2011年10月22日土曜日

筑波山の湿球温度とその相関

各相関係数を計算してみました。
要素は、湿球温(度)、地表温(度)、-1センチの地温(度)、露点(温度)です。
から再録しておきます。要素等はこちらを参照してください。

CpT+mgZ+ETd)/P)×LCpTw+mgZ+ETw)/P)×L   (1)

CpTはエンタルピーと呼ばれるエネルギー
mgZは水蒸気を含む空気の位置エネルギー
残りは水蒸気を液体にした時のエネルギーです。


Cpθe= CpT+mgZ+ETd)/P)×L

で(1)左辺は相当温位の中身であることが分かると思います。
気象で使う相当温位は、1000hPaの位置を基準(0メートル)としています。
おかげで、300hPaの相当温位予想の精度(安心して使ったのは強風帯の予想ぐらいだったかな?)が悪くなっています。
(理由:例えば850hPaの要素から計算して1000hPaの高度がちょうど地表面になったとしても300hPaの要素から1000hPaの高度を計算すると地中の深い所になり、この位置エネルギーの違いが誤差になっています。)
飽和相当温位と湿球温度の関係は下図のとおりです。


降水粒子が適当な大きさがあるなら、湿球温度が降水粒子の温度となります。
各気圧面の相当温位が分かれば、湿球温度は計算できます。
余計なことですが、これで雨雪判別ができます。





 
湿球 対 地表
    MAX    MIN   MEAN
01月  0.93(03)  0.63(10)     0.86
02月  0.93(03)  0.47(11)     0.85
03月  0.95(06)  0.36(10)     0.83
04月  0.94(18)  0.45(10)     0.83
05月  0.93(04)  0.30(09)     0.77
06月  0.96(00)  0.56(12)     0.84
07月  0.93(20)  0.66(09)     0.85
08月  0.94(17)  0.69(10)     0.88
09月  0.97(03)  0.70(11)     0.93
10月  0.93(06)  0.54(10)     0.87
11月  0.94(04)  0.73(11)     0.89
12月  0.94(07)  0.67(11)     0.89

湿球 対 -1センチ地温
    MAX   MIN     MEAN
01月  0.64(10)  0.44(12)      0.58
02月  0.68(23)  0.54(12)      0.62
03月  0.80(07)  0.54(13)      0.71
04月  0.85(08) 0.61(12)      0.77
05月  0.84(06) 0.50(10)      0.72
06月  0.91(03) 0.64(12)      0.82
07月  0.84(02) 0.65(11)      0.78
08月  0.87(06) 0.59(11)      0.80
09月  0.96(09) 0.74(11)      0.89
10月  0.86(17) 0.74(11)      0.83
11月  0.88(09) 0.83( 04)     0.86
12月  0.85(09)  0.76(14)      0.82

湿球 対 露点
     MAX   MIN   MEAN
01月  0.93(03)  0.75(14)     0.88
02月  0.93(07)  0.72(14)     0.87
03月  0.94(23)  0.76(14)     0.89
04月  0.91(00)  0.63(14)     0.82
05月  0.92(20)  0.77(13)     0.87
06月  0.96(22)  0.92(14)     0.94
07月  0.96(04)  0.95(21)     0.96
08月  0.97(09)  0.94(05)     0.96
09月  0.98(09)  0.96(13)     0.97
10月  0.96(08)  0.92(12)     0.95
11月  0.95(04)  0.85(14)     0.91
12月  0.95(01)  0.85(14)     0.93

参考に9月のグラフを示します。
9月の相関係数

  「湿球と地表」と「露点温度と地表温」の相関係数は全て
       湿球と地表 > 露点温度と地表温
   となりました。
   特に考えがあって、湿球(温度)と露点(温度)の相関を見たわけではないのですが・・・
   かなり高い相関がありました。
   湿球と気温にも相関がありそうです。(次回報告)
    参考に気温と露点の2月の相関を示します。

