水文・地上気象の現場観測の技術

おもにStrangeways (2000, 2003)に沿ったメモ

温度の観測

センサー
- 管の中の液体(体積の変化を長さとして読む)
- バイメタル(体積の変化を変形として読む)
- 電気抵抗(金属:白金など、半導体:サーミスタ)
- 熱電対(二つの金属などの接触点の電圧が温度に依存)
- 静電容量センサー
- (超)音波(速度から温度を決める。短時間の変化がわかるので渦相関向き)
気温の測定で注意すること
- 温度計に直接太陽放射をあてない
- 風を通す(まわりと空気を交換する)
  - 百葉箱(Stevenson screen)
  - 強制通風
地表面温度も重要であるが、代表性のある温度を測定することはむずかしい。

測定対象となるおもな量: エネルギーフラックス密度 (面積あたり・時間あたりのエネルギー、SI単位はW/m²)
センサー
- エネルギーを受けた物体の温度変化をはかる
- 光電効果によって電流に変換する(波長依存性あり)
波長の選択
- 日射計 (太陽放射の波長帯を選択): ガラスドーム
- 全波長放射計: 多くはポリエチレンドーム、乾燥させた空気を循環させる。ドームを使わないものもある。
- 長波放射計 (地球放射の波長帯を選択): 太陽放射を通さない特殊な物質のドーム
方向の選択
- 全天日射計: 全方向からの入射を受ける(ふつう水平面で受ける)
- 直達日射計: 太陽の方向だけを見る
- 散乱日射計: 太陽の方向をさえぎる
放射に関係のある他の変数
- 日照時間 ... 直達日射がある値以上届いている時間の合計。ただし厳密な意味は観測機器に依存する。紙をこがす方式、感光紙、半導体光電センサーなどによって観測されている。日射計よりも保守が簡単なので観測地点が多い。

降水量(地表面に到達する時間・面積あたりの水の質量)の地上観測の機器は雨量計と呼ばれる。容量(ここでは電気容量ではなく体積をさす)型、重量型、転倒ます型、電気容量型、光センサーなどがある。手動の観測では容量型、自動観測では転倒ます型(データがディジタルで得られる)が使われることが多い。
雨量計の系統誤差(取りこぼし)の問題
- 風の効果 ... 特に雪をつかまえそこなう
- 雨量計からの蒸発
- 雨量計の壁をぬらすだけで測定にかからない分

現業観測ではパン(pan)蒸発量の観測が多いが、これは水を入れた容器からの蒸発で、陸面からの蒸発を直接は代表しない。
ライシメータ(lysimeter): 土の一部を切り出してその重さの変化をはかる。植生もなるべくまわりと同じにする。 (日本ではたとえば筑波大学陸域環境研究センターの草地にある。)
渦相関法: 超音波風速計と光(赤外線、紫外線)水蒸気計を使い、鉛直の水蒸気輸送を 0.1秒程度の時間分解能ではかって集計する。精密機器であり電源も必要。超音波風速計では温度も同時に測るので、顕熱フラックスも求められる。
傾度法: 複数の高さ(タワーを使うことが多い)で風速と水蒸気量をはかり、乱流理論にもとづいた半経験式で水蒸気輸送を計算する。同様に複数の高さの気温を使って顕熱フラックスも求められる。
熱収支法: 地表面での下向き・上向き放射と地中への熱伝導を直接観測または他の変数からの推定で求め、熱収支式から蒸発の潜熱フラックスと顕熱フラックスの合計を求める。潜熱・顕熱の配分は傾度法の考え方を使うのがふつう。
水収支法: 流域の降水量と河川への流出量の差から求める。流域陸水貯留量変化と地下水流出が無視できるか独立に見積もれることが前提。

小さい川では、断面がわかった形の人工的なせきに水を誘導して水位をはかり、理論的な計算で流量を求めることもある。
大きい川では、船によって横断しながら、流速計を入れていろいろな深さの流速をはかり、流速を断面で積分計算して流量を求める。ただしこのような観測は日常的にはできないので、流量と同時に水位も観測して経験式を作り、ふだんは水位を観測して、経験式で流量に換算する。

2004-10-21; 2005-09-29; 2009-01-13
増田耕一