第 23 回風工学シンポジウム (2014) 一体型地上気象観測機器 ( ) の風計測性能評価 EVALUATION OF WIND MEASUREMENT PERFORMANCE OF COMPACT WEATHER SENSORS 1) 2) 3) 4) 5) 吉田大紀 林 泰一 伊藤芳樹 林 夕路 小松亮介 1) 4) 4) 1) 1) 寺地雄輔 太田行俊 田村直美 橋波伸治 渡邉好弘 Daiki YOSHIDA 1), Taiichi HAYASHI 2), Yoshiki ITO 3), Yuji HAYASHI 4), Ryosuke KOMATSU 5), Yuusuke TERAZI 1), Yukitoshi OTA 4), Naomi TAMURA 4), Shinji HASHINAMI 1) and Yoshihiro WATANABE 1) ABSTRACT Recently, compact weather sensors (CWSs) become commonly available. However, we have little knowledge about the data quality of CWSs, especially the effect of the integrated design of sensors. Most of CWSs are equipped with sonic anemometers. It has been pointed out that possible errors from flow distortion may be caused by the sonic probes and pillars. To evaluate five CWSs, we made wind tunnel experiments. The data by some CWSs show errors affected by flow distortion. We also made field observations for two months, mean values of each meteorological element by CWSs are compared with reference values measured by the conventional meteorological instruments. The differences of the mean values of wind speed and wind direction fall within the specification errors of CWSs. Key Words: Compact weather sensor, Meteorological instrument 1. はじめに 近年 複数の気象観測センサーを小型の筐体に収めた一体型の地上気象観測機器 (Compact Weather Sensor 以下 CWS) が開発され 流通している CWSは 従来の一般地上気象観測機器と比較して 設置に必要な場所が小さく また省電力である等 より少ないコストで多くの気象要素を観測できるという長所がある 一方で CWSの大部分は海外製で 気象測器検定や型式証明を取得している例は少ない 風の計測については 多くのCWSで超音波風向風速計が採用されている 超音波風速計は 可動部を必要とせず 微風から強風まで応答よく測れるという特長がある一方 筐体や測定部の形状が測定値に影響することも指摘されている 特にCWSは 測定部が小型であり 他の要素のセンサーと一体となった構造であるため 筐体の形状による影響が大きい可能性がある そこで筆者らは 異なる製造元による5 機種のCWSを入手し 1) 気象情報通信株式会社 ( 171-0022 東京都豊島区南池袋 2-8-5 MI ビル 4F) 2) 京都大学防災研究所 准教授 ( 611-0011 京都府宇治市五ケ庄 ) 3) 株式会社ソニック ( 190-0012 東京都立川市曙町 1-18-2 一清ビル 2F) 4) 東洋電子工業株式会社 ( 610-0334 京都府京田辺市田辺中央 2-4-1) 5) 株式会社小松製作所 ( 153-0043 東京都目黒区東山 1-12-13) 379
