鉛直方向乱流強度との比較
─ 東海村の1992年の夏と冬 ─
Comparison of atmospheric stability categories and vertical turbulence intensities in
upper layer for prediction of air pollution concentrations
─ Summer and Winter,1992 in TOKAI Village ─
近 藤 通 史
*安 達 隆 史
†Michifumi KONDO
*Takashi ADACHI
†要旨：従来の環境アセスメントでは、火力発電所等の高煙突からの排煙による大気汚染濃度を推定す る際に、「上層の大気安定度」とPG図が使われている。これは地上気象観測によって得られる地上の大 気安定度を中立側に一階級程度ずらしてPG図の拡散パラメータを使う方法であるが、これまでに沿 岸地域における上層の大気乱流の実測値との比較という観点での検証は必ずしも十分にはなされてい ない。そのため、ここでは、地上から300mまでの鉛直方向乱流強度の観測値によって上記の従来法を 検証することを試みた。解析データは茨城県東海村の1992年の夏と冬のそれぞれ14日間、昼夜毎時の ドップラーソーダーの風向、風速および鉛直風速成分の標準偏差データである。研究の結果、上記の 「上層の大気安定度」の設定方法は、東海村では、冬の不安定条件で地上150m以下を除けば、長期平 均濃度推定の場合にほぼ妥当であることがわかった。 Ⅰ はじめに この論文は、著者の近藤（2008）が、ソフトサイエンス課程環境科学コース（地学分野）の平成19 年度卒業研究として行った「ドップラーソーダデータによる乱流強度の研究」の主な成果を教育人間 科学部紀要論文として取りまとめたものである。このドップラーソーダーは音波レーダーとも呼ばれ、 音波のドップラーシフトを検知して3次元の風ベクトルに換算するリモートセンシングである。 この論文は、環境アセスメントの際、火力発電所等の高煙突からの排煙による大気汚染濃度を推算 する手法に関するものである。具体的には、従来、環境アセスメントにおいて一般的に使われている 地上の大気安定度（表１）から「上層の大気安定度」を推定する方法（表２）の妥当性を、観測され た上層の鉛直方向乱流強度を解析することによって検証するものである。 「上層の大気安定度」の推定法は大田正次（1980）に記載されているが、1960年前後から1970年前 後に公害資源研究所と電力中央研究所によって実施・解析された主に沿岸地域における大気拡散実験 結果を利用したもので、表２にかなり近い結果になっている。朝倉ら（1982）も上記と同じデータを 含めて様々な解析を行い、火力発電所用の拡散パラメータを提案している。結果的に大気拡散の取り 扱いの面では両者はある程度共通した内容になっている。また、総量規制の地域総合シミュレーショ ンでのパラメーターフィッテング（過去の環境濃度値にシミュレーション結果が合うように濃度計算 のパラメータを調節すること。）の結果、表２が得られたという説もある。現在、環境影響評価準備 ＊ソフトサイエンス課程環境科学コース学生、現在、山梨県信用農業協同組合連合会、 †理科教育講座
書に表２が多く使用されているので、これをこの論文での検証対象に選定した。 表２を従来法と呼ぶことにするが、これは地上気象観測によって得られる地上の大気安定度を中立 側に一階級程度ずらして、PG図の拡散パラメータ（環境庁；1988、公害研究対策センター；2000）を 使う方法である。この従来法について、これまでに沿岸地域における上層の大気乱流の実測値との比 較という観点での検証は必ずしも十分にはなされていない。そのため、ここでは、ドップラーソーダー による上層の鉛直方向乱流強度の観測値（沿岸地域における昼夜連続観測）によって上記の従来法を 検証することを試みた。ここでの上層とは、地上50∼300mのこととし、煙軸がこの範囲に入るよう な高所放出が研究対象である。なお、ドップラーソーダー観測による鉛直方向乱流強度は超音波風速 計による値と平均的にかなり良く一致することはHanafusa et al.（1996）に報告されている。 Ⅱ 研究方法 1 研究対象地点 茨城県那珂郡東海村（図1）の海岸部にある原研の東海研究所構内の気象室（海岸から約0.9㎞内陸） 脇に設置されたドップラーソーダーの観測データを利用した。