南極東ク ィーンモー ドラン ド前進拠点に

5011：106（観測技術）
南極東クィーンモードランド前進拠点に
おける無人気象観測＊
菊 地 時 夫＊＊ 牧 野 章 汎＊＊＊
要 旨
南極東クィーンモードランドに建設した前進拠点において，約8か月間の無人気象観測を行うため，半導
体メモリー（CMOS RAM）方式による長期気象記録計を製作した．記録計は風向，風速，気温，雪温を
時間毎に測定し，CMOS RAM（16kB）に記録する．電源にはリチウム電池を使用し，保温用に風力発電
機を用いた．約7か月後にデータを回収して調べたところ，全期間にわたって記録が行われていたが，正常
なデータは気温，風向が9割，風速が5割程度であった．CMOS RAMは一60。C以下の極寒の条件でも，
一度書き込まれたデータを保持しており，極地におけるこの方式の記録計の有効性を確認した．
1．はじめに
第26次南極地域観測隊は1985年2月，東クィーンモー
ドランド雪氷観測計画（東，1981）の一環として74。
12，S，34。59／E，海抜3200mの高原上に前進拠点
を建設した （上田，1986；Kikuchi and Ageta，1987）．
第1図にその位置を示す．前進拠点は第25次隊によって
その位置を定められたが（F可ii6∫α1．，1986），長期観測
のための居住兼観測棟の建設は第26次隊に委ねられてい
た．拠点建設のための内陸旅行隊は3月1日にみずほ基
30。E
40。E
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．．35◎O’ O
75。S ・
地への帰途につぎ，10月の本旅行まで前進拠点は無人と
。。 ’㌦・㌣．．
§
なった．この無人期間の気象データを取るために長期気
ふじド ム
象記録計を製作し，現地に設置した．
20’E
2．長期気象記録計の製作
南極の厳しい条件下で使用できるデータロガーとして
’75’S
ム∫
第1図
30’E
40。E
50轡E
南極，東クィーンモードランドの地図．前
進拠点と日本の観測基地．
は，ディジタルカセットに記録する方式のもの（勝田・
寺井，1986）や，低消費電力の相補型酸化金属半導体
で下がると考えられる内陸高原では保温が不可欠とな
（CMOS）集積回路（IC）メモリーを使うもの（Endo
る．一方，CMOS ICの多くは一55。Cまで動作が保
8」α」．，1987）などが考えられる．前者は一20。C程度ま
証されており，部品を注意深く選ぶことにより，わずか
でしか動作が保証されず，最低気温が一60。C以下にま
＊Unmanned weather observat玉ons at the Ad・
の保温で十分使用に耐えるデータ・ガーを構成すること
ができる．この考えに添っていくつかのデータロガー・が
vance Camp in East Qpeen Maud Land，
商品化されているが，特に風速測定の点で気象観測に適
Antarctica．
した形のものは見当たらなかった．
＊＊Tokio Kikuchi，高知大学理学部．
＊＊＊Akihiro Makino，㈱牧野応用測器研究所．
そこで，新たに低温下で使える長期気象記録計を製作
一1987年7月23日受領一
一1987年9月28日受理一
1988年1月
することにした．記録計の主な仕様と要求される性能を
第1表に示す．特に，風向風速の測定については，一世界
39
南極東クィーソモードラソド前進拠点における無人気観測
40
第1表 長期気象記録計の仕様
データ収録項目およびセソサーの規格
項目
1．
風向
内容
10分間の最頻値
規格
センサー
抵抗式矢羽根風向計
（n／300を2で割る）
16方位（牧野，VR236）
2．
風向頻度
1．の頻度
3．
風速
10分間平均値
4．
最大風速
5．
気温
白金抵抗温度計
6．
雪温
白金抵抗温度計
7．
通し番号
RAMの0番号に記録された番号をデータ取得のたびに
電接式三杯風速計
0∼150
分解能O．1m／s（牧野，AC860）
『10分間の最大値
一60∼40。C，分解能0．1。C
一一60∼40。C，分解能0．1。C
増加する
測定周期
3時間
収録期間
約8か月
動作温度（下限）
約一500C
記録媒体
半導体メモリー（CMOS−RAM）
補助機能
RAMのチェックと初期化
データ転送（RS−232−Cによる）
気象機関（WMO）に定められた10分間平均をとること
によりデータの代表性が確保されるようにした．記録方
0．1m／sで10ビットで表す．風向は16方位で計測す
る．
式については前述のCMOS−RAMを使用するが，紙テ
（3）気温，雪温の測定…白金抵抗温度計（0。Cで100
ープに針でパンチすることによりバックアップすること
Ω）を使っているが，測定時のみ回路に通電するよ
を考えた（実際には電源部の事故によりこの部分は使わ
うにして，電力を節約する．A／Dコンバータには
