vw* |) < 2 m sí1
2 m sí1E(|vw* _ PVí1
PVí1  E(|vw*|)



また， 対地風の風速及び風向の変動は， 対地風の風速の大きさに支配されているように見えることから考えても （図―2.7），&9

進行方向の変動が対地風の変動の主要な要因とは考えにく

い．
c） 対地風の推定精度に影響する要因



対地風の変動パターンより， 対地風の非定常性が高い場合を除き， 「かなや丸」 の航行中の対地風推定値の均質性は確保されていると判断できる． 実際， 航行中の船上風の風速はほとんどのケースで変動が安定する 4 m s−1 以上であり （図

(a)



―2.8a ； 6,802 航行中 6,669 航行）， 変動が著しく大きくなる












2 m s−1 以下になることはほとんどない（6,802 航行中 6 航行）．
このことから， 船上風の変動が対地風の変動の主要な要因にí605/wind)1/2

なっているとは考えにくい．



一方， 対地風の風速が小さければ， 風速の変動は大きくな

度を支配している可能性が高い． この理由については， 理ることから （図―2.8b）， 対地風の風速の大きさがその推定精論上からも説明できる （付録 B）．


対地風の風向は， 風速が大きいと安定するものの， 風速が小さくなると変動しやすく， 風速の変動とともに同時生起している （図―2.9）．

(b)以上より， 風速と風向の変動は， 船上風の測定精度の影



響よりも対地風の風速の大きさに強く依存しているものと結論












付けることができる．

í605/ship)1/2
2.4 まとめ
図―2.7 航路の蛇行と対地風の変動の関係． 進行方向の角度の変動に対する （a） 風速の変動係数 （C.V.） と （b） 風向の変動の関係を示している． 対地風はキャリブレーションを行う前の条件 （αmis = 0.0，1+β = 1.0） に基づき，すべての航行 （6,802航行） について推定している． E( ) は航行中の平均．

本章では 「かなや丸」 における風観測の概要の説明及び風観測を行うにあたっての定義を行い， 風向風速計の測定
値及び対地風の推定値の精度に与える影響を評価した． こ— 10 —

Freq

(a)

(b)

0
1.0

C.V. for wind speed
on the ground

500

500
0

0

20

10

1.0

0.5

0.5

0.0

0.0
0

20

10

Wind speed on Kanaya-Maru (m sí)

0

10

20

0

10

20

Wind speed on the ground (m sí)

図―2.8 対地風の風速の変動係数 （C.V.）． （a） 船上風の風速と （b） 対地風の風速に対する関係を示している． それぞれの頻度分布に 「かなや丸」の船速の頻度分布 （灰色） も示している． 対地風はキャリブレーションを行う前の条件 （αmis = 0.0， 1+β = 1.0） に基づき， すべての航行（6,802 航行） について推定している．

5)

丸」 では， 20 秒間の平均値を扱うことになるが， この変動の下では， 代表性が損なわれる可能性が考えられた． しかし，
対地風の風速の精度は， 測定精度よりも， むしろ対地風の
0









í605/wind)1/2

風速の大きさに強く依存しているものと考えられた．



3． 「かなや丸」 の風向風速計の精度検証とキャリブレー
ション
3.1 概要(1) 船舶による流れ観測の知見の整理
移動する船舶による流れの観測では， 船舶の対地及び対
水の移動速度を精度よく測定しなければならない． 船舶による流れの観測の一つとして， 船舶に搭載した ADCP による海洋の流動測定に関する研究が 1980 年代に活発に行われ，








&9



機器の取り付け誤差がその推定精度に影響することが明らか

0にされている． この取り付け誤差として， 船舶に対する機器

5)

図―2.9 対地風の風速の変動係数 （C.V.） と風向の変動の関係． 凡
例については図―2.8 と同じ． 風速の C.V. と風向の変動の頻度分布は， 各風速カテゴリの中での相対頻度 （Relative
Frequency， R.F.） を示している．

の水平方向のずれ （ミスアライメント） や ADCP に関しては傾斜して設置されることに起因して流速が変動することがよく知られている 5),6)．
船舶で対地風を推定する場合においてもこの考え方は適用できる． ミスアライメントに関しては， 風向風速計の取り付けによる誤差だけでなく （図―3.1a）， 船舶の進行方向が船首から偏っている場合に起こり得る（図―3.1b）． 風速の変動は，の結果， 「かなや丸」 の風向風速計で測定される風向及び対地風に対して風向風速計が平行でないことにより生じること

風速の変動は， 風速が小さいほど大きく， 特に測定風速が 2が考えられる． これは， 風向風速計に対して対地風が水平m s−1 以下で著しく大きくなることが明らかとなった． 「かなやに吹いていないこと， もしくは船舶の動揺によるもの等の複数— 11 —

(a)場合に生じるが， いずれにしても， ミスアライメント角は進行

(b)

㐍⾜᪉ྥ

方向からのずれとして考えれば問題はない． R は回転行列を

㐍⾜᪉ྥ
㢼ྥ㢼㏿ィ
ࡢ᪉ྥ

Įmis

㢼ྥ㢼㏿ィ
ࡢ᪉ྥ

表している．

Įmis

風の風速の比に依存し， この比が小さくなるほど影響は大きミスアライメントと風速の変動の影響は， 船速に対する対地
くなる （付録 B）． ADCP による流動観測では， 船速に対して小さな流速を測ることが多い． 例えば， 外洋における流動観測では， 船舶側方の流れ成分が数値シミュレーションの結果と合いにくくなることが報告されており 16)， これらが影響している可能性が見受けられる． このように， 船舶による流動図―3.1 風向風速計のミスアライメント角の説明． （a） 風向風速計が船首に対してずれて設置されている場合や （b） 風向風
速計の方向は船首に一致しているものの， 船舶の進行方向が船首に対して偏っている場合にもミスアライメント角が生じる．

観測では， ミスアライメントと倍率の影響を取り除くことが重要な課題となる 10)．
(2) 「かなや丸」 の風向風速計の検証の必要性
流れ観測を目的としている船舶においては航行速度を低減

(a)

(b)
⯪ୖ㢼㸦

することで精度の確保ができるかもしれないが， 流れ観測をᐃ㸧

主目的としていない船舶においては， そのためだけに航行速ᑐᆅ㢼ȕ

度を低減させることは難しい． このことは， 「かなや丸」 にお㐍⾜᪉ྥ

ける風観測においても同様の事が言える．

Į*Į

「かなや丸」 は， 6 m s−1 にピークを持つ風が吹く東京湾の

⯪㏿

Įmis

Įmis

湾口において （2.1）， それを横切るように 6.2 ± 0.2 m s−1 で⯪㏿航行する （2.3）． これは， 上述の ADCP による流動観測にĮ

比べれば， ミスアライメントと風速の変動の影響を比較的受けĮ*にくいいい条件と言える． しかし， 「かなや丸」 の側方から吹

ᑐᆅ㢼
㐍⾜᪉ྥ

ȕ

⯪ୖ㢼㸦

く風は， ミスアライメントもしくは風速の変動による対地風の推ᐃ㸧

定精度への影響を生じさせる可能性がある （付録 B）．
(3) 本章の目的と概要

図―3.2 「往復航行による風向風速計のキャリブレーション方法．
対地風が同じであっても船の進行方向が違えば， 測定する船上風の風向及び風速は大きく異なる．

本章では， 「かなや丸」 の風向風速計のミスアライメントと風速の変動の有無の把握を目的として， 約１年半の間に蓄積されたデータに基づき， 対地風の精度検証を行った． 検証方法としては， 「かなや丸」 の久里浜港と金谷港の往復航行での要因が想定される． また， 対地風に対する風向風速計の推定した対地風を比較する方法を採用した． この方法では，設置に係わることだけでなく， 風速は風向風速計の出力の劣同じ対地風を観測しても船上風の測定値が往復間で異なる化によっても変動することも考えられる．

応答をすることから （図―3.2）， 異なった応答に基づいたミス

風向風速計にミスアライメントと風速の変動がある場合， 船

アライメント及び風速の変動を抽出できる （付録 B）． なお，

上風の測定値 （vr） と補正値 （vr） の関係は，Joyce (1989)5)

他の観測結果を基準として比較検証する方法もあるが， このに倣って記述すると以下となる ：方法は， 他の基準となる観測所が無い場合でも適用できる利

vr = (1 + β)×R(αmis)‧vr
R(αmis) =(cos αmis −sin αmis
sin αmiscos αmis

点がある．

(7)

，

)

本章では， まず， この方法により 「かなや丸」 が有するミス
アライメントと風速の変動の検証によりミスアライメント角と倍率．

(8)の候補を抽出し， 次に， 「かなや丸」 の航路近くにある海上保安庁の AIS 信号所で測定された対地風と比較し， この候補の妥当性を検証した．

ここに， αmis と β は， それぞれ， ミスアライメント角と風速の変動によるずれ （以下， 1 + β を倍率と呼ぶ） であり， αmis は
進行方向から時計回りに正の角度として定義している． ミスア

