JP2008014939A - 日射計測システム、日射計測用のプログラム - Google Patents

日射計測システム、日射計測用のプログラム Download PDF

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Juichi Hasegawa
壽一 長谷川
Koji Hirashita
幸治 平下
Tamio Takamura
民雄 高村
Original Assignee
Eko Instruments Trading Co Ltd
英弘精機株式会社
Tamio Takamura
民雄 高村
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Abstract

【課題】簡素な構成の装置構成を用いて日射に関連する計測を行うことを可能とする技術を提供すること。
【解決手段】本発明の可視域日射計測システムは、可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、を含む日射センサーと、前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算する演算手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、日射計測技術に関する。
太陽放射は主に可視光領域と近赤外光領域からなる。このうち、可視領域は、植物の成長に欠かせない光合成有効放射(以後「PAR」と略記する)領域であり、一方、人の生活空間においては照度として考慮される。これらの量の取り扱いでは、可視領域日射に対してPARや照度に対応するスペクトル感度で重み付けが必要である。前者の場合はホトン(光子)の作用曲線であり後者の場合は比視感度曲線である。従来技術では、それぞれに対する測定法が開発され実用化されているが、基本は可視領域の日射量(エネルギー量)である。
地上で受ける太陽放射は、直達日射と散乱日射により構成され、大気の構成物質に依存してそのスペクトル特性および散乱光角度特性が異なる。このため精度の高い光環境の計測には、全天日射(直達日射+散乱日射)のほかに両成分を別々に計測する必要がある場合がある。一方、大気の構成要素による日射量への影響は、これらの量の計測から大気構成要素を推定することが可能になる。可視部の直達日射は大気構成要素による減衰を直接受ける事から、これにより大気の光学的厚さ(減衰の指標)を決定する事が出来、さらに其の主要な要素であるエーロゾルの量の評価を行う事ができる。また、近赤外域の直達日射からは、同様に影響の大きな大気中の可降水量(大気カラムで積算した水蒸気量)の決定が可能となる。
従来の技術では、PARや照度の計測に関して、直達、散乱、全天日射の各成分を別々に計測するか、又は単にその一部を共用する方法は実用化されているが、すべてをまとめて統一的に測定する手法と装置は存在しない。このため、従来の方法では対応するそれぞれの計測器が必要となり、システム価格が高価で、必然的に設置面積も大きく、しかも連続計測を行う為の保守にも莫大な人手とコストがかかった。
全天日射量、直達日射量、散乱日射量(これらは、一部の気象官署で限定的に計測している)と、上述の照度やPARとの間には、大気構成要素に依存する非線形の関係が成り立つが、これらの一方を計測して他方を推定するには経験に基づく変換手段が必要となり、大気状態の適切な把握なしには、この段階で変換誤差を生じる不都合があった。また、これらの変換に影響を与えるエーロゾルや可降水量の計測では、通常の全天・散乱日射量から求めることは難しく、従来の技術では独立した専用の計測器を必要とした。
特開2003−254823号公報
そこで、本発明は、簡素な構成の装置構成を用いて日射に関連する計測を行うことを可能とする技術を提供することを目的とする。
本発明の日射計測システムは、
可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、を含む日射センサーと、
前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算する演算手段と、
を備えることを特徴とする。
また、上記の日射計測システムは、
回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を例えば一定の速度で回転させる制御手段と、を含むシャドーバンド装置を更に備え、
前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中央に設置されることが好ましい。
また、上記の日射計測システムの前記日射センサーは、近赤外範囲における受光感度が高い第3の受光器を更に含むことが好ましい。
第2の態様の本発明は、
可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、を含む日射センサーと、
回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を例えば一定の速度で回転させる駆動手段と、を含むシャドーバンド装置と、
を備え、前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中央に設置される、
ことを特徴とする日射計測システムである。
第3の態様の本発明は、
少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、上記第2の態様の日射計測システムから出力される前記第1及び第2の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
前記演算手段に、
(a)前記第1及び前記第2の受光器の各出力値を前記記憶手段に格納するステップと、
(b)前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算するステップと、
を実行させることを特徴とする、日射計測用のプログラムである。
上記の日射計測用プログラムは、
前記演算手段に、
(c)前記ステップ(b)の演算結果に対し、所定の感度常数を乗算するステップ、
を更に実行させることが好ましい。
上記の日射計測用プログラムは、
前記演算手段に、
(d)前記第1及び第2の受光器の少なくとも一方の出力値の差分を算出するステップと、
