和泉 辰男1・紙井 泰典2・近森 邦英3
(I山陽緑化産業.2農学部生産環境工学講座.3高知大学名誉教授)
Convectional Phenomena Photographed
by Infrared Rays Thermoscope at Kagami Dam
Tatsuo IZUMI≒Yasunori Kamii^ and Kunihide Chikamori ' 'Ｓａｎでｙｏ Ｒｙｏｋｆｅａ Ｓａａｇンｏ Ｃｏ. Ltd.
＾ Cfiaiｒ of Ｌａｎｄ Ｅｎｖiｒｏｎｍｅ几tal Ｅｎｇｉｎｅｅｒi几ｇ, Ｆａｃｕltｙ of Ａｇｒicｕltｕｒｅ ＊ Ｅｍｅｒitｕｓ Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ, Ｋｏｃｈｉ Univｅｒｓitｙ
Abstract: Authors photographed the water surface of Kagami Dam Lake in Kochi Prefecture to
observe the thermo-convection by infrared thermoscope from evening till midnight on 1998/11
/ll, 12/02, 12/10, 12/17, 12/25, 1999/1/07 and 1/09. There were thermocline during summer, but
through November and December, lake water temperature went down, EC (Electric
Conductiv-ity) values of the whole water went up and thermocline disappeared｡
Two types of convection were appreciated, the smaller one and the bigger one. The typical
smaller convection cells whose diameters were only several cm, were observed on 1998/11/11
evening, and disappeared within 10-20 seconds after appearance. The cells looked like coming
from 1.5-2.5m below the surface. The area of cells dilated at ａ constant rate, which confirms
constant ascending flow from inside water body. ０ｎ the contrary, the bigger convection cells
which were of more than camera view, observed at night on 1998/12/25, and continued to exist
for more than 10 minutes｡
By use of one dimensional convection model proposed by Kimura et a1. (1993)",
thermo-convection were analysed and 0.075 ｢/ｓ/ ｢of ascending discharge per unit area for smaller cells
on 11/11, and main mixed layer at this time were given as about 13m.
キーワード：対流，赤外線放射温度計，水温 要 約 高知県鏡ダム湖の水面を赤外線放射温度計により撮影して，対流セルの発生を視覚的に捉えた． 調査期間は1998年11月11日∼1999年１月９日で，夕方から深夜にかけて計７回の観測を行った.11 月から12月，1月と時期が進むにつれて水温の低下，成層の消滅，電気伝導度値の増大が見られた． また，この調査の結果対流には表層と比較的浅い層との間で起こる小規模なものと，全層をまきこ んだと思える大規模のものとがあるように思われた.11月11日の対流は深さ1.5∼2.5 m辺りから湧 昇している，直径数Ｃｍの至って規模の小さなもので，10∼20秒間で現れては消えた．このときの対
２ 高知大学学術研究報告 第48巻 (1999年) 自然科学 流セルの面積は時間とともに等差数列的に増加することが観察された.12月25日の夜半のものは． 画像でカバーしきれない広い範囲で10分以上の長時間にわな=つた,ﾉ犬対流を木村らの鉛直一次元モデ ルによって解析した結果，小規模の下降流の単位面積当たり流量はほぼ0.075 ｢/Ｓ/ ｢程度であると 思われた．また1998/11/11め混合域は約13mであっだ.･･.･･ .・.･ ･.･.･ ･: 緒 論‥‥‥‥ ‥‥= 貯水池における対流現象は，貯水池の水の循環と熱収支を考えﾚる上で重要な問題である．ダム湖 に代表される人工貯水池では成層周期があり，‥春から夏にかけて成層化する./成層は，比較的低温 の深水層，温度が急変する躍層，及び比較的高温の表水層からなる．秋期になると夕方から夜にか けて気温の低下によりごダム湖水面が冷やされ，低温／高密度め表層と,こ=Jj ま だ暖かく低密度の内部水 体との間に鉛直方向に密度差が生じ対流現象が起こる．このとき水体中には下降流と対流セルと呼 ばれる上昇流が現れる／対流は時刻につれ，また冬季が近づくにうれ七次第に大規模となり，最終 的には全層対流循環となって貯水池水温を均一化してしまう．こダ)対流の発生条件，規模，周期， 環境要因等については知られていない部分が多い．ここでは高知県鏡村に位置する鏡ダム湖堤体付 近において, 1998年11月から1999年１月=にかけて，赤外線放射温度計宍（サーモトレ←サ）を用い， 対流の発生している水面の２次元水温分布を撮影することによって，対流セルを視覚的とらえると ともに，湖水温の鉛直分布を測定し，鉛直一次元モデル1）によ:ら/で下降流の流量に流速を数値的に 解析し，対流現象の実態解明のための調査・研究を行った， く 赤外線放射温度計（サーモトレーサ）の測定原理 赤外線放射温度計（以後「サーモトレーサ」という=）は=,ﾉﾉ……4F接触型の高感度赤外線放射温度計で， 測定物から自己放射されている赤外線エネルギーを検出器（カメノラ）で光学的に走査し，電気信号 に変換することにより，カラーの熱画像として表示する計器であﾚる．＼▽ し 物体から発する赤外線（波長0.72μｍ∼1000μｍ）と温度とは密接な関係がある．単一波長の放 射強度と波長との間の関係は. (i)式で表される（プランク=の法財) 5),J)……゜ ＼ TJ7 C＼卜声-11 ここに，Ｗ，：分光放射発散度[Ｗ／ ｢] λ：波長[ｍ] ‥ 六万･ｿﾞ.=こ…………し……… ７：黒体の絶対温度[Ｋ] ト 十 Ｃ，：第一放射定数[2πhe'=3.7402×io-"(w ｢)]j C2 : 第二放射定数[ch/k=1.4388X10-HmK)ト 九：プランク定数. 6.6262×10'34[J･ｓ]＼， ニ 瓦：ボルツマン定数, 1.3807〉く10'23[J/Ｋ]つ …… ｃ：光速, 2.9979×108[ｍ/s] :＼ 倒 プランクの法則を波長の全帯域にわたって積分すると，有名なステファン・ボルツマンの法則が 得られる((ii)式参照)．この式によづて黒体は絶対温度の4乗に比:例した放射エネルギーを放出して おり，逆に放出される放射エネルギーを測定すれば，その物体φ温度を知ることができる．
