ノンリフトバルーンによる気流観測

第3章 ノンリフトバルーンによる気流観測＊
3．1 観測の概要
瀬戸内海沿岸地域に発達する局地循環の実態を把握するため、1980年7月とfg81年8月に新居浜
市においでノンリフト・レーウィンゾンデ観測を実施した。
ノンリフト・レーウィンゾンデ観測は、内容量4004のノンリフト気球（テトラ型）にレーウィ
ンゾンデ発信器（JWA−79W型又はJ NL−77型）を吊り下げて、指定高度で浮遊するように地上
で浮力調整を行って放球した。これをゾンデ受信器（RD65A型）2台で、同時に受信、自動追跡した。
観測結果は自動追跡2地点の方位角を用いて水平位置を算出した。また気球高度は受信したゾン
デの気圧値より求めた。
3．2 観一測
観測は、気球の自動追跡を2地点に設置し、気球の放球点は風向等を考慮して決定した（図3．1）。
燧灘
下水処理場
縮
盗灘
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1
ノ
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Fig。3．1 A schematic diagraτn of Niihama city，and locations of releasing sites（A，C）and
tracking sites（A，B）．
＊栗田 進二応用気象研究部 佐藤純次：企画室
一55一
気象研究所技術報告 第11号 1984
（1）追跡点
A点…新居浜市下水処理場屋上、標高20m
B点…新居浜市神郷小学校屋上、標高25m
基線長（A−Bを結ぶ）…・3，730m
基線角（真北と基線のなす角）…122度
（2）気球放球点
・新居浜市下水処理場（A点）
o新居浜市役所（C点）
・新居浜沖海上
（3）』水平面上の流跡
レーウィンゾンデ受信結果から気球の流跡を水平面上に投影した位置を求めるために、追跡地点
間の距離（基線長3，730m）と、追跡地点の方位角・真北からの基線の角度を用いた。
位置計算には次に示す計算式を使用した。水平面の原点はA点（新居浜市下水処理場）に置き、
図33に示すように、東西方向をX軸、南北方向をY軸に≧り、X軸のプラスを東、Y軸のプラス
を北とした。
計算式
sinθA
1＝（1・
sin（θA＋θB）
X＝1●tanθA
y＝1・cos広
Xニーx・sinα＋y・cosα
Y＝x・cosα＋y・sinα
ここで
1：A点から気球までの距離（m）
d：基線長（3，730m）
θA：A点の受信方位角
θB：B点の受信方位角
X：A点より東西軸上の距離
Y：A点より南北軸上の距離
以上の式で気球の位置を算出すれば平均風速は、水平面上の流跡として表わされるが、レーウィ
ンゾンデ受信器による自動追跡では、追従性の問題及び気球の位置等で測風経織義による2点観測
ほど精度が高くない。また気球の高度が下がり高度角が低くなると、地面や建物による電波の反射
などの影響も現われる。これらの問題点は計算結果で流跡のふらつき現象になる。今回は、この流
跡のふらつきを考慮して、観測値の移動平均を行って流跡を求めた。移動平均には、30秒間隔で収
一56一
気象研究所技術報告 第11号 1984
録しているデータを計算時刻の前後、3データずつ6個の移動平均とした。 、
（4）気球の浮遊高度
気球の高度計算には、測高公式を用い、使用データは地上気圧と気温、気球浮遊高度の気圧はレ
ーウィンゾンデ信号より求めた。
Po
E＝18，400（1＋α・T）・10g（一）＋Z。
Pn
ここで H：気球浮遊高度（m）
α：：空気の膨張系数（α00367）
T：地と浮遊高度間の平均気温場（℃）
P。：地上気圧（mb）
P。・：レーウィンゾンデ信号による浮遊高度の気圧値（mb）
Z。：地表高度（m）
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A 。O．×20km耳
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魏。・．4
Fig。3．2
AteエrainaroundHiuchinadaalea，andlocationsoftwoaxesofthereference
coordinate．
一57一、
気象研究所技術報告 第11号 1984
3．3 観測結果
ノンリフト・し・一ウィンゾンデ観測では1980年に6回、1981年に9回の観測を実施し、方位角・
気圧値のデータを収録した。このデータから流跡・浮遊高度を求めた。
全体の観測範囲は、新居浜市下水処理場（A点）を中心に、北に20km、東に10km、西に20km、
南に7kmにわたり、図3．2に示すように燧灘の南半分をカバーしている。
1、時間以上追跡できた7例について、放球場所、時刻、追跡時間、流れの方向、浮遊高度範囲を
