局所天気予報への挑戦～空気の流れの可視化～
２年Ｄ組 小松小野佐藤山田輝政利
流伽将生

齋藤渋谷小松武田優希亮汰大飛凌要約
テレビでよく見る天気 予報でも、最も詳細なもので２ｋｍ間隔・ 1 時間毎までしか観測することができず、より細かい範囲での気象状況を知ることができない 。そこで、今回の研究では、昨年の研究同様に気象要素の３要素である気温・気圧・ 湿度は「BME280 センサーモジュール」を使用し、風向・風速に関しては、自作の観測装置を使用して、２ｋｍ間隔よりも細かい範囲で調査しようと思う 。さ らに空気の流れを可 視化 してわかりやすくす るた めに 「processing」
を使用し、実験した。

１．調査・研究の動機と目的
今回、この研究 に挑戦した理由は 、現在テレビで放送されている天気予報 よりも細かい天気の予測ができないのかという疑問 や、昨年の先輩方の発表を聞いて、気象庁よりも狭い範囲での観測ができる 自作の装置を作りたいと考えた からだ。
気象庁の気象衛星で観測したものであっても 、早いもので 2.5 分後の画像が送られてくる だけである。それでは最新の気象状況を知ることはできない と考えた。そこで、自作の装置で計測した値がすぐにパソコンの画面に表示 されるようにし、昨年の先輩方の データをもとに 、さらに空気の流れを可視化して 観測ができるようになれば、気象庁よりも狭い範囲 の気象状況がすぐにわかると考えた。 また、観測して出された 結果をもとに 図やグラフ で示すことにより 、正確で細かい気象状況 を知り、今後の天気を予測することもできるのではないかと考えた 。しかし、気象庁よりも細かい観測ができるような 装置と言っても、観測機の 台数の関係により限られた範囲での観測しかできないため、学校の中庭程度の狭い空間で実験を行うことを目標とした。

２．研究の仮説・検証・調査・結果
仮説
空気の流れをビジュアルプログラミング の「processing」により可視化することで、さらに精度の高い天気予報ができるのではないか 。

検証
（１）概要
昨年と同様に気温・気圧・湿度の観測に関しては ボッシュ社の BME280 センサーモジュールを使用して計測する。風向・風速については、１か所につき Ｘ,Ｙ,Ｚの３方向について超音波スピーカーと超音波マイクをとりつける。超音波スピーカーから送出した超音波を超音波マイクが受け取るまでにかか った時間の長さを、 ＧＲ -ＳＡＫＵＲＡと呼ばれ るマイクロコンピューターで計測し、風速を計算する。
風向・風速についても、同様にセンサー モジュールを使って観測しようと したが、壊れやすかったり、空気の流れを三次元にできなかったため不採用と した。また、ヒーター式のものは消費電力が大きく、そもそも風向が測れないためこちらも不採用と した。ほかにも、回転数で風速を求めることができる 風車式の機械を使うことも考え たが、プロペラ部分が何回も使用するうちに壊れてしまう 可能性があったため、こちらも不採用と した。そこで、超音波を使って見かけ上の音速から風速を測定しようということになっ た。そのために 、超音波を発生させることができる装置を製作し、送信機と受信機の２つを１組とする。その２つを向い合せるようにして４か所に他の観測装置を設置する 。
この装置は、Ｘ,Ｙ,Ｚつまり縦、横、高さの３方向 の送信機から出ている超音波が受信機まで届くとＸ方向は黄色 、Ｙ方向は赤色、 Ｚ方向は青色の検出回路基板上の LED が点滅する。
また、今年は昨年よりも精度の高い予想を目標とするため 、風向や風速を三次元で 示すことのできる「processing」を使用した。
（２）多項式近似と、 データの補完について
例えば気圧の場合、観測装置の数は限られるため 、装置を設置した何か所かの気圧の分布を表す式を求めてしまえば、観測地点以外の データも、座標を代入するだけで推定することができる。例えば、Ｘ方向だけで考えてみると、一見、複雑な形だが、一次関数、二次関数、三次関数などをブレンドする ことで、近づける事がで きる。この研究では、三 次、二次、一 次、X分の１、X２乗分の１、そして定数項のブレンドで式を表すことにし た。
（３）空気の流れの可視化
空気の流れを可視化するために、「 processing」というものを使った。
「processing」とは、電子アートとビジュアルデザインのプログ ラム言語で、グラフィックを書くためのビジュアルプログラミングである 。
「processing」を使用した 理由は、ＧＲ-ＳＡＫＵＲＡとの親和性が高いということや、視覚的なフィードバックが即座に得られるとい うこと、二次元や三次元で表すことが容易にできるという点があったからである 。
（４）各装置の動作確認①気温・気圧・ 湿度の観測装置について
気温・気圧・湿度の動作確認については、まず観測装置に 息を吹きかける 。その時、パソコンの画面には、左から気温・気圧・湿度の順で毎秒表示され、観測される気温や湿度の上昇を確認できた場合、各装置の動作が正常に動いているとされ る。
[1 次元の多項式近似と拡散の様子 ]測定地点の座標と値を代入した式６本を連立することにより関数の係数を求め、分布を表す近似式を求めた後、時間とともに拡散していく場合の例を右に示す。このように、関数さえ求めれば、任意の座標における値がわかり、時間変化を知ることができる。
②風向・風速の観測装置 について
風向・風速の観測装置は超音波スピーカーから送出した超音波を超音波マイク受け取っていれば、LED が点滅する 。受け取っていなければ、 LED は点滅しない。その場合は、配線が間違っているなどの不備があるということになり、その修正を行う 。
受信機から出された超音波が送信機に届くまでの時間をμｓで毎秒表示される。
ばらつきが多いので、 ３ ０ ｃｍ間隔で計測した デ ータ１０回分の平均を 取 っている。 Error
は何らかの原因で測れなかったので 、平均をとる際に除外している。つまり、 Error の回数が少ないほど正確な数値である。 No Data は、障害物等によって超音波が遮られたなどの原因で１度も計測されなかった場合に表示される。三方向計測する予定なので、気温の下 の数値をＸ,Ｙ,Ｚ方向に分けて表示するようにした。

