中部日本におけるGPS可降水量の季節・日変動の事例的考察

中部日本におけるGPS可降水量の季節・日変動の事例的考

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誌名

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信州大学農学部紀要

ISSN

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05830621

著者

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山崎, 脩一郎

星川, 和俊

巻/号

巻/号

48巻1-2号

掲載ページ

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p. 57-63

発行年月

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2012年3月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センター

Tsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research Council Secretariat

中部日本における

GPS

可降水量の季節・日変動の事例的考察

山崎惰一郎・星川和俊

信州大学農学部森林科学科 要約大気水蒸気の鉛直積分量で、あるGPS可降水量を指標として，中部地方を中心とする12県で図ま れた範函における可降水量の季節・日変動を事例的に考察した。まず，可降水量の季節分離を行ったとこ ろ，可降水量の増減は夏季と冬季に大きく二分され，明瞭な季節変化を持つことが確認された。この季節 分岐点は年ごとに変化するものの，地点による相違がみられなかったことから，可降水量の季節変化は大 規模な場で一致していることが考えられる。一方で、8月における可降水量の日変動には地域間差がみられ， 局地的な水蒸気輸送が関与した可能性がある。さらに可降水量と降水量の日変動のパターンが類似する傾 向を有したが，複数年データによる整合性の検討を今後の課題とした。 キーワード:GPS可降水量，中部日本，季節変化 1.は じ め に 2.対象地域のGPS可降水量の推定 2.1.対象地域と使用データ 大気中の水蒸気は水循環を構成する要素のひとつ であり，この水文量の特性を知ることは，地域環境 を把握する上で必須である。従来のラジオゾンデに よる水蒸気観測では，その動態を捕らえようとする 場合，空間分解能・時間分解能ともに限定される。 また， リモートセンシングによる観測では雲による 影響が大きく，地上近くの水蒸気観測は難しい。こ のような状況の中で，最も期待される水蒸気観測の 方 法 と し て 考 え ら れ た の がGPSを 用 い た 可 降 水 量 の推定である1)。 対象地域は，図

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こ示した中部地方を中心とした 12県 で 固 ま れ た 範 囲 で あ り ， 黒 丸 はGPS観 測 局 の 電 子 基 準 点 ， 白 丸 は 地 方 気 象 官 署 お よ びAMeDAS の観測局を表す。 ここで， GPS可 降 水 量 と は 地 上 か ら 大 気 上 空 ま での単位底面積の空気柱に含まれる総水蒸気量を表 すものであり，国土地理院が公開する GPSデータ から推定できる。 GPSに よ っ て 推 定 さ れ る 可 降 水 量は数値予報へと応用されるとともに， GPS技術 の発展により推定の精度も向上してきている。また， このGPSデ ー タ の 収 集 ・ 蓄 積 も 進 行 中 で あ り ， 今 後さらに詳しい地域の大気水蒸気量の把握に貢献す る可能性もある。 よって，本稿ではこのGPS可 降 水 量 の 推 定 値 を 用いて，中部日本における大気の概観的な水蒸気の 季節・日変動を検討するとともに，降水量との関係 をも含めた事例的な検討を行う。 受理日 2011年12月15日 採択日 2012年1月26日 380 N 370_N 360_N 350 N

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LocaI MeteoroI ogi caI Observatory AMeDAS 1370_{E 138}0_E 図 1 対象とした中部日本地域

58 信 州 大 学 農 学 部 紀 要 第48巻第1・2号 (2012) 表1 使用したデータ 利用目的 データの種類 取得した項目 期 間 時間分解能 大気遅延量 ーー・---崎・---..トー-・... GPSデータ 経度・ 可降水量推定 経度・楕円体高 2005年~2010年 3時間毎 海面気圧 -ーー・・仲晶圃園、ー特.---- -気象データ 地上気温 骨・ーーー・---ー--- -降水強度算出 降水量 1991年~2010年 毎時 精度検証 高層気象データ 気温・気圧・ 2008年 9時 相対湿度 気象データ GPSJI平和Tデータ 桁 円f本祷i i1~年 ネX …

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皮---L一一一一二￨ I支 静 水j主 遅 延 量 力11m平 均 気 漏 変 換 係 数 大気遅延;量 湿 潤 遅 延 量 一 一 + 可 降 水 量 図2 可降水量算出のフロー 解 析 に 使 用 し たGPSデ ー タ は 国 土 地 理 院 が 公 開 す る GPS連 続 観 測 シ ス テ ム GEONET (httpj/ terras .go .jp/ja/index .html)の解析データである。 電 子 基 準 点 は 全 国 に 約1240箇 所 あ り ， 図1の 対 象 領 域 内 に は 約300箇 所 あ る 。 こ れ ら の 観 測 点 の ， 位 置 情 報 お よ び1日3時 間 ご と に 推 定 さ れ る 大 気 遅 延 量 デ ー タ を 取 得 し た 。 デ ー タ の 詳 細 を 表