(e)前記ステップ(d)で算出した前記差分に基づいて、太陽光が遮蔽される際の前記帯体の回転角度を求め、当該回転角度に基づいて太陽高度角hを算出するステップと、
を更に実行させることが好ましい。
また、上記のステップ(e)は、前記差分の極大値と極小値の間に挟まれた中間点に対応する前記回転角度を前記太陽光が遮蔽される際の前記帯体の回転角度とする、ことが更に好ましい。
第4の態様の本発明は、
可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、近赤外範囲における受光感度が高い第3の受光器と、を含む日射センサーと、
回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を例えば一定の速度で回転させる駆動手段と、を含むシャドーバンド装置と、
を備え、
前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中心に設置される、
ことを特徴とする日射計測システムである。
第5の態様の本発明は、
少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、上記第4の態様の日射計測システムから出力される前記第1及び第2の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
前記演算手段に、
(a)前記第1及び前記第2の受光器の各出力値を前記記憶手段に格納するステップと、
(b)前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算するステップと、
(c)前記ステップ(b)の演算結果に対し、第1の感度常数を乗算するステップと、
(d)前記第3の受光器の出力値に対し、第2の感度常数を乗算するステップと、
を実行させることを特徴とする、日射計測用のプログラムである。
以下、本発明の好適な実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明を適用した一実施形態の日射センサー(日射計)の構成を示す模式断面図である。図2は、日射センサー内における受光器の配置状態を示す模式平面図である。図1に示すように、本実施形態の日射センサー10は、2つの受光器11、12と、これらの受光器11、12の上部にそれぞれ配置された光学フィルター13、14と、受光器15と、各受光器11、12及び受光器15の検出信号を取り出すための端子を備えたコネクタ部17と、受光器11、12、光学フィルター13、14および受光器15を収容する筐体18と、これら筐体18等を支持する台座19と、台座19に取り付けられた水準器20と、筐体18の上部に取り付けられた光拡散板21と、を含んで構成されている。筐体18は遮光性の部材からなり、外界からの光は光拡散板21を通って筐体18の内部へ入射し、それ以外の箇所からは筐体18の内部へ入射しない構造となっている。各受光器11、12、15は、太陽光が入射する側(図中、上側)、より詳細には光拡散板21の方向に受光面を向け、適当な間隔を空けて配置されている(図2参照)。光拡散板21は、各受光器11、12、15に入射する光の指向性を解消するために配置されている。外界からの入射光はこの光拡散板21を通過することによって拡散された後に筐体18内に入射する。
各受光器11、12は、主に可視光の領域を中心にして、概ね350〜1100nm程度の波長領域)に感光波長領域(第一の感光波長領域)を有する。各受光器11、12の好適な一例としてはSiホトダイオードを用いることができる。また、受光器15は、赤外光の領域(概ね900〜1800nm程度の波長領域)に感光波長領域(第二の感光波長領域)を有する。受光器15の好適な一例としてはInGaAsホトダイオードを用いることができる。各受光器11、12、15としてホトダイオードを採用した結果、日射センサー10の小型化が達成される。例えば、高さ約6cm、半径4cmの円筒状のコンパクトな日射センサー10を実現することができる。この日射センサー10の小型化は、後述する回転シャドーバンドをコンパクト化することにも直結する非常に重要なポイントとなる。
光学フィルター13は、受光器11の上部、より詳細には受光器11の受光面と拡散板21との間の適当な位置に配置されている。この光学フィルター13は、短波長側の第1の値(本例では395nm)よりも長い波長の光を透過するカットオフフィルターである。本実施形態では、概ね395nm〜2300nmの波長範囲の光を通す光学フィルター13を用いる。光拡散板21を通して筐体18内に入射した光は、この光学フィルター13を通って受光器11に受光される。なお、以後の説明においては、この光学フィルター13が装着された受光器11のことを「Si+395」と標記する場合もある。
光学フィルター14は、受光器12の上部、より詳細には受光器12の受光面と拡散板21との間の適当な位置に配置されている。この光学フィルター14は、上記の第1の値よりも長波長側の第2の値(本例では695nm)よりも大きい波長の光を透過するカットオフフィルターである。本実施形態では、概ね695nm〜2300nmの波長範囲の光を通す光学フィルター14を用いる。光拡散板21を通して筐体18内に入射した光は、この光学フィルター14を通って受光器12に受光される。なお、以後の説明においては、この光学フィルター14が装着された受光器12のことを「Si+695」と標記する場合もある。
ここで、各々の光学フィルター13、14の透過特性に各受光器11、12のスペクトル感度を掛け合わせたスペクトル特性を図3に示す。更に図4に、二種類の受光器11、12(センサー“Si+395”と“Si+695”)の出力差により決まる可視部日射センサーのスペクトル特性を示す。これらの図からもわかる通り、各受光器11、12の出力の差分を求めることにより、可視部(可視領域)におけるスペクトル特性は近似的にフラット(平坦)となる。この出力差より決定される可視部の日射量Fvisは次式で示される。
