JP5622265B2

JP5622265B2 - 融雪強度推定方法

Info

Publication number: JP5622265B2
Application number: JP2010143151A
Authority: JP
Inventors: 克久河島; 高峰松元; 麻子太田; 誠島村; 茂樹廣瀬
Original assignee: FIELDPRO, INC.; NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION NIIGATA UNIVERSITY; East Japan Railway Co
Current assignee: FIELDPRO, INC.; NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION NIIGATA UNIVERSITY; East Japan Railway Co
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP2012007957A

Description

本発明は、融雪強度推定用温度センサを用いた融雪強度推定方法に関する。

既往の融雪強度（１時間融雪量）の高精度推定方法として「熱収支法」（例えば非特許文献１）があり、この方法は、短波長放射収支、長波長放射収支、顕熱伝達量、潜熱伝達量、降雨伝達熱の収支に基づくものである。そして、前記熱収支法は、少なくとも８種類の気象要素の測定が必要であり、大規模かつ高価な観測機器構成が求められる方法である。このため、熱収支法はどちらかというと研究者が主に用いる方法であり、一般に広く用いられているとは言いがたい。

また、近年、気温と日射量を用いて融雪強度を推定する「Temperature-Radiation Index Model」（非特許文献２）の開発が諸外国も含めて（発明者らも）取り組まれている。この手法は、熱収支構成要素を気温と日射量のみで代表させるものであり、熱収支法に比べて精度が若干落ちるものの、実用化レベルに達すれば、熱収支法の弱点を大きく改善することになる。

石川信敬，1994：融雪と積雪層の熱収支．前野紀一・福田正己編，基礎雪氷学講座ＶＩ雪氷水文現象，古今書院，17-48． Konya, K., Matsumoto, T. & Naruse, R., 2004: Surface heat balance and spatially distributed ablation modelling at Koryto Glacier, Kamchatka Peninsula, Russia. Geografiska Annaler, 86A, 337-348.

上記「Temperature-Radiation Index Model」では、気温と日射量から融雪強度を推定することができるが、日射量という気象官署を除くとほとんど測定されていないデータが必要であり、この問題をクリヤーする必要がある。しかも、日射計がある程度高価な測器であるという問題点も含まれる。

そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、簡易な温度センサを用いて従来と同程度の精度で融雪強度を推定することができる融雪強度推定用温度センサとこれを用いた融雪強度推定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、センサ本体と、このセンサ本体に設けた光吸収部と、この光吸収部を設けたセンサ本体を収容する透光性のケースとを備える融雪強度推定用温度センサを用いた融雪強度推定方法において、前記温度センサの検出した温度データと、熱収支法で求めた融雪熱量とから融雪強度を推定することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記光吸収部が黒色塗料層であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記センサ本体が白金抵抗測温体であることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記温度センサの検出した温度データと前記熱収支法で求めた融雪熱量とから回帰式を求め、この回帰式から融雪強度を推定することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の融雪強度推定方法によれば、光吸収部が太陽光を吸収することにより気温と日射量に対応した温度データが得られ、この温度データから融雪強度を推定することができる。また、透光性のケースは、太陽光は通し、測定において雨風の影響を除去することができる。

また、本発明の請求項２に記載の融雪強度推定方法によれば、黒色塗料により光吸収部を簡便に得ることができ、黒は熱の輻射率が高いから、日射量を反映した温度データが正確に得られる。

また、本発明の請求項３に記載の融雪強度推定方法によれば、温度特性が良好で経時変化が少ない白金を使用することにより、測定精度と耐久性に優れた融雪強度推定用温度センサが得られる。

また、本発明の請求項１に記載の融雪強度推定方法によれば、温度センサにより検出した温度データと熱収支法で求めた融雪熱量から融雪強度を高い精度で推定することができる。

また、本発明の請求項４に記載の融雪強度推定方法によれば、回帰式より融雪強度を求めることができる。

本実施例の実施例１を示す温度センサの正面図である。同上、温度センサの測定温度に基づく推定融雪強度と熱収支法による融雪強度との関係を示すグラフ図である。同上、温度センサの測定温度と融雪熱量との関係を示すグラフ図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例１について説明する。

本発明は、これまで困難であった融雪強度（１時間融雪量）の高精度な推定を、簡便な装置（センサ）を用いて可能としたものであり、この装置（センサ）を複数の地点に（広域に）展開することによって、積雪地域や氷河地域における融雪強度の空間分布の推定が可能であり、融雪流出（水資源）の管理や融雪期の斜面災害・雪崩災害の防止対策に大きく寄与するものである。発明したセンサは、白金抵抗測温体（Pt100）を黒色に塗装し、それを試験管形状のガラス管（透明管）に入れ、密閉しただけのものであり、軽量・小型であるとともに、容易かつ安価に製作可能である。

