１．序章
１．１研究背景
近年、大気中の温室効果ガス（二酸化炭素､メタン等）の増大による地球温暖化が問題視されている。このことを背景に、岐阜大学２１世紀ＣＯＥプログラム「衛星生態学創生拠点」（以後ＣＯＥプログラムと呼ぶ）は、生態系のもつ機能（二酸化炭素の吸収や大気温度の調整など）とその仕組みを理解し、健全な生態系を持続して利用する方策を探ることを目的としており、岐阜県森林地域は二酸化炭素の吸収源として大きく期待されている。
ＣＯＥプログラムは、生態プロセスの研究とリモートセンシング解析の融合・統合を図り、その結果を基に気象観測・モデリング解析を加え地域スケールの環境問題を個々に捉え、同時に、各々を再結合することにより地球スケールの環境問題へと包括的に還元する総合的・実践的な科学、「衛星生態学」の創生を目指したものである。生態プロセス研究による点観測と衛星リモートセンシングによる広域観測の両者を、数値モデリングの手法により組み合わせ、森林生態系の生理機能を流域スケールで評価・予測するためのモデルが必要となっており、本研究では、ＣＯＥプログラムの一環として数値解析に用いるモデルの研究を行う。
１．２研究目的
本研究では、Gordon Bonanにより構築された鉛直一次元の陸面過程モデルNCAR LSM（第３章参照）を研究対象として使用する。NCAR LSMは、植生構造を一層で表現した比較的簡単なものである。しかし、NCAR
LSMは内部に光合成のサイクルの表現をした部分をもち、また積雪の効果、陽葉・陰葉の割合の算出ができるなど高度な解析が可能なモデルである。
このモデル内ではさまざまな植生毎にパラメータが与えられており、世界中を覆るようになっている。しかし、これらのパラメータは便宜的に与えられているものである。そのため、モデル内のパラメータを既定値のまま利用した場合、計算結果と観測結果とのあいだに大きな誤差が発生することが過去の高山落葉広葉樹林サイトの研究から推測される。そのため、本研究は高山の常緑針葉樹林に対し観測データとモデルの解析結果との比較検証を行い、NCAR LSMを高山の常緑針葉樹林に適用できるようにしていくことを目的としている。
２．観測地概要
２．１観測サイト
本研究は、ＣＯＥプログラムの研究対象である大八賀川流域内で占める割合の高い植生、常緑針葉樹林をモデル解析の対象とする。NCAR LSMに使用するにデータは、モデル使用に必要な観測データが揃っており、また比較できるデータも観測している高山常緑針葉樹林サイト（以後Ｃ５０サイトと呼ぶ）のものを使用する。
Ｃ５０サイトは、
図２－１ 地形図と高山常緑針葉樹林サイト
２．２観測状況
Ｃ５０サイトでは、２００５年３月に高さ３０ｍの気象観測のタワーが建設された。タワーとその周辺では、現在、気温・風速などの気象情報、土壌環境、ＣＯ２・熱・水フラックス等を長期連続観測している。気象情報・土壌環境は２００５年３月から、フラックス観測は２００５年７月から行い、現在も継続中である。
計測項目、計測高度については図２－２に示す。
図２－２ タワーおよび観測項目
３．モデル概要
３．１NCAR LSM概要
NCAR
LSM（National Center for Atmospheric Research Land Surface Model, version１）は、１９９６年にGordon Bonanによって開発された単層の森林生態系を考慮した鉛直一次元の陸面過程モデルである。
NCAR
LSMはNCAR CCM（Community Climate Model）と呼ばれる全球記気候モデルとの結合計算を意識したモデルとなっている。LSMは熱・水・運動に関する生物理的フラックス（潜熱フラックス・顕熱フラックス・運動量フラックス・短波放射・長波放射）に加えて、森林生態系による生化学的フラックス（ＣＯ２フラックス）をも計算できる統合的なモデルである。
３．２モデル構造
NCAR
LSM内では陸面における多岐にわたるプロセスを定式化・パラメータかしており、個々のプロセス同士が相互に関係しあっている。
プロセス内で設定されているパラメータの一覧を付録に添付する。
図３－１は、各プロセス間の相互作用関係について模式的に示したものだ。
図３－１ NCAR LSMにおける各プロセス間の相互作用
詳細な定式化・パラメータ化については、NCAR LSMのマニュアルに記述。
以下の図３－２・図３－３に示すものは、水文プロセス・生化学的プロセスの模式図であり、NCAR LSM内ではこれらのすべてのプロセスを考慮している。
図３－２ NCAR LSMにおける水文プロセスの模式図
図３－３ NCAR LSMにおける生化学的プロセスの模式図
３．３計算設定
３．３．１解析期間
NCAR
