(大学院) 圏間相互作用特論 II
このウェブページは http://macroscope.world.coocan.jp/ja/edu/ris/kenkan/ です。
第1回は、研究科授業一覧どおりの日時 (10月6日 2限)、場所 (1号館 1306号室) でおこなう予定です。
ネットワーク接続可能なノートパソコンを用意してください。
実習の回は、研究室 (3号館 3410) でおこなう予定です。
各回の内容
- 10月 6日 (1306) 序論、進めかたの相談
- (10月 13日 休日) (3410) パソコンを端末とするためのソフトウェアのインストール
- 10月 20日 (1306) 暖かさの指数について文献を読む
- 10月 27日 (3410) [暖かさの指数を計算してみる] ← このリンクさきページで説明します。
- 11月 4日 (火、月曜授業日) (3410)
- 11月 10日 同じ時間に生物多様性のミニシンポジウム (8号館 8201) があるので、
この授業は 2限にはやらないことにします。
9日に材料を用意したので、各自作業して、17日に報告してください。
- 改訂されたプログラムで乾湿指数を計算しなおす。
- [暖かさの指数を計算してみる] への補足。
乾湿指数を計算する際に、降水量を月ごとに頭打ちにするところの、
適切と思われるやりかたがわかりました。(下にリンクするブログ記事で説明しました。)
- それにしたがってプログラム hia_to_csv.py をつくったので、実行してみてください。
結果として hia.csv ができます。
(cd crucl ; cp /home/masudako/ex/crucl/hia_to_csv.py ; python hia_to_csv.py )
- それを地図に表示するプログラムは 同じ crucl ディレクトリにある map_hia_eastasia.py ですが、
これは前回の map_hix_eastasia.py の入出力ファイル名と表示する文字列をちょっと変えただけです。
- 横軸に乾湿指数、縦軸に暖かさの指数をとった散布図を、植生分類ごとにつくる。
- [気候と植生の関係を見るための可視化 (1)] のウェブページをつくり、
前回作業した年降水量と年平均気温の散布図をふくめました。
- そこに、横軸に乾湿指数、縦軸に暖かさの指数をとった散布図を
植生分類ごとにつくるプログラム scat_wi_hia_by_veg.py を 用意しました。
上記の hia.csv をつくったあと、これをやってみてください。
(cd clim_veg_w1 ; cp /home/masudako/ex/clim_veg_w1/scat_wi_hia_by_veg.py ; python scat_wi_hia_by_veg.py )
- 選択されたもの以外の植生の地点についても薄い色で散布図に点をうつと、
選択された植生がそのうちでどこにあるかがわかりやすくなりますが、
計算時間がかかります。
「backgr = True」としたばあいにかぎってこれをやることにしました。
- 軸の向きのとりかたはいろいろ考えられるので、
上下は bottomwarm に True, False のいずれをあたえるか、
左右は righthumid に True, False のいずれをあたえるかで
切りかえられるようにしました。
- cf. 今西・吉良 (1953) の 第84図: 湿潤→, 温暖↓
- cf. Budyko [ブディコ] のダイアグラム: 乾燥→, エネルギー大↑
- ぜひやってほしいというわけではありませんが、
もし、ちがうバージョンの乾湿指数をつかった作図をしたければ、
プログラム中で読むファイル名
(「dfwi = pd.read_csv」でつかわれる filenamein にあたえる文字列) の hia を hix や hiik にかえてください。
そのときは、横軸につける文字列 (ax.set_xlabel で指定) や、
図を保存する画像ファイル名 (imagefilename で指定) もかえてください。
- Ramankutty の植生分類のうち「Mixed forest」は、いろいろな混合をふくんでいるので、
散布図のなかの分布範囲がしぼられないのは当然でしょう。
- 11月 17日 (3410) [暖かさの指数などと植生を対比してみる] (つづき)
- 植生の分布をみる
- Ramankutty の植生分類の地理的分布をみるため、
/home/masudako/ex/clim_veg_w1 のディレクトリに、
(地図上の表示と基本的に同じなのですが) 横軸に経度、縦軸に緯度をとった
散布図の形で表示するプログラム scat_lon_lat_by_veg.py を追加したので、
動かして作図してみてください。
