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1 水資源システム論 2008/6/25 陸面過程モデルと水管理への応用 (1) 田中賢治 京都大学防災研究所水資源環境研究センター 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 (too much water) 渇水(too little water) の両方に対処する必要性降水量 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 1

2 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 現実的な流域条件を表現でき 物理過程に根ざした陸面過程モデルの開発の必要性 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 2

3 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 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 大気下層を直接加熱 λe: 潜熱 凝結時に大気中層を加熱 G: 地中熱 地表面を加熱 ( 放射収支と熱収支にタイムラグ ) 3

4 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 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) 4

5 GEWEX Continental Scale Experiments Arvaikheer Amdo Kogma Maetoh HUBEX Sukhothai Tokyo 5

6 PBL タワー 乱流フラックス Aug. 12, 2004 Surface energy fluxes (5day average) Sensible heat flux (30 Every minutes) 30 6

7 チベット高原上の月平均地表面温度 (1998 年 ) a) Map of Thailand b) Topographic map of northern Thailand and study sites. 7

8 Result of Observation KogMa Hydro-meteorology: H. Takizawa Canopy interception By 田中延亮さん N. Tanaka Rain Transpiration Discharge Sap flow measurement N. Yoshifuji Dry condition Wet condition Transpiration peak in the late dry season! Stomatal Closure Stomatal closure is open! C. Tantasirin Sap flow shows it! S. Piman Simulation also shows it! N. Tangtham Numerical Simulation (by 田中克典さん ) Transpiration Interception Rainfall Sap flows Soil evaporation average soil depth = 4.5m Soil surface Depth (m) Water table Dry season Deeper root can get water from the deeper soil layers Bedrock 8

9 GAME-Tropics (Sukhothai Thailand) 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 25 Energy balance at Paddy field (Sukhothai) 7-year average seasonal cycle By 小森大輔さん Heat ba alance(mj/daytime) Rn G LE H Gw Bow wen ratio & Crop factor Jan Feb Mar Dry season Apr May Jun Jul Aug Sep Bowen Rainy ratio season Oct Nov Crop factor Dec Water level (cm) Soil Water Contents (%) Jan Water Level TDR-15cm RH Feb Mar Apr Dry season May Jun Jul Aug Sep Rainy season Oct Nov Dec Humidity & Soil Water Content (%) 9

10 GAME-HUBEX flux measurement at 4 landuse Paddy Field Farmland Forest Lake Paddy Field Farmland Forest Lake 水田は畑とも湖とも違う 10

11 FLUXNET( 世界フラックス観測ネットワーク ) の新領域 Urban Flux Networks 計画中 終了を含む (Grimmond et al., 2004) 自然生態系に比べて観測点は圧倒的に少ない 特にアジアは空白域 : 東京と北京のみ 東京での長期連続フラックス観測測定項目 設置高度低層住宅街 ( 東京久が原 ) 太陽放射 赤外放射 平均建物高さ 7.3 m タワーの高さ φ0.32mm 30m φ0.05mm 4cm 気温 ( 熱電対 ) 乱流 フラックス ( 超音波風速計 CO 2 /H 2 O 計 ) 水蒸気 CO 2 11

12 都市植生のオアシス効果 (Wm -2 ) 夏季の熱収支の日変化 Rn 600 H July 500 LE 400 G Time (hour) ( 植生 + 土壌 ) 被覆率 30% 日中の潜熱輸送量は 200W/m 2 植生 土壌からの発はRnに匹敵! 局所的蒸 オアシス効果 何のための陸面過程モデル? 気象モデルの境界条件 ( エネルギー収支 放射収支 地表面摩擦 ) 水文モデルの境界条件 ( 直接流出 基底流出 ) IWRM( 総合流域管理 ) ( 蒸発散 土壌水分 灌漑必要水量 積雪 水質..) 解析か予測か過去 将来の時間変化するパラメータ季節変化 + 年々変動 + 人為影響 12