表3．1にまとめて示し、水平流跡、浮遊高度を図及び表で示した（図3．3∼3．9、表3．2∼3．5）。
各水平流跡図は、図3．2に示すA点を中心とした、東西及び南北の基準線に対して描かれている。
丸印は放球後30分毎に、添数字は放球後の経過時間（分）を示している。
浮遊高度図は、横軸が放球後経過時間（分）、縦軸が高度（m）で、丸印は放球後30分毎に示し
てある。表の星印は欠測を示す。
Table 3．1 List of the non−1ift balloon obselvations．
Year
1980
1981
Month
July
AugUS’ヒ
RUN NO．
Day
1
4
5
1
5
7
9
22
23
23
19
20
21
21
ll305 Ol＝02 05＝29 06：20 10＝30 06：22 22＝35
T■me
Releasing
入
A
A
A
C
sea
sea
S■te
o
g
Tracking
durati・P
3
1．5
2．5
4
2．5
3．5
NNE
NW
ENE
WSW
w
SW
ENE
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350
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200
450
200
100
−
−
．8
（hours）
Main
4irecU・n
Elevation
−
（m）
400
−
500
−
400
一58一
−
350
一甲
550
300
350
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）
N
20k『n
198037／22
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480
390
3β0
330
270
300
10km
120鷲
450
240
210
180
60
30
101
1
10km
6 5 4 3 2 1
mOO OO OO ・0 00 0
b）
工980＝7／22
11、じ05RUN1
0
60
Fig 3。3
120
180
240
300
360
420
1980RUN1．Open circles are placed for every30minutes afteHelease of the
balloon．
a）Horizontal trajectory，an（1the numbers mean elapse time after release of the
balloon．
b）Vertical fluctuation．
一59一
mh・
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）
1980；7／23 01；02
RUN 4
N
20km
150
15km
120
90
10km
5km
60
30
O
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m6
O
5 4 3 2 1
b）
1980＝7／23 01302 RUN 4
60
Fig。3．4
＼
120
180 min
Same as Fig．3，3except for1980RUN4．
一60一
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）
1980；7／23
05；29 RUN 5
N
5km
！＼
60
A 30
5km
b）
1980：7／23 05；29 RUN 5
m
400
300
200’
100
60
Fig．3．5
min
SameasFig．3．3exceptf。r1980RむN5．
一61一
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）
1981＝8／19 6＝20 RUN 1
5km
10km．
A
30
60
5km
120
，0・km
b）
m5O
O
O
4 O
3 O
2 1 OOOOO
Fig。3．6
1981＝8／19 6；20 RUN 1
60
120
180min
Same as Fig．3．3except for1981RUN1．
一62一
気象研究所技術報告 第11号 1984
N
a）
10130 RUN 5
1981；8／20
20km
10km
150
180
210’
W
120
30
90
60
b）
00000■O
1981＝8／20 10330 RUN 5
イ20
180
24
而
Fig．3．7
Same as Fig．3．3except for1981RUN5。
一63一
Cn
60
E
気象研究所技術報告 第11号．1984
a）
b）
