雲量の自動測定法の開発に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

雲量の自動測定法の開発に関する研究

古賀, 靖子

https://doi.org/10.11501/3120492

出版情報：Kyushu University, 1996, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

雲量の自動測定法の開発に関する研究

第7章 総括

7.1

雲量測定のための天空走査型色彩輝度計の計画

7.2

測定システム

7.3

総括

第7章 総 括

7. ， 雲量測定のための天空走査型色彩輝度計の計画

本研究の最終的な目的は、 昼間の雲量の自動測定記録装置の開発であ る。 ここでは、 その前段階として、 市販の色彩輝度計を利用し、 雲量測 定のための天空走査型色彩輝度計を試作する。

図25は、 本研究で使用する色彩輝度計TOPCON . BM-5Aの図面である。

受光器はヘッドオンタイプ光電子倍増管である。

W吃6(

a)、(

b

)は、 天空走査型色彩輝度計の図面である。

克服すべき課題は、 主として以下の2点である。

( 1

)色彩輝度計BM-5Aの重量は約4 kgで、ある。 これは、 センサ一部分

としては、 かなりの重量である。 色彩輝度計を支え、 数分注41で全 天空を走査するための強度が天空走査装置に必要で、ある。

( 2

)色彩輝度計BM-5Aは、 主として屋内での使用 を目的としている

た め、 耐候性は考慮されていない。 従って、 雨水に対する防水加工 が必要である。 また、 特に夏季は日射の影響で、 高温状態に長時 間さらされる。 これは受光器の劣化を早める原因となる可能性が ある。

注41 1回の天空走査に要する時間 は、 色彩輝度計の応答速度に依存すると考える。 例えば、 1 D MPのために開発したスカイ ・スキャナー(天空走査型の天空輝度 ・ 天空放射輝度分 布計;

参考文献5、 6 )がl回145点の天杢走査に要す る時間は、 天空輝度と天空放射輝度の測定 を同時に行った場合、 3.5分である。

IDMPの昼光測定ガイドは、 天空輝度分布の測定に関して、 l回の天空走査に要す る時間 は可能な限り短いことが望ましく、 上限は2.5分としている。 (参考文献7、 p.8)

円べυハU1i

1 70 1 図25 色彩輝度計

-10 4-

第7章 総 括

パワースイッチ

自…山一m

制御及び出力コネクタ AC入力コネクタ

∞トN

図26( a) 天空走査型色彩輝度計:伏図・正面図

-¹⁰⁵-

第7章 総 括

||写|L

310

図26( b) 天空走査型色彩輝度計:側面図

FO ハU1ム

第7章 総 括

7.2 測定システム

昼光 と日射の長期連続測定と、 それに関連する雲量の測定の実例とし て、 本研究で開発する雲量の自動測定記録装置をIDMPに適用する場 合の測定システムを検討する。

ID MPの昼光測定ガイドの第7版ドラフトにおける雲量の測定 方法 は、 天空を20のゾーンに分割し、 ゾーンごとに10分雲量注42を求めるとい うものであった59)。 すなわち、 その天空分割の方法は、 高度方向の境界 を300 と60。 に とり、 高度o

0 �

30 0 と300 �600 の 部分は、 方位角

。

。 、

450 、 90

0

、

1350

、

1800

、 225

0

、 2700 、 3150 で8分割、

高度600 �900 の部分は方位角O。 、 900 、

1800

、 2700 で4分割す るものである。

しかし、 この分割方法では、 以下の2点の不都合があった。

(

₁ )各ゾーン に、 ほぼ等立体角の 天空分割に 基づく天空輝度分布 の測 定パターンが適合しないため、 雲形と 天空輝度と の比較検討 がで きない。

( 2 )ゾーンによって、 そのゾーンが占める立体角の大きさ がかな り異 なるため、 全雲量をゾーン ごとの雲量の単純平均として得ること ができない。

従っ て、 天空輝度分布の測定パターンに基づく、 ほぼ等立体角の分割 方法が提案された60)。 この提案によって、 昼光測定ガイドは雲量の測定

脚本論文第2章第2.1.1項の注5参照。

勺iハUT上

第7章 総 括

に、 ほぼ等立体角の19分割を採用している。

本研究で計画する雲量の自動測定記録装置は色彩輝度計を用いるため、

雲量と天空輝度分布の同時測定が可能である。 ここでは、 天空輝度分布 の測定パターンを、 雲量推定のため の天空光の色の測定パターンに流用 する場合について検討する。