            黄色の線は相対湿度が100%になる線です。
        とても、相関があるとは言えません。

       次回は湿球温度が気温や露点温度と強い相関があったことを報告します。
確かに、気圧、気温、露点温度で湿球温度は決まるのですが・・・

データは「筑波山気象・水文観測プロジェクト」からダウンロードしました。
筑波山気象・水文観測プロジェクトのホームページ
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/
データがダウンロードできるページ
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/sub6.html

機器構成
http://www.weather.co.jp/mtTsukuba/drawing/mtTsukuba_gif_2.gif

気温は地表から 1.5メートル
地表温は地表
地温は地表から マイナス1センチ
の温度です。

相当温位の誤差にについて・・・

温室効果のメカニズム (批判的立場から)

5.成層圏へのエネルギー輸送

で書いたのですが・・・

上の図は気象庁の解析なのです。

上空に行くほど相当温位が高くなっています。(ピンク色が濃くなっている)原因の一つには基準面を1000hPaにしていることがあると思います。

上空に行くほど相当温位が高いと安定と判断されます。

次に図は地表面を0メートルを基準とした福岡の温位エマグラムです。

上空15000までほとんど等相当温位です。

地上で周りから少しでも高い相当温位の空気が流れ込めば15000までいっきに上昇することが見慣れた方はわかると思います。



2011年10月11日火曜日

筑波山の4つ目の温度 湿球温度

放射冷却と呼ばれる現象は、地表温が湿球温度に強い相関が認められました。

ところで気象現象を温度を中心に考えるのは適切なことなのでしょうか?

温度にCvを掛けると空気の内部エネルギーになり、Cpを掛けるとエンタルピーと言うエネルギーになります。
温度で気象現象を語るのは空気の内部エネルギーやエンタルピーだけで語っていることになります。
明らかに水蒸気の形でもつエネルギーが欠けています。
地表面の温暖化などは温度だけで議論すると水蒸気のエネルギーが欠けてしまい適切な議論にならないと思います。

湿球温度は水蒸気の形のエネルギーを含んでいます。
また、湿球温度(絶対温度表示)に位置エネルギー÷Cpを加えると相当温位になります。
カン違いでしたすいません。仮想的な水蒸気量も考えなければなりません。
湿球温度は高さを気にしなければエネルギーと考えてよいでしょう。
高さが問題になるときは水蒸気の形のエネルギーと位置エネルギーを含む相当温位が適当だと思います。
乾燥断熱減率 乾燥断熱減率と温位エマグラム 温位エマグラムと湿球温度 ―雨雪判別― 参照

温度より湿球温度で議論したほうが適切な現象がありそうです。
考えてみると、物理現象はエネルギー保存則を用いるのは当然のことです。


今回は、湿球温度と地表温の関係を整理しました。
グラフを見てください。






夜間に地表温が湿球温度より低くなる季節(1212月)がありますが他はほぼ地表温が湿球温度になるようです。

おそらく、空気中に浮いているオーブのような水粒が地表に落下するのだと思います。
本来、空気成分の分圧比は高さによらず一定(大気成分とギブスのパラドックス 参照)のはずなのですが水蒸気圧は上空に行くと極端に減ってしまいます。
この差がオーブのような雲粒(?オーブを雲粒と呼べるか疑問ですが・・・)になると思います。
次のグラフは2006年の時間別(048121620時)の湿球温度と地表温の相関です。
縦軸が地表温、横軸が湿球温度です。
0時相関係数 0.99 回帰式 Y=0.97X0.65
04時相関係数 0.99 回帰式 Y=0.96X0.73
08時相関係数 0.98 回帰式 Y=0.88X0.25
12時相関係数 0.72 回帰式 Y=0.72X+0.63
18時相関係数 0.97 回帰式 Y=0.91X0.52
20時相関係数 0.99 回帰式 Y=0.95X0.63

