K207.長期観測用の高精度傾斜形通風筒

著者：近藤純正
気温を高精度で長期観測できる安価な通風筒が製品化された。放射影響による誤差は小さく、従来品より 1 桁高い精度である。

気象庁などで用いられている気温観測用の通風筒は、晴天日中の放射の影響で気温が高めに、微風時には通風筒の排気が再循環し気温が高めに、降雨時には微水滴を吸引し気温が低めに観測され、誤差は0.2～0.5℃程度である。

これらの欠点を改良し、長期観測用の高精度通風筒ができた。構造は単純であり、通風部は断熱をよくするために金属ではなく水道管用の塩ビ管を用いた。排気は下後方に出る構造のため降雪時にも排気口に着雪せず正常に行われる。

最終試験の結果、晴天日中の風速1~2m/sの条件において放射影響誤差は0.02℃であり、長期の気温変化を高精度で知ることが可能となった。（完成：2020年8月20日）

本ホームページに掲載の内容は著作物である。内容（新しい結果や方法、アイデアなど）の参考・利用に際しては”近藤純正ホームページ”からの引用であることを明記のこと。

更新の記録
2020年8月19日：素案の作成
2020年8月20日：細部に加筆

目次 207.1　はじめに　　　　　　気温観測に必要な精度　　　　　　高精度通風筒を利用する意義　　　　　　通風筒の選定、メーカ製品を勧める理由　　　　　　本論の目的 207.2　通風筒の構造と価格　　　　　　吸気部の断熱と塗装　　　　　　重量と寸法　　　　　　設置方法　　　　　　価格 207.3 試験の方法 207.4　放射影響の誤差まとめ文献

207.1 はじめに

気温観測に必要な精度
気温観測ではセンサに及ぼす放射影響を防ぐために百葉箱が使われてきた。しかし、晴天日中の微風時に百葉箱内は1℃ほど高温になることから1970年半ば以後は強制通風筒が使われるようになった。気象庁その他で使われている強制通風筒では、晴天日中の放射影響誤差が0.2～0.5℃程度である（「K90．通風筒（ノースワン社製）に及ぼす放射影響」の表90.1；「K99．通風筒の放射影響（気象庁95型、農環研09S型）」；「K100.気温観測用の次世代通風筒」を参照）。

いっぽう自然通風式シェルターはファンモータがないため電源が不要で広く使われているが、放射影響誤差は1℃前後、最大5℃を超えることもある（「K98.自然通風式シェルターに及ぼす放射影響誤差」）。

天気予報など通常の暮らしでは気温の観測精度（許容誤差）は0.5℃でよい。しかし、近年の139年間（1881～2019年）における地球温暖化量は100年につき 0.77℃である（「K173.日本の地球温暖化量、再評価2020」）。また、最高気温や最低気温の新記録が観測されたとき、0.1℃の違いが世間では話題になる。これらのことから、気候変動や極値の根拠となる気温の観測精度は少なくとも0.1℃、これよりも高精度であることが望ましい。

高精度通風筒を利用する意義
常識とされている例をあげて説明しよう。晴天日中における森林公園内の気温の水平分布はほぼ同心円状で中央部ほど低温とされてきた。同様に都市のヒートアイランドも都市中心部ほど高温とされてきた。しかし、正しく観測してみると、森林内の気温は水平距離約30ｍ平方内の樹木の枝葉密度と関係する「木漏れ日率」と、風通しを表す「見通し」によって表すことができる。特に注意すべきは、東京の北の丸露場のように風通しの悪い林内の日だまりでは市街地に比べて 1℃以上も高温となる場合がある（「K115.新宿御苑の気温水平分布（2）」の図115.3）。

都市キャノピーと呼ばれるように、都市も森林に似たところがあり、同心円状の気温分布を連想させるヒートアイランド分布が知られている。しかし、詳細に観測してみると、地上気温は風通しの良否によって決まり、広い道路は風通しがよく低温であるのに対し、狭い道路ほど高温であり、単純な等温線を描くことはできない（「K157.日だまり効果、アーケード街と並木道の気温（まとめ）」の図157.4）。