れず，有効性は確かめられなかった）．
10ビットの物を使用しており，分解能は約0．1。Cで
第2図に記録計の構成図を示す．CMOS型の中央処
理装置（CPU）であるIC，80C85は，32．768kHzの
（4）CMOS−RAMへのデータ書込…RAM内に記録
水晶発振器で働くタイマーにより3時間毎に電源が入れ
されている番地情報をもとにデータを記録すべき番
ある．
られる．CPUは読み出し専用メモリー（ROM）に書き
地を計算してその番地のメモリーにデータを書き込
込まれているプログラムに従って計測を行い，必要な演
む．1データは8バイト（1バイトは8ビット）で
算を行い，得られたデータをCMOS−RAMに書き込
構成されるが，計測データは10ビットで表されるた
む．続いてデータをパンチしたあと，電源を切る．タイ
め，1バイトに各データの上位2ビットをまとめて
マーの動作とCMOS−RAMのデー・タ維持に必要な電流
入れるなどの工夫をしてメモリーの節約を図ってい
は非常に少なくて済む．電源には低温での特性の良いリ
る．RAMは16kBが用意されており，ほぼ255
チウム電池（松下電池）を使用した．
日分に相当する．
計測のプ貢グラムは以下のようになっている．
（1）風速風向測定の開始…10分間の計測中も2秒毎の
（5）テープパンチの駆動…CMOS−RAMのバツクア
ップ用として準備した．CMOS−RAMに比べてデ
データ取り込み時以外はCPUの動作を停止して電
ータの保存性に優れているが，読み取りには困難が
力消費を軽減する．
予想される．
（2）平均風速，最多風向の計算…10分間の計測の後
（6）CPUの停止…3時間後にタイマー一によって電源
300個のデータから平均風速，最大風速，最多風
が入れられるまで動作を停止するため，自分自身の
向，同風向の発生頻度を計算する．風速の分解能は
電源を切る．
40
、天気”35．1．
41
南極東クィーンモードランド前進拠点における無人気観測
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RS−232−C 三
ア労クー
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長時間気象記録計
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気温 （Pt100Ω）
インターフェイス
ン固一ル
CPU
CBOSメモリー
アルス
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雪温
16kB
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6 0
風向
データ
（VR236）
デーウ
コントロール
（AC860）
風速
昧
一
…
i…
＋5V（BO）
⋮； 、
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＋5V（B1）
＋6V（B2）
一6V（B3）
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一………一硬用せず」……一…一…一・一一｝
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リチウム電池
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第2図 長期気象記録計の構成．
この他，記録計には（a）RAMのチェックと初期
3．現地での設置状況
化，（b）計測データの転送を行う機能が備わっており，
前進拠点建設のための内陸旅行隊（5名，リーダ｝：
CPU電源を手動で入れる際スイッチ操作でそれぞれの
上田豊），は1985年1月26日にみずほ基地（70。42’S，
機能プ・グラムを実行する．デー・タの転送にはRS−232・C
44。20’E，高度2230m）を出発して，2月7日に目的
によるシリアル方式を用いてパーソナルコンピュータに
の前進拠点建設地に着いた．翌8日から9日にかけて，
収録できるようにした．但し，記録計からの出力は使
断熱パネルを組み合わせた幅3．6m，奥行き7．2m，高
用する電源の関係で＋5VとOVなので，パソコン
さ2．7mの居住兼観測棟を建設した．内装などの作業
（EPSON，HC・40）の規格に合う様に土9Vに変換する
終了後，2月14日より記録計の設置に取り掛かった．前
アダプター・を用意した．
進拠点における気象記録計の設置状況を第2図及び写真
記録計の電源は5組のリチウム電池からなっている．
1，2に示す．風向計と風速計は高さ5mのポールの
ディジタル用2系統（5V／22AH，5V／1．5AH）とア
上部に取り付け，温度計のひとつはステンレスの日除け
ナ・グ用2系統（6V／1．5AH，一6V／1。5AH），及び