198138／21 6；22 RUN 7
m
400
1981＝8／216322RUN7
5km
A 30
300
200
90 120
5km
100
60
Fig．3。8
120mi
Same as Fig．3．3except for1981RUN7。
b）
a）
1981、8／21
22335 RUN 9
m
400
150
22＝35 RUN 9
1981＝8／21
照
A
60
90
120
180
300
200
卿
5km
100
60
Fig，3．9
Sanle as Fig．3．3except for1981RUN9．
一64一
120
・ナ 180min
気象研究所技術報告 第11号1984
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68、77988
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一
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E玉apse time afteHelease of the ballons and hoIizontal coor（1inates，
・Table3．2
a）1980RUN1，b）1980RUN4，c）1980RUN5．
気象研究所技術報告 第11号 1984
Table 3．3
The same as table3．1except for a）1981RUN1，b）1981RUN5，c）1981RUN
7，d）1981RUN9．
1981RUN1
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一2．58 −0．44
一3．13 。0．55
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一4．20 ロ0。81
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一6．22 −1．97
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一7．34−2982
一8．09 83．25
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畳畳畳終誉畏 蓑誉冷繕
誉蒼耗誉帽ξ碁暑3eξ彦ξ
周10．36 一奪．52
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一10．65 −5．“0
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一9．17−2．35
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気象研究所技術報告 第11号 1984
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気象研究所技術報告 第11号 1984
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気象研究所技術報告 第11号 1984
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470
気象研究所技術報告 第11号 1984
3．4 解析例
各R U Nのうち浮遊時間が長く、燧灘に深く入り込んだ、1980年RUN1を解析する。
気球は新居浜の沖合3㎞の海上で400mの高度に飛揚された。この気球は8時間にわたって海
上を浮遊し、燧灘の南部海域の200∼400mの高度の風を観測した。
7月22日の11時5分に放球された気球は、その後約2時間ほど400mの高度を北へ向かって流れ
ている。同時に行われたトレーサー実験（第6章）によると、海上で放出されたトレーサーは南へ
向かい、新居浜のトレーサー捕集地点まで運ばれている。これはおそらく、沿岸の沖合10km付近
まで、海風循環が伸びていることを示しているものと考えられる。すなわち、日中には海上又は地
表付近では北風が、400mの高度ではその反流の南風が卓越することを表わしていると見られる。
さらにこの領域では、風の東西成分が弱く、南北方向の成分のみが顕著に現われていることも、注
目すべきである。夏の燧灘の南半分の海域は、下層の風系は基本流が弱く、南北方向に発達する局
地循環が顕著に発達することが確認された。
新居浜・魚島・福山を通る南北断面（図2．3）で各高度の風を比較すると、魚島と福山は下層の
数100mを除いてほぼ西南西の一般流が顕著である。したがってその間の海域も両地点の風とほぼ
同様な風が吹いていることが予想される。しかし、魚島の南では、ノンリフトバルーンの航跡と魚
