正確、簡便で汎用性のある新しい地温の計算方法

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要約

任意の深さの日平均地温が対象の深さより上層の地温と土壌の熱的条件からForce-Restore法を拡張した式で計算できる。さらに、この式に熱伝導方程式を結合させることで、地温の日変化も高い時間分解能で計算できる。この計算方法は、初期・境界条件や土壌の熱的条件の設定が容易である。

• キーワード:微気象、地温、土壌凍結深、Force-Restore 法
• 担当:北農研・生産環境部・気象資源評価研究室
• 連絡先:電話011-857-9234、電子メールhirota@affrc.go.jp
• 区分:北海道農業・生産環境
• 分類:科学・普及

背景・ねらい

地温は、生育に影響し土壌環境を表す上で重要な気象要素であり、特に北海道のような寒地では低温による初期生育の制限や積雪・土壌凍結の問題から重要性はより大きい。しかし、地温や土壌凍結深データはアメダスなどの一般気象観測網では測定されておらず、入手し難い。そこで、任意の深さの地温を入手可能な値を用い、初期・境界条件、パラメータの設定が容易でかつ高い時間分解能で推定できる新しい計算方法を開発する。

成果の内容・特徴

• Force-Restore 法を応用した新しい土壌中の日平均地温推定法
  日平均地温は、年平均地温が深さに依らずほぼ一定であるため、地表面温度や土壌表層の地温の簡易推定法であるForce-Restore法(FRM)を応用することで、対象とする深さより上層の地温と土壌の熱的条件から容易に計算できるようになる(図1)。この日平均値計算式の特長は、対象より下層の初期条件や土壌の熱的条件を考慮する必要がなく、任意の深さの日平均地温を従来の方法より簡便に計算できる点にある。
• 新しい地温の計算方法(組み合わせ法)
  さらに、地温の日変化も、深さ30～50 cm以下の地温は日々変化はするが一日内ではほとんど変化しないことから、深さ30～50 cmの下部境界条件を新しいの日平均地温計算式(図1)により決定し、その上層の地温を熱伝導方程式を用いることで、高い時間分解能で計算できる。計算手順、必要なパラメータを図3に示す。
  この組み合わせた計算方法は以下の特長をもつ。
  1)求める地温が長期間(季節変化以上の時間スケール)である場合、熱伝導方程式のみを用いる方法では必要な深
    い土壌層まで(数 m～数十 m)の熱的条件や初期値の鉛直分布の設定をしなくても任意の深さの地温を高い時間
    分解能で計算できる。
  2)深い層の地温の計算が省略できるので計算容量が節約できる。
  3)FRM法単独では問題となる土壌層が不均一な条件や気象条件の急変あるいは積雪下の地温について計算精度
    が改善される。
  4)下部境界条件より深い層の地温の値が必要な場合でも、図1の地温の日平均値推定式を用いて計算できる。
• この方法は、カナダ・プレーリ地帯(少雪土壌凍結条件)で適用性が確認され(図4)、積雪下の地温や土壌凍結深の推定に適用できる。

成果の活用面・留意点

与えられた気象条件(気温、日射、風速等)から、地温を推定する場合は、地表面の条件(裸地、植生地、積雪、土壌凍結等)に応じた地表面の熱収支式と組み合わせて解く。

具体的データ

その他

• 研究課題名:耕地気象環境の長期・広域動態評価手法の開発
• 予算区分:交付金
• 研究期間:2001～2005年度
• 研究担当者:廣田知良、John Pomeroy(英,ウエールズ大)、Raoul Granger(加,国立水文研究所)、
                    Charles Maule(加,サスカチュワン大)、鮫島良次、岩田幸良、濱嵜孝弘、山田一茂
• 発表論文等:Hirota et al.(2002) J.Geophys. Res.,107, D24, 4767, 10.1029/2001JD001280