LSMの精度検証のためシミュレーションは、２００６年１月１日０時００分～２００６年１２月３１日２３時３０分までの１年間についておこなった。しかし、放射量の観測データは冬季に多数の誤測があり、またフラックスの観測データは観測に欠落がある。そのため欠落が多い期間は精度検証には不十分とし除外、比較対象期間を２００６年４月１日０時００分～２００６年９月３０日２３時３０分までとした。
３．３．２モデル入力値
NCAR
LSMのモデル入力値は、土地利用情報と気象情報の２種類ある。
土地利用情報は、緯度・経度、解析する地域の植生、土壌タイプである。緯度・経度はＣ５０サイトの国土情報を入力、植生はＬＳＭ内で定義される植生タイプの常緑針葉樹林を使用した。表３－１に植生タイプの一覧を示す。なお、Ｃ５０サイトは常緑針葉樹林単独の植生のため植生の比率を既存では常緑針葉樹７５％ベア２５％のものを常緑針葉樹１００％に変更した。
表３－１ ＬＳＭで定義される植生タイプ
また、土壌タイプは正確な値が入手できなかったため、ＬＳＭ内で定義されている数値の平均値を使用した。
気象情報は観測高度、気温、風速、比湿、気圧、対流性降水、長波放射量、可視領域・近赤外線領域の直達・散乱日射量で、これらの入力値はＣ５０サイトより提供いただいた。
表３－２に一覧として掲載する。
表３－２ NCAR LSM入力デ要素
気象情報の中で、気温、風速、気圧、対流性降水、長波放射はＣ５０サイトで計測された実測値を用い、比湿は気温、湿度から算出した。
可視領域、近赤外領域の直達・散乱日射量は直達・散乱日射を計測していないため、Spitters（1986）をもとに日射量より推定している。
Spittersによる可視領域・近赤外領域の直達・散乱日射量の推定方法
大気上端における日射量は
(3.1)
（W/m2）:大気上端における日射量
（W/m2）:地表面の日射量
（W/m2）：太陽定数（=1370W/m2）
（°） ：太陽高度
:ＤＯＹ
大気上端の日射量と地表面の日射量の比により場合わけ
のとき 
(3.2)
のとき 
(3.3)
のとき 
(3.4)
のとき 
(3.5)
ここで、
および
は以下の式で表せる。
(3.6)
(3.7)
（W/m2）：散乱成分
日射の直達成分は
(3.8)
（W/m2）：直達成分
可視領域と近赤外領域の放射量はほぼ等しいため
(3.9)
(3.10)
(3.11)
(3.12)
（W/m2）：可視領域の散直達日射
（W/m2）：近赤外領域の直達日射
（W/m2）：可視領域の散乱日射
（W/m2）：近赤外領域の散乱日射
４．研究内容
Ｃ５０の観測結果とNCAR LSMの解析結果を１日毎の平均値の年変化と、一日の変化を月毎に平均した月平均日変化の２パターンについて比較・精度検証を行った。
比較・精度検証の項目は、(1)２ｍ高度の気温、(2)上向き長波放射、(3)潜熱・顕熱フラックス、(4)CO2フラックスの４項目で、比較期間は(1)(2)は２００６年１月～１２月末で、(3)(4)は２００６年４月～９月末である。
これは、フラックス観測において２００６年１月～３月において観測の欠落が多数存在したため、精度検証には不適切と判断したからである。図４－１にフラックス観測の欠落の割合を示す
図４－１ フラックス観測の欠測頻度
４．１．年変化の精度検証
(1)２ｍ高度の気温
精度検証結果（表４－１参照）を見ると、１月の相関が０．５６と非常に低くなっている。これはＬＳＭにおいて積雪量が正しく読み込まれていないことによるものと考えられる。観測データとモデル出力を直接比較することはできないが、積雪量の年推移を見ると観測データは１月に最も多く、しだいに減少していく。一方、モデル解析においては１月の積雪が観測に比べ非常に少なくなっている。（図４－３(a)、図４－３(b)参照）
原因は、モデルの解析期間を２００６年１月からにしたため２００５年１２月の積雪が反映されていないことだ。
それ以外の月を見ると、８月に低い精度を示しているが、年間で、０．７～０．９の相関があり、ＲＭＳＥは３℃程度に収まっており、観測誤差を考慮してもかなりの精度レベルにあると言える。
（図４－２参照。以下の図においてＬＳＭは解析結果、Ｃ５０は観測データをあらわす。）
表４－１ ２ｍ高度の気温の精度検証結果
図４－２ ２ｍ高度の気温の年変化
図４－３(a) 積雪量の年推移（Ｃ５０）
図４－３(b) 積雪量の年推移（ＬＳＭ）
(2)上向き長波放射
上向き長波放射の精度検証の結果（表４－２）を見ると、上記(1)２ｍ高度の気温と同様に、１月に低い値を出しているが、これも(1)と同様に積雪量の影響と言える。
それ以外の月で年間を通して見ると、０．８～０．９の相関があり、若干の過小傾向にあることがわかる。ＲＭＳＥは１５Ｗ／ｍ２以下に収まっており、非常に高い精度レベルにあるといえる。
（図４－４参照）
表４－２ 上向き長波放射の精度検証
図４－４ 上向き長波放射の年変化
(3)潜熱・顕熱フラックス
