水文・地上気象の現場観測の技術

温度の観測

センサー
- 管の中の液体(体積の変化を長さとして読む)
- バイメタル(体積の変化を変形として読む)
- 電気抵抗(金属:白金など、半導体=サーミスタ)
- 熱電対(二つの金属などの接触点の電圧が温度に依存)
- 静電容量センサー
- (超)音波(速度から温度を決める。短時間の変化がわかるので渦相関向き)
気温の測定で注意すること
- 温度計に直接太陽放射をあてない
- 風を通す(まわりと空気を交換する)
  - 百葉箱
  - 強制通風(例、アスマン式通風温度計)
地面温度の測定で注意すること
- 代表性のある温度をはかることがむずかしい。
- (裸地の場合)温度計のエネルギー収支を考えて測定値から換算するとよい。
水面温度(海面水温)
- 放射(赤外線)ではかる ... 表皮温度(skin temperature, mmの桁の厚さ)
- くみ上げてはかる ... 1 m 程度の深さまでの平均的温度
- 船の冷却水取り入れ口ではかる ... 深さ数mの温度

放射・電磁波とは [気候システム論: 電磁波(放射)]参照
測定対象となるおもな量: エネルギーフラックス密度 (面積あたり・時間あたりのエネルギー、SI単位はW/m²)
センサー
- エネルギーを受けた物体の温度変化をはかる
- 光電効果によって電流に変換する(波長依存性あり)
波長の選択
- 日射計 (太陽放射の波長帯を選択): ガラスドーム
- 全波長放射計: 多くはポリエチレンドーム、乾燥させた空気を循環させる。ドームを使わないものもある。
- 長波放射計 (地球放射の波長帯を選択): 太陽放射を通さない特殊な物質のドーム
方向の選択
- 全天日射計: 全方向からの入射を受ける(ふつう水平面で受ける)
- 直達日射計: 太陽の方向だけを見る
- 散乱日射計: 太陽の方向をさえぎる
放射に関係のある他の変数
- 日照時間 ... 直達日射がある値以上届いている時間の合計。ただし厳密な意味は観測機器に依存する。紙をこがす方式、感光紙、半導体光電センサーなどによって観測されている。日射計よりも保守が簡単なので観測地点が多い。

降水量は本来面積あたり・時間あたりに地上に達する液体または固体の水の質量だが、液体の水の密度を一定とみなして面積あたりの体積つまり長さの単位mmで示すのがふつうである。対象とした時間を明示することが必要。
降水量の地上観測の機器は雨量計と呼ばれる。大きくわけて容量(ここでは電気容量ではなく体積をさす)型、重量型、転倒ます型がある。手動の観測では容量型、自動観測では転倒ます型(データがディジタルで得られる)が使われることが多い。
特に雪に関しては、雨量計の系統誤差(取りこぼし)の問題がある。
- 風の効果 ... 特に雪をつかまえそこなう
- 雨量計からの蒸発
- 雨量計の壁をぬらすだけで測定にかからない分
流域の総降水量の見積もりに関しては、代表性の問題がある。
- 降水のスケールは気象現象のうちでも細かい
- 降水量の標高依存性 (多くの場合、観測点は谷に偏るが、山のほうが雨が多い)
- 降水量の斜面方向依存性 (その地域の特性)

現業観測ではパン(pan)蒸発量の観測が多いが、これは水を入れた容器からの蒸発で、陸面からの蒸発を直接は代表しない。
ライシメータ(lysimeter): 土の一部を切り出してその重さの変化をはかる。植生もなるべくまわりと同じにする。たとえば筑波大学陸域環境研究センター (http://www.suiri.tsukuba.ac.jp)の草地にある。
渦相関法: 超音波風速計と光吸収水蒸気計を使い、鉛直の水蒸気輸送を 0.1秒程度の時間分解能ではかって集計する。精密機器であり電源も必要。超音波風速計では温度も同時に測るので、顕熱フラックスも求められる。
傾度法: 複数の高さ(タワーを使うことが多い)で風速と水蒸気量をはかり、乱流理論にもとづいた半経験式で水蒸気輸送を計算する。同様に複数の高さの気温を使って顕熱フラックスも求められる。
熱収支法: 地表面での下向き・上向き放射と地中への熱伝導を直接観測または他の変数からの推定で求め、熱収支式から蒸発の潜熱フラックスと顕熱フラックスの合計を求める。潜熱・顕熱の配分は傾度法の考え方を使うのがふつう。
水収支法: 流域の降水量と河川への流出量の差から求める。流域陸水貯留量変化と地下水流出が無視できるか独立に見積もれることが前提。

小さい川では、断面がわかった形の人工的なせきに水を誘導して水位をはかり、理論的な計算で流量を求めることもある。
大きい川では、船によって横断しながら、流速計を入れていろいろな深さの流速をはかり、流速を断面で積分計算して流量を求める。ただしこのような観測は日常的にはできないので、流量と同時に水位も観測して経験式を作り、ふだんは水位を観測して、経験式で流量に換算する。

土壌水分量の測定
- 重量法 ...炉で水を蒸発させて重さをはかる。(破壊的)
- 中性子probe...水素原子にぶつかって遅くなって返ってきた中性子を数える。 (放射線源管理が必要なので無人観測では使えない。)
- 静電容量probeおよびtime domain reflectometry (TDR)。
  - 土壌の誘電率はおもに水分による。
  - 静電容量の比は誘電率の比を反映する。
  - 電磁気パルスが伝わる速度は誘電率が大きいほど遅い。
土壌水張力(毛管力ポテンシャル)の測定
- porous pot tensiometer: 水を入れた多孔質のいれものを土壌に埋め、いれもの内の圧力をはかる。
- 石膏ブロック (非常に乾燥した状況むけ)

2004-10-21, 2005-10-13, 2006-11-02, 2007-10-08, 2009-04-03
増田耕一 (2001-2006年度環境情報学部非常勤講師)