1

に示した。 2.2. GPS可 降 水 量 の 推 定 GPSに よ る 可 降 水 量 の 推 定 法 は ほ ぼ 確 立 さ れ て お り ， 既 往 文 献2)の一般的なアノレゴリズムによって， 可降水量の推定を行った。 つまり， GPSの 電 波 は 大 気 や 水 蒸 気 の 中 を 通 る と 遅 れ が 生 じ ， そ の 遅 れ を 距 離 に 換 算 し た も の を 大 気 遅 延 量 と 呼 び ， こ の 大 気 遅 延 量 を 用 い て 可 降 水 量 を 推 定 す る 。 そ の 方 法 は 図2のとおりである。 大 気 遅 延 量 に は 乾 燥 大 気 と 水 蒸 気 に よ る 遅 延 が 含 ま れ ， 乾 燥 大 気 に よ る 遅 延 を 静 水 圧 遅 延 と 呼 び ， 地 上 気 圧 の デ ー タ を 用 い て (2.1)式， (2.2)式より 求める3)。 ZHD

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ZTD-ZHD ZWD:湿潤遅延量 (m) ZTD:大気遅延量 (111) ZHD:静水圧遅延室 (m) (2.3) こ の 湿 潤 遅 延 量 を 用 い て (2.4)式 に よ り 可 降 水 量 PWVを推定する。 (2.5)式 は こ の と き に 用 い る 変 換 係 数 を 求 め る 式4)で， k₁， k2， k3は 実 験 的 に 求 め ら れ た 定 数5)で、ある。 PWVニrrxZWD rr-， 105 - (_! r_R>_v!( _k 1. 1.

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なお， (2.2)式 お よ び (2.6)式 に お い てGPS局 位 置 の 気 圧 と 気 温 が 必 要 と な る が ， 本 解 析 で は 近 傍 の気象官署などの気圧，気温からの内挿値を用いた。 本 節 で 推 定 し たGPS可 降 水 量 の 精 度 を ， 高 層 観 測 デ ー タ よ り 計 算 し た 可 降 水 量 と の 比 較 に よ り 検 証 した。 2008年 9時の推定値の場合， GPS観測点・ 輪 島 と 輪 島 高 層 観 測 所 よ り 求 め た 可 降 水 量 の 相 関 係 較 は

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3.1 季節変化 3.推定結果と考察

3

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季節分離の方法 最初に，中部地域の代表的な6地点を対象として， 2005年~2010 年の GPS 可降水量を推定し，季節変 化の検討を行う。続いて，図

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こ示した中部地方全 域の2009年の GPS可降水量を用いて，日変動の検 討を行う。 水文量は一般的に1年周期が卓越すると考えられ る。そこで可降水量の季節的変動を分離するために， 推 定 し た 可 降 水 量 の 日 平 均 値 を 用 い て ， 以 下 の 方 法川)により，変動特性を分析した。 Yi:;u 2.0 ，-' ， 。 。目 AtsUl'1'11 一般に水文時系列は， (3.1)式で表されるものと する。 SYio.1t Atsu口、i 0

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(b)移動標準傷差SYi l 2006年 2∞7年 2∞ 昨 四9年

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対象6地点はGPS観測局:渥美 (愛知)，岐阜A(岐阜)，主幹 (三重)，輪島 (石)11)，白馬(長野)，松本(畏野〕 図3 中部地方6地点における(a)移動平均および(b}移動標準偏差

50 信 州 大 学 農 学 部 紀 要 第48巻第1・2号 (2012) Xj(l)ニTRDj(l)

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FLCi(l) (3.1) XUL): i:年t日の可降水量 TRD1(t) :トレンド成分 年周期の明確な変動があるので， トレンド は355日の算術移動平均によって表現でき るものと仮定 FLCi( : t) TRDj(t)IJ'らの偏差，つまり季節変動成分 (3.1)式からトレンド成分の影響を除去するた め， (3.2)式の新しい時系列を考える。 Y (jt)= X j(tjTRD'(t) (3.2) =1十FLC1(t)/TRDj(l) この新しい時系列 Y1(l)に対して，その移動平均と 移動標準偏差はく3.3)式， (3.4)式 に よ っ て 定 義 される。 Y可 m Y

