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= 修論計画書
((::))
* 編集者: 塚原大輔
* 最終更新: 2005/02/03 (塚原大輔)
* 新規作成: 2004/11/28 (塚原大輔)
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Contents
<<< index.hindex.rd
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== Link
* 修士論文原稿
* ((<電脳プレプリ(非公開)|URL:https://www.gfd-dennou.org/GFD_Dennou_Club/dc-arch/prepri/2005/hokudai/daktu32/paper/pub/>))
* 修論図表
* (())
* NCEP Reanalysis モデル詳細
* (())
== TODO
== 修論タイトル(決定)
* 日本語
NCEP/NCAR 再解析データを用いた対流圏帯状平均場の解析
* 英語
Analyses of zonal mean fields of the troposphere
by the use of NCEP/NCAR Reanalysis data
== 要旨(提出版)
NCEP/NCAR 再解析データを用いて 1979 年から 2003 年までの
25 年間に見られる月平均帯状平均場の季節変化の変動幅を調べた.
また質量流線関数の極値で定義したハドレー循環強度の年々変動と
熱帯降水活動, 亜熱帯ジェット, 擾乱の活動度それぞれの年々変動
との対応関係を調べた.
ハドレー循環強度の 25 年平均値は両半球ともに 6.0e10 kg/s であった.
この値はゾンデの観測データから見積もられたハドレー循環強度の値
(Oort and Yienger, 1996)と比べると, 北半球の年平均値は 約 0.7 倍,
南半球の年平均値は 約 0.8 倍である. また, ハドレー循環強度の平均年
変動(25 年平均の月平均値で定義される季節変化)の範囲は北半球で
2.0e10 から 16.0e10 kg/s, 南半球で 4.0e10 から 15.0e10 kg/s である.
平均年変動の幅も Oort and Yienger (1996) の結果に比較すると小さいも
のとなっていた.
月平均ハドレー循環強度を使って年々変動を調べたところ, ハドレー循環
強度の平均年変動からの偏差は -3.2e10 〜 3.5e10 kg/s である. 偏差の
絶対値が大きい時は, おおむね El Nino 年と一致しており, ゾンデ観測デ
ータの見積もり (Oort and Yienger, 1996) と整合的な結果となった. また
ハドレー循環強度の年々変動と熱帯降水活動の年々変動との対応関係につい
て調べた結果, 北(南)半球におけるハドレー循環強度が強いときには南(北)
半球の 5 度 -15 度帯における降水が増加している傾向にあることが示され
た. 一方, ハドレー循環強度の年々変動は亜熱帯ジェットや傾圧擾乱の活動
度の年々変動とは, 時系列データを見る限り明確な対応関係を示さない. こ
の結果は, ENSO イベントに準拠した合成図により El Nino 時にはフェレル
循環強度が弱まるという Oort and Yienger(1996) の結果を支持するもので
はなかった. しかしながら, このことは相関解析を行って初めて見られる強
弱の関係がある可能性を否定するものではない.
== 基本方針
NCEP/NCAR Re-Analysis の 1979 年から 2003 年までのデータを用いて
地球大気対流圏の子午面構造, 特にハドレー循環と中緯度波動の活動度に
注目して Climatrogy と年々変動の様子についてまとめる.
# 1979-2003 年を選んだ理由は後述. 主に精度の問題.
具体的な流れとしては,
(0) (intro) 過去の気候値, 子午面循環についてまとめた研究
(1) 気候値平均子午面構造について
* 年平均, 季節平均, 月平均
* 物理量
* 3 次元データ
* 東西風, 温度, 比湿
* 2 次元データ
* 降水量(東西平均量)
* 潜熱加熱の指標
* 潜熱フラックス, 顕熱フラックス
* Net Top Outgoing Longwave Flux
* ulwrf.ntat
* Net Surface Longwave Flux
* nlwrf.sfc
* Net Top Shortwave Flux
* uswrf.ntat - dswrf.ntat?