の中に入れて高さ1．5mに取り付けた．また，もうひと
パンチ用（12V21AH）の計5系統に分かれているが，
つの温度計は深さ2cmの雪中に埋めた．風力発電機は
低温での電圧降下を予想してほぽ2倍の起電力の電池を
ポールの風下約10mのところに設置した．居住棟内に
用意した．
記録計本体と電池をセットして計測テストを開始したの
記録計と電池は10cm厚さの発泡スチロールで断熱
は2月16日である．
した木製の箱に入れた．また，風力発電機（0−200−TM
テスト中にいくつかの不具合が生じた．
1−24V，大島製作所）を電気ヒー・ターにつなぎ，保温の
（1）風力発電機の故障…（a）回転が遅かった．これ
ための熱源とした．但し，過大電流による温めすぎを防
は発電機内の軸受けのグリースの低温による固化
ぐため，記録計に付けたサーモスタットにより一5。C以
で，軸受けを灯油で洗浄することにより解決した．
上で断熱箱の外側につけたヒーターに切り換えるように
（b）回転部のスリップリングでの断線により電流
した．
1988年1月−
が流れなかったが，発電機より直接配線することに
41
42
南極東クィーソモードランド前進拠点における無人気観測
風向計
風速計
”
風力発電機
居住兼観測棟
保温箱
＝。．㌦、．噸∵
−鄭ゐ
気温
電池
合
記録計
．．，“：む
雪温
第3図
第3図
写真1
記録計の設置状況の概略図．
風上から見た観測用ポールと風力発電機，前進拠点
建物．後方は幌そりとデポ．
写真2
室内に置かれた記録計．保温箱ははずして横に置い
てある．手前下はハンドヘルド・コンピ三一タ．
写真1
写真2
より解決した．（c）矢羽根が強風で共振すること
（3）データの欠落…パンチ部の動作している間にデー
があった．これは設置時点までの間に事故により矢
タがパンチされているのにメモリーに書き込まれて
羽根が曲がっていたことによるものかも知れない
いないことがあった．プログラムかハードウェアの
が，特に対策はとれなかった．
ミスと思われるが再現性が乏しいため対策できなか
（2）電池のショートとパンチ部の故障…点検のため電
池をはずす際に誤ってショートさせ，その影響でパ
った．
以上のように不完全な形ではあるが，滞在期限も迫っ
ンチ部が動かなくなった．復旧を試みたが部品もな
てぎたので2月27日15時（昭和基地標準時間，UT＋3h）
く諦めた．
から計測を開始した．前進拠点を出発する3月1日には
42
黙天天”35。1．
南極東クィーンモードラソド前進拠点における無人気観測
43
第2表電池電圧の変化
名称
規格値
B O
5（V）22（AH）
7＜V）
B l
5 1．5
10
9
B2
B3
B4
6 1．5
10
9
−6 1．5
−10
−9
電圧（1985年2月）
12 21
εトパ＼
ロ
1 ＼
3（V）
（使用せず）
中＼∼＼
ム
電圧（10月）
o直irTemp．
▲Sno四Temp．
▲＼▲
、▲ ▲一▲
、▲1 ＼▲
＼
ム
0 ＼▲
8 0
器 ＼
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￥〇一〇
Da ta Number 208
216
224
232
240
T ime 3／25 15L、T
／2615LT
／27（18LT）
／2815LT
！2915LT
第4図 データ欠落前後の気温と雪温の記録．
記録されたデータを読み出してデータ回収の際に比較で
きるようにした．
まで落ちていたため，予備の電源装置で5Vを供給する
ことにより，かろうじて回収することができた．記録の
最初に入っているデータは拠点を離れる前に読み出した
4．データの回収
ものと一致しており，温度低下や電圧降下によっても一
昭和基地とみずほ基地で越冬したのち，内陸旅行隊
度記録されたデータに変化はなかった．一旦コンピュー
（8名，リーダー：上田）は10月14日に前進拠点を再訪
タに入ったデータはディジタルカセット端末（TAFCO，
した．まず，風力発電機が壊れていることを発見した．
TFC−153）を介してカセットテープに移して持ち帰っ
発電機は尾翼の付け根が破断してプロペラが脱落してお
た．
り，設置時にみられた共振現象によるものと推察され
た．壊れた時期は特定できないが，壊れた部品の雪に埋
5．データの検討
まった状況から数か月は経過していると思われ，保温の
データの検討の際にまず注意したのは3節の（3）に
電源を失った記録計は一60QC程度まで温度が下がって
書いたようなデータの欠落がないかという点である．2
いた可能性がある．
月と3月のデータは気温に日周変化が見られるため，こ
次に，居住棟を暖房して記録計を温めたあと，電池の
れを追うことによりある程度欠落をチェックできる．第
電圧を測定した孝ころ第2表に示すように電圧の降下が
4図に3月25日03時（デー一タ番号204）から5日分の気
見られた．続いてコンピュータを接続してデータの回収
温と雪温をプロットした．3月27日までは15時に日最高