昼光測定ガイドが示す雲量測定のための天空分割と天空輝度分布の測 定点を、 重ね合わせて図27に示す。 雲量の測定は、 真北(方位角o

0 )

を基準とする固定した天空分割の格子に基づいている。 これに対して、

天空輝度分布の測定パターンは太陽の方位角を基準とする。 よって、 測 定点の方位角方向の位置関係は、 測定ごとに相対的に変化する。 昼光測 定ガイドの方法に厳密に従って、 ゾーンごとの雲量も記録するとすれば、

測定ごとに、 それぞれの測定点が雲量測定のためのゾーンのどこに対応 するかを求め、 天空輝度のデータと共に記録する必要がある。

尚、 本研究で使用する天空走査装置4， ^5， 6)の測定システムは、真南(方 位角1800 )を測定の基準としている。

しかし、 いずれの場合もコンビュータ ・ プログラム上の問題であり 必要に応じて変更すればよいと考える。

-108-

第7章 総 梧

ゾーン1 '"'-12 : O.31sr ゾーン13 '"'-18 : O.38sr

ゾーン19 : O.31sr

天空輝度分布の測定点(図中「・」で示す) 高 度 方位角幅 測定点数

6 120 30

180 120 30

300 150 24

420 150 24

540 200 18

66 30 12

78 60 6

90

雲量測定のための天空分割は 真北を基準とする。 その格子 は固定されている。 天空j輝度 分布の測定パターンは、 太陽 の方位角を基準とする。 測定 点の方位角は測定ごとに変化 する。 ここでは、 太陽が真南 にある場合を示している。

図27 _{1 DM} Pの昼光測定ガイドによる雲量測定のための天空分割と

天空輝度分布の測定パターン

ハHdハU1i

第7章 総 括

本研究で 計画する雲量の自動測定記録装置は、 天空光の色温度を測定 し、 本論文第6章で求めた空と雲の判別条件に従って、 測定点が空に相

、Iノするか 雲に相当するかを決定する。 これより、 雲量を推定して記録す る。 天 空走査、 天空光の色温度の測定、 空と雲の判別、 雲量の推定と記 録などの制御には、 全てパーソナル ・コンピュータを使用する。 太陽 位 置は、 測定時刻からコンビュータ ・ プログラムによって計算する。

天空光の色温度による雲量の推定では、 障害物に当たる測定点を抽出 することができない。 色彩輝度計が太陽を向いた場合は、 オーバー ・レ ンジとなって色温度 値が得られない。 よって、 測定値が得ら れない点は 太陽に当たる測定点とすればよい。 障害物 がある場合は、 その位置 を測 定装置の設置 時に初期値として設定しておく必要がある。

ハU1上司i

第7章 総 指

7.3 総括

本研究は、 昼間の雲量の自動測定記録装置の 開発を最終目標とし、 そ のため の雲量の自動測定法 を開発するものである 。 雲量の自動測定に は、

空と雲を判別す る一定の基準が必要である。 本研究では、 天空要素から の天空 光の色温度に基づく雲量の推定方法を提案した。 天空光の色に関 する測 定資料を収集して基礎的検討を行い、 天空光の色温度による 空と 雲の判別条件を得た。 また、 この判別条件に基 づく雲量の 推定方法を定 めた。

以下、 本研究を各章ごとに総括する。

第l章では、 本研究の背景と目的について述べた。 また、 C 1 E のI DMP、 及び、 IDMPのための雲 量の測定方法を紹介し、 雲量の自動 測定記録装置の要件を示した。

建築 内部空間の快適で良好な光環境と熱環境を構築する ためには 、 外 部の自然条件で ある昼光と日射の実 態を把握し、 有効に利用しなければ ならな い。 また、 建築内部の環境計画には、 昼光と日射の長期間の連続 測定結果に基づく設計用の標準資料 が必須であ る。 しかし、 そのような 基礎資 料は十分に整備されていない。 CIEは、 昼光と日射の実測資料 の収集 と整備、 及び、、 その国際的交換利用を目的とするIDMPを推進 し、 現在、 世界各地の約50カ所に測定所を設置している。

尽光 と日射の変動は、 大気中に介在する雲の影響を大きく受ける 。 し かし、 その具体的な関係は不明であ る。 昼光と日射の資料 を系統的に収 集し、 それらの実態を解明するため には雲の観測が必要で、ある。 雲 の観

