徐 健 青

application/pdf博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))443506 bytesothe

徐, 健青

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

Seasonal Variations in the Heat and WaterBalances for Non-Vegetated Surfaces著者 徐 健 青号 40学位授与番号 1525URL http://hdl.handle.net/10097/38437[[ 氏名・(本籍) 学位の種類学位記番号学位授与年月日 学位授与の要件 研究科,専攻学位論文題目論文審査委員ロnON r雄 bり 攻es蜘公 専㎜節命学田季車雛錫花球惚収動地陥水授 仲程認野教 課a収ゼ士飢熱正壽岡 備恥の e面純延 g当科血胸飾青号日該究影藤田崎 )項研.-( 学5251学船s近安山 2月第理㎞蹴 n条院ね㎡授擾擾 漁健理534学罵教 (1年第大Vd教教助 士第9則学園崩) 短大ot査 u博成位北鈴塵室 x徐博理平学東艶艶(論 文 團 次 Chap七er1,lntroduc七ion Chapter2.Me鹿odofcalcula七ion2.1Soilmode1 2.2Boundaryan〔iini七ialcon母iむions 2。3Da七aset33QUQU2222 Air七emperatureSola,rra,diation Longwa,veradia,七ion Precipi七ationChapter3.Paramemters 3qOQUつ」3つ0 Soi1-wa七erpotentia1Ψ*EvaporationefficiencyβAlbedo PhysicalthermaユcoefficientsExchangespeedσHU SnowmeユtingProcess Chapter4.Verificationof伽emethodofcalcula七ionChapter5.Seasonalvariations5.1Lanzhou5.2Turpan5.3Alta,y Chapter6.Chmatologicalrela七ionship 6。1Hea,tbalance6.2Waterbalance 一158一 ・{啄'{ 6.3SQi1-wa七ercontent C昼apむer7.Indexofclimatologica,1wetness7.1Ra.diation 7.2Poten七ialevapora七ion 7。3Appユication Chapter8.Summaryan(icollcユusionAcknowledgments AppendixA.Tablesofmon七hlyhea七andwa七erbalances ApPendixB.No七ationReferences論文内容要鷺 この研究の目的は,各地の裸地面における熱収支・水収支の季節変化を求めることである。蒸発は熱・ 水収支に関わる最も重要な過程の一つである。しかし,乾燥・半乾燥域では蒸発量が少なく接地境界層内 の水蒸気量の鉛直勾配が小さく,また日中の大気は非常に不安定となり,従来の方法「傾度法」,「ボーエ ン比法」,「渦相関法」などでは蒸発量の正しい測定は困難である。KondoandSaigusa(1994)尋こよれ ば,湿っている裸地面からの蒸発量は風速,日射,大気の温度と湿度に左右されるが,地表面が乾燥して いくと,蒸発量は土壌含水率と大気の湿度に依存する。様々な気候帯に適用できる裸地面蒸発量の評価手 法の開発は重要であることから,本研究では土壌のパラメータを含む具体的な評価方法を開発した。乾燥 域では,蒸発は地表面で起こらず,土壌内の小さな間隙内で発生するため,気象条件よりも土壌パラメー タに支配される。裸地面は様々な土壌で構成されており,土壌の種類によって蒸発の振る舞いも様々であ る。代表性のある4種類の土壌の裸地面について,標高の違いと積雪過程も考えて,熱収支・水収支量を 算定した。 第2章では計算方法を示す。これはKondoandSaigusa(1994)のモデルを簡略化し,ルーチン気象 データを適用するために実用化された方法である。また,乾燥域に適用するため,土壌全層に水蒸気の輸 送を考えている。土壌中の液体水の輸送は透水係数と水分ポテンシャルで表す。積雪,融雪過程も考慮し ている。使用する気象ルーチンデータは①日平均気温,最高と最低気温の差から気温の日変化を周期関数 で表す,②日照時間から日平均日射量を計算し,周期関数で日変化を表す。