博 士 （ 工 学 ） 、 吉 谷 純 一
Development of downscaling schemes of coarse climate information to regional‑scale hydrologic information and applications to climate change impact projection and real‑time flood forecasting
（粗い気候情報を地域スケール水文情報ヘダウンスケーリングする スキ ームの開発と地球温暖化影響及び洪水実時間予測への応用）
学位論文内容の要旨
河 川の水工施設の根拠とをる洪水防御や水供給の計画は、設定した安全度に相当する計画降雨を 水文 モデルで変換した河川流量を元に決定される。また、水工施設の日々の管理は実時間の流量予 測を 元に行われる。このように河川流量の予測は河川の計画及び管理にとって最も基礎的で重要を 項目 と言える。さらに、将来の気候変化は計画の前提である計画降雨を変化させるため、これを計 画に 反映させる場合には、将来の河川流域スケールでの降雨変化の予測が必要になる。そのー手法 は、 全球の将来気候を予測する全 球気候モデル(GCM)による粗 い計算メッシュでの降雨量 変化予 測値 を、流域雨量が計算できる程度の細かいメッシュから成る地域スケールの気象モデルでダウン スケ ールする手法であるが、計画で必要とされる程度の精度で降雨を再現できをいをどの欠点を有 して いた。また、洪水到達時間が短い小流域での洪水流出量の実時間予測には降雨予測が不可欠で ある 一方、気象庁の約20kmメッシ ュの降雨予測は小流域の洪 水流出予測利用には粗すぎる、さら に 、 現 状 の 降 雨 予 測 技 術 で は1時 間 先 の 予 測 が 限 界 で あ り と い う 問 題 を 有 し て い る 。 本 論文は、利用できる気象情報のスケールより小さ哲スケールでの情報が必要である課題を解決 する ために、ダウンスケーリング技術を開発し応用した研究成果である。その構成はモデル開発の 第一 部とその応用の第二部から成 る。第一部は、1計算メッシュ内の地表面パラメタの多様性を考 慮できる空間平均化された地表面スキームの開発（第2章）と、これを地域（河川流域）スケールの 気象 モデルの最下層に統合し、長期間でも安定的に計算可能を「地域スケール水文気象統合モデル (IRSHAM)」の開発（第3章）から 成る。
第二 部 は、 日本 モデルによる 地球温暖化の降雨等の水文 過程への影響予測のため、60km計算 メ ッシ ュ であ る外 領域の中に20km計算メッシュである内領 域を入れ子にした日本モデル を構築 し 、過 去 の気 象の 再現 に よる 日本 モデ ルの 再 現性 を検 証し 、400‑500kmスケールのGCMによる 大気 中のニ酸化炭素濃度が倍増し たGCM実験結果をダウンスケ ーリングした（第6章）。さらに、
ダウ ンスケーリング技術を関東北部の塩原ダム流域を含む領域に適用し、気象庁Grid Point Value (GPV)のダ ウン ス ケー ルを 行う 気象 モ デル と別途開発され た環境水文モデル(WEHY)との 結合に よ る 実 時 間 洪 水 予 測 を 行 っ た （ 第7章 ） 。 各 章 の 概 要 は 以 下 の と お り で あ る 。
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第1章は序論で あり、ダウンスケーリング および実時間降雨予測に用い られる技術の概観を述 ベ、本論 文の目的と構成を述べた。
第2章 では、まず、1計算メッシュ 内で飽和透水係数に応じて地 表面から降雨が鉛直浸透し、地 表面の土 壌が飽和したとき表面流が発生する現象、及び、無降雨時に土中の水分が上方から蒸発し 土中水分 量が減少するモデル化を行った。飽和透水係数は場所どとに多様を値をとり、それゆえ計 算メッシ ュ内の土中水分量も様々を 値とをるが、1計算メッシュ全体を一様な飽和透水係数と仮定 し計算す る手法、すをわち、地点で成立する式をそのままの式で空間に適用する方法では、土中水 分量をど は実際にはあり得ない極端を値とをってしまい、これが原因で大気と地表面間で非現実的 を量の水 及び熱フラックスを与える結果とをると考えられる。この問題を解決するため、地点で成 立する鉛 直方向の浸透式であるGreen‑Ampt式を計算メッシュ内で 空間積分した式を導き、飽和透 水係数の1計算メッシュ内での確率分 布式として対数正規分布を与え、平均化した土中水分量や地 表面流量 を陽的に計算できるスキー ムを開発した。