通常の気温測定では、白金抵抗測温体を通風筒と呼ばれる直射日光や風雨の影響を防ぐとともに外気を取り入れる筒に挿入する。本発明では、白金抵抗測温体に気温のみならず日射量も反映した出力（気温と日射量の効果が複合化された出力）を求めるため、通風筒ではなく試験管形状のガラス管（透明管）に入れて、風雨の影響のみを除去することとした。しかも、日射の反射を少なくするため白金抵抗測温体自体を黒色塗料で塗ったものである。

図１〜図３は本発明の実施例１を示し、図１に示すように、融雪強度推定用温度センサ１は、白金測温抵抗体（Pt100）を備える棒状のセンサ本体２と、このセンサ本体２の外周に設けた光吸収部３と、前記センサ本体２を収納するケースたる透明なガラス管４とを備える。この例では、前記光吸収部３は、センサ本体２に黒色塗料を塗布してなる塗装層により構成されている。これ以外に、センサ本体２の外面を黒色系の材料から形成して、外面を光吸収部としてもよい。

前記センサ本体２は、絶縁被覆されたリード線５が接続され、このリード線５の絶縁外皮に前記ガラス管４の開口が水密状態で接続され、このガラス管４内に前記センサ本体２が水密状態で収納され、ガラス管４内に雨風が侵入しないように構成している。

上記温度センサ１によれば、光吸収層である光吸収部３により日射量を反映した温度測定が可能となり、また、ガラス管４によりセンサ本体２が雨風の影響を受けることがなく、温度と日射量に対応した温度データを得ることができる。

発明者らは、新潟県魚沼市大白川において、熱収支法、Temperature-Radiation Index Model、本発明の温度センサ１による融雪強度の推定を行う比較試験を秘密の状態で行った。この試験データから、熱収支法によって得られた融雪強度を真の値と仮定して、融雪強度の推定値の二乗平均平方根誤差RMSEを算出した結果、Temperature-Radiation Index Modelが0.63mm/h、本発明による方法が0.55mm/hとなった。すなわち、本発明は、Temperature-Radiation Index Modelと同等程度の精度で融雪強度の推定が可能であることが確認された。

図２は、横軸に本発明により推定した推定融雪強度を取り、縦軸に後述する熱収支法による融雪強度を取ったグラフであり、両者には良好な直線性があり、前記温度センサ１の出力データから従来技術の方法と同程度の精度で融雪強度を推定できることが分かる。

以下、熱収支法による融雪強度の算出方法について説明する。
１時間ごとの融雪量を，本研究では気象観測の結果を用いて「熱収支法」により求めた。積雪表面における熱収支は以下のように表すことができる。

ここで、Ｑ_Mは融解熱量，Ｑ_Rは正味放射量，Ｑ_Hは顕熱伝達量，Ｑ_Lは潜熱伝達量，Ｑ_Pは雨からの伝達熱量，Ｑ_Cは雪中熱伝達量である（以上はすべて下向きのフラックスを正とする）。融雪期に入って積雪全層が０℃になった状態ではＱ_C＝０とした。融解熱量Ｑ_M（Jm^-2）は、融解の潜熱ｌ（＝334kJkg^-1）を用いて、以下のように融雪量Ｍ（mm）に換算される。

上記数２の正味放射量Ｑ_Rは、放射収支計によって測定された放射４成分のデータから求める。一方、顕熱伝達量Ｑ_Hと潜熱伝達量Ｑ_Eについては、バルク法（例えば山崎剛，
1994：積雪と大気．近藤純正編著，水環境の気象学，朝倉書店，240-260．）を用いることとし、中立大気の条件を仮定して以下の数３、数４から毎時の熱量を求める。

ここでＣ_HとＣ_Eはそれぞれ顕熱輸送と潜熱輸送に対するバルク輸送係数（無次元），ρは空気の密度（kgm^-3），Ｃ_Pは空気の定圧比熱（Jkg^-1K^-1），ｌは水の蒸発の潜熱（Jkg^-1），ｐ_aは気圧（hPa），Ｔ_ZとＴ₀はそれぞれ雪面からの高さｚmでの気温と雪面温度（°C），ｅ_Zとｅ₀はそれぞれ高さｚmでの水蒸気圧と雪面温度における飽和水蒸気圧（hPa），ｕ_Zは高さｚmでの風速（ms^-1）である。また気圧ｐ_aについては、気象庁の新潟地方気象台と若松測候所（福島県）とで観測された日平均海面気圧を算術平均し、大白川観測ステーションの標高における現地気圧に直して（気象庁，1993：地上気象観測指針．日本気象協会，167pp．）用いた。バルク輸送係数Ｃ_HとＣ_Eについては、本研究では両者が等しいと仮定して以下の数５から求める。

ここでｋはカルマン定数（＝０．４）を、ｚ₀は雪面の粗度（m）を示す。雪面からの高さｚについて、本研究では２mとした。気温と水蒸気圧については測器の高さ（地表から５．６m）と雪面上２mとでの値が等しいと仮定する。雪面上２mでの風速ｕ_Zは，高さｚ_a（地表から７．６m）に設置した風速計による測定値ｕ_aから，風速の鉛直分布に関する対数則を用いた以下の数６により推定する。