（５）1 台での動作確認※この写真はＸ方向のみの風速を計測している場合のものである

下の表は実際に観測した時の送られてきたデータの様子で、パソコンの画面 には１秒毎に観測結果が送られてくる。

（６）風速の計算方法
V を音速、ｖを風速、 ｆを超音波の強さ、L を送信機と受信機の距離、ｔを検出器の中での処理時間、v/L を送信機から出た超音波が受信機に 届くまでの時間とする 。

ｆ＝40ｋHz←l＝0.30→ｆ

検出回路

ＧＲＳＡＫＵＲＡ

ｔ秒かかる

タイムラグτ[s]音速 V＝331.5+0.6ｔ[m/s]
BME280 センサーモジュール で測定

lＴ₀＝ [s]理論的な時間Ｖ・・・①

無風の時の時間ｔ₀・・・ ②
キャリブレーションモードで記録し、τを求める①,②よりｔ₀-Ｔ₀がタイムラグτ
つまり

τ＝ｔ₀-Ｔ ₀

測定した時間をｔとすると（ｔ -τ）が実際の伝播時間※見かけの音速

ｖ’＝

lt−τ

[m/s]

（見かけ）（音速）
実際の風速ｖ＝ｖ′-Ｖ=ｌｔ−τ

-Ｖ[m/s]

調査
BME280 センサーモジュールで 気温・気圧・湿度を測定しつつ、 風向・風速の観測装置 のＸ,Ｙ,Ｚ方向に順番に、扇風機で風を当てていく。

結果
気温・気圧・湿度のデータが毎秒パソコンの画面に送られ、 BME280 センサーモジュールは、正常に動いた。
風向・風速の観測装置も、超音波は送信機側から 受信機側に届き LED が光って、Ｘ,Ｙ,Ｚ方向の風速がパソコンの画面に送られ、正常に動いた。

※この画像は、Ｙ方向に風を当てた時に パソコンの画面に送られてきた気温・気圧・湿度・風速のデータである

３．今後の課題
・実験装置を１６台作成する。
・中庭で測定する。
・「Processing」で空気の流れを可視化する。

４．参考文献
気象庁
http://www.jma.go.jp/jp/mesh20/204/.htm?elementCode=0
ボッシュ社
Https://www.bosch`sensortec/de/homepage/product.3/envronmental
sensor 1/bme280/bme280_1

５．謝辞
今回の研究の担当をしてくださった、由利高校教諭

高橋清

先生には、ご自身の職務でお忙しいにもかかわらず、研究に必要な材料収集、研究の進め方、適切なご指導・ご助言を賜りました。心より感謝申し上げます。