(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
    • [松山・増田 (2021) 第5章]
  • 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」
      • [JRA-55]
      • [JRA-3Q]
      • (用語補足) [再解析 (reanalysis)] (2016-05-18)
      • (用語補足) [データ同化 (data assimilation)] (2022-06-25)
    • 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 ... R_S^↓
          • 地表面における下向き長波放射 ... R_L^↓
          • 地表面における正味の太陽放射 ... R_S^↓ - R_S^↑
          • 地表面における正味の長波放射 ... R_L^↓ - R_L^↑
        • 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。
    • (地表面水収支と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/map_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/map_evap_ann_zon_landsea.py (蒸発量)
    • 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。)
    • 第4章「気温と地温」と第5章「熱収支と気象」の中から、この授業にとって重要な部分を選んで読む。 (どこを選ぶかは5月19日以後に決める。)

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。)

[2024年度教材]

[2023年度教材]

関連の教材ページ

[圏間相互作用特論 II]

[環境気象学アドバンスト (増田担当分) 2021年度]

[気圏環境学演習 (増田担当分) 2023年度]

[計算機を利用した気象分野の実習の教材]