動作特性を確認するため 風洞実験および野外におけ る比較観測を実施した 2. 実験に使用した観測機器 実験は製造元の異なる5 機種のCWSを対象とした ここでは 風洞実験を行った順に CWS-1からC WS-5までで表記する また野外比較観測の際には CWSの他に 比較対象となる観測値を取得するため 超音波風向風速計 (DAT-600) と いずれも検定証付きの風車型風向風速計 (W855-Z1) 強図 1 実験に使用したCWSと制通風式の温湿度計 (KET-2 HMP155 T 基準器とした一般地上気象観測機器の外観 H-500) および転倒ます型雨量計 (R1-502) を使用した それぞれの外観を図 1 に示す CWS5 機種の機器仕様について 表 1にまとめた 風向風速はいずれも小型の超音波風向風速計が採用されており 超音波風向風速計の特徴である可動部がない保守性の良さは CWSの特徴の1つとなっている 風速水平 2 成分を計測する測定部は それぞれの機種で配置や形状に特徴がある CWS-2を除く4 機種が反射型で そのうちCWS-1およびCWS-4は測定部が上に 他は測定部が下に設置されている CWS-2は対向型で 筐体上部に3つの測定部が正三角形状に配置されている また CWS-1とCW S-4には 磁気コンパスが内蔵されており 磁北からの角度で風向を出力することができる CWS-1 にはGPSアンテナが内蔵されており 真北からの角度で風向を出力することが可能なほか 時刻補正や位置情報についても利用可能となっている なお CWS-1は正式販売開始前の試作器である 表 1 実験に使用した観測機器の仕様一覧 仕様性能 / 型名 W855-Z1 他 風速 測定方式 光ハ ルス 超音波式 (3 成分対向超音波式 (90 交叉 2 超音波式 (2 成分反射超音波式超音波式方式 ) 対向反射式 ) 式 ) 超音波式 測定範囲 0~30m/s (60m/s) 0~70 m/s 0~50m/s 0-5m/s: ±0.5 m/s or 精度 0-35m/s: ±0.3 m/s 6m/s 以下 ±0.3m/s 以 ±0.3 m/s or ±3% (0~ 5-70m/s: ±1 m/s or ±0.5m/s or 5% of 内 6m/sを超える範 1%( 内部演算精度 ) ±5% 35-60m/s: ±±5% 囲 ±5% 以内 ±5% (>35m/s) @0 ~55 / 降雨なし @0 ~55 / 降雨なし ±2% @12m/s ±2.5m/s @ 降水時 分解能 風向 測定方式 ロータリーエンコータ 同上 同上 同上 同上 同上 同上 測定範囲 0~360 0~540 0~360 0~360 0~359.9 0~360 5 in 2-5 m/s 精度 ±3 以内 ±3 2 in > 5m/s (@0 ~ 3 以下 RMSE from 5 ( 風速 2.2m/s 以上に ±3 ±3 @12m/s 55 / 降雨なし ) て ) 8 in > 4m/s (@ 降水 分解能 1.4 1 0.1 1 0.1 1.0 1.0 備考 自動方位換算機能 平均化時間 1~3600 秒を選択可 風向風速以外の センサー (CWS) 温度 湿度 気圧 温度 湿度 気圧 温度 湿度 気圧 温度 湿度 気圧 温度 湿度 気圧 方位 GPS 雨量 ( 電気式感雨計 ) 雨量 ( ドップラーレー 方位 出力 応答速度 信号出力 RS-232C/ アナロク 電圧 (±1V) フォーマット NMEA 0183 NMEA ASCII NMEA0183 使用電源電圧 9~40VDC 5~32VDC 24VDC±10% 8~36VDC 消費電力 12VDCにて3mA 8~36VDC@50mA 使用環境条件温度 -20 ~+50 ( センサ ) -40 ~ 55-52 ~ 60-50 ~+60-50 ~+70-35 ~+70 湿度 0~100%( センサ ) 0~100% 0~100% 0~100% 0~100% 寸法 重量大きさ φ φ φ φ 重量 1.1kg ( 取付金具込み ) 1) 備考 オプションヒータ (60W DC24V) 380
3. 風洞実験 風洞実験は 2011 年 4 月 8 日 7 月 6~7 日 9 月 29 日の3 度にわたり 京都大学防災研究所風洞実験室の回流式風洞で実施した 測定部の大きさの制約から 計測は対象測器を1 台ずつ設置して実施した 風洞の風速はピトー管と精密微差圧計を使用して計測し 測器の出力および精密微差圧計の出力を AWSデータロガーで1 秒ごとに同時に収録した 図 2 に実験中のシステム構成を示す なお風洞の風速制御範囲は 1.0 m/s から 60.0 m/s までであり 乱れの強さは 0.5 % 以下である CWSの特徴である小型化された筐体や計測部の形状等の 構造上生じる気流の乱れが 計測値に及ぼす影響を評価するため 計測は以下の設定で実施した (a) 風速特性実験 : 風速 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 m/s ( または 25.0 m/s に代えて 2.0 m/s) の一様風中での計測 (b) 風向特性実験 : 風速 2.0 5.0 10.0 m/s について 回転台に設置したCWSを一定角度ごとに回転し 異なる相対風向の一様風中での計測 ( 図 3) データは 各条件について 風洞内の気流が安定した1 分間を解析対象として抽出した 風向風速計やCWSで計測された風向風速のベク 