* Net Surface Shortwave Flux
* nswrf.sfc
* 2 次元(子午面)
* 質量流線関数, EPフラックス, 残差循環の質量流線関数
* 一次元エネルギー収支
* 放射収支(大気の正味の吸収量)
* 南北熱輸送量
* 乾燥静的エネルギーフラックス (C_p(vT)+vh)
* 上を経度, 鉛直積分すると南北輸送
* vT+vh, bar{v}bat{T} + bar{v}bar{h}, bar{v'T'} + bar{v'h'} をそれぞれ計算
* 潜熱輸送量 (LQv)
* まず QV を計算し鉛直積分. その後 L をかけて経度平均.
* LQv, Lbar{v}bar{Q}, bar{v'Q'}
をそれぞれ計算...するのはしんどいかな???
* 大気の熱収支が閉じるのに必要な物理量が揃っているか???
* いわゆる Oort and Peixote にでてくる絵が全部描けるか?
* とりあえず熱収支を極める(ここで閉じる)
* 最終的には運動量, 角運動量収支を見て議論する, が大団円だけど...
* ハドレー循環内の角運動量収支のチェック
* 会社首になったら↑やりましょう.
(2) どの程度変動しているか
* 時系列をプロット. or アニメーション etc...
(3) 諸物理量同士の相関について触れる
というストーリーの元まとめる.
== 進行状況
=== 執筆状況
* イントロ
筋はなんとくイメージできた. 描けた絵によって適宜修正.
* 気候値
最初に書き上げる章. 変動場を語る上での土台となるので, しっかりと
構成を考えたほうが良い.
* 東西風, 質量流線関数は年平均, 季節変化ともに記述してみた.
== 具体的中身
=== 修士論文目次(暫定, 随時更新)
(1) はじめに
(2) データおよび解析手法
(3) 気候値
(1) 年平均
* 全球エネルギー収支
* 東西平均場
(2) 季節進行
* 全球エネルギー収支
* 東西平均場
(5) 年々変動
(6) 議論
== memo
=== 25 年平均各月質量流線関数強度
北半球
[1.741516147e+11, 1.728103515e+11, 1.437615058e+11,
9.915859645e+10, 5.375878859e+10, 2.540896942e+10,
2.153851331e+10, 2.718366339e+10, 3.860818923e+10,
6.498904461e+10, 1.031458001e+11, 1.444603366e+11]
南半球
[-3.979531666e+10, -4.631706494e+10, -5.153680826e+10,
-7.316564411e+10, -1.085651142e+11, -1.526710472e+11,
-1.805738124e+11, -1.844717417e+11, -1.531504333e+11,
-1.03334038e+11, -6.239799724e+10, -3.854514058e+10]
=== 25 年平均各月東西風
[43.88413938, 44.78828209, 40.7308379,
32.47684295, 25.63752966, 24.14256241,
21.11412332, 21.53155171, 24.23865003,
26.30277362, 32.41372278, 38.88468751]
[30.77298127, 30.5798287, 29.40188658,
28.32122124, 34.62175427, 39.86018353,
40.45402358, 39.89425369, 37.40398677,
32.4775607, 27.70584959, 28.86043414]
=== 25 年平均各月 EP フラックス 鉛直成分
[9460933.559, 8890242.913, 7707571.065,
6137837.538, 3560176.407, 1537725.252,
877755.5359, 1316152.98, 3031443.997,
5042514.077, 7214969.281, 8635365.939]
[3248685.107, 3365329.046, 3982317.335,
5359631.777, 6452960.98, 7582744.11,
7961133.233, 7376850.407, 6609757.665,
5338826.575, 4194050.603, 3417815.424]
=== 25 年平均各月 EP フラックス 発散
[4.801676736e-06, 2.954864496e-06, 4.787004815e-06,
4.650435229e-06, 3.107174057e-06, -1.308054666e-07,
-5.829998202e-06, -6.866010467e-06, -9.519674938e-06,
-4.057957935e-06, 6.765649906e-07, 4.742133331e-06]
[2.621797369e-06, 1.591070792e-06, 4.95567136e-06,
9.251517961e-06, 1.221691738e-05, 1.489932023e-05,
1.594967034e-05, 1.469451137e-05, 1.400905019e-05,
1.156231712e-05, 9.387027254e-06, 5.675149522e-06
=== エルニーニョ/ラニーニャ
以下発生期間
エルニーニョ ラニーニャ
82年春〜 83年夏 84年秋〜 85年夏
86年秋〜87/88年冬 88年春〜 89年春
91年春〜 92年夏
93年春〜 93年夏
97年春〜 98年夏 98年秋〜 99年春
99年夏〜 2000年春
02年春〜 02/03年冬
* 参考
(())
=== 年々変動
* 手本は Oort and Yienger(1996).