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1

日ごとの極端な変化特性を 平滑化することによって，原データの年周期性を保 証するためで‘ある。 3.1. 2 結果と考察 2006年から 2009年までの代表的な 6地点の可降水 量の移動平均および移動標準偏差の結果を示したも のが図3である。 前節で述べた

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1となる季節の分岐点を みると，いずれの場合も可降水量は5月ころを境に して増加方向に， 10月ころを境にして減少方向に移 動する明瞭な季節変化を示す。このように季節が明 瞭に二分されるのは，日本列島の南北に位置する大 きな気団の移動に伴って，列島上空の気温の飽和水 蒸気量が，連動して増減した結果であると考えられる。 5月頃に現れる季節の分岐点の場合，年によって 5月上旬から6月まで，約3週間のばらつきがある。 他方， 10月に現れる季節の分岐点は10月中旬に集中 し，ばらつきが小さし、。このことは，春から夏にか けての昇温期における大気の動きが年ごとに変化す るのに対し，逆に降温期ではそれが安定しているこ とを示している。 年ごとに推定された可降水量の移動平均と移動標 準偏差によれば，冬季よりも夏季に大気水蒸気重の ばらつきが大きし、。特に，梅雨や台風などによる水 蒸気移流の差が影響したことが認められる。 以上の結果，可降水量はその量を多く含む夏季と 少ない冬季に明瞭に二分され，その季節変化点は年 ごとの大気の南北移動に追随する。したがって，可 降水量の季節変化は大規模な場で-起きた現象と考え られ，中部地方全域での年ごとの変化はほぼ一致す る。 3.2 日変動 3.2.1.日変動の解析方法と結果 図4および図5は，対象地域における冬季と夏季 の可降水量の日変動の様相を示したものである。図 中の日変動の値は，日平均値からの月別時刻別偏差 を示しており， 2009年 1月および 8月の値を求めた。 両図における凡例値の範囲が異なっていることに注 意されたし、。なお，日平均値からの時刻別偏差とし たのは，既往研究の成果に準じて，可降水量は標高 の高い場所ほど小さくなることからへ地点ごとの 標高差による値の地域差が現れる影響を避けたため である10)。 1月の日変動を見ると，可降水量はし、ずれの地点 も9時に最も小さく，夕方から夜にかけて大きくな る傾向となり 8月に比べその日較差は小さL。、 一方で，図5に示された 8月の日変動の場合，日 変動の地域間差が見られる。つまり，太平洋の沿岸， 平野部は日中減少し，夜から早朝に増加する。他方， 中部地方内陸域や日本海沿岸域は日中から夕方にか けて増加傾向が読み取れる。このような内陸域での 日中における可降水量の増加は，大気の局地循環が 発達する夏季静穏日に限定した解析例と一致し9L10}， 山谷風や海陸風による水蒸気輸送の効果が考えられる。 3.2.2.可降水量と降水量の関係 ここでは可降水量と降水量との関係について考察 を試みる。 図6は中部地域を縦断する糸魚川，白馬，大町， 松本，飯田，天竜，浜松の各観測所で得られた1991 年から2010年までの降水量の日別季節別変化を表し

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o (mmt 4 Itoigawa E I ida OOh 03h 06h (JST) {直は日平均値からの時刻別偏差であり，時刻は日本標準時 図4 2009年 1月における可降水量の日変化 値は日平均値からの時刻別偏差であり，時刻は臼本標準時 図5 2009年 8月における可降水量の臼変化 Hakuba Oomachi

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Ilour 丁目立yu Hamamatsu 09h 21h 図6 中部地域を縦断する 7 観測所における 1991 年~20l 0年までの降水量一 (111111/11) 日 間

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The case study of Seasonal and Diurnal variation of GPS-PWV in Central Japan

Shuichiro

YAMAZAKI

and Kazutoshi

HOSHIKA W A

Department of Forest Science, Faculty of Agriculture, Shinshu University

Summary

(PWV) in central Japan, using PWV obtained by the Global Positioning System. First, in the case of seasonal change, the change of PWV is divided in summer season and winter, and has a clearly seasonal variation. Furthermore, seasonal variations of PWV are same movements on a large scale, because the turning point changes every year and there are no differences each station. Next, diurnal variation of PWV in August has differences each area due to moisture transport by local circulations. And then diurnal variation of PWV would be linked with diurnal variation of precipitation, but we need to check by long years data.