図 2 風洞実験のシステム構成 図 3 回転台に設置された CWS トル平均を風速 u 風向 θ とし ピトー管から得られた風洞風速の平均を基準風速 u ref とした 基準風向 θ ref は CWSの真北方向が風洞の気流に正対する角度を 0 とし 反時計回りに筐体を回転した角度をとった 図 4 に風速特性実験の結果を示す 縦軸に平均風速 u 横軸に基準風速 u ref をとり 比較した 各データ点には平均風速と同時に算出した標準偏差を重ねて記載した 図中の直線は最小二乗法で決定した線形回帰直線で 結果の詳細は表 2 の通りである 図 4 風速特性実験の結果 対象機器による風速 u( 縦軸 ) と基準風速 u ref ( 横軸 ) の比較 ( 上段左より W855-Z1 CWS-1 CWS-2 下段左より CWS-3 CWS-4 CWS-5) 381
表 2 風速特性実験の結果 (N: データ数 R: 相関係数 fit 1 2 線形回帰直線 ) W855-Z1は 基準風速との誤差が 2 % 程度とよく一致しており また標準偏差も 0.02 m/s 程度で実験中最小の値であった 野外観測ではこれを基準器とした CWSも基準風速とよく一致しており 概ね仕様 ( 表 2 参照 ) で示されている範囲内の結果であったが その一部には以下の様な特徴がみられた CWS -1は基準風速に対して約 10 % CWS-3については約 5 % 大きい値を示した CWS-2は 風速 10 m/s 付近では基準風速を上回ったが 20 m/s 付近では基準風速を下回る結果となった なおCWS-4については 風速 18.0 m/s を超えると 風向が逆転し風速が約 倍となる等 系統的に不正な値を示したため 解析は u ref < 18.0 m/s に限定した 風向特性実験の結果を図 5 に示す 左は法線方向に風速比 u/u ref を表示して風速の測定誤差を 右は縦軸に風向差 θ - θ ref をとって風向の測定誤差を 基準風向 θ ref ごとにそれぞれ確認したものである 左の円周上にある黒丸は測定部の支柱のある角度を 灰色の丸は超音波振動子の配置された角度を示した 計測は 支柱から最も離れた角度の1つを中心として選び 主に ±90 の範囲で筐体を回転しながら 3 種類の風速について実施した 結果を見ると風速が小さい場合に値のばらつきやずれが大きいものもあるが 多くは仕様で公開されている範囲内に収まっている CWS-1は 風速約 2.0 m/s の場合に 風速比が ±20 % 以上 風向差についても一部で 15 以上の差が生じており 仕様から外れる結果となった CWS-3およびCWS-4については 風速比 風向差ともほぼ仕様通りの性能が確認されたが 特に風速約 2.0 m/s の場合 風速比 風向差とも θ ref = 0 に対して対称となる変動パターンが見られた これらは計測部の構造上 ( 支柱の配置や反射板の有無等 ) の特性から生じたものと推測される また CWS-2 については θ ref = 350 付近で 風速比および風向差に顕著な乱れが記録された 念のため構造上等価と考えられる θ ref = 110 および 230 についても計測を実施したが 同様の傾向は見られなかった 詳しい原因は不明であるが 構造上の問題ではない可能性がある CWS-1 CWS-2 CWS-3 CWS-4 CWS-5 図 5 基準風向 θ ref で整理した風向特性実験の結果 ( 上段より順にCWS-1からCWS-5まで ) 左 : 風速比 u/u ref ( 法線方向 ) 右 : 風向差 θ - θ ref 風速 2 m/s( 水色 ) 5 m/s( 青 ) および 10 m/s( 赤 ) 382
4. 野外比較観測 野外観測は 2011 年 7 月 28 日から9 月 27 日までの約 2か月間 京都大学防災研究所潮岬風力実験所において実施した 期間中は 台風 12 号および15 号が紀伊半島に接近するなど 強風や強雨時のデータも含む幅広い観測データが得られた なお 気温は から の範囲で推移した 機器は観測室屋上のプラットフォームに 風向風速計測部の高さを揃えて設置した ( 図 6) 機器の設置間隔は約 あり 風上の機器の筐体が風下の機器に与える影響は小さいと考えられる 一般的には マストの周囲図 6 観測機器設置状況に形成される風速の乱れは 直径の 倍以上離れた場所ではウェイクを除き誤差 以下に抑えられるとされている データの収録は 入力ポート数の制限からAWSデータロガーを2 台使用し 全ての観測機器のデータを同時に収録した なお 2 台の時刻はNTP(Network Time Protocol) を使用し同期した データは1 秒ごとに収録したものを 正 分ごとに平均値等の算出を行い 要素ごとにCWSと基準器との比較を行った なお 観測期間中の一部で欠測等が生じたCWSもあったため 