(大学院) 熱収支水収支特論
1学期 月曜2限 4月14日から
このウェブページは http://macroscope.world.coocan.jp/ja/edu/ris/energy_balance/ です。
2025年度の授業予定
- 地表面エネルギー収支の概念を学ぶ (松山・増田 (2021) 第5章)
- 世界の地表面エネルギー収支・水収支各項の地理的分布や季節変化をみる。例、JRA3Q または JRA55 再解析
- 地表面エネルギー収支・水収支の基本と、エネルギー収支項を地上気象観測値からもとめる方法を学ぶ。
近藤 (1994) 『水環境の気象学』 または 近藤 (2000) 『地表面に近い大気の科学』 のその関連の部分を読む。
- 地上気象観測値から地表面エネルギー収支項を計算してみる。例、熊谷キャンパスでの観測値による。
おおまかには2024年度と同様です。
くわしい内容や日程などは、受講生との相談で変えていきます。
- 第1回 4月14日(月) 2限 (10:55から)、1号館 1306
- この授業の予定
- 地表面エネルギー収支の基本
- Linux マシン hamana にユーザー登録
- 課題: 松山・増田 第5章を読む
- 第2回 4月21日(月) 2限 3号館 3410
- 地表面エネルギー収支の基本 つづき
- 世界の地表面熱収支各項 (月ごとの平年値) の分布 (再解析データによる)
- 「再解析データ」
- まず、(データが旧版だが)「JRA-55アトラス」(1981-2010 平年値) の図を見る。
- [気象庁 「JRA-55 アトラス」]
- 表示は「カラー1」「カラー2」「白黒」を選択可能、画像ファイルまたは数字テキストファイルをダウンロード可能
- 地表面および大気上端の気候値
- 地表面における正味の熱フラックス ... G (陸では地中熱伝導)
- 地表面顕熱フラックス ... H
- 地表面潜熱フラックス ... L E
- 地表面における下向き太陽放射 ... RS↓
- 地表面における下向き長波放射 ... RL↓
- 地表面における正味の太陽放射 ... RS↓ - RS↑
- 地表面における正味の長波放射 ... RL↓ - RL↑
- 地表面の気候値 ... 気温 (地上 2 m)、降水量、風 (地上 10 m でのベクトル平均風) などがある。
- JRA-3Q の平年値 (1991-2020) を、Linux 上の Python で作図してみる。(次回につづく。)
- hamana の /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/ に例文がある。
- これまでに用意したプログラム
- 1地点の季節変化の折れ線グラフ
- graph_srb1.py ... 地表面の放射4成分
- graph_seb1.py ... 地表面エネルギー収支項 Rnet, H, LE, G
- (水収支項 準備中)
- 各月の平年値の空間分布の地図表示
- map_psl.py ... 海面気圧。エネルギー収支項への変更はあとで説明する。
- 作業手順の例
- cp -r /home/masudako/ex/jra3q_clim9120
- mkdir image (一度だけ、画像ファイルがつくられる場所を確保しておく)
- cd jra3q_clim9120
- (ここからプログラムのファイル名や内容をかえてくりかえす)
- emacs graph_seb1.py (編集する)
- python graph_seb1.py
- ls ../image
- display image/seb40.00N110.00E.png (例)
- 変更すべきところ (graphのプログラムについて)
- ほしい緯度経度 plon, plat に代入する値
- 図を画像ファイルに保存するか (savefig=True)、画面表示か (savefig=False)
- 凡例をかく縦軸上の位置 ypos, dypos に代入する値
- 第3回 4月28日(月) 2限 3号館 3410
- 画面表示用のコマンドについて [display と animate]
- JRA-3Q の平年値 (1991-2020) を、Linux 上の Python で作図してみる。(つづき。さらに次回につづく。)
- 例文プログラムを修正したので、コピーしなおしてください。
- cd jra3q_clim9120
- cp /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/map_psl.py . 【スペース ピリオド】
- 月ごとの地表面エネルギー収支各項の地理的分布を作図する。map_psl.py のプログラムを、つぎのところを変更して実行する。
- プログラムファイル名は、気象要素名略号 (増田が便宜上きめたもの) をつかって、map_rsdown.py のようにつけよう。
- 気象要素名略号は、[JRA-3Q の 平年値 (1991-2020) の月平均値のデータ] のページの表中の「ファイル名中の略号」。