- 植生分布と気候要因 (吉良による指数) との関係をみる
- 植生分類ごとに、地理的分布の図と、「暖かさの指数・乾湿指数」の
2軸での散布図を見くらべて、分布の特徴を見ていきます。
- さらに条件をしぼった点の分布を作図しながら考えようと思います。
- 寒さの指数についても見てみようと思います。
ただし、寒さについては理屈の面からは最低気温のほうがよさそうなので、
吉良の寒さの指数にはそれほど時間をかけないことにします。
- 標高との関連もみる
- 気候は、緯度・経度のほかに標高によっても変わります。
- 気温については、大まかに対流圏の気温減率を反映して、標高の高いところほど地上気温が低く、
そのことは CRU のデータセット作成でも反映されています。
- 降水量と地形との関係は、風上斜面で降水が多いなどの傾向がありますが、
方位や数量は地域ごとにまちまちで、
CRU データセットでは地形依存性は計算にはいっておらず、
観測点のない標高帯の降水量はあまり正確ではないでしょう。
- ともかく、植生の地理的分布をみるうえで、
地面の標高を考慮したほうがよいことはあるでしょう。
- 標高のデータセットとして、
アメリカ合衆国 NOAA National Geophysical Data Center (現 National Centers for Environmental Information) で編集された
GLOBE という 緯度経度 0.5分 (約 1 km) の格子データを
緯度経度 0.5 度で、ひとまず平均したものをつくりました。
- データセットの紹介は、これから書く予定です。
([別ページ]でつかった「ETOPO1」は海底の水深がはいっていましたが、
GLOBE は海の地点には値がありません。)
- 平均後の標高データは /raid/globe_dem/hdegav/elev_hdeg.r4l 、
それを読んで地図上に表示するプログラム例は /raid/globe_dem/py/map_elevhdeg.py にあります。
- [2025-11-18] 11月17日の授業にまにあわなかった、散布図を標高によって色わけするプログラムを、
/home/masudako/ex/clim_veg_w1/ に追加しました。
- scat_wi_hia_by_topo_and_veg.py ... 植生型ごとに、縦軸に暖かさの指数、横軸に乾湿指数をとって散布図をつくる。点を標高の階級別に色わけをする。
- scat_lon_lat_by_topo_and_veg.py ... 植生型ごとに、横軸に経度、縦軸に緯度をとって点をプロットする。点を標高の階級別に色わけをする。
- いずれも、標高の階級の境界を thershs、色を colors というリストで指定するようにしました。
色のところに 'none' を指定すると、その階級については点を打ちません。
- 標高の利用としては、(経度を省略して) 緯度と標高の2次元散布図もやってみようと思います。
(しかし、2025-11-23現在、プログラム例はまだありません。)
- 11月 24日 (1306) 文献を読む。
- 新井 正, 2005: 気候区分における水文要素 -- その歴史的展開。
地球環境研究 (立正大学), 7, 1-7.
- (『地球環境研究』の論文は、地球環境学部ウェブサイトの「刊行物」のところにあるが、その形での存続は不確かになった。
このたび、永井先生 と 図書館職員のかたがたの努力により、
立正大学リポジトリ https://rissho.repo.nii.ac.jp/ に置かれ、こちらが存続する見こみ。)
- 近藤 純正、徐 健青, 1997:
ポテンシャル蒸発量の定義と気候湿潤度。
天気 (日本気象学会), 44: 875-883.
- (『天気』の論文は、日本気象学会のサイトの『天気』のページ https://www.metsoc.jp/tenki/ から検索で PDF 取得可能。)
- (そのあとの回で、Budyko (または 内嶋)、酒井、Woodward)
- [2025-11-23] 衛星観測による地表面放射収支項のデータ「CLARA A3 net surface radiation」を読む準備をしています。
- ドキュメント論文
- Karl-Göran Karlsson et al., 2023:
CLARA-A3: The third edition of the AVHRR-based CM SAF climate data record on clouds, radiation and surface albedo covering the period 1979 to 2023.
Earth System Science Data, 15: 4901-4926.
doi: 10.5194/essd-15-4901-2023.
