内容太陽放射エネルギー観測の歴史 19 世紀以前から20 世紀初めまで空洞黒体絶対放射計サーモパイル型日射計世界放射基準 (WRR) と世界放射センター (WRC) 国際地球観測年による世界展開 Baseline Surface Radiation Network (BSRN) 現在の気候変

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ときなとべ
5 years ago
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1 太陽放射エネルギー観測の現状と課題早坂忠裕 ( 東北大学大学院理学研究科 ) 謝辞 : 下記の方々の図をお借りしました高村民雄 ( 千葉大学 ) 内山明博 ( 気象研究所 ) 三枝信子 ( 国立環境研究所 )

2 内容太陽放射エネルギー観測の歴史 19 世紀以前から20 世紀初めまで空洞黒体絶対放射計サーモパイル型日射計世界放射基準 (WRR) と世界放射センター (WRC) 国際地球観測年による世界展開 Baseline Surface Radiation Network (BSRN) 現在の気候変動研究における日射量の観測日射量の全球マップ図 Global Dimming and Brightening 日照時間や雲量を用いた日射量の推定分光放射計による太陽放射観測の現状検定の重要性多様な使われ方まとめ観測機器固有の課題観測目的に応じた測器検定オペレーション

3 太陽放射エネルギー観測の歴史

4 19 世紀以前から 20 世紀初めまで Pouillet の直達日射計イギリスの天文学者 J. F. W. Herschelによる無気黒色温度計を応用太陽放射の吸収熱を温度変化に代えて計測 1837 年フランス人 Pouilletによる太陽定数の推定現在の太陽定数よりも13% 小さい値を得たその後の流水式日射計や銀盤日射計の原型となった (Fröhlich, 1991)

5 銀盤日射計 1908 年にスミソニアン天体物理研究所で開発日本では1932 年に中央気象台で開発その後 1981 年まで使用黒色塗装された銀盤の温度変化を水銀温度計を用いて測定 ( 気象研究ノート 185 号 1996 より )

6 オングストロームの電気補償式直達日射計 1893 年 K. Ångströmにより開発された薄い黒色マンガニン板 2 枚の1 枚に受光もう1 枚に電流を流してジュール熱を発生させる同じ温度になるように調整して受光した太陽放射エネルギーを推定する現在の絶対放射計に繋がった (Fröhlich, 1991) ( 気象研究ノート 185 号 1996 より )

7 空洞黒体絶対放射計 1960 年代にアメリカジェット推進研究所 (JPL) 等が開発受光部と補償空洞にヒーターを巻き電気的に加熱して受光時と遮蔽時の両者の温度差を電気的に補償して測る ( 能動型 ) または遮蔽時に受光部が受光時と同じ温度になるように加熱して電気的に熱量を測る ( 受動型 ) (Kendall and Berdahl, 1970)

8 サーモパイル型全天日射計熱電堆 (thermopile) を用いて受光部とヒートシンクの温度差から生じる起電力により測定または大きさや色 ( 白黒 ) を代えて2 種類の熱電堆受光部を用いその温度差から日射量を測定熱電堆には一般に銅コンスタンタンが用いられる ( 気象研究ノート 185 号 1996 より )

世界放射基準 (WRR) と世界放射センター (WRC) WRRは1977 年に5 台の空洞黒体絶対放射計の平均値として定義スイスダヴォスの世界放射センター (WRC) で維持精度は ±0.3% 以下かつてのÅngström Scale 1905( 主にヨーロッパで使用 ) とSmithsonian Scale 1913( 主にアメリカで使用 ) の差は5.

9 世界放射基準 (WRR) と世界放射センター (WRC) WRRは1977 年に5 台の空洞黒体絶対放射計の平均値として定義スイスダヴォスの世界放射センター (WRC) で維持精度は ±0.3% 以下かつてのÅngström Scale 1905( 主にヨーロッパで使用 ) とSmithsonian Scale 1913( 主にアメリカで使用 ) の差は5.0% であったことが判明その結果 WRR/Ångström Scale 1905=1.026 WRR/Smithsonian Scale 1913=0.977 WRR/IPS 1956=1.022 我が国では 1956 年まで Smithsonian Scale 1913 その後 1980 年までは IPS 1956 その後は WRR Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos (PMOD) / World Radiation Center (WRC) もともとは結核の療養所として 1907 年に設立 1909 年から太陽直達光の観測を開始 1926 年に SFI(Schweizerisches Forschungsinstitut für Hochgebirgsklima und Medizin: 高山気候と医療に関するスイス研究所 ) の一部となった 1971 年に世界気象機関 (WMO) が WRC に指定

10 国際地球観測年 (International Geopysical Year, IGY ) One of the principal aims of the IGY was to learn more about the relations of our planet to the sun. The meteorological programs in all parts of the world were reinforced with solar radiation measurements. (Landsberg, 1961) (Martin, 1958)

その後はドイツのAlfred Wegener Institute for Polar and Marine Research

11 Baseline Surface Radiation Network (BSRN) WCRP/GEWEX の一環として1992 年にスタート 2007 年まではスイス連邦工科大学 (PI= 大村纂 ) で維持その後はドイツのAlfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI) が維持精密な放射測定システムを備え気象データ等も近くで観測されていることなど厳しい条件を満たした観測ステーションのネットワーク現在 59 箇所

12 現在の気候変動研究における日射量の観測

13 日射量の全球分布図の例 (Budyko, 1956) S S0 1 1 k n S : 日射量 S0 : 晴天日の日射量 n : 雲量 (1 kcal/cm2/month = W/m2)