3.2 方法ライメントは， 上述のとおり， 風向風速計の設置に関する水(1) 往復航行による検証方法の概要

平方向のずれと船舶の進行方向が船首に対して偏っている「かなや丸」 は， 久里浜港と金谷港の間を約１時間程度の— 12 —

表―3.1 ミスアライメント及び風速の倍率の時間変動の検証のための期間と航行ペア数．

差で往復航行する． ここでは， まず， あらかじめ定めたミスア
ライメント角と倍率の組み合わせに基づき， 測定された船上
風を式 (7) で補正して式 (2) により対地風の風向風速を推定

名称

し，， 各航行ごとに航路中央付近 （東経 139° 44.4’ から 139°
TERM0
TERM1
TERM2
TERM3

48.0’ までの区間 ； 2.3 と同様） における平均を求めた． 精
度検証は， その直近の航行で推定した風向と風速を比較して実施した． なお， 久里浜港から金谷港を往路， 逆を復路

解析期間

航行ペア数

開始

終了

2019/02/05
2019/07/01
2019/11/01
2020/05/01

2019/06/30
2019/10/31
2020/04/30
2020/09/30

1,380
1,285
1,565
1,594

として比較した．
直近の航行は， 約１時間程度の差の航行として定義した．
対地風は， 航行中に風況が大きく変動することもあり （図―は， 往復比較で検証した精度の妥当性の確認の位置づけと2.6b）， 必ずしも定常性の仮定は成立しない． しかし， このよしている．

うなケースは稀であることから， ここでの検証は， 大量のデー(4) 評価指標

タに基づけば， それらの影響はほとんどないものと考えて実比較評価においては， 一般的に相関と二乗平均平方根誤施している．

差 （Root Mean Squared Error， R.M.S.E.） がよく用いられる．

(2) ミスアライメント角と倍率の探索

ここでは， 風向と風速の２つの相関と風速の R.M.S.E. によるミスアライメント角と倍率については， あらかじめ複数の組み

３つの複数の指標を用いて評価した． 風速の相関と風速の合わせを設定し， パラメータスウィープ 17) により評価指標がR.M.S.E. は， それぞれ， 以下の式に基づき評価した ：最適となる組み合わせを探索した． パラメータスウィープにお* |, |vw*ret | )/( Var(|vwout* |)×Var(|vw*ret |))1/2，
rvelo = Cov( |vwout(9)* |−|vw*ret |)2)1/2 ．
R.M.S.E. = ( |vwout(10)

いては， まず， ミスアライメントと風速の倍率がない状態 （ミスアライメント角 0° と倍率 1.0） を中心としたミスアライメント角[−20°, 20°] と倍率 [0.7, 1.1] の区間を設定し， それぞれ， 2°
及び 0.05 の間隔で概略解析を実施した． 次に， その結果に

ここに， |vw*out | と |vw*ret | は， それぞれ， 往路と復路で推定さ基づき， 区間を狭め間隔を狭めたパラメータスウィープを実れる対地風の一航行の平均風速であり， 式 (9) における Cov

施した （詳細解析）．

と Var はそれぞれ共分散と分散を表している．

また， ミスアライメント角もしくは倍率が時間的に変動する可風向の相関に関しては， ドーナツ型の座標に基づく特殊な能性も考えられることから， 全期間だけでなく期間に区切っ相関となり 12)， 以下の式で算出することができる ：た精度検証も行った （表―3.1）． なお， 「かなや丸」 の船速ρˆ =については， GPS により十分な精度が得られていることから，
測定風の変動のみに着目した．

4(AB − CD)．
{(n2 − E2 − F2)(n2 − G2 − H2)}1/2

(11)

ただし，

(3) ミスアライメント角と倍率の妥当性の検証
抽出した最適なミスアライメント角と倍率の組み合わせに基づき， 船上風の測定値を式 (7) で補正し， 式 (2) により船速

1 から大きく外れた関係になることが予測されている（付録 C）．

測所が無い場合の検証として有用である．

n* sin θw* ， D =* cos θw* ，cos θwout
sin θwout
ret
ret
Σ
Σ
j=1
j=1

E=

* ) ，F =* ) ，cos (2θwoutsin (2θwout
Σ
Σ
j=1
j=1

G=

cos (2θw*ret ) ，H = Σ sin (2θw*ret ) ．
Σ
j=1
j=1

すなわち， 補正前にこのような関係が見られ補正後に改善されると予測される． この方法は， 次に示す他に参照できる観nC=

１つ目は， 往復航行による風向の視覚的な比較である． 風向の往復航行比較は， 理論から対地風が小さい場合に 1 対n* cos θw* ， B =* sin θw* ，cos θwout
sin θwout
ret
ret
Σ
Σ
j=1
j=1

と補正された船上風から対地風を推定した． この推定の妥当性について， 次の２つの方法で検証した．

n

A=

n

n

n

n

次に， 海上保安庁の AIS 信号所で測定されるほぼ同時刻* と θw* は ， それぞれ， 往路と復路で推定されここに， θwout
retの対地風 （毎時 25 分と 55 分に発表される） との比較を行っ

る対地風の一航行の平均風向であり， 添え字の j は省略してた． AIS 信号所との比較は， 往復航行比較とは違いほぼ同いる．n は往復航行のペア数である．なお，風向の R.M.S.E. に時刻の観測結果に基づき実施できるが， その測定条件は不ついては定義が難しいことから採用していない．

明であり， 「かなや丸」 と測定条件は一致するかどうかわから往復航行によって推定された対地風を比較する場合， 船舶

ない． このことから， 本論文では AIS 信号所の結果との比較

に対する対地風の風向と風速に依存して評価指標の適否が— 13 —

Scale factor (1 + ȕ)

1.1

Correlation in wind direction
0.2 0.3

1.0

1.1

0.4

1.1

1.0

0.5

R.M.S.E. in wind speed

Correlation in wind speed

1.0

0.8

0.9

0.9

0.8

0.8 0.4

0.9

0.6

3.0
2.5
2.0

0.8
1.5

0.7
í

í

0

10

0.7
20 í

í

0

10

0.7
20
í

í

0

10

20

Misalignment (Įmis, degree)

Candidate misalignment(Įmis, degree)

図―3.3 パラメータスウィープによるミスアライメント角と倍率の最適な組み合わせの抽出 （概略解析）． 往復航行によるペアを比較して， 風向の相関，風速の相関，風速の二乗平均平方根誤差 （R.M.S.E.） を評価指標として最適な組み合わせの候補を探索している． 全往復航行ペア （5,824
ペア） を対象として解析している．

いる．

10

概略解析の結果， 風向の相関と風速の相関より， ミスアラ
イメント角については 0° よりやや正の付近， 倍率については

5

0.9 付近に最適値があることが示された （図―3.3）． しかし，
風速の R.M.S.E. を評価指標とした場合， 倍率の候補値が他の２つの評価指標に基づいて評価された倍率よりも小さい点0に最適値が示された． このことから， 風速の R.M.S.E. では正しく評価できていない可能性があり， 詳細解析では風速のí

Candidate scale factor(1 + ȕ)R.M.S.E. は評価指標から外した．
1.0

概略解析の結果を受けて詳細解析では， パラメータスウィー
プする区間をミスアライメント角で [−5°, 10°] と倍率で [0.8, 1.0]とし， 間隔は概略解析の半分である 1° 及び 0.025 とした． こ

0.9の結果， 風向の相関はミスアライメント角 3°， 倍率 0.900 において最も高く， 風速の相関はミスアライメント角 1°， 倍率
0.875 において最も高くなった （図―3.4）． それぞれ， 期間
ごとにややばらつきがあるものの， ミスアライメント角は概ね

0.8
TERM0

TERM1

TERM2

0°， 倍率は 1.0 よりやや小さい辺りに最適値がある点においTERM3て一貫性がある．
２つのミスアライメント角と倍率の候補は， ほとんど同じ推定

図―3.4 ミスアライメント角と倍率の最適な組み合わせの時間変動．
（a） ミスアライメント角と （b） 倍率に関して，風向の相関 （丸）と風速の相関 （四角） が最大になった結果を示している．

結果を示しており， これまで対地風が小さい場合に風速が大きく推定されていたことが明らかとなった （図―3.5 及び図―
3.6）． しかし， 対地風の風速が大きければ推定結果は真値決まることから （付録 C）， 評価する指標は１つに定めずこれに近づき， 対地風の風向が 「かなや丸」 の側方で風速が 5

ら３つの指標から得られる結果を総合的に評価することで精m s−1 であれば大きな誤差はなく， 「かなや丸」 の運航の目

度検証を行った．

的においてはどちらも実用上の問題は無い程度であると考えられる．

3.3 結果と考察(2) 補正候補値の検証(1) 往復航行による検証

往復航行によって推定した風向の比較では， 補正なしの場

往復航行のうち， 約１時間程度の差の航行ペア数は 5,824

合， 往路の進行方向に対して反時計回り方向で， かつ， 復であった． 以下では， このデータ数に基づき解析を実施して路で推定する風向と 1 対 1 の関係よりも下側 （復路から見— 14 —

