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1 ユーラシア寒冷圏の水循環変動 大気陸面相互作用の解明と将来予測への貢献 大畑哲夫 矢吹裕伯 朴昊澤 ( 海洋研究開発機構 地球環境変動領域 北半球寒冷圏研究プログラム ) 川本温子 ( 海洋研究開発機構 地球情報研究センター ) 平成 22 年度 DIAS 終了時評価報告会,@ 東京 ( )

2 ユーラシア寒冷圏の水循環変動 大気陸面相互作用の解明と予測向上への貢献 - 全体計画 - 再解析データ (JRA25) 星データ (AMSR) 地上官署データ 統合するデータ DEM( ディジタル標高データ ) IORGC 観測網取得データ 品質管理機能 データ検索機能 データ抽出機能 データ重ね合わせ機能 グリッド化支援機能 統計解析演算機能 空間パターン抽出機能 ( 赤字 : 特に重要視 ) 社会的貢献 : 1 農業 水資源 林業 水管理 動植物に資する過去 現在の各種水文 気象 植生情報を提供 2 食料生産 森林生産への貢献を通じて周辺諸国の社会の安定 sustainabilityに貢献, 4 気候予測に貢献する ウランバートルレーダーデータ 5 地球温暖化影響の実態に関する新たな知見を導出,( 氷河等 ) テーマ 1) 大河川流域の水循環と流量増加の謎の解明 ( 朴 主担当 ) 北ユーラシア大河川流域における水循環特性を把握し データ統合により流量の長期増加に関する謎をとく 新陸面水文モデルを用いて のシミュレーション 変動 変動性解析 水環境 DS 構築 モンゴル北部流域 レナ流域および3 大河川の流量増加解析を行う データ供給 テーマ 2) 水循環に関わる雪氷圏の長期変化解明 ( 矢吹 主担当 ) ユーラシア全域における氷河分布 凍土域湖沼 北方森林分布変化 ( 森林火災等 ) を多様なデータセットを利用し年代別に把握し 変動特性を解明 テーマ 3) 北ユーラシア 水環境データセットの構築と公開 ( 矢吹 川本 主担当 ) 上記 2 件の科学的課題の解明の過程で整理 生成したデータセットを加工し利用価値を高めて公開する 年間蒸発散量の結果 氷河 Google Earth 上での結果提示

3 寒冷圏水循環の模式図と研究テーマ REGIONAL WATER CYCLE C Glacier SNOW COVER P E R C Affected by STRUCTURE ENERGY 社会科学的データ森林火災年代等 CONDITIONS S 水循環変動に深く関わる陸域因子 ( 氷河 湖沼 森林火災 ) の変化解明 < テーマ 2> PERMAFROST 陸域水循環の長期変動 特に大河川流出増加の原因を探る < テーマ 1> 各種仮説あり 多様なデータを統合しないと解明できない

4 テーマ 2 雪氷圏の長期変動 氷河インヴェントリー 目的 : ユーラシアの未記述氷河の測定 記載を行い 20 世紀における変化を明らかにする 方法 : 各種陸面情報 ( 地形図 航空写真 現地調査 衛星写真 ) を統合し 導出する 地域 : 平成 18/19 年度はアルタイ山域 モンゴル地区 北ユーラシアを中心にユーラシア全域を目標

5 アルタイ山域 モンゴル地区のインべントリー作成 (1)WGI(World Glacier Inventory) の欠落部分を埋めることができた MGI2000 (Yabuki et al., submitted) ロシア カザフスタン モンゴル (2) アルタイ山域の中でモンゴル地区の氷河が占める面積は全体の約 27% と大きいことが分かった Country Numbe r of Glacier Number of Persentage (%) WGI で記述されている氷河分布 ( 黒 ) と本解析の結果 ( 赤 ) を記載 Area of Glacier (km2) 中国 Area Percentage (%) Russia China Kazakhstan Mongolia Total 社会貢献 : 水資源管理 将来変動予測の基礎情報である 水循環研究の基礎となる

6 50 年間 ( ) の氷河縮小量 ( 面積 ) の導出 < 平成 20 年度実施解析 > (1) 地形図記載氷河 (1950) 分布と MGI2000 の結果比較 総面積 583.6km km 2 (-31.1%) * ロシア地区の 1950 年から 2000 年までの氷河の面積変動は約 7.1% であり モンゴル地域と比較して小さいものであった ( Narozhniy, and Nikitin, 2003) < 地形図作成の過程 > 航空写真 ( 非専門家 雪氷専門家手作業 ) 地形図 < 平成 22 年度実施解析 > (2) 地形図 (1950) の良好区域抽出と MGI2000 の結果比較 抽出総面積 km 2 (-17.9%)