t W 二
吋匹=箭
｀ ” 二 T= aT ［Ｗ／ ｢］ に。7:ステファン・ボルツマン定数[5.67032×10'8[Ｗ･ｍ‘2･Ｋ-り] (岫 観測方法 万 １．観測地 観測地の鏡ダムは洪水防止，上工水，発電を目的として，高知県土佐郡鏡村今井(右岸)と大利 (左岸)間に鏡川を堰き止めて高知県が建設した堤高47.0m,堤長150m,堤体積72千 ｢の重力式コ ンクリートダムである．昭和43年４月に着工され，昭和42年１月に竣工した．ダムと貯水池の諸元 を第１表に示す． 第１表 鏡ダムの諸元 犬 貯 水 池 常時満水位 夏期制限水位 常時満水位 予備放流水位 鍛低水位 EL. 75.0m （7月,9/21-30) EL. 68.0m （8/1-9/20） EL. 63.0m EL. 63.0m EL. 53.0m 集水面積 湛水面積 総貯水量 有効貯水量 洪水調節容量 上工水容量 発電容奎 滞妙容量 サーチヤージ容量 サーチヤージ水位 80.8 km 0.52 k ｢ 9,380千 ｢ 8,360千 ｢ （洪水期） 6,130千 ｢ （非洪水期) 1,070千 ｢ （洪水期） 4,020千 ｢ （非洪水期) 7,290千 ｢ （洪水期） 2,620千 ｢ （非洪水期) 5,890千 ｢ 1,020千 ｢ 1,070千 ｢ EL. 77.0m ダ ム 堤高 堤長 堤体積 型式 堤頂標高 基礎岩盤高 越流クレスト高 地質 47,0m 150.0m 72.0千 ｢ 重力式コンクリート EL. 78.0m EL. 31.0m EL. 66.0m 輝緑凝灰岩，砂岩，泥岩 ２．観測日と観測方法 1998年ｎ月11日，12月２日，12月10日，12月工7日，↓2月25日，!999年１月７日，１月９日の計７ 回測定した. NEC三栄社製サーモトレーサ検出部.（TH3102型）を鏡ダム堤体中央部に位置する鏡 ダム管理所より上流側に突き出たバルコニーからほぼ真下に向けてベレ月の観測は60°∼6ｙの俯角 をつけて）セットし，時刻17:00ぐらいから４秒毎√=約５時間の連続撮影をした．走査角は水平30 度，垂直28.5度に設定し，対流現象め細部を撮影するため５倍ズーム（１月は!.1倍ズーム）で撮影 した．１月７日，１月９日の観測では撮影範囲外の様子を確認するため時々カメラを左右上下に動 かした．また水質計(Orion Research社model 128)を用い，鉛直の水温と電気伝導度を赤外線放 射温度計観測地点の近傍で測定を行った．鉛直水温分布は，深さ↓2mまでは0.5m間隔，以降20m までは１ｍ間隔，それ以深は２ｍ間隔で測定した．また，高知県鏡ダム管理事務所から撮影当日の 風向，風速，気温，湿度，水温，蒸発量のデータをいただいて解析に使用した．第１図，第２表に 撮影範囲と撮影画像の関係を，また写真１，２に鏡ダムにおける計器設置の様子を示す．４ 撮影日時 1998.11/11 1998.12.02 1998.12/10 1998.12/17 1998.12/25 1999,01/07 1999.01/09 Ｈ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ∼ 72.93 69.28 68.73 67.75 66.35 63ユ2 62.70 第２表 ＨI ▽5.35 9.40 j 10.06 10.40 12し50 ト15.30 16.60 ︱ ︱ Ｊ ︱ Ｊ Ｊ ａ﹂ｍ 35 5495 00 1 . 0 2 2 1 . 0 5 7 … … 贈 Ｈ：水面から力yメ∇ラまでの高さ,ｙａ： 写真１ サーモしト〉レーサセン 積 倍＼率 石 ｽ 倍 二 ∧ ク . ･ ･ ･ 々 ▽ ･ ク . レ ． ： ク ･ 1 . 1 佐 々 ･ ・ ． ･ 範囲の
写真２ サーモトレーサコントロール部(ＮＥＣ三栄社製TH31-110)
解析方法
１．データ処理方法
サーモトレーサーの温度データには周囲の環境が影響する．鏡ダムでの観測でも風，雲，月など 様々な周囲の外乱が温度データに作用し，誤差を生じさせる．そこでサーモトレーサの撮影範囲の 平均温度(ｘ)を, Orion Research社の水質計(model 128)により直接計測した水温データ(y)各30 個を用いてキャリブレーションし(第２図 参照)サーモトレーサによる温度を実際の 温度に補正して使用することとした･ x,y 両温度の関係はy＝0.741ｘ＋9.020(R2 ＝0.9065)であった．第２図において，ｎ 月11日と↓2月10日のデータは回帰直線より も上に，そのほかの日のデータは下にプロッ トされることから，外乱による誤差は多少 あると思われるが，換算式に組み込むこと は困難であったため，ここでは外乱による 影響は無視することとした．解析にはこの 換算式により換算した結果の温度を用いた． 一 巳 ０ ５ ０ ５ ０ ２ １ １ 別妥屍旅９Ｍｊ謡一価冊９︰﹃｀ａｌｏ ｙ -5 ０ Ｘ ５ 1 0 サーモトレーサによる水温（℃） 第２図 サーモトレーサ水温のキャリブレーション データ解析は，次のような手順で行った．サーモトレーサで撮影した画像を下記の熱映像解析プ ログラムを用いて画像内の最高温度，最低温度，平均温度を表計算ソフトExcelにＤＤＥ転送して， ４秒間隔の基本データを作成し，最高温度，最低温度，平均温度を20分間隔でグラフ化しか．また 最高温度と最低温度との差(温度レンジ)を求め，それの21個移動平均をグラフ化し，検討を行った． さらにOrion Research社製水質計による水温と電気伝導度の鉛直分布，鏡ダム管理事務所の観測 になる水温，気温，湿度，風速などの気象観測データ，サーモトレーサの画像をインクジェットプ リンタで印刷した後，画像から読みとった水温の温度波高等のデータを用いて以下に述べる方法に より対流セル発生の外部環境要因，規模，周期，上昇速度について検討を行った． 本研究に使用したソフト：
６ 高知大学学術研究報告 第48巻(1999年）自然科学 日本電気三栄社製熱画像処理プログラム ク データコンバートプログラム ２。解析方法 TH31-701∧VER.2.3 TH 31-723∇VER.2.2 湖沼やダム湖などの成層，対流現象は，基本的には熱による流体の浮力効果を考慮した運動方程 式と熱輸送方程式の境界条件を満足するように解くことにより表すことができる．しかし，運動方 程式が移流項を含むために非線形であり，また，一般の湖沼域などで解を求め:るには境界条件が複 雑なために方程式を解くことは容易なことではない． ト 木村・李・伴1)はこの難点を克服するために，移流を無視した鉛直￢次元デモデルに対して以下に 示す比例係数α，εの導入を試みたレ ……… ………ﾚﾆ〉 水面からの深さ釧こおける水温θ(z)の鉛直分布が与えられているとするとき，その最大水温を 侃，そのときの深さをｚ，表層で冷やされて沈降してく∧るﾚ流氷塊の温度をe'iz),表層水の単位 面積当たり沈降流量をq{z).沈降流速を副乱沈降水がやがで自)らと同じ水温，密度のところま で下降してきて沈降を停止する深さを恥，ダム湖の湖底め深さを為とすると，第３図に示した△ｚ 層における熱収支は次式で与えられる． …………==,ﾚj j…… Gpｽﾃﾞ△ｚ＝ＣＪ (1) ここに，￡：時間，Ｇ：水の定圧比熱(4.2×10≒J･kgちK-'),ρ:水の密度(1.0×103kg･ｍ'3)，ん 熱伝導係数(15°Ｃ，1気圧の場合5.9×1O''J･ｍﾌﾞ･s'l･Ｋ九九 二 表層水の沈降量q{z)が沈降速度ω(岫に比例する七仮定する七√ q = ew ここに，ε：比例係数． 沈降水の流体抵抗が沈降速度wiz)に比 例すると仮定し，比例係数をαとすると， 沈降永の運動方程式は次式で表される． １ ￣ド ∂ω2