(a)|vw| = 1.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

|vw| = 2.0 m sí
í

120

í
0

í

í

60

|vw| = 5.0 m sí
120
180

í
0

í

í

180

60

120

í
0

í

|vw| = 8.0 m sí180

60|vw| = 10.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

|vw| = 15.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

Direction of true wind (ș, degree)|vw| (m sí)

(c)
180

3.0
Ratio of wind speed( |vw*|/|vw| )Direction of wind estimated(șw*, degree)

(b)

8.0
10.0
15.0

1.0
2.0
5.0


0
í

2.0
1.0
0.0

í
í

í

0



180

Direction of true wind (șw, degree)

í

í

0



180

Direction of true wind (șw, degree)

図―3.5 「かなや丸」 のキャリブレーションを行う前の対地風が含んでいる誤差のシミュレーション． ミスアライメント角 （αmis） と倍率 （1+β） が，それぞれ， 3° と 0.900 である場合． （a） 真の風向風速のベクトル （vs， 青色） と推定された風向風速のベクトル （vs*， 緑色）， 真の風向に対する （b） 推定値と （c） 風速の真値に対する比率を示している． 「かなや丸」 の船速は 6.2 m s−1 として計算している．

— 15 —

(a)|vw| = 1.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

|vw| = 2.0 m sí
í

120

í
0

í

í

60

|vw| = 5.0 m sí
120
180

í
0

í

í

180

60

120

í
0

í

|vw| = 8.0 m sí180

60|vw| = 10.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

|vw| = 15.0 m sí
í

120

í
0

í

180

60

Direction of true wind (ș, degree)|vw| (m sí)

(c)
180

3.0
Ratio of wind speed( |vw*|/|vw| )Direction of wind estimated(șw*, degree)

(b)

8.0
10.0
15.0

1.0
2.0
5.0


0
í

2.0
1.0
0.0

í
í

í

0



180

Direction of true wind (șw, degree)

í

í

0



180

Direction of true wind (șw, degree)

図―3.6 「かなや丸」 のキャリブレーションを行う前の対地風が含んでいる誤差のシミュレーション． ミスアライメント角 （αmis） と倍率 （1+β） が，それぞれ， 1° と 0.875 である場合． その他の説明は図―3.5 と同じ．

— 16 —

て 1 対 1 の関係よりも時計回り側） の辺りに対地風の風速が補正が補正なしに比べて妥当であることを示している． なお，

2 m s−1 よりも小さなデータが偏って分布する傾向が見られた

対地風の風速が小さいデータは， 内在する変動成分が強く（図―3.7a）． この傾向は， 倍率が 1 以下の場合において見なるものの （2.3）， 補正の効果が明確に現れる点には疑問られることが理論からも予測されており （付録 C 参照）， 倍率が残る． この点については， 第 4 章においてさらに検討及びが 1 以下である可能性が視覚的にも確認できる．

考察する．

この補正なしの結果に対して， ２つの補正の候補値に基づ２つの補正の候補値に基づいて推定した対地風と AIS 信号

いて推定した風向を往復比較すると， 分布の偏りは解消され所の風向風速と比較した結果， 補正により， 風向及び風速

た （図―3.7b と c）． この結果は， これらの組み合わせによるの相関と風速の R.M.S.E. のすべての指標が改善されること(b) Corrected (Įmis = 3; 1 + ȕ = 0.900)

Wind direction by return way(șw*, degree)Freq(a) Not corrected (Įmis = 0; 1 + ȕ = 1.000)
20

20

0

0

300

300

120

120

0

0

í
í

í
0

120

300 0 20

Wind direction by outward way(șw*, degree)

í

Freq

0

120

300 0 25

Wind direction by outward way(șw*, degree)

Freq

図―3.7 往復航行による対地風の風向比較． （a） キャリブレー
ションなしと （b， c） キャリブレーションを行った場合の往復航行の比較を示している． 往路の進行方向は久里浜港から金谷港， 復路はその逆方向として定義している． 矢印は 「かなや丸」 の概ねの進行方向を示している．

Wind direction by return way(șw*, degree)Freq(c) Corrected (Įmis = 1; 1 + ȕ = 0.875)
25
0
300

120

0
í
í

0

120

300 0 20

Wind direction by outward way(șw*, degree)— 17 —

Freq

表―3.2 「かなや丸」 で推定した風向風速と浦賀水道航路中央第一号
AIS 信号所における風向風速の比較結果．

風速のR.M.S.E.

補正なし

0.658

0.886

1.87

補正あり
αmis = 3.0, 1+β = 0.900
αmis = 1.0, 1+β = 0.875

0.684
0.682

0.900
0.894

1.56
1.52

No. of data

相関係数
風向
風速



(a)

500
0
25

0

5





20

25

20

25

20

25

20

25

(b) Not corrected(Įmis = 0;ȕ 

20


が示された （表―3.2）． これら２つの候補値に基づいた補正
では， AIS 信号所に対して大きな風速でやや過小推定にな

る傾向にあるものの， 全体的によい一致を見せている （図―3.8）．

5Wind speed estimated by Kanaya-Maru ((|vw*|, m sí)

3.4 まとめ
本章では， 約１年半の間に蓄積されたデータに基づき 「かなや丸」 の風向風速計のミスアライメント角と倍率の候補となる２つの組み合わせを抽出した． 対地風の推定精度は， 現状のものでも 「かなや丸」 の運航において実用的に問題ない程度ではあったものの， これらの候補に基づいて補正する
ことで明らかに改善された．
しかし， ミスアライメントと風速の倍率を検証するための評価
指標の選択については課題が残った． 風速の R.M.S.E. を評価指標とすれば倍率の候補値は小さく偏り， 風向の相関を評価指標とすれば等値線がミスアライメント角方向に広く分布する傾向が見られた． これらの原因については第 4 章で考察する．

4. 一般船舶における風向風速計の精度検証方法

0
0
25

5





(c) Corrected(Įmis = 3;ȕ = 0.900)

20


5
0
0

5





25
(d) Corrected(Įmis ȕ = 0.875)

20
4.1 概要一般船舶の船速は， 例えば内航 RORO 貨物船であれば

平均で 7.2 から 11.7 m s−1 （26 から 42 km hr−1） であり 18)，「かなや丸」 よりも倍近く速い船舶もある． このことから， ミスアライメントや風速の倍率は， 「かなや丸」 よりも強く影響し， 風
5観測を行う上では厳しい条件である可能性がある．
風向風速計の現地での精度検証とキャリブレーションの方

0法としては， 他の観測所の結果を参照する方法があり， もし，

0

観測条件が適切であれば， その方法が適している． しかし，

5





Wind speed measured by JCG (m sí)

近くに観測所が無い場合や観測所があったとしても観測条件が大きく異なるために参照できなければ， 前章で採用した自図―3.8 「かなや丸」 の風向風速計のキャリブレーションの検証．
浦賀水道航路中央第一号 AIS 信号所における風速と 「かなや丸」 による推定風速の比較． （a） 浦賀水道航路中央
第一号 AIS 信号所における風速の頻度分布， （b） キャリ
ブレーションなしと （c,d） キャリブレーションを行った場合の比較． それぞれの線は， 1 対 1 の関係を示している．

船の往復航行の比較による方法を採用せざるを得ない．
しかし， 「かなや丸」 のように通常の運航で精度検証用のデータが取得できる船舶は限られており， 一般船舶ではそのためだけに多くの時間を割くことはできない． このことから，— 18 —

一般船舶ではより効率的なデータの取得が重要となる．

風であり （図―2.2）， 場所特有の風向として十分に起こり得

本章では， 風向風速計の精度検証の方法として自船の往るものである．

復航行の比較による方法を採用する場合の効率的なデータ

一方， 風向に偏りがある場合， 往路と復路の定義を取り払取得方法の知見の整理を目的とし， 必要な対地風の条件及うことで上述の問題が解消されることが期待される． 本論文でびデータ数ついて， 「かなや丸」 で得られたデータを活用しは， 久里浜港から金谷港へ向かう航行を往路， その逆を復て検討した． また， 精度検証に用いる評価指標に関して， そ路として定義しているものの， ここでは， 往路と復路をランダの応答特性を検証し， 前章で課題として残した評価が偏る原

ムに混合させて， 模擬的に対地風の風向に偏りを解消させ，因の究明を試みた． 最後に， これらの検討結果をとりまとめ，

その効果について検討した．

自船の往復航行の比較による風向風速計の精度検証のため

これらの比較として条件なしの下で検証結果との比較も行っの指針を示した．

た． サブデータ数は 10 （10 往復） とした．
(3) データ数

4.2 方法以上の検討により， ミスアライメントと風速の倍率の検証に適(1) 概略した対地風の条件を選定し， 必要となる往復航行数を検討し一般船舶のための風向風速計の精度検証及びキャリブレー

た． この検討は， サブデータ数を 10， 20， 30， 40， 50 とし，ション方法を示すためには， 個々の船舶でデータを収集し解条件なしの下で検証結果との比較も行った．