分間におけるデータの取得率が 80 % 未満の値は 解析対象から除外した C WS-4については 風洞実験の結果を踏まえ 基準器で最大瞬間風速が 以上となった期間を 解析対象から除外した また 強い降雨のあった8 月 2 1 日 23 時より風向風速および相対湿度が不調となったため 以降の期間についても解析対象から除外した 図 7 に風向の比較結果を示す 左は縦軸にCWSによる平均風向 θ 横軸に基準器による平均風向 θ ref をと 図 7 左 : 風向比較 右 : 風向差と基準風速の散布図 ( 上段よりCWS-1からCWS-5まで ) った散布図で 各点の色は基準器による平均風速 u ref の値を示している また右は 縦軸に風向差 θ - θ ref 横軸に u ref をとり 風速ごとに値のずれを整理したものである CWS-1からCWS-5までの結果を上段から順に並べた なお CWS-1の風向は 磁北からの角度で収録したが 磁気コンパスの不調によるオフセット (115.2 ) を除いてある CWS-1については 風速 5 m/s 未満では仕様にある精度に比べややばらつきが大きい結果となった 他のCWSについては 風速 2 m/s 以上で 風向差は概ね仕様の範囲内に収束することが確認された 383
図 8 に風速の比較結果を示す 縦軸に CWS による平均風速 u 横軸に基準器 による平均風速 u ref をとった散布図で 風速の平均と標準偏差および線形回帰直 線についても記載した また 表 3 に風向風速の比較観測結果をまとめた CWS-1 は 特に 5 m/s 未満で 仕様に記載された値以上にばらつきが大き い結果となった CWS-3 は 風洞実験では u ref に対して 5 % 程度大きい値を 記録したが 野外観測では 10 % 程度大きい値となった 他の機種については 仕 様の範囲内に収まることが確認できた 風向風速ともに どの機種も 基準器の 値と非常に高い相関を示している 適切な校正により測定精度はさらに向上する と考えられる 表 3 の 3 段目は 基準器で雨量が観測された場合の風速の比較結果である 超 音波風速計は 特に強雨時に観測が不調となることがあるが 前述の CWS-4 の他 データの取得率をみると CWS-5 の欠測は降雨のあった時間帯に集中 した CWS-2 の欠測については 天候には依らず 詳しい原因は不明である 一部の機種で取得率が落ちたことを除けば 雨天のデータのみを抽出した統計結 果は 全データを使用した結果と比較して 傾向に大きな違いは見られなかった 表 3 風向風速の比較観測結果 (N: データ数 ( 取得率 ) R: 相関係数 fit: 線形回帰 直線 Δ: 差の平均 σ: 標準偏差 u ref : 基準器による平均風速 R ref : 基準器による雨量 ) 5. まとめ 5 機種の CWS について 動作特性を確認するため 風洞実験と 2 か月間の野 外比較観測を実施した 風向特性については 一部の機種で 風洞実験の際 筐 体の構造に対して対称となる値のずれや特定の風向での値の乱れが確認されたが 野外観測のデータの 分平均値では それらの影響は見られなかった 風速特性 については 機種について 風洞実験 野外観測ともに 基準値より大きい値 を示した 野外観測では 1 機種が期間の途中から不調となったほか 正式発売 前の試作器である 機種は 一部で仕様通りの性能を確認できなかったが その 他については概ね基準値と良く一致し 機器仕様の範囲内で動作した 風向 2 m/s) [ ] Δ σ 風速 Δ σ 風速 Δ σ 参考文献 1) 気象庁 : 型式証明測器一覧, http://www.jma.go.jp/jma/kishou/shinsei/kentei/katasikiitirann1.pdf. 2) INTERNATIONAL STANDARD ISO 16622: Meteorology Sonic anemometers/thermometers Acceptance test methods for mean wind measurements, Reference number, ISO 16622:2002 (E). 3) 気象測器研究会 : 一体型地上気象観測機器 Compact Weather Sensor (CWS) の性能評価, pp 1-96, 2013. 4) IEA Wind Recommended Practices for Wind Turbine Test and Evaluation 11. WIND SPEED MEASUREMENT AND USE OF CUP ANEMOMETER, 1. EDITION 1999, second print 2003, Edited by R.S. Hunter et al. 図 8 風速比較 ( 上段より CWS-1 から CWS-5) 384