-∂Ｚ 印βie - e')- aぱ(3)
ここで，17:重力加速度，α：流体抵抗 係数，β：水の熱膨張率(１ｙＣの時L5×1 0ツＫ)．なお，上式には次の関係を用いて いる． ∂ω -∂乙 一 一 ∂Ｗ心 一一∂乙冶 一 一 １ −２ ∂ω2 -∂Ｚ
嗇司
(2) ト÷･次元熱対流モデルの概念図（木村らljより） (1)式をZ = Zmから２＝２まで積分すると，次式を得るて=ｿﾞ……:万: (4)ここに，λ(＝klC。ｐ)は温度伝達率, e'{z)は２＝２.から２＝２までの平均水温で，次式で表さ れる。 j￣(ｚ)＝ j[e{z)dz ﾑ壁￨。｡,-(２,−２．)ゑt?dl (5) (7) (8) 叫 叫 1 (z-z｡) ｚ＝訓こおいて9'(４)＝O(6)となるので, (4)式から次式が与えられる． ９ "■ {e。-e'J) ∂−θ'＝Ｏ のときｙ＝０となることを考慮してａ･(２)はd-e'に比例すると仮定すると, (2)式 からq'iz)は次式で与えられる． q=x{e-d') ここに，エは比例定数であり, (7)式から得られた9‰を用いで次式のように表される｡ ＿＿…91− χ￣θ｡−０’。 T また. (4)式と(8)式より e- 6' ＼よ，次式で表される。 e-e'゜V÷{(ｚ−２．)ぴ十(∂｡−０‰)ｑ。−j器}‥‥‥ ‥‥ ‥(i‘' 旧式を(8)式に代人するとQ'iz)が求められる。 ニ ＼ 次にεとαの求め方であるが, e, aはともにｚの関数と考えられるが，ここではｚとは関係なく 一定と仮定する｡(2), (3)式によりωを消去すると，次式が得られる. Tp首＝ε2即β(θ−ダ)−ε叫'＼ 剛 剛式をｚ＝ｚ｡からｚ＝ｚ｡まで積分すると，次式を得る。 jｌ）ｇβ510￢e')dz- eａr:４ ｄｚ十十ρ9'｡2〒0 ここに，沈降は抵抗によるエネルギー損失 庄ダ臨 が最小値をとるように起とると仮定する と，㈲式をεで微分して，
2謳のＥりぬｰｲ:戸一白から十o
上式の第３項は定数項の微分であるから＝Ｏとおいて図式と連立させて解くと，次式を得る． ･＝仁８
∇言雨戸聯:
ここにｚ｡は旧式の右辺がｏとなるときの１ 式により求められる。＼ ： ＼＼ . ａ 丿 ･ 戸 ＝ ; む .￡ 流量の連続性を考えると，対流･の湧昇量q{z) リ(ｚ)は対流規模によらて異なるので,ペヴ概には 大きさ(面積)４を対流規模と同←視す石とすjれ4言θ)+1
以上が鉛直一次元モデ歩による対流の沈降ﾚ･ ３．計算方法 ‥‥‥ ‥‥ ‥‥‥‥‥=万:: 鉛直水温分布0iz)データは√前述のようﾉに深゜j 隔,犬それ以深は２ ｍ間隔で測定したが√間隔が不1 0.5m澗隔に作り直したに.犬従っﾚで△ｚサ0.5mにとらj る計算はﾄ∂。が鮮明に現れている=日時のデー=夕 よって沈降・湧昇速度及び沈降・湧昇量を求め ・ 1998年.n1月j11日･ ニ17:40･20･i40‥‥‥‥J……j一一 1998年i2月10日 ﾚ19:06-21:ﾚ30……… !999年1月７日上 20:33-22･:30▽ ……… layy^ l月犬1に1 ∠'jU.OO一乙^:oり ……… ｍ上記の調査時刻における水温鉛直分布を用いで=ﾉ 上記各日ﾚの初めの方の時刻め鉛直水温分布のう=:' ただしに最高水温がわずかの距離をおいで複数i 深さをｚ。とした。犬 十 ………Ｉ ０‰の取り方は，水柱らは密度不安定層内の? とってい芯が，ここでは。①表層水温(ｚ〒/o)√ﾚ ｍまでの平均水温，④水面下Oｙ1ぶｎまでjめ平 沈降・湧昇量と速度を求め万たレまたμ√ｚ6しを＼たう 依存するため危険ど考え,＼｡底近yく/の最下層6＼屈 を7･., T^とし，.(711-72)/3:によ/つ七近似すると - i 1 , - L - i ^ ･ - L / ･ 9 ･ ＼- L I - ^ ￡ J i ･ w l - w ' ∼ . ﾐ f - . i / . ● x : - . ￣ . 悦 牛 √ 廿 ， よ せ よ 扉 尚 尚 ノ ｽ ﾞ ﾙ ∂t ’＼∂t．'￣で'￣ｙＴク▽TT￣二∧……… 尹均水温と，その次の調査時刻でめ同様乙 は深さｚ＝２を含む上層３ ｉと下層〉3＼出 での平均水温と，その次の調査時刻でめ同様め ∂t '￣'T"￣'￣ ￣￣▽ 一犬 ‥‥‥‥‥ Ｃ、、1)（λ、削よ説明文の値を使用七た．応に ∂θ - 十 尚 二 倒 七考えてよい．湧昇速度 で観察される＼対流セルの ｙう=L…………=……:･.･･.. ･･ ‥‥‥‥‥‥‥ ㈲＼ l/を=求めjる式である． y:=､以降20 mま宍では.1m間 でするjだﾉめﾄに内挿により･ 直土次元対流モデルによ l:･ﾚの=結･果,ト実際に対流干.デルに した..十また, e^, Zr. ＼よ， りしと＼き犬の深さをとった． 姐に現れた(浅い.)方の K面下∧1ﾚ血の水温の平均値を め平均水温√＼③水面下Ｏ∼１ ／を与えて，それに対応する 5ぐの･は√ニ瞬間的読みとり値に 牡ｙに分け√=各々の平均水温 ﾉだ宍は々∇＝バ任意の深さ)ま 隆過時間(秒単位:)で除した. 9除ﾚして求め=だ. ,………と:=I･きのｚを.4吏用七た．16℃ 観測結果ニ ノ １．鉛直水温分布と気象 し 撮影当日の水温分布の変化を第４図に示す．Ｕ月11日においては17:40のときの臥は16.5℃，４ は1.5mであったが，同日20:40にはθ．はi6.2t:に低下している．この間表層水温も16.3℃から16.0 ℃に低下しており√ほぼ同じ低下を示している．こめ後の22:40の水温も併せて考えると，この時 顕著な水温低下が認めちれるのは深さ３ｍﾚまでと, 13-20m深さのあたりであうた．このことは， 一見対流は深さ３ｍ程度の浅いところで起こっているようであるがにその影響は深さ20mにまで及 んでいることを示唆するものと考えられる． 第４図から，11月11日のゆるやかな温度勾配の成層状態が，12月２日には表層７∼８ｍでの温度 勾配が急になづている．このことは標高66mの越流クレストからの放流が毎日のように行われてい たことと関係があるかもしれない．表層水温だけではなく，深層部の水温も低下していることから， 対流が全層的に行われているといえようトしかし，12月10日以降は成層部が次第に消滅していって いることがわかる．この図は横軸が等間隔目盛りになっていないが，対流を発生させながら冬の接 近につれて次第に全層的に水温低下していっていることが分かる．各回観測日毎に初めと中程と終 わりの水温を示しているが，いずれの日も最初(夕方)ダは各層の温度にバラツキとフラツキが見ら れ，夜がふけるに従って徐々に安定していっている．これも対流の影響と考えられる．水深は11月 11日が28.33 m, 12月２日が24.68m, 12月10日が24.13m, 12月17日が23.15m, 12月25日が21.75m, 1月７日が18.52m, 1月９日18.10mであった． 第５図には各観測目の初めに測定したＥＣ(電気伝導度)の値の変化を示す．水温と似たような 躍層のようなものが見える．また，水深が深くなるほどＥＣ値が大きくなること，観測日が後にな るほどＥＣ値が大ぎくなる傾向などが読みとれる． つ ＼ 7 0 65 6 0 55 5 0 45 ８℃ ８℃ ９℃ 10℃ 1 0 ℃ 11℃ 12℃ 12℃ 第４図‥調査日，調査時刻による水温・水位の変動 ｎ月11 H WL. 72.93 15℃
