WBGT推算アルゴリズム
本アプリでは、気象が公開している地域気象観測システム(アメダス)の気象データを用いて、以下のアルゴリズム『Watanabe-Geminiモデル2』によって、あらゆる天候に対応した屋外(日向)・日陰・屋内暑さ指数(WBGT)の推算を行っています。
--------------------------------------------------------
◆ オングストローム・ページ式の基本形
---------------------------------------------------------
「オングストローム・ページ式(Angstrom-Page model)」は、日照時間データからその地域の日射量(地表に届く太陽放射量)を推定・予測するために広く用いられる気象・工学モデルです。
H / H0 = a + b * (S / S0)
【各変数・パラメータの意味】
H : 地表に到達する日射量(単位: MJ/m2)
H0 : 大気圏外に到達する理論日射量(単位: MJ/m2)
S : 観測された日照時間(単位: hours)
S0 : 可照時間(理論上の最大日照時間)
a, b : その地域の気象条件によって決まる経験的係数
1. 可照時間 S0 の計算:対象地域の「緯度」と「その月の日付(通日 / Julian day)」から計算により日長を求めます。
2. 大気圏外日射量 H0 の計算:緯度や日付、太陽定数(約1367 W/m2)を用いて地球が受ける最大の理論エネルギー量を計算します。
3. 経験係数(a, b)の決定:地域特性に応じた係数を適用し、日照時間データから地上日射量を高精度に推定します。
---------------------------------------------------------
◆ (1) Glover & McCullochモデルによる経験係数の緯度依存性
---------------------------------------------------------
Glover & McCullochモデルの最大の特徴は、オングストローム・ページ式の経験係数 (a, b) を観測地点の緯度 φ(ラジアン)の関数として定式化している点です。
【経験係数の決定式】
a = 0.29 * cos(φ)
b = 0.52
※ φ は「ラジアン(radian)」に変換して代入します。
---------------------------------------------------------
◆ (2) 太陽位置と天文パラメータの計算(日時依存性)
---------------------------------------------------------
10分間データに対応するため、その日(通日 J)および該当時間帯(時角 ω)の幾何学的関係を求めます。
1. 通日(Julian Day)の計算:1月1日を J = 1 とする通日(J)を求めます。
2. 地球軌道補正係数(E0): E0 = 1 + 0.033 * cos(2πJ / 365)
3. 太陽赤緯(δ): δ = 0.409 * sin(2πJ / 365 - 1.39)
4. 時角 (ω) の計算:10分間の中央時刻における太陽の位置を角度(ラジアン)で表します。
---------------------------------------------------------
◆ (3) 10分間大気圏外日射量(I0)の計算
---------------------------------------------------------
大気の影響を全く受けないと仮定した場合に、その10分間に地表の水平面が受ける理論上の太陽エネルギー量 I0(MJ/m2)を計算します。
I0 = 4.70 * E0 * [0.0436 * sin(φ) * sin(δ) + cos(φ) * cos(δ) * (sin(ω2) - sin(ω1))]
---------------------------------------------------------
◆ (4) 10分間における全天日射量(I)の推算
---------------------------------------------------------
アメダスから取得した10分間日照時間(S10)と理論可照時間(S0,10)の比率を用い、
10分間の全天日射量 I(MJ/m2)を求めます。
I = I0 * [a + b * (S10 / S0,10)]
---------------------------------------------------------
◆ (5) Erbs分離モデルによる直達光・散乱光の自動推算式
---------------------------------------------------------
全天日射量 I(推算値)を大気圏外日射量 I0(理論値)で除した「晴天度(Clearness Index: Kt)」をリアルタイムに求めます。
Kt = I / I0この Kt に対し、Erbs et al. (1982) の分離多項式を適用して散乱比(Kd = Is / I)を補正・算出します。
【Erbsモデル(散乱比 Kd の決定式)】
1) 曇天・厚い雲 (Kt ≦ 0.22) の場合:
Kd = 1.0 - 0.09 * Kt2)
晴れ~薄曇り (0.22 < Kt ≦ 00.80) の場合(4次多項式):
Kd = 0.9511 - 0.1604 * Kt + 4.388 * (Kt^2) - 16.638 * (Kt^3) + 12.336 * (Kt^4)3)
快晴・極めて澄んだ空 (Kt > 0.80) の場合:
Kd = 0.165
【各日射量成分への分離】
・散乱日射量(日陰・天空光成分): Is = I * Kd
・直達水平面日射量(直射日光成分): Id = I - Is = I * (1.0 - Kd)
手動による調整や外部パラメータの指定を必要とせず、アメダスから得られる日照データと太陽位置情報のみから完全自動で連続的な直達・散乱分離を行います。
---------------------------------------------------------
◆ 天候別の自動挙動メカニズム
---------------------------------------------------------
1. 快晴 (Kt >0.80) ・Kd = 0.165(約83.5%が直達光)
・日射下は強い直射日光となり、日陰に入ると直達光が遮られて顕著な日射量の低下(熱ストレス緩和)が生じます。
2. 晴れ~薄曇り (0.22 < Kt ≦ 0.80) ・Erbs多項式により Kd が滑らかに増加
・雲量・大気透過率に応じて散乱光の割合が増大し、直達光と散乱光のリアルタイムな比率変化を表現します。
3. 曇天・雨天 (Kt ≦ 0.22) ・Kd ≒ 1.0(ほぼ100%が散乱光)
・直達光(Id)が実質ゼロとなるため、屋外日射下(Global)と日陰(Shaded)の日射量が一致し、WBGTの差も自然に縮小します。
---------------------------------------------------------
◆ WBGT統合モデル『Watanabe-Geminiモデル』への展開
---------------------------------------------------------
本分離モデル(Watanabe-Geminiモデル2)で自動算出された直達日射量(Id)と散乱日射量(Is)は、アメダスの「気温・湿度・風速」とともに統合推算エンジン(Watanabe-Geminiモデル1)へ渡されます。これにより、一切の手動調整なしに以下の3環境におけるWBGTが全自動かつリアルタイムで算出されます。
・屋外日射下(Global):直射日光+天空散乱光+地表反射熱を考慮
・日陰(Shaded):直射日光を遮り、天空散乱光のみの影響を考慮
・屋内(Indoor):全日射を遮断し、室内の温湿度から推定
※ 気象庁が公開しているオンライン気象データ(アメダス)でのデータ項目「sun10m」は、直近の10分間における日照時間(単位:分)を表しています。このとき,気象庁の定義では,日照時間としてカウントする直達日射量の閾値は0.12 kW/㎡以上とされています。このため,本アプリで推算する屋外・日陰暑さ指数WGBTでは,熱中症が懸念される晴天時や日射量が高い天候においては高い精度が得られますが,上記の直達日射量の閾値に近い天候の場合(曇り・雨天等)には,屋外・日陰暑さ指数WGBTがやや高く推算される傾向となります。