- これ ( essd-15-4901-2023.pdf ) と、そのほか雑多なドキュメントを hamana の /raid/clara_srb/doc/ に置いた。
- このデータセットでつかわれている 緯度経度 0.25度格子の地理データ
(標高、土地被覆、陸の面積比) clara3_level3_aux_data_025deg.nc をダウンロードし、
hamana の /raid/clara_srb/auxdata/ に置いた。
- 増田が ECMWF のユーザー登録をして、Copernicus Climate Data Store https://cds.climate.copernicus.eu/ から
monthly のデータ (netCDF形式、緯度経度 0.25度格子) をダウンロードし、
hamana の /raid/clara_srb/netcdf_monthly/ に置いた。
- (daily もあるが、ダウンロードしないことにした。)
- ncview で内容を見ることはできた。Python で読むのはこれから。
プログラム例を hamana の /home/masudako/ex/clara_srb/ に置く予定。
- 高緯度の冬、太陽放射が完全に 0 ではないが値が小さいときに、
短波放射の値が得られず、正味放射もデータ欠損になる。
そのほかにも不規則にデータ欠損があるようなので、
気候値を得るためには欠損のあつかいをどうするか検討が必要。
- [2025-11-24] 酒井 昭 の著作のうちでは、『植物の耐寒戦略』 の 第1部 の 1-6, 12節
(+ できれば 第2部の第1節) を読むことにしたい。
それを受けて Woodward 『植生分布と環境変化』の第4章「気候と植生」を読む。
- [2025-11-29] 11月24日の授業で、新井 (2005) に関連して増田が講義したことを文章化してみました。
- 12月 1日 (3410) 正味放射と「放射乾燥度」の2軸で植生型の分布をみる。
- CLARA A3 地表面放射収支 (surface radiation budget) データ (緯度経度 0.25度格子) に関する作業。
プログラムは /home/masudako/ex/clara_srb/ にある。
- 正味放射の月別値をそのまま地図上に表示するプログラム map_rnet.py をつくった。
- 正味放射、正味長波放射、正味短波放射の月値について「気候値」
(1979-2020年の平均値) をつくり (プログラム mkclim_rnet.py による)、
/raid/clara_srb/binqd/{rnet, rlnet, rsnet}_mon??.r4l として置いた。
(binqd は binary, quarter degree (0.25度) のつもり。)
('rldown', 'rsdown' を追加予定。)
- map_rnetclim.py で地図上に作図できる。
svar にあたえる値を 'rnet', 'rlnet', 'rsnet' と変えることができる。
- 正味短波放射にはデータ欠損がある。
気づいたかぎりでは、入射短波放射の値が 0 に近いところで生じているが、
くわしく確認できていない。
map_rnetclim.py では
cmap.set_bad で欠損のところに色をつけようとしたがうまくいかず、
欠損のところは白になっている。
- 正味放射の気候値の年平均値をつくった (プログラム mkclimann_rnet.py)。
(CRUの気候値のばあいと不統一だが) ここでは日数を考慮し、2月は 28.25 日とした。
短波放射データの欠損に対処するため、
正味長波放射に正味短波放射をたす (欠損のところは 0 を仮定したことになる)
ことで値を得ることにした。
結果は /raid/clara_srb/binqd/rnet_clim_ann.r4l として置いた。
- map_rnetclimann.py で地図上に作図できる。
- 地理データ clara3_level3_aux_data_025deg.nc のうち、
標高と、マス目の面積のうちの陸の比率を地図上に作図するプログラム
map_aux.py をつくった。
svar = 'alt' で標高 (出力の画像ファイル名では 'zs')、
svar = 'lsm' で陸の比率 (出力の画像ファイル名では 'land')。
- ここまでのプログラム例で作図する地図は全球で、切断は180度経線である。
地図表示する緯度経度範囲は lonmin, lonmax, latmin, latmax をかえれば変更できる。
世界のうちで見たい地域の拡大をこころみてほしい。
(見かけをととのえるためにほかにも変更が必要になるかもしれない。)
