陸面過程モデル(SVATS)

「陸面過程モデル」という用語は、 気候モデルまたは数値天気予報モデルの部分として使われる場合に よく使われる。 この分野を専門とする人は、 SVATS (Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer Scheme、 土壌・植生・大気間伝達の定式化)ということが多い。 ここで輸送されるのは、まず水とエネルギーであり、 それに加えて運動量および二酸化炭素がある。 (運動量の伝達とは、自由大気の風が地表面で摩擦を受ける過程にあたる。)

ここでは、わたしの知識の広がりのつごうで、 おもに気候モデルまたは数値天気予報モデルの部分として使われる 陸面過程モデルについて述べる。

【人物名の敬称は省略で統一しました。】

この分野で画期的だったのは、 気象力学の理論家だったDICKINSON (当時NCAR、その後Arizona大学を経てGeorgia工科大学)が 1983年と1984年に書いた総説だと思う。 前者では植生層が放射(おもに太陽放射の可視光・近赤外線)伝達におよぼす効果を、 後者では植生層が水蒸気(とそれに伴う潜熱)および顕熱の乱流輸送におよぼす効果を 論じている。 背景となる関心事は、Amazon川流域の熱帯雨林の持続可能性だったらしい。 その後、 DICKINSONはBATS (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme)という 陸面過程モデルを構築した。 そのころのDICKINSONが書いた解説で日本語になっているものには、 HOBBES・MOONEY (1990)の本の第6章がある。 BATSの流れをくむものとしてはCLMというものがあるが、 これはCommunity Land ModelとCommon Land Modelに分かれたらしい。

これに先立つ研究として、 植生層の太陽放射伝達については、 植物生態学の分野で、門司 正三[もんし まさみ]・佐伯 敏郎(東大・理・植物)、 及川武久(東大→筑波大)の、森林の光合成のモデルがある。 その流れをくむものとして、伊藤昭彦(筑波大→地球フロンティア→環境研)の SimCYCLEがある。 乱流輸送については、 MONTEITH (イギリスRothamsted農業試験所)の 水蒸気輸送に関する群落抵抗の考え方が重要である。 水蒸気輸送を電気伝導のように考え、 境界層の空気力学的抵抗と、 植物の葉の気孔抵抗(ただし集合的に扱うので必ずしも個々の葉の値ではない)が 直列にはいっているように考える。 これをPENMANの可能蒸発量の式と組み合わせたのが PENMAN-MONTEITHの蒸発の式 (池淵ほか 2006の4.5節参照)である。 ただし、PENMANの式は 地温・気温の差が小さいことなどいくつかの仮定をおいて熱収支式を近似したものであり、 一般には本来の熱収支式にもどって考えるべきである(近藤, 1994, 9.4.6節ほか)。 日本人では矢吹萬寿[かずとし](大阪府大・農、Rothamsted留学経験がある)の 光合成の研究がある。

BATSと同じ時期に、イギリス出身でNASA Goddard Space Flight Centerの 気候モデルグループで働いていたPiers J. SELLERS (のちNASAの宇宙飛行士になった)は、 SiB (Simple Biosphere)を開発した(SELLERSほか, 1986)。 佐藤信夫(気象庁)は、COLA(当時はMaryland大学の一部だった)に留学中、 SELLERSとの共同研究でSiBを大循環モデルに組みこんで 実験を行なった(SATOほか, 1989)。 また、帰国後、気象庁数値予報モデルにSiBを組みこんだ(佐藤・里田 1989)。 GSWP (Global Soil Wetness Project)第1期 (DIRMEYERほか, 1999)や MIYAOKAほか(1999)、 MATSUYAMAほか(1999)の研究で使われたJMA-SiBはこれである。 それ以後、気象庁の数値予報モデルと気象研究所の気候モデルの陸面過程モデルは、 いろいろな改訂を重ねているが、SiBの流れをくむものであり、 JMA-SiBと総称されている。 また、田中賢治(京大・防災研)は、SiBをもとに、 1つのます目に複数の地表面状態をモザイク状に含めることができるようにした SiBUCを開発した。UCはurban climate (都市気候)を意味していたらしいが、 水田の表現にも特徴があり、GAME HUBEXの中国華中平原でも使われた。 Yongkang XUE (現在UCLA)は、SiBよりもパラメータ数を減らした SSiB (Simplified SiB)を開発した。 SELLERS自身は、SiB2 (SELLERSほか, 1996)を 開発した。光合成を直接計算するところに特徴がある。

SELLERSは、植生のリモートセンシングに関する仕事もした。 そして、共同実験観測「FIFE」[別ページ参照]の 企画の中心のひとりともなった。

1990年代後半ごろ、国立環境研では、 気候モデルを使った複数の仕事の経験があり凍土の役割に関心をもっている高田久美子 (現在は地球フロンティア)と 東大駒場で気候の中のとくに土壌水分に関するモデル研究で博士をとった江守正多 (現在国立環境研、地球フロンティアと東大も兼任) が現在MIROCと呼ばれている気候モデルの陸面過程部分を開発していた。 気候モデルの大気部分を開発した沼口敦 (当時国立環境研、のち北大に移ってから2001年に亡くなった)、 東北大で植生の水・熱伝達の多層モデルを開発した渡辺力(当時森林総研、現在は北大低温研)、 東北大で土壌の水・熱伝達を研究し、 筑波大で植生の光合成・CO₂伝達も扱った三枝信子(当時資源環境研、現在は国立環境研) も議論に加わっていた。 彼らは開発したモデルをMATSIROと名づけた。 Minimal Advanced Treatments of Surface Interaction and RunOffの略だそうだ。 読みかたは「マツシロ」でつくば市内の地名にちなむそうだ。 (マダガスカル語で「おいしい」という意味の「マツィロ」という単語もあるが 関係ないらしい。) 文献としてはTAKATAほか (2003)がある。 SiBなどを参考にはしているが、 植生部分は渡辺による多層モデルを簡略化したものである。 光合成についてはSiB2から移植した機能を使うことができる。 「RO」の部分は斜面流出過程であり、 TOPMODEL (BEVEN & KIRKBY, 1979)を 簡単化したものを組みこんだ。

