Microsoft PowerPoint - 水文循環 ppt

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水文陸面過程

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水文陸面過程基礎

京都大学防災研究所水資源環境研究センター（池淵研）田中賢治

今日の発表の内容

• イントロなぜ陸面過程の研究をしているのか？ • 陸面過程の基礎水収支・熱収支・放射収支 • 地表面熱収支観測琵琶湖プロジェクトの例 • 陸面過程モデルの開発改良都市・水体・水田のモデル化の紹介

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イントロ

• 防災研究所・水資源環境研究センターでなぜ陸面過程なのか？１．蒸発量を知りたいどれだけの水が利用可能かどれだけの水が必要か２．降水量を知りたい地表面での水・熱収支を正確に求めないと、気象予測はできない３．洪水も災害、渇水も災害降水量・蒸発量の正確な予測適切な水工施設の設置とその適切な操作

イントロ（２）

現状は？将来は？１．気候変動等の外的要因の変化により流域の水循環はどう変化するのか？２．森林伐採・都市域の拡大等の流域改変により流域の水循環はどう変化するのか？３．どのような流域の状態であれば気候変動下でも水がうまく回るのか？４．人間活動（流水制御・灌漑排水・熱の放出）も流域の水・熱循環の一部である

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陸面過程の基礎

• 陸面過程は3つの収支式で構成されている

放射収支水収支熱収支

放射収支

• 全ての地表面は日中に短波放射を受け取り、常に大気と長波放射を交換している短波放射 < 波長4 μm以下長波放射 > 波長4 μm以上 • 純放射（放射量の差し引き） Rn = (1-α)Sd + Ld – Lu （α：アルベド） • 下向き短波放射の成分 Sd = Svb + Svd + Snb + Snd 可視/近赤外 (0.72μm) 直達/散乱

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熱収支（エネルギー収支）

• 純放射は顕熱・潜熱・地中熱に分配される • この配分率は地表面特性（植生タイプ・土地利用）や水分状態（積雪・土壌水分）に強く依存する • 地表面熱収支式 Rn = H + λE + G H ：顕熱 Æ 大気下層を直接加熱 λE：潜熱 Æ 凝結時に大気中層を加熱 G：地中熱 Æ 地表面を加熱 (放射収支と熱収支にタイムラグ)

水収支

• 大気と地表面の間で、降水・蒸発・蒸散過程を通じて水は交換されている • 陸面と海洋（湖）の間で流出過程を通じて水は交換されている • 地表面水収支式 ΔS = P - E - R P : 降水(雨/雪)による大気からの入力 E : 蒸発および蒸散による水蒸気フラックス R : 河道系および地下水系による流出フラックス ΔS : 地表面貯留水および土壌水分の変化

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• 様々な気候帯（植生）における地表面水・熱

収支の観測により季節変化の理解が進んだ

いくつかの観測例を紹介

GAME-Tibet ： Amdo (grassland)

GAME-Tropics : Kogma (evergreen forest) MaeMoh (deciduous forest) Sukhothai (paddy field) Mongolia : Arvaikheer (grassland) GAME-HUBEX : Shi-Guan basin

(paddy field, farmland, forest, lake)

神田CREST : Tokyo (urban area)

Amdo Kogma Maetoh Sukhothai Arvaikheer Tokyo HUBEX

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Aug. 12, 2004

PBLタワー

乱流フラックス

Every 30 minute

Surface energy fluxes (5day average)

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チベット高原上の月平均地表面温度（1998年）

a) Map of Thailand

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Result of Observation

Stomatal Closure C. Tantasirin S. Piman N. Tangtham N. Tanaka Hydro-meteorology: H. Takizawa

Transpiration peak in the late dry season！ Stomatal closure is open!

Sap flow shows it! Simulation also shows it!

Wet condition Dry condition Transpiration Canopy interception Rain Discharge KogMa

Sap flow measurement N. Yoshifuji By 田中延亮さん Transpiration Rainfall Sap flows Interception Soil evaporation Transpiration Rainfall Sap flows Interception Soil evaporation Numerical Simulation (by 田中克典さん)

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March : No-vegetation and dried surface period May : No-vegetation and starting rain fall period August : Beginning of rice planting, submerged period November : Before harvesting period

GAME-Tropics (Sukhothai Thailand)

Energy balance at Paddy field (Sukhothai) 7-year average seasonal cycle

0 5 10 15 20 25 J a n F e b M a r A p r M a y J u n J u l A u g S e p O c t N o v D e c H e a t b a la n c e (M J /d a y ti m e ) Rn G LE H Gw

Dry season Rainy season

0 10 20 30 40 50 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul _Aug _Sep _Oct Nov Dec S o il W a te r C o nt en ts ( % ) 0 0.5 1 1.5 2 B o w en r a ti o & C rop f a c to r

Bowen ratio Crop factor

Dry season Rainy season

0 5 10 15 20 25 W at e r l e v e l ( c m ) 0 20 40 60 80 100 Hu m id it y & S o il W at er C ont ent ( % ) W ater Level TDR-15cm RH By 小森大輔さん

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GAME-HUBEX flux measurement at 4 landuse