を試みたが，CPUとシリアル出力の電源電圧が3Vに
気温が現われているのに対して，28日からは12時に現わ
1988年1月
43
44
南極東クィ1ンモ白ドラシド前進拠点における無人気観測
一30
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第5図
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MAR APR 14ハY JUN
JUL
AUG
SEP
OCT
無人記録計による全期間の気温，風向，風速の記録． データの点を線で結んでいない部分は記
録に間題があったことを示す．
れている．これ以降の日周変化も同様であり，27日から
る．この128個のデータは，ちようど1組のRAM
28日にかけてデータの欠落が生じたことがわかる．これ
以上のことはデータのプロットからはわからないが，2
IC（4bit×1024のIC2個で1kBを構成する）に
相当する．常温ではRAMチェックプログラムに
月のテスト中にはデータ番号が32番，48番などの2進数
よっても異常は発見されなかったが，低温のために
で切れのよい番号のところで欠落が生じていた．そこで
異常が生じたものと思われる．
この付近で一番切れのよい224番（16進数でEO）のと
（2）6月の後半より後の風速データでは，平均風速が
ころで欠落が生じたものと推定した．その後の部分では
最大風速に比べて極端に小さくなっている場合が多
日周変化がなくなるため，この方法でのチェックはでき
い．みずほ基地のデータ（Kikuchi8♂α」．，1986）と
ないが，最後の部分のデータを再訪時の手動気象観測と
比べても平均風速は小さくなっており，風速測定に
比較することによリデータの欠落は前にあげた1箇所だ
間題が生じたことがわかる．風速計が電気接点方式
けであることが確認された．
をとっていることから，間欠的な接触の検知ミスが
以上の他に，低温と電圧低下が原因と見られるデータ
あったものと思われる．10月15目に居住棟を暖房し
の明らかな誤りが見つかった（データの詳細については
てからは正常な値に戻っていたことから考えると，
Kikuchi and Ageta，1987を参照）．
風速計の発信部に原因があるのではなく，低温によ
（1）データ番号1278から1405の範囲では番号が250，
る入力部トランジスタの作動不良など，電子回路に
250，0，0，…のように誤って記録されていた．この
期間（8月6日∼22日）の風速や気温もランダムに
変化しており，記録に異常があったことを示してい
44
原因があったのであろう．
（3）温度の最低値を一一60。C （実際には現地較正の外
挿によると一62．6。C）に設定していたため，それ
、天気”35．1．
南極東クィーンモードランド前進拠点における無人気観測
45
0
15
じ し ロ ヨ ロ じ ロ し じ
3≧10
ほ じ じ こ ロ ロ じ ヨ l l l I ’ 1 ’ l l l
コ コ ほ ヨ ロ じ じ じ
l l l l l l l l 一 ， ｝ 1
ぜ ロ ロ ロ ほ ロ ロ じ じ ”｛一皿…・・1一・一一・・｛・一一一’一一 ・…卜一・一一一イー一一…・卜一・・一…｛一。・一一・十一・・一一・，一一一一イー一 ・・一
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， 9 1 1 1 1 1 r ． ． 9
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， l l ． 1 ， ， ・ ， ． 1
JRNFEBmRRPRmYJUNJULRUGSEPOCTNOVDEC
第6図
有人期間の観測をあわせた月平均の気温，
△…昭和基地，いずれも1985年）
風速の記録，（○…前進拠点，X…みずほ基地，
以下に下がったときの気温，雪温の測定はできなか
24。08’E，海抜930m）に設置した同様の方式による
った．
記録計のデータとの比較より，低気圧性擾乱の進入につ
いて明らかにした．東クィーンモードランド高原域にお
6．結 語
ける気象，気候区分の間題については別に論ずる予定で
第5図に長期気象記録計のとった気温，風速の全デー
ある．
タを示す．但し，データにミスのある部分は線でつなが
世界気候研究計画（WCRP）の副計画である南極気候
ずに点のままにしてある．以上のように一部にデータの
研究（ACR）に関連して各国で無人気象観測の計画が実
ミスがあったものの，全体としては気温と風向で9割，
行されている．その主流は衛星によるデータ収集である
風速で5割程度の正常な記録を取得することに成功し
が（例：Steams and Weidner，1986）経常経費がかな
た．
りかかることが欠点である．1年に一度程度訪れること
第6図に有人観測期間を含めた気温と風速の月平均値
