慶應義塾大学湘南藤沢キャンパス
授業概要（シラバス）
2006年度秋学期

地球環境観測　（増田　耕一）

2006年度秋学期　木曜日１時限
科目コード: 36270　／　2単位
カテゴリ: 23.専門-複合系科目(学部)

開講場所：SFC
授業形態：講義・演習/実習

1. 主題と目標/授業の手法など

人類が地球上で生きていくための知識として、地球環境の自然科学も重要である。科学は、事実を知ること(観察・観測)と、因果関係を考えること(理論・モデル)の両方から成り立っている。事実を知ることのうち、とくに定量的データを得る場合に「観測」という用語を使う。この講義では、地球環境のうちでも、特に大気圏と地表面でのエネルギーと水の循環(「地球システム論」の増田担当分の主題)に関する情報が、どのような観測によって得られたのかを見ていく。

観測には、大きく分けて現場観測と、人工衛星などを使った遠隔観測(リモート・センシング)がある。現場観測は、直接的だが、限られた位置での値しか得られない。遠隔観測は、広域を均一に覆うことができるが、得られる値は主として電磁波の強さであり、現場の数量に結びつけるには、現場観測や理論の助けを借りる必要がある。

大気圏の風や温度などの量に関しては、理論に基づく数値モデルが発達している。毎日の天気予報は、観測データから出発してモデルで数値計算することによって行なわれている。モデルは観測の欠けたところを補う推定の働きもしている。

以上の内容について講義をするとともに、実際の観測データを用意して、計算と作図の実習をしてもらう(CNS計算機を使う)。何回めを実習とするかは、下に仮の案を示してあるが変更するかもしれない。木曜日を休講にする回があるが、それに対応する補講は土曜日にし、内容は実習とする。

2. 教材・参考文献

全体を通じた教科書は使わない。部分的参考書として、とりあえず次のものをあげておく。

そのほか、講義およびwebページで紹介する。また、資料の一部はメディアセンターの指定書として置く。
今年度は教材内容を昨年度とは基本的には変えず、事情の変化や説明不足を感じたところについて改訂していく予定である。改訂ずみでない部分は昨年度の教材webページを残しておくので参照してほしい。

3. 授業計画

第1回 序論

科学的知識の特徴、科学を学ぶ意義、理論・モデルと観察・観測、定量的な変数に注目する意義、エネルギーと水の循環にかかわる主要な物理量、現場観測と遠隔観測。

第2回 地球観測データの流れ-天気予報と実験観測

気象観測から天気予報の情報が利用されるまでの流れを紹介する。(現場観測、衛星観測、全球気象通信網、数値予報、データ同化、予報情報の提供と利用。ただし第9,10回で扱う材料は概略だけ。) また、気象・水文実験観測について、プロジェクト「GAME」の概略を中心に紹介する。

第3回 データの扱いの実際的問題、実習の予告

地球観測データを実際に扱っているときに出会う問題点の例をあげる。データを扱ううえで、一定手続きによる機械的処理と、図化して人が目で見ることの両方が必要であることを述べる。それを実現する手段の例として、Unix系OS上で動作するAwk言語およびGMT (Generic Mapping Tools)というソフトウェア、およびそれを応用した教材例を紹介する。

第4回 気象・水文の現場観測

気温、湿度、降水量、風、河川流量、土壌水分、地下水などの現場観測の技術。それぞれ、どんな原理で働いているか、有効に使うにはどういう注意が必要か。

第5回 気象・水文現場観測のデータの実例(実習)

気象・水文実験観測プロジェクト「GAME」で得られた、タイを中心とする東南アジアのデータを例として、数値データを計算機上で図化してみる。

第6回 人工衛星による観測: 可視光線と赤外線によるもの

気象: 雲、風、気温、水蒸気量。

海洋: 海面水温など。

陸面: 植生の活性(葉緑素)など。

第7回 人工衛星による観測: マイクロ波放射計とレーダー

現在動いているTRMM(熱帯降雨観測)や計画中のGPM(全球降水観測)をはじめとするレーダー(能動型センサー)と放射計(受動型センサー)による降水、雲水量、水蒸気量、積雪、土壌水分などの観測。

第8回 リモートセンシングデータの実例(実習)

リモートセンシングデータを計算機上で図化してみる。現場観測データと組み合わせて、単独では得られない情報を得ることを試みる。(前回の現場観測データと対応する地域・時期のものを用意する予定。)

第9回 数値天気予報のしくみ

天気予報に使われる数値予報モデルは、大気が従う物理法則をなるべく忠実に(しかし、計算能力や観測精度の限界があるため妥協もして)再現したコンピュータプログラムである。

第10回 気象観測データの同化

数値天気予報の初期値は、観測データの空間内挿と、それ以前からの予報値を組み合わせて、誤差の期待値がなるべく小さくなるように作られる。このように観測とモデルを組み合わせるプロセスを、データ同化ともいう。

第11回 同化で得られたデータセットの実例(実習)

気象データ同化で得られた格子点型の数値データは、数値予報の初期値以外にも広く使われている。ここでは、前に見た観測データと同じ地域・時期について作られた同化データを計算機上で見てみる。

第12回 エネルギーと水の循環を知るための観測データの利用

全地球規模のエネルギーと水の循環に関する数量を集計するために直接使われるデータは、主に、同化で得られたものと、衛星観測値を編集したものである。しかし、それらは観測値としては間接的なものである。時空間分布は限られても、精密な現場観測を行なって、間接的な観測値を評価することが必要である。研究者はどんなことを考慮しているのかを話したい。

第13回 エネルギーと水の循環を知るためのデータ処理(実習)

これまでに紹介したデータを使って、エネルギーまたは水の循環に関する何かの数量を求める課題を設定して、実際にデータを処理してみる。

4. 提出課題・試験・成績評価の方法など

期末レポートのほか、中間レポートを2〜3回程度出題する予定。期末レポートでは、何か目的をもって観測データを処理した報告をしてもらいたい。レポートをあまり形式的に整える必要はないが、論述部分は文章になっていること、計算過程がわかる表現になっていることを、内容を評価する前提としたい。中間レポートは、講義の補助のためのものなので、長さは各回1枚程度とする。その成績評価は、答が正しいかではなく、授業に参加しているかどうかを見る。

5. 履修上の注意・その他

「地球システム論」で扱った気象学用語や一般物理用語については説明を省略することがあるので、「地球システム論」をとっていない人は、気象学の本(例、「一般気象学」)や、高校レベルの物理の本で自習しながら受講してほしい。

計算実習の教材はSFC CNSシステム上に用意するので、各自、CNSシステムの利用を開始し、Unixコマンドラインの基本的操作やテキスト(ASCII)ファイルの編集ができるようにしておいてほしい。プログラム言語としてはawkを使う予定だが、 FortranまたはCのプログラムを教員側で用意し、部分的に編集して使ってもらう可能性もある。

6. 前提となる知識（科目名等）

地球システム論(ただし履修登録上必須とはしない)

7. 履修者数制限（予定人数および制限方法）

履修人数を制限しない。

8. 授業URL

http://web.sfc.keio.ac.jp/~masudako/class/earthobs/

9. 学生が準備するソフト・機材

10. 授業に関する連絡先

2006-09-02 16:01:19

[2006年度「地球環境観測」教材目次ページへ] [日程へ] [「地球環境観測」教材トップページへ]