Paddy Field

Farmland

Forest

Lake

Paddy Field

Farmland

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Urban Flux Networks

計画中、終了を含む (Grimmond et al., 2004) 特にアジアは空白域：東京と北京のみ FLUXNET（世界フラックス観測ネットワーク）の新領域 http://www.indiana.edu/~muhd/ 自然生態系に比べて観測点は圧倒的に少ない測定項目・設置高度 φ0.05mm φ0.32mm 気温（熱電対）太陽放射・赤外放射水蒸気・CO₂ 4cm 乱流・フラックス（超音波風速計・ CO₂/H₂O計）東京での長期連続フラックス観測低層住宅街（東京久が原）平均建物高さ 7.3 m タワーの高さ 30m

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July -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Time (hour) (Wm -2 ) Rn H LE G

都市植生のオアシス効果

植生・土壌からの局所的蒸発はRnに匹敵！ →オアシス効果日中の潜熱輸送量は200W/m２（植生+土壌）被覆率30% 夏季の熱収支の日変化 8 km 8 km 8 km 8 km 8 km8 km8 km8 km 8 km 20 km 20 km 水田名古屋京都琵琶湖森林

地表面熱収支観測の例（２）

琵琶湖プロジェクト

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水田湖面森林都市４つの異なる土地利用条件（水田・森林・湖面・都市）において熱収支観測システムが連続運用されている。放射収支、熱収支成分のフラックス、および関連する気象要素、土壌水分等が観測されている。水田、森林は1998年から、湖面・都市は1999 年に観測開始

琵琶湖プロジェクト常設熱収支観測システム

水田の熱収支(99/8/9-00/8/17）日平均値 31日移動平均（両側15日）田植え準備期間

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夏季の水田の水収支(00/5/15-8/17) NDVIは7月下旬に最大となる水位と土壌水分は降雨と人為的操作により変動するが、基本的に高い土壌水分量を維持する降雨がない場合にも水位は変動する →人為的な水深操作湖面の熱収支（99/7/25-00/7/24）日平均値 31日移動平均（両側15日）

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人間活動のモデル化….

何をどこまで表現すべきか？

• 目的による（当然） - 気象モデルの下面境界条件として熱収支（蒸発）が合えば十分 - 流域水管理のツールとして流域内の水平方向の輸送積分過程(routing) 水収支が合う必要がある • 適用スケールによる - プロットスケール(ポイント) - 流域スケール(流域によっては多くのデータを期待できる) - 全球規模スケール(多くの流域でデータを期待できない) • データの整備状況や求められる精度による - あまり細かなことを必要とする(結果を大きく左右するパラメータが多い) モデルにしてしまうと、多くの場合役立たずになってしまう - データがないなら、ないなりにできるようにしておくことが重要人間活動を取り込んだ統合的モデルの全体像 ※花崎さん（東大生研）の図をベース灌漑河川流量陸面過程 _ダム操作気象開発地質植生地形土壌水分変化流出需要量（要求）流入・放流取水水のやりとり影響都市化熱、CO₂, エアロゾル灌漑河川流量陸面過程 _ダム操作気象開発地質植生地形土壌水分変化流出需要量（要求）流入・放流取水水のやりとり影響水のやりとり影響都市化熱、CO₂, エアロゾル

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人間活動を取り込んだ陸面過程モデル（SiBUCの守備範囲）灌漑陸面過程気象開発地質植生地形土壌水分変化流出需要量（要求）水のやりとり影響都市化熱河川流量灌漑陸面過程気象開発地質植生地形土壌水分変化流出需要量（要求）水のやりとり影響水のやりとり影響都市化熱河川流量

SiBUC開発の歴史

• 1993年：SiBに水体のモデルと簡単な都市のモデルを追加当時、モデルのソースコードは公開されていないので、１からのコーディングとなる • 1994～95年：集中観測のデータで各種地表面熱収支を検証土地利用スケールと領域平均フラックスの関係 • 1996年：地形と土壌水分分布の関係（まだ反映されていない） • 1997年：比較的詳細な都市キャノピーモデルの開発 • 1998年：琵琶湖プロジェクト常設熱収支観測の開始 GAMEプロジェクトの観測（中国淮河流域）数値気象モデルJSMとの結合(JSM-SiBUC) • 1999年：土壌水分データ同化システムの開発開始 • 2000年：水深操作を反映した水田スキームの開発 • 2001年：RhoneAGGプロジェクト（積雪・融雪過程の導入）

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陸面過程モデル発展の歴史

• バケツモデル（Manabe 1969）地表近くの土壌層は，降水や融雪で水量が増加し，蒸発や流出で水量が減少するバケツとしてモデル化されている。バケツの水量がある限界値以下の場合に，蒸発強度が水深に比例する。 • 植物を陽に取り扱うスキーム(SiB, BATSなど) 1985～ 1つまたは複数の植生層を持ち，現実の葉の大きさからモデルグリッドの大きさ(GCMでは105_km2_{)までスケーリング} • モザイクモデル(PLAID, SiBUCなど) 1991～陸面の不均一性(複数の植生，都市，水面の存在)を表現 • SiB2 (Sellers et al., 1994)

衛星データから植生状態の季節変化をより現実的に表現。

現実的な光合成コンダクタンスモデルを導入(CO₂フラック