ができて行動計画上は余り重要性がないようなところ
をみずほ基地，昭和基地での値と比較して示した．図か
（従って実時間でのデータを必要としないところ）では，
らわかるように，みずほ基地と前進拠点の相関はかなり
ここで扱っているような記録方式にも利用価値がある．
よい．みずほ基地は昭和基地から約250km，みずほと前
第28次隊ではこの長期気象記録計を改良して無人とな
進拠点の間は約500kmで後者のほうが遠いのに相関が
ったみずほ基地に持ち込み，他の方式の記録計（勝田・
よい．これは南極の気候区分が主に海抜高度で決まって
寺井，1986他）と共に1年間のデータ収集試験を行って
いる（Dalrymple，1967）ことに関連している．また，
いる．主な改良点は次の通りである．
Endoh8」α」．，（1987）はあすか観測拠点（71。32，S，
（1）風速計を発電方式のものに代えて電接方式にみら
1988年1月
45
46 南極東クィーソモードラソド前進拠点における無人気観測
れた低温での障害を避ける．
M．J．，Am．Geophys．un五〇n，195−231．
（2）データの圧縮性を高め16kBのままで1年分のデ
Endoh，T．，G．Wakahama，S．Kawaguchi，M．
ータが取れるようにする．
（3）電池の接続にコネクターを使用して，短絡などの
Sano and T．Kikuchi，1987：Tdal operation
of a simple automatic weather station at
Asuka Camp．，Antarctica．Proc．NIPR Symp．
事故を防ぐ． ，
． Polar Meteorol．Glaciol．，1．103−112．
また，みずほ基地は前進拠点よりも10。Cほど気
F雨ii，Y．，K．Kawada，M．Yoshida and S．
温が高いので，風力発電機での保温をやめて，雪中
に埋まった基地建物の保温性にまかせている．第29
l Matsu憩oto・1986：Glaci・1・gica1「esearchpr・・
gram m East Qμeen Maud Land，East
l Antarctica，Part4， 1984．JARE Data Rep．，
次隊との交代のとぎ（1988年1月）にデータは向収一 一』・ 116，（Glaciol．13），71P．
される予定である． ’ ，
東 晃1981：南極東クィーンモードランド雪氷研
究計画について．雪氷，43，129−130．
勝田豊・寺井啓1986：南極用低消費電力デー
謝 辞
タ収録器の開発．南極資料，．30，175−188・
風力発電機に関しては，湯浅電池（株）の松本完氏に
Kikuchi，T・and Y．Ageta1987：Glaciological
御世話になった．現地での設置にあたっては国立極地研
research program in East Qμeen Maud Land，
の吉田治郎隊員を始め，内陸旅行隊全員の協力を得た．
East Antarctica，Part6，Advance Camp，1985．
JARE Data Rep．，129，（Glacio1．15），104P．
ここに記して，謝意を表します．
Kikuchi，T．，T．Shimamoto，F．Okuhira and
文．献
上田 豊1986：内陸ドームから，あすか拠点へ．
極地，43，28−33．
Dalrymple，P。C．1966：A physical climatology of
the Antarctic Plateau．StudiesinAntarctic Me−
Y．Ageta1986：Meteorological Data at Mizuho
station，Antarctic4in1985．JARE Data Rep．，
120，（Meteoro1．19）78P．
Steams，C．R．and G．A．Weidner1985：Antarctic
auto血atic weather stations，austral summer
1984−1985．Antarc。J．u．s．，20，189−191．
teorology，Antarct・ Res． Ser。，9，ed by Rubin，
Polar Ozone Workshopのお知らせ
極域オゾンの変動に対する観測及び理論の最近の知見
記
をまとめるため，右記によって国際研究集会が計画され
日時：1988年5月9∼13目
ております．興味のある方は連絡次第英文案内書をお送
場所：米国コロラド州アスペン
りします。
アブストラクト〆切：1988年2月28日
照介先：気象研究所 忠鉢 繁 0298−51−7111
（内線348）
科学技術総合シンポジウム開催のお知らせ
日時：昭和63年3月16日（水）∼18日（金）
（千代田区大手町1−9−5，TEL O3−270−0251）
ところ：日経ホール
主催：科学技術庁
46
、天気”35．1．