島における風の鉛直分布による風向とを対比してみると、魚島上空の風向とその南側の海域の風向
とは大きな違いが見出される。したがって、この海域の風の分布は、魚島と新居浜の風の補間では
推定し難く、その地域のより詳細な風の観測が必要であることが分かった。
参 考 文 献
J．Sato1975：Estimation of Turbulent Diffhsivity over the Tokyo Metropohtan Area from Constant−volume
Balloons．Pap．Meteorol．Geophys．26，35・46
1981： Some Aspects of Diumal Variation an（1 Profile of Vertical Turbulent Diffusivity in the Atmos−
pheric Boundary Layer，Pap。MeteoroL Geophys．32，247−256
一71一
気象研究所技術報告 第11号 1984
付 録
ノンリフト・バルーンの調整
1， ノンリフト・ノ薗ノレーンとは
ノンリフト・バルーン観測に使用するバルーンは外力による膨張変形を極力押さえ、同一容積を
保つように作られている。このためバルーンの浮力は空気の密度のみに比例することになるので、
バルーンに加える錘りの調整によって、バルーンが到達し、かつ浮遊しようとする〔自重（錘りを
含む）と浮力とが釣り合う〕空気の密度面（気圧の逓減が高度に比例すると考えれば、高度面）を
任意に指定することができる。このように、調整されたバルーンは自由浮力（浮力より自重をひい
たもの）が零になるようなそのバルーンに特有の空気の密度面を浮遊すると考えられ、このことが
“ノンリフト（non−lift）・バルーン”と呼ばれる理由でもある。
2．錘りの調整
前節に述べたように錘りを調整することによって、観測したい高度にバルーンを浮遊させること
ができる。
1）調整の理論
a）ノンリフト・バルーンの地上での自由浮力L。及び高度Zでの自由浮力Lzは、次の式で表
わされる。
L。＝ρa。V一ρh。V−w①
Lz＝ρazV一ρhzV−w②
ただし
V。：地上でのバルーンの容積
Vz：高度Zでのバルーン容積
ρa。：地上での空気密度、亀、：高度Zでの空気密度
ρh。：地上でのヘリウム密度
ρhz：高度Zでのヘリウム密度
w ：バルーンの自重
実際にはバルーン内圧と外気圧とのバランスによってバルーン！の容積は、わずかである
が変化するので、これを考慮してある。
適当な錘りをつけ地上で自由浮力が零（L。＝0）になるようにしたバルーンに、
さらに高度Z
で自由浮力が零（L、＝0）になるように加える錘り△wは、このL、とL。との差より求められる。
△w＝Lz−L。③
ただし、Lz＜L。の時は錘りを減らすことになる。
③式に①、②式を代入する。
一72一
気象研究所技術報告 第11号 1984
△W＝（ρazVz一ρhzVz−w）一（ρaoVo一ρhoVo−w）
＝（亀zVz一ρaoVo）一（ρhzVz一ρhoVo）一（w−w）
＝ρazVz一ρa。V。④
（ヘリウムガスの重量は不変により、ρhzVz・一ρh。V。＝0）
ここで、次のようにおき④式を変形する。
Vz＝V。＋△V⑤
ρaz ；ρao 一△ρa ⑥
△W＝（ρao一△ρa）（Vo＋△V）一ρaoVo
＝縮oVo＋妬o△V一△ρaVo一△ρa△V一ρaoVo
＝磁。△V一△ρaV。一△ρa△V一の
⑦式で実際上第3項は無視してよく
．●．△W≠ρao△V一△ρaVo ⑧
b）Vについてノンリフト・バルーン固有の膨張係数αを仮定して
△V＝V。・α・△P⑨
とおく。△Pは容積一定とした場合のノンリフト・バルーンの内外圧差の仮の増分である。
⑨式を⑧式に代入する。
△W＝色oV。・α・△P一△ρa・Vo一⑩
この⑭式がノンリフト・バルーン調整上の基本式である。
b’）△Pは次のようにして求める。
△Pニ（外気圧の変化による増分）＋（内圧の温度変化による増分）
第1項は、ノンリフト・バルーン内圧を外圧より高くして放球するので
Pa。（地上気圧）一Paz（高度Zでの気圧）
で求め、第2項も同じ理由によって、内圧の増分△Phとなるので
△Ph＝Phz−Ph。⑪
で求める。ただし、Ph、、Ph。はバルーンのそれぞれ高度Z、地上での内圧である。△Phは
㌘←讐）一睾砦 ⑫
より、〔ただし、T。は地上気温、T。＋△T（＝Tz）は高度Zでの気温〕
△T
△PhニPho ⑬
To
で表わせる。
c）Voについて
①式より
一73一
気象研究所技術報告 第11号 1984
Lo＋w
V。＝ ⑭
ρaO 一ρho
で表わせる。
2）調整上の注意
調整は1）調整の理論により、ノンリフト調整野帳（図3．10）に従ってやってもらえばよいが、
以下注意事項を上げておく。