第3章 では、地域スケール大気モデ ルの最下層と先述の地表面水文過程スキームのモデル変数を 連立させ 同時に変数を解くことにより、大気と地表面間の水分及ぴ熱フラックスの相互依存を忠実 にモデル 化した。
第4章では、ま ず、IRSHAMを地球温暖化影 響予測のため日本域に適用し た方法を説明した。計 算領域は60km計算メッシュとし（外 領域）、その中に20km計算メ ッシュの内領域を入れ子にし、
全球気候 モデルの出カは外領域の境界条件として与えることで、安定しかつ高速の計算を可能にし た 。次 に、 日 本域 に適 用し たIRSHAMで過去 の気象の再現計算を行い：そ の再現性を地上観測気 象 デー タと 比 較し 、IRSHAMが日々の天候変 化をほば忠実に再現できる予 測精度を有することを 示した。 さらに、年あるいは月降雨量の地域分布も日本の気候値地域分布とほば同じ分布と教るこ と を 確 認 し た 。 さ ら に 、 日 本 域 に 適用 したIRSHAMを大 気中 のC02濃 度現 状及 び 倍増 の2種 の 平 衡状態におけ る数値実験を行った気象研究 所GCM‑I出力結果のダウンス ケーリングを行い、降 雨や地上 気温などに与える影響を評 価した。その結果、年平均気温はほぼ一律に2℃程度上昇する こと、年 降雨量は内領域内全般で減少傾向にあり、山岳地帯の多雨域では降雨量が大幅に滅少し、
少 雨地域が拡大 する傾向にあること等が明ら かになり、GCM情報の河川流 域スケールヘの翻訳が 可能に誼 った。
第5章 では 、 気象 庁が4次 元同 化に より12時間 毎に 公開 するGPVのダ ウ ンス ケー ルに よる 降 雨 予測 を水 文 モデ ルに 入カ し洪水流量を予 測するモデルを構築し、流域 面積123km2の塩原ダム 流 域に適用した 。大気モデルは一般公開して いる非静力学モデルであるMM5を利用し、その計算 メ ッ シ ュ は6km四方 と2km四 方の2領 域を 入れ 子に し た。 水文 モデ ルは 流 域の 地形 や土 壌教 ど の 流 域 情 報 のみ から モ デル 構築 可能 であ る 別途 開発 され たWEHYモデ ルを 適用 し た。1998年8 月洪水の12時間先の予測に適用した 結果は、豪雨域の発生や移動 が計算領域内で再現されたが、
地上観測 雨量との比較から判断して予測雨量が過小傾向にあったため、これを補正係数で補正し、
WEHYモ デル に 入カ させ 、流 量ハイドログラ フを予測した。12時間という 長時間の洪水予測の可 能性を示 すことができた。
第6章 は本論文の総括である。
このよ うに、地表面パラメタの多様性を考慮できる空間平均化された地表面水面過程スキームの 開発によ り、相互依存する大気最下層部と地表面の水及び熱フラックスの現実的を計算が可能にを り、長期 間でも安定的かつ高速に計算可能な「地域スケール水文気象統合モデル」の開発に成功し た。洪水 防御及ぴ水利用に関する計画のための地球温暖化影響予測を安定してダウンスケールする
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ことができるよ うに哲り、また、現状では実 用的には1時間程度先までしか予測できをい実時間洪 水予測を12時間 程度先まで延長できる可能性 を示した。これらの成果は、河川流域での水の計画 と管理を高度化 する基礎とをりうる技術であり、今後の検証と改良が必要であるものの実用性が高 いものと言える 。
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学 位 論 文 審 査 の 要 旨
学 'ttL 論文題名
Development of downscaling schemes of coarse climate information to regional‑scale hydrologic information and applications to climate change impact projection and real‑time flood forecasting