仕事として気温を観測する場合、可能なかぎり小さな誤差で観測すべきである。そうした義務からではなく、高精度で観測すれば、それまで見えなかった現象が見えて、研究者としての喜びがある。研究とは、新しいことを知る喜びのために行うものである。例えるならば、肉眼では見えない現象が顕微鏡で見れば新しい世界が広がる。

通風筒の選定、メーカ製品を勧める理由
精度が高い、価格が安価、重量が軽い、保守点検が容易、の4項目によってどの機種を選ぶかが決まる。

保守点検が容易な構造となっている気象庁型通風筒の欠点は、高価格であることと、排気が下向き構造になっていることである。この種の通風筒では、一般に、微風時に排気が再び吸気口から吸引され循環し気温が0.2～0.4℃ほど高温に観測されることがある。

研究観測用に開発された近藤式精密通風気温計（プリード社製）（「K126.高精度通風式気温計の市販化」）の縦形は軽量で低価格であるが、欠点は降雪時に循環流防止円板に着雪し、排気が不十分になることがある。

その改良として、縦形を45度の傾斜形とし、下後方に排気され積雪時にも排気が正常に行われる構造とした。その試作試験は「K200.気温・温湿度用通風筒の試作試験」で行った。

市販の通風筒は特別な予算のない者にとっては高価である。そのために、筆者は手製品の作り方を詳しく紹介した（「K100.気温観測用の次世代通風筒」）。

それを真似て通風筒を作った者がこれまで筆者の知るかぎり4名いる。しかし、 4名とも重要な部分の形・寸法を勝手に改変したため、放射影響の誤差が0.5℃ 前後もあった。説明書があっても高精度機器は簡単には作れない。その主な理由は、熱伝工学、放射伝達、流体力学など基本的な知識・思考が不足していることによる。こうした理由から、最終試験による誤差確認済みのメーカ製規格品の利用を勧めることにしている。

なお、「放射影響誤差が1℃程度、最大5℃あっても、自然通風式のシェルターは同じ形に作ってあるので、都市のヒートアイランドの気温観測の分布形は正しい」という研究者がいる。これは正しくない。放射影響誤差の大きさは風速と放射量によって変化するので、観測された気温分布は真の気温分布と異なる形になる。放射計、温度計、風速計（熱線式）は同じ原理に基づいて作られており、温度計は風速計にも、放射計にもなりうるのである（近藤、1982）。

本論の目的
これまで、放射の影響による観測誤差「放射影響誤差」が0.05℃以下となる長期観測用の高精度通風筒の製品化を目指してきた。今回、低価格で気温の長期観測用の2重通風筒の製品（プリード社製）が完成したので、その最終試験を行う。

207.2　通風筒の構造と価格

図207.1は傾斜形通風筒の写真である。観測塔から水平に出した水平支柱（φ48.6ｍｍの単管パイプやφ50ｍｍのアルミパイプ）に取り付けるUボルト付金具がファンモータ部の上方にある。外気は左下方の斜め45度の方向から吸気され、2重円筒の「吸気部」、「ファンモータ部」を経て後方の「排気部」から斜め下後方に排気される。

通風筒写真

図207.1　傾斜計通風筒の写真（プリード社製）。

吸気部の断熱と塗装
外気を吸引する「吸気部」は2重円筒の塩ビ管からなり、外側円筒（外筒）の外壁にはアルミ蒸着断熱シートが3重に巻かれている。アルミ蒸着断熱シート（商品名はアルミオーム、アルミ押し入れシート、など）はポリエチレンにアルミを蒸着された軽量シートである。