放射冷却と呼ばれる現象より強い相関がでました。
オーブのような降り始めは、十分に地表面は冷却されず湿球温度が高く、また、降り積もる目に見えない粒子が小さければその温度は湿球温度よりかなり低くなる可能性があります。(湿度100%以上でないと雲粒はできないか? 参照)
このような事柄が放射冷却と呼ばれる現象時の相関が悪くなる原因と想像します。
「夜間に雲が広がり地表の熱が逃げないなどとする」論があるようですが理論として成り立ちませんし、こうした現実とも矛盾します。

データは「筑波山気象・水文観測プロジェクト」からダウンロードしました。
筑波山気象・水文観測プロジェクトのホームページ
データがダウンロードできるページ

機器構成

気温は地表から 1.5メートル
地表温は地表
地温は地表から マイナス1センチ
の温度です。


2011年10月9日日曜日

筑波山の放射冷却と地表温

筑波山 地表温の謎で夜中から明け方にかけて風のないデータをひろいだしました。
俗に放射冷却現象が起きた日のデータを主にひろいだしているはずです。
結果は、気温と地表温に相関関係が無いはずですが、相関係数が0.96と強い相関を示しました。
相関関係が無いはずとは、地表冷たくなれば対流が起こりません。
地表は1.5m上の空気に影響を与えらません。
空気は断熱材ですから、地表が冷えて地上1.5mの空気が冷えると考えるのは無理があるのです。
ちょっとびっくりするかもしれませんが冷静に考えれば当たり前です。


地表温が相関関係の原因でないのは明かです。


白く降っているのは雪ではなくオーブです。肉眼では見えずフラッシュを撮影すると写ることがあります。

ところで私の考えは、
「大気はオーブのような目に見えない降水粒子に冷やされているのではないか?」
と言うものです。

思ったより大量に降水粒子は地表に落下しているようですから、

放射冷却と呼ばれる現象が起きている時
地表温は降水粒子の温度、湿球温度になるのではないか?
と考えられます。

オーブのような大きさなら、その温度は湿球温度と考えてもよいはずです。

筑波山気象・水文観測プロジェクトは気圧や相対湿度(地上1.5メートル)も観測されていますから
地上1.5メートルの湿球温度は計算できます。



綺麗な相関関係となりました。
横塾が湿球温度、縦軸が地表温です。
赤丸は「地表温の謎」同様に |地表温-湿球温度|<1℃ のデータをプロットしました。
全データ数は866
赤丸の数は51559.5%
地表温が湿球温度より1℃以上高かったのは18621.5%
地表温が湿球温度より1℃以上低かったのは16519.0%
でした。

全データの相関係数は0.98
回帰式は湿球温度 X 地表温 Yとすると
Y0.9X0.61
でした。

筑波山では晴れて風のない夜は目に見えない降水粒子が大気を冷やすと結論してよさそうです。

データは「筑波山気象・水文観測プロジェクト」からダウンロードしました。
筑波山気象・水文観測プロジェクトのホームページ
データがダウンロードできるページ

機器構成

気温は地表から 1.5メートル
地表温は地表
地温は地表から マイナス1センチ
の温度です。

















2011年10月8日土曜日

筑波山 地表温の謎

もとデータは「筑波山気象・水文観測プロジェクト」からダウンロードしました。
筑波山気象・水文観測プロジェクトのホームページは
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/
データがダウンロードできるページは
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/sub6.html

機器構成
http://www.weather.co.jp/mtTsukuba/drawing/mtTsukuba_gif_2.gif

気温は地表から 1.5メートル
地表温は地表
地温は地表から マイナス1センチ
の温度です。

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気温・地表温・地温の関係は多分ほとんど謎なのだと思います。
知っているようで知らない、わからないけどわからないと言えないから放射冷却や温室効果のようなデマがはびこっているのだと思います。
地表温が昼頃から下がる観測事実は放射などで説明できるものではありません。 
気象が科学なら情けない話だと思います。