10 ･ 気 温 ( ℃ ) 水 温 ･ 2 5 ・ 6 0 55 5 0 4リr十卜 ‥ ……80 .. 第５図＼調査日.に 温 度 ( Ｓ ) - 1 0 0 1 7 ヤド言 ２０ 15 10 ５ ０ 気岨 ･10 11 12 13 14･IS 16 1･7 18」9 第６図∧ 1998年11月i1日ヶ12 匁温・木温騰,≪(%) （ ℃ ） ･ ･ 2 5 2 0 15 。10 ５ ０ 80 60 − Ｉ 4 0 気温 最大凰速 10 n 12 13 14 15 16 17:18 19 第７図ト12月２−３ ･･最大風速 (m/s) 1 0 ５ ０ 1 0 ５ ０
曳温 (℃) 水 温 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 気 ・ ・ 水 ｉ ， ( ･ C ) , 5 − 2 0 − 1 5 1 0 5 0 気温 (℃) 湿 度 く ％ ） 平 均 ・ 最 大 風 速 1 0 ５ ０ ( m / s ) 10 11】2 13 14 15 16 17 IS 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 時刻(時) 第８図 12月10−11日の気象(鏡ダム管理事務所測定) 湿 度 叫 ） ・ 1 0 0 7 最 大 風 速 . j ゛ * ' ' ･ ゛ ゛ 轟 一 一 ' 永 ' ゛ ゛& ‘ ゛ ‘ ゛ χ & ﾊ ﾞ χ ｡ ， 平 均 瓜 速 ゛ 水岨湿度(％) 2 5 2 0 1 5 １ ０ ５ ０ 湿 度 一 髪 - I 一 個 − ● ″ ″ 平 均 一 ● - " ‐ ･ 一 一 ■ 最大風速 _ (m/s) 1 0 ５ ０ 平均 最 大 風 速 ( I 7 l / S ) 1 0 ５ ０ Ｖ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 789 吽刻(時) 第９図 12月17日−18日の気象(鏡ダム管理事務所測定) 鷹 度 / l t . ･ ' − ･ ￣ 麟 ゛ I ￣ 暉 ･ ― ■ ― ■ ■ ■ ･ ￣ ● ' ゛ ‐ ･ ￣ ･ ● ' ‘ " 高 ' ･ ' ･ - ■ ■ - " ･ " ￣ 轍 ･ ･ ￣ I ・ / ぼ 10H!2 13 14 15 1(5 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 時刻(時) 第10図 12月25−26日の気象(鏡ダム管理事務所測定)
気温 (℃) 水 Ｓ . 2 0 ・ 1 5 ・ ０ ■ n o ｉ ｎ １ 一 湿度(％) ￣100湿度 8 0 4 0 ０ I･，最大風速 平 均 23 01 1ダ2プ3 14プ5 6 7 S 時刻(時) 第11図 １月７−８日の気象(鏡ダム管理事務所測定) 気温・水温温度(％) （ ℃ ） 2 0 15 ０ ５ ０ ５ 平均 10 11 12 13 14 15 16 17 18 】9 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ツ ／ 時刻(時) 第12図 １月９日−10日の気象(鏡ダム管理事務所測定) 最大風速 (m/s) 1 0 ５ ０ 最 大 風 速 ( m / s ) １ ０ ５ ０ 第６図∼第12図に，鏡ダム管理事務所の観測になる撮影前後の各時刻の水温，気温，湿度，平均 風速，最大風速を示す．気温等は管理事務所の別棟(左岸側)で計測ﾉしているが，水温だけは湖水表 面から10∼20cmほど下で測定している．第６図(11月j11日二)の気温と湿度の関係はかなり相反してい る．水温は詳細に見ると気温と連動しているのであるが√ごの図の座標目盛りの取り方でははっき りとはわからない．ｎ月，12月の風速は低く安定しでいたためレ観測には好適であったが，１月７ 日，９日の風速は大きく，劣悪な条件であった．十 ＼ ＼ 2｡1998/11/11の観測結果 17:4〔〕から測定を開始した．この表は晴天で風，月の影響もなく:√表層冷却による対流が期待さ れた．撮影開始後すぐにサーモトレーサの画像では対流現象が起ごっていることが確認された．対 流セルの規模はサーモトレーサの画像から換算しておよそ縦横OJ紬×0.25 m の対流セルが水面下 から上昇してきていると考えられる.17:40∼18:20までの対流セルの温度は15.8°C∼16. reで， 17:40に測定した鉛直水温分布と照らし合わせて考えるとし鉛直水温分布の最高温度は深さ1.5mに おける16.5°Cであり，また17:40の時間帯での対流ﾔﾉﾚの温度か16.1での層は，水面下↓∼２ｍの 付近にあることが分かった．このことから，この時間帯に現れjだ対流セルは水面下1.5∼2.5mの付 近から上昇してきたと考えられる． ＼ ＼
第13図∼第15図に1998/11/11の17:38:29(①), 17:38:33(②)，17:38:37(③)の熱赤外線画像を示 す．画面全体の大きさは縦0.543m,横0.573m (5倍ズーム)である．第13∼15図の十字線交点の対 流セル(湧昇流)の大きさは中心高温部(約16.2°C)で縦×横が①3.3cm X 3.8cm,②7.3cm X 8.4cm,③ 9.7cm X 10.8cm丿周辺のやや低温部(約15.9°C)も含めると，①6.1cm X 7.6cm,②9.7cm X 12.8cm,③ 12.2cm X 14.4cm,周辺部と中心高温部との距離の差はいずれの時刻も変化がなく，冲心部面積の経 時変化は①12.3 ･，②61.4 ･，③105.2c ｢とほぼこの範囲では等差数列をなす． このような対流セルは，撮影開始時から17:40∼18:20頃まで発生していた．サーモトレーサの画 像内の最高温度と最低温度の差(温度レンジ)の21個移動平均を見ると(第16図), 17:40∼18:00では 0.6°C∼0.8°Cで周期的に変化しており，その最高温度差から最高温度差までの周期は約14分間であっ た.18:00∼18:20では0.65°C∼0.85°Cで，その最高温度差から最高温度差までの周期は約４分間で あった．サーモトレーサの画像では対流セルの出現頻度は17:40∼18:00より18:00∼18:20の方が多 かった．このときの気象条件は気象観測データによると工7:00∼18:00の問で南西の風，風速Ｏ∼５ m/s.気温13.6°C∼11.7°C,湿度が57.6%∼75％であった． それ以降のサーモトレーサの画像での対流セルの出現は単発的で，発生頻度は少なかった．画像 内最高温度と最低温度の温度差(温度レンジ)の移動平均は0.65°C∼0.75°Cで，最高温度差から最高 温度差までの周期は不規則になっていて，明瞭な周期は認められなかった(第16図(ａ),(b)). 5 土 … … … = 苓 : 1 ∧ 1 , : 0 . 9 7 ｽ . j = j : ･ Z . Ｉ : 芦 皿 戸 ･ ﾚ 0 … … … ﾚ ﾑ … … ， ド プ … … : J . … … j =I . … … : : … … … 1 … … … … … … … … j ･ j l : j . ･ m ･ / l l / ･ 1 1 F ∧ に ∧ … … … … : … … … : : ﾉ 万 : 1 : j … … … : y ‥ ‥ ‥ ‥ ｹ ﾞ : y … … … ﾚ j ﾚ … … … : … … ＼ … … … … … ニ I T : 3 8 : : i 4 第13図 湖水面熱画像(1998/11/11 17:38:29)
