E - 筑波大学

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 ～102 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   ai Fi
F   C e U  qs  q 
Ce   ai Cei
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
モンゴル対象地域
N
セレンゲ川
R. Selenge
R. Orkhon
R.
Haraa
シャルガン川
Ulaanbaatar
トゥーラ川
R. Kerulen
R. Tuul
Choybalsan
チョイバルサン
Karakorum
Ondorhaan
ケルレン川流域
0
0
400km
400km
ウンドルハン
ステーション
飛行パス
50 km くらい
10 km くらい
N
ステーション
飛行パス
N
ステーション
飛行パス
S
S
AN-2
（１）
（２）
（３）
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
ステーション観測値
航空機観測値
H plane  C P C H U (TS  T )
顕熱フラックス
風速
バルク係数表面温度
ステーション観測値(H)
から逆算
気温
1
150
Former Agricultural Sites
shadow
shadow shadow
30
shadow
0.8
0.6
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
shadow
100
20
0.4
0.2
10
2
H (W/m )
Ts (degC)
LAI
2003/08/21
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Distance from A1 (m)
日陰と日向が交互に現れるケース．放棄農地の影響なし？
LAI: 葉面積指数（単位面積あたりの葉の面積，植生の量の指標）
Surface Temperature (degC)
Village
地表面状態
（星野・田村, 2004)
Pastoral
Grassland
Plant cover ratio
48％、LAI<0.6
The number of
species：11
Abandoned
Field
Crop Land
Plant cover ratio
0.6％
Plant cover ratio 26％
The number of
species ：2
The number of
species ：4
1
Former Agricultural Sites
Village
shadow
shadow
partial shadow
2003/08/22
50
0.8
0.6
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
12:53
100
H (W/m2)
Ts (degC)
LAI
40
0.4
Surface Temperature (degC)
150
0.2
30
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Distance from A1 (m)
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）
1
150
H (W/m2)
Ts (degC)
LAI
Former Agricultural Sites
30
0.6
100
0.4
20
Surface Temperature (degC)
0.8
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
Village
40
0.2
2003/08/23
12:40
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0
10
4500
Distance from A1 (m)
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）
1
150
2003/10/04
H (W/m2)
Ts (degC)
LAI
13:11
30
0.6
100
Former Agricultural Sites
0.4
20
0.2
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
10
3500
Distance from A1 (m)
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）
Surface Temperature (degC)
0.8
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
40
1
Village
2003/10/03
12:57
40
Former Agricultural Sites
30
0.6
H (W/m2)
Ts (degC)
LAI
0.4
20
0.2
100
0
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
10
3500
Distance from A1 (m)
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？
Surface Temperature (degC)
150
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
0.8
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．
1
150
H (W/m )
Ts (degC)
LAI
30
0.6
100
Former Agricultural Sites
0.4
20
Surface Temperature (degC)
0.8
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
40
2003/10/04
2
0.2
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
10
3500
Distance from A1 (m)
村落
草原
耕作放棄地
0.4
2003/10/04 13:11
0.35
0.3
日陰無し．放棄農耕地が半
分．一部村落
0.25
0.2
0.15
各々は必ずしも正規分布で
はない．
0.1
0.05
0
50
60
70
80
90
100
110
120
Sensible Heat Flux (W/m2)
130
140
150
重ね合わせると（たまたま）正
規分布に近づく
1
150
40
2
H (W/m )
Ts (degC)
LAI
Former Agricultural Sites
30
0.6
100
0.4
20
Surface Temperature (degC)
0.8
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
Village
0.2
2003/08/23
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
10
4500
Distance from A1 (m)
0.3
2003/8/23
0.25
日陰無し．放棄農耕地が大
半．一部草原，一部村落．
0.2
0.15
各々は必ずしも正規分布で
はない．
0.1
0.05
重ね合わせても正規分布に
はならない
0
50
60
70
80
90
100
110
120
Sensible Heat Flux (W/m 2)
130
140
150
1
150
Former Agricultural Sites
shadow
30
shadow
shadow shadow
0.8
0.6
LAI
Sensible Heat Flux (W/m2)
shadow
100
20
0.4
Surface Temperature (degC)
Village
0.2
10
H (W/m2)
Ts (degC)
LAI
2003/08/21
0
50
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Distance from A1 (m)
0.25
2003/8/21
0.2
交互に日向・日陰．放棄農耕
地が半分．一部村落
0.15
0.1
各々は必ずしも正規分布で
はない．
0.05
0
50
60
70
80
90
100
110
120
Sensible Heat Flux (W/m2)
130
140
150
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 1
– 草原の日陰 2

– 耕作放棄地の日向 3
– 耕作放棄地の日陰 4
M   pii
– 村落の日向 5
 pi  1
– 村落の日陰 6
• 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
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）
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
8/21
Instantaneous
60
30
120
分布が滑らかにな
るが，土地被覆の違
いが残る．
80
Frequency (n)
Sensibel Heat Flux (W/m2)
150
100
40
0
50
0
1000
2000
Distance from A1 (m)
3000
4000
70
80
90
100
H (W/m2)
110
120
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．
霞ヶ浦の蒸発フラックス分布の事例
Method: bulk (mass) transfer
equation
w ' q '  E / (  l )  C e U  qs  q 
Ts map from satellite
infrared image
Interpolation (Kriging)
to produce spatial map
E : evaporation
Ce :bulk coefficient
U : Wind speed
q : specific humidity
qs : : specific humidity of lake water
surface (=f (Ts))
Rf : bulk Richardson’s number
Ts : surface temperature
【Data analyzed】
• 32 cases (1999～2009年)
• ASTER (14)
• Landsat-TM (1)
• Landsat7-ETM+ (17)
Stations distribution
in/around Lake Kasumigaura
Interpolated meteorological variables
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
2008/1/15 10:30
2007/8/16 9:45
U
qs
U
q
qs  q
q
Ta
RH
Ta
qs
qs  q
RH
mean: 2.66
S.D.: 0.47
C.V.: 0.16
Skewness: 0.52
Kurtosis: -0.18
E (mm /d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
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 (mm /d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
E (mm /d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
E (mm/d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
E (mm /d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
E (mm /d)
U (m /s)
qs  q
霞ヶ浦の場合
• 弱風・強風領域，(qs-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，(qs-q)が大・小は実際はどう
いう場所，場合なのか． (qs-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 (mm /d)
U (m /s)
qs  q
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
E (mm /d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q
E (mm /d)
U (m /s)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
qs  q
E (mm /d)
U (m /s)
qs  q
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
E (mm /d)
U (m /s)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
qs  q
E (mm/d)
w ' q '  E /   C e U  qs  q 
U (m /s)
qs  q

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