外側（外筒）の先端にはアルミ製の流線形の「吸気口」が取り付けられており、吸気がなめらかに吸引される。内側円筒（内筒）の奥に温度センサが取り付けられる。

外筒の外面は日射を反射するように白色またはアルミ蒸着材からなる。内筒先端の内壁は太陽の地面反射光の吸収を少なくするために、先端の20ｍｍ範囲は白色塗装とし、20ｍｍから奥の内壁は黒塗装とし内面（センサ周り）での散乱反射光を防ぐ。

重量と寸法
ケーブルを除く通風筒本体の重量は1.6ｋｇ、Uボルト付き取り付け金具は 0.5～0.6ｋｇである。標準品では、水平支柱用と鉛直支柱用の両方の取り付け具が付属しているが、利用者の希望によってその他の形状の取り付け具も作られる。

流線形のアルミ吸気口から排気部後端までの全長は425ｍｍである。吸気部の 2重円筒の長さは230ｍｍ、流線形のアルミ吸気口先端と内筒の先端の距離は 20ｍｍである。温度センサの先端（受感部）はアルミ吸気口先端から120～130ｍｍの奥になる。

これら寸法を勝手に変えると誤差が大きくなることが多い（「はしがき」の「通風筒の選定、メーカ製品を勧める理由」を参照のこと）。

ファンモータ
ファンモータはAC100V、1.2W（IKURA FAN R8500：80mm×80mm×38t）を標準とするが、利用者の希望によっては乾電池や太陽光パネルによるDC12V用とすることも可能である。ただし、ワット数は1 W 以上、2 W 以下とすること。ワット数を大きくして吸気速度が 5m/s 以上になると、降雨時に微水滴を吸引し、温度センサが湿球となり気温が低く観測される。ファンモータの寸法80mm×80mmは変えないこと。同じワット数でも小型に変更すると通風速度が弱くなる場合が多い（「はしがき」を参照のこと）。

設置方法
地面に立てた鉛直支柱、あるいは高い観測塔からさらに上に伸ばした鉛直支柱に設置する場合と、観測塔から水平に出した水平支柱に設置する場合がある。おもに日中の主風向側に吸気口を向けて設置し、暖まった観測塔部材の影響を受け難くする。

図207.2の左は水平支柱（単管パイプ）へ、右は鉛直支柱（単管パイプ）へ設置したときの写真である。

通風筒設置2方法写真

図207.2　支柱への設置、左は水平支柱へ、右は鉛直支柱へ設置した写真。

価格
プリード社製の傾斜形通風筒の標準価格は95，000円（税抜き）、すでに販売されている縦形や水平形と同価格である。気象庁型（旧小笠原計器製作所製、現ANEOS社製）に比べて格段に安価である。気象庁型は高価であるぶん、観測所現地における分解掃除など取り扱いが容易な構造である。

なお、気温・湿度用（気象台、旧測候所用）と気温用（一般アメダス用）は気象庁によると、それぞれ30万円、20万円という。ANEOSによれば後者（一般アメダス用）の標準価格は25万円である。

参考1：気象庁型の気温・湿度用の通風筒は原理的に奇妙で複雑、誤差の原因を生む構造である。原理にしたがって、簡単化すれば精度も上がり、メーカの努力により安価になる可能性がある。改良案は筆者が提案してある（K200.気温・温湿度用通風筒の試作試験）。

207.3　試験の方法

「基準の高精度通風筒」と比較し放射影響誤差を調べる。「基準の高精度通風筒」とは、近藤式精密通風気温計（縦形：プリード社製）の原型となる手製の基準通風筒である（2重通風筒、KONDO-15S型、ただしガイド無し、ファンモータは DC12V、0.26A）（「K100．気温観測用の次世代通風筒」の図100.5～100.10）。

この「基準の高精度通風筒」の外筒の外側にはアルミ蒸着断熱シートが巻かれ、内筒は実質2重構造（空洞構造）で断熱性が良く、放射影響誤差は0.01℃以下である（「K198.近藤式高精度通風筒の放射影響誤差」）。