この村は関東地方の北部の太平洋側に 位置し、海岸線南部の埋立地に常陸那珂火力発電所を含み、比較的平坦な地域である。東海村（2008） HPによれば、この村の位置は、東経140° 34'、北緯36° 28'で、県都水戸市から北東へ約15㎞の距離 にあり、村域は東西が7.9km、南北が7.9kmとほぼ円形に近い。この地域は、我が国の火力発電所が立 地する沿岸地域と比較して特異ではなく、むしろ一般的とも言える地域である。 ２ 使用データ 原研が特別会計受託事業「環境放射能拡散評価安全性実証試験」において実施し、著者の一人も参 加した長期野外拡散試験のデータ（林ら、1998a,b）の内の気象観測データを利用した。観測時期は 夏季（1992年７月27日1時∼８月９日24時）と冬季（1992年12月９日1時∼12月22日24時）の二季に14 図１ 茨城県東海村の位置（関東地方北部、 太平洋岸、茨城県の県都水戸市より北 東に約15㎞の沿岸地域。気象庁の関 東地方地図を元に作成） 図２ 原研における海風と陸風の風向の区分け（風 向の角度は北風を０度として右回りに測る。）
日ずつである。主に使用したデータは、試験期間中の１時間毎のドップラーソーダーの地上42、50、 75、100、150、200、250、300m高の風向、風速および鉛直風速成分の標準偏差の観測結果である。い ずれも10分間の平均値である。機種は海上電機製（AR410型）のモノスタテック型である。さらに、 原研気象室で記録された大気安定度も利用した。 ３ 解析方法 まず、各高度の鉛直風成分の標準偏差をその高度の水平風速で割り、その高度の鉛直方向乱流強度 とした。それらの値を安達（1996）提案の対応表により、大気安定度に結び付けて、地上の大気安定 度との差異を検討する方法も考えられるが、絶対評価よりも相対評価の方が測定器の違いなどの影響 が除かれるので結果の信頼性が高いと考えて次の方法をとった。 原研に設置されたドップラーソーダーの観測値はそれぞれ45m程度の厚さの空間平均値であること から、地上42m高の鉛直方向乱流強度を地上付近の代表値とみることにして、その値で各高度の鉛直 方向乱流強度を割り、その高度分布を解析した。鉛直方向乱流強度は通常、高度とともに減少する傾 向があるので、上層は地上の半分程度なのかどうかという見方をし、それが従来の高所放出時の大気 汚染濃度推定に用いられる方法に合致するのかどうかを吟味することになる。 Ⅲ 解析 １ 陸風時と海風時の比較 鉛直方向乱流強度の高度分布は、地面粗度や熱的内部境界層の影響を受ける可能性があるので、風 向別に解析する必要があるかどうかを検討し、次のように風向を三つに区分した。 東海村の海岸線は、ほぼ南北に走向し、東側が太平洋であり、西側が内陸である。ドップラーソーダー 図３a 夏の陸風と海風の比較 （データ数：陸風181、海風126） 図３b 冬の陸風と海風の比較 （データ数：陸風261、海風61）
観測地点の原研気象室が海岸から約0.9kmの内陸であることも考慮して、海風、陸風、中間の風向範 囲を、６∼174度の風向を海風、186∼354度の風向を陸風、それ以外を中間風向と定めた（図２）。 風向区分には、地上42mの風向を指標として、鉛直方向乱流強度の高度分布を陸風時、海風時およ び中間風向時に区分けした。ただし、中間風向時はいろいろな条件が混在していて特性を知ることが 難しいので解析から除外した。熱的内部境界層の高さは従来の経験式によると原研気象室の位置で2 ∼300ｍ程度と推定されるので、鉛直方向乱流強度の高度分布に影響が出るかどうかはっきりしない。 図3a,bに夏と冬、陸風と海風別に乱流強度の高度分布を示した。夏の場合は陸風と海風とで大きな違 いがないが、冬の場合は両者の違いが少し現れた。特に、150mの値が極大になっている主な原因は、 水平風速が1m/s以下の弱風時に鉛直方向乱流強度が異常に大きくなったためである。いずれの大気安 定度でも弱風時に乱流強度または風向変動幅が特に大きくなることは安達（1985）の報告があるが、 これへの対策は今後の課題として置き、今回は風向を区別せずに、大気安定度別の解析を行う方針と した。 ２ 従来法から導く地上のσzに対する上層のσzの比率 大気安定度は地上気象観測と表１により決定することが出来る。高所放出の場合は、表２を用いて、 「上層の大気安定度」に対応づけて、PG図の拡散パラメータを用いて拡散計算を行うことになる。表 2は地上大気安定度をD側に１階級程度ずらして「上層の大気安定度」として使うという意味になって いる。