(別紙様式１０)２０２０年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書【申請区分】：□萌芽的異分野連携共同研究□共同推進研究☑産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会【研究課題名】：□産学官連携課題設定集会

寒冷地における気象ドローンの実験的社会実装【研究期間】：2020 年度～2021 年度【共同研究員】
共同研究員

氏名

所属・職名

専門分野

研究代表者

佐藤和敏

北見工業大学・助教

気象学

研究分担者

神田勲

日本気象株式会社・センター長

気象学

（拠点外）

石原宙

オホーツク流氷科学センター

気象学

猪上淳

国立極地研究所・准教授

気象学

村井克詞

オホーツク・ガリンコタワー株式会

区分（拠点内外）
(注 2)

(注 2)

研究分担者
（拠点内）
(注 2)

研究協力者

社・研究員

(注 2)
(注 3)

岩本勉之

紋別市・主任Lars Isaksen

ECMWF

気象学

山崎哲

海洋研究開発機構・研究員

大気力学(注 2) 拠点内外については、募集要項別添の北極域研究共同推進拠点を形成する３研究施設の研究者リストをご覧ください。

(注 3) 計画申請書に含まれていなかった方でも結果的に本共同研究に参画された方（招へい者等） が居られれば、研究協力者として記述して下さい。
【研究の内容】(1) 概要を 400 字以内（文字のみ）で記載してください。

近年、多発する極端化気象現象の防災対策を講じるため、高精度の天気予報が社会的に求めら れている。この予報計算の実施には、世界中で取得された気象観測データが活用されており、特に 対流圏から成層圏下層の鉛直気象データを定時に取得するラジオゾンデ観測は予報精度向上に1

大きく貢献している。しかし、ヘリウムを充填したゴム気球や使い捨て観測機器を用いることから、ヘリ ウ
ムの減産に伴う高コスト化や海洋などへの環境負荷が大きい問題点があり、代替観測システムを 模索する局面にさしかかっている。本研究では、低コストで環境負荷の小さいエコ観測システムとし て気象ドローンの導入を試みる。具体的には、気象センサーを搭載した気象ドローンについて、様々 な気象条件下での室内・屋外実験を通じて運用可能な環境を探索する。また、汎用ドローンに簡易 気象測器を搭載し、一定の精度で対流圏下層の継続的な気象観測が可能かを検証する。
(2) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 2000 字程度でまとめてください。

初年度の 2020 年度は、北見工業大学の室内施設や北海道東部の屋外施設での実験や観測を中心に実施した。主な内容として、①小型気象観測機器「iMet-XQ2」（iMet）を取り付けた汎用ドロー ンによる気象観測手法の確立、②既存の気象ドローンとの比較観測、③ドローンによる観測が可能 な極寒環境の模索、の 3 点があげられる。
① 小型気象観測機器「iMet-XQ2」（iMet）を取り付けた汎用ドローンによる気象観測手法の確立

ドローンのプロペラ下では、プロペラが回転する際にダウンウオッシュと呼ばれる下降気流が生じる ため、気象センサーを設置するとダウンウオッシュの影響により観測誤差が生じる。また、機体やバッ テリーからの熱も観測誤差の要因となる。これらは汎用ドローンによる気象観測を行う上で最も重大 な障害となることから、影響を受けない観測手法を構築する必要がある。
そこで、ダウンウオッシュや発熱がセンサーへ与える影響を防ぐため、iMet のセンサー部分を覆う「通風式日射シールドカバー」（写真 1 左上）を開発した。次に、ドローンによるダウンウォッシュや発熱の影響を受けにくい箇所を調査するため、室内施設においてラックに汎用ドローン（Mavic2）を固 定し（写真 1 右）、プロペラを回転させた状態でドローン下の気温や風速の水平分布を測定した（図1）。これらの測定結果から、発熱の影響が比較的小さい Mavic2 の前方アームに iMet を取り付けるのが最適であることがわかった（図 1 右）。バルーンで特定高度（5m）に浮揚させた iMet との比較研究から、このカバーを装着することで、ダウンウオッシュによる影響を大幅に軽減でき、プロペラ下（写 真 1 左下）に取り付けても観測精度にほとんど問題のない気象観測が実施できることがわかった。これらの室内実験により、汎用ドローンによる気象観測の手法を確立することができた。

写真 1（左上）本研究で開発した通風式日射シールドカバーとシールドカバーを装着した iMet。（左下）カバー付きの iMet を搭載した Mavic2。（右）屋内施設でのダウンウォッシュ観測の様子。ラック中央では Mavic2 を固定している。