大気放射量は日平均日射量か ら求める。③隅降水量から降雨量の時間変化を与える,気温が低い場合の降水は雪として扱う。このとき, 雨量計の「捕捉率」を考え,降雪量を修正する。④臼平均風速,⑤日平均水蒸気圧から空気の比湿を求め る。⑥地表面気圧を利用して,日照時間から推定した日射量と大気放射量の標高による違いを補正する。 第3章では,計算に使用したパラメータについて述べる。地球上の裸地面はさまざまである。大規模な 砂漠から各地に散在している小規模の土壌面まで存在している。同じ土壌面でも場所によって土質が違う。 同じ場所でも深さによって土壌層の構造が異なる。本研究では各地点について代表性のある4種類の土壌 について計算を行う。地表面から深さ0.7m(計算を行う深さ)までの土壌の種類は同じとする。4種類 の土壌はSoi11:クロボク土(volcanicashsQi1,通称関東ローム,つくばで採集),Soi12:粘土(clay Ioam,中国蘭州の気象観測場の土),Soi13:成田砂土(s批ysand,粒子の細かい砂,千葉で採集), Soi14:砂(sand,粒子の粗い砂,仙台の海岸で採集)である。そのうち,Soi11とSoi12はローム質土 壌で,Soi13とSoi14は砂質土壌である。土壌ごとの透水係数は室内あるいは圃場実験で求めた。各種土 一159一 壌の水分ポテンシャルと体積含水率の関係は実験で決めた。蒸発効率は表層土壌の含水率の関数で表す, これも実験データに基づく。アルベードは土壌含水率によって変わることから,本研究では室内実験と野 外観測の結果に基づいてアルベードを土壌表層2cmの含水率の関数として扱う。積雪の場合,アルベー ドは「新雪日」に最大とし,気温と日数の関数とする。土壌の熱物理係数を地中温度の年変化の振幅と位 相の遅れから求めたうえ,土壌水分量の関数として扱う。 第4章では,計算方法と土壌パラメータの検証を行う。ローム質土壌についてはっくば市にあるクロボ ク土(Soi11)の裸地での観測データと計算結果を比較した。砂質土壌については鳥取砂丘の観測値と比 較した。計算方法と土壌パラメータを地表面温度と土壌含水率の両方から検証した。いずれもよい対応が みられた。 第5章では,中国の気象ルーチンデータを利用し,30地点について熱・水収支量を評価する。中国の気 候条件を調べた結果,乾燥,半乾燥域ではポテンシャル蒸発量の年間値は1000～2500mmで,年降水量 の5倍以上である。湿潤域の日本においてはこの割合は0.3～0.5倍程度である。吐魯番,蘭州,阿勒泰を 中国の乾燥,半乾燥,降雪域の代表地点として,それぞれの計算結果を示した。この計算方法では地表面 温度も同時に計算されるので,地表面温度の平均,最高,最低の観測値との比較により検証を行った。半 乾燥域では土壌表層の含水率は小さいが,全体的な傾向としては下層で含水率が増加している。熱収支的 には乾期には顕熱輸送量が大きいが,雨期には潜熱輸送量が大きくなる。乾燥域では雨の日を除けば,土 壌含水率は全体的に小さい。頭熱は年間を通して日射量のように正弦カーブ的に変化して'いる。土壌表層 の水分は日中蒸発し,夜間になると空気中の水分は土壌の表層に凝結する。土壌の月平均含水率は大気の 月平均比湿と平衡している。乾燥域では,土壌内部での水分の輸送はほとんど水蒸気輸送である。大気と 違って,土壌は温度が高いほど水分を多く含むことができないことから,乾燥域の土壌内部の水蒸気輸送 は夏は下向きで,冬は上向きである。水蒸気輸送は緩慢であるため,砂漠の深層の含水率は10～100年昔 の気候状況を記憶することができる。 降雪域では春先に雪が融けるため,土壌含水率は全層で増加する。そのため,同じ乾燥域でも,雪の積 もる場所での流出量が相対的に大きい。これは「雪効果」である。 第6章では,中国の気象ルーチン観測所30点の計算結果に基づいて,気候学的な熱・水収支の関係につ いて述べる。チベット高原では大気が薄く,乾燥しているため日射量が多く,顕熱輸送量が多い。チベッ ト高原の北に広がる砂漠域では降水量は極めて少なく,土壌が乾燥し,地表面温度が高温になり,正味放 射量は比較的に少ない。その大部分が顕熱輸送量となる。チベットをはじめ,アルタイ山脈の近くまで広 がっている乾燥・半乾燥域は気候学的には顕熱の供給源になっている。中国東南部の湿潤域では降水量が 多く,土壌が湿っているため,潜熱輸送量は大きい。裸地面からの年間蒸発量は土壌の最大保水量と関係 する。土壌の保水量は土壌の種類によって'違う。ローム質の土壌は保水性がよく,土壌は湿潤で,蒸発量 が多い。砂質の土壌は排水がよく,蒸発量が少ない。乾燥域では,年蒸発量は年降雨量に等しく,流出量 はゼロである。