* 25 年分をパラパラと眺める努力をしましょう.
* 色々な年々変動の絵を描きましょう
* 既に書いた絵
* 質量流線関数(強度と幅の変動)
* (())
* これから描いてみたい絵.
* 東西風のジェットの変動(強度と軸の位置? 200 hPa 面の時系列かな.)
* 温度場は...全球(もしくは領域)平均温度
* 比湿は...なにを語ればいいんだ...
* 別に全ての物理量の時系列を書く必要はない. 例えば質量流線関数の変動で
目立つ年(月)を拾って, そのときの諸量の値が年平均とどれだけぞれてますか.
と絞ってみても良かろう. (というかそうしないと時間がない...)
* 石渡さんからコメント. その前にまず全部見ろと. グフッ.
== 過去 TODO
=== 論文
(0) まとめ
* 気候値(一部を掲載)
* ハドレー循環強度, 東西風ジェット, フェレル循環強度,
雨,
(0) 4 章の絵とストーリーをまとめる
* 箇条書きでよいのでどういう結果を述べるか考える
* とりあえず降水, 蒸発, OLR(比湿?) の南北分布から
ハドレー循環強度が関係しそうであるということを書く
* 東西風ジェットと循環強度の関係も
(1) イントロを少しまともに仕上げる
* 人々は帯状平均場を見てる
* Oort and Yienger は ENSO とハドレー循環強度の関係
* Edmon は...
* 我々はその他の物理量と循環強度の関係を見てみたい
* FGGE 年以降の新しいデータで
(3) 3 章書き直し.
* もっと数字を出すようにする.
* 年々変動の幅はこれぐらいだ... などなど
* 定義をしっかり. 循環強度とは? ハドレー循環領域とは?
(1) 第 4 章 年々変動執筆
* 目標:01/24(月) まで
* やっと絵が揃った.
* 作戦
* 循環強度を軸に以下との関連をそれぞれ語る
(1) 熱輸送, 水収支の観点から語る
(2) 運動量収支. EP フラックスおよび東西風を持ち出して見る.
擾乱の活動は南北エネルギー輸送量の擾乱成分をもって評価してみる.
* 執筆中に気づいたこと
* 循環強度の変動に対応する様子が...
* 放射には見られない.
そもそも年々の違いが非常に小さいかほとんどないように思える.
年々変動の幅としては高々 1 - 2 W 程度.
NCEP の放射におけるアンバランス性を考慮すると誤差の範囲か??
本当は誤差の妥当性も検討しなきゃならんのだがなぁ..
* 一方で, 降水や顕熱, 潜熱フラックス, 比湿の方がまだ見られる.
* ただし, 現在描いてある図の縦軸スケールだと良くわからんかも...
低緯度と中緯度を一枚に描かないほうがいいかな???
年々変動の幅は確認できなくはないんだけど...
寝る前(夜 1 時から 2 時の間に描いてみよう.)
* NCEP のデータが信用できるか問題
* 議論の項に持っていけば良い
* 今後の課題
(2) GPhys::IO.write
* netCDF 由来の GPhys オブジェクトの軸の名前を変更して
別の netCDF ファイルに保存すると, なぜか変更前の
軸に依存しているという結果を得る. これは仕様???
修論後にでも GPhys の中身を探索してみよう.
もしくは堀之内さんに聞く.
=== その他
(0) 緯度平均関連図書き直し
* 緯度方向の平均
* ガウス重みの領域和で規格化
* 以下の物理量
* 放射
* 熱
* 比湿
* EP フラックス, 発散
(0) 気づいてしまった
* p 座標系の支配方程式から計算した EP フラックスだと上下が逆になる(普通の速度と圧力速度の違いみたいなもんだ)
* うーん, 上記を明記しておくことを忘れなければいいかなぁ..