- [ここから 2025-12-01 授業後改訂]
次の準備のため、正味放射の気候値の年平均値の緯度経度 0.5 度格子データをつくる。
(下向き放射が同様でも陸面と海面では上向き放射がちがい、正味放射の不連続が生じるだろうから)
対象を陸上だけにし、海陸のまざる格子点では陸の面積比率を重みとした平均をつかう。
プログラム mkhd_rnetclimann.py を実行した結果を
/raid/clara_srb/binhd/rnet_clim_ann_hd.r4l として置いた。
- そのファイルを読んで表現を 経度, 緯度, 数値 の 3列の csv ファイルに変える
プログラム rnet_clim_ann_hd_to_csv.py を用意した。
これを実行すると、(raidではなく) 作業ディレクトリ (各自のホームディレクトリの下の clara_srb を想定している) に
rnet_clim_ann_hd.csv ができる。
- 0.5度格子で、ここでつくった正味放射 (気候値の年平均値) と
CRU の降水量 (気候値の年平均値)、
Ramankutty の植生型 を組み合わせて、
横軸に「放射乾燥度」 (正味放射と降水量の比を無次元化したもの)、
縦軸に正味放射をとった 2次元の平面に、
植生型ごとに散布図をつくる。
「cp -r /home/masudako/ex/clim_veg_w2/ .」
「cd clim_veg_w2」
「python scat_rid_rnet_by_veg_v20251201.py」
で実行してみよう。
(rid は radiative index of dryness のつもり。)
ただし、横ならびのディレクトリにつぎのファイルがあることを前提としている。
- ../clara_srb/rnet_clim_ann_hd.csv (rnet_clim_ann_hd_to_csv.py でつくられる)
- ../crucl/pre_ann.csv (pre_ann_to_csv.py でつくられる)
- ../vegraman1/vegtype.csv (convert_vegtypehd_to_xyv.py でつくられる)
- 12月 8日 (3410) ... Budyko の図式上と地図上で各植生型の分布をみる。
- cd clim_veg_w2
- cp /home/masudako/ex/clim_veg_w2/* . [前回と同じ名まえのファイルはなくしたので上書きされない]
- scat_rdi_rnet_by_topo_and_veg_v20251207.py
- Budyko方式の表示。横軸に放射乾燥度、縦軸に正味放射をとった2次元の平面に植生型ごとに散布図をつくる (前回と同じ)
- ただし、標高別に色分けする。
現状では、500 m までオレンジ、1000 m まで赤、2000 m まで紫、それより上が青。
- 色のところを 'none' にすると点 (marker) をうたない。
- scat_wi_hia_by_topo_and_veg_v20251207.py
... 吉良方式の表示。clim_veg_w1 でやったのとほとんど同じ。
ただし標高による色わけを上記のBudyko方式のプログラム例にあわせた。
- scat_lon_lat_by_topo_and_veg_v20251207.py
... 地図型の表示。clim_veg_w1 でやったのとほとんど同じ。
ただし標高による色わけを上記のBudyko方式のプログラム例にあわせた。
- 標高と色の関係は修正してみてほしい。
標高の高い地点は、マス目内での標高や斜面方向のばらつきも大きいことが多く、
放射・降水量・植生を同じ位置のものとみなすのが不適切な可能性があるので、
むしろ 'none' にしたほうがよいかもしれない。
- 対象地域を緯度・経度で限定したうえで散布図をつくったほうがよいかもしれない。
そのためのプログラム修正はまだつくっていないが、希望があれば相談にのる。
- mkhtmltable_v20251207.py
... HTMLの表をつくる。
- [HTMLの表をつくる] と同様の技法。
- ただし、縦が (日時ではなく) 植生型番号。
- python mkhtmltable_v20251207.py > htmltable.html のように標準出力をファイルにする。
- savefig=True でつくった画像ファイルと、htmltable.html をパソコンに転送し、
ウェブブラウザで htmltable.html を見る。
- 12月 15日 (1306) ... 酒井 『植物の耐寒戦略』 についての報告
- 12月 22日 (1306)
- Woodward 『植生分布と環境変化』 についての報告