上記(1)式において、ESi+395は受光器11からの出力(例えば電圧値)、ESi+695は受光器12からの出力(例えば電圧値)、を示す。Cは各受光器11、12の感度を揃えるための係数であり、近赤外部のみ(受光器12のスペクトル領域に対応する)に強度を有する人工光源を用いて決定される。また、K395,695は放射量に換算するための感度常数である。この感度常数K395,695は全波長域にフラットな感度を持つ熱型の二台の全天日射計に各々395nmと695nmのカットオフフィルターを装着し、その差より得られる可視部の日射量を規準として決定される。その結果の一例を図5に示す。
次に、全波長域の日射Ftotalは下記の(2)式に基づいて求める事ができる。
ここで上記(2)式において、EInGaAsはInGaAsホトダイオードからなる受光器15の出力(例えば電圧値)、Fvisは先に求めた可視部の日射量である。KInGaAsは感度常数である。この感度常数KInGaAsは全天日射量を規準として可降水量の関数として決める事ができる。可視部及び全波長域における直達放射量に対しても同様な手法により感度常数を決める事ができる。
次に、上述の図2に示した3個の受光器11、12、15により構成される日射センサー10を用いて、直達成分と散乱成分及び全天日射量を求める手法について説明する。本手法では、図6に示すように日射センサー10とシャドーバンド30とを組み合わせて用いる。具体的には、図6に示すシャドーバンド30は、所定幅を有する帯状部材(帯体)を半円状に成型したものであり、その一端が駆動機構31に固定されている。駆動機構31を介して駆動力を与えることにより、シャドーバンド30は予め設定した例えば一定周期で且つ例えば一定速度で200度回転し、全天を走査する。上記日射センサー10は、シャドーバンド30の回転軸の中心であって当該シャドーバンド30以外の機材の影響を受けない位置に水平受感面が配置される。この日射センサー10とシャドーバンド30とを組み合わせたシステム(日射計測システム)は、シャドーバンド30の回転軸が南北の方角に沿うように設置される。シャドーバンド30の幅は定義に基づき決められる。シャドーバンドについては、例えば文献“Lee Harison、Josef Michalsky, and Jeery Berndt、Automated multifilter rotating shadow-band radiometer: an instrument for optical depth and radiation measurements. Appl.Opt. 33, 5118-5125 (1994) ”に詳しい。
シャドーバンド30は、予め設定したプログラムに従って動作する。この動作は制御ボックス32に組込まれた制御部と制御モータ(後述する)、及びこの制御モータの動力をシャドーバンド30に伝達する駆動機構31により実現される。図7に、シャドーバンド30の回転軸方向に正対して見たとき(図6中のa方向から見たとき)の観測時のバンドの動作状況の一例を示す。まず、シャドーバンド30は、水平面下10度の東位置Heに停止する。測定に要する時間(例えば30秒間)の間はこの状態が保たれ、この間に上記の3個の受光器11、12、15を用いた全天日射量(直達+散乱)の計測が行われる。次に、シャドーバンド30は例えば一定の回転速度で走査を始める(図示のTの状態)。このシャドーバンド30が走査中に太陽を捕える位置となった際には、シャドーバンド30によって直達光が遮られ、各受光器11、12、15に入射しなくなるので、散乱光部分のみが観測される。シャドーバンド30は更に回転し、反対側の水平面下10度の西位置Hwに達して停止し、再度全天日射量を計測後、反転し元の東位置Heに戻る。この間の走査時間は例えば16秒程度である。よって、本実施形態の日射計測システムによれば、30秒程度の時間ごとに一回の間隔でデータを収集する事ができる。この観測時間は、必要に応じて可変にすることが可能であり、各受光器11、12、15の時定数に対応して最適値を設定することが可能で、多様な受光器に対応するよう汎用性を持っている。
ここで、日射センサー10及びシャドーバンド30を含んで構成される計測システムの制御系統の構成を図8に示すブロック図に基づいて説明する。シャドーバンド30を動作させる駆動機構31には、制御ボックス内の駆動モータ34から動力が伝達される(図6も参照)。この駆動モータ34には、制御部33から制御信号が与えられ、その動作が制御される。制御部33は、例えばシャドーバンド30の制御用にカスタマイズされた専用マイクロプロセッサ等からなる演算部や、この演算部で実行される制御用のプログラムや各種データ等を記憶する記憶部などを含んで構成される。なお、CPU(central processing unit)、ROM(read only memory)、RAM(random access memory)等を含んで構成される汎用的なコンピュータと、当該コンピュータに実行させるプログラムと、を含んで制御部33が構成されていてもよい。制御ボックス32には、上述のように日射センサー10に含まれる各受光器11、12、15の各々による検出信号が入力される。制御ボックス32内の制御部33は、各受光器11、12、15の出力信号をデジタルデータに変換する。この出力信号のデジタルデータは、制御ボックス32に接続されたコンピュータ50に送られる。制御ボックス32とコンピュータ50との間の接続には、例えばUSB、IEEE1394、RS−232C等の通信規格に適応した通信ケーブルが用いられる。コンピュータ50は、例えば汎用的なパーソナルコンピュータ(ノートブック型、デスクトップ型などのいずれでもよい)であり、演算部(演算手段)としてのCPU51、記憶部(記憶手段)としてのROM52、RAM53、メディアドライブ54及びハードディスクドライブ(HDD)55、操作部56、表示部57、通信インタフェース(IF)58、を含んで構成される。このコンピュータ50は、予めインストールされ、HDD55に記憶されている所定のプログラムがCPU51によって実行され、制御ボックス32から通信IF58を介して取得されるデータを用いて各種の演算が行われる。演算内容については後述する。上記のメディアドライブ54は、例えばCD或いはDVD等の光学ディスクに対する情報の読み出し/書き込み可能なディスクドライブからなる。
次に、直達日射の有無の判定方法と太陽高度の決定方法について図9を参照しながら説明する。なお、以下の情報処理は、コンピュータ50のCPU51が所定のプログラムを実行することによって行われる。図9に黒点で示されるデータは、所定時間毎(例えば20m秒毎)に、受光器11又は受光器12から取り込まれる出力信号(例えば電圧信号)の一例である。この出力信号のデジタルデータは、上記のように制御ボックス32からコンピュータ50に引き渡され、HDD55あるいはRAM53に格納される。