析することが望ましいが現実的ではない． 一方で， 船舶によ

(4) 評価方法

る対地風の観測に関しては， 対地風の風速は船速で無次元

上述のすべての検証では， 1 回の試行ごとにパラメータス

化して考えることができる （付録 B）． すなわち， 「かなや丸」

ウィープによりミスアライメント角と倍率の最適な組み合わせをで得られたデータであっても， 対地風をその船速で無次元化抽出した． この抽出は各指標で実施した． なお， ここでは最することで一般化した検証が可能となる．

適解を見出すことは目的としていないため， 組み合わせにつ

ここでは，「かなや丸」 で得られた往復航行ペア （5,824 ペア）

いては前章の概略解析で用いたものとした． この試行を 100から無次元化した対地風の条件の下でサブデータを抽出し，回行い， 適していると評価される組み合わせが選択される頻一般船舶のための風向風速計の精度検証に必要となる条件度を求めた． この結果に基づき， 風向風速計の検証に適し及びデータ数を検討した． また，これらのすべての検討では，た条件， 必要となるデータ数， 評価に適した指標について検風向の相関， 風速の相関， 風速の R.M.S.E. の３つの評価

討した．

指標の応答特性を分析し， 風向風速計の検証に適した評価
指標の適用方法を検討した．

4.3 結果と考察(2) 対地風の条件の検討(1) 風速の大きさa） 風速の大きさ

各風速の条件の下でサブデータを抽出した結果， 風速の往復航行による推定風向の比較では， 対地風の風速が小大きさと評価指標の種類によって， 選択されるミスアライメント

さいほど， ミスアライメントと風速の倍率の影響を鋭敏に受け角と倍率の組み合わせの分布が異なる結果が得られた （図ることから （付録 C）， 対地風の風速が精度検証に与える影―4.1）． 風速の相関に基づて評価した結果に着目すると，響について検討した． この検討では， 評価指標として風向の風速が 0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0 となる条件の下でサブデータを抽相関を選定すれば， 小さい風速ほどミスアライメントと風速の出した場合 （図―4.1b） と条件なしで抽出した場合 （図―4.1d）

倍率が明確に見られることが期待される．

に高い頻度で選択された組み合わせが， 3.3 で抽出された組

ここでは， 風速の条件として， 1.8 m s−1 より小さい場合

み合わせと比較的類似していた．

（|vw*|/|vs| < 0.3）， 3.1 m s−1 から 6.2 m s−1 までの場合 （0.5 ≤風速の条件が |vw*|/|vs| < 0.3 である場合， すべての指標に|vw*|/|vs| < 1.0）， 9.3 m s−1 以上の場合 （1.5 ≤ |vw*|/|vs|）をおいて明確な選択の傾向は見られなかった （図―4.1a）． 事選定した． これらの対比として， 条件なしの下での結果とも比前の理論的な検討では， 風向の相関を評価指標とすれば，較した． サブデータ数は 10 （10 往復） とした．

その推定精度に対する鋭敏さからミスアライメント角と倍率のb） 風向の偏り抽出に適していると予想されたものの （付録 C）， 対地風の対地風の風向が偏っている場合， 推定風速の往復比較が風速が弱ければその推定精度が低下し （2.3）， 明確な結果

直線的になり， 風速の相関では正しく検証できない可能性が得られにくくなったものと考えられる．

がある （付録 C）． ここでは， 風向の条件として， −180° か

風速が 1.5 ≤ |vw*|/|vs| となる条件の下で風向の相関に基づら −90° までの偏りを与え， 風向が偏る場合を模擬した検証をいて選択した場合， ミスアライメント角は正側に偏り， 風速の行った． この風向は， 東京湾の湾口における特徴的な対地

R.M.S.E. に基づいて選択した場合では倍率が小さい側に偏— 19 —

Correlation in wind direction

R.M.S.E. in wind speed

Correlation in wind speed

Scale factor (1 + ȕ)

(a)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(b)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(c)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(d)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

図―4.1 ミスアライメント角と倍率の組み合わせのシミュレーション結果． 「かなや丸」 の全往復航行ペア （5,824 ペア） から条件に基づいて 10 デー
タを抽出し， ミスアライメント角と倍率の最適な組み合わせを選択する試行を 100 回実施した． 色は 100 回の試行の中で最も適しているとして評価された回数を示している． 組み合わせを選択するための評価指標は， （左） 風向の相関， （中） 風速の相関， （右） 風速の二乗平均平方根誤差 （R.M.S.E.） とした． 抽出した条件は以下のとおり ： （a） |vw*|/|vs| < 0.3 の条件の下でランダム， （b） 0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下でランダム， （c） 1.5 ≤ |vw*|/|vs| の条件の下でランダム， （d） 条件なしでランダム． 黒丸は全往復航行によって選定された組み合わせを示している （第 3 章参照）．

— 20 —

Correlation in wind direction

R.M.S.E. in wind speed

Correlation in wind speed

Scale factor (1 + ȕ)

(a)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

010

0.7
í í

20

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(b)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

010

0.7
í í

20

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(c)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)
図―4.2 ミスアライメント角と倍率の組み合わせのシミュレーション結果． 抽出した条件は以下のとおり ： （a） 風向 −180° から −90° までの範囲でランダム， （b） a と同じ条件だが往復の定義はなし， （c） 条件なしでランダム （図 -4.1c と同じ）． その他の詳細については， 図 -4.1 を参照．

る傾向が見られた （図―4.1c）． このように選択されるミスア

比べて， 風向の相関と風速の相関に基づいた評価では明確

ライメント角と倍率が傾向が偏った理由として， それぞれの評

なミスアライメント角と倍率の組み合わせは見られなかった （図価指標における特異的な応答が影響している可能性が考え―4.2a）． 往復航行の定義を無視した場合， 風速の相関にられる． 例えば， 船速に対して対地風の風速が大きい場合，基づいた結果にやや改善される傾向が見られるものの， やは

ミスアライメントがあったとしても風向の往復比較は 1 対 1 のり， 条件なしに比べて選択の明確さが劣る （図―4.2b）． 風

関係になりやすいことから， 風向の相関を評価指標とすれば，

速の R.M.S.E. を評価指標とした場合， 倍率が小さく偏った評

ミスアライメント角や倍率の影響が見えにくくなることが理論的価となった （図―4.2a， b）．

に分かっている （付録 C）． このことは， 風向の相関の基づ

風向に偏りがある場合に風速の相関を評価指標として用いいた評価でミスアライメント角が正側に偏った原因の１つであると， ミスアライメントと風速の倍率の有無に係わらず相関がる可能性がある． 風速の R.M.S.E. において倍率の小さい側高くなってしまうことが理論的に分かっている （付録 C）． 本

へ偏ったことについては， 後で詳細に検討する．

検討で明確な選択傾向が見られなかった理由としては， この(2) 風向の偏りことが影響した可能性がある．

対地風の風向に偏りがある場合， 風向がランダムな条件に対地風が船舶の側方から吹く場合， 風速の倍率があったと— 21 —

Correlation in wind direction

R.M.S.E. in wind speed

Correlation in wind speed

Scale factor (1 + ȕ)

(a)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

12

6

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(b)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

20

10

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(c)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

30

15

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)

Scale factor (1 + ȕ)

(d)
1.1

1.1

1.1

1.0

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

0

10

20

0.7
í í

30

15

0

10

20

0

Misalignment (Įmis, degree)
図―4.3 ミスアライメント角と倍率の組み合わせのシミュレーション結果． 「かなや丸」 の全往復航行ペア （5,824 ペア） から条件に基づいて 0.5 ≤|vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下でランダムに （a） 10 データを抽出， （b） 30 データを抽出， （c） 50 データを抽出した結果と （d） 条件なしでランダムに 50 データを抽出した結果を示している． その他の詳細については， 図―4.1 を参照．

しても往復航行の比較は 1 対 1 の関係になってしまうことから，風向に偏りがある場合に評価指標として風向の相関を採用

風速の R.M.S.E. を評価指標としてもその影響は検出しにくくしても正確な評価ができないことは自明である．

なる （付録 C）． しかし， 本検討で倍率が小さく偏った理由(3) データ数については， 後述するとおり， このこととは関係がない．

データ数の検討は， ミスアライメント角と倍率の選択におい— 22 —

表―4.1 往復航行によるキャリブレーションのシミュレーション結果． 「かなや丸」 による測定結果から対地風の風速 0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下で抽出したペアの下で， 風向の相関， 風速の相関， 風速の R.M.S.E. で評価して最適と見出されたミスアライメント角と倍率の組み合わせを示している． 比較として， 条件なしで抽出した 50 データに基づき最適と見出された組み合わせも示している．

航行ペア数（ｻﾌﾞﾃﾞｰﾀ数）

条件
0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0

1+β

選択回数

αmis

1+β

選択回数

αmis

1+β

−4
0
4
8
−4
0
6
4

0.85
0.85
0.90
0.90
0.85
0.90
0.90
0.90

9

0

0.85

10

−2

0.90

12
19

0
−2

0.85
0.85

12
17

−2
0

0.85
0.80

40

4
4
4
4
10
11
11
14

17

−2

0.85

50
50

14
14

4
4

0.90
0.90

29
26

−2
2

0.85
0.85

17
17
24
20

0
0
0
2

0.80
0.85
0.85
0.75

20
30

Wind-speed estimated by return way (m sí)D ȕ 

20

20





0

0
0

20


G ȕ 

0
0

20



0

H ȕ 

20



0

F ȕ E ȕ 

20



20

風速の R.M.S.E.