顕熱・潜熱フラックスは過去の研究より、観測に大きな誤差が発生していることがわかっている。したがって、放射収支から観測誤差を算出し、観測データの補正を行って精度検証を行う。
放射収支からの誤差の算出方法
放射収支は日射と長波放射から
(4.1)
と表すことができる。また、顕熱フラックス・潜熱フラックスを長期間平均すると
(4.2)
と表すことができる。放射収支の関係より
(4.3)
となる。式(4.1)(4.2)にＣ５０サイトの観測データを代入すると
(4.4)
(4.5)
となり、フラックス観測が、３４%程度足りないことがわかる。過去の研究より３０％程度フラックスが観測できていないことがわかっているので、これと合致する。
以上のことより、フラックスの観測誤差を、
(4.6)
とし、これを顕熱フラックス・潜熱フラックスそれぞれの誤差にすると、
(4.7)
(4.8)
となる。式(4.7),(4.8)にＣ５０サイトの観測値を代入し、フラックスの観測誤差を算出すると
(4.9)
(4.10)
となる。これを使いフラックス観測値を補正する。
（W/m2）:日射、長波放射による放射収支
（W/m2）:フラックスによる放射収支
(W/m2)：下向長波放射
(W/m2)：上向き長波放射
(W/m2)：下向短波放射
(W/m2)：上向き短波放射
(W/m2) ：顕熱フラックス
(W/m2) ：潜熱フラックス
(a)潜熱フラックス
精度検証結果より、潜熱フラックスは０．４～０．７程度の相関があり、解析結果は補正値に対し過小傾向にある。
表４－４ 潜熱フラックスの精度検証
図４－５ 潜熱フラックスの年変化
(b)顕熱フラックス
顕熱フラックスは、０．７～０．８の相関があり、若干過大傾向がある。ＲＭＳＥは補正値に対し最大で３０Ｗ／ｍ２ある。
表４－５ 顕熱フラックスの精度検証
図４－６ 顕熱フラックスの年変化
(4)ＣＯ２フラックス
ＣＯ２フラックスは、モデル解析より、春季にＣＯ２の吸収がみられ、夏季には排出するという結果が得られた。
図４－７ ＣＯ２フラックスの年変化
４．２．月平均日変化
(1)２ｍ高度の気温
２ｍ高度の気温の月平均日変化を比較すると、観測値に対し解析結果は冬季に以下の４つのことが言える。
①夜間に解析値の気温が過小傾向にある。
②日中の気温が過大にでる。
③日没前後の気温の下降が急である。
④午前中の気温の上昇は表現できている。
また、夏季には気温の誤差は大きく見られないが、解析では気温の変動が２時間程度早く発生している。
気温の過大・過小傾向、日没前後の気温変化については、後述の上向き長波放射と同時に検証していく。
図４－８ ２ｍ高度の気温（2月）
図４－９ ２ｍ高度の気温（8月）
(2)上向き長波放射
上向き長波放射の月平均日変化は、２ｍ高度の気温と同様に以下の４つのことがいえる。
①夜間に解析値の放射が過小傾向にある。
②日中の放射量が過大にでる。
③日没前後の放射の下降が急である。
④午前中の放射の上昇は表現できている。
図４－１０ 上向き長波放射（2月）
図４－１１ 上向き長波放射（8月）
(3)潜熱・顕熱フラックス
(a)潜熱フラックス
潜熱フラックスの月平均日変化は日中に５０～１００Ｗ／ｍ２程度過大傾向がある。観測誤差があるため日中の差は小さくなると考えられる。変化の形状はよく表せているといえる。日没時にモデル出力のほうが早く減少している。
図４－１２ 潜熱フラックス（5月）
図４－１３ 潜熱フラックス（8月）
(b)顕熱フラックス
顕熱フラックスの月平均日変化は、日中に100Ｗ／ｍ２程度の過大評価がみられる。
午前中の上昇が観測値に比べ急激に起こっている。また、潜熱フラックスと同様に日没時の減少も観測値に比べ変化の速度が速くなっている。
図４－１４ 顕熱フラックス（5月）
図４－１５ 顕熱フラックス（8月）
(4)ＣＯ２フラックス
ＣＯ２の月平均日変化は、夜間において過大傾向がある。今までの研究より、春夏季の夜間の呼吸量は５μmol／ｍ2ｓ程度と推察されている。これを考慮すると、モデル解析の年変化で吸収していた5月・6月は一致しているといえる。
他の月は、日中のＣＯ２の吸収量が不足している。
図４－１６ ＣＯ２フラックス（5月）
図４－１７ ＣＯ２フラックス（8月）
５．結論
付録
NCAR LSM内部で設定されているパラメータ一覧
月平均日変化
２ｍ高度の気温 １月～１２月
上向き長波放射 １月～１２月
潜熱フラックス ４月～９月
顕熱フラックス ４月～９月
ＣＯ２フラックス ４月～９月
年変化
２ｍ高度の気温
相関・RMSE・バイアスは３０分平均の精度検証
上向き長波放射
相関・RMSE・バイアスは３０分平均の精度検証
顕熱フラックス
潜熱フラックス
ＣＯ２フラックス
Vegetation Temperature – surfT30
Ground Temperature – surfT2
日射量
その他
積雪
Leaf Area Index
Stem Area Index