なお、「基準の高精度通風筒」は他の通風筒の放射影響誤差を調べるためのもので、通常の研究観測に用いるときは、電力節約のためにファンモータはDC12V、0.08A （約1ワット）のファンモータに取り替える。

試験に用いる気温センサと記録計
気温センサは4線式Pt100（受感部はφ2.3ｍｍ）、記録計は2チャンネルで分解能・精度0.01℃の高精度温度ロガー「プレシィK320」（立山科学製）を用いる。温度センサは検定済みであり、さらに高精度の比較検定により相互の相対的誤差は0.003℃である（「K145.高精度気温観測用の計器・Pt センサの検定」の145.3節の（4）校正付き高精度Pt温度計による方法）。

試験の期間
予備試験は2020年6～7月に、最終試験は晴天の続いた2020年8月3日～14日に行った。以下では最終試験の結果を示す。

試験地における風速などの条件
通風筒の放射影響誤差についての試験は筆者住居の庭で行う。通風筒は地上に立てた単管パイプに取り付け、吸気口の地上高度は2ｍである。基準の高精度通風筒の吸気口と試験器（傾斜形製品）の吸気口間の距離は0.1～0.2ｍである。

晴天日中の地表面上1ｍ～10ｍ付近の気温は、水平距離が少し離れるだけで瞬間の気温が±0.5℃程度異なる。例えば、つくば市内の農環研の広い芝地の観測露場でも、水平距離が4ｍ離れると乱流変動の中心（差の平均値）が0.1℃ ほどずれた状態が1時間ほど続くことがある（「K89.通風筒に及ぼす放射影響－農環研用」の図89.6）。

それゆえ、今回は0.01℃桁の気温差を調べるため、2つの吸気口間の距離を 0.1～0.2ｍとし、主風向側に向けた。

今回は直接観測していないが、以前に超音波風速計で測った地上2ｍ高度の風速は暴風時でなければ、日中はほとんどの場合1～2m/s、夜間は1m/s以下特に微風時は 0.1～0.2m/sである。

試験は放射影響誤差が最大になる晴天の正午前後の時間帯に行う。日射量は 900W/m²前後である。精度の高い放射量の推定式は近藤（1994）のp.86－p.88に掲載されている。

気温の記録の時間間隔
気温は1分間隔で記録した。図では21分間の移動平均値を示す。

放射影響誤差の定義
放射影響誤差の定義は次式による。

相対誤差＝（通風筒試験器による気温）－（基準の高精度通風筒による気温）　・・・（207.1）

放射影響誤差＝相対誤差　＋（0.01℃以下）　・・・・・（207.2）

ただし、（0.01℃以下）は「基準の高精度通風筒」の放射影響誤差である（「K198.近藤式高精度通風筒の放射影響誤差」）。

理論によれば、放射影響誤差は有効放射量に概略比例し、晴天日の正午前後に最大になる。本論では、太陽南中時が観測時間の中央となるように正午前後の 9時～14時の時間帯で、快晴または強い日射のある晴天時のみを解析する。

図207.3は製品について放射影響誤差を調べているときの写真である。吸気口は主風向に向けられるように支柱全体が鉛直軸のまわりに自由に回転できるように単管パイプは地面に固定した別の単管パイプに回転可能な繋ぎ具（市販品）でつないである。

図207.3　傾斜形通風筒の製品（手前側）と基準の高精度通風筒（写真の右側）の比較試験中の写真。吸気口の高度は地上2ｍ、吸気口間の距離は0.1ｍのとき。

207.4　放射影響の誤差

図207.4（上）は傾斜形通風筒と基準の高精度通風筒で記録された気温差（式207.1に示す相対誤差）の時間変化である。気温差（相対誤差）に見える細かな時間変動は、２つの通風筒の吸気口の位置が離れているために生じたものである。大気は風速・温度の異なる大小さまざまな空気塊から成り、２つの通風筒が離れていれば各瞬間の温度に差が生じる。それゆえ、数時間平均の温度差が放射影響誤差となる。

