ひとつの正解がある問題ではなく、実習課題のようなものにしました。
高層気象観測のデータを見てみよう。 ここでいう「高層」は、地上との対比で「上空」のような意味で、「高層大気」ではない。
第2次世界大戦ごろから最近まで、高層気象観測の主役は、「ラジオゾンデ」という、 気球に温度計、湿度計、気圧計、無線発信機をつけたものである。 (最近、ほかの観測方法も重要になっているが、ラジオゾンデもひきつづき重要である。) 風は気球を追跡することによって観測する。
日本の気象庁による、1988年以後のラジオゾンデ観測のデータは、気象庁のウェブサイトの つぎのページで見ることができる。 (気象庁ホームページから「各種データ・資料」に行き、「気象」の「気象観測データ」のうちの 「過去の気象データ検索」のページに行って、「高層の気象・風」などをえらぶと、そのページに行く。 なお、「過去の地点気象観測データ・ダウンロード」のほうは地上気象観測だけである。)
地点を選択する。熊谷にいちばん近いのは「館野 (たての)」である。 ここは気象庁の高層気象台で、筑波学園研究都市の中にあるが、 学園都市よりも古く1920年からあり、1921年から上空の気象を観測してきた (ラジオゾンデ観測としては1944年から)。
さらに、年、月、日、時を選択すると、つぎのものが選択可能になる (日時の数値は例)。
おもに、「指定気圧面の観測データ」を見ることにする。 なまの観測値にいくらか近いものにさかのぼりたいときは、「気温・湿度」「風」も見てほしい。
指定気圧面のデータは、つぎのような項目の表になっている。 なお、欠測 (データ欠損) のところは、「///」のような文字列がはいっている。
各自、気象庁のウェブサイトからデータを読みとってほしい。 ただし、ウェブサイトを混雑させないように、おおぜいが同時にアクセスするのはさけてほしい。 また、一度に大量のデータを取得するプログラムを動かすのはさけてほしい。 (そうしたい人のためには、このページよりもよい方法がある。)
グラフを作図してみよう。紙に手書きでもよい。
(そのばあいは方眼紙をつかうのがよい。片対数方眼紙があると対数を計算しなくてすむ。)
表計算ソフトウェアでもできる。ただしそのばあい「折れ線グラフ」のたぐいでなく「散布図」の
機能をつかう必要があるだろう。また、対数目盛りの機能があるかどうか、わたしは知らない。
追って、Python 言語によるグラフのつくりかたの例を
用意するつもりだが
今回のレポートにはまにあわないかもしれない。
[2021-06-15 改訂] [別ページ]に置いたが、
残念ながら、この授業のみなさんむけに作業手順を説明する時間がとれない。
[2021-06-15 補足] 地点、日時は、気象庁のラジオゾンデ観測のあるうちで 自由にえらんでかまいません。 ただし、気温、相対湿度、風向・風速に データ欠損 (欠測) が多いものはさけてください。 高いところ (気圧が 100 hPa より低いところ、 相対湿度については気圧が 500 hPa より低いところ) のデータ欠損は多くてもかまいません。
気圧とジオポテンシャル高度との関係をグラフにして、 その概略を「高さに対して気圧はどのように分布するか」という観点で見てみよう。 (実際の天気を考えるときは、その概略の特徴からのずれが問題になるのだが、 ここではそれに深入りしないことにする。)
「エマグラム」(佐藤 2019 4.2節 66-68ページ 参照) の方式にならって、 縦軸に(高さのかわりに) 気圧 (対数目盛りで下ほど気圧の値が大きくなる向きがのぞましい)、 横軸に気温をとって、気温の鉛直分布をグラフにしてみよう。 気圧の対数は、おおまかに、高さに比例する。 グラフから、対流圏と成層圏の気温減率のちがいが読みとれるだろう。 どこが対流圏界面 (対流圏の上端) だろうか? (気象庁の人が判断した位置は、「気温・湿度の観測データ」に「圏界面」として書かれている。) そのほかに、気温の鉛直分布の特徴が見られたら、記述してほしい。 同じ日時の別の地点、あるいは、同じ地点の別の時刻のデータと比較してみてほしい。
縦軸に気圧 (対数目盛りで下ほど気圧の値が大きくなる向きがのぞましい)をとって、 相対湿度の鉛直分布をグラフにして、気温と縦軸をそろえてならべて見てほしい。
[2021-06-15 補足] これは、気圧を縦軸、相対湿度を横軸にとったグラフを、 課題2のグラフとは別に、ただし縦軸の寸法を同じにしてつくって、 グラフどうしを縦軸がそろうように横にならべて見てほしい、という趣旨です。 気温と相対湿度は物理量の次元がちがうので、 同じ図のわくに書きこむことはすすめません。 (せまい画面におさめる必要があるときは、妥協して、 ちがう次元の量を同じわくに入れたグラフをつくることもありますが。) 提出するレポートに図をふくめるばあいには、 グラフどうしが横にならんでいなくてもかまいません。
(エマグラムに書きこむ湿度の情報としては露点温度をつかうのだが、 その計算方法はまだ教材にしていないので、今回の課題にはしない。 [2021-06-15 補足] 露点温度ならば、物理量の次元が温度なので、 気温と同じ軸をつかってグラフにして、図上で気温と露点温度の差などを論じることもできます。)
風向・風速のデータから、風速ベクトルの東西成分 (西風、つまり東向きの流れが正) を計算し、 その鉛直分布を 縦軸に気圧 (対数目盛りで下ほど気圧の値が大きくなる向きがのぞましい)をとって、グラフにし、 気温と縦軸をそろえてならべて見てほしい。
[2021-06-15 補足] これも、課題3と同様に、 気圧を縦軸、風速の東西成分を横軸にとったグラフを、 課題2のグラフとは別に、ただし縦軸の寸法を同じにしてつくって、 グラフどうしを縦軸がそろうように横にならべて見てほしい、という趣旨です。 レポートでは図が横にならんだ配置にしなくてもかまいません。
東西成分の値は、x軸を東向き、y軸を北向きにとった x-y平面でのベクトルの偏角を arg とすれば、 ベクトルの大きさに cos(arg) をかければもとめられる。 ただし、多くのプログラム言語では、arg をラジアン単位であたえる必要がある。 度(°)の単位であたえられた数値に、(2 π / 360) つまり (π / 180) をかければよい。ただし π は円周率である。
ところが、「風向」は、この偏角と関係はあるが、そのものではない。
これを考慮して、換算式をつくって変換してほしい。 計算の道具がそろっていない人や、換算式をつくれなかった人は、風向を東西南北に大分類して概算してほしい。
オンライン授業ツールの8回めのレポートのところで提出してください。
しめきりは6月17日 (2週間後) の 23:30 までとします。
今回のレポートは文章を論文のようにととのえることは要求しませんが、 図を提出するのではなく、 何の図をつくったかの説明と、図から読みとられることの概略を、文章にしてください。 (データ源については「気象庁」だけでかまいませんが、地点名、日時は明確に書いてください。) また、ファイルサイズをあまり巨大にしないでください。 1つのレポートは、なるべく1メガバイト以内、最大でも5メガバイト以内にしてください。