CPU51は、HDD55又はRAM53から上記の黒点で示される出力信号のデータを読み出し、隣り合ったデータ間の差分(すなわち微係数)を算出する。この算出結果のデータが図9に白抜き点で示されている。算出結果は、HDD55あるいはRAM53に格納される。なお、この微係数の算出は、少なくともA点よりC点まで(シャドーの実質的影響のないところ)について行われれば足りる。次にCPU51は、この差分(微係数)のデータの最大値と最小値(直達放射が遮蔽される状態)の差を算出し、当該算出結果が経験的に決まる閾値より大きい場合は直達日射あり(日照あり)と判定する。
また、CPU51は、図9に示すA点とC点のそれぞれ近傍データの平均値(例えば近傍各3点の平均値)と、そのほぼ中心点Bの平均値(同様に例えば近傍3点の平均値)とを算出し、算出結果をHDD55またはRAM53に格納する。このA点またはC点における平均値とB点における平均値との差分の算出結果が直達成分となる(図9参照)。より好ましくは、CPU51は、当該算出結果が所定の閾値より大きいか否かを判定し、大きい場合に、算出結果を直達成分としてHDD55あるいはRAM53に格納する。逆に低い(小さい)場合は直達日射なしと判断し、0と記録される。閾値を導入する事により直達日射の定義を明確にする事ができた。また、CPU51は、スキャン開始直後シャドーバンド30が水平面以下でのデータ(図9中の左端側に黒点で示すデータ)と180回転後のデータ(図9中の右端側に黒点で示すデータ)の各々を10点程度サンプリングし、それら平均することによって全天日射成分を求めるまた、CPU51は、散乱成分については、全天日射成分と直達成分の差を演算することにより散乱成分を求める。
以上の手法を用いて、可視域、近赤外域および全波長域の各波長域ごとに、直達成分、散乱成分および全天日射成分を求める。具体的には、可視域(可視部)については、CPU51は、各受光器11、12の出力電圧を取得し、これらに基づいて上記手法によって直達成分、散乱成分および全天日射成分に対応する数値(電圧値)を求める。次にCPU51は、上記(1)式に基づく演算(感度常数の乗算等)を各成分について行う。それにより、可視域に関しての直達成分、散乱成分および全天日射成分が得られる。また、CPU51は、受光器15の出力電圧を取得し、これに基づいて上記手法によって直達成分、散乱成分および全天日射成分に対応する数値(電圧値)を求める。次にCPU51は、上記(1)式に基づく演算を各成分について行う。それにより、近赤外域に関しての直達成分、散乱成分および全天日射成分が得られる。また、CPU51は、可視域および近赤外域の各々に関する直達成分、散乱成分および全天日射成分をそれぞれ毎に足し合わせる。それにより、全波長域に関しての直達成分、散乱成分および全天日射成分が得られる。このように本実施形態によれば、3個の受光器11、12、15の各出力値を用いて、9種類の日射量(各波長域ごとの直達成分、散乱成分および全天日射成分)が容易に得られる。
ところで、上記した方法によって求めた可視直達日射量の垂直成分に基づき、太陽に正対した方向よりの日射量である可視直達日射量Fvis(D)は次の関係より求めることができる。
ここで、上記関係式におけるhは太陽高度角である。本実施形態では、この太陽高度角hについて、図9に示す測定データに基づいて算出した結果と、測定地点の緯度と測定時間(この場合は直達日射を遮蔽した瞬間)及び予め用意されている当日の赤緯の情報から算出される結果と、を比較して、両者の一致性により最終的に高度角hを決定する。例えば、CPU51は、両者の誤差を求め、当該誤差が所定値より小さければ、測定データに基づいて得られた高度角hが妥当なものと判断する。なお、図9のB点においては、シャドーバンド30が水平以下にある時に計測される全天日射量よりも僅かに少ない放射量が観測される。この減少量はシャドーバンド30によって天空の一部分が遮蔽されるためである。
まず、測定データに基づく場合の算出方法について説明する。CPU51は、シャドーバンド30を回転させる際に、制御ボックス32の制御部33が駆動モータ34に対して与えたパルス数のデータを制御部33から取得する。そして、CPU51は、水平から図9のB点までの間に相当するパルス数を計数し、この計数したパルス数に基づいて回転角度を求める。すなわち、シャドーバンド30が1パルスあたりどの程度回転するかは予め定まるので、CPU51は、この1パルスあたりの回転角度と、B点までに与えたパルス数とを乗算することにより、回転角度を求める。このようにして求められた回転角度が太陽高度角hとなる。
次に、当日の赤緯の情報等に基づく算出方法について説明する。この場合の太陽高度角hは例えば次式によって求められる。
ここで、hは上記のように太陽高度角である。δは赤緯であり測定日が決まれば理科年表等に基づいて定まる。θは測定地点の緯度である。ωは時角であり、正午がゼロ、午前中はプラスの値、午後はマイナスの値となる。一計算例を示すと、12月27日における赤緯δは-23.37度、東京(測定地点)の緯度θは35.68度、午前11時10分における時角ωは+13.5度であり、これを上記関係式に代入すると、太陽高度角はh=29.58度と算出される。
以上のようにして求めた太陽高度角hと、各受光器11、12の出力値とを上記(3)式に代入することにより、可視部における日射量(直達日射成分)であるFvis(D)が求められる。また、全波長域日射については式(2)と組合せる事により同様な関係が得られる。
次に、上記のようにして求めた可視直達日射量Fvis(D)を用いて、エーロゾルの光学的厚さを求める手法について説明する。
可視直達日射量Fvis(D)は、下記の式により表すことができる。
ここで、Rは地球太陽間距離(天文単位)、Iは大気外における波長λにおける放射量で既知の量である。mは大気路程である。このmと太陽高度hとの間には近似的にm=1/sin(h)の関係がある。積分範囲395〜695は可視部の波長範囲(単位:nm)を示す。なお、この波長範囲は一例であり、380〜780程度の範囲内(単位:nm)において適宜設定することができる。また、τλは大気の光学的厚さ(消散係数の鉛直積分値)である。
