Microsoft PowerPoint - GIS pptx

地表面フラックスの分布特性と平均値

筑波大学生命環境系

杉田倫明

対象：主に地表面のフラックス

何がまだわかっていないのか

--• 一般的に知りたいのはある程度の広さ(km ～10

2

_{km) を代表}

する値

• 観測は点で行う．この値は，どのくらいの面積を代表している

のだろうか？

– 対象による違いがあるのか

– 観測時の条件（気象，土壌，植生・・・・）

 フラックスは大気と地表面

状態の両方を反映

• 点の観測値と（特殊な方法で求めた）面の平均値の直接比較

• 再解析データとの比較（絶対値や日変化：合う場合もあるしそうでない場合 もある） • 航空機観測フラックス観測値との比較（そこそこ） • ラジオゾンデによる広域フラックス推定値との比較（そこそこ）

既知の条件から類推できる点と面の

関係

ある条件下では

• 地表面を構成する要素を

代表するスカラー量のフ

ラックスを面積加重して足

し合わせれば全体のフラッ

クスになる．（熱収支）

• フラックスを決定する各地

点のパラメーターを面積加

重して足し合わせていって

も全体を代表するパラメー

ターになるとは限らない．

F





a F

_{i i} i i

Ce





a Ce





e s F   C U  q  q

本日の材料

• モンゴル平原で得られた様々なスケールでの

フラックス分布

– フラックスステーションでの測定値（点）

– 航空機観測値からの推定値（線：数mー数km）

• 霞ヶ浦を対象としたフラックスの分布

ケルレン川流域

0

400

km

N

ウンドルハン チョイバルサン セレンゲ川 トゥーラ川 シャルガン川 Ulaanbaatar Karakorum R. Orkhon R. Kerulen Ondorhaan Choybalsan R. Selenge R. Tuul R. Haraa

N

0

₄₀₀

km

モンゴル対象地域

飛行パス ステーション

50 km くらい

ステーション ステーション 飛行パス 飛行パス N N S S

フラックスステーション

(点での観測）

バルク式による顕熱フラックス

)

(

T

T

U

C

C

H

_plane





_P

_H

_S



ステーション観測値 航空機観測値 顕熱フラックス バルク係数 表面温度 気温 風速 ステーション観測値(H) から逆算

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distance from A1 (m) 50 100 150 Se n s ib le H e at Fl ux ( W /m 2) 10 20 30 Su rfa ce T e m p e rat u re (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LAI 2003/08/21

Former Agricultural Sites Village

shadow shadow shadow shadow shadow

日陰と日向が交互に現れるケース．放棄農地の影響なし？

Plant cover ratio 0.6％

The number of species ：2

Plant cover ratio 26％ The number of

species ：4 Plant cover ratio 48％、LAI<0.6 The number of species：11

Pastoral

Grassland

Abandoned

Field

Crop Land

地表面状態

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distance from A1 (m) 50 100 150 Se n s ib le He a t F lu x ( W /m 2) 30 40 50 Su rf ac e Te m p e ratu re (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LA I 2003/08/22

Former Agricultural Sites Village shadow partial shadow shadow

日陰と日向が明確に分離したケース 日向同士では草原の方が

LAI, 顕熱共に低い． z/L=-0.04（大気は中立に近い）

12:53

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Distance from A1 (m) 50 100 150 Se n s ib le H e at F lux ( W /m 2) 10 20 30 40 Su rfa ce T e m p e ratu re (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LAI 2003/08/23

Former Agricultural Sites Village

日陰無し．放棄農耕地と草原が明確に分かれるケース．草原の方

がLAI, 顕熱共に高い．z/L=-0.12（大気はやや不安定）

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Distance from A1 (m) 50 100 150 S e n s ib le He a t F lux ( W /m 2) 10 20 30 40 S u rf a c e T e m perat ure (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LAI 2003/10/04

Former Agricultural Sites

日陰無し．放棄農耕地が半分． z/L=-0.4くらい（大気は不安定）

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Distance from A1 (m) 100 150 S ens ib le Hea t Fl u x ( W /m 2) 10 20 30 40 Su rfa ce T e m p e ra tu re (de g C ) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LAI H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 2003/10/03

Former Agricultural Sites Village

日陰無し．ほぼ全て放棄農耕地 z/L=-0.2（大気は不安定）

「放棄農耕地」と一括りは良くないのかも？

ここまでのまとめ

• 個々の事例を見ると，ある程度は説明できる

が一般化は難しい

• むしろ確率問題としてとらえる方が分かりや

すいかもしれない．

日陰無し．放棄農耕地が半 分．一部村落 各々は必ずしも正規分布で はない． 重ね合わせると（たまたま）正 規分布に近づく -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Distance from A1 (m) 50 100 150 S e ns ible H e at Fl u x ( W /m 2) 10 20 30 40 Su rf ac e T e m p e rat u re (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LA I 2003/10/04

Former Agricultural Sites

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Sensible Heat Flux (W/m2₎

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 2003/10/04 13:11 村落 草原 耕作放棄地

