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Transcript マイクロソフト・パワーポイント
平成１２年度
修士論文発表会
偏光ライダーとラジオゾンデによる
大気境界層に関する研究
交通電子機械工学専攻
９９３１７ 中島 大輔
発表内容
１．
２．
３．
４．
研究の背景と目的
ライダーの観測と解析
ラジオゾンデの観測と解析
解析例 事例１：１９９９年８月２日
事例２：１９９９年１２月１０日
事例３：２０００年８月３日
５. 規格化した濃度勾配と温位微分による
エアロゾル層高度の比較
６． まとめ
研究の背景と目的
大気中を浮遊するエアロゾルは、地上の車や工場の排
煙、土壌粒子や海塩粒子などから構成されている。エアロ
ゾルは、大気境界層中の主に混合層内で拡散・対流する
ので、大気境界層の構造を調べることは、大気汚染現象を
解明する上で、重要になってくる。
東京商船大学は、大都市特有の大気汚染現象や海陸
風の影響についての研究を行うのに適している。
本研究では、ライダーから得られたデータを解析して、
エアロゾルの鉛直分布を求め、その空間分布を把握する
と同時にラジオゾンデ観測や他の地上観測との比較・研究
を行った。
大気境界層とは
• 地上から高度約0.5-3kmまでの地表との摩
擦や熱対流の影響の及ぶ大気の総称。
• 大気境界層では、気温や風速の高度分布
が大きく変化し、乱流が発生している。
• 昼間では、一般に大気境界層高度と混合
層高度が一致している。
• 混合層とは、日射の加熱で不安定化した、
上下の対流混合が盛んな層のことである。
混合層の発達過程
ライダーについて
東京商船大学の
ライダー観測の模式図
ライダーのデータ解析（１）
ミー散乱ライダーの受信光強度
ライダー方程式
C (R)Y (R)T 2 (R)
P(R)
PB
2
R
(R) ：エアロゾル濃度に関係した体積後方散乱係数
Y (R)：幾何学的効率
T (R) ：大気の透過率
P ：背景光強度
C：装置定数
B
距離２乗補正値
X (R) P(R) PB R C (R)T (R)
2
2
⇒エアロゾル濃度を調べるために、距離２乗補正値を用いる
ライダーのデータ解析（２）
偏光解消度
直線偏光したレーザー光の後方散乱光が、散乱によって
どの程度出射時の直線偏光からずれたか、その度合いを
示す量
Ps ( R)
D( R)
Pp ( R)
← 出射レーザー光の偏光面と垂直な成分の後方散乱光強度
← 出射レーザー光の偏光面と平行な成分の後方散乱光強度
通常のエアロゾル ： ５％以下
土壌粒子
： １０～３０％
非球形粒子に対して偏光解消度は大きくなる
⇒エアロゾルの球形・非球形性を調べるために偏光解消度を用いる
ラジオゾンデ観測
ラジオゾンデ
上空の気温、気圧、湿度、風向、風速を測定する装置
ラジオゾンデ観測
千代田区九段下で行った。（本学より北西方向に約4.5ｋｍ）
観測データは高度５０ｍ間隔で、３時間毎に連続して
行われた（JCAP集中観測時）。
トヨタ九段ビル(九段）
東京都
東京商船大学
ラジオゾンデのデータ解析
温位
水蒸気を含んでいない空気が断熱変化によって標準気圧
（１０００hPa)のところに持ってこられたと仮定したときの温度
T (1000 P)
R Cp
R：空気に対する気体常数(287m2／s2K) Cp：空気の定圧比熱(1004m2／s2K)
⇒ 混合層内では温位は鉛直方向に一様。その上に逆転層が形成される。
混合比
水蒸気密度と乾燥空気の密度の比
→ 混合比の値が小さいと、空気は乾燥している
ｖ
ｄ
ｖ：水蒸気
ｄ：乾燥
⇒ 周囲の空気塊と混合せず、水蒸気の相変化がなければ、混合比は一定。
事例１：距離２乗補正値と偏光解消度
（１９９９年８月２日）
2 August 1999,Tokyo
4
4
3
3
Altitude[km]
Altitude[km]
2 August 1999,Tokyo
2
1
0
2
1
0
10
12
14
16
18
20
22
10
12
5
10 15 20 25 30
Range-corrected intensity[a.u.]
距離２乗補正値
16
18
20
Local Time[h]
Local Time[h]
0
14
0
2
4
6
8
10
Depolarization ratio[%]
偏光解消度
22
事例１：温位と混合比
（１９９９年８月２日）
2km
2km
９時
９時 １２時
1km
６時
１５時
１８時
２１時
温位の時系列変化
１２時
1km
１８時
６時
１５時
２１時
混合比の時系列変化
：温位から求めた混合層高度
事例１：ライダーとラジオゾンデによる
混合層高度の比較(１９９９年８月２日)
2 August 1999,Tokyo
2.0
2km
９時 １２時
1km
６時
１５時
１８時
height[km]
1.5
２１時
９時
１２時
1.0
１５時 １８時
0.5
２１時
0.0
10
12
14
16
18
20
22
Local Time[h]
温位の時系列変化
：温位から求めた混合層高度
0
5
10 15 20 25 30
Range-corrected intesity[a.u.]