2

図 1: 屋内実験にで得られた Mavic2 下の風速（左：色 [m/s]）と気温（右：色 [℃]）の水平分布
図。右図の白線は左図の風速を示している。横軸と縦軸はドローンの中心からの距離で、図の中 央がドローンの中心を示している。上側が Mavic の前方。

（２）既存の気象ドローンとの比較観測民間会社が所有している既存の気象ドローン（日本タイプエス社製「R-SWM」、スイスMeteomatics社製「Meteodrone」）と iMet を取り付けたMavic2 による観測比較飛行実験を北海道東部の屋外施設（北見市「オホーツク創世研究パーク」、陸別町「下陸別気象観測所」）で実施した。
図 2 は、2020 年 12 月 24 日のにオホーツク創世研究パークで気象ドローン R-SWM（PF2）（黒）とMavic2（赤）により取得された高度 150m までの気温の鉛直構造を示している。この飛行では、PF2 に 搭載されているヴァイサラ社製の気象観測機器に加え、iMet を 2 つ取り付けて飛行を行なっている（青、緑）。また、バルーンに iMet を取り付け、ドローン飛行とほぼ同時に地上から浮揚させる観測を実施している（灰色）。これらの鉛直観測の比較結果から、Mavic2は高度が高くなるにつれて高温バイアスが大きくなるものの、観測精度の良い観測が実施できることがわかった。一方、PF2 は下層でもiMet に比べ高温バイアスを持っており、高度が上がるほどその特徴は顕著になっていた。これは、マルチコプターである PF2 の方が機体からの発熱が大きく、搭載された気象観測機器の高温バイアスに影響していたと考えられる。これらの観測結果については、タ イ プ エ ス 社 に 情 報 共 有 し 、 PF2 の 観 測 手 法の 改 善に 貢 献 した。

図 2: 2020 年 12 月 24 日にオホーツク創世研究パークで取 得 され た 気 温 の 鉛 直 プ ロ
ファイル（灰：バルーンに取り付けた iMet、青：PF2 の右側に取り付けた iMet、緑：PF2の左側に取り付けた iMet、
黒：PF2 に搭載されたヴァイサラ社製の気象観測機器、
赤： Mavic2 に 取 り 付 け て
i M e t ） 。 1 セット毎に複数回実施（左側から順に 1-4 回目の飛行）。
3

図 3 は、2021 年 2 月 2-4 日に陸別町の下陸別気象観測所で、Meteodrone（上）と iMet を搭載した
Mavic2（下）により各日 9-16 時の間で 1 時間毎に取得された気温（左）と湿度（右）の鉛直プロファイルを示している（Meteodrone は高度 900m、Mavic2は 高 度 500m ま で 飛 行 ） 。 気 温 に つ い て は 、M e t e o d r o n e の方が高温バイアスを示しており、特に日射の強い日中に誤差が大きくなったが、同じ 気温変動の傾向を示していた（左上、左下）。一方、 湿度は、鉛直プロファイルの特徴が異なっている。Mavic2 では高度 500m までで湿度が約 10%変化しているのに対し（右下）、Meteodrone は高度900m の間で湿度の変化は数%であった（右上）。
湿度の誤差は、気温が氷点下になった 2 月 3 日以降に大きくなっており、低温により観測精度に影響が出ている可能性が示唆された。これらの観測結果は、Meteodrone を所持している日本気象株式会社に報 告 済 み で あ り 、 開 発 会 社 で あ る ス
イ スMeteomatics 社にも報告される予定であることか

図 3: 下陸別気象観測所で 2021 年 2 月 3-5日の間に取得された気温（左：℃）と湿度（右：%）の鉛直プロファイル。上図はMeteodoron、下図は iMet 搭載 Mavic2 により取得された