ーム1i 1ょ

第7章 総 括

測項目は、 雲形、 全雲量、 雲形別の雲量、 雲の向き、 雲の高さ、 雲の状 態などである。 このうち、 雲に関する最も包括的な測定項目は、 雲量の

測定であると考える。 従って、 昼光と日射の測定と同時に雲量の測定を 行い、 これらの関係を明らかにすることが今後の課題である。

現在、 昼光と日射の諸量や気温、 風向・風速などの多くの気象データ は、 観測機器で自動的に収集可能である。 しかし、 雲に関するデータ取

得のほとんどは目視観測によっている。 目視観測は、 経験を積み気象に 関する十分な知識を有する専任者を 必要とする。 また、 観測者の主観に 依存する目視観測は測定基準が暖昧で、 観測者によって測定結果が異な る。 よ って、 目視観測は、 多数の地点における長期間の連続測定には役

立たない。 雲量を自動的に測定し記録する機器が必要である。

雲量 の自動測定記録装置は、 入手がかからず、 雲量を測定する一定の 基準を有し、 データ取得から 雲量の 記録までを自動的に即時に行うなど の条件を満足しなければならないと考える。

第2章では、 現行の雲の観測法について述べた。 すなわち、 本邦の気 象台と航空測候所における雲の目視観測、 及び、、 気象衛星による雲の観 測を中心として、 気象観測における雲の観測法を紹介した。 これ より、

地上気象観測と気象衛星からの観測の性質の相違について述べた。 また 目視観測の問題点を指摘した。

地上気象観測における雲の観測は、 主として目視に依存している。

視観測は、 雲形、 全雲量、 雲形別の雲量、 雲の向き、 雲の高さ、 雲の状 態などの項目について測定することができる。 しかし、 前述したように、

円41tム吋tよ

第7章 総 括

目視観測には気象に関する十分な知識と観測方法に関する習熟が必要で、

ある。 観測者の視覚情報と いう主観 に依存するため、 訓練を積んだ観測 者間でさえ、 測定結果に大きな差が生じる場合がある。

気象衛星からの雲の観測は、 その視点が地上観測と 異なる。 観測範囲 も地上観測に比べて非常に広い。 雲は3次元的構造を有するため、 気象 衛星から見下ろす 雲の状態と地上から 見上げる雲の状態には相違がある。

よって、 気象衛星からの観測結果と地上観測の結果の意味するところは、

必然的に異なると考える。

第3章では、 機器による雲量の測 定に関する様々な提案を紹介し、 そ れらの問題点を指摘した。

現在までに提案されている機器による雲量の測定方法は、 全天空写真 の利用、 ビデオ ・ カメラ画像の利用、 赤外放射測定の利用 に大別するこ とができる。 全天空写真やビデオ ・ カメラ画像の利用は、 昼間の雲量の 測定に限定される。 赤外放射測定の利用は、 理論的には夜間の雲量の測 定も可能で、ある。

全天空写真やビデオ ・ カメラ画像 の利用は、 画像データから雲量を推 定するものである。 画像データをコンピュータで処理すれば、 データ取 得から雲量の推定と記録までを自動化する可能性はあると 考える。 しか し、 一般に、 画像処理は 大 量のコンピュータのメモリを必要とし、 処理 に時間がかかる。 また、 画像の取得時に露出によって飛ぶ雲があること、

カラー画像では色の再現誤差があることなどの問題がある。

赤外放射測定の利用は、 雲量を機械的に測定するための有力な一手段

つd1上1i

第7章 総 指

と考える。 実際に、 気象学の分野では、 その検討を行っているようであ る。 しかし、 特に夜間の測定のため の適切なセンサーが現存しないよう である。

ここで取り上げた様々な提案は、 いずれも試行の段階に とどまってい る。 実用化には至っていない。

第4章では、 第2章と第3章で述べた種々の雲量の測定方法について 特徴と 問題点をまとめた。 また、 雲量測定の暖昧さについて述べた。 更 に、 逐点法で天空を走査し雲量を測定する場合に必要な天球上の測定点 数を検討した。

雲量測定のために可能な方法として考えられるのは、 目視観測、 全天 空写真の利用、 ビデオ ・ カメラ画像の利用、 赤外放射測定の利用、 気象 衛星からのデータの利用である。 しかし、 労力と費用、 測定頻度、 デー タ処理に要する時間などの点から、 実施には多くの問題点がある。

一般に、 気象要素は真の値そのものが暖味さを有するため、 観測の精 度は明確で、ない 場合がある。 特に、 目視観測による雲量の測定は、 人間 の主観に依存するため、 非常に暖昧であると考える。 ここでは、 地上観 測と気象衛星観測の結果の比較例、 及び、 地上の近接3地点における観 測結果の比較例を示した。