- hamana の 気候データに、CRU の気候データから計算した最低気温を追加しました。
ただし、ここでいう「最低気温」は、
月ごとの「日平均気温の月平均の気候値」から「気温日較差の月平均の気候値」の半分をひいて
「日最低気温の月平均の気候値の近似値」をつくり、
12か月のうちその値がいちばん低い月のものを選んだものです。
- hamana の /home/masudako/ex/crucl につぎのファイルを追加しました。
- tmpmin_min.csv ... 経度、緯度、「最低気温」の csv ファイル
- map_tmpmin_min.py_eastasia.py ... 「最低気温」の分布を地図上に作図するプログラム
- (tmpmin_min_to_csv.py ... tmpmin_min.csv を作成したプログラム)
- 今後、hamana の /home/masudako/ex/clim_veg_w1 に、この「最低気温」と
Ramankutty の植生データとをくみあわせて見るプログラムをつくる予定です。
(2025-12-21 現在、まだありません。)
- 1月 5日 (3410) ここまでの内容をふりかえり、補足
- [2026-01-13] 作図プログラムの改訂・補足
- niigata の /home/masudako/ex/{clim_veg_w1, clim_veg_w2} に、
ふたつの気候要素を縦軸と横軸にとり、植生分類ごとに散布図をつくり、
標高階級ごとに点を色わけするプログラムを整備しました。
いずれも、緯度・経度の範囲を latmin, latmax, lonmin, lonmax で限定できるようにしました。
ただし、緯度は北緯が正で -90 と 90 のあいだ、経度は東経が正で -180 と 180 のあいだの値をとります。
- clim_veg_w1/scat_wi_hia_by_topo_and_veg.py ... 縦軸に暖かさの指数、横軸に乾湿指数 (改訂)
- clim_veg_w1/scat_ci_hia_by_topo_and_veg.py ... 縦軸に寒さの指数、横軸に乾湿指数 (新規)
- clim_veg_w1/scat_tmpmin_hia_by_topo_and_veg.py ... 縦軸に最低気温、横軸に乾湿指数 (新規)
- clim_veg_w2/scat_rdi_rnet_by_topo_and_veg.py ... 縦軸に正味放射、横軸に放射乾燥度 (改訂)
- なお、散布図を実行するためには、あらかじめ気候要素および植生のデータを
「経度, 緯度, 数値」の3列の csv 形式にしておく必要があります。
そのためのプログラムはつぎのところにあります。
- 暖かさの指数 ... crucl/wi_to_csv.py
- 寒さの指数 ... crucl/ci_to_csv.py
- 乾湿指数 (安藤の補正版) ... crucl/hia_to_csv.py
- 最低気温 (日最低気温の月別平年値のうち最低値) ... crucl/tmpmin_min_to_csv.py
- 年降水量 ... crucl/pre_ann_to_csv.py
- 正味放射 ... clara_srb/rnet_clim_ann_hd_to_csv.py
- 放射乾燥度 ... 上記の正味放射と年降水量から散布図作成時に計算する
- 植生分類 ... vegraman1/convert_vegtypehd_to_xyv.py
- 1月 19日 (3410) 講義の予定はないが、質疑や議論の時間にする。
- 期末レポート: この授業の関連の主題について何か調べて報告。
追加計算でも文献を読んで考察でもよい。5ページ程度。1月末まで。
Linux 上のエディタについて [2025-10-27, 2025-11-03]
気象のセミナーでは、エディタとしては emacs をつかっている。
研究室のマシン hamana と niigata では、
X Window の機能をつかわない emacs がインストールしてある。
他のサイトで X Window の機能をつかわないで実行するためには
オプション「-nw」が必要になることがある。
emacs よりも直観的に操作できるエディタがいくつかある。
多人数が同時にログインするときにはすすめられないが、
少人数のときはさしつかえなさそうだ。
これまでためしたうちでは featherpad がよさそうなので、
fpad という別名でもつかえるようにした。
他のものもふくめた情報はつぎの記事参照。
Python の matplotlib での色の指定 [2025-11-03]
色は文字列で指定する ('red' のように)。
文字列は、英語の色の名まえがいろいろ予約されているほか、
