2015 スイス氷河実習 ―気象観測― 環境科学院 地球圏科学専攻 修士 1 年 八田和奏 環境科学院 地球圏科学専攻 修士 1 年 濱口萌愛 1. Introduction 氷河は気候変動により反応し，涵養と消耗という質量収支が変わり，その形状に変化が生じる．近年， 地球温暖化による気温上昇により IPCC 第 4 次評価報告書以降も世界中のほぼ全ての氷河が継続して縮小 していて，氷河の融解量は増加傾向である(IPCC，2013)．氷河の減少による土砂災害や融解水が山岳氷河 付近の住居にまで流れ込むことによる水害などの問題がある．氷河の融解量と気候変動との関係を明ら かにすることは，今後の氷河の後退速度の予測や災害への対策に繋がると考えられる． 氷河の融解には日射，顕熱，潜熱，伝導熱，風などが関係していて，表面融解量は氷河表面の熱収支 によって決まる．Sugiyama et.al(2011)よるとローヌ氷河では場所により表面融解量が異なり，特に横断方 面では氷河の西側の融解量が多いことが示された(図 1)．また昨年度の実習では氷河上の東，中央，西の 3 ヶ所で気温観測を実施した結果，氷河の西側は東側よりも気温が高い傾向があることが分かった(図 2)． このことから表面融解量の分布との関係性が指摘された．しかしながら，氷河上でなぜこの様な気温分 布傾向が形成されるのかは不明である． そこで，今回は氷河上の温度だけでなく，氷河上空も含めた温度の観測を実施してローヌ氷河末端付 近の氷河上の気温空間構造を調べ，氷河上の気温構造がどの様にして形成されるかを考察する． 図 1 2009 年 7 月 6 日から 9 月 6 日までのローヌ氷河における表面融解量の分布(Sugiyama et.al,2011) 図 2 2014 スイス実習―気象観測―レポートより，2014 年 9 月 4 日から 9 月 7 日までのローヌ氷河にお ける気温観測結果 2. Method 2.1 観測地概要 ローヌ氷河はスイスアルプス氷河の 1 つであり，フランス四大河川の 1 つであるローヌ川の水源 となっている．標高は約 2300~3500m であり，比較的低い位置でも氷河が存在している．ローヌ氷河 は近づくのが容易であったため，150 年以上前からその様子が記録されている．現在，ローヌ氷河は 後退中にあり，1874 年と比較して 1700m も短くなっていることが分かっている．2005 年には末端に 氷河湖が形成され，そこではカービングと呼ばれる氷河の一部が氷河本体と切り離されて氷山とな る現象が起こることで氷河の後退が促進されている．ローヌ氷河末端の周りの地形は，氷河の南西 側の斜面によって朝の数時間ほど氷河の東側の日射が遮蔽されるような形状であった．また， 南西 側の斜面は傾斜が比較的緩やかであるが，東側の斜面の傾斜は急であった． 本研究ではローヌ氷河の末端付近を観測対象とした(図 3) 図 3 ローヌ氷河での気温定点観測地点と標準気象要素観測地点(Google earth より) 2.2 気温定点観測 昨年の実習で行った観測と同様に氷河上の気温の連続観測を行った．厳密には氷河の横幅が縮小 しており西と東は昨年度よりもやや氷河内側になる地点に設置した．氷河上の西側，中央付近，東 側の 3 か所(表 1)に温度計付ロガー(HOKI, Model : 3633/9631-02)を設置し，30 秒ごとに氷河上の気温 を記録した．この温度計のセンサーは通風式放射シェルター内に取り付け，氷河表面上から 120 cm の位置に固定した(図 4)． 表 1 ローヌ氷河での定点観測地点 観測地点 緯度経度(本年) 経度緯度(昨年) 西側 N 46.582569° E 8.390032° N 46.58401 E 8.38428° 中央 N 46.583187° E 8.387473° N 46.583122° E 8.38810° 東側 N 46.583774° E 8.384832° N 46.58238° E 8.39059° 図 4 気温定点観測装置 2.3 基準気象要素観測 バックグラウンドとなる気象環境の観測を行うために，氷河外の岩盤部(北緯 46°34’42.8’’，東経 8°23’12.8’’)で気象観測地点(ウェザーステーション)を設置した(図 3)．