- rsdown, rsup, rldown, rlup, shf, lhf。
- 図を画像ファイルに保存するか (savefig=True)、画面表示か (savefig=False)。
- 読まれるファイルが置かれたところ (datapath)。例文は気圧なので「surf125」となっているところを、
エネルギー収支項では「phy2m125」と変更。
- 「バイナリデータを読む」ところで、「psl」(海面気圧) を「rsdown」(下向き短波放射) に変更。
さらに、順次、見たい気象要素名略号に変更していく。
- データを読んだあとの単位換算。
pslは気圧なので Pa → hPa の換算のために 100 でわっているが、他の気象要素ではこの操作をやめる。
(気象要素によってはそれに即した換算をする。たとえば気温ならば K → ℃の換算のために 273.15 をひく。)
- 「等値線によってぬりわける」のところで、配列 levels (および colors) の内容。
【ここは、各気象要素ごとに数値の見当をつけたうえで、試行錯誤する。】
- (cmap.set_under, cmap.set_over が無効になっているようであり、
対策として levels, colors を上下にひろげているので) mappable = の行の「extend='both',」をとりやめる。
- 「カラーバーをかく」の cb.set_label で 単位の文字列を変更。'hPa' を 'W/m2' とする。【'W/m$^2$'として上つきがでるならばそうしたいが、未確認。】
- 「タイトルをかく」の stitle に代入する文字列の 'Sea level pressure' を変更。
表の「Item」の列を参照。長すぎるときは省略形をくふうする。
- 「図を画像ファイルに保存」の imagefilename の psl の部分を変更 (気象要素名略号にあわせるとよい)。
- 表示する緯度経度範囲をかぎって図を拡大したいばあいは、ax.set_extent のコメントをはずし、
図の左端、右端、下端、上端の経度・緯度の数値を書きかえる。
- 地表面の太陽放射反射率 (Surface albedo) alphas = rsup / rsdown を作図してみる。
(分母ゼロの対策が必要。)
2つのファイルを読み、演算してから作図する。
- 地表面の正味放射 (Net radiation) rnet = rsdown - rsup + rldown - rlup を作図してみる。
4つのファイルを読み、演算してから作図する。
- 地表面エネルギー収支の G の項 (陸では地中熱伝導) (暫定的に Ground heat flux とよぶ) ghf = rnet - shf - lhf
を作図してみる。
6つのファイルを読み、演算してから作図する。
- 「ボーエン比」(Bowen ratio) bowenr = shf / lhf を作図してみる。
(分母ゼロの対策が必要。)
2つのファイルを読み、演算してから作図する。
- 第4回 5月12日(月) 2限 3号館 3410
- JRA3Q によるグローバルな量の作図 つづき
- 地表面水収支
- 各項は、単位時間・単位面積あたりの水の質量の流れ、SI単位は kg/(m2 s)。
- 液体の水の標準の密度をつかうと、1 kg/m2 は 1 mm にあたる。
- 降水量 precip, 蒸発量 evap, 降雪 snowfall (降水のうちわけ)
- 降水量と蒸発量の差 (仮記号 pminuse)
- 大気中の水蒸気の水平輸送の (水平) 収束量 column_qconv も見たいが今回は見送る。
- 流出量は JRA3Q では陸面の予報値の変数グループ fcst_land125 にあるので今回は見送る。
- 大気上端 (top_of_atmosphere, 英文中では TOA、略号中では toa と略す) の放射収支
- toa_rsdown, toa_rsup, toa_rlup (toa_rldown は 0 なのでデータファイルはない)。
- toa_rsnet = toa_rsdown - toa_rsup
- toa_rnet = toa_rsnet - toa_rlup
- 大気上端でみた太陽放射反射率 (planetary albedo) alphap = toa_rsup / toa_rsdown
(alphas 用のプログラムから修正)
- 月値から年平均値 (annual mean) を計算し、その水平分布を作図する。
[第4回には降水量と蒸発量。次回につづく。]
- 月から年への平均操作と、
作図とを、別のプログラムでやる (平均操作の結果をファイルに書き出す) か、
1つのプログラム中でやるか、方針をきめてから、プログラムをつくる。
- 1つのプログラム中でやることにした。
- 例文 (海面気圧) hamana の /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/map_psl_ann.py
- 月の日数が一定でないことをどう処理するか?
