高層大気の気象要素（風、気温、湿度等）を観測する手法には複数のアプローチが存在しますが、気象予報士試験において重要となるのは、飛翔体による直接観測である「ラジオゾンデ観測」と、地上からのリモートセンシング技術である「ウィンドプロファイラ（WINDAS）」の2方式です。これらの測定方法や特徴、注意点についてよく覚えておいてください。
このページでは、各観測システムの物理的な測定原理、運用体制、および得られるデータの特性について解説します。
1. ラジオゾンデ観測（GPSゾンデ）
測器を懸垂した気球を飛揚させ、大気中を上昇しながら気象要素を直接測定する、世界気象機関（WMO）が推奨する最も標準的な高層気象観測手法です。
1-1 原理と構成機器
- 飛揚気球： ヘリウム等を充填したゴム製気球。外気圧の低下に伴って体積が膨張し、高度約30km（成層圏中部）において限界に達し破裂・落下します。
- 搭載センサー： サーミスタ等の温度計、および静電容量式等の湿度計を搭載し、大気と直接接触して測定を行います。
- 測位および風向風速の算出（GPS方式）： GNSS（全地球測位システム）からの信号を受信し、気球の3次元的な位置座標の時間変化から、高度および高層風（水平風向・風速）を算出します。
- 観測要素： 気圧、気温、湿度、風向・風速、高度。（※気圧センサーを搭載せず、GPS測位による高度と地上の初期値から、静水圧平衡の式を用いて上空の気圧を逆算する方式のGPSゾンデも広く運用されています。）
1-2 観測体制と運用規定
- 観測地点： 日本国内の気象官署16か所、および南極・昭和基地。（※仙台など一部の地点では自動放球装置によって運用されています。）
- 観測頻度： 協定世界時（UTC）の00時および12時（日本標準時・JSTの09時および21時）の、1日定時2回。
- 臨時観測： 台風等のシビアストーム接近時や特定現象の監視を目的として、日本時間の03時や15時（UTC）に臨時観測が実施される場合があります。
- 飛翔特性： 上昇速度は毎秒約5〜6mであり、放球から成層圏での破裂までに約90分を要します。
1-3 報告されるデータ種別
高層天気図の作成や大気熱力学解析のために、以下の2種類のデータが抽出・報告されます。
- 指定気圧面（Standard Isobaric Surfaces）：
1000, 925, 850, 700, 500, 300, 200hPaなど、国際的に規定された特定の等圧面における観測値。高層天気図の作図における基本データとなります。 - 特異点（Significant Levels）：
気温の逆転層や圏界面、湿度の急変層、風速の極大層など、気象要素の鉛直プロファイルにおいて「変曲点」となる高度のデータ。エマグラム（熱力学図）上に大気の鉛直構造を正確に再現・補間するために極めて重要です。
1-4 解析上の注意点（ドリフトと高度定義）
- 測器の漂流（ドリフト）：
気球は飛揚中の風系（特に冬季の強い偏西風）によって水平方向に流されるため、上空で取得されたデータは「放球地点の鉛直真上」の大気状態を示すものではありません。 - 高度の定義：
高層気象観測においては、GPS測位に基づく幾何学的な距離である「幾何高度（m）」と、重力加速度の高度変化を考慮した仕事量に基づく「ジオポテンシャル高度（gpm）」が厳密に使い分けられます（高層天気図上の等高線はジオポテンシャル高度で描画されます）。
2. ウィンドプロファイラ（WINDAS）
地上から鉛直上方へ向けて電波を発射し、大気による散乱波を受信することで、上空の風系を連続的に観測するリモートセンシングシステムです。
2-1 ドップラー効果を用いた測定原理
- 観測機構： 上空へ向けて極超短波（1.3GHz帯）を照射し、大気中の屈折率の微小な不均一（大気乱流）や降水粒子によって生じる後方散乱波を受信します。
- ドップラーシフトの応用： 散乱体が風に乗って移動している場合、反射波の周波数に変位（ドップラー効果）が生じます。天頂および周囲の複数方向へビームを照射し、各方向の視線速度（近づく/遠ざかる）を合成することで、風の水平成分（風向・風速）および鉛直成分（上昇・下降気流）を三次元的に算出します。
- 観測要素： 風向、風速、鉛直気流のみ。温度や湿度の熱力学的な測定は原理的に不可能です。
2-2 観測体制とデータ特性
- 観測地点： 全国33か所の局地気象監視システム（WINDAS）。
- 観測頻度： 連続運用により、10分ごとの高時間分解能な時系列データを生成・配信します。
- 測定範囲： 地上付近から上空約8km〜12km（対流圏内）まで。大気の散乱条件（乱流の強度等）に依存するため、成層圏の観測は困難です。
2-3 特徴と観測上の弱点
- 鉛直分解能の切り替え： 高度帯に応じて電波のパルス幅を切り替え、下層では高分解能（約300m間隔）、上層では低分解能（粗い間隔）で観測を行います。
- 強降水時の誤差： 激しい降水を伴う場合、大気乱流からの散乱波よりも「降水粒子からの散乱波」が優越してしまいます。この際、降水粒子の終端落下速度を強い下降気流として誤観測するリスクがあるため、品質管理プロセスによる補正やデータの棄却が行われます。
3. その他の高層気象観測
試験において、上記2システムと併せて出題される衛星および航空機による観測技術です。
3-1 気象衛星観測（ひまわり等）
- 大気移動ベクトル（AMV / サテライト・ウィンド）：
連続して撮影された衛星画像から、雲塊や水蒸気パターンの移動軌跡を画像解析によって追跡し、その特定高度における風向風速を推計する技術です。海洋上など観測所が存在しない空白域のデータ補完として極めて有用です。 - 鉛直サウンディング（サウンダ）：
特定波長の赤外放射の吸収特性（輝度温度）を解析することで、大気の鉛直方向における気温・湿度のプロファイルを推定します。
3-2 航空機観測（AMDAR / AIREP）
- 概要と特徴：
民間の定期旅客機に搭載された気象測器からの自動報告データです。離発着時（空港周辺）においては詳細な「鉛直プロファイル」が、巡航高度（高度10km付近の対流圏上部〜成層圏下部）においては高密度な「水平プロファイル」が得られます。 - 弱点：
民間航空機の飛行ルート（航空路）上のみに限られる空間的偏在性と、運航便数が減少する夜間にはデータが激減するという時間的偏在性を持ちます。
4. 【必修】学科試験のチェックポイント（比較まとめ）
ラジオゾンデとウィンドプロファイラの対比は、試験において最も頻出するテーマです。以下のシステム特性の違いを完全に把握しておきましょう。
| 比較項目 | ラジオゾンデ観測（GPSゾンデ） | ウィンドプロファイラ（WINDAS） |
|---|---|---|
| 観測方式 | 飛翔体による直接観測 | 電波によるリモートセンシング |
| 主な測定要素 | 気圧・気温・湿度・風 | 風（水平・鉛直成分）のみ |
| 観測頻度 | 1日2回（定時：09時, 21時JST） | 常時（10分ごと） |
| 到達・観測高度 | 約30km（成層圏中部まで） | 約8〜12km（対流圏内に限定） |
| 観測地点数 | 全国16地点（＋昭和基地） | 全国33地点 |
| 運用の課題・弱点 | 時間的・空間的な観測密度が低い | 熱力学要素が不明、強降水時に誤差が生じやすい |