上記のτλは下記の要因よりなる。
ここで、τは空気分子の散乱による光学的厚さで、高度補正する事が可能で既知量として取り扱える。τはオゾンの吸収に因る光学的厚さで、場所的に大きな変動は少なく且つ極めて薄いので、TOMS等衛星から得られる月平均値で表現できる。τは水蒸気(可降水量)に起因する光学的厚さであり、可視部で顕著な吸収がないことから晴天時には無視する事ができる。そして、残るτがエーロゾルによる光学的厚さである。τ、τ、τ及びτの数値例を図10に示す。
エーロゾルの波長0.5μm(500nm)における光学的厚さβと消散係数τとの間には下記の関係(Angstromの関係)がある。
ここで、λは波長、αはエーロゾルの光学的厚さの波長依存性であり、過去のデータより0.5〜1.5程度の間で変動する事がわかっている。上記の(5)式の左辺は観測される可視域での直達日射量であり、右辺の未知数は、オゾン、気圧が既知であれば、式(7)のα及びβの2変数のみとなる。このことから、観測される可視域の直達日射量を利用してエーロゾルの光学的厚さβを推定することが可能となる。この時、αの値を変えながら得られるτの変動の幅を、推定されるエーロゾルの光学的厚さの推定誤差とする。具体的には、一定の予想される範囲のα及びβの値を仮定し、(5)式に基づき直達日射量(Fvis(α,β))を推算することができる。CPU51は、変数α及びβに対する(Fvis(α,β))から最小二乗法を用いた演算を行い、測定した直達日射量から最適の光学的厚さβを決定する。βは0.5μmでのエーロゾルの光学的厚さであり、かつエーロゾルの大気カラムでの総量に直結する物理量である。
以上に説明した、本実施形態の0.5μmにおけるエーロゾルの光学的厚さを求める手法の流れを図11に示す。処理の流れを概説すると以下の通りである。まず、CPU51は、各受光器11、12の出力(デジタルデータ)を制御ボックス32内の制御部33から取得する(ステップS10)。次に、CPU51は、受け取った各受光器11、12の出力に基づいて、可視直達日射量Fvis(D)を算出する(ステップS11)。算出方法の詳細は上述した通りである。その後、CPU51は、算出した可視直達日射量と上記の各関係式(5)〜(7)に基づいて、光学的厚さβを算出する(ステップS12)。算出方法の詳細は上述した通りである。
上記した本実施形態の手法により求められたエーロゾルの光学的厚さの妥当性を検証するために、波長別の直達日射量から光学的厚さの測定ができるサンフォトメータによる結果と比較した。その比較結果を図12に示す。それによると、本発明による結果はサンフォトメータを用いた測定結果とよい一致を示している。
次に、光合成有効放射量(PAR)及び照度について求める手法を説明する。PARおよび照度は、可視部の全天日射量そのものであり全エネルギーとして直接計測されるので、ホトン数や照度単位に変換するためには、この量に適切に変換係数を掛ければ容易に求めることができる。さらに精度よく求めるためには、求めた0.5μmにおけるエーロゾルによる大気の光学的厚さを用いて波長別に放射量を計算し、このスペクトル放射量にPARの作用曲線や照度に対する比視感度曲線を掛け合わせれば、正確にこれらを決定する事ができる。
具体的には、上記のようにτが各波長について決まるので、上記(5)式の右辺の積分する前の量、すなわち分光日射量φ(λ)が各波長について既知となる。すなわち、上述したように、βが決まると式(7)により各波長におけるτが決まる。よって式(6)によりτλが計算できる。mは計測されるので、各波長における分光日射量φ(λ)=(1/R2)×Iexp(−τλm)が計算できる。これに波長に対する特性曲線(比視感度曲線)を作用させ、単位変換のための常数Km(683lux/W・m2)をかければ照度が決まる。比視感度V(λ)の波長ごとの数値例を図13に示す。CPU51は、以下の計算式に基づいて照度Lを算出する。
また、ホトン数Nは以下の計算式に基づいてCPU51によって算出できる。
ここで、Nはホトン数、hはプランクの常数(6.626×10-34J・s)、cは光速度(2.998×108m/s)、λは波長(nm)、φ(λ)は分光日射量である。ここで、λ/hc=1/hνであり、νは振動数である。上記(9)式は、分光日射量を波長で重み付けし、波長λにおけるホトンとしてのエネルギーで割り(除算し)、ホトン数を積分すると光合成有効放射量(PAR、すなわち可視部の日射量)内におけるホトンの量となる。ただし、ホトン数Nは非常に大きい数となるので、実用的には、このホトン数Nを常数6.022×1017で除算した数n(=N/μE)を用いることもできる。ここで、μE=6.022×1017(マイクロアインシュタイン)であり、6.022×1023=1E(アボガドロ数)である。以上の演算はCPU51によって行われる。
次に、可降水量の測定法について説明する。水蒸気は、0.94μm(940nm)及び1.4μm(1400nm)前後の波長に顕著な吸収帯を持っている。これらの吸収帯は、本実施形態の日射センサー10に含まれる各受光器のうち、受光器12(Si+695)及び受光器15(InGaAs)の中心感度内にそれぞれ含まれている。よって、可降水量はこれら両者の計測量、すなわち695nm以上の直達日射量から、CPU51による演算によって決定することができる。すなわち、シャドーバンドを備えた受光器12及び受光器15の両センサーから得られる近赤外直達日射量は可降水量に第一義的に依存している。可降水量の測定フローを図14に示す。上述した(5)式及び(6)式をそれぞれの波長領域に適用すると、受光器12の出力からはこの領域の平均のτ+τが求められ、また受光器15の出力からは同様にτ(通常エーロゾルはこの領域でほとんど無視できる)が求められる。上記(6)式のτが既に決められており更にτ(光学的厚さ)も決まっているので、残るτが決定できる。この事は2種類の波長帯域においてそれぞれτが求まる事を意味する。このτは可降水量のみによる直達日射量の減衰量(すなわち光学的厚さ)である。一方、マイクロ波放射計(WVR-1100)を用いることにより、可降水量を直接計測することができるので、両者で大気を同時観測することにより検量線を作成できる。すなわち、τと可降水量の回帰係数を求めて検量線を作成することができる。
