ウィンドプロファイラの技術原理と気象観測における活用

ウィンドプロファイラ（Wind Profiler）は、地上から上空（自由大気）の風向および風速の垂直分布を連続的かつ自動で観測するための気象観測装置である。主に上向きに設置されたドップラー・レーダーやドップラーソーダーが用いられ、観測地点の直上における風の立体的な変動を瞬時に捉えることができる。

歴史と発展

1970年代、大気の屈折率のゆらぎによって電波が反射される現象を利用した大気レーダーが開発され、成層圏上部や中間圏の研究に活用されるようになった。この技術を対流圏の風の測定に応用したものがウィンドプロファイラである。

実用化の先駆けとなったのは米国海洋大気庁（NOAA）による1990年の業務実験であり、1992年には世界初となる常設観測網（NPN）がアメリカで運用を開始した。日本においては、気象庁が「WINDAS（Wind Profiler Network and Data Acquisition System）」として全国に観測網を展開している。

測定原理と装置の構造

レーダー方式のウィンドプロファイラでは、大気の透過率や電波の利用状況に基づき、50MHz帯、400MHz帯、1000MHz帯などの電波が用いられる。気象庁の装置では1300MHz付近の周波数が使用され、下部境界層レーダー（LTR）とも呼ばれる。

風の観測には一般的に「5ビーム法」が採用される。鉛直方向および東西南北の各方向へ同角度だけ傾けたビームを発射し、大気のゆらぎや降水粒子からの反射波の到達時間と周波数変位（ドップラー速度）を測定する。得られたドップラー速度を連立方程式として解くことで、各高度における3次元の風のベクトルを算出する。

特徴と長短所

従来のラジオゾンデを用いた気球観測と比較して、ウィンドプロファイラには以下のような長所と短所が存在する。

• 長所: 所定の観測地点直上のデータを高頻度で取得可能であり、無人・自動観測に適している。また、鉛直方向の風速が得られるため大気の運動を立体的に把握でき、雨雪の判別や逆転層の検出といった副次的な成果も得られる。
• 短所: 風と同時に温度や湿度を直接観測することはできない。大気中に探知可能なゆらぎや粒子が存在しない場合や、強い降水がある場合には欠測や誤差が生じることがある。また、航空機や鳥がビーム内に入った場合に誤データが生じる可能性がある。