そこではウェザートランスミ ッター(VAISALA，WXT520)，日射計(英弘精機，MS-40)，データロガー(Campbell Sci. Inc., CR1000) を用いて，日射量， 気温，相対湿度，風向，風速，降水量，気圧，を 20 秒ごとに測定し，5 分平均 値を記録した．また，氷河上の気温定点観測と同じ測器も同様に設置した(図 5)． 図 5 基準気象要素観測装置 (ウェザーステーション) 2.4 ドローン観測 氷河上空の気温分布を知るために，定点観測を行っている中央の位置とそこから東西それぞれ 100m の位置で上空 100m まで気象センサーを取り付けたドローン(DJI, Phantom2)を飛ばした(図 6)． 気象センサーは熱電対(銅－コンスタンタン；0.08 mm)と熱電対ロガー(Onest, UX100-014M)で気温を， 気圧計(OMEGA, PX2760)と電圧値ロガーで(Onset, U12-006)気圧を測定した．ドローン観測では定点 観測のように放射シェルターが使用できないため，気温測定に対して日射の影響を無視することが できる非常に細い熱電対線を用いた．また，ドローンには GPS(GARMIN, Fortrex401)を取り付けて位 置情報も記録した．データはそれぞれ 1 秒毎に記録した．高度 z (m)は気圧から静力学平衡に基づい て，以下の式より算出した． z= 𝑅𝑇̅ 𝑃0 ln 𝑔 𝑃 𝑅：乾燥空気に対する気体定数 𝑔：重力加速度 287 Jkg−1 K −1 9.8 𝑚𝑠 −1 𝑇̅：気層の平均気温 (K) 𝑃0 ：地面気圧 (hPa) 𝑃：観測中の気圧 (hPa) 図 6 気象センサーを取り付けたドローン 3. Result 3.1 基準気象要素観測 図 7 に基準気象要素観測の結果を示す．9 月 4 日は晴天で穏やかだった．日射量は日中最大 898 Wm-2 にも達した．気温は早朝は約 2℃であったのが，日中は 10℃まで上昇した．風向は午前中は不規則に 変化し，北よりと南よりの風がランダムに観測された．午後は主に南向きの風となった．湿度は気温 の低下する夜間は 100%に近い値となったが，日中は 50%程度まで低下した．この日は降水量は観測さ れなかった． 9 月 5 日は曇り空で気温も低かった．早朝には氷河や氷河周辺に積雪が見られ，また日中も時おり降 雨データには見られないが強い風とみぞれが降る寒い 1 日だった．日射量は雲の切れ間があった時に は一時的に 1000 Wm-2 を超すが，平均的には 4 日の約半分であった．気温は早朝は約 2℃と前日と同程 度であったが，その後は日中でも 5℃ぐらいまでしか上昇しなかった．午前中は，北よりと南よりの風 がランダムに観測されたが，午後には風速が増加するとともに主に北よりの風になった．そして，風 速 2～4m/s で深夜には最大 16.27 m/s を記録した．また，この時には降水も見られた． 去年度の結果と比較すると(図 2)，9 月 4 日は，比較的同じような気温であったが，しかし，9 月 5 日は日中の気温はあまり上がらず，去年度とは異なる傾向にあった． 気温 気温 [degC] 15 10 5 0 -5 日射量 [W / m2] 日射量 1000 500 0 500 風向 風向 [deg] 400 300 200 100 0 風速 [m / s] 20 風速 10 0 湿度 [%] 100 湿度 50 降水 [mm/5min．] 