* サムネイルの html を作成
(1) 25MEANS.NCEP/img_lnk なるディレクトリを作成
(2) その下に 25MEANS.NCEP/25MEANS.????.NCEP/*.png をシンボリックリンク
(3) dcchart-study-thum.rb を実行
* GPhys::integrate
* 積分したとききちんと単位もケアしてくれると勝手に思ってたらそんなことなかった...
無次元で演算するらしい. うーん. 堀之内さんに進言しようかな.
* 正味の放射収支(DCCHART のメモ書きにも反映)
* NCEP/NCAR Reanalysis 1 における地表面の正味長波/短波フラックスは
上向き(大気に射出される方向)を正にしているようだ.
絵を描いて見るとそれっぽい.
* 大気上端の量はどうしよう? NCEP で提供しているデータに正味の量は
ないので自分で定義しないといけない. 石渡さんの絵からすると大気から抜けていく
方向を正にとると良いかな.
* EP フラックスを stationaly と transient に分ける意味
* 傾圧不安定波とそれ以外の寄与に分けて考えてみる
* 時間平均値として用いる期間
* 1979-2003(25 年)
* 平年値として 20-30 年が適当か
* それ以前のデータはほぼモデルの出力だろう
* 大昔のデータも時系列 or etc. を見ると面白そう
* その際, 平年値として利用するデータは 1979-2003 のデータを用いてはだめ
* 何(どのような物理量)を見るのに適当か?
* 結局モデルの出力に過ぎないものならば意味がない...
* データ精度
* 1979 を境に観測データの精度が急変
* FGGE(第一回 GARP 全球実験計画)
* 全球規模の観測網を設計するための基礎データをとることを目的
* この年以降4次元同化データの取り組みが急上か???
* 最初のひまわりは 1977 年. (観測開始は 1978 年.)
* アメリカから打ち上げ. それ以降宇宙開発事業団が打ち上げ.
* NOAA の最初の極軌道衛星が回り始めたのが 1960 年.
(Television Infrared Obserbation Satellite)
1965 年まで活躍.
* 2 番目の衛星シリーズは ESSA. 9 個シリーズがある. 66 年から 69 年まで.
* 3 番目の衛星シリーズは ITOS シリーズ. 最初の衛星は ITOS1. その後
NOAA の改称に伴い, シリーズ名も NOAA に改称. 1-5 まで.
* 4 番目の衛星シリーズは TIROS-N. NOAA6, NOAA7 がそれ.
* 5 番目の衛星シリーズは ATN(NOAA8).
* ソ連のデータは良くわからん
* 静止軌道衛星は アメリカx2, 日本x1, ヨーロッパx1, インドx1
* 極軌道衛星はアメリカ (NOAA), ロシア(METEOR)
* 場所
* 北半球中緯度は第二次大戦以降から飛行機が飛んでるのでそれなりに豊富
* 1979 => FGGE
* 増田耕一さんのページが参考になる.
http://web.sfc.keio.ac.jp/~masudako/publ/geosci/4da/text.html
== 悩んでいること
* 絵のレイアウト
* どうもダサいンだよなぁ. rgtview は元々クイックビューワ的に設計してるから論文用の絵としては向かないかも.
rgtview は使わないで新たにスクリプト書こうかな. 優先度は低いけど(余裕があったらだね.).
=== 解決事項
=== Oort and Yienger(1996) 読み直し
データに関して. 特に観測点.
また 1982 年の El Nino イベント時の循環場がなぜ弱いのかについての考察を読む.
=== 発表資料作成
以下あらすじ
(0) タイトル
(1) 背景1(これはあまりに当たり前すぎ?)
* 対流圏大気の帯状平均質量流線関数で定義されるハドレー循環は
大気の熱輸送, 運動量輸送の主要な部分を担っている.
* その変動と諸量の変動の関連と変動幅を調べるのはとっても重要.