再び温度の日変化を季節ごとにながめて、少し想像してみました。

 季節わけですが・・・
地温が0℃を下回ることがあるのは123月と12月ですが12月はわずかでした。
 123月を冬季とし3カ月単位で季節わけをしました。

              冬季 日変化(気温・地表温・地温)
         春季 日変化(気温・地表温・地温)
          夏季 日変化(気温・地表温・地温)
          秋季 日変化(気温・地表温・地温)

 グラフの黒丸(●)は気温・地表温・地温それぞれの最大値です。
 地表温の最大がでるまで5つのステージがありそうです。
 ここではABCDの4つのステージについて色分けしてみました。

 A:明け方(前?)にかけてゆっくり各要素の温度が少し下がる
 B:日照が出て地表温が地温に追いつく
 C:地表温と地温が共に上がる
 D:地表温が昼にかけ昇温ペースが鈍り最大に達する

 5つめのステージはBやCのステージが終わって急激に地表温が上がるステージです。
 昇温のペースが上がるのは日射量が多くなるのと夜露が完全に蒸発したためと想像しています。

Aにつて各温度について0時の値と最低温度の差は
冬 気温 0.6℃ 地表温 0.6℃ 地温 0.4
春 気温 0.3℃ 地表温 0.5℃ 地温 0.7
夏 気温 0.3℃ 地表温 0.3℃ 地温 0.5
秋 気温 0.3℃ 地表温 0.5℃ 地温 0.4
有意な違いがあるのか疑問ですが経験から下がると考えてよいと思います。

1.ステージAと放射冷却
変化が小さく面白くないので晴れて、風の無い日の冷却現象について考えてみました。
Aのステージにおいて地表温は他の温度より低く対流は起こりませんから地表温と気温は無相関と考えられます。
データは風は吹かないとして 06時で風速0.3未満の気温と地表温を拾いました。

全データ数は866でした。
赤丸は|気温-地表温|<1.0℃のデータをプロットしたものです。
データ数453で全データの52%になります。
地表温が1℃以上高かったケースは708%、低かったのは34340%でした。
見ただけで資料の半分は1℃程度の差でX=Yの直線に載りそうだと判断できます。
回帰式も直感的に書けそうです。
Xを気温、Yを地表温とすれば
X=YB
気温-地表温の平均は1.5℃でしたのでBはおおよそ1.5としても大きくはずれないでしょう。

エクセルで計算させたら相関係数0.96回帰式
X0.96Y1.8
となりました。
蛇足ですが、相関係数と傾きが同じ値になったのは偶然です。

私は、オーブのような目に見えない降水が冷やしていると考えていますが・・・
この結果は私の考えを否定するものではなさそうです。

2.地表温がゆっくり上がるステージ
地表面がゆっくり上がるステージはBCがありそうです。
B:地温は一定で地表温が地温に追いつくまでのステージ
C:地表温が地温に追いついた後に地表温と地温が共に上がるステージ

ステージCは春と夏に顕著になります。秋と冬には無いようです。

私が分からないだけかもしれませんが何か不思議なことが起きているようです。
事実を並べてみましょう。
Cが現れる季節は地中温が24時間気温より高くなっている。結果、気温と地中温は交わらない。
Cの領域は地表温が地温を暖めているようにみえます。また、温度の上がり方は鈍い。
日射量の違いもあるでしょうが・・・

さて、Cのあとの地表温や地温の上がり方から比べると熱容量が大きくなるいと考えられます。(熱容量が大きいと言えば水・・?)
地中の水分量の影響?温度上昇の鈍さ(熱容量)は説明できますが・・地表温と地温が同時に上がる理由にはならない。

地表温の最高(A)-最低(B)は
冬 地表温最高  8.5℃  地表温最低 -  3.0℃  AB  11.5
春 地表温最高 22.1℃  地表温最低     9.0℃  AB  13.1
夏 地表温最高 25.2℃  地表温最低     17.5℃  AB   7.7
秋 地表温最高 13.1℃  地表温最低      4.4℃  AB  8.7
これもヒントにならない。・・・