図14に示す可降水量の測定フローについて更に具体的に説明する。上述したように、分光日射量はφ(λ)=(1/R2)×Iexp(−τλm)と表される。ここで、大気の路程mは、太陽高度hに対して、m=1/sin(h)と表される。また、τλは、上記(6)式に示した通りに表される。その数値例は図10に示した通りである。ここでは、τ(オゾンによる光学的厚さ)とτ(空気分子による散乱)は既知として取り扱う。具体的には、τおよびτについては図10に示した数値を用いる。また、τ(エーロゾルによる光学的厚さ)については、上記(7)式に基づいて求められる数値を用いる。具体的には、上記のようにして求められた0.5μmでのエーロゾルの光学的厚さβと、それを求めた際のエーロゾルの光学的厚さの波長依存性αの各数値を(7)式に代入し、かつ、波長λを代入することにより、τが求められる。一方、τ(水蒸気による光学的厚さ)については、図10に示したのは代表的な数値であり、この数値を日射センサーの出力値に基づいて求める方法を以下に説明する。
上述した図10にも示したように、水蒸気による吸収は、0.7μm(700nm)より短波長域には存在せず、0.7μmより長い帯域で起こる(図15参照)。上述したように、光学フィルター14が装着された受光器12(Si+695)は概ね0.695μm〜1.1μmの間に感度帯を有し、受光器15は概ね0.9μm〜1.8μmの間に感度帯を有する。これらの感度帯の帯域においては、図15に示したように、0.94μmと1.1μm及び1.4μmを中心として水蒸気による吸収帯があり、かつ、可降水量に依存して吸収の深さが変わる。言い換えると、各々の帯域の日射量は可降水量に大きく依存することになる。
これを関係式で示すと、光学フィルター14が装着された受光器12(Si+695)については以下のようになる。
ここで、左辺は測定されるこの帯域での直達日射量、すなわち光学フィルター14が装着された受光器12の出力値に対して所定の感度常数を乗じ、太陽高度角hの正弦sin(h)で除算した値である。上述の(3)式も参照されたい。また、右辺のτは上述したように(7)式に基づいて決まる値であり、ここでは既知と扱う。また、τおよびτは前述したように既知である。したがって(10)式における未知数はτのみとなる。よって、受光器12の出力値と、既に求められたτ、既知のτおよびτのそれぞれの数値を用いて、CPU51が(10)式に基づく数値計算を行うことによりτが求められる。具体的には、未知数が1つであるので、例えば最小二乗法に基づく数値計算を行うことによって、この帯域(695〜1100nm)におけるτを求めることができる。
同様に、受光器15については以下の関係式で表される。
ここで、左辺は測定されるこの帯域での直達日射量、すなわち受光器15の出力値に対して所定の感度常数を乗じ、太陽高度角hの正弦sin(h)で除算した値である。上述の(3)式も参照されたい。右辺のτは上述したように(7)式に基づいて決まる値であり、ここでは既知として扱う。また、τおよびτは前述したように既知である。したがって(11)式における未知数はτのみとなる。よって、受光器15の出力値と、既に求められたτ、既知のτおよびτのそれぞれの数値を用いて、CPU51が(11)式に基づく数値計算を行うことによってτが求められる。具体的には、未知数が1つであるので、例えば最小二乗法に基づく数値計算を行うことにより、この帯域(900〜1800nm)におけるτを求めることができる。
ただし、(10)式、(11)式のそれぞれに基づいて求められた各帯域ごとのτは、水蒸気による光学的厚さであるが可降水量そのものではない。そこで、予め、これらの日射量を計測する際に、可降水量を直接計測できるマイクロ波放射計で決定し、両者の相関関係(検量線)をデータとしてROM52、RAM53又はHDD55に記憶させておく。ここでいう「データ」とは、各日射量に対する数値そのものであってもよいし、相関関係を表す関係式(例えば近似式)であってもよい。このように、予め求められた相関関係のデータ(数値又は関係式)を記憶手段としてのROM52等に記憶させておくことにより、本実施形態に係る日射計測システムのユーザは、高価なマイクロ波放射計を用いることなく、相関関係に基づいて、日射量測定より可降水量を求めることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、受光器(ホトダイオード)3個を組込んだ簡単な構成の日射センサーと回転シャドーバンドの組み合わせにより、直達、散乱、全天日射量及び各々の波長帯別(全波長、可視、近赤外)の日射量、PAR、照度、エーロゾルの光学的厚さ、可降水量を求めることができる。
また、受光器として応答速度の速いホトダイオードの採用により、30秒に一回の時間分解能の高い測定値が得られる。
更に、従来使用されていた熱型(熱電堆型)の日射計に本質的に付きまとった感度劣化を避けることが可能となり、長期間安定した測定結果を得ることができる。
また、装置(システム)全体の設置に必要な面積も狭く、かつ一般的な従来製品に比較して設置面積を約1/10程度に軽減できる。しかも、構造が簡易であるため保守も簡単である。
更に、直達日射成分を検出するときに、受光器の出力の微係数を利用する方法を採用することにより、シャドーバンドによる直達日射計測の測定精度を向上させる事ができる。
また、PARや照度をそれぞれに計測する専用センサーは実用化されているが各々の前記作用曲線に近似した光学フィルターを装着した製品で精度的に多少の不足があったが、本実施形態ではより精度の高い測定が実現化される。
なお、上記した実施形態においてコンピュータ50において行われていた演算処理を制御ボックス32で行うようにシステムを構成してもよい。