- 一定とみなしてしまう人もいる。
- ここではグレゴリオ暦の日数にしたがう。ただし2月は 28.25 日とする。
- 第5回 (5月19日(月) 2限 3号館 3410)
- JRA3Q のエネルギー収支・水収支各項の図 (とくに年平均) を見て
(必要に応じてつくりなおして)、世界の分布の特徴をつかむ。
- 地表面水収支の各項について、
年平均値の東西全経度平均値 (zonal mean) を計算し、その南北分布を作図する。
- 例文 hamana の /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/lat_evap_ann_zon.py (蒸発量)
- 格子点の地表面状態分類のファイルも読んで、海と陸にわけて平均し、作図してみる。
- 例文 hamana の /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/lat_evap_ann_zon_landsea.py (蒸発量)
- プログラムを改造して、蒸発量と降水量を同じわくに作図してみる。
- 大気上端の放射収支の各項について、
年平均値の東西全経度平均値 (zonal mean) を計算し、その南北分布を作図する。
- 例文 hamana の /home/masudako/ex/jra3q_clim9120/lat_toa_rad_ann_zon.py (下向き短波、上向き短波、上向き長波)
- 同 lat_toa_rad_ann_zon_2.py ([上記の項から計算した] 正味下向き短波、上向き長波、正味放射)
- 【今回のプログラム例は、
複数の気象要素をいっしょに表示するばあい、
ほぼ同じでわずかにちがう作業をくりかえす形の、うまくないプログラムになってしまった。
今後の改良としては、年平均の計算と東西平均の計算をそれぞれ下請け関数にして、
引き数となる変数だけ変えてよびだす形にしたほうがよい。】
- 教科書的文献と対応づける。
- Hartmann (2016) 『Global Physical Climatology, 2nd edition』の
2章 (大気上端の放射収支)、4章 (地表面エネルギー収支)、5章 (水収支) の図を参考にする。
- 第6回 (5月26日(月) 2限 3号館 3410) から3回ほど
- 近藤 (2000) 『地表面に近い大気の科学』
- まず 1.8 節「熱輸送量の観測」を読む。
(その必要に応じて 1.1～1.5節に書いてあることも確認する。)
- つづいて、第5章 5.1節「熱収支量の大きさ」と5.2節「地表面の熱収支式」を読む。
とくに「バルク式」は何を入力データとして必要とするかを確認する。
- 陸の地中熱伝導について、熱伝導式、表4.1の土壌の熱的パラメータの代表的な値、
4.4節後半および5.1節の「参考5.1」に出てくる、境界条件を時間の三角関数であたえたばあいの
地中温度の変化の計算例を見る。計算例を追加する予定。
- 第9回 から 4回ほど
- 熊谷キャンパスでの連続観測にもとづいて地表面エネルギー収支各項をあわせてみる。
過去の教材ページ
(リンクさきがなくなっているばあいや、別のものにおきかわってしまうばあいもあります。)
関連の教材ページ
2025-03-09, 2025-04-14 .. 2025-05-19
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)