7 湖沼分布 - 抽出地域 1. 流域水循環の重要な要素 2. 変動を繰り返し 水貯留として働く 3. 降水増減 凍土融解により変化 広域北部地域 アラゼヤ川地区 全領域 衛星画像 350 枚合成 広域中部地域 ヤクーツク地区

8 広域北部地域の湖沼分布 (2000 年 ) 2000

9 広域北部地域の湖沼分布 (2008 年 ) 2008

10 広域北部湖沼分布の変化 (2000 年 2008 年 ) 赤っぽい箇所が拡大したところ アラゼヤ川地区

11 狭域北部地域 アラゼヤ川地区) 1975, 2000, 2008の湖沼分布 50km四方 Thermoerosion 温暖化 湖沼面積 15.5% 16.9% 18.6% 2008

12 消え行く北東ロシアの村 Аэровокзал アラゼア川沿いの村々 Андрюшкино больше напоминает Речной вокзал Andrekino の空港が水没 Gotobiev et al., (2008); About the reasons of flooding of settlement at River Alazei. Science and Technology in Yakutia No. 2 (15) 原因の推定 2008 年 凍土氷の融解? 降水増加の影響 ( 地球温暖化による北極地域の水循環変化 )? 降水増および Thermo-erosion による湖沼水氾濫が主原因 ( 現地調査に基づく結果 )

13 広域中部湖沼分布と変化 km程度の範囲 2000年には面積の小さい湖沼が急増 Thermokarst lakeの増加 Yakutsk Yakutsk 2000 Water Area 2777km2 4.9% Water Area 2884km2 5.1%

14 ヤクーツク地区の変化 : ティングルー アラス付近 (30km 四方 ) 変化 : 5.8% 3.2% 7.0% 2008 一方的増加 減少ではなく降水量変化による増減が見られる

15 湖沼のまとめ (1) 増加一方の地域 および増減がみられる地域がある 北方の湖沼変化は凍土変化および気候学的因子 ( 降水量など ) も深く関与していると考えられる (2) 限られたデータであるが 2008 年は両地域で湖沼が拡大 ( 水貯留が大 ) (3) 連続永久凍土帯の湖沼でも 水が完全に抜ける現象が見られた (4) 今後 : 温暖化 凍結土壌の変化 鉛直ではなく水平的な水の動き これらの情報を年代 地域とともに増やし より詳細な解析が必要 水循環貯留データとして 重力衛星結果 (GRACE) などと比較 総合理解する グリッド化して 水文モデルの検証材料に活用

16 テーマ 1 地上 衛星 地形 陸域水文モデルによるシミュレーションの流れ 地表面 データ整備 < 入力 > 気象植生土壌 年平均降水量 ( ) 大河川流域の水循環と流量増加の謎の解明 蒸発散量 流出量 陸面モデル 土壌水分 流出モデル 河川流出量 < 収集データ > レナ川中部 北極海域では少ない 南部タイガ域 オホーツク海では多い 活動層積雪など 植生分布図 < 応用したモデル > Ma モデル ( 陸面 + 流出 ) 陸面水文モデル ( 陸面 + 流出 ) 新陸面水文モデル ( 陸面 ) 河道構造洪水追跡 ( 河川結氷 ) 検証データ 入出力結果を解析し 水循環および流量増加を議論 G: 草地 W: 湖 D: 砂漠 T: ツンドラ TF: タイガ林 CF: 針葉樹林 BF: 広葉樹林 MF: 混交林

17 新陸面水文モデルの概要 (Park et al., submitted) 植物成長 新モデルの特徴 (1) 地表下 ( 凍土 ) 変動がより正確に表現可能 土壌物性 ( 有機物 ) 水の動態 ( 液体固体 ) Online 流出モデル 植生動態 (2) 地表面 ( 植生など ) 変化と陸面プロセスとの関係が評価可能 (3) 流出量増加の原因究明が期待できる (4) 湖沼 湿地の流出量 凍土変動への影響の評価可能 地表面状態 植生タイプ

18 シミュレーション結果 : 融解深 土壌水分分布の時間変化導出 陸面水文モデル (2008 年実施 ) 融解深 土壌水分 0-3m 層 mm 融解深 土壌水分は衛星計測困難なため 気候変化解析 農業 放牧 水資源など多分野にとって 有用なデータセットとなる