(2) 背景2:
* Oort and Yienger(1996)
* ラジオゾンデのデータを用いてハドレー循環強度と ENSO イベントの関連を示した
* ハドレー循環強度は質量流線関数の極値で定義
* 循環強度とその他の量との関連を調べた
* 相関解析を行い, それぞれの有意性を検討
* 彼らの研究の不満
* ハドレー循環強度以外の物理量の変動は相関係数のみで議論
* いまいちイメージがわかん
* 傾圧擾乱活動との変動は調べていない
* 中緯度の擾乱との関連がわからん
(3) 目的
* NCEP/NCAR 再解析データを用いて
ハドレー循環強度の変動とその他の物理量の変動の関連を調べる
* El Nino 年の循環強度
* 熱帯降水活動
* 亜熱帯ジェット
* 傾圧擾乱の活動度
* 相関解析する前に時系列データを眺めて変動の幅を知る
(4) データ
* データソース
* NCEP/NCAR 再解析データ 1(以降, NRA1 データ)
* 期間
* 1979年/12 月 -- 2003 年 12 月 までの 25 年間月平均値
* 対象期間におけるデータの均質を意識して, FGGE 年以降のデータを選択
* 地表面気圧より低い格子点は欠損扱い
* 現実には地面である格子点は抜いて見積もった
(5) 平年値
(6) El Nino
(7) 熱帯降水活動
(8) 亜熱帯ジェット
(9) 傾圧擾乱
(10) まとめ
(11) 今後の課題
(12) 付録1
* Ruby による気象解析ユーティリティの開発と利用の試み
* gtool4/netCDF データへの変換と...
(11) 物理量の定義?
== hoge
(1) 年々変動お絵描き(残り)
* 作戦
* 循環と熱輸送/循環と擾乱, 運動量収支の関係を見る
(1) ハドレー循環強度の強い/弱い年を選ぶ
(2) そのときのその他の物理量はどうなっとるか?
* 現在取り組んでいる絵
* 既に描いた絵
* ハドレー循環の強度
* 東西風ジェットの強度
* 南北温度差(熱帯と中緯度)at 500 hPa
* 比湿(鉛直積分)
* 放射の領域平均
* 熱収支領域平均
* 南北エネルギー輸送量のピーク値(熱帯, 中緯度)
* トータルはよくわからんので, 帯状平均と擾乱について.
* EP フラックス 200 or 500 hPa 面での中緯度平均( z 成分のみ)
* EP フラックスダイバージェンス200 or 500 hPa 面での中緯度平均
* 残差循環の質量流線関数の強度
* 描くかも知れんけどとりあえず保留
* フェレル循環の強度
* 南北温度傾度 at 500 hPa or 鉛直平均
* 25 年分お絵描き
* 年平均からのずれ
* お絵描きのトーン, コンター間隔の調整.
* 流線 : int: 2.5e9
* 東西風: range: 2.5 -- -2.5
* 温度 : range: 5.0 -- -5.0,
int: 1.0
* 比湿 : 1.0e-3 .. -1.0e-3
* 放射, 熱 : 20..-20 => 50..-50 が妥当か?
* エネルギー: 10+e14
* EP フラックス: factor x 50
* 一応描けたが, gif アニメ用に何年の何平均かという情報が欲しい.
* GGraph::margin_info を参考に, 絵の上下の余白に書き込んだ
(1) 年々変動お絵描き
* 25 年分お絵描き
* 気候値と同じフォーマットで描いてみる
* ( 年平均 + 季節平均 x 4 ) x 25 年 = 125 枚.. うーん.
* 描けた.
* 気候値からずれをプロット
(1) まず気候値を netCDF ファイルに保存
* 終了... だがちょっと不満. 詳細は下記参照
(2) ついで各年の値と気候値の diff をとるプログラムを書く
* ホフメラー図も着眼点がしっかりしているものは書く
(0) データ && 気候値完成
* 今週末(土曜)までに終了. 完成に至らなくとも切りのいいところで挙げる.
* 終わらんかった... 残りは気候値の中高緯度. 何とか月曜中に...
* 無理やり終わらせた〜. チェック次第ではまた TODO リストいきだな
(可能性大). 怖いよー(T T).
(1) 気候値の絵描き直し
* 一ページに全ての物理量が入るように工夫
* 季節平均値の絵を描くスクリプトをベースに改造
* 懸念はコンター間隔とカラーバーを一枚一枚にきちんとつけること
* 試してみた. 25MEAN.NCEP にスクリプト格納. まあまずくないかな.