図1は、本発明を適用した一実施形態の日射センサー(日射計)の構成を示す模式断面図である。 図2は、日射センサー内における受光器の配置状態を示す模式平面図である。 図3は、各々の光学フィルターの透過特性に各受光器のスペクトル感度を掛け合わせたスペクトル特性を示す図である。 図4は、二種類の受光器の出力差により決まる可視部日射センサーのスペクトル特性を示す図である。 図5は、基準日射量と日射センサーの出力の関係を示す図である。 図6は、日射センサーとシャドーバンドを組み合わせたシステムの構成を示す模式図である。 図7は、シャドーバンドの回転軸方向に正対して見たとき(図6中のa方向から見たとき)の観測時のバンドの動作状況の一例を示す図である。 図8は、日射センサー及びシャドーバンドを含んで構成される計測システムの制御系統の構成を説明する図である。 図9は、直達日射の有無の判定方法と太陽高度の決定方法について説明する図である。 図10は、空気分子の散乱による光学的厚さτ、オゾンの吸収に因る光学的厚さτ、水蒸気に起因する光学的厚さτ、及びエーロゾルによる光学的厚さτの数値例を示す図である。 図11は、0.5μmにおけるエーロゾルの光学的厚さを求める手法の流れを示す図である。 図12は、本実施形態の手法により求められたエーロゾルの光学的厚さの妥当性を検証するために、波長別の直達日射量から光学的厚さの測定ができるサンフォトメータによる結果と比較した結果を示す図である。 図13は、比視感度V(λ)の波長ごとの数値例を示す図である。 図14は、可降水量の測定フローを示す図である。 図15は、水蒸気による吸収について説明する図である。
符号の説明
10 日射センサー
11 受光器
12 受光器
13 光学フィルター
14 光学フィルター
15 受光器
17 コネクタ部
18 筐体
19 台座
20 水準器
21 拡散板
30 シャドーバンド
31 駆動機構
32 制御ボックス
33 制御部
34 駆動モータ
50 コンピュータ
51 CPU
52 ROM
53 RAM
54 メディアドライブ
55 HDD(ハードディスクドライブ)
56 操作部
57 表示部

Claims (17)

  1. 可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、を含む日射センサーと、
    前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算する演算手段と、
    を備えることを特徴とする日射計測システム。
  2. 回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を一定の速度で回転させる制御手段と、を含むシャドーバンド装置を更に備え、
    前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中心に設置される、
    請求項1に記載の日射計測システム。
  3. 前記日射センサーは、近赤外範囲における受光感度が高い第3の受光器を更に含み、
    前記演算手段は、前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算し、当該減算結果に対して第1の感度常数を乗算し、かつ当該乗算結果と、前記第3の受光器の出力値に対して第2の感度常数を乗算した結果とを加算する、
    請求項1又は2のいずれかに記載の日射計測システム。
  4. 可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、を含む日射センサーと、
    回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を回転させる駆動手段と、を含むシャドーバンド装置と、
    を備え、
    前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中心に設置される、
    ことを特徴とする日射計測システム。
  5. 少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、請求項4に記載の日射計測システムから出力される前記第1及び第2の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
    前記演算手段に、
    (a)前記第1及び前記第2の受光器の各出力値を前記記憶手段に格納するステップ、
    (b)前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算するステップ、
    を実行させることを特徴とする、日射計測用のプログラム。
  6. 前記演算手段に、
    (c)前記ステップ(b)の演算結果に対し、所定の感度常数を乗算するステップ、
    を更に実行させることを特徴とする、請求項5に記載の日射計測用のプログラム
  7. 前記演算手段に、
    (d)前記第1及び第2の受光器の少なくとも一方の出力値の差分を算出するステップ、
    (e)前記ステップ(d)で算出した前記差分に基づいて、太陽光が遮蔽される際の前記帯体の回転角度を求め、当該回転角度に基づいて太陽高度角hを算出し、可視直達日射量を求めるステップ、
    を更に実行させることを特徴とする、請求項5又は6の何れかに記載の日射計測用のプログラム。
  8. 前記ステップ(e)は、前記差分の極大値と極小値の間に挟まれた中間点に対応する前記回転角度を前記太陽光が遮蔽される際の前記帯体の回転角度とする、
    ことを特徴とする、請求項7に記載の日射計測用のプログラム。
  9. 少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、請求項4に記載の日射計測システムから出力される前記第1及び第2の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
    前記演算手段に、
    (a)前記シャドーバンド装置の前記帯体が回転した際に得られた前記第1の受光器及び前記第2の受光器の各々の出力値を前記記憶手段に格納するステップ、
    (b)前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算し、当該減算結果に対して所定の感度常数を乗算するステップ、
    (c)前記ステップ(b)の演算結果を、太陽高度角hの正弦sin(h)で除算するステップ、
    の各々を実行させることによって可視直達日射量を計測する、日射計測用のプログラム。
  10. 前記演算手段に、
    (d)前記可視直達日射量Fvis(D)は、既知量である地球太陽間距離R、大気外における波長λにおける放射量(既知量)Iおよび大気路程mに対して下記計算式によって表され、
    大気の光学的厚さτλは、下記計算式によって表され、