ヲト1レーン調隻野帳
調鰹場：所 餉桂年目日
蓮し壕号 指焔皮 圃
／苗つ紡 ％薇 え骸（ω） 9
ヨ リ
高底 気温 寡斥 駈差 Hほ
処上 困 丁・ Oc尾。 M』 瓢』俵ρ 一b
痛鶏駐 M Tz も伽 両 油％ 団b
。基本式△Ψ鴫・Vσ民△P一△佛
えマび ユナヱリぐひり
丘㌔一（一（9幽
を イ ’b） 細・（9／尼）画
厨 ÷
〉〈
oζ飼巨聖’） マる曳￡ △ 9丑）
△P
2X I O一
（肌b）
× × ×
尾。（9μ）
△V
ω）
（9）
×
△w （9
L・［二亜1一岬［二亘］一L・E二亙1
敢坪時刻 依虫場所
す碕
Fig。3−10 The field book use（1in regulating the non−lift balloon．
一74一
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）調整は錘りを釣り合わす際の風の影響、また日射の影響を考慮し、屋内又はテント内などで行
う。
b）バルーン内圧の調整
バルーン内圧はテトルーンの場合・地上気圧より約20mb位高く．しておく。これ億・この時バル
ーンの膨張変形が最も少ないと考えられるからで、その調整には、図3．11のようなU字管を用いる。
c）L。：錘りを釣り合わすことによって求める。錘りを上皿天秤によって計る。
d）w：気球表面に記入してある。
e）島、Pa。：c）を求めた時点に測定する。
f） Tz、 Paz
ノンリフト・バルーン放球直前のゾンデ観測によるか、それぞれ気温の逓減率（0．60c／100m）、
気圧の逓減率（12mb／100m）より推算する。
ただし、T。（調整場所）をもとにT、を求めるのでなく別に屋外での地上気温丁。’を測定してこ
れから推算した方がよい。
9） 磁o、 ％z、ρho
それぞれの場合の気温と気圧より、調整用グラフ（図3．12、図3．13）で読みとる。
h）α：テトルーンの場合は2×1σ4（mb−1）とする。
3 以上より調整野帳に従って計算をし、Lzの錘りをテトルーンにつけて放球する。
4 テトルーン調整用具一式
ヘリウムガスボンベ
ヘリウム用減圧弁
ゴムホース、三又コック
ロガラス（三又コックにゴムホースをつなぎ、それとバルーンのガス注入口とのつなぎに用い
る）
u字管
気圧計（アネロイド等）
温度計（アスマン等）
上皿天秤
釣り合わせ錘（適当なものでよい）
錘りをバルーンに釣り下げる際のとめ金のようなものがあれば便利
ビニール袋（砂をつめて、L、と同じ重さにして、バルーンに釣り下げ放球する）』
調整用グラフ、野帳、計算尺
（日本気象協会東京本部技術マニアルによる）
一75一
気象研究所技術報告 第11号 1984
水位差；これをc mの単位で読み取り、
水であるからc m＝m bと仮定
し、パルーンの内外圧差を求め
る。
！
ノ
パルーンヘる＿＿＿
→ボンベ八
↑
三又コック
Fig．311
じ
AUtubeusedinregulat血gtheintemalpressureofballoon。ltisshownbythe
difference ofwater level of U tube measured by cm，assumed to cm＝mb．
一76一
気象研究所技術報告 第11号 1984
a）
b）9，1
9’1
1．25
1．15
DENSl TY
1．24
of DRY Al R
ゆ
1．14
、
1．23
1，22
1．13
㌔
1．12
1．20
1．11
1．10
ノ免
1，19
総
1．09
1，18
1，08
も
1．17
。鴫
1．07
1．16
1．06
も
DENSITY
of
1．15
1．14
。賜
ノ、
1．21
1．05
0
1．04
30
10 20
OC
TEMPof AIR
DRY Al R
0
30
10 20
TEMP of AIR Oc
The nomogram use（1in calculating the density of dry air as functions of air
Fig．3−12
pressure and temperature．
a）
b）
9／l
9’1
x1蕊
蒐
二置
X lO
DENSITY of HELIUM GAS
1．80
、
蕊
駕
餅
1．55
％
傷
1．75
駄
も
も
1．50
z、
駕
1．70
駕
1．45
165
駕
DENSITY
of
1．40
1．60
0
TEMP of
Fig。3−13
30
20
10
GAS
HEUUM GAS
0
OC
10 20
TEMP of GAS 。c
The nomogram used in calculating the density of He gas as functions of air pres−
sure and temperature。
一77一
30 ・