事例２：距離２乗補正値と偏光解消度
（１９９９年１２月１０日）
10 December 1999,Tokyo
10 December 1999,Tokyo
4
3
Altitude[km]
Altitude[km]
4
2
1
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
3
2
1
0
0
2
4
6
Local Time[h]
0
5
10
15
8
10 12 14 16 18 20 22
Local Time[h]
20
Range-corrected intesity[a.u.]
距離２乗補正値
0
2
4
6
8
10
Depolarization ratio[%]
偏光解消度
事例２：温位と距離２乗補正値
（１９９９年１２月１０日）
10 December 1999,Tokyo
4
3km
3
2km
1km
１５時
１８時
１２時
６時
９時
３時
Altitude[km]
4km
９時 １２時
2
３時
６時
1
１５時
１８時
２１時
２１時
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
Local Time[h]
温位の時系列変化
：温位から求めた混合層高度
：温位から求めた逆転層上端高度
0
5
10
15
20
Range-corrected intesity[a.u.]
事例２：混合比と距離２乗補正値
（１９９９年１２月１０日)
10 December 1999,Tokyo
4
3km
3
2km
1km
１５時
１８時
９時１２時
３時 ６時
２１時
Altitude[km]
4km
2
９時 １２
３時
時 １５ １８時
６時
時
２１
時
1
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
Local Time[h]
混合比の時系列変化
：温位から求めた混合層高度
：温位から求めた逆転層高度
0
5
10
15
20
Range-corrected intesity[a.u.]
事例３：距離２乗補正値と偏光解消度
（２０００年８月３日）
3 August 2000,Tokyo
4
4
3
3
Altitude[km]
Altitude[km]
3 August 2000,Tokyo
2
1
2
1
0
0
8
10
12
14
16
18
20
22
8
10
12
5
10 15 20 25 30
Range-corrected intesity[a.u.]
距離２乗補正値
16
18
20
Local Time[h]
Local Time[h]
0
14
0
2
4
6
8
10
Depolarization ratio[%]
偏光解消度
22
事例３：ライダーとラジオゾンデによる
混合層高度の比較（２０００年８月３日）
3 August 2000,Tokyo
3k
m
3.0
2k
m
１２
1k
９時 時 １５時
１８時
m
６時
２１
時
３時
Altitude[km]
2.5
2.0
1.5
９時
1.0
１２時
１５時
0.5
0.0
8
10
12
14
16
１８時
18
２１時
20
22
Local Time[h]
温位の時系列変化
0
5
10 15 20 25 30
Range-corrected intensity[a.u.]
：温位から求めた混合層高度
事例３：混合比と距離２乗補正値
（２０００年８月３日）
3 August 2000,Tokyo
3km
3.0
2km
1km
９時１２時
３時 ６時
１５時１８時 ２１時
Altitude[km]
2.5
2.0
1.5
９時
1.0
0.5
0.0
8
10
１２時
１５時
１８時
２１時
12
14
16
18
20
22
Local Time[h]
混合比の時系列変化
0
：温位から求めた混合層高度
5
10 15 20 25 30
Range-corrected intensity[a.u.]
規格化した濃度勾配（ＮＣＧ）と温位微分による
エアロゾル層(逆転層）高度の比較
規格化した濃度勾配（ＮＣＧ）（ライダー）
NCG
X (Ri 1 ) X (Ri1 )
1
X (Ri )
Ri 1 Ri 1
エアロゾル層高度を求める基準（ライダー）
４０ｍ以上に渡ってＮＣＧの値が２０％／１００ｍを越えているか、
それに準じている場合で、ＮＣＧ値が極大を与える高度
温位微分（ラジオゾンデ）
i i 1
i
hi hi 1
エアロゾル層高度を求める基準（ラジオゾンデ）
温位の微分の値が０．６Ｋ／５０ｍを越える高度
１９９９年８月２日
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
２０００年８月３日
2.5
2
高度[km]
高度[km]
夏期のライダーとラジオゾンデによる
エアロゾル層高度比較
1.5
1
0.5
0
0:00
21:00
18:00
ライダー
15:00
12:00
9:00
0:00
21:00
18:00
15:00
12:00
9:00
観測時刻
観測時刻
ラジオゾンデ
ライダーから求めたエアロゾル層高度(=境界層構造の数）
方が、ラジオゾンデのものに比べ多く出る傾向がある。
⇒海風の影響か？
冬期のライダーとラジオゾンデによる
エアロゾル層高度比較
１９９９年１２月１０日
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
高度[km]
高度[km]
１９９９年１２月９日
1
1
0.5
0.5
0
0
0:00
21:00
18:00
15:00
12:00
9:00
6:00
ライダー
3:00
0:00
0:00
21:00
18:00
15:00
12:00
9:00
6:00
観測時刻
観測時刻
ラジオゾンデ
特に高度１．５ｋｍ以下では高度の対応が良い。
⇒ 大気がより安定している(自由大気が成層に近い）？
まとめ
• ライダーによる距離２乗補正値と偏光解消度に
よって、上空の大気の構造が視覚的に分かった。
• ライダーとラジオゾンデの観測データにより、大
気境界層の鉛直構造を調べた。
• その結果、距離２乗補正値と温位から求めた混
合層高度に対応が見られた。
• エアロゾル層の高度を客観的に求めるため、規
格化した濃度勾配と温位微分を用いたが、冬の
低層ではよい対応が見られた。
謝辞 ラジオゾンデデータを提供していただいた（財）石油産業活性化センターに
感謝いたします。