これが従来法である。これを拡散パラメータのσz（煙突からの風下距離が100mの地点）の値 でみると、上層は地上の半分程度かどうかということを計算したものが表3である。ただし、安達（1996） でも示したように、 σz＝［鉛直方向乱流強度］×［風下距離（x）と大気安定度（a）の関数f（x,a）］、 と表すことが出来る。さらに、煙突からの風下距離が100mの地点でのσzは、PG図において大気安定 度に係わらずに、ほぼ平行線であるのでf（x,a）が等しく、σzが鉛直方向乱流強度に比例するとみな せることを利用した。大気安定度毎の解析を行うには観測データ数が不足しているので、３区分にま るめた解析を行った。そのため、表３にも大気安定度を３区分にまるめた場合の値も載せた。大気安 定度の３区分の仕方は改めて表４に示した。結局、地上が不安定の場合が0.73、中立が1.08、安定が1.48 という比率を基準として、観測された鉛直方向乱流強度の高度分布に現れる42ｍでの値との比率を評 価した結果を次項で述べる。 ３ 季節別大気安定度別の鉛直方向乱流強度の高度分布 図４は夏の場合で、従来法の基準値とともに、観測の平均値と、それに標準偏差をプラスマイナス した値も示した。ただし、負の値はとりえない観測値なので、最低で零におさえてある。観測された 平均値が不安定条件の50m以下を除けば、どの条件、どの高度でも基準値より小さいことがわかる。 煙軸が地上75m以上になる場合の長期平均濃度を対象にする場合は濃度を高めに計算していることに なり、従来法に問題がないことがわかる。しかし、観測値のばらつきを表す標準偏差を考慮すると、 １時間濃度評価には従来法が必ずしも適用できないこともわかる。なお、高所放出ではσzを大きめ に設定することは地上濃度を高めに計算することに対応する。図5は冬の場合で、図４と同様な表し 方である。まず、標準偏差が大きい特徴が見られるが、冬でも上空に1m/s以下の弱風が現れたためで ある。図5aの不安定条件では150m以下で観測値の平均が基準値を超えていることがわかる。基準値が 観測値を下回るということは、σzを小さめに設定していることになり、それは地上濃度を低めに評 価することになるので、環境アセスメントとしては不適切である。これ以外は基準値を観測の平均値 が下回っているので、長期平均濃度推定では問題ない。しかし、観測値のばらつきを考慮すると、１
時間濃度評価には従来法が必ずしも適用できないことがわかる。 Ⅳ まとめ 従来の環境アセスメントでは、火力発電所等の高煙突からの排煙による大気汚染濃度を推定する際 に、「上層の大気安定度」とPG図が使われている。これは地上気象観測によって得られる地上の大気 安定度を中立側に一階級程度ずらして、PG図の拡散パラメータを使う方法であるが、これまでに沿岸 地域における大気乱流の実測値との比較という観点での検証は必ずしも十分にはなされていない。そ のため、ここでは、上層の鉛直方向乱流強度の観測値によって上記の従来法を検証することを試みた。 表１ 地上の大気安定度分類表（環境庁、1988、公害研究対策センター、2000） 風速Ｕ （ｍ/s） 日射量T（kW/ｍ2） 放射収支量 Q（kW/ｍ2） T≧0.60 0.60＞T ≧0.30 0.30＞T ≧0.15 0.15＞T Q≧-0.020 −0.020＞Q≧ -0.040 −0.040＞Q U＜2 A A−B B D D G G 2≦U＜3 A−B B C D D E F 3≦U＜4 B B−C C D D D E 4≦U＜6 C C−D D D D D D 6≦U C D D D D D D 表２ 地上と上層の大気安定度の対応関係（従来法：最近の環境影響評価準備書より） 地上の大気安定度 Ａ Ａ−Ｂ Ｂ Ｂ−Ｃ Ｃ Ｃ−Ｄ Ｄ （昼） Ｄ （夜） Ｅ Ｆ Ｇ 上層の大気安定度 Ｂ Ｂ−Ｃ Ｃ Ｃ−Ｄ Ｄ Ｅ Ｆ 表３ 風下100mにおける地上のσzに対する上層のσzの比率（基準） 地上安定度 Ａ Ａ−Ｂ Ｂ Ｂ−Ｃ Ｃ Ｃ−Ｄ Ｄ （昼）Ｄ （夜） Ｅ Ｆ Ｇ 距離100mでの σz（m） 14.03 12.30 10.78 8.88 7.32 5.86 4.69 3.50 2.30 1.44 上層安定度 Ｂ Ｂ−Ｃ Ｃ Ｃ−Ｄ Ｄ Ｅ Ｆ 距離100mでの σz（m） 10.78 8.88 7.32 5.86 5.86 4.69 3.50 2.30 上層÷地上 0.77 0.72 0.68 0.66 0.80 1.00 1.25 1.00 1.34 1.52 1.59 安定度大区分 不安定 中立 安定 上層÷地上 0.73 1.08 1.48 表４ 大気安定度の大区分 不安定 Ａ、Ａ−Ｂ、Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ｃ 中立 Ｃ−Ｄ、Ｄ（昼）、D（夜） 安定 Ｅ、Ｆ、Ｇ