風速の相関

αmis

10

条件なし

風向の相関
選択回数



20

0

20

I ȕ 

20





0



0

0

20



0



20

Wind-speed estimated by outward way (m sí)
図―4.4 倍率を変動させた場合の往復航行による対地風の風速比較． ミスアライメントが無い条件 （αmis = 0） で全往復航行ペア （5,824 ペア） を対象として解析している． 直線は 1 対 1 の関係を示している．

R.M.S.E. in wind speed(b)
Correlation in wind speed

(a)

1.0

0.0

í
0.0

0.5

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

1.0

0.5

1.0

Scale factor (1 + ȕ)

Scale factor (1 + ȕ)

図―4.5 倍率と風速の相関及び風速の二乗平均平方根誤差 （R.M.S.E） との関係． ミスアライメントが無い条件 （αmis = 0） で全往復航行ペア （5,824
ペア）を対象として解析している． 風速の相関の矢印は極大値，風速の R.M.S.E. の矢印は局所的な極小値と大域的な最小値を示している．

— 23 —

て偏りが見られなかった 0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下でR.M.S.E. を評価指標とする場合の注意点であり， また， 大き行った． この結果， データ数を増やすほど， 特定の組み合な欠点と言える．

わせの選択頻度が高くなる事が示された （表―4.1）． 具体的には，10 データの場合で 1 割程度 （100 回中 10 回），50 デー

4.4 まとめタで 3 割程度の頻度で選択されており， データ数が増加する(1) 本章の結論ことで精度検証の信頼性が向上する過程が確認できる．

本章では， 自船の往復航行の比較による風向風速計の精

風速の相関と風速の R.M.S.E. に基づいた評価では， 風速度検証に関して， 効率的なデータ取得を行うために必要な対が 0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下でサブデータを抽出しても地風の条件とデータ数， 評価指標について検討した． この

データ数の違いにより選択されるミスアライメント角と倍率の組結果， 以下の結論を得た．

み合わせの傾向に大きな差は見られない （図―4.3a， b， 及

風向風速計の現地での精度検証を効率的に行うためには，

び c）． しかし， 条件なしで 50 データを抽出した場合， 0.5

適度な風速 （0.5 ≤ |vw*|/|vs| < 1.0） で， かつ， 風向に偏りが≤ |vw*|/|vs| < 1.0 の条件の下で抽出した組み合わせよりもやない条件の下でデータ取得を行うことが望ましい． もし， 対地や異なる組み合わせが選択されている （図―4.3d）． 風速の風に偏りがある場所でしか検証を行えない場合， 風向に対し

R.M.S.E. に基づいた評価結果に関しては， 第 3 章の結果とて様々な方向で船舶を往復航行させてデータを取得する等同様に小さい倍率が選択される偏りが見られる． これは， 風の工夫が必要である．

速に条件をつけていないことで大きな風速のデータが含ま

精度検証に必要なデータ数に関しては， 対地風の条件がれ， これによる偏りの影響を受けた可能性が考えられる．

良ければ， 10 データ （10 往復） であっても尤もらしいミスア

以上より， 船舶の風向風速計の精度検証においては， デー

ライメント角と倍率の組み合わせを選択できる可能性がある．

タ数を増やすことは選択される組み合わせの信頼性を向上さ

しかし，より信頼性のある結論を見出すためには，可能な限り，せる効果があるものの， その前提としては良い条件の下でのデータ数を増やすことが望ましい．

データ取得が重要であることが示された． このことは， また，３つの評価指標のうち， 風速の相関は， 比較的有用な指標

逆に， データの多さに頼って深く検討せずに無条件で精度ではあったが， 対地風の風向が船舶側方からに偏っている

検証することの危険性も示している．

場合にミスアライメントと風速の倍率を見落とす可能性がある．

(4) 評価指標

この見落としを回避するためには， 風速の R.M.S.E. を併用し風向の相関は， 他の指標に比べて， ミスアライメントと風速て多角的に評価することが推奨される． 風速の R.M.S.E. は，の倍率の選択の傾向が見えにくい評価指標であった． また，往復比較特有の問題として， 倍率が小さく偏る評価結果を生

風速の R.M.S.E. を評価指標とすると， 風速が大きな場合やみやすいことから， これのみを評価指標とすることは推奨され風向に偏りがある場合に選択される倍率が小さい方へ偏る傾ない． 風向の相関については， 全体的に明確な選択傾向は向が見られた．

見られにくく， 評価指標としては特筆できる利点はない． た

風速の相関は， これら２つの評価指標に比べて， 組み合わだし， 第 3 章で示したとおり， 風向の往復比較のプロットは，せの偏りが少なく， 選択の傾向を見出しやすい評価指標で精度の原因を視覚的に示すことができることから有用である．

あった． ただし， 風速の相関は， 風向に偏りがある場合にミ(2) 往復比較による精度検証の指針

スアライメントと風速の倍率の影響を検出しにくい欠点がある

自船の往復比較による風向風速計の精度検証を行うためにことが理論的に分かっており （付録 C）， 本検討でもその傾は， 本章で示した対地風の条件の下でデータを取得し， 風向が見られた．

速の相関だけでなく多くの評価指標に基づいてミスアライメン

３つの評価指標のうち， 風速の R.M.S.E. は倍率が小さく

トと風速の倍率を検証する必要がある． また， データ数が多

偏った評価結果を示す点で他の２つの指標に比べて特徴的

いほど評価結果の信頼性が向上することから， 航行の制約のであった． 風速の倍率が小さくなるほど， 往路と復路で推定下で可能な限り多くのデータを取得することが望ましい．

される対地風の風速も小さくなり， 最終的にはいずれの推定
風速も船速に収束する （図―4.4）． 倍率が 0 から 1 の範囲

5. あとがきにおいては， 風速の相関は１つの極大値を取るものの （図―4.5a）， 風速の R.M.S.E. は， 局所的な極小値を取りつつ

5.1 本論文の結論も， この船速に収束する傾向の結果として， 倍率 0 において

本論文では， 船舶における風観測のための現地における大域的な最小値となる （図―4.5b）． この影響を受ける範囲

精度検証とキャリブレーションに主眼を置き， 「かなや丸」 のまで広げてパラメータスウィープしてしまえば， 局所的な極小精度検証及びキャリブレーションの実施， 及び， 一般船舶が値を選択する可能性は下がってしまう． このことは， 風速の精度検証するための考察を行った．

— 24 —Wind direction at Kanaya Port(șw*, degree)



Freq

Wind direction at Kurihama Port Freq
(șw*, degree)Wind speed at Kurihama Port(|vw*|, m sí)





Wind direction at Kanaya Port(|vw*|, m sí)

í



í
í



500
0
20



0
20



0

  Wind direction at the mouth ofTokyo Bay (șw*, degree)

0

Freq


Wind speed at the mouth ofTokyo Bay (|vw*|, m sí)

図―5.1 「かなや丸」 で観測した東京湾湾口に対する （上） 久里
浜港及び （下） 金谷港における対地風の風向の比較． それぞれの港の風向風速は， 測定風から， かなや丸の航行中の進行方向 （Heading navigation） を差し引いて求めた．
ただし， 停泊中の進行方向については， かなや丸に設置している GPS の船首方向 （Heading GPS） から推定した．
進行方向と GPS の船首方向の差 （Heading navigation –HeadingGPS = –2.5°±4.2°） は， 航行中に測定した結果を用いている． 直線は 1 対 1 の関係を示している．

20 0 250
Freq

図―5.2 「かなや丸」 で観測した東京湾湾口に対する （上） 久里
浜港及び （下） 金谷港における対地風の風速の比較． 黒
色の三角は湾口で北風の場合， 黒色の三角は湾口で南風の場合を示しているその他の説明については図―5.1 と同じ． 破線は 1 対 1 の関係を示している．

レーションに関する考察は， 一般船舶が今後現地で実施する上で参考になるものと期待される． 一方， 「かなや丸」 に「かなや丸」 における精度検証では， ミスアライメント角と倍おけるキャリブレーションの結果は， 「かなや丸」 に特有のも率に関して２つの組み合わせを抽出した． これらの影響によのであるため他への波及は期待できないものの， 以下の２つ

る対地風の推定誤差は大きなものではなかったが， キャリブに応用できる．

レーションを実施することで推定精度は明らかに改善された．

(1) 対地風の移動観測としての応用

一般船舶による風向風速計の精度検証の検討では， 適度「かなや丸」 は久里浜港から金谷港を移動することから， 風

な風速の条件の下で， かつ， 風向に偏りがない条件でデー観測の移動局として利用することができる． これまでに蓄積さタを取得し， 条件に応じた適切な評価指標に基づいて検証れたデータから， 東京湾の湾口付近では， 対地風は概ね南することの重要性を示した． また， データ数を増やすことで，北の軸に沿って吹いているのに対し （2.1）， 久里浜港内と金検証結果の信頼性が向上することも示した．