0 1 降水 0.5 0 気圧 775 気圧[hPa] 774 773 772 771 770 769 3.2 気温定点観測 2015/9/3 12:00 2015/9/4 0:00 2015/9/4 12:00 2015/9/5 0:00 2015/9/5 12:00 2015/9/6 0:00 2015/9/6 12:00 時間 図7 9/3 18:50-9/6におけるウェザーステーションの観測結果 風向は360°(北)，90°(東)，180°(南)，270°(西)と角度で表されている． 図 8 に気温定点観測の結果を示す．日最高気温は 9 月 4 日では 15 時ごろに観測され，氷河外で約 10℃，氷河上で約 8℃であった．5 日の日最高気温は氷河の外では約 5℃，氷河上で約 3℃であった． しかしながら日最大値の生じる時間を見ると氷河外では 4 日と同様に 15 時頃に観測されたが，氷河上 では 11 時頃に日最大値が観測された．氷河上の気温は基本的には 0℃より高く氷河を溶かすセンスに ある．日中は気温の変動が大きく，短い時間で 1~2℃の変化が頻繁にあり，特に氷河上はその傾向が よく見られる．9 月 6 日の 5 時頃には気温が 0℃以下になった．これは図 7 より風向きが南よりになっ ている時と対応している．よって，風の影響による変化が関係していると考えられる． 12 10 気温 (℃) 8 6 4 2 0 -2 2015/9/4 12:00 2015/9/5 0:00 東側 2015/9/5 12:00 中央 西側 2015/9/6 0:00 2015/9/6 12:00 気象ステーション 図 8 氷河上の定点観測地点と気象ステーションでの気温の推移(10 分平均値をプロット).紫は気象ステ ーションの測定値の気温を,赤,青,緑は氷河上の定点観測地点の測定値で,それぞれ東,中央,西の気温(9/4 12:30 - 9/6 8:00)を表している. 図 9 に氷河の外(気象ステーション)と氷河上の気温の偏差を示す．また，図 10 に氷河の中央と西側， 東側の気温の偏差を示す．氷河上の気温と氷河の外の気温の差は日や時間帯によって異なっている． 基本的に氷河上の気温は氷河の外よりも低い．日中は比較的気温差が大きいが夜間は気温差があまり ない．また，気温が低い時は氷河上と氷河外の気温差は小さい．4 日の 13 時頃が一番氷河の外側との 気温差が大きい．氷河上の気温の方が外よりも高くなる場合も存在したが，この時の気温は 2℃以下と 小さい時であった．4 日は西側の気温が高く東側の気温が低い傾向が強い．5 日は 9 時頃から 15 時頃 までの間は東西の気温差の変化が複雑になっている．9 時から 11 時の間は東側で気温が高く西側で低 かったが，11 時から 13 時の間は逆に西側で気温が高く東側で低くなった．13 時から 15 時の間では， 再び東側で気温が高く西側で低くなった．5 日の 15 時頃から 6 日は東側の気温が高く西側の気温が低 くなっている．5 日から 6 日は東西の気温差が 1℃ぐらいであまり大きくなかった．氷河の外との気温 差がある時には東側と西側の気温差が大きく，外との気温差があまりない時には東側と西側の気温差 が小さい傾向がある． 2 1 0 気温 (℃) -1 -2 -3 -4 -5 -6 2015/9/4 12:00 2015/9/5 0:00 2015/9/5 12:00 東側 2015/9/6 0:00 中央 2015/9/6 12:00 西側 図 9 氷河の外と氷河上の気温の比較 赤,青,緑はそれぞれ氷河上の定点観測での東,中央,西の気象ステーションとの気温の偏差を示す. 2 1.5 1 気温 (℃) 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 2015/9/4 12:00 2015/9/5 0:00 2015/9/5 12:00 中央と東側の差 2015/9/6 0:00 2015/9/6 12:00 中央と西側の差 図 10 氷河上での気温の比較 赤は中央と東側の,緑は中央と東側の気温の偏差を示す. 3.3 ドローンにおける観測 図 11 および 12 にドローンによる鉛直方向の気温分布の結果を示す．