(大学院) 熱収支水収支特論

2023年度

(大学院) 熱収支水収支特論

2023年度 2学期火曜 2限 A401教室 (計算機実習の回はたぶん 3号館 3410号室)

地表面エネルギー収支の基本を理解し，その各項を気象観測データに基づいて計算する方法を身につけるとともに，その世界規模の空間分布と季節変化を見る。

9月 26日 (第1回) (A401教室) 序論、進めかたの相談
10月末まで (3410号室)
- エネルギー各項の地理的分布と季節変化の全球データセット (JRA-3Q) による作図
- 地表面エネルギー収支の基本 (教科書 1.8 などにより自習)
11月 7日臨時休み
11月 14日土曜日の授業日なので火曜日の授業なし
11月 21日 (3号館セミナー室)
- 大気境界層の風 (教科書 3章)
- 気温と地温 (教科書 4章)
11月 28日 (3号館セミナー室)
- 地表面エネルギー収支 (教科書 1.8 「熱輸送量の観測」) (増田)
- 気温と地温 (教科書 4章) つづき
12月 5, 12, 19日
- 顕熱・潜熱の乱流輸送、地中熱伝導、地表面の熱収支 (教科書 5章)
- (教科書のつづきを読むことは見送るが、計算の関連で参照するかもしれない。)
  - 太陽放射とその反射 (教科書 2.1-2.3)
  - 赤外放射 (教科書 2.4-2.8)
  - 土壌からの蒸発 (教科書 8章)
  - 植生からの蒸発 (教科書 7章)
12月26日、1月9, 16日
- 観測値にもとづくエネルギー収支項の計算

観測値にもとづくエネルギー収支項の計算

熊谷キャンパス露場での観測

渡来靖、丸本美紀、福岡義隆、中川清隆, 2010: 立正大学総合気象観測システムおよび放射・熱収支観測システムの拡充について。 地球環境, 12: 139-145.
中川清隆, 渡来靖, 福岡義隆, 2010: 埼玉県熊谷市南郊における冬季静穏快晴日の放射 4成分・地表面温度・気温の日変化の事例解析。 地球環境, 12: 77-84.
その図を [環境気象学概論「放射」] の教材ページにも引用。

データファイル (「放射・熱収支観測システム」の観測値)

2021年 9月末に渡来先生からいただいたファイル。 CSV形式で、2015年10月1日 10:40 JST から 2021年 9月29日 15:10 JST までの10分値。ファイル名 surface_TBL110.dat だった。

hamana に /raid/kumagaya_campus/obsdata/surface_TBL110_20151001_20210929.dat として置いた。

185715行め。レコード番号 187003 の不完全な内容に 187005 の完全な内容がつづいている。 187003 の不完全な内容をとりのぞいた。(とりのぞくまえのものを bak のついたファイル名で残した。)

それぞれの列が何をさすかは下にしめす head.txt を渡来ほか (2010) を参照して、みてほしい。 Avg は 10分平均値、Smp は瞬間値だろう。ただし、列見出しに不適切なものがある。たとえば、CNR_UP_S_Avg は、内容からみて下向き短波放射である。 (上を向いている放射計による観測値だからこうなったか?)

プログラム例

hamana の /home/masudako/ex/kumagaya_campus/ に置いた。

readhead.py ... CSVファイルの最初の4行 (4行めは最初の観測値データ) を読み、書き出す。結果は head.txt 。
readsel1.py ... pandas のデータフレーム (df) に読みこむ。 (上記の不完全なレコードを修正しないとエラーになった。)
readsel2.py ... 対象とする日時の範囲 (dfの行) を限定する。
readsel3.py ... さらに、観測項目 (dfの列) を限定する。(ひとまず放射だけにした。) 結果を CSV ファイル readsel3out.csv に書き出す。
graphsel3.py ... readsel3out.csv を読み、放射4成分の時系列グラフをかく。
graphsel3x.py ... グラフを2段にして、下に地表面アルベドのグラフをかく。結果を画像ファイル (例、graphsel3x20151001.png) に書き出す。

やってみてほしいこと

(作業場所は hamana (Linux) でもパソコンでもよい。ただし、つくったプログラムは hamana でも (データを置くディレクトリ名だけの修正で) 動作することがのぞましい。)
いろいろな季節や総観的状況のもとでのエネルギー収支各項をみる。
地表面温度をみる。上向き長波放射を地表面温度の黒体放射とくらべる。
気温、湿度、風速をみる。湿度は相対湿度であたえられているが、比湿を計算してみる。
傾度法またはバルク法で、顕熱・潜熱フラックスを計算してみる。
土壌の物理パラメータにありそうな値をあたえて、地中熱伝導フラックスを計算してみる。

3号館1階のモニター画面に表示されているもの [2023-12-27 補足]