谷港内ではそれぞれの周辺の地形の影響を受けて， 風向が変動する （図―5.1）． 例えば， 金谷港内では湾口では北東

5.2 今後の展望から吹く風 （風向 0° から 60°） が局所地形の影響を強く受け

本研究で整理した舶用風向風速計の精度検証及びキャリブて北からもしくは東からの風となる．

— 25 —

(a)180°
35° 14’170°
160°

Latitude, N

150°
140°
35° 12’
130°
120°
110°
35° 10’

3 km

100°
90°

139° 44’139° 46’

139° 48’

Longitude, E(b)(c)
Latitude, N (35° 10’)Latitude, N (35° 13’)

30”

20”

200 m

10”
42’ 50”43’ 00”

10”

20”

20”

200 m
10”
48’ 50”Longitude, E (139°)

49’ 00”10”Longitude, E (139°)

図―5.3 「かなや丸」 の船上風の風向． (a) 航行中と停泊中における風向と船上風が側方 （±90°） から後方 （±180°） から吹く場合をプロットしており，側方よりも前方から吹く場合 （船上風風向の絶対値が < 90°） は点で示している． 全データ （1,490,417 データ） からランダムに抽出した10,000 データの結果を示している．

風速については， 湾口に比べてそれぞれの港で低減してにつなぐ大気観測局としての活用が期待できる． 「かなや丸」

いる （図―5.2）． 久里浜における風速は湾口の風速の半分を大気観測局とする場合， 自船の排気ガスを観測しないよう程度にまで低減しており， 既報の傾向とも一致している 11)．

排気口から離れた場所 （船首付近） にセンサーを設置する

金谷港においては， 湾口で北から吹く風の低減が著しく， 風必要があるものの， それでも船上風の風向によってはその影

向によって風速の低減の程度に差が見られる．

響を受ける可能性がある （図―5.3）． 特に， 久里浜と金谷の(2) 船上大気観測

それぞれの港内では， 速度の低減や旋回の影響， もしくは東京湾周辺は環境省の大気観測網が充実した場所であ対地風の風向の影響により， 高い割合で後方から船首に向るものの， 東京湾湾口はその空白域となっている （http://

かって船上風が吹くことから， 港内の観測データの取り扱い

soramame.taiki.go.jp/）． 「かなや丸」 はこの空白域を連続的には注意が必要である． しかし， 航行中に後方から風を受け— 26 —

ることはほとんどないことから， 湾口においては， 大気観測局としての安定的な活用が期待される．

7)
8)（2021 年 3 月 10 日受付）
謝辞：本研究は，「かなや丸」 の風向風速計の活用に関して，
東京湾フェリー株式会社にご協力いただいた． 風向風速デー

9)タの取得から転送までのシステム構築やデータ解析にあたっては， 元非常勤職員の椎葉直子氏に多大なる貢献をしてい10)ただいた． 浦賀水道航路中央第一号 AIS 信号所のデータについては， 海上保安庁の 「海の安全情報」 から取得した．
部内討議では， みなさまからは活発に貴重な意見を頂いた．
また， 本論文を査読していただいた宮井真一郎特別研究主

11)

幹から有益なコメントをいただいた． みなさまに対して， ここに感謝の意を表す．
12)

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付録 A 標本平均合成ベクトル長の特性

1.0

y = 0.75×ıí605/ 1/2

本文では標本平均合成ベクトル長 （Sample Mean Resultant
Length， S.M.R.L.） を用い， 1 – S.M.R.L. を角度分散として，
さらにこれを平方根としたものを風向の変動の指標としている． ここでは． この指標の特性について， 風向が滑らかにばらついている場合を例題として把握する．
検討する風向は， 平均と分散がそれぞれ 0° と σ2 の正規分
布 （式 (A.1)） に従って変動するものとした．
θ ̴ N(0, σ2)

．

0.0

0

(A.1)

60

120

180

ı, degree (°)σ を変数とした正規分布に従う 10,000 個の擬似乱数を生成
図―A.1 風向が N(0, σ2) の正規分布に従って分布する場合の風向の変動 （角度分散の平方根）． 正規分布から 10,000 個の擬似乱数を生成させ， 本文の式 (4) から角度分散（1 – S.M.R.L.） を求めた．

させ， 風向の変動を求めた （図―A.1）． これより， 風向の変動は， σ が 60° 付近まで直線的に増加し， σ が 60° 付近以上になると 1.0 に漸近する曲線を描くことが分かる． ここでは，
仮に σ が 60° で風向の変動が 0.75 となる直線を合わせて示しているが， 風向の変動は σ が 30° 辺りまではこの直線によく一致している．

えても大きな支障はないものと考えられる．

実際の風向の分布によって風向の変動が与える意味は異な

なお， 風向を −180° から 180° の範囲で定義していることをる． しかし， 正規分布は様々な現象でよくみられる分布であ考えると正規分布の表記は正しくないが， 数値的には計算でり， 本研究で対象とする船上風， 対地風， 「かなや丸」 の進

き実用上問題無い．

行方向でも正規分布をイメージして， 風向の変動の意味を捉— 28 —

大きさの関係は， Joyce (1989)1) に倣うと以下となる ：付録 B 船上風の測定精度と対地風の推定精度の関係|Vr| = (1 + β)×|Vr*| ．

(1) はじめに(B.3)

船上風の測定精度は， 対地風の推定精度に影響する． そここで， β は測定される船上風の真値からのずれである． 本の影響のメカニズムとして， 測定値の変動による平均値の代文では 1 + β を倍率とし， 風向風速計の設置と風速の出力の表性の低下と風向風速計の設置誤差等により正しく測定でき劣化が原因と考えている．

ていないことが考えられる． 測定値の変動と風向風速計の設b） 角度の定義

置誤差の時間スケールは大きく異なるものの， それらの影響

船舶の進行方向に対する船上風の風向を α， 対地風の風については共通した考え方に基づいて考察することができる．

向を θ とする （図―B.1）． 本文と同様に， 基準の方位から時

ここでは， 真の船速ベクトルに対し， 船上風の風向及び風計回りを正の角度， 反時計回りを負の角度とする．

速に真値からのずれがあった場合の対地風の推定結果につ(3) 対地風の推定値に影響する要因の整理

いて示し， 船上風の平均値の代表性の低下と風向風速計のa） 準備

設置等誤差が対地風の推定精度に及ぼす影響について考

対地風の風向と風速の推定値に影響する要因を理解する

察する．

準備として， 船上風の風速と他の因子の３つの関係を整理す(2) 定義る． まず， 進行方向の関係から， 船上風の風速は， 船速とa） ベクトルの定義

対地風によって以下で表される ：真の船速 （Vs）， 船上風 （Vr）， 対地風 （Vw） は以下の|Vr| = (|Vw|×cos θ + |Vs|)/cos α ．

関係となる ：
Vw = Vr − Vs

また，同様に，進行方向から時計回りに直角方向の関係から，

(B.1)

．

(B.4)

以下となる ：

ここに， V は， 進行方向に U， 時計回りの直角方向に V の|Vr| = |Vw|×sin θ/sin α ．

成分を有する速度ベクトルである． 本文とは異なり， 進行方(B.5)

さらに， 式 (B.4) と (B.5) より以下の関係が得られる ：向を基準方位としている （進行方向が北を向いていると考えればよい）． ベクトルの表記について， 本文では測定された|Vr|2 = |Vw|2 + 2×|Vw|×|Vs|×cos θ + |Vs|2 ．

実現値を取り扱っているため小文字で記述しているのに対し，(B.6)

ここでは理論を扱っているため大文字で記述して使い分けて

b） 対地風の風向の推定値

いる．

対地風の風向の推定値 （θ*） は， 測定される船上風の風

船速を真値とみなせるものとし船上風が測定値であることを向 （α* = α − αmis） より以下となる． ただし， αmis は風向の考えると， 式 (B.1) は以下となる ：真値からのずれ， Uw* と Vw* は， それぞれ， 対地風の推定

Vw* = Vr* − Vs ．

風速の進行方向成分と時計回りに直角方向成分としている ：(B.2)

θ* = arctan( Vw*/Uw* )ここに， Vr* は船上風の測定値， Vw* は船速と船上風の測定値から推定される対地風である． 船上風の真値と測定値の= arctan= arctan

Vr
㐍⾜᪉ྥ

(
(

|Vr*|×sin α*|Vr*|×cos α* − |Vs|)

|Vr|×sin α*|Vr|×cos α* − (1 + β)×|Vs|

)

(B.7)

．

これに， 式 (B.4) 及び式 (B.5) を代入することで船上風の風
速成分を消し， 以下で表すことができる ：

Vs

ș
Į

θ* = arctan=

Vwarctan図―B.1 ３つのベクトルの関係．Vs，Vr 及び Vw は，それぞれ，船速，船上風， 対地風を表している．

．

— 29 —((|Vr|×(sin α×cos αmis − cos α×sin αmis)|Vr|×(cos α×cos αmis + sin α×sin αmis) − (1 + β)×|Vs|)|Vw|/|Vs|×sinθ×cosαmis − (|Vw|/|Vs|×cosθ + 1)×sinαmis)(|Vw|/|Vs|×cosθ + 1)×cosαmis + |Vw|/|Vs|×sinθ×sinαmis − (1 + β)