19 降水量 気温 ( ) と河川流量のトレンド データ :Hirabayashi et al. (2009) 変化量 年間の変化であり New et al 8) のデータ使用 1 以外の気温 降水量は Hirayabashi et al 9) のデータ使用

20 期間別 期間別の 3 流域の各 3 流域の降水量降水量 (P) 流出量 (P) 流出量 (R) の変化量 (R) トレンドに基づく変化量 ( トレンドから ) 流域全期 : 降水量 P 流出量 R 1 期 : P 降水量 流出量は観測値 R 2 期 : レナ P R エニセイ オビ 降水量と流出量の差が約 15mm 以上の箇所

21 水収支項の評価エニセイ流域 全期 : ( ) 1 期 : 期 : (Forcing) (Cal.) (Cal.) (Obs.)

22 水収支項の評価レナ流域 全期 : 期 : 期 : (Forcing) (Cal.) (Cal.) (Obs.)

23 水収支項の変化量期間別 3 流域の降水量 (P) 流出量(R) の変化量 ( トレンドから ) P: R: E: 降水量 流出量は観測値モデルではまだ表現されていない湖沼貯留の影 S: 流域 全期 : 1 期 : 響が強く考えられる 2 期 ( : テーマ1の結果 ) 降水量 P 流出量 R P R P R レナ エニセイ オビ 水収支項の変化量 P: R: E: 水収支項の変化量 S: P: R: E: S: 降水量と流出量の差が約 15mm 以上の箇所

24 データセットテーマ 3 用 東経 55 以東の内訳汎BMDS 5.0: 観測要素が多い (16 個 ) 近年 (2008 年 ) までカバーする 長期的な解析に利用できる 品質管理 データセットの作成 1 地点観測データセット ( シベリア ) BMDS: Baseline Meteorological Data in Siberia の改版 シベリア地域において 複数の気象観測要素 ( 降水量 最大 最小 平均気温 地温 気圧 最小湿度 水蒸気圧 最大 平均風速 日射 雲量 積雪深など ) を含む長期 (50 年 ~) の daily データセット BMDS 5.0 を整備する 地点数期間要素数時間分解能 BMDS 年間 ( ) 16 Daily BMDS 年間 ( ) 16 Daily ndp (136) 120 年 ( ) 4 Daily NCDC (1146 ) 110 年 ( ) 1 daily Availabilityのチェック BMDS 4.1 BMDS 5.0 降水量日平均気温 月 月 1986 年 2004 年 1950 年 2008 年 データ抜けがあることを視覚的に容易に認識 日観測値の 16 要素間の整合性を確認 降水量最高気温平均気温最低気温地表面温度相対湿度水蒸気圧飽差水蒸気圧気圧 SLP 平均風速最大風速積雪有無積雪深日照時間全天雲量低層雲量 1 年 一ヶ月規模の欠測あり 次期 BMDS 5.1 で改修予定 BMDS 4.1 BMDS 5.0 での追加地点 シベリア地域の地上観測データのうち 品質処理を経た baseline データとして BMDS 5.0 を整備している トレーサビリティを確保することを考慮して品質管理の中間処理をデータベースへ保存し 追試の容易性を実現した

25 データセットの作成 シベリア (+ モンゴル ) 2 グリッド化データセット グリッド化 内挿手法提供 Lee, Yang Won 氏 ( 柴崎研究室 ) プロダクト別の年降水量 ( 例 1986 年 ) レナ川流域 BMDS (77 地点 ) WECNoF (77 地点 ) 同一地点でもデータ提供元により品質が異なる APHRO _0902 H08 スパイク値を除去 空間分布の違いを踏まえ解析に利用