放射4成分 CNR_UP_S_Avg, CNR_DN_S_Avg, CNR_UP_LC_Avg, CNR_DN_LC_Avg
気温 Ta_Avg(2) [15 cm]、Ta_Avg(3) [90 cm] ←【要確認 [2024-01-09]】
地表面温度 (赤外放射温度計) IRT_Avg(1)
地温 Ts_Avg(5) [2 cm], Ts_Avg(6) [5 cm], Ts_Avg(7) [10 cm], Ts_Avg(8) [30 cm]
土壌水分 [%] SWC_per(3) [5 cm], SWC_per(4) [20 cm]
風速 Wind_Spd_WVc(1), 風向 Wind_Spd_WVc(2)

【[2024-01-10] このほかに相対湿度 Rh_Avg をつかう。気温 Ta_Avg と同じ番号が同じ場所と思われる。】

気温・湿度の観測位置の確認のこころみ [2024-01-15]

readselta.py ... Ta 4列と Rh 4列をとりだす
readseltaout.csv ... とりだされた数値のCSVファイル
graphta.py ... Ta と Rh のグラフをつくる。凡例がまだないが、red, green, blue, grey の順。
graphta20151001.png ... Ta と Rh のグラフ。

グラフをみると青だけが一定方向にずれているので、(3) が高さ 90 cm、 (1) (2) (4) が 15 cm での観測と推測される。

計算するものと、その方法の案 [2024-01-16]

顕熱フラックス H
- バルク式教科書 5.2節 142ページ (5.7) 式による。
- 気温 T は観測値
- 地表面温度 T_S も観測値 (放射温度計)
- バルク係数 C_H U (この教科書では C_H かける U とわけずに一体で考えている) は 143ページ表 5.1 から
- 風速 U の観測された高さ (2.4 m) からバルク係数でつかう高さへの変換は (5.10)式 (対数プロファイルを仮定)、粗度は 90ページ表3.1を参照
  - 今日のところは観測された風速をそのままつかってみよう。
- 空気の密度 ρ は気温と気圧から計算。気圧は (「総合気象観測システム」の観測値が使えると思うが) ひとまず一定値でよい。
- 空気の定圧比熱容量 c_p は乾燥大気に対するもの (一定値) としてよい
潜熱フラックス L E
- バルク式 142ページ (5.8) 式。この本の定式化では顕熱と共通の C_H U をつかっている。
- 比湿は、気温から飽和水蒸気圧を計算、相対湿度をかけて実際の水蒸気圧にする。気圧 (ひとまず一定値でよい) をあたえて、圧力の比 (分子数の比) から質量比に換算。
  - 参考: [(気候・気象学) 水の相変化、大気中の水蒸気] のページでしめした qsat2.py に、2つの近似式による計算をしめした。 Tetens の式のほうがよいだろう。ただし、このプログラムの Tetens の式は、佐藤『基礎から学ぶ気象学』の本にあわせて温度目盛りが K であるばあいの式になっている。 esat_ice.py のほうで、Tetens (1930) に忠実な ℃ 目盛りの温度による式をつかっている。
- 地表面の飽和比湿は、地表面温度から飽和水蒸気圧を計算、気圧をあたえて比湿に換算する。
- 蒸発効率 (地表湿潤度) βの値はいくつか仮定してみる。
- 水の質量あたりの蒸発の潜熱 L (教科書では ι) は定数としてよい
地中熱伝導 G
- (a) 地温の鉛直勾配から熱伝導フラックスを計算。熱伝導率 λ_G は 115ページ表4.1 参照。
- (b) 地温 (多数の深さ) から地中熱貯蔵量を計算、その時間変化からもとめる。密度 ρ_G と比熱容量 c_G の積は表4.1 参照。
正味放射 R_net = R_S^↓ - R_S^↑ + R_L^↓ - R_L^↑
収支式の残差 residual = R_net - H - L E - G

補足 [2024-01-16]

単位換算などに注意

hPa と Pa
℃ と K
空気に対する気体定数と普遍気体定数

教科書

近藤純正, 2000: 『地表面に近い大気の科学』。東京大学出版会, 324 pp. ISBN 4-13-062707-4. [読書ノート] [くわしい目次] [付録 D のプログラムの Python訳] [付録 D, E, F のプログラムの Fortran訳 (アクセス制限あり)]

参考書

松山洋、増田耕一編, 2021: 『大気と水の循環』。朝倉書店, 136 pp. ISBN 978-4-254-16076-5. [読書メモ] [第5章地表面のエネルギー収支と海陸分布がもたらす気候の特徴]
近藤純正編著, 1994: 『水環境の気象学 -- 地表面の水収支・熱収支』。朝倉書店, 368 pp. ISBN 978-4-254-16110-6. [読書メモ (2024-01-10)]
近藤純正, 2023: 『身近な気象のふしぎ』。東京大学出版会, 186 pp. ISBN 978-4-13-063719-0. [読書メモ]
エム・イ・ブディコ [Budyko] 著, 内嶋善兵衛, 岩切敏 [さとし] 訳, 1973: 『気候と生命 (上・下)』。東京大学出版会, 上巻 246 pp., 合計 488 pp. [読書メモ]
Dennis L. Hartmann, (1994), 2016: Global Physical Climatology, Second Edition. Elsevier, 485 pp. ISBN 978-0-12-328531-7. [読書メモ] [初版の読書ノート] [初版の日本語訳稿 (アクセス制限あり)]