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 平成１２年度 修士論文発表会

発表内容 １．研究の背景と目的 ２．ライダーの観測と解析 ３．ラジオゾンデの観測と解析 ４．解析例 事例１：１９９９年８月２ 日 事例２：１９９９年１ ２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 ライダー観測の模式図 東京商船大学の

ライダーのデータ解析 （１） 距離２乗補正値 ライダー方程式 C ： 装置定数 ：幾何学的効率 ：大気の透過率 ：背景光強度 ミー散乱ライダーの受信光強度 ：エアロゾル濃度に関係した体積後方散乱係数 ⇒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

偏光解消度 ← 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 ← 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 通常のエアロゾル ： ５％以下 土壌粒子 ： １０～ ３０％ ライダーのデータ解析 （２） 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 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 4.5 ｋｍ） 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）。 東京都 トヨタ九段ビル ( 九段） 東京商船大学

温位 ラジオゾンデのデータ解析 混合比 R ：空気に対する気体常数 (287m 2 ／ s 2 K) C p ：空気の定圧比熱 (1004m 2 ／ s 2 K) 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 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 （１０００ hPa) のところに持ってこられたと仮定したときの温度 ⇒ 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。 ⇒ 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。 ｖ：水蒸気 ｄ：乾燥

事例１：距離２乗補正値と偏光解消度 （１９９９年８月２日） 距離２乗補正 値 偏光解消度

事例１：温位と混合比 （１９９９年８月２日） 温位の時系列変化混合比の時系列変化 ：温位から求めた混合層高度 ９時 １２時 １５ 時 １８ 時 ２１ 時 ６時 ９時 １２時 １５時 １８時 ２１時 2km 1km 2km 1km

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 ) ９時 １２時 １５時 １８時 ２１時 ９時 １２時 １５ 時 １８ 時 ２１ 時 ６時 1km 温位の時系列変化 ：温位から求めた混合層高度 2km

距離２乗補正 値 偏光解消度 事例２：距離２乗補正値と偏光解消度 （１９９９年１２月１０日）

事例２：温位と距離２乗補正値 （１９９９年１２月１０日） 温位の時系列変化 1km 2km 3km 4km ：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 ９時 ３時 ６時 １２ 時 １５ 時 １８時 ２１ 時 ３時３時 ６時６時 ９時 １２時 １５時 １８時 ２１時

事例２：混合比と距離２乗補正値 （１９９９年１２月１０日 ) 1km 2km 3km 4km 混合比の時系列変化 ９時 ３時 ６時 １２ 時 １５ 時 １８時 ２１ 時 ：温位から求めた混合層高度 ：温位から求めた逆転層高 度 ３時６時 ９時 １２時 １５時 １８時 ２１時

事例３：距離２乗補正値と偏光解消 度 （２０００年８月３日） 距離２乗補正 値 偏光解消度

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） 温位の時系列変化 １２時 １５時 １８時 ２１時 ９時 １２ 時 ９時 ６時 ３時 １５時 １８時 ２１ 時 1k m 2k m 3k m ：温位から求めた混合層高度

混合比の時系列変化 事例３：混合比と距離２乗補正値 （２０００年８月３日） １２時 １５時 １８時 ２１時 ９時 1km 2km 3km ：温位から求めた混合層高度 ９時 ３時 ６時６時 １２時 １５時 １８時２１ 時

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） 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 エアロゾル層高度を求める基準（ライダー） 温位微分（ラジオゾンデ） 温位の微分の値が０．６Ｋ／５０ｍを越える高度 エアロゾル層高度を求める基準（ラジオゾンデ）

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 １９９９年８月２日２０００年８月３日 ライダー 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 特に高度１．５ｋｍ以下では高度の対応が良い。 １９９９年１２月９日１９９９年１２月１０日 ライダー ラジオゾンデ ⇒ 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。