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Distance from A1 (m) 50 100 150 S e n s ib le H e at F lux ( W /m 2) 10 20 30 40 S u rf a c e T e m p erat ure (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LA I 2003/08/23

Former Agricultural Sites Village

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Sensible Heat Flux (W/m2₎

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 2003/8/23 日陰無し．放棄農耕地が大 半．一部草原，一部村落． 各々は必ずしも正規分布で はない． 重ね合わせても正規分布に はならない

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distance from A1 (m) 50 100 150 S e n s ib le H e at F lux ( W /m 2) 10 20 30 Su rf ac e Te m p e ratu re (de g C ) H (W/m2₎ Ts (degC) LAI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LAI 2003/08/21 Former Agricultural Sites Village

shadow shadow shadow shadow shadow

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Sensible Heat Flux (W/m2₎

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 2003/8/21 交互に日向・日陰．放棄農耕 地が半分．一部村落 各々は必ずしも正規分布で はない． 重ね合わせても正規分布に 近づくわけではない．

各pdfの（加重）和=全体のpdf？

• 各pdfのタイプは正規分布とは限らない

• 少なくとも４つ，（ひょっとすると）それ以上のpdfの

重ねれば全体が表せる

– 草原の日向

– 草原の日陰

– 耕作放棄地の日向

– 耕作放棄地の日陰

– 村落の日向

– 村落の日陰

• 日向と日陰は時間と共に位置が変化する．土地利

用は（短期間では）定常



₁

1

i i i

M

p

p













₂



₃



₄ 5



6



時間平均のフラックスのpdf

（日向と日陰が時間と共に移動するケース）

シミュレーション 条件： • 時間と共に雲が風速で移動．移動に伴って，表面温度の高低も移動． • 地表面条件は考慮しない 今回の事例 • 1回のフライトパス約1分, 3 km程度 • 1分に1度観測を行って，その平均を取った場合を想定 （風速 5 m/s程度，データの水平間隔4 m程度．） 乱数を発生させて値を決め，その分だけ1回の実測データを水平方向にずらしたとし たシミュレーション値を作成 30回と60回このシミュレーション結果を発生させて，その平均を取ってみる（3 kmス ケールの30分，60分平均に相当）

0 1000 2000 3000 4000 Distance from A1 (m) 50 100 150 S e nsi b e l H e a t Fl ux (W /m 2) 8/21 Instantaneous 60 30 70 80 90 100 110 120 H (W/m2) 0 40 80 120 Fre q ue nc y (n )

時間平均のフラックスのpdf

日陰と日向が交互に 現れるケース 分布が滑らかにな るが，土地被覆の違 いが残る．

ここまでのまとめ

• 瞬間フラックス個々のpdfは正規分布とは限

らない．何で決まるのか？

• 瞬間フラックスの全体の分布はpdfの（加重）

和として表せそう．

• 時間平均フラックスを求めると，時間変化す

る影の影響は平滑化されなくなる．しかし，土

地被覆の部分は（当然）残る．





'

'

/ (

)

e s

w q



E



l



C



U



q



q

Method: bulk (mass) transfer

equation

E : evaporation

Ce :bulk coefficient

U : Wind speed

q : specific humidity

qs: : specific humidity of lake water

surface (=f (Ts))

R_f : bulk Richardson’s number

T_s : surface temperature

霞ヶ浦の蒸発フラックス分布の事例

Stations distribution in/around Lake Kasumigaura

Interpolation (Kriging) to produce spatial map

T_s map from satellite infrared image 【Data analyzed】 • 32 cases (1999～2009年) • ASTER (14) • Landsat-TM (1) • Landsat7-ETM+ (17)

2007/8/16 9:45 2008/1/15 10:30 Interpolated meteorological variables a

T

T

_a s

q



q

s

q



q

RH

RH

s

q

s

q

_U

U

q

q





'

'

/

e s

w q



E





C



U



q



q

(m m /d) E (m /s) U s q q mean: 2.66 S.D.: 0.47 C.V.: 0.16 Skewness: 0.52 Kurtosis: -0.18 mean: 3.96 S.D.: 0.62 C.V.: 0.16 Skewness: 0.58 Kurtosis: 0.02 mean: 0.00185 S.D.: 0.000582 C.V.: 0.31 Skewness: -0.12 Kurtosis: 1.26





' ' / e s w q  E   C U  q  q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q

霞ヶ浦の場合

• 弱風・強風領域，(q

_s

-q)が大・小，それぞれの

領域で蒸発フラックスの分布を求めれば，モ

ンゴルと同じような扱いが出来るかもしれな

い．

• 弱風・強風領域，(q

_s

-q)が大・小は実際はどう

いう場所，場合なのか． (q

_s

-q)が大は湖の浅

いところに対応しそう．風の分布はよりメソス

ケールの気象場だろう．





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q





' ' / e s w q  E   C U  q  q (m m /d) E (m /s) U s q q