26 寒冷圏データベース (CrDAP: Cryosphere Data Archive Partnership) 公開サイトの構築 JAMSTEC 取得の陸域データの公開とそれらのデータの DIAS_ コアシステムとのデータ相互流通性を目的としてメタデータ Format 及びデータ公開サイトの構築を行った 他機関の既存 11 スキーマを検討し 下記 4 スキーマの必須項目を組み合せてスキーマを定義した 参考したスキーマ DIAS DIF (Directory Interchange Format) AWCI DrC in JAMSTEC スキーマ ガイドなど参照 URI /User/authoring.html カテゴリ 地球科学全般 GCMD の定義 基本フォーマット ISO19115:2003 ISO19139:2007 DIF ISO19115/TC211 利用要素数 流域観測 33 JAMSTEC 内部 13 それぞれの必須要素は CrDAP で必ず利用する CrDAP スキーマ寒冷圏観測データ 写真 地図などを扱う 合計 155 要素 CrDAP 事務局 データ提供者 1 スキーマ入力 Excel ツール データセットメタデータの登録 テキスト全文検索 簡易検索 詳細検索( 場所 期間 ) 4メタデータ表示 3 検索結果一覧 細かい粒度の情報を含むデータセットには マーカーを付けて差別化 2 メイン画面 地図上のアイコンから直接データへアクセス 写真サムネイル簡易ビューワ 登録済み ( 公開中 ) データセット 46 種類年度末までにデータセット約 40 個を追加予定 < 特徴 > DIAS メタデータへのフォーマット変換が容易である メタデータを介したデータの相互流通性 相互変換に対応可能 DIAS CrDAP 他機関 JAMSTEC が取得したデータで公開制限 ( 他機関との合意文書 ) があり JAMSTEC でしか扱えないデータを公開できる 5 ダウンロード

27 システム構成 生 data (in-situ) txt bin 不均一なフォーマット 解析 描画 研究者など データ投入 Format 変換処理 変換プログラム (C, f90 etc.) グリッド ( 再 ) 変換 統一化 *.csv ODBC または直接にデータ参照 bin インポート ( スクリプト処理 ) netcdf グリッド値の汎用プロダクト品質確認画像 動画データセット化 png WMV グリッド化 データ処理サーバ : 品質管理 フォーマット変換 描画 etc. MySQL 5.1 R Google earth KML2.2 データ値の品質管理データベース (actual data) メタデータ値の修正 そのVersion 管理 メタデータ ファイル管理 種別 空間範囲 時間範囲 空間分解能 時間分解能 異常レポートの管理 品質管理 RMySQL チェック グラフ化 エクスポート ( スクリプト処理 ) < 解析 描画 > 自己相関時間分解能の変更散布図時系列ヒストグラム Oscope < 描画 確認 > GUI 操作簡易な視覚チェック Web ユーザ メタデータ データ 閲覧 検索 ダウンロード アーカイブデータ キーワード検索全文検索 Google Maps API エクスポート ( スクリプト処理 ) 1 対 1 対応 MySQL 5.1 メタデータ CrDAP メタデータ Webサーバ : 寒冷圏データベース (CrDAP: Cryosphere Data Archive Partnership) exist メタデータ 相互変換 ( 未実装 ) データ公開 DIAS コアシステム DIAS 他機関のメタデータ DIAS メタデータ 登録

28 研究成果のまとめ ( ) (1) 氷河変動 : 空白地のアルタイ モンゴル地区の氷河インヴェントリー作成 変化量 ( :18% 減 ) を明らかにし 当該地域の氷河特性を解明した (2) 北東ユーラシアの湖沼分布変化の解析 : 面積は増加傾向はありながらも 増減する場所もあった 湖沼の規模分布にも変化が見られる 湖沼分布の変化には 降水変動の影響とともに thermal-erosion など温暖化の影響も表れている 湖沼が陸域貯留変化の一重要要素と考えられる (3) 陸面水文モデルを用いたシミュレーション : データ統合を行い新陸面水文モデルを応用し 北東ユーラシアでの陸面変化の季節変化の描出を行い 陸面情報 ( 融解深など ) の社会貢献の可能性を示した (4) 大河川の流量増加の謎 : エニセイおよびレナで顕著に見られ 年以前の主たる原因は 蒸発量減少であった 年は様子が異なり 湖沼解析から湖沼貯留が流出量を抑制していた可能性がある 融解深増加も関与していると考えられる 謎の解明に近づいた (5) データ : 本解析に必要なデータの収集 品質管理のシステムを構築するとともに web-site(crdap) を通じてデータセット公開し 研究者等の利用に供した (6) 社会貢献 : データ整備 公開によって基本情報を 解析結果を通じて当該地域における水資源 災害 植物生産に関する社会基礎 面的情報を提供できた

BVg^cZ HX^ZcXZ HZb^cVg 雪や氷が広く分布する寒冷圏は 地球温暖化の影響が顕著に現れる地域であり 環 しまったと考えています 境の変化を敏感にとらえる指標として研究の重要性が高まっています '%%,年に北 極海の海氷の面積が最小を記録したのをはじめとして 特にここ数年 寒冷圏では急 永久凍土の融解が温暖化を加速させる 激な気候変動が起きています 海洋研究開発機構?6BHI:8 がユーラシア北

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