ここでＤ_Sは積雪深（m）を示す。

数５からバルク輸送係数を、また数６から雪面上２mでの風速を求めようとする際には、ともに雪面の粗度ｚ₀の値が必要となるが、これまでに大白川において粗度の直接観測は行われていない。そこで融雪期間について、熱収支法で１時間ごとに得られる融雪量の積算値と、積雪水量変化から求めた日融雪量の積算値とが等しくなるようにチューニングすることで、ｚ₀の値を決定することとした。その結果、ｚ₀＝0.00001m，Ｃ_H＝Ｃ_E＝1.11×10^-3という値を得た。この値は、降水量の補正の際に仮定した、横山ら（横山宏太郎・小南靖弘・川方俊和，2003：対数法則による風速推定に及ぼす粗度と積雪深の影響．雪氷北信越，23，46．）による0.0001mという値よりも大きい。しかし実際の積雪表面の状態に関する直接的なデータがないので、粗度としてどちらの値が妥当かは今のところ不明であり、また降水量補正の際にどちらの粗度を用いても、捕捉率にはほとんど差が生じないため、本研究では、各々の計算における粗度の統一は行なわず、熱収支計算の際にはｚ₀＝0.00001mという値を用いた。

雨からの伝達熱量Ｑ_Pは、以下の数７から求める。

ここでρ_Wは水の密度（kgm^-3），Ｃ_Wは水の比熱（Jkg^-1K^-1），Ｔ_Wは湿球温度（°C），Ｐ_rは降雨強度（mmh^-1）を示す。湿球温度Ｔ_Wは気温と相対湿度の観測値からSprungの式（気象庁，1993：地上気象観測指針．日本気象協会，167pp．）を逆算することで求めた。

以下、Temperature-Radiation Index Modelによる融雪強度の算出方法について説明する。

気温と全天日射量のみを用いて表面融雪量の時間変化を推定するサブモデルとして，本研究では、非特許文献２で示したKonya et al.（2004）の提案に基づいて以下の形式を適用する。

ここでＱ_Mは融雪熱量（Wm^-2），Ｔ_aは気温（°C），Ｋ_dは全天日射量（Wm^-2）である．係数ａ，ｂ，ｃについては，熱収支法によって求めた１時間ごとの融雪量を目的変数，各時刻の気温と全天日射量の観測データを説明変数とする重回帰分析によって，ａ＝0.4303，ｂ＝11.87，ｃ＝-34.15と決定した。

図３に示すように、本発明センサの出力値と融雪強度（熱収支法で求めた融雪熱量）との相関を明らかにし、回帰式を作成した。この回帰式を使用することによって、融雪強度を推定することが可能となる。

また、このように本実施例では、融雪強度の推定に用いられる融雪強度推定用温度センサにおいて、センサ本体２と、このセンサ本体２の外面に設けた光吸収部３と、この光吸収部３を設けたセンサ本体２を収容する透光性のケースたるガラス管４とを備えるから、光吸収部３が太陽光を吸収することにより気温と日射量に対応した温度データが得られ、この温度データから融雪強度を推定することができる。また、透光性のガラス管４は、太陽光を通し、測定において雨風の影響を除去することができる。

このように本実施例では、光吸収部３は黒色塗料層であり、黒色塗料により光吸収部３を簡便に得ることができ、黒は熱の輻射率が高いから、日射量を反映した温度データが正確に得られる。

また、このように本実施例では、前記センサ本体が白金抵抗測温体であるから、温度特性が良好で経時変化が少ない白金を使用することにより、測定精度と耐久性に優れたものとなる。

また、このように本実施例では、請求項１記載の融雪強度推定用温度センサを用いた融雪強度推定方法において、複数の温度センサ１を用い、温度センサ１の検出した温度データと、熱収支法で求めた融雪熱量とから融雪強度を推定するから、融雪強度を高い精度で推定することができる。

また、このように本実施例では、温度センサ１の検出した温度データと熱収支法で求めた融雪熱量とから回帰式を求め、この回帰式から融雪強度を推定するから、回帰式より融雪強度を求めることができる。

尚、本発明は、本実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、光吸収部は実施例に限定されず、各種のものを用いることができる。

１温度センサ
２センサ本体
３光吸収部
４ガラス管（ケース）
５リード線

Claims

センサ本体と、このセンサ本体に設けた光吸収部と、この光吸収部を設けたセンサ本体を収容する透光性のケースとを備える融雪強度推定用温度センサを用いた融雪強度推定方法において、前記温度センサの検出した温度データと、熱収支法で求めた融雪熱量とから融雪強度を推定することを特徴とする融雪強度推定方法。
前記光吸収部が黒色塗料層であることを特徴とする請求項１記載の融雪強度推定方法。
前記センサ本体が白金抵抗測温体であることを特徴とする請求項１又は２記載の融雪強度推定方法。
前記温度センサの検出した温度データと前記熱収支法で求めた融雪熱量とから回帰式を求め、この回帰式から融雪強度を推定することを特徴とする請求項１記載の融雪強度推定方法。