14 高知大学学術研究報告 第48巻=ニ(1999年）自万然科学 lｌ:1 =Sﾌﾟ:0.9T 第14図 湖水面熱画像(1998/11/11ト17:･38:33) 第15図 湖水面熱画像(1998/11/11 17:38:37) ≪ ｅ ０ ０ o I ’ Ｃ
1.2 1 ０ ８ ０ ６ ０ ４ ︵ ０ ・ ︶ 癩 側 唄 0.2 0 ｊ ｌ
以
AlkA H I MI
'リ黙1ﾑ，
tUni
W’旬
I n I I Iiuiilf ｜ １ １ １ １ １ １ １ １ １ 「 １ １ １ １ １ １ １ １ Ｏ Ｏ ■ ２ １ ９ ５ -Ｌ ｉ ９ ９ -L l 寸 Ｑ -Ｌ ｌ Ｚ Ｓ -Ｌ ｌ ｏ ９ -Ｌ ｌ Ｂ Ｖ Ｌ ｌ Ｓ Ｖ Ｌ ｌ W Ｌ l Ｚ Ｖ Ｌ l ｏ Ｖ Ｌ l 第16図㈲ 1.2 1 ０ ８ ０ ６ ０ ４ ︵ ｐ ︶ 痢 側 唄 0,2 0一温度差
言匹
時刻 98/11/11最高一最低の温度差と移動平均１
６
1 11 V ， １１ 誌
１ね
Ｖｎ
関戸i/V' y 1
ｌ ｌ ｌ ｜ １ １ １ １ ｄ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ １ １ Ｏ ２ : ８ １ ９ １ : 8 L 9 1 : 8 1 寸 i m Z i : 8 1 0 1 : ８ １ ８ ０ : ８ １ ９ ０ : 8 L 寸 ｏ : ８ １ ２ ０ : 8 l ( ︶ ｏ : ８ l 第16図(b)一温度差
巨匹
時刻 98/11/11最高一最低の温度差と移動平均 3. 1998/12/02の観測結果 17:40から測定を開始した．この日の天候は曇りで，日中はあまり気温が上がらなかった．また 観測時の風速が２∼３ｍと強かった．夜になっても雲があり，雲の合間からは月が照っていた．こ れらはサーモトレーサの画像に影響を 及ぼしたと考えられる．サーモトレー サ画像は鮮明でなかったが，対流現象 が起こっていないことが確認できた． この日のサーモトレーサ画像内の最高 温度と最低温度の移動平均は，時折大 きく変化したが，周期性は感じられな かった(第17図(ａ)ﾊﾞb以 鉛直水温につ いては３回の観測とも表水温13.2°C∼ 13.5°Cと，深さ1.5m∼2.5mの水温と 比べて特に低くなってはいなかった． ０ ９ ０ ８ ０ ７ ０ ６ ０ ５ ０ ４ ０ ３ ０ ２ ０ １ ︵ Ｑ ・ ︶ 痢 幽 哺 ０ ｜ ｉ Min I L血｣ ､植Ｊ刎１ 目 目１ 胴ll･ 11 11 n目%r'¶ynM4FI･W朧5 ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ 』一温度差
添髪
1! Q! 芯写!ｉ!ＳＩ芯ＳＳ８ ●● ●● ●･ ■● ■● ●● ●● 丿● ■■ ■■ ●● ;こ;こr r- rこ;こにt-≫ l l 00 時刻 第17図向 98/12/2最高一最低の温度差と移動平均16 高知大学学術研究報告 第48巻(1999年）∧自=然科学 9876543210 I 一 − 一 一 − I I 1000000000 ︵０・︶痢側唄 ｌ 口ｌ ｌ ｌ 口 iiiL.iiyMyyi釦4ｊ “ 佃 『 rtT"″゛｀Wi り｜Ⅲ１ j”W‘「」 ｜ ｜ ｜ １ １ １ １ １ １ 91^81 ＾1:81 Zi:91 0L:８Ｌ ８０:８Ｌ ９０:8L 寸ｏＳＩ Ｚ０:８１ ００:８l 時刻
一温度差
ﾂﾞﾋ匹
8L:８L ‘ｏり回 第17図(b) 98/12/2最高一最低の温度差と移動平均 4. 1988/12/10の観測結果 ……:…………= ノ ……=･. .･ .. 19:00から測定を開始した．この日の天候は晴れ首,上平=均風道は=Ｌｍ前後と観測には適していた． この代表的な対流セルは20:30頃に見受けられた．サーモトレーサの画像から換算しておよそ縦0.1 5∼0.25m X横0.14∼0.22mの対流セルが水面下から上昇七てきでい……:芯と考えられる．そめときの対 流セルの温度は12℃であった．この時間帯での鉛直水温分布は測定七ていない. 1998/11/11のとき の対流セルと比べると，この日の対流セルは表水面に現れてからの浮遊時間が長かった．サーモト レーサ画像内の最高温度と最低温度の温度差(温度レンジ)はﾚ……観測時間=帯全七において0.7°C∼1.3 ℃の大きな変動を見せていた．移動平均の周期性はユ分から2こ分七亘く不規則であった(第21図(ａ)， (b),(ｃ)). 第18図 湖水面熱画像(1998/12/10い19:11:24)第19図 湖水面熱画像(1998/12/17 18:48:49)
18 高知大学学術研究報告 第48巻………(1999年）自然科学 oｑａ３'<ｊ-ｃｖii-ｏｏtＯ’ｒｃvi0 1111 0000 ︵０・︶痢側唄
一温度差
詰臨］
2 i : ６ １ ０ １ ^ ６ １ ８ ０ : ６ １ ９ ０ : ６ ｌ 寸 ｏ : ６ Ｌ ２ ０ : ６ １ ０ ０ : ６ l 第21図㈱ " s ｒ ｃ ｖ i Ｔ - Ｃ Ｏ 0 3 ’ Ｓ - ｃ ｊ ０ １ １ ０ ０ ０ ０ 。 ︵ ｐ ︶ 痢 赳 唄 ｔ･２ｼ回Ｓニ……… ●● ●● ●■ ■■ １･､回土器犬5?∧し 最低の温度差と移 ︵︶1;':６１ ８Ｓ:６１ ９Ｓ:６ｌ ｆｒＥ:６１ ２ｅ:6l り ｏＳ-61.*一 ８２:６１ ９２:61 n-Ｇｉ ＺＺ:６１ ０Ｚ:６l 第21図㈲ 98/12/10最高一最低め温度差と移動平均 ４■ ＣＳｉ Ｔ-ＣＯ ６４︰2 0 11 0000 ︵０・︶痢側唄 8９:61-９Ｓ:６１ １７９-６１ ＺＳ:６ｌ ｌ ｏＳ･61 ＾ 第21図㈲ 98/12/10最高こ最低の温度差と移動平均 5. 1998/12/17の観測結果 ヘ：…… :…………:1 ○ ･･･.¶ 17:20から測定を開始した．この日の天候は晴れで観測仁道七でいた／また，月も傾いていて， サーモトレーサの画像には影響しなかったと考えられ=るj……:この日=めｲﾍﾞど表的な対流セルは18:48頃に 見受けられた．対流セルの規模はサーモトレーサ画像から換算して縦0.8m∼1m，横0.3∼0.5mと 以前の観測に比べると大きな対流セルであった．このﾚ[]のササモレトレーサ画像内の最高温度と最低温度(温度レンジ)の差は0.7℃∼13℃までの変動を見せた．その移動平均の周期性は２分∼５分と 不規則であった(第22図㈱,(b)).鉛直水温分布は20:30と22:30で水面の温度が水面下１ｍの水温と 比べて約1(Ｃ低かっか． １ ０ ９ ０ ８ ０ ７ ０ ６ ０ ５ ０ ４ ０ ３ ０ ２ ０ １０ ︵ ０ ・ ︶ 刎 側 唄 ︷ ︸ 寸 ■ Ｌ Ｉ ２ ￡ -Ｌ ｌ ９ ￡ -L l 寸 ￡ -Ｌ ＼ . Ｚ Ｚ -Ｌ ｌ ｏ ￡ -Ｌ ｌ ２ Ｚ -Ｌ Ｉ ｄ Ｚ -Ｌ ｌ ｆ ｒ ３ : ／ . Ｌ Ｚ Ｚ -Ｌ Ｖ ｏ Ｚ -Ｌ l 第22図(ａ) １ 9876543210 − − ︱ 一 一 一 ︱ − −000000000 ︵０・︶痢剌喘