ら、Meteodrone の 観 測 精 度 向 上 に 貢 献 することが期待できる。

（３）ドローンによる観測が可能な極寒環境の模索

陸別町で形成される寒気ドームの発達・消滅過程やドローンの飛行可能な環境場を調査するため、 下
陸別気象観測所では Mavic2 により 2021 年 2 月 4 日 4 時から 1 時間毎の高度 500m まで（夜間飛行となる 4-6 時は高度 150 まで観測）の集中観測を実施した（図 4）。下陸別気象観測所では、4時以降も徐々に気温が低下し、7 時頃に気温が-25℃以下となり最低気温を記録した（図 4 下赤線）。
Mavic2 では、高度 150m 以下の地表付近で 7 時にかけて寒気ドームが発達している様子が観測された（図 4 上）。その後は日射の影響で徐々に気温が上昇し（図 4 下橙）、地表付近の寒気ドームも解消していた（図 4 上）。以上のことから、日本一寒いと言われている陸別町で寒気ドームの形成・消滅過程の観測に成功し、今後は陸別町に情報共有することで町おこしに貢献できる可能性がある。
この観測では、- 25 ℃以下の低温環境でも飛行できることが確認できた（Mavic2 の動作環境
温度は-10℃以上推奨）。これは、冬季の北極圏などの極寒地でも汎用ドローンによる気象観測が 可能性であることを示したことになり、今後北極圏での運用にも期待ができる。しかし、-22℃以下に なった
午前 3 時の観測では、ドローンのアーム先に搭載されているランプが点灯しない問題が生じており、ドローンの飛行に問題はないものの、気温低下により動作不良が生じることがわかった。そのた め、低温下での観測を実施する場合、飛行前に機体を温めるなど事前に対策を行う必要があること も確認できた。
4図 4: （上）Mavic2 により取得された気温の時間高度断面図。夜間飛行となる 4-6 時間は高度 150m 未満の飛行。
（下）iMet により取得された表面気温（赤：℃）と放射計で取得された下向き短波放射（橙：W/m2）。

(3) 本共同研究に関する活動・実績等を下表に記入してください。
①研究打合せ、学会参加・集会(注 4)、調査等(注 4)

研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者によるもの

日程(月日)

日数

活動内容

場所

(日)
2020.10.26

4

屋内施設での飛研究代表者、共同研究分担者、研究参加者数

協力者、招へい者の参加者名・部署

(人)

北見

佐藤和敏、猪上淳

2北見佐藤和敏、猪上淳

2北海道東部の観北見、佐藤和敏、神田勲

2

測地点調査

紋別

屋外施設での飛北見佐藤和敏、猪上淳、神田勲

3陸別佐藤和敏、猪上淳、神田勲

3紋別佐藤和敏、石原宙、村井克詞

3

北見佐藤和敏、猪上淳、神田勲3行実験
2020.12.22

4

屋外施設での飛行実験

2021.01.07
2021.01.25

2
5行実験
2021.02.01

5

屋外施設での飛行実験

2021.02.12

1

ガリンコ号船上からの飛行実験

2021.03.22（予定）

5

屋外施設での飛行実験②研究論文

研究代表者並びに、研究分担者あるいは研究協力者が著者の関連論文がありましたら可能な限り 記載ください。
論文が複数ある場合は、そのフォーマットとして論文 1 の分をコピーして記載してください。

5

項目記入要項

回答(1)著者名(共著者名含む)、発 Sato, K., J. Inoue and A. Yamazaki: Performance of Forecasts of Hurricanes
行 年 、 論 文 タ イ ト ル 、 掲 載 誌 with and without Upper-Level Troughs over the Mid-Latitudes. atmosphere,
名、 巻・号、 ページ数、

11(7), 702. 2020. Doi: 10.3390/atmos11070702

DOI、出版年月日(1)著者名(共著者名含む)、発 Inoue J., K. Sato, A. Rinke, J. J. Cassano, X. Fettweis, G. Heinemann, H.
行 年 、 論 文 タ イ ト ル 、 掲 載 誌 Matthes, A. Orr, T. Phillips, M. Seefeldt, A. Solomon, S. Webster: Clouds
名、 巻・号、 ページ数、DOI、 and Radiation Processes in Regional Climate Models Evaluated Using

Observations Over the Ice‐free Arctic Ocean, JGR Atmosphere, 2021.

出版年月日

Doi: 10.1029/2020JD033904(1)著者名(共著者名含む)、発 Inoue, J., K. Sato, Y. Tobo, F. Taketani and M. Maturilli: Advanced
行 年 、 論 文 タ イ ト ル 、 掲 載 誌 method for estimating the number concentration of cloud water
名、 巻・号、 ページ数、DOI、 and liquid water content observed by cloud particle sensor sondes,

Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint],

出版年月日

https//doi.org/10.5194/amt-2020-476, in review, 2021.