(B.8)

( )

これより， 対地風の風向の推定値は， 風向及び風速のずれ|Vw*|だけでなく， 船速に対する対地風の風速の比 （|Vw|/|Vs|） の

2

|Vw|

影響も受けていることが理解できる．

= (1 + β)−2+

さらに， 推定される対地風の風速 （|Vw*|） は， 真値と測定誤差のパラメータ （本文） で記述すると以下となり ；+|Vw*|2 = (|Vr*|×cos α* − |Vs|)2 + |Vr*|2×sin2 α*= |Vr*|2 − 2×|Vr*|×|Vs|×cos α* + |Vs|2

2×[ cos θ×(1 + β)−2 − cos (θ − αmis) ×(1 + β)−1 ]|Vw|/|Vs|(1 + β)−2 − 2×cos αmis×(1 + β)−1 + 1( |Vw|/|Vs| )2．

(B.11)

これより対地風の風速の推定値も船速に対する対地風の風速= |Vr|2×(1 + β)−2 − 2×|Vr|×|Vs|×(1 + β)−1×(cos α×cos αmis + sin α×sin αmis) + |Vs|2 ，の比 （|Vw|/|Vs|） の影響を受けていることが分かる．

(B.9)

以上より， 対地風の風向と風速の推定精度は， 測定風のこれに， 式 (B.4)， (B.5)， 及び (B.6) を代入することで， 以

風向及び風速のずれだけでなく， |Vw|/|Vs| の影響も受けるこ下となる ：とが理解できた． また， このことは， 数式からだけでなく視覚的にも容易に理解することができる （図―B.2）．

|Vw*|2 = (|Vw|2 + 2×|Vw|×|Vs|×cos θ + |Vs|2)×(1 + β)−2(4) 数値に基づく検討− 2×|Vs|×(1 + β)−1×[ (|Vw|×cos θ + |Vs|)×cos αmis
+ |Vw|×sin θ×sin αmis ] + |Vs|2

船上風の風向及び風速のずれが対地風の推定結果に及． (B.10)

ぼす影響について， 一桁異なる 6 段階の船速に対する対
地 風 の 風 速 の 比 （|Vw|/|Vs| = [0.1， 0.15， 0.2， 0.4， 1.0，

これより， 対地風の風速の真値と推定値の比は以下となる ：|Vs| ࡟ᑐࡋ࡚
|Vw| ࡀ኱ࡁ࠸ሙྜ

(a)|Vw| ࡀᑠࡉ࠸ሙྜ

(b)

㐍⾜᪉ྥ

㐍⾜᪉ྥ

Įmis
㢼ྥ࡟ࡎࢀࡀ
࠶ࡿሙྜ

ș*
Vr

Į*

Vw

(c)

㢼㏿࡟ࡎࢀࡀ
࠶ࡿሙྜ

Vr*

Įmis

Vs

Vr

Vr*
Vs

Vw

Vw *

(d)

㐍⾜᪉ྥ

Vw *

㐍⾜᪉ྥ

Vr
Vr
ș*

Vw

Į

Vs

Vs
Vr*

Vr*

Vw*

Vw*

Vw

図―B.2 船上で測定される風向と風速にずれがある場合の３つのベクトルの関係． Vs， Vr 及び Vw は， それぞれ， 真の船速， 船上風， 対地風，
Vr* は船上風の測定値を表し， Vw* は船速と船上風の測定値から推定される風速を表している．

— 30 —

2.0]） に基づき考察した． ここに， 0.1 は 「かなや丸」 による(5) まとめ

ADCP による流動観測 2)， 1.0 及び 2.0 は風観測を想定して本付録では， 測定される船上風の風向及び風速のずれ及いる． 船上風の風速のずれ （1 + β） は 1.0 であるが風向のび対地風の条件がその推定精度に影響すること， また， そずれ （αmis） が 2° 及び 10° の場合， 及び， 船上風の風向の影響のメカニズムを示した． この検討結果は， 船上風の測のずれは 0° であるが風速のずれが 0.9 及び 1.1 の場合の対定値を平均した値の代表性が低下した場合や風向風速計に

地風の推定結果を比較した．

設置誤差等がある場合に対地風の推定精度を制御する方法a） 対地風の推定値の概要についての示唆を与えている．

対地風の推定結果は， |Vw|/|Vs| が 2.0 になると概ね真値に精度の高い観測を目的とした場合， 対地風の風速に対して近づくものの， |Vw|/|Vs| が 0.1 では真値から大きくずれること

船速を小さくすること （|Vw|/|Vs| を大きくすること） が重要となが示された （図―B.3a–B.6a）． 興味深い点として， |Vw|/|Vs|

り， 次に， 対地風に対する船舶の進行方向が重要となる． しが 0.1 では， 真の対地風はいずれの方角から吹いたとしても，かし， 進行方向は， 風向の推定精度を優先するか， 風速の倍率が 0.9 の場合の推定結果は前方から吹くように誤って推推定精度を優先するかのトレードオフの下で適した方向が異定され， 倍率が 1.1 の場合は後方から吹くように推定されてなる． また， 風観測を目的としていない船舶では， 進行方向いる点である． これは， ADCP による流動観測でよく見られるを自由に設定すること自体が難しい場合もある． このことから，

現象と類似している．

悪い条件の下でも高い精度で対地風を観測できるようにする

b） 推定風向の特徴

ため， 精度検証とキャリブレーションが重要となる．

対地風の風向の推定値の真値からのずれは， |Vw|/|Vs| が精度検証においては， 対地風の推定精度が悪くなりやすい

小さくなるほど大きい （図―B.3b–B.6b）． しかし， そのずれ条件の下で分析した方がその原因を究明しやすい． このことの位相は， 船上風の風向のずれによるものか， 風速のずれから考えると， 風向と風速の推定値が真値からずれる条件のによるものか， 原因によって異なる．

下， もしくはこのような条件になるよう， 船速及び進行方向を対地風が限りなくゼロに近い場合 （|Vw|/|Vs| ≈ 0）， 風向の設定して検証を実施することが重要となる．

真値と推定値が一致する角度 （θ = θ*） は式 (B.8) より以下となる ：
θ = arctan(−sin αmis
cos αmis − (1 + β)

)

参考文献
．

(B.12)

1)
2)船上風の風向のずれがない場合 （αmis = 0）， β の大きさに係わらず， 対地風の推定値は， 風向が 0° 及び 180° において真値と一致し， 0° を軸とした軸対象で真値からずれる （図―B.5b–B.6b）． 一方， 船上風の風速のずれがなく （β = 0），
風向のずれが小さい範囲 （ただし， αmis ≠ 0） においては，
対地風の風向の推定値は， 90° もしくは −90° 付近で真値に一致することが分かる． |Vw|/|Vs| がある程度の大きさを持っていても， 船上風の風向のずれが 2° の場合においては風向が90° と −90° 付近 （図―B.3b）， 10° の場合においては風向が−90° 付近で推定値と真値は一致する （図―B.4b）．
c） 推定風速の特徴
対地風の風速の推定精度 （|Vw*|/|Vw|） は， 船速がゼロの場合（|Vw|/|Vs| が無限大であり，停泊中等の場合）に式 (B.11)
より (1 + β)−1 となることが分かり， |Vw|/|Vs| が小さくなるに従って対地風の風向に応じて変動する （図―B.3c–B.6c）． 対地
風の風速の真値に対する推定値の変動は， 船上風の風向のずれがある場合 （αmis ≠ 0）， 対地風の風向 90° もしくは −90°付近を軸とした軸対象となり （図―B.3c–B.4c）， 船上風の測
定風速にずれがある場合 （β ≠ 0）， 風向 0° を軸とした軸対象となる （図―B.5c–B.6c）．

— 31 —

Joyce T: On in situ ‘calibration’ of shiboard ADCPs. J
Atmos Ocean Technol 6: 169–172, 1989.
鈴木高二朗， 加藤英夫 ： フェリーによる東京湾口の流況計測， 港湾空港技術研究所資料， No. 1075， pp11，
2004． URL https://www.pari.go.jp/search-pdf/no1075.
pdf

(a)

|Vw|/|Vs| = 0.10
í

120

í
0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 0.15
í

í
0

í

í

í

0

120

|Vw|/|Vs| = 0.20
180

120

|Vw|/|Vs| = 0.40
180

60

í
0

í

180

60

í
í

120

60

|Vw|/|Vs| = 1.00
í

120

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0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 2.00
í

120

í
0

í

180

60

Direction of true wind (ș, degree)

(c)
180

0.40
1.00
2.00

3.0
Ratio of wind speed( |Vw*|/|Vw| )Direction of wind estimated(ș*, degree)(b)|Vw|/|Vs|
0.10
0.15
0.20


0
í

2.0
1.0
0.0

í
í

í

0



180

Direction of true wind (ș, degree)

í

í

0



180

Direction of true wind (ș, degree)