一温度差
二塁⊇
時刻 98/12/17最高一最低の温度差と移動平均 ｜ 喝1 1 11 imn ｊ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｏ Ｏ Ｓ Ｉ ８ ９ : ／ . １ ９ ９ : ／ . I 寸 ９ -Ｌ ] . Ｚ ９ -Ｌ Ｉ Ｏ ９ -Ｌ ＼ . Ｓ Ｖ Ｌ ｉ ９ Ｖ Ｌ Ｉ 寸 寸 ■Ｌ i Ｚ Ｖ Ｌ l Ｏ Ｖ Ｌ l 第22図(b)一温度差
匡諧ぷ
時刻 98/12/17最高一最低の温度差と移動平均 6. 1998/12/25の観測結果 18:10から測定を開始した．この日の天候は晴れで観測に適していた．また月も出ていなかった． この日の代表的な対流セルは２種類あったと思われる．１つは観測を開始した17:00頃からすでに 起こっていたもので，対流セルの規模はサーモトレーサの画像から換算して，縦横およそ0.23 m X 0.51mと見受けられた．対流セルの温度は10.2''C∼10.5°Cであった.17:00∼20:00までの気象条件 は平均風速0.1∼0.8m/s,気温6.9°C∼10°C,湿度63.7%∼96.9%であった．もう１つは20:30頃に 起こったもので，画像内全体の温度が上がったと思ったら，急に全体温度が下がるという対流現象 だった．このときの平均温度差は約0.6°Cであった(第23, 24図)．この日観測した鉛直水温分布は， いずれも表水層から水面下22mまで0.7°Cの温度差で，温度変化が小さかった．サーモトレーサ画 像内の最高温度と最低温度の差(温度レンジ)は, 0.6°C∼1.2°Cの間の値を示していた．移動平均は 18:10∼18:50まではほぼ一定で変化しておらず，その後は不規則に0ヱＣ∼1.0°Cの値を示していた (第26図㈱,{b)).2 0 c ａ ｏ ｏ Ｉ Ｉ Ｉ ■ 1 ｒ ４ r u 高知大学学術研究報告 第48巻(1999年ト自 第23図 湖水面熱面像(!998/12/25 20:291:29)
】Ｓ:1………:i :0.95プII:X5.0 re.O………ｿﾞ………
第24図 湖水面熱画像(1998/12/17 20ﾚ:=29:45)
1.6 42186420 I I 畷 Ｉ Ｉ ■11 0000 ︵ｐ︶痢赳唄 第25図 湖水面熱画像(1999/ l/ 7 20:33:00) ｜ ｜ ， １ ,11, ｌ ， 叫芦
Ｊ
ｉ １i,
￨μ ¨゜"TiTafmr"-鴫緬IWI ・ ｉ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １一温度差
匡摺ぷ
S CM ま;Ｓｇｌｇｇｇｇｇ 丿● ●● ●● ●● ●● ●● ●･ I● ●● ●● ;こにに;ここ;こにににに 時刻 第26図㈱ 98/12/25最高一最低の温度差と移動平均22 高知大学学術研究報告 第48巻(1999年）自然科学 6 ４ 1 1 １ ２１ ０ ８ ０ ６ ０ ４ ︵ Ｑ ・ ︶ 痢 朝 明 0 . 2 0 ｉ 』
Ｌ４
LiJMi I A, １ ’l、J^ryw VI l ●wl冒 ・ ゛ Ｉ ’ ｀ ’ Ｉ ｌ ｊ ・ Ｊ Ｉ Ｉ 、 ︵ ︶ ０ ３ １ ８ Ｓ -７ . １ ９ ９ -L l 寸 Ｓ : Ｚ . ｌ Ｚ Ｑ -L l ︵ ︶ Ｓ : Ｚ . ｌ Ｓ Ｙ Ｌ ｉ ９ Ｖ Ｌ Ｉ 寸 寸 ■ Ｌ ｉ Ｚ Ｖ Ｌ ｌ ｏ 寸 ■ Ｌ I 時刻 ＼ ∧ ∧ 第26図㈲ 98/12/25最高一最低の温度差と移動平均 7｡1999/1/07の観測結果 18:18から測定を開始した．この日は21:00頃までは風が強ｿくに観測には適していなかった．対流 現象は21:00過ぎまでとらえることができなかった,(第25図)ﾋﾚ22:･.･13｡と･.22:=1.9Qこ.サＴモトレーサカメ ラを縦，横に振り，周りの様子を確 コ ‥ ＼ かめたが，対流セルと思われる高温 水域は見当たらなかった．この観測 日のサーモ下レーサ画像内の最高， 最低，平均温度のグラフと最高一最 低温度差(温度レンジ)とその21個移 動平均のグラフには，異常箇所が数 力所見られた(第27図㈱訃))．風が 吹いている間風下(ダム堤体のそば) に比較的高温の表層水が吹き寄せら れて集まり，風上(上流側)の表層水 温は低温であった． ︵０・︶痢側唄 ︵Ｐ︶痢赳唄 Q Ｏ C D ︱ 響 １ １ １１ .４ﾔ .2 1=ﾚ 0.8 0.6 0.4 0.2∧ 01 自 １１ ､八 ， ぱ¨W7り?曳 丿岬sM i9 ’ “ 7やw ’｀ ｉ ｌ ｊ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｏ寸:８Ｌ ８Ｓ:８Ｌ ９￡-2l n-２１ ２￡:8l りｏＳ:８ｔｆ ８２:８１ ９Ｚ:８１ １７Ｚ:８ｌ ＺＺ:８１ ０Ｚ:８L 第27図㈲ 14 12 10 ８ < ｏ ４２ 0 -2 第27図(b)ﾚﾋﾞ訳詞
99/ 1/ 7J最高一最低の温度差と移動平均 ･一一一一一一･一一 ………時刻一温度差
白蕪ぷ
99/ 1/ 7最高一最低の温度差と移動平均8. 1999/1/09の観測結果 17:57から測定を開始した．はじめから鉛直方向に対し25度上流側に傾けて設置した.19:10左右 上下に各10∼15度づつ振り，元に戻した．鉛直水温分布はかなり深い所まで撮影開始時と比べて変 化している.20:48にカメラを上下左右に各20度づつ振り，元にもどした.22:30と23:00にも同じ 様にカメラを振った．サーモトレーサ画像内の最高，最低，平均温度のグラフと最高一最低温度差 (温度レンジ)とその移動平均のグラフは1999/1/07と同じ様に数カ所で異常が見られた(第28図(ａ)， (b)).20:00を過ぎてから，広範囲にわたって規模の大きな高温領域が現れ，この日以前に観測され ていた比較的水深の浅い層からの規模の小さな対流とは性質の異なるもののように考えられた．こ のときの鉛直水温分布(20:00)から判断すると，対流の原因となる中層部の混合層は深さ11.5mに まで及んでいたと推定される．このような大規模な対流現象の観測には，もっと広角のレンズが必 要と思われた． 2.5 2 ａ ｌ ︵ｐ︶痢側唄 0.5 0
心 ，
→り4y
iigsislslliaiiSSiSSii ●--ゆー−−−−●一−＝−−＝＝＝＝＝･･＝やｰや一 時刻に諧ぷ
第28図（ａ）99/ 1/ 9最高一最低の温度差と移動平均 09876543210 1 ︵ｐ︶痢剌唄 r゛ ＬヴW
ii￨￨￨￨￨￨i￨￨llli￨i￨!l!