14 夏の日平均日射量 ( 地表における下向き短波放射量 ) (Raschke, 2004)

15 冬の日平均日射量 ( 地表における下向き短波放射量 ) (Raschke, 2004)

16 (Trenberth et al., 2009)

17 (W/m 2 /decade) (Wild, 2012)

18 中国における日射量の長期変動 (Shi, Hayasaka et al., 2008)

19 From Qiu et al. (2000), Luo et al. (2001), Chu et al. (2003)

20 Scattering AOD by Wang (2006) From Qiu et al. (2000), Luo et al. (2001), Chu et al. (2003)

21 Total cloud amount trend for Kaiser (1998, GRL)

22 中国における日射量の観測値 ( 衛星観測日射計 ) (Hayasaka et al., 2006) 境界層内の光吸収特性の強いエアロゾルの存在で説明できる (W/m 2 ) Beijing Summer Winter CLOUD AEROSOL Sfc

23 Parameterizations for SW radiation (1) For clear sky condition, downward SW flux is estimated by using basic meteorological data, S S 0d m F1 ( C )(1 i3)(1 j1) df d C F , DUST , DUST DUST ( DUST ) i ( md 7 2log10 w) log10 w j ( DUST ) 0.5 (ref 0.15) S df : average downward SW flux on the Earth s surface, S 0d : SW flux at the top of atmosphere, DUST : turbidity factor, m d : daily mean optical airmass, w: precipitable water, ref: surface albedo

24 Parameterizations for SW radiation (2) For cloudy sky condition, downward SW flux is estimated from sunshine duration, S S d N N a b N 0d 0 for 0 N N 0 1 c for N N 0 0 S d : average downward SW flux on the Earth s surface, S 0d : SW flux at the top of atmosphere, N: sunshine duration, N 0 : maximum sunshine duration, a, b, c, N: parameters depending on the instrument type

25 (W/m 2 )

26 (W/m 2 ) High correlation coefficient with positive bias in most cases

27 分光放射計による太陽放射観測の現状

28 太陽直達光の分光観測によるエアロゾル光学的厚さの推定 ( 仙台 )

29 ( 気象研内山による )

30 ( 気象研内山による ) センサー出力センサー出力 AIRMASS AIRMASS

31 ( 千葉大高村による )

32 ( 国立環境研究所三枝による )

Energy, water, CO 2 budget FLUXNET Long Term Ecological

SKYNET AsiaFlux http://atmos.cr.chiba-u.ac.

Phenological Eyes Network JapanFlux Monitoring - sites JaLTER

Needleleaf Forest Terrestrial Environment Research Center (Univ.

for Humanity and Nature * JAPAN SGD TGF TKY MSE RHN FJH KEW

) Most of the PEN sites are located at the AsiaFlux sites.

fluxes between ecosystems and the atmosphere.

33 Energy, water, CO 2 budget FLUXNET Long Term Ecological Research ILTER ( 国立環境研究所三枝による ) Aerosol, Cloud, Radiation SKYNET AsiaFlux East Asia Pacific ILTER-EAP ILTER-EAP PEN Sites PEN Phenological Eyes Network JapanFlux Monitoring - sites JaLTER 1000 (MOE, Japan) Sugadaira (Univ. Tsukuba) Grassland Takayama (Gifu Univ. & AIST) MODIS 8 -day composite TFS Tomakomai * (NIES) Deciduous Needleleaf Forest Terrestrial Environment Research Center (Univ. of Tsukuba) Deciduous Broadleaf Forest Research hi Institute t for Humanity and Nature * JAPAN SGD TGF TKY MSE RHN FJH KEW Grassland Mase (NIAES) Urban Kiryu (Kyoto Univ.) Most of the PEN sites are located at the AsiaFlux sites. AsiaFlux is a monitoring network of carbon, water and energy fluxes between ecosystems and the atmosphere. Rice Paddy Field Fuji Hokuroku (NIES) Evergreen Needleleaf Forest * TFS and RHN stopped operation in September, 2004 and Deciduous Needleleaf February 2006, respectively. Forest

34 観測機器固有の課題まとめ全天日射計直達日射計の原理検定方法はほぼ確立干渉フィルターによる分光放射計の安定性は近年改善された回折格子による分光放射計は比較的安定している分光日射計 ( 紫外線計光量子センサー等を含む ) においては入射角特性 (COS 特性 ) 及び受光センサー感度の波長依存性で改良が必要観測目的に応じた測器検定オペレーション現在の気候変動研究における日射量の観測長期間のデータが必要精度は現状 ( 5W/m 2 ) で可全自動化は難しい日射計のガラスドームのクリーニング等が必要日照時間等を用いた日射量の推定も有用全球を高時空間分解能でカバーするには衛星データの利用が不可欠分光放射計による太陽放射観測各種波長別 ( 分光 ) 放射計の検定方法の確立が必要研究分野目的によって必要な時空間分解能や測定精度が異なるのでそれに合わせた観測方法を選択することが重要関連研究者における情報の共有と協力により放射観測を活用することが重要

内容 1. AsiaFlux とは 2. AsiaFlux サイトの主な観測項目 3. 観測手法標準化の取組 2

陸域における放射観測さいぐさのぶこ三枝信子国立環境研究所地球環境研究センター陸域モニタリング推進室 (AsiaFlux Tsukuba Branch Office) 1 内容 1. AsiaFlux とは 2. AsiaFlux サイトの主な観測項目 3. 観測手法標準化の取組 2 内容 1. AsiaFlux とは 2. AsiaFlux サイトの主な観測項目 3. 観測手法標準化の取組 3