図―B.3 船上で測定される風向のずれが船の進行方向から時計回りに 2° ある場合 （αmis = 2） の風向風速． （a） 真の風向風速のベクトル （Vs，青色）と推定された風向風速のベクトル （Vs*， 緑色）， 真の風向に対する （b） 推定値と （c） 風速の真値に対する比率を示している．

— 32 —

(a)|Vw|/|Vs| = 0.10
í

120

í
0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 0.15
í

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0

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0

120

|Vw|/|Vs| = 0.20
180

120

|Vw|/|Vs| = 0.40
180

60

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0

í

180

60

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í

120

60

|Vw|/|Vs| = 1.00
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120

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0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 2.00
í

120

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0

í

180

60

Direction of true wind (ș, degree)

(c)
180

0.40
1.00
2.00

3.0
Ratio of wind speed( |Vw*|/|Vw| )Direction of wind estimated(ș*, degree)(b)|Vw|/|Vs|
0.10
0.15
0.20


0
í

2.0
1.0
0.0

í
í

í

0



180

Direction of true wind (ș, degree)

í

í

0



180

Direction of true wind (ș, degree)

図―B.4 船上で測定される風向のずれが船の進行方向から時計回りに 10° ある場合 （αmis = 10） の風向風速． 各パネルの説明は図―B.3 と同じ．

— 33 —

(a)|Vw|/|Vs| = 0.10
í

120

í
0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 0.15
í

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0

í

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í

0

120

|Vw|/|Vs| = 0.20
180

120

|Vw|/|Vs| = 0.40
180

60

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0

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180

60

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í

120

60

|Vw|/|Vs| = 1.00
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180

60

|Vw|/|Vs| = 2.00
í

120

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0

í

180

60

Direction of true wind (ș, degree)

(c)
180

0.40
1.00
2.00

3.0
Ratio of wind speed( |Vw*|/|Vw| )Direction of wind estimated(ș*, degree)(b)|Vw|/|Vs|
0.10
0.15
0.20

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0
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2.0
1.0
0.0

í
í

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0



180

Direction of true wind (ș, degree)

í

í

0



180

Direction of true wind (ș, degree)

図―B.5 船上で測定される風速のずれが 0.9 の場合 （1 + β = 0.9） の風向風速． 各パネルの説明は図―B.3 と同じ．

— 34 —

(a)|Vw|/|Vs| = 0.10
í

120

í
0

í

180

60

|Vw|/|Vs| = 0.15
í

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0

í

í

í

0

120

|Vw|/|Vs| = 0.20
180

120

|Vw|/|Vs| = 0.40
180

60

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180

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60

|Vw|/|Vs| = 1.00
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180

60

|Vw|/|Vs| = 2.00
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120

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180

60

Direction of true wind (ș, degree)

(c)
180

0.40
1.00
2.00

3.0
Ratio of wind speed( |Vw*|/|Vw| )Direction of wind estimated(ș*, degree)(b)|Vw|/|Vs|
0.10
0.15
0.20

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0
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2.0
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0.0

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0

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180

Direction of true wind (ș, degree)

í

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0



180

Direction of true wind (ș, degree)

図―B.6 船上で測定される風速のずれが 1.1 の場合 （1 + β = 1.1） の風向風速． 各パネルの説明は図―B.3 と同じ．

— 35 —

付録 C 推定される風向風速の往復比較分布を見せる．

(1) はじめにミスアライメント角が大きい場合， 風向が −90° と 90° 付近で移動する船舶による対地風の推定精度に関して， 付録 B で推定値は真値に近づくことから （図―B.4）， 推定風向の往は取り付けられた風向風速計のミスアライメント及び風速の倍

復比較では， 風向が 90° 付近において 1 対 1 に近い関係と率に加え， 船速に対する対地風の風速の比 （|Vw|/|Vs|） のなるものの， それ以外の風向では往復間で 1 対 1 から外れ影響を受けることを示した．

た関係を示す （図―C.1）． 一方， 風速の倍率がある場合，

ここでは，ミスアライメント及び風速の倍率の検証方法として，

推定風向は進行方向に対して対象になることから （図―B.5，

同じ対地風を往復航行により測定することを想定し， 往復でB.6）， 風向が 0° もしくは 180° において往復比較で 1 対 1 の推定される風向及び風速がどのように比較されるのか示した関係となるものの， それ以外の風向で 1 対 1 から外れた関係

上で， そのための条件及び評価指標について検討する．

となる （図―C.2）．

(2) 推定風向の往復比較推定される風向が往復比較で 1 対 1 から外れた関係となる往復航行によって推定される風向の比較は， ミスアライメンのは， 船速に対する対地風の風速が小さい場合である （例ト角の正負， 大きさ， 及び風速の倍率によって明瞭に違った

えば， |Vw|/|Vs| = 0.1）． しかし， 船速に対する対地風の風速

Direction of wind estimatedby return way (ș*, degree)

(a)

(b)

(c)




í
í
í í í í í í







Direction of wind estimated by outward way (ș*, degree)
図―C.1 ミスアライメントがある船舶により往復航行で推定した風向の比較． それぞれ，ミスアライメント角 （αmis） が （a） −10° の場合，（b） +2° の場合，
（c） +10° の場合を示している． 矢印は船舶の進行方向を示している． プロットの色の意味は， 図―B.3–6 と同じ．

Direction of wind estimatedby return way (ș*, degree)

(a)

(b)

(c)


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
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í í í í í í







Direction of wind estimated by outward way (ș*, degree)
図―C.2 風速の倍率がある船舶により往復航行で推定した風向の比較． それぞれ， 倍率 （1 + β） が （a） 0.8 の場合， （b） 0.9 の場合， （c） 1.2の場合を示している． 矢印は船舶の進行方向を示している． プロットの色の意味は， 図―B.3–6 と同じ．

— 36 —

(b)

(c)

(d)

2

2

2

2

1

1

1

1

0

0

0

0

Wind-speed estimated byreturn way ( |Vw*|/|Vs| )

(a)

0

1

2

0

1

2

0

1

2

0

1

2

Wind-speed estimated by outward way, standardised by ship speed ( |Vw*|/|Vs| )図―C.3 船舶により往復航行で推定した風速の比較． 対地風の風向は， −135°， −90°， −45°， 0°， 45°， 90°， 135°， 180° とし， それぞれの風向において推定された風速の往復航行比較を線で結んでいる． ミスアライメント角 （αmis） が （a） +2° の場合及び （b） +10° の場合と倍率（1 + β） が （c） 0.9 の場合及び （d） 1.1 の場合を示している． オレンジ色は， −90° と 90° の場合を示しており， 青色はそれ以外を示している．

が大きい場合は， ミスアライメントと風速の倍率があっても往を評価指標として採用することには注意が必要であり， 1 対 1

復航行の比較は 1 対 1 に近くなる．

の関係を評価する風速の二乗平均平方根誤差 （Root Mean

推定される風向が往復比較で 1 対 1 の関係となることは， ミ

Squared Error， R.M.S.E.） の方が有利であると考えられる．

スアライメントと風速の倍率の検証においては不利に働く． すただし， 対地風の風向が −90° と 90° であれば推定される風

なわち， ミスアライメントもしくは風速の倍率があるにも係わら速の往復比較は 1 対 1 の関係になることから （図―C.3）， 風

ず 1 対 1 の関係が示されれば， その検証はできないことから，速の相関と R.M.S.E. の両方を評価指標として採用したとして船速に対して対地風の風速が大きい条件は風向風速計の精もその影響を検証することはできない．

度検証には不向きである． 一方で， 船速に対する対地風の(4) まとめ

風速が小さい条件の下で往復比較すると， 風向風速計にど

本付録では， 推定される対地風の風向と風速の往復比較のようなずれがあるのか判別しやすく， 精度検証に適していが示す傾向を示し， この傾向に基づいてミスアライメントと風ると言える．

速の倍率の検証のための条件及び評価指標の検討を行っ(3) 推定風速の往復比較

た． この結果， 風向と風速のいずれで往復比較を評価する

ミスアライメントと風速の倍率がある場合， 往復比較による推場合でも， その関係が 1 対 1 になる条件の下では精度検証

定風速の関係は 1 対 1 から外れる可能性があるものの， 同じが行えない可能性を示した． すなわち，風向で評価する場合，

対地風の風向の下であれば， 直線に近い関係となる （図―船速に対する対地風の風速が大きい条件は検証に不向きで

C.3）．

あり， 風速で評価する場合は対地風の風向が船舶の進行方

この直線的な関係は， 特定の対地風の風向の下で検証す向に対して −90° と 90° となる条件は不向きである． また， 対れば， ミスアライメントと風速の倍率があったとしても推定風速

地風の風向に偏りがある場合は， 風速の相関だけでは評価の往復比較で高い相関が得られてしまうことを意味している．

できない可能性がある．

すなわち， この条件の下で精度検証する場合， 風速の相関— 37 —

港湾空港技術研究所資料

No.1382

２０２１．３

編集兼発行人

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

発

港 湾 空 港 技 術 研 究 所

行

所

横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

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本報告書の全部または一部の転載、複写は海上・港湾・航空技術研究所理事長の文書による承認を得ずしてこれを行ってはならない。