半乾燥・半湿潤域では,流出量は土壌の種類による。砂質の土壌での流出量はローム質よ り多い。また,「雪効果」あるいは集中的な降雨のある地域では,流出量が多くなる。湿潤域では,降雨 量が豊富なため,土壌パラメータで決まる蒸発量を上回る分が流出量になる。雨の少ない季節について調 べてみると,土壌含水率は湿潤域では圃場容水量に近い値を持つのに対して,乾燥域では空気の湿度に平 衡した値になる。変動の少ない時期の土壌含水率の大きさはこの区域の年降雨量に関係する。数の少ない 貴重な乾燥域の土壌水分量を入手し,年降雨量と土壌水分量の関係を検証した。 第7章では,中国の日射量と大気放射量の地理的分布図を作成した。晴天日の多い乾燥域では,水蒸気 量が少ないため,日射量は多いが大気放射量は少ない。地表面温度が高くなるので,有効大気放射量は大 きくなる。チベット高原では正味放射量が多い。 一160一 マ{き、}～}}}…甚 本研究では,ポテンシャル蒸発量の定義を「土壌は毎日飽和含水率の状態にあり,地表面温度が日平均 熱収支で決まる熱収支的平衡値にあるとしたときの蒸発量」とした。これは乾燥気候の度合いを見るのに 適したパラメータである。30地点におけるポテンシャル蒸発量は日々の気象条件を入力して計算した。一 方,中国の多くの観測所では,小型蒸発計蒸発量も観測されている。それゆえ,小型蒸発計蒸発量と最高 最低地表面温度(あるいは気温)の差を利用し,中国195ケ所のポテンシャル蒸発量を推定し,年降雨量 とポテンシャル蒸発量の比で気候の湿潤度を表した。年降雨量とポテンシャル蒸発量の比が1.0を超える 区域は湿潤域,0.5～1.0は半湿潤域,0,2～0、5は半乾燥域,0.2以下は乾燥域と定義した。1981年,東南部 は湿潤域,東北部及び黄河と揚子江にはさまれた地域は半湿潤域,華北から黄河の上流を通ってチベット 高原までは半乾燥域,チベット高原の北の砂漠地帯からモンゴルの西方は乾燥域になっている。ある地点 での湿潤度の年々変動は渇水あるいは洪水と関係すると考えられる。 第8章では,本研究によって得られた主な結果をまとめた。広域の熱・水収支を理解するためのこの研 究は中国を例として行った。乾燥域と湿潤域における蒸発機構を物理的に定量的に解明した。地表面温度 の観測値を利用して熱収支的な検証を行った。 一161一 論文審査の結果の要旨 気候変動や水資源問題から,陸地面における水収支・熱収支の定量的把握を行うことは,最近の重要課 題となっている。陸地面のうち裸地面については,土壌が乾燥し蒸発量が少なくなった状態では大気中の 水蒸気量の鉛直勾配が小さくなり,また,水の気化が土壌内部で生じるようになるため,従来の方法では 水収支・熱収支量が正しく評価出来ない状況にあった。 徐健青の研究では,土壌内部の水蒸気と液体水の輸送過程をパラメータ化し,裸地面の熱収支・水収支 を求める方法を完成し,中国の乾燥域から湿潤域に応用し,熱収支・水収支量や土壌水分の日変化・季節 変化に及ぼす土壌の種類や気候条件の影響を明らかにしている。具体的には以下の結果を得ている。(1)半 乾燥域では,土壌含水率は表層から深層まで増加しており,顕熱輸送量は乾期に大きく,潜熱輸送量は雨 期に多い。(2)乾燥域では,正味放射量のほとんどが顕熱輸送量となる。土壌含水率は大気の比湿とほぼ平 衡した値で季節変化を行う。年蒸発量は土壌の種類にほとんど依存しない。(3)湿潤域では,年蒸発量の上 限は土壌の種類ごとに異なり,保水性のよい土壌では,年蒸発量は年ポテンシャル蒸発量にほぼ等しいが, 排水のよい砂質土壌ではその3分の1程度となる。(4)チベット高原から砂漠域にかけての広い乾燥地域で は,顕熱輸送量が大きく,大気を大きく加熱している。(5)熱収支と水収支の総合的な効果を表すための新 しい湿潤度インデックスを導入し,地理的な気候の湿潤度分布を作成した。 以上の結果は,本人が自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識を有することを示してい る。よって,徐健青提出の論文は,博士(理学)の学位論文として合格と認める。ξ{§ 一162一

Seasonal Variations in the Heat and Water Balances for Non-Vegetated Surfaces

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裸地面の熱収支・水収支の季節変化

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