図 11 は氷河上の 3 地点(図 3) における鉛直プロファイルで，図 12 は氷河西側とその周辺(図 13)における鉛直プロファイルである． 図 11 より，中央の気温プロファイルは地上から高度 30m 付近までは高度とともに上昇する安定層が 見られる．一方で東と西では地上から高度 30m 付近まで高度とともに緩やかに低下し，高度 30～40m で気温に大きな乱れが生じる．高度 50m よりも上空では 3 地点とも気温は緩やかに低下する．プロフ ァイル上限付近の高度 80m では東＞中央＞西の順で気温が高い．但し，温度差は 0.5℃程度と小さい． 氷河外にある気象ステーションと比較すると上空約 30m においても氷河上の方が気温が低い．図 12 では，全て氷河上の西側で観測しているが，気温の絶対値及びプロファイルの形状ともに異なる結果 が得られた．高度 40m と 80m でも水平方向に気温が異なるが，気温の違いは約 0.5℃程度と小さいが 高度 40m よりも上空でも水平方向に気温差が見られた．また同じ観測地点であっても西 1，西 2 のプ ロファイル形状は大きく異なっている．このことから，わずか 10 分程度でも気温構造が大きく変化す ることが分かる． 100 90 高度[m] 80 70 中央 60 東 50 西 中央(氷河上温度) 40 東(氷河上温度） 30 西(氷河上温度) 20 気象ステーション 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 気温[℃] 図 11 2015.9.5 11：50～12：06 におけるドローン，氷河上の定点観測地点，気象ステーションの気温． 青，赤，緑の線はドローンの測定値で，それぞれ中央，東，西の気温分布を表し，〇のプロットは氷河 上の定点観測地点の測定値で，〇の色と観測地点はドローン観測と同様であり，✕は気象ステーション の測定値を表している． 100 90 80 高度[m] 70 60 西１ 50 西→東１ 40 西２ 30 西→東２ 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 気温[℃] 図 12 2015.9.5 12：38～12：51 におけるドローン観測の気温分布．青，赤，緑，紫はそれぞれ西，上昇 時に西から東移動させたもの，西，上昇時に西から東移動させたものの気温分布を表している． 図 13 2015.9.5 12：38～12：51 におけるドローン観測の経路． 4. Discussion 4.1 観測した時の気象状況について 4 日は晴天であり，氷河内外の温度差はバックグラウンド気温が高かった時には大きく，気温が低 い時には小さかった．氷河上の気温は下の氷の影響で氷河表面において 0℃に冷却されるのに対し， 氷河外では日中岩などの表面温度はプラスになる．気温が高くなった日は天気が良く日射が十分にあ ったため氷河外では地面が熱されやすい．従って，気温が高い時程，相対的に氷河による冷却効果が 大きくなったと考えられる．逆に気温が 0℃近くになると，氷河上の気温とあまり変わらなくなる． このことから，氷河による局所的な気象の影響が明らかになるのは天気が良い時であることがわかる． 気温の鉛直構造の測定を行ったのは 5 日であり，この日は氷河の影響が弱かったかもしれない． 4.2 氷河上の気温定点観測について 昨年の実習の観測では氷河上では西側の気温が高く，東側の気温が低くなる傾向が見られた．この 傾向は主に北風が吹いている時に見られ，南風が吹いた時には東西の気温差が小さくなっていた． (2014 氷河実習 －気象－) 9 月 4 日は昨年の観測結果と同様に西側で気温が高く東側で気温が低かった．しかし，5 日，6 日は 昨年の観測結果と異なり，東側の気温が高く，西側の気温が低くなった時があった．これは，風の影 響と考えられる．しかし，この風の情報をウェザーステーションから読み取るのは難しい．