③研究書等著書
著書名・著者名

出版年月

出版社名

世界気象カレンダー2021 (分担執筆：10 月担当(猪上淳)：台日本プロセス秀英

風 19 号の影響が北極海にも)堂株式会社④特許等出願
特許、実用新案、商標
該当なし⑤研究発表(資料添付も可)
発表年月日

発表者名（共著者を含む）

発表タイトル

発表学会等名称

発表地

招待

講演(〇)

2020.11.30

佐藤和敏（北見工業大学大北極での気象観

北極環境研究コオンラ学）

測が中緯度の天ンソーシアム

イン

気予報の精度に与える影響⑥国際シンポジウム等への参加状況(資料添付も可)
6〇

参加をした主な国際シンポジウム等
開催時期（年月）

国際シンポジウム等名称

招待講演/議長の有無

該当なし⑦本共同研究に関し実施(主催、共催、後援等)したシンポジウム・集会(注6)等(資料添付も可)(注 6) 研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者以外を含む参加募集によるもの
開催日

実施

形態

シンポジ

地

(注 7)

ウム・集目的及び概要

対象者

参加人数

(注 7)

(海外(注 8))

会等名称

（国、県、市など）

該当なし

(注 7)
形態:シンポジウム、セミナー、公開講座、ワークショップ、その他

対象：一般、地域、学生、研究者(注 8) 海外機関に所属するもの⑧本拠点共同研究に係る成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに 発展した例があればご記入ください。
・プロジェクト名・プロジェクトの主なプロジェクト期間

・プロジェクト概要

・代表者・関係者(所属)

財源(目的・期待効果、規模、参加・関係研究者・金額

国等)

・予定の場合は、(予定)

・これまでの本共同研究との関と記載してください

連性(300 字程度)

・南大洋上の雲形成メカニズムの解明と大気循環の予測可能性の向上（予定）X 期南極地域観測事業６カ年計画
重点課題計画（案）

令和 4 年～9 年

・代表者：猪上淳（国立極地研究所）

7

本研究で、再利用可能なドローンを使用した自然に負荷の少ない観測網の構築の可能性が見えてきた。特に、ドローンを用いて、基本的な気象パラメータだけでなく、数値モデルの再現性を大きく改良できるエアロゾル観測が実施できる可能性があることが本課題の研究からわかった。この応募予定である研究課題では、本課題で培った知見を南極での観測に応用する。

⑨研究成果が一般社会産業界などに還元（応用）された事例や新しい研究分野の開拓や教育活動 に反映された事例(資料添付も可)
タイプエス社が開発する国産気象ドローンの気象センサーの計測誤差について、機体のセンサー⑩その他国際研究協力活動事例
事業名

概要

受入人数

派遣人数

該当なし

⑪学会賞等受賞、アウトリーチ、取材、その他
年月日
2021.01.27

2020.11.05

所在・出典・受賞者・関新聞名等係者(所属)

研究課題名・賞名・内容等

国 立 極 地 研 猪 上 淳 （ 国 立 「北極海の結氷予測は「雲」がカギ ～「みらい」北極海航究所・北見

極 地 研 究 海データを利用した、数値予報モデルの検証プロジェクトか工業大学共所 ） 、 佐 藤 和 ら～」

同プレスリリ敏（北見工業ース大学）

朝日新聞

佐藤和敏（北「台風予報、精度高めるカギは 想定より早く勢力弱

見工業大学）

まった１０号を検証」

https://www.asahi.com/articles/DA3S14683810.html
2020.09.30

北 見 工 業 大 佐藤和敏（北 「ハリケーンや台風の進路予報の精度向上に北極海での気学・ 国立極 見 工 業 大

象観測強化が有効」

地 研 究 所 共 学 ） 、猪 上 淳

2020.09.23

同プレスリリ

（国立極地研ース究所）

国立極地研

猪上淳（国立「北極海の海氷面積が 9 月 13 日に年間最小値を記録

究所プレスリ極地研究所）～衛星観測史上 2 番目の小ささ～」

猪上淳（国立「半年にわたるシベリアの「熱波」は地球温暖化の影

極地研究所）

響リース
2020.07.16

東京新聞

欧州などの研究グループが警鐘」

https://www.tokyo-np.co.jp/article/42913

記事コピ－等を添付してください。

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⑫コロナ禍の影響と対策

本共同研究へのコロナ禍の影響と対策(改善・代替策、計画変更、工夫等)、助成金執行率(%)につ いて記述してください。
影響の事象

対策の有無と内容(計画変更・中止、改善・代替策、工夫等)該当なし

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