（粗い気候情報を地域スケール水文情報ヘダウンスケーリングする スキームの開発と地球温暖化影響及び洪水実時間予測への応用）
河川の水工施設の根拠とを．る洪水防御や水供給の計画は、設定した安全度に相当する計画降雨を 水文モデルで変 換した河川流量を元に決定 される。また、水工施設の日々の管理は実時間の流量予 測を元に 行われる。このように河川 流量の予測は河川の計画及び 管理にとって最も基礎的で 重要 款項目と言える 。さらに、将来の気候変化 は計画の前提である計画降雨を変化させるため、これを 計画に反映させ る場合には、将来の河川流 域スケールでの降雨変化の予測が必要にをる。その一手 法 、全 球の 将来 気候 を 予測する全球 気候モデル(GCM)による粗い 計算メッシュでの降雨量変 化予 測値を、流域雨 量が計算できる程度の細か いメッシュから成る地域スケールの気象モデルでダウン スケールする手 法であるが、計画で必要と される程度の精度で降雨を再現でき誼い教どの欠点を有 していた。また 、洪水到達時間が短い小流 域での洪水流出量の実時間予測には降雨予測が不可欠で ある一方 、気象庁の約20kmメッシュ の降雨予測は小流域の洪水流 出予測利用には粗すぎる、 さら に 、 現 状 の 降 雨 予 測 技 術 で は1時 間 先 の 予 測 が 限 界 で あ り と い う 問 題 を 有 し て い る 。 本論文は、利 用できる気象情報のスケー ルより小さ教スケールでの情報が必要である課題を解決 するために、ダ ウンスケーリング技術を開 発し応用した研究成果である。その構成はモデル開発の 第一部とその応 用の第二部から成る。第一 部は、1計算メッシュ内の地 表面パラメタの多様性を考 慮できる空間平 均化された地表面スキームの開発（第2章）と、これを地域（河川流域）スケールの 気象モデルの最 下層に統合し、長期間でも 安定的に計算可能誼「地域スケール水文気象統合モデル (IRSHAM)」の開 発（第3章）から成る。
第二 部は 、日 本モ デ ルに よる 地球 温 暖化 の降 雨等の水文過程 への影響予測のため、60km計算 ヌ ッシ ュで ある 外領 域 の中 に20km計 算 メッ シュ である内領域を 入れ子にした日本モデルを 構築 し 、 過 去の 気象 の再 現 によ る日 本モ デル の 再現 性を 検証 し 、400‑500kmスケ ール のGCMに よる 大気中の 二酸化炭素濃度が倍増したGCM実験結果をダウンスケー リングした（第6章）。さら に、
ダウンスケ亠リ ング技術を関東北部の塩原 ダム流域を含む領域に適用し、気象庁Grid Point Value (GPV)の ダ ウン スケ ール を行 う 気象 モデ ルと 別途 開 発さ れた 環境 水 文モ デル(WEHY)との結 合に
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行
宏 行
尚 正
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授 授
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査 査
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主 副
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よ る 実 時 間 洪 水 予 測 を 行 っ た （ 第7章 ） 。 各 章 の 概 要 独 以 下 の と お り で あ る 。 第1章 は 序論 であ り、 ダウ ン スケ ーリ ング および実時 間降雨予測に用いられる技 術の概観を述 ベ、本論文の目 的と構成を述べた。