時刻
一温度差
回霧‰］
第28図(b) 99/ 1/ 9最高一最低の温度差と移動平均 考 察 １．対流の規模、周期、外部環境要因 今年度の鏡ダムにおける観測の結果から、対流には２種類あると考えられる．１つは夕方、比較24 高知大学学術研究報告 第48巻(1999年）ニ自然科学 的水深の浅いところから発生するもので，対流セルのズケ二ルは小ざく発生周期は短い. 1998/11 /11の観測ではこのような対流が多く見られ，17::40から観面を始めたが√それ以前から発生してい ると考えられる対流セルは，表水層に上昇したら12秒∼20秒め間で気温め低下に伴う冷却現象によっ て，周りの表水層の温度に次第に近づいていった=トこの時め気象条件ﾉは気温が16:00∼17:00の間で 4.1℃も下がっており，冷却現象による対流が発生したと考えら:れる／またレごの時は風がほとん どなく，それらの対流が風に影響されていたとは考えらﾉれない．そめ他，湿度に関していえば， 1999/1/07のデータを除いては，15:00∼20:00までレいずれめ観測白においてもかなりの湿度上昇 が見られるが，これは気温の低下に伴って温度が飽和点に近づいたも萄で，その時間帯の観測日に よって対流現象の発生した日もあれば発生しなかった日犬もあり√湿度が対流の発生に影響する可能 性は低いと考えられる． ： ＼ 十ﾚ…… Ｉ ただ, 1999/1/07を除くいずれの観測日も夜の湿度が高か]つたごとから，水面からの蒸発は少な く，冷却は主として直接熱伝導と放射冷却によるものと考えらノれるレサーモトレーサ画像内の最高 温度と最低温度の温度差(温度レンジ)とその移動平均のグラブを見るﾄと，対流が多く発生した1998 /ll/llの17:40∼18:20までのグラフは温度差がo.6t:∼1L1で;Iと振幅が大きかった．移動平均に関し ていえば最高温度差から次の最高温度差に達する周期は2分∼i4分と不規則であったが，グラフの 印象からすると周期性があると考えられる．これに似たグヴプ宍としては1998/12/10の20:30頃のも のがあり，同じように温度差が0.8℃∼1.4℃と振幅が大きかったレまた移動平均グラフを見ると， １分∼２分の短い周期であった．こ の二つの移動平均の周期が異なるのは，対流セルの浮遊時間と ･．逆に対流の起こら＼なかっﾉた1998/12/02の最高温度と最低温度 発生数が関係していると考えられる．逆に の温度差の振幅は0.5℃∼0.8℃と小さく， 度の温度差の振幅が大きく，移動平均に 目立った周期は見られない．つまり，最高温度と最低温 周期性がある場合には対流セルの発生する可能性が高いと 考えられる．また，対流セルの発生しているときの鉛直水温分布は水面下ｌｍ∼２ｍで最高水温と なり，水面がそれより強く冷やされた状態にあるIことが見で取れた． もう１つの対流は，最寒期の夜中頃に起こるもので,/発生周期が長いものである.12月から１月 にかけての観測ではこれが多く見られた．代表的な対流現象と七ては, 1998/12/25の20:30頃から 発生したものと, 1999/1/09の20:00過ぎに発生したものがあげられる．これらの対流は表水面に上 昇したら１分∼２分かけて冷却現象により，周り/の表層水の水温に次第に近づいていく．この２つ の対流の16:00∼21:00までの気象条件を総合的に考察して,=気温と水温の関係では，気温が8℃∼ 10℃低下するとともに，水温が0.4℃∼0.5℃徐々に低下ﾚしてい:る．この急激な気温の低下により対 流現象が起こったと考えられる.Iまた風速2 m/S前後の風によﾉり対流七歩が風上から風下の方へ流 されていく様子がサーモトレーサの画像から見て取れた．湿度に関していえば，前述と同じことが いえ，対流に関係しているとは考えにくい．その他,:サニ帯下少−サ画像内の最高温度と最低温度 の温度差(温度レンジ)とその21個移動平均のグラフ(第26図)を見ると, 1998/12/25の20:30頃のグ ラフでは温度差の振幅が0.7℃∼1.3℃と大きく，移動平均の最高温度から次の最高温度までの周期 は１分∼４分の不規則な値を示している． 六十ト ＼ ノ ‥ 1999/1/09のデータに関しては同じようなことは言えなかっ力丿移動平均値が突如として高い値 を示したからである．この理由としては，サごーモトレフサ画像内に浮遺物が浮いていて，それがか なり低い温度を示したためと考えられる．サーモトレッサの放射率の設定は0.95∼0.98にしていた ため(0.1mm以上の厚さの水の放射率が0.95∼0.98であるためしサーそドレーサが水ではない浮遊 物に過剰に反応したためであると考えられる. 1998/12/25↓1999/1/09に発生したような大規模な 対流現象をサーモトレーサで観測するためには√もっと広角のレンズが必要であると考えられる．
２．対流の単位面積当たり沈降流量と沈降速度 木村・李・伴1)による鉛直一次元モデル(木村モデル)による計算結果を第３表に，単位面積当た り沈降流量9'と沈降速度ωのグラフを∂'．の４種類の取り方に応じて第29図∼第32図，第33図∼ 第36図に示す．木村・李・伴による円筒実験では冷却水の沈降速度は0.38cm/sであり，計算値は 2.08cm/sであった．これに対して鏡ダム湖では表面水温を∂≒にとった場合√1998/11/11は9.49cm/s, 1998/12/10は17.03cm/s, 1999/1/07は5.10cin/sといずれも木村・李・伴の実験または計算値よりも 大きかった．またαの値は，木村・李・伴らの1.27×102kgm七1に対して1998/11/11(第３表)は 6.19, 1998/12/10は12.09, 1999/1/7は14.40とはるかに小さかった．εの値は木村・李・伴の3.79 ×10'4に対して, 1998/11/11は0.0781, 1998/12/12は0.001, 1999/1/07は0.0089とはるかに大きかっ た．このような差異が起こった理由として，ωが大きいのはダム湖が実験円筒よりもはるかに規 模が大きいため，スケール効果で流速が大きくなるということが考えられる．またやはりスケール 効果により上昇流と沈降流の間隔が円筒実験の場合に比べて離れており，このことによる影響がで たとも考えられる．従ってダム，円筒の深さによって長さスケールを無次元化して解析することに より，さらに知見が深まるものと期待される． 第３表のｚ｡の値を以て混合層の深さと考えると, 1998/11/11, 1998/12/10, 1999/1/07のそれは それぞれ28m, 20m, 7.5mとなる．ヤ方第33図∼第36図のωの値を以て混合層の深さを推定する とき，全層的に混合が行われていると解釈すると応と同じでよいが，ある深さまでで急激にωが 減少するとき，その深さを以て主な混合層の深さと考えると，３観測日の主な混合層の深さはそれ ぞれ13m, 19m, 6mとなる． 第３表 鉛直一次元モデルによる計算結果 観測日時
case
Ｘ α ε ４(ｚｍ) ω(zm) 以ｍ） 1998/11/11 17:40 (20:40) 1 0.0371 6.19 0.0781 0.007508 0.096141 28 2 0.0659 5.36 0.1202 0.010011 0.08326 27.5 3 0.0834 5.06 0.143 0.01126 0.078499 28 4 0.1483 4.38 0.221 0.015016 0.067981 28 1998/12/10 19:06 (21:30) 1 0.00023 12.09 0.001 0.00016 0.176696 20 2 0.00056 9.69 0.0018 0.00026 0.141672 20 3 0.00125 7.91 0.0034 0.00039 0.115675 20 4 0.00180 7.22 0.0044 0.000468 0.105596 20 1999/ 1/07 22:33 (22:30) 1 0.00181 14.40 0.0089 0.00056 0.0631 7.5 2 0.00181 14.40 0.0089 0.00056 0.0631 7.5 3 0.00208 13.91 0.0098 0.0006 0.060966 7.5 4 0.00283 12.88 0.0124 0.0007 0.056443 7.5 倒case ｌ : ∂jを水深Ｏｍにとった時 case２ : θjを水深O∼0.5mの平均値をとった時 case３ : θjを水深O∼1.0mの平均値をとった時 case 4:∂ごを水深O∼1.5mの平均値をとった時 (時刻)内は対象時点の次の調査時刻 これより，θごを大きめにとると，α→小，ε→大，ぶ→大，ω→小となる。26 高知大学学術研究報告 第48巻 （ ） 自然科学 単位圖種路たりの沈降貴重4'(㎡Vs/wH) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 1 1 1 1 水・(m) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 2S 第29図
