2021年度の「環境気象学アドバンスト」の増田担当分は、 計算機 (パソコン) をつかった演習で、 大気と地表面のエネルギー収支 (熱収支) [注] にかかわる 主要な数量の地理的分布や季節変化を図にしてみることにします。
大気と地表面のエネルギー収支にどんな項目があるかについては、まず、 「気候・気象学」の授業でつかった [0次元的に見た大気と地表面のエネルギー収支] または、環境システム学科の教科書『環境のサイエンスを学ぼう』の 図4.4-1「地球のエネルギー収支」を見てください。 ただし、そこにしめされているのは、全球を緯度・経度にわけないで平均し、 時間についても年平均した数量です。
ここでは、それぞれの項目の量が、世界のうちでどのような空間分布をしているか、 また、年のうちでどのような季節変化をしているかを見ることにします。
ここでは、世界全体を覆う格子点データの、 平年値、あるいはそれに準じた多数年の平均値で、時間分解能が「月」のものをあつかいます。 地表面のエネルギー収支にかんする量の観測はあらゆる地点でおこなわれているわけではないので、 世界を覆う格子点データは、統計的空間内挿か、衛星観測からの推定か、 観測と予報モデルを併用した「データ同化」によるものです。 なまの観測値でないことへの不満はありますが、 ひとまず定評のある格子点データにもとづいて見てみることにします。 時間による変化は、日変化、毎日の天気の変化、季節内変動、年々変動などもあるのですが、 まず、年平均の状態と、季節変化とを、おおまかにおさえることを目標とします。
地表面のエネルギー収支の概略については、 ひとまず、松山・増田 (2021) 『大気と水の循環』 [読書メモ] の第5章をみてください。(アドバンスト受講生用の本はこちらで用意します。)
データとして何をつかうかは考慮中ですが、 すくなくとも、データ同化技術による「再解析」データのひとつである「JRA-55」をふくめます。 JRA-55 のウェブサイトは https://jra.kishou.go.jp/JRA-55/index_ja.html です。 このサイトには「JRA-55 アトラス」というコンテンツがあって、 1981-2010年の平年値にもとづくいろいろな気象要素の分布図をつくってみることができます。 これは参考になり、それをみれば用がたりることもありますが、 もうすこし自在に分布をみられるようにしたいのです。
再解析については、『大気と水の循環』の第12章に、 気象庁の JRA-55 のチームのメンバーであった 宮岡 健吾さんによる解説がありますが、 2年生にはむずかしいかと思います。 入口としては、増田によるブログ記事 [再解析] (2016-05-18) を見てください。
道具としては、Python と そのライブラリ matplotlib, Cartopy をおもにつかいます。 前期に セミナーB, F, G 合同であつかったうちの [格子点型の気象データ (JRA-55 海面気圧) の地図上表示] をふまえて、そこからさきに進みます。 はじめの数回は、前期のつづきで Linux にログインして作業し、 授業用パソコンが用意できたら、その上での作業にうつる予定です。
授業の時間は、 10月14日から木曜4限、場所は3号館4階の研究室 3410 号室を予定しています。 ただし、変更するかもしれません。各回、次回の日程をうちあわせましょう。 また、メールでの連絡に注意してください。
わたしは「エネルギー収支」ということばを使いたいです。 物理の基本的法則である「エネルギー保存則」(熱力学の第一法則)によって、 エネルギーは不生不滅な量なので、 エネルギーのたまりの量の変化は、エネルギーの流れにより、ほかの原因にはよりません。 そこで、エネルギーのたまりの量の変化と、エネルギーの流れの量のどちらかがわかれば、 他方の値を、収支計算によって得ることができるのです。
かつて、「熱量」がこのような保存則をみたすと考えられたことがありました。 「熱収支」という表現は、その考えのなごりだと思います。 熱力学の第一法則・第二法則が確立してからは、 「熱」は「仕事」とならんで、エネルギーの伝達の形である、という認識になりました。 熱のたまりの量を想定することは、物理のたちばでは、不正確な表現なのです。 しかし、現実に「熱収支」ということばはつかわれています。 おおまかにいえば、エネルギーのたまりのうちで、 運動エネルギーのたまりの大きさが相対的にちいさく、無視できるばあいに、 「エネルギー」を「熱量」と呼んでしまう、と思えばよさそうです。