    空気分子の散乱による光学的厚さτおよび、オゾンの吸収による光学的厚さτの各々は既知量として扱い、水蒸気に起因する光学的厚さτは無視できる量として扱うことができ、τは、エーロゾルの光学的厚さの波長依存性αと光学的厚さβとの関係式として下記のように表され、
    前記(5)式におけるτλの項に、τ、τ、及び前記(7)式によって表されたτのそれぞれを代入することにより、前記可視直達日射量Fvis(D)が前記αおよび前記βの2変数の関数として表されることに基づいて、
    前記可視直達日射量Fvis(D)の計測値に対して、前記αおよび前記βを可変に設定しながら最小二乗法による演算を行うことにより、前記可視直達日射量に対する前記光学的厚さβの値を算出するステップ、
    を更に実行させる、請求項10に記載の日射計測用のプログラム。
  11. 前記演算手段に、
    (e)前記ステップ(d)で算出された前記光学的厚さβを用い、前記(7)式に基づいて各波長におけるτを算出させるステップ、
    (f)前記ステップ(e)で算出された前記各波長におけるτを用い、前記(6)式に基づいて各波長におけるτλを算出するステップ、
    (g)前記ステップ(f)において算出されたτλを用い、分光日射量φ(λ)=(1/R2)×Iexp(−τλm)を算出するステップ、
    を更に実行させる、請求項10に記載の日射計測用のプログラム。
  12. (h)前記ステップ(g)における分光日射量φ(λ)と比視感度V(λ)との積を可視光範囲において積分し、当該積分結果に所定の常数Kを乗じることによって照度を算出するステップ、
    を更に実行させる、請求項11に記載の日射計測用のプログラム。
  13. (i)前記ステップ(g)における分光日射量φ(λ)と、λ/hc(ただし、hはプランク定数、cは光速度)との積を可視光範囲において積分することによってホトン数を算出するステップ、
    を更に実行させる、請求項11に記載の日射計測用のプログラム。
  14. 可視光範囲における受光感度が高い第1及び第2の受光器と、前記第1の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の下限側の第1の値を超える波長の光を通過させる第1の光学フィルターと、前記第2の受光器の受光面の上側に配置され、前記可視光範囲の上限側の第2の値を超える波長の光を通過させる第2の光学フィルターと、近赤外範囲における受光感度が高い第3の受光器と、を含む日射センサーと、
    回動自在に構成された所定幅の半円状の帯体と、前記帯体を回転させる駆動手段と、を含むシャドーバンド装置と、
    を備え、
    前記日射センサーが前記シャドーバンド装置の前記帯体の半円の中心に設置される、
    ことを特徴とする日射計測システム。
  15. 少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、請求項14に記載の日射計測システムから出力される前記第1乃至第3の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
    前記演算手段に、
    (a)前記第1乃至第3の受光器の各出力値を前記記憶手段に格納するステップ、
    (b)前記第2の受光器の出力値に対して前記第1の受光器と前記第2の受光器との感度差を補正する係数を乗算し、当該乗算結果を前記第1の受光器の出力値から減算するステップ、
    (c)前記ステップ(b)の演算結果に対し、第1の感度常数を乗算するステップ、
    (d)前記第3の受光器の出力値に対し、第2の感度常数を乗算するステップ、
    を実行させることを特徴とする、日射計測用のプログラム。
  16. 少なくとも演算手段及び記憶手段を含むコンピュータに、請求項14に記載の日射計測システムから出力される前記第1乃至第3の受光器の各出力値を用いた情報処理を行わせるためのプログラムであって、
    前記演算手段に、
    (a)前記シャドーバンド装置の前記帯体が回転した際に得られた前記第1の受光器乃至第3の受光器の各々の出力値を前記記憶手段に格納するステップ、
    (b)前記第2の受光器及び前記第3の受光器の各出力値に対してそれぞれ所定の感度常数を乗算するステップ、
    (c)前記ステップ(b)の各乗算結果を、それぞれ太陽高度角hの正弦sin(h)で除算するステップ、
    の各々を実行させることによって、近赤外、長波長側のそれぞれの帯域の直達日射量を計測し、
    (d)前記第2の受光器の出力値に対応する直達日射量φ(λ)は、既知量である大気外における波長λにおける放射量Iに対して下記関係式によって表され、
    空気分子の散乱による光学的厚さτ、オゾンの吸収による光学的厚さτ及びエーロゾルに起因する光学的厚さτの各々は既知量として扱い、前記(10)式に対してτ、τ及びτのそれぞれを代入することにより当該(10)式における未知数がτのみとなることに基づいて、前記(10)式の左辺に前記第2の受光器の出力値を代入し、前記(10)式の左辺においてτの値を可変に設定しながら最小二乗法による演算を行うことにより前記(10)式におけるτの最適値を算出するステップ、
    (e)前記第3の受光器の出力値に対応する直達日射量φ(λ)は、既知量である大気外における波長λにおける放射量Iに対して下記関係式によって表され、
    空気分子の散乱による光学的厚さτ、オゾンの吸収による光学的厚さτ及びエーロゾルに起因する光学的厚さτの各々は既知量として扱い、前記(11)式に対してτ、τ及びτのそれぞれを代入することにより当該(11)式における未知数がτのみとなることに基づいて、前記(11)式の左辺に前記第3の受光器の出力値を代入し、前記(11)式の左辺において前記τの値を可変に設定しながら最小二乗法による演算を行うことにより、前記(11)式におけるτの最適値を算出するステップ、
    を実行させる、日射計測用のプログラム。
  17. 前記演算手段に、
    (f)予め求められ、前記記憶手段に格納されている可降水量とτとの関係を示す検量線のデータを参照し、前記(10)式におけるτの、前記(11)式におけるτのそれぞれに対応する可降水量を求めるステップ、
    を更に実行させる、請求項16に記載の日射計測用のプログラム。
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