第2章 で は、 まず 、1計算 メッシュ内で飽和透水係数に 応じて地表面から降雨が鉛 直浸透し、地 表面の土壌が飽 和したとき表面流が発生す る現象、及び、無降雨時に土 中の水分が上方から蒸発し 土中水分量が減 少するモデル化を行った。 飽和透水係数は場所どとに多 様教値をとり、それゆえ計 算メッシュ内の 土中水分量も様々教値と教 るが、1計算メッシュ全体を 一様教飽和透水係数と仮定 し計算する手法 、す次わち、地点で成立す る式をそのままの式で空間に 適用する方法では、土中水 分量をどは実際 にはあり得をい極端を値と 教ってしまい、これが原因で 大気と地表面間で非現実的 誼量の水及び熱 フラックスを与える結果と 教ると考えられる。この問題 を解決するため、地点で成 立 する 鉛直 方向 の浸 透式で あるGreen‑Ampt式を計算メッ シュ内で空間積分した式を 導き、飽和透 水係数の1計算 メッシュ内での確率分布式と して対数正規分布を与え、 平均化した土中水分量や地 表面流量を陽的 に計算できるスキームを開 発した。
第3章では、 地域スケール大気モデルの最 下層と先述の地表面水文過 程スキームのモデル変数を 連立させ同時に 変数を解くことにより、大 気と地表面間の水分及び熱フ ラックスの相互依存を忠実 にモデル化した 。
第4章 で は、 まず 、IRSHAMを 地球 温暖 化影 響予測のた め日本域に適用した方法を 説明した。計 算 領域 は60km計 算メ ッシュ とし（外領域）、その中に20km計算メッシュの内領域を 入れ子にし、
全球気候モデル の出カは外領域の境界条件 として与えることで、安定し かつ高速の計算を可能にし た 。次 に、 日本 域に 適 用し たIRSHAMで 過去 の気 象の 再現 計 算を 行い 、その再現性 を地上観測気 象 デー タと 比較 し、IRSHAMが日 々の 天 候変 化を ほば 忠実 に 再現 でき る予測精度を 有することを 示した。さらに 、年あるいは月降雨量の地 域分布も日本の気候値地域分 布とほば同じ分布と誼るこ と を 確 認 し た 。 さ ら に 、 日 本 域 に 適 用 し たIRSHAMを 大 気 中 のC02濃 度 現 状 及 び倍 増の2種 の 平 衡状 態に おけ る数 値実験 を行った気象研究所GCM−I出 力結果のダウンスケーリン グを行い、降 雨や地上気温教 どに与える影響を評価した 。その結果、年平均気温はほ ば一律に2℃程度上昇する こと、年降雨量 は内領域内全般で減少傾向 にあり、山岳地帯の多雨域で は降雨量が大幅に減少し、
少 雨地 域が 拡大 する 傾 向に ある こと 等 が明 らかに誼り 、GCM情報の河川流域スケー ルヘの翻訳が 可能に誼った。
第5章 で は 、 気 象 庁 が4次 元 同 化 に よ り12時 間 毎 に公 開 するGPVのダ ウン スケ ール に よる 降 雨 予測 を水 文モ デル に 入カ し洪 水流 量 を予 測す るモ デル を 構築 し、 流域面積123km2の塩原ダム 流 域に 適用 した 。大 気 モデ ルは 一般 公 開し ている非静 力学モデルであるMM5を利用 し、その計算 ヌ ッ シ ュ は6km四 方 と2km四 方 の2領 域 を 入 れ 子 に し た 。水 文モ デ ルは 流域 の地 形や 土 壌教 ど の 流 域 情 報 の み か ら モ デ ル 構 築 可 能 で あ る 別 途 開 発さ れ たWEHYモ デル を適 用 した 。1998年8 月 洪水 の12時間 先の 予測に 適用した結果は、豪雨域の発 生や移動が計算領域内で再 現されたが、
地上観測雨量と の比較から判断して予測雨 量が過小傾向にあったため、 これを補正係数で補正し、
WEHYモ デル に入 カさ せ 、流 量ハ イド ロ グラ フを 予測 した 。12時 間と いう長時間の 洪水予測の可 能性を示すこと ができた。
第6章は本論 文の総括である。
これを要する に、著者はダウンスケーリ ング手法として，計算メッシ ュ内のパラメタの空間的多 様性を考慮でき る空間平均化手法と，これ を河川流域スケールの気象モ デルとの統合法を開発し、
長期間，安定的 に計算可能を方法へと結実させた．また，本技術をダム流域に適用し、気象モデルと 環境水文モデル との結合による実時間洪水 予測を可能とした，これらの 成果は、河川流域での水の 計画と管理を高 度化する基礎と教りうるも のであり，水資源工学，河川 工学の発展に貢献するとこ ろ大をるものが ある。よって著者は，北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認 める。
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