13 陸面過程モデルSiBUCの開発 - 基本方針 :physically consistent - 支配的なプロセスが違うものはそのように区別して扱う - でも複雑になりすぎない ( 実流域への適用を意識 ) 何をモデル化するのか? 1. モデルそのものを作成する都市モデル 農地灌漑モデル 貯水池モデル... 人間がやることなので どういった操作をしているかという情報があれば それをモデルで表現すること自体は難しくない 2. 現実的な条件を表すパラメータを整備する ( 特に広域だと ) こういった情報を集めるのが大変衛星データ 地理データ 農業統計データ... から推定 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 ) 2002 年 : 多様な農地を対象とした灌漑排水スキーム 2003 年 : 全球土壌水分プロジェクトGSWP2( 全球への適用 ) 2004 年 : 雲解像モデルCReSSとの結合 (CReSiBUC) 2006 年 :SnowMIP2プロジェクト( 雪モデル比較プロジェクト ) 13

14 SiBUC の基本構成 緑地のモデル (green area model) SiB を基本とする ( 植生を 1 層にするなど少し簡略化 ) 都市域のモデル (urban canopy model) 都市域の粗度要素としての建物群を同じ幅だけど高さは違う直方体の集合体として表現放射過程では天空率を 1つのグリッド内にこれら 水体のモデル構成要素が混在すること (water body model) を許すモザイクモデル水温だけの強制復元モデル 緑地のモデル (SiB) 予報変数温度 ( キャノピー 地表面 地中 ) 遮断水 ( キャノピー 地面 ) 土壌水分 ( 表層 根層 再補給層 ) 時間変化しないパラメータ形態学的パラメータ光学的パラメータ生理学的パラメータ土壌物性 時間変化するパラメータ (LAI 等 ) 衛星データから推定 物理過程放射 降水遮断 流出発生 地中水文 植物生理 (SPAC) 乱流輸送 積雪 融雪... 植生 1 層土壌 3 層 14

15 植生タイプ 1. 常緑広葉樹 (Broadleaf-evergreen trees) 2. 落葉広葉樹 (Broadleaf-deciduous d trees) 3. 混合林 (Broadleaf and needle leaf trees) 4. 常緑針葉樹 (Needle leaf-evergreen trees) 5. 落葉針葉樹 (Needle leaf-deciduous trees) 6. 草原 (Short vegetation/c4 grassland) 7. 広葉低木 (Broadleaf shrubs with bare soil) 8. 低木潅木 (Dwarf trees and shrubs) 9. 農耕地 (Agriculture/C3 grassland) 10. 水田 (Paddy field) 追加!! 水田での水位操作の表現 水位操作概念図 最大 最適 最低水深をそれぞれ設定最適最低水深をそれぞれ設定 最大水深を上回るか最低水深を下回るとき最適水深になるよう水位を操作 追加可能な水量の有無は考慮しない 水田水収支概念図 15

16 都市キャノピーモデル 都市キャニオンの概念 (Oke,1987) 道路とそれに面したビルの壁面で構成される 天空率道路 :skyg 壁面 :skyw 予報変数温度 ( 屋根 壁面 路面 地中 ) 遮断水 ( 屋根 壁面 路面 ) 同じ幅だけど高さは違う建物要素の集合体 屋根面高度や人工排熱量の空間分布を与えることが可能 人間活動を取り込んだ統合的モデルの全体像 熱 CO 2, エアロゾル 都市化 気象 土壌水分変化 灌漑 需要量 ( 要求 ) 開発 陸面過程 地質植生地形 流出 取水 ダム操作 流入 放流 河川流量水のやりとり影響 花崎さん ( 国環研 ) の図をベース 16

17 人間活動を取り込んだ陸面過程モデル (SiBUC の守備範囲 ) 熱 都市化 気象 土壌水分変化 灌漑 需要量 ( 要求 ) 開発 陸面過程 流出 地質植生地形 河川流量 水のやりとり影響 17

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