逐点法による雲量の測定は、 天空を有限個のゾーンに分割し、 各ゾー ンの代表点におけるデータに基づいて雲量を推定するものである。 測定 点数の検討の結果、 全天空について100点から200点の測定点が必要で、あ ると考えた。

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第7章 絵 柄

第5章では、 天空光の色温度による空と雲の判別条件を得るための天 空光の色に関する測定資料の収集方法と解析方針について述べた。 また、

本研究で定義し検討に用いた3つの雲量、 すなわち、 「目視雲量」、「測 量

雲

{疋 「推定雲量」を示した。

天空光の色に関する測定資料の収集は、 色彩輝度計を 用い、 様々な天 空状態や時刻について行った。 同時に、 測定時の天空状態 、 目視雲量、

全天空照度などに関する資料も収集した。 これらの資料に基づいて、 天 空光の色温度による空と雲の判別条件を検討する。 天空光の色に関する 測定資料は、天空要素の位置や太陽の位置によって分類する。 また 、 目 視雲量によって天空状態を晴天空、 曇天空、 中間天空に大別し、 晴天空 と曇天空の実測結果から空と雲の判別条件を検討する。

第6章では、 天空光の色温度による空と雲の判別条件の導出と雲量の 推定について述べた。 まず、 天空光 の色の実測 、 及び、 実測結果に基づ く天空光の色に関する予備的検討の結果を示した。 次いで 、 天空光の色 温度による空と雲の判別条件を導出し、 その判別条件に基づく雲量の推 定方法を示した。 更に、 天空光の色温度による雲量の測定結果を検討し た。

天空光の色に関する予備的検討の結果、 色度、 色温度、 色温度と輝度 との関係のいずれに関しでも、 単純に空と雲の範囲を定めることは困難 であっ た。 これより、 天空要素や太 陽の位置、 及び、 それらの位置関係 を 、 空と雲の判別条件の要因として抽出した。

天空光の色温度による空と雲の判別条件は、 空と雲の色温度の統計的

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第7章 総 楕

解析によって得た。全体的に、 空の色温度は高く、 雲は空よりも色温度 が低い。従って、 空については色温度の高い方から 雲に ついては 色温 度の低い方から累積頻度を求める。 太陽高度、 天空要素の高度、 天空要 素と太陽との角距離のそれぞれに関して、 累積頻度97%に基づく空の色 温度の下限値と雲の色温度の上限値の回帰式を導出した。 これらを 空と 雲の判別条件とした。

空と雲の判別方法では、 空と雲の色 温度が重なる範囲を設定している。

す なわち、 雲の上限値より高い色温度の範囲は空の領域 空の下限値よ り低い色温度の範囲 は雲の領域、 雲の上限値と空の下限値 の間は判 別が 困難な 不明の領域とする。 天空光の色温度データを、 太陽高度、 天空要 素の高度、 天空要素と太陽との角距離のそれぞれに関する 判別条件に順 次かけ、 空と雲に判別する。 ある要因に関する条件 で空あるいは雲に判 別され たデータ は、 他の要因に関する条件にはかけない。 上記の3つの 要因に関する判別条件を通して不明となったデータは、 空と雲のデ ータ の比で、 空と雲に分配する。 これより雲量を算出する。 この推定方法は 確率的に雲量を求めるものである。

晴天空、 曇天空、 中間天空の様々な天空状態について雲量を測定し

天空走査の測定点数の違い、 目視でも空と雲の判別が困難な 低空部に関 するデー夕、 薄い雲に関するデータが推定雲量に及ぼす影響を検討した。

その結果、 全天についての測定点数が145点と181点 では、 測定点数の違 いは推定雲量にほとんど影響しない、 低空部のデータの推定雲量に対す る影響は小さい、 薄い雲の場合、 色彩輝度計は それに卓越する空の色温

F0 1上可1ム

第7章 総 括

度を測定し、 推定雲量が小さくなる傾向にあるという結論を得た。 また、

様々な天空状態における測定のおよそ80%から90%が、 推定雲量と目視 雲量の差2以内であった。

以上の検討より、 本研究による雲量の測定方法の有効性を確認した。

最後に、 雲量の自動測定記録装置の前段階として試作する天空走査型 色彩輝度計、 及び、、 天空走査型色彩輝度計による雲量の測定システムを 紹介した。 屋外に設置する観測機器としての装置の全体的な性能や測定 システムの確立に関し、 克服すべき問題が残っている。 また、 本研究で 得た空 と雲の判別条件は地域性を考慮していない。 雲の種類、や雲量分布 の違い、 大気の状態の違いなどについ て検証する必要性があると考え る。