気温差記録

図207.4　傾斜形通風筒と基準の高精度通風筒の比較試験（センサφ2.3ｍｍ）。
横軸に月日を記入した時刻は当日の0時である。上図は放射影響を示す相対誤差、下図は気温の時間変化である。下図では、2温度の差が微少で重なっている。毎日15時前後のデータの途切れは、データ吸い上げ・解析の作業によるものである。

放射影響誤差のまとめ
表207.1は快晴または晴天時（強い日射）における12日間のまとめである。

表207.1　気温センサに対する放射影響誤差の相対誤差のまとめ。
誤差一覧表

　

式207.2に示したように、「基準の高精度通風筒」の放射影響誤差が0.01℃以下であることを考慮すれば、傾斜形通風筒の放射影響誤差は0.02℃程度（センサ φ2.3ｍｍ）となる。

まとめ

地球温暖化量をより正確に観測する長期観測用の高精度通風筒が必要となり、研究用に使われていた近藤式精密通風気温計（縦形）の欠点とされている湿った雪が降るとき排気部に着雪し排気が不完全になる構造を修正し、高精度の傾斜形通風筒を製品化した。

気象庁などで使われている気温観測用の通風筒は、晴天日中の日射の影響で気温が高めに、微風時には通風筒の排気が再循環し気温が高めに、降雨時には微水滴を吸引し気温が低めに観測され、誤差はそれぞれ0.2～0.5℃程度である。これらの欠点を改良した通風筒ができた。構造は従来型より単純であり、外気を吸引する吸気部は断熱をよくするために水道管用の塩ビ管を用いた。

この製品について最終試験の結果、晴天日中の風速1～2m/sの条件において放射影響誤差は0.02℃であり、広く使われている従来品に比べて 1 桁高い精度である。

参考2：温度センサとデータロガー
高精度の通風筒であるため、それに適した4線式Pt100センサとデータロガーを用いることを勧めたい。しかし、予算の都合で安価に市販されているT&D社製の「おんどとり」（温度分解能は0.1℃）を利用したいことがある。その場合はサーミスタではなく、3線式Pt1000センサを勧めたい。4線式では数10ｍの延長ケーブルの使用も可能であるが、3線式Pt1000の場合、高精度を保つために、ケーブル長は3ｍ以下で直径は太めを使うこと。センサの直径は小さめで、 φ2.3ｍｍまたはφ3.2ｍｍがよい。

参考3：温度センサの検定
検定は一般に行われている温度固定の方法ではなくて、検定槽内の液体温度が時間とともに単調に昇温または下降する条件で行う（「K145.高精度気温観測用の計器・Ptセンサの検定」）。この方法では半日の時間を要するが、分解能0.1℃のデータロガーでも温度の多数個を記録することによって±0.03℃の精度が得られる。

参考4：気温・湿度の観測
本論では気温を測る通風筒を主題とした。気温と水蒸気量の両要素を観測するとき、（1）各センサを独立した2つの通風筒に入れるか、（2）同じ 1つの通風筒に入れるかの2方法がある。筆者は（1）を勧めたいが、いずれにするかは利用者が決める。

気温観測では、気温センサに及ぼす放射影響の誤差を小さくすべきだが、湿度（水蒸気量）の観測では温・湿度センサに及ぼす放射影響誤差が多少あってもよい。

その場合、相対湿度の求め方として次を提案した（ K200.気温・温湿度用通風筒の試作試験）。すなわち、温・湿度センサ（気温センサ＋静電容量センサ）の出力（温度＋相対湿度）から水蒸気圧 e を計算する。最終的に求める相対湿度（公表値）は水蒸気圧 e と気温筒のPt センサの出力（高精度の気温 T）を用いて求める。

文献

近藤純正、1982；大気境界層の科学―大気と地球表面の対話．東京堂出版、pp.219.

近藤純正（編著）、1994：水環境の気象学－地表面の水収支・熱収支．朝倉書店、 pp.350.

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