なぜなら， 5 日は風の吹き方が非常に複雑であったためである．氷河上では北風であっても氷河の外では雲の動き から南風が吹いているような場合があった．また，氷河上でも西側では北風だが東側の雲の動きは南 風であるような西と東で異なる動きが見られた．このように，風の吹き方が局所的に異なっていた可 能性がある． 4.3 ドローン観測による気温鉛直構造について 図 14 に図 11 の気温プロファイルを温位に変換した結果を示す．温位とは空気塊を断熱的に標準気 圧のところまで下降(上昇)させたとき，空気塊がもつ温度である． 𝑅 𝑃0 𝐶𝑃 θ = T( ) 𝑃 T：温度(絶対温度)[K] 𝑃0 ：標準気圧[hPa] 𝑃：気圧[hPa] 𝑅：気体定数 287JK −1 kg−1 𝐶𝑃 ：比熱 1004JK −1kg−1 温位が高度とともに低下すると不安定となり，高度とともに上昇する場合は安定，高度ともに一定 だと中立である． 温位で比較すると，全ての地点で高度 40m よりも下層は上層よりも低温であることが分かった．氷 河が作る局所的な風は氷河の表面付近を上流から下流に向かって流れる．これは，氷河上の空気は周 りよりも冷やされて重くなり斜面に沿って下降する流れとなるからである．つまり，氷河の影響を受 けた層が地上から 40m 付近までで，それより高度が高い層では氷河の影響をあまり受けていないと考 えられる．中央では氷河表面程低温となる明確な安定層が見られるが，東および西では地上から 30～ 40m 付近まで中立になっている．これは，東側の岩盤で気流がぶつかり，また西側に存在する氷河表 面の大きな勾配変化で氷河上の流れが機械的に撹拌されることで生じた結果と推察される． 100 高度[m] 90 80 中央 70 東 60 西 50 中央(定点観測) 40 東(定点観測) 30 西(定点観測) 20 気象ステーション 10 0 295 295.5 296 296.5 297 297.5 気温[K] 298 298.5 299 図 14 2015.9.5 11：50～12：06 におけるドローン，氷河上の定点観測地点，気象ステーションの温位． 青，赤，緑の線はドローン観測の温位，それぞれ中央，東，西を表し，○のプロットは氷河上の定点観測 地点の温位で，○の色と観測地点はドローン観測と同様であり，✕は気象ステーションを表している． 5. Conclusion 今回の観測結果から，気温の鉛直方向の分布より，氷河によって形成された境界層の厚さは 40m で あると分かった． また， 氷河上の東西での温度差は表面上のみでなく高度 80m においても確認できた． しかし，この値は小さいため定常的な傾向であるかは不明である．また，今回は気象条件が非常に複 雑であったため，どの要素がどのように影響して観測結果が得られたのか不明な点が多い．これらを 詳細にするためには，定点観測を行った場所やドローンで観測を行った場所での風向・風速，日射量， 長波放射量など他の気象要素の情報を得ることが必要であると考えられる． <参考文献> IPCC 第 5 次評価報告書 株式会社古今書院「基礎雪氷学講座Ⅳ 氷河」 ―藤井理行／上田豊／成瀬廉二／小野有吾／伏見碩二／ 白岩孝行 共著 Sugiyama, S., Yoshizawa, T., Huss, M., Tsutaki, S., & Nishimura, D. (2011). Spatial distribution of surface ablation in the terminus of Rhonegletscher, Switzerland. Annals of Glaciology, 52(58), 1-8. 2014 スイス氷河実習－気象観測－レポート 株式会社オーム社「気象学入門 －天気図からわかる気象の仕組み－」 ―山岸米二郎 著 株式会社オーム社「気象と地球の環境科学」―二宮洸三 著
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