これらは今後の課題である。

昼間の雲量に関して本研究で提案する自動測定法は、 天空要素か らの 天空光の色を直接測定して、 その天空要素を天空光の色温度によって空 と雲に判別し、 雲量を推定するものである。 天空光の色温度に基づく 雲 量の測定法、 及び、 空と雲の色温度の統計的解析より、 その判別条 件を 求め、 雲量を確率的に推定する方法は、 他に試みられていない独創的な ものである。 また、 この方法は、 測定基準が極めて唆昧な目視観測に替 わり、 雲量の測定に一定の基準を与えるという点で意義が大きいと考え る。 更に、 この方法に基づく昼間の 雲量の自動測定記録装置は、 その他 の 機器による測定法と比べ、 実用化の可能性が高いと信じる。

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Hoyt， D.V.: Percent of Possible Sunshine and the Total Cloud Cover， Monthly W eather Review， Vo1.105， 1977.5， pp.648-652

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参考文献-5

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1991. 7

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0 7討議資料)

参考文献-6

謝 辞

九州大学工学 部建築学科の中村洋教授には、 九州大学工 学部建築学科 4年次より、 同大学院工学研究科建 築学専攻修士課程を通して現在に去 る まで、 終始ご 指導とご厚情を賜り、 今回、 本論文を取りまとめる機会 を与えていただきました。 厚くお礼申し上げます。

また、 九州大 学工学部建築学科の渡透俊行教 授、 萩島哲教授、 ならび に、 九州大学大学院総合理工学研究 科の片山忠久教授には 、 ご多忙に も かかわらず、 懇切丁寧なご指導を賜りました。 深く感謝いたします。

九州大学工学部建築学科の藤本一毒助教授には、 折にふれ、 研究に対 する姿勢についてご教示い ただき、 有益なご助言を頂戴し ました。 九州 共立大 学工学部建築学科の松淳朋子講師には、 研究分野を同じくする同 年代の研究者と して、 ご助言と励ましをいただきました。 両先生に深謝

いたします。

1991年か ら1995年の天空光の色の実測資料の収集と整理に際しては、

夏の暑いときも冬の寒いときも、 日の出前から臼の入後ま で、 当時九州 大学工学部建築学 科第5講座の太田雄一郎君、 後藤浩一君、 中本英作君、

佐田哲君、 吉田稔君 をはじめとする九州大学工 学部建築学 科第5講座の 学部生や大学院生、 ならびに、 九州共立大学工 学部建築学科松津研究室 の学生の皆様に ご協力いた だきまし た。 心から感謝いたします。 特に、

本論文 を まとめるにあたり、 九州大 学大学院生の浅井隆志君には多大な 助力 をいただきました。 感謝の念に堪えません。

英弘精機株式会社の三宅行美常務取締役には、 雲量測定のための天空 走査型色彩輝度計の実施設計と製作にご尽力いただきました。 心よりお 礼申し上げます。

尚、 本研究の一部は、 文部省科学研究費の補助を受けました。 ここに 記して謝意を表します。

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1996年9月

古賀 靖子

雲量の自動測定法の開発に関する研究

付録l 天空光の色の測定用紙の記入例: 1992年""' 1995年 付録2 判別過程のデータ数1 ""'VI : 1994年晴天空・曇天空

付 録

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天空光の色の測定用紙の記入例: 1992年

付録--1

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付 録

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付録1

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付 録

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付 録

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天空光の色の測定用紙の記入例: 1994年- ¹

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付録-4

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付 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ①太陽高度

(3209)

判別条件 ②天空要素の高度

(1311)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

付録2

(a ) 判別過程のデータ数I

_:

1994年晴天空・曇天空

付録-8

イ寸 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ①太陽高度

(3209)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

付録2(b) 判別過程のデータ数1I ^: 1994年晴天空・曇天空

付録-9

付 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ②天空要素の高度

(2826)

判別条件 ①太陽高度

(1694)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

付録2 (c ) 判別過程のデータ数回: 1994年晴天空・曇天空

付録-10

付 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ②天空要素の高度

(2826)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

付録2(d) 判別過程のデータ数N : 1994年晴天空・曇天空

付録-11

付 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

(3222)

判別条件 ①太陽高度

(595)

判別条件 ②天空要素の高度

付録2 (e ) 判別過程のデータ数V ^: 1994年晴天空・曇天空

付録-12

付 録

測定データ (データ数: 9186)

判別条件 ③天空要素と太陽との角距離

(3222)

判別条件 ②天空要素の高度

付録2( f ) 判別過程のデータ数日: 1994年晴天空・曇天空

付録-13