色を RGB (赤、緑、青) に分解してそれぞれ16進数2けたで表現した6文字の あたまに「#」をつけた形で指定することもできる
('#FF0000' のように)。
今学期の構想 (10月6日現在のもの。今後書きかえます。)
2025年度は、増田が単独で担当します。
2023年度、岩崎先生と半分ずつを分担したときと同様な内容をふくらませて、
そのとき見送った世界の植生と気候との関係をディジタルデータで見る実習をしたいと思っています。
構想は、つぎの文章に書いたことからはじまります。
この構想は、1学期の [熱収支・水収支特論]
とつながっています。
その科目を履修ずみである必要はありませんが、必要に応じてそちらの内容 (さしあたりつぎのもの) を自習してください。
これからやっていくことは、だいたい次のように予定しています。
- 植生の分布を制約する気候条件について述べたいくつかの文献を読む。
- ケッペン (Köppen)
- 吉良 竜夫 の「暖かさの指数」=「温量指数」 (および、「寒さの指数」、「乾湿指数」)
- 吉良 (1949) 日本の森林帯。吉良 (1971) 『生態学からみた日本の自然』 [読書メモ] に収録。
- 川喜田 二郎 (1999) 『環境と人間と文明と』 [読書メモ] ... 1940年代の着想を回顧している。
- 今西 錦司、吉良 竜夫 (1953) 生物地理。福井 英一郎 編 『自然地理 II』 [読書メモ] 第5章。
乾湿指数の説明をふくむ。[スキャンした画像 (臨時リンク)]
- (以下、文献検討中)
- Holdridge の biotemperature
- Budyko (ブディコ)、内嶋 善兵衛 ... 地表面の正味放射と降水量にもとづく「放射乾燥度」
- Thornthwaite (ソーンスウェイト) の可能蒸発散量、それをつかった Lieth (リート) と Box の光合成生産量評価
- 酒井 昭 ... 凍結について
- Woodward (内嶋訳 1993) 『植生分布と気候変化』
- 生態学用語、とくにバイオーム (biome、生物群系) について学ぶ。
- 地表面のエネルギー収支 (熱収支) と水収支について
- 植生分類と気候要素の両方の地理的分布のデータをつかって関連を解析する。
- たとえば、Budyko のダイアグラムは、
縦軸にエネルギーの指標 (正味放射)、
横軸にそれと水分の指標 (降水量) との比をとった 2次元平面に、
おそらく各地点の植生コードをプロットして、それぞれの植生コードのひろがりをまとめたものである。
つぎのページ (アクセス制限あり) の下の図を参照。
- 同様なことを、現代 (1961-2020年 のうちのいずれかの30年ぐらいの期間) のデータでやってみたい。
格子点 (あるいは、マス目) 型のデータをつかえば、計算機処理はできる。
- ためしにやった例: Masuda 2000 都立大学 地理 英文紀要 [text]
- 緯度経度 1度格子。
- 植生データは Matthews (1984), 気候モデルのために専門地図帳類から編集されたものだが、品質が不ぞろい。
- 気候データは New et al. (1999), East Anglia 大学 CRU で編集された気温と降水量の平年値。
- 散布図の配置は Budyko 型だが、エネルギーの指標は Holdridge による average biotemperature である。
- しかし、つぎのような問題点がさけられない。
- 格子点の値は、格子点で観測・観察されたものではなく、空間内挿、あるいは衛星で観測可能な量からの推定がはいっている。
- 別々につくられたデータの同じマス目の値は、マス目の内にある同じところを見た結果とはかぎらない。
- とくに、同じマス目のなかで標高の不均一性が大きいばあい、見ているものがちがう可能性が大きくなる。
- 標高の情報や観測点密度の情報も参照して、比較的信頼できる部分について論じることにしたい。
- 対象は世界と日本があり、データのくわしさがことなる。
今年度は世界をやろうと考えているが、受講生と相談して決める。
- 作業は、研究室の Linux マシン「hamana」に、パソコンを端末として login し、
Python のプログラムを動かす形でおこなう。
この形の授業を経験していない受講生には、準備作業の時間を別にとる。
参考文献
- 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1～6章、8章を増田が書いた。
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
(更新) 2026-01-13
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)