グラフからは気温と地温が同じだと地表温はストレスがなく上がると読み取れます。
地温が高いとCの現象があらわれる?根拠にならない。
データに立ち返りましょう。




不思議ですが、7月はなにかが地表を冷やしているようです。
この冷却が偶然Cになったのかもしれません。


これ以上は私の力で解決できそうにありません。

3.ステージD
地表温の日変化をどのよう考えたらよいでしょうか?
実はグラフ書いて地表温の日変化を初めて考えました。
ショックをうけたからです。
どうしてショックをうけたのか少し説明させてください。

例えば気温ですが・・・
気温の主な熱源は地表面です。
地表は空気を暖め順繰りに少しづづ上空の空気を暖めていきます。
地表が空気を1℃上げる時。
初めは地上1メートル程度の空気でよいのですが、時間が経過するにつれ地表から2メートルまでの空気を暖めます。
さらに100メートル、そして1500メートル程度まで温めます。
*1500メートルは850hPa位まで等温位になると言う経験則です。大雑把な最高気温予想に利用されていました。
時間経過とともに1℃暖める空気の量が指数関数的に多くなるのです。
結果、気温は次第に上がりにくくなります。
地表温はどうでしょう。
南中時にかけては日射量が大きくなるステージですから温度の上昇は加速されるはずです。
地温や空気を暖める熱量と日射で得る熱量がバランスするまで上がり続けるはずですから午後(夕方?)にピークがでてよさそうです。
明らかに事実はこうした想像と違う。
地表温は一番日射量の多い南中時を過ぎると温度下がってしまいます。
なにかが地表を冷やしています。
こうした冷却圧力とのバランスをとり昇温ペースが弱まるようです。
想像している地表を冷却する力は思った以上に強いようです。


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天気解説を聞いていると「雲のお布団」理論がはやっているようです。
雲が地表の熱が逃げるのを妨げているかのような話です。
放射冷却と同様なデマです。

ちゃんと「雲」の温度を推測すべきなのですが資料をたしかめていないのですね。
しかしデマはいけない少なくともデータをふくめ根拠がありません・・・

ちょっとはやいですがやがて雪の季節になります。
湿球温度の高度分布を見れば雪雨判断が容易です。
同時に「地表が雲の温度より低くなることはない」ことがわかるのですが・・・
まだ、みないかなあ?

2011年10月3日月曜日

筑波山の3つの温度 その2 地表温の日変化

もとデータは「筑波山気象・水文観測プロジェクト」からダウンロードしました。
筑波山気象・水文観測プロジェクトのホームページは
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/
データがダウンロードできるページは
http://mtsukuba.suiri.tsukuba.ac.jp/sub6.html

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熱源である地表温が気温や地温に影響を与えるはずなのですが・・・
この日変化をどのように考えてよいのか?
私にとってはちょっと意外なものでした。

私には何かが地表を強く冷却しているとしかおもえません。
地表面の日変化を物理的に説明することはかなり困難だと思います。
少なくとも、昼12時頃から放射冷却が始まると説明する人はいないと思います。


とりあえずグラフを中心にみますが・・・・

その前に、私の持っているイメージについて簡単に振り返っておきます。
私は、空気には上空を暖め、下層を冷やす働きがあるのだろうと考えています。
でないと上空の温位は高くならないからです。
(あるいは、空気の熱容量が乾燥空気の熱容量より大きいと考えてもよいのですが・・理由は省略しますがこのスタンスはとりません)

暖めるのは水蒸気の液化や固化、冷やすのはオーブのような目に見えない降水粒子だろうと思っています。


筑波山の日変化
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月


地表温度は南中時刻ころから急激に下がるようです。上がり始めは日の出あたりですが地温がマイナスだと立ち上がりがやや鈍いようです。
9時頃のアクセントがきになります。