図４a 夏の不安定条件
（データ数113、従来法の比率0.73）
図４b 夏の中立条件
（データ数127、従来法の比率1.08）
図５a 冬の不安定条件
（データ数76、従来法の比率0.73）
図５b 冬の中立条件
（データ数77、従来法の比率1.08）
解析データは茨城県東海村の1992年の夏と冬のそれぞれ14日間毎時のドップラーソーダーの風向、風 速および鉛直風速成分の標準偏差データである。鉛直方向乱流強度は鉛直風速成分の標準偏差を水平 風速で割った値とした。研究の結果、上記の「上層の大気安定度」の設定方法は、東海村では、冬の 不安定条件で地上150m以下を除けば、長期平均濃度推定の場合にほぼ妥当であることがわかったが、 データのばらつきを考慮すると、1時間濃度の推定には必ずしも適用できないことがわかった。今後、 春と秋を加えて四季をまとめることや、他の地域での観測データの収集蓄積と解析が望まれる。 謝辞 当論文の元である近藤（2008）の卒業研究を進めるにあたり、山梨大学教育人間科学部理科教育講 座（地学分野）准教授の角田謙朗博士及び同じくソフトサイエンス講座環境科学コース（地学分野） の石垣武久准教授には、多くのご助言と励ましをいただきました。また、日本原子力研究所（現在名： （独）日本原子力開発研究機構）と（財）日本気象協会の方々からデータ利用と解析についてご指導・ ご協力をいただきました。さらに、兵庫県立大学・環境人間学部教授の河野 仁博士には原稿について 有益なコメントをいただきました。以上の方々に深く感謝し、厚く御礼申し上げます。 文献 （１） 近藤通史，2008：ドップラーソーダデータによる乱流強度の研究， 山梨大学教育人間科学部・平成19年 度卒業論文，35pp． （２） 環境庁大気保全局大気規制課（編），1988：窒素酸化物総量規制マニュアル， 公害研究対策センター， 134-135． （３） 公害研究対策センター窒素酸化物検討委員会（編纂），2000：窒素酸化物総量規制マニュアル（新版）， 公害研究対策センター，185-186． （４） 大田正次，1980：大気汚染に係る環境影響評価マニュアル（案），私信． （５） 朝倉一雄，四方 浩，1982：火力発電所排煙の大気拡散予測手法の検討，電力中央研究所報告，総合報 告211，93pp．
（６） Hanafusa, T., Y.Kikuchi, Y.Ito, R. Kodama, T.Adachi, T. Naganuma, Y.Arisawa and K. Takeuchi, 1996： Evaluation of Doppler Sodar Data for Diffusion Study, Proceedings of The 13th International Clean Air and Environment Conference, The Clean Air Society of Australia and New Zealand Inc., Adelaide, Australia, 489-494． （７）東海村，2008：ホームページ（http：//www.vill.tokai.ibaraki.jp/gaiyou/profile.htm） （８） 林 隆，茅野政道，山澤弘実，永井晴康，森内茂，石川裕彦，安達隆史，岡野博，小島啓美，小田川文明， 1998a：長期野外拡散試験データ（1992年，夏），日本原子力研究所， JAERI-Data/Code98-028，282pp． （９） 林 隆，茅野政道，山澤弘実，永井晴康，森内茂，石川裕彦，安達隆史，岡野博，小島啓美，小田川文明， 1998b：長期野外拡散試験データ（1992年，冬），日本原子力研究所， JAERI-Data/Code98-029，288pp． （10） 安達隆史，1996：平滑地上の鉛直方向乱流強度とPG大気安定度階級との関係，大気環境学会誌， 31（5）， 224-231． （11） 安達隆史，1985：大気汚染濃度予測のための上層風と拡散パラメータの推定法の研究， 技術情報No58， 日本気象協会， 194pp．（国会図書館に寄贈して公開済み）