人に聞いてみよう. 問題は印刷したときどうなるか.
(1) 南北エネルギー輸送量の計算
* 乾燥静的エネルギー
* 温度とジオポテンシャルハイトは全球平均値を引いて計算.
* なんとなくいい感じな気がするが, 石渡さんと相談.
* 教科書あさりまくる. 大気科学講座, Peixoto and Oort が良いかな.
* 潜熱輸送量は済み.
* 南北潜熱輸送量
* 問題が 2 つ
(1) 降水量のデータのグリッドがその他のデータと違う. 片方はガウス緯度.
(2) 比湿のデータは 300 hPa までしかない. 乾燥静的エネルギーと比較できない.
乾燥〜の方も 300 hPa までにしたとしても, ハドレー循環の上層の寄与がないのであまり意味がないのでは???
むむむ...
* 解決策は
(1) 適当に内外挿してそろえなくてはならない.
* rb-gsl をシステムではなくホームにインストールすることに成功(at eva03).
dennou-h でできれば完璧だね.
* ドキュメントは(())
(2) 300 hPa より上では水蒸気がほとんどないと思って構わず 300 hPa 以下の積分値を見てみる?
* ダウンワードコントロールの意味
* 要は外力強制の効果はその分布の下層にのみ影響を及ぼす, という意味
* 決して, 下降流が強いという意味ではない???
* Holton 1995
* 『天気』1995年9月号(VOL.42, NO.9)をチェック
* エネルギーバランス全球収支
* 値が合わない... Kiehl and Trenberth(1997) を参考に比較すると, 各フラックス同士はそれなりに合っている
ようだが(顕熱フラックスを除く), バランスしてない. 正味で 15 W/m^2 冷却していることになる...
* 解決. Kalnay 1996 によるとそんなもんらしい. JRA の人はチェックしてないということだし
こんなもんかいな.
* 放射
* ガウス重みをかけて計算.
* NArrayMiss::get_with_miss_and_scaling2
* 困った. 各格子の数値が欠損値かどうか判定する場合, 格納する NArray の型が小数型だと
誤差を考えて, 欠損値 +- \alph の範囲の数値を欠損扱いにする工夫が必要となる.
今までは +- 1e-6 にしてたんだけど, これだと大きすぎるんだよね...
* この野郎... 盲点だった... @actual_range, \valid_range が効いてたとは...
欠損値にばかり気をとられてたけど...
一応他のデータについてもチェックしておこう. もしかしたら変な値が格納されているかも...
* 水収支
* 1979, 2002, 2003 の降水量がおかしい. 蒸発量の約 2 倍. データがおかしい?
* 2002, 2003 のオリジナルデータを再びダウンロード. やっぱり 2 倍.
月平均ファイル作成スクリプトがおかしいのかと思い, 2001 年のデータで試してみたが
問題ないし... 2001 年のオリジナルデータを落としてきて作成しなおしてみよう.
それでだめなら, いよいよもって元ファイルがおかしいのだろう.
* 蒸発量と降水量の全球平均値の時系列を書いてみよう. おそらく 1979, 2002, 2003 がおかしいだろう.
* 1980-2001 以外の年は全滅. これらはダウンロードした時期が違うんだよね... スクリプトの問題?
* 原因判明. netcdf_cutter_NCEP.rb 内を調べてみよう.
* EP フラックスや鉛直風のデータは 100 hPa までしかない.
その他の物理量と比較するので, その他の物理量の絵を 100 hPa
面までに揃えなくてはいけないかな
* EP フラックスに関する記述ってどう書こう???
* 石渡さんと相談した. スタンスは
(1) フェレル循環の説明で使用. すなわちフェレル循環は波の統計的平均状態で
あることは前提として, これだけ波動がありますね〜. とする.
(2) 発散は適当に加速があるみたいですねー, とだけ書く. 運動量収支をきちん
とやるならば, TEM 系の運動方程式の各項との釣り合いを描かないといけな
いんだろうけどね.
* 帯状平均場とそれからのずれについての記述をどこで書こう???
3 章で様々な物理量の定義をするのでそこに書く???
=end