１ １ １ １ １ 卜! １ １
ｉ
ブ
/’/
→“q'1(1998/11/11) -≪-q'2(1998/12/10) −ひ-q'3(t999/1/7) 単位面積当たりの沈降流量(①e'm ■表層水温)(２＝o) 0123456789101112131415161718禄2021222324252627 I S 累 水 皐位耳積●たりａ沈降廠・q' (aS/s/ai) み ･･ ...･Ｓ一汁 -4･ .‥‥‥‥- ･...･ − ･. ･-i lll つ 1/ …… ……1 つ … … j ･ jj .=･ ! .:ﾕﾕ 万 ﾕ･･.. 1 。. 1／
１
/4/
｜
／
→-q"1 (1988/11/ID r･晋一q'2(1998/12/10) ￢l-q"3(1999/1/7〉 第30図 単位面積当たりの沈降流量（②∂’ｍ……:水面下ﾐo七0.5mまでの平均水温）単位面積当たりの沈降重量 ︸ ’ ８ ｍ -０ ２ ql(ご/s/^) 11 右 ； ． ； 0 1 2 3 4 5 ( Ｄ ７ ｅ ９ ０ １ ２ ３ ４ ５ ｅ ７ ８ ９ 加 1 a 3 4 5 6 7 8 1 1 1 − 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 6 ｚ Ｉ ｍ く 灘 水 1 . ｅ Ｏ Ｅ -０ ２ Ｆ r一 。 ● ● − ’ ‘ /●
ノ
→-q-1(1998/11/11) −9−q'2(1998/12/10) -公一･q'3(1999/1/7) 第31図 単位面積当たりの沈降流量(③∂'ｍ：水面下0∼1.0mまでの平均水温) 単位東横当たりの沈降流量q'(･3/ｓ/●2) 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 1 1 1 1 水深(m)14 15 16 17 18 19 2０ 21 22 23 24 25 ２6 27 28ノ
ブ
／ /
J−/ /
→-q'1 (1998/11/11) -を-q"2(1998/12/10) ￢i.-q'3(1999/1/7) 第32図 単位面積当たりの沈降流量(④∂'ｍ：水面下o∼1.5mまでの平均水温)高知大学学術研究報告 第卵巻ト(1999年)：自然科学 一一 沈降速度I( ｢・)＼ 28 ３ Ｎ あ ａ ∽ Ｊ − − − − Ｎ 目口白川§口
ノ
ノ
ノ
ぐ
／ ／● ／/
べ
/
ｙ
ぐ
/T
ン
→･w1 (1998/11/11) −Uトw2(1998/12/10) ベジw3(1998/1/7) 01234567891011U131415161718192021222324252627S 、川 ぐ 薫 水 沈降速度(①∂丿ｍし:表層水温(ｚ＝0)) 第33図 1 . ８ ０ Ｅ -0 1 1 . ｅ ｏ Ｅ → o 1 T . ４ ０ Ｅ -０ 1 H目 Ｍ Ｎ ９ノ
リ
ノ
と
／
／
／
ノ 。/’ ｜ ダぐ
ン
゛、 / 鎚 −←w1(1998/11/11) 一個ih-w2(1998/12/10) 一心÷w3(1999/1/7) 0123456789101112131415161718192021222324252627 、｀ く 潭 水 第34図 沈降速度(②∂へｍ：水面下Ｏよ0.5mま万での平均水温)０ １ ２ n ４ 5 6 7 8 9 0 1 2 3 1 1 1 1 水深(m) 14 巧1617181920212223242５26272８ Ｏ Ｍ あ ａ ・ 一 =４ 。４ １ 。･ Ｍ 繁 １ １ １ ｉ ｌ ｌ 吏 １ １ １
メ
ツ
ノ
ぐ
／
／
べ
メ
ダ
ン
タ
→-w1(1998/11/11) 一徹一一w2(1998/12/10) 一心-w3(1999/1/7) 第35図 沈降速度(③∂'ｍ：水面下O∼1.0mまでの平均水温) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 1 1 1 1 水ai(m) 14 15 16 17 18 19 2０ 21 22 23 24 25 26 27 2８ HMmmm/,) 1. ４ ０ Ｅ -０ 1 1 . Ｊ ０ Ｅ -Ｏ 1 1 . ８ ０ Ｅ -０ 1ノ
／
／ ド /゛ ／ ／ ／’４
（
ｙ
／
ｙ →−WI（ 一番-w2( -tSt-･W3（ 998/11/11) 998/12/10) 999/1/7) 第36図 沈降速度(④∂'ｍ：水面下O∼1.5mまでの平均水温)30 高知大学学術研究報告 第48巻ニ(19叩年ドニ自 結 ●つ論…………ﾚ ‥ 鏡ダム湖の晩秋から初冬にかけての対流現象を，熱赤外線映像によって視覚的にとらえ，かつ， そのときの対流の沈降速度と単位面積当たり流量を鉛直二次元モデルによっで解析することを試み た．調査は1998/11/11, 12/02, 12/10, 12/10, 12/17. 12/25. 1999/1/07。1/O叩)夕方から深夜に かけて，計７回行われた．秋から冬にと調査時期が進むにやれて全体湖水温の低下，成層の消滅， 電気伝導度の上昇などが観察された．対流現象には晩秋の夕方に起こる比較的浅い層と表層との間 に発生する湧昇・沈降流と，初冬の夜半に起こる非常に広い範囲と時間スケールを待った水温変動 の２つのタイプがあるように思われた．この２つのタイプの水温変動は↓1998/12/25の測定では時 間=を違えて両方とも出現していた．それ以前の調査において揉前者め比較的浅い層からの湧昇流だ けが観測されていた．後者が出現したのは1998/12/25だけであるから，同じ現象が普遍的に現れる ものであるかどうか，さらに調査を重ねる必要がある． ∧ レ 湧昇流の速度と水面の対流セルの直径あるいは面積め変化とめ間には何らかの関係があると考え られる. 1998/11/11の比較的小さな対流セルの場合,一水面における対流ヤル面積の発達はほぼ等差 数列的であった．湧昇流の速度が一定であれば，セル面積もぼぼ一定の速度で広がることを示唆し ている． ｊ ＼ また，木村・李・伴の鉛直一次元モデルによって，下降流の単位面積あたり流量と流速を計算し た. 1998/11/11 17:38頃の単位面積当たり流量は0.0075 ｢/s/ ｢/どなﾆら‥だj混合層の深さは1998/11 /11でｚ,＝28m，沈降流速ｗから判断すると主な混合層の深さ尚は約13mであった. 1998/12/12では z｡= 20m.主な混合層の深さもほぼ同じ19 m, 1999/1/07にはZc = 7.5m,:主な混合層の深さ６ｍで あった．これらの値はしかし，いろいろ鉛直一次元モデルの仮定を積み上げてのものであり，また θ≒の値も仮定に基づいているため，実測によってモデルの王しさを検証することが望まれる． 鉛直一次元モデルのパラメータについでは木村ちの円筒実験の結果と丿はオーダーが違ったが，ダ ムのスケールと円筒のスケールの差が出たのかも知れない↓万‥‥‥‥‥ 今回のダムの調査では必ずしも対流現象の起こる寸前と対流の起こった直後に鉛直水温分布を計 測したわけでなく，２時間程度時間をおいて計測していた．このため４秒間隔で測定している熱赤 外線画像の対流セルと対比させることの適，不適なども考えなければならないであろう．このよう な要因がａ，εの値にも反映されてレ木村・李・伴らの峠＼εの値とﾆは異なるものとなったと考え られるが，実際のダムに木村モデルを適用して結果を得た例はあま二りないと思われ，ダム湖での対 流を実際にシミュレートする意味は大いにあったと思われる． 最後に施設と観測データを使わせて頂いた鏡ダム管理事務所の各位，貴重な助言を頂いた高知大 学農学部松田誠祐教授，木村晴保教授に深謝いた七ます／また↓本研究ﾀﾞは文部省科学研究費基盤研 究Ｃ，課題番号09660261により行った．ごこに記=して感謝の意を表します．
引用文献
１)木村晴保・李 東日・伴 道一：水面冷却によって生じる熱対流量の鉛直プ次元モデルによる推算，農上 論集166, 9-14, (1993). ･. ＼ ダ ２)高知県鏡ダム管理事務所：鏡川河川総合開発事業概要図, (1996).::‥‥‥‥ ‥ ３)日本電気三栄株式会社：サーモトレーサコンドロール部∧TH3100シリ十ズ取扱説明書Na5691-1704, (1994). ＼ ＼ ご ４)日本電気三栄株式会社:TH 31-701熱画像処理プゴグデム取扱説明書Na5691-1795, (1994).５)日本電気三栄株式会社：サーモトレーサTH 3102/04/14 製品取扱説明書Na569M641, (1994).
6)日本電気三栄株式会社:TH 31-723 データコンバートプログラム取扱説明書Na5691-1794, (1994).
7)東京天文台：理科年表，昭和59年，丸善, (1983).
平成11(1999)年10月５日受理 平成11(1999)年12月27日発行