MATSIROを説明する図 (学内限定リンク)

その後、MATSIROの水文関係の改訂には次のようなものがある (全部ではなく増田が話題を理解しているもののみ)。

• 凍土過程の精密化 (斉藤和之(地球フロンティア→アラスカ大学IARC))
• 土壌の透水係数の改訂 (平林由希子(東大生産研→山梨大学))
• 地下水面の改訂、基底流出の改善 (芳村圭(東大生産研→Scripps海洋研))

また、MATSIROを発展させたモデルには次のようなものがある。

• SimCYCLEとMATSIROの統合 (加藤知道(地球フロンティア・生態系))
• 同位体を扱うMATSIRO (芳村圭(東大生産研→Scripps海洋研); YOSHIMURAほか, 2006)

文献

• K.J. BEVEN & M.J. KIRKBY, 1979: A physically based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrol. Sci. Bull., 24, 43 - 69.
• Robert DICKINSON, 1983: Land surface processes and climate -- surface albedos and energy balance. In: Theory of Climate (Barry SALTZMAN ed., Advances in Geophysics 25, Academic Press), 305 - 353.
• R.E. DICKINSON, 1984: Modeling evapotranspiration for three-dimensional global climate models. In: Climate Processes and Climate Sensitivity (J.E. HANSEN & T. TAKAHASHI eds., Geophysical Monograph 29, American Geophysical Union), 58 - 72.
• Paul A. DIRMEYER, A.J. DOLMAN & Nobuo SATO, 1999: The pilot phase of the Global Soil Wetness Project. Bulletin of the American Meteorological Society, 80, 851 - 878.
• Richard J. HOBBS & Harold A. MOONEY, eds., 1990: Remote Sensing of Biosphere Functioning. Springer-Verlag. 日本語版: R.J. ホッブス、H.A. ムーニー 編, 大政 謙次、恒川 篤史、福原 道一 監訳 (1993): 生物圏機能のリモートセンシング。 シュプリンガー東京。 (第6章 Robert E. DICKINSON 「水とエネルギーの流れ」 123 - 159.)
• 池淵 周一, 椎葉 充晴, 宝 馨, 立川 康人, 2006: エース 水文学。 朝倉書店, 201 pp.
• 近藤 純正 編著, 1994: 水環境の気象学。朝倉書店。 (第8章 三枝 信子「土壌面の熱収支」 185 - 207; 第9章 渡辺 力「植物と大気」 208 - 239; 第10章 山崎 剛「積雪と大気」 240 - 260.)
• Hiroshi MATSUYAMA, Teruyuki NISHIMURA & Nobuo SATO, 1999: Validation of the atmospheric forcing of ISLSCP Initiative I CD-ROM and outputs from the JMA-SiB using FIFE observations. Journal of the Meteorological Society of Japan, 77, 199 - 215.
• K. MIYAOKA, H. MATSUYAMA & T. OKI, 1999: Validation of the output from JMA-SiB using the combined water balance method and a river routing scheme: A case study in the Mackenzie River basin. Journal of Geophysical Research, 104, 31199 - 31206.
• John L. MONTEITH & Mike H. UNSWORTH, (1973, 1990) 2008: Principles of Environmental Physics, 3 ed. Academic Press. (初版は日本語版「生物環境物理学」がある。)
• Nobuo SATO, P.J. SELLERS, D.A. RANDALL, E.K. SCHNEIDER, J. SHUKLA, J.L. KINTER III, Y.-T. HOU & E. ALBERTAZZI, 1989: Effects of implementing the simple biosphere model in a general circulation model. J. Atmos. Sci., 46, 2757 -2782.
• 佐藤 信夫, 里田 弘, 1989: 生物圏と大気圏の相互作用。 気象庁数値予報課報告 別冊35号 「力学的長期予報をめざして」, 4 - 73.
• P.J. SELLERS, Y. MINTZ, Y.C. SUD & A. DALCHER, 1986: A simple biosphere model (SiB) for use within general circulation models. J. Atmos. Sci., 43, 505 - 531.
• P.J. SELLERS, D.A. RANDALL, G.J. COLLATZ, J.A. BERRY, C.B. FIELD, D.A. DAZLICH, C. ZHANG, G.D. COLLELO & L. BOUNOUA, 1996: A revised land surface parameterization (SiB2) for atmospheric GCMs. Part I: Model formulation. J. Climate, 9, 676 - 705.
• Kumiko TAKATA, Seita EMORI & Tsutomu WATANABE, 2003: Development of the minimal advanced treatments of surface interaction and runoff. Global and Planetary Change, 38, 209 - 222.
• Kei YOSHIMURA, Shin MIYAZAKI, Shinjiro KANAE & Taikan OKI, 2006: Iso-MATSIRO, a land surface model that incorporates stable water isotopes. Global and Planetary Change, 51, 91 - 107.