(57)【要約】【課題】地球上における光合成有効放射量を的確に推定することができる光合成有効放射量の推定方法及びそれを用いた推定システムを提供する。【解決手段】光合成有効放射量の推定方法において、大気上面の光の量である太陽定数を、波長別に光量子数に変換し、これに、静止気象衛星データから推定した大気による光の減衰率を掛け、地球上における光量子数照度とし、これらを４００〜７００ｎｍの範囲で波長積分し、地球上における光合成有効放射量と推定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気上面の光の量である太陽定数を、波長別に光量子数に変換し、該光量子数に、静止気象衛星データから推定した大気による光の減衰率を掛けて、地球上における光量子数照度とし、これらを４００〜７００ｎｍの範囲で波長積分し、地球上における光合成有効放射量と推定することを特徴とする光合成有効放射量の推定方法。
【請求項２】
静止気象衛星データを受信・配信する装置に自動的にアクセスし、自動的に指定した点の地球上の光合成有効放射量を、請求項１に記載の光合成有効放射量の推定方法によって計算し、その計算されたデータを保存することを特徴とする光合成有効放射量の推定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合成有効放射量の推定方法に係り、特に、静止気象衛星データを利用した光合成有効放射量の推定方法及びそれを用いた推定システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素量の増大による地球の温暖化が指摘されるなど、地球規模での気候変動に注目が集まっている。気候の理解、変動の予測には、地球規模での熱エネルギー・物質の循環を正確に把握することが不可欠であるが、十分な知見があるとはいえないのが現状である。地球規模での物質循環を考えるとき、海洋の役割は非常に重要であり、海洋表層における光合成−二酸化炭素固定は地球全体の半分程度を担うと言われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、それを正確に観測することは非常に困難である。現状での観測は、人工衛星の観測データからの推測と、採水・培養実験等で行なわれているが、人工衛星データからの推定には精度的に疑問が多く、採水・培養による観測では非常に多くの労力と専門知識・技術が必要となる。
【０００４】
そこで、実際の海域において自動的にモニタリング観測を行なう装置の開発を行なっている。
【０００５】
海洋における光合成−基礎生産を考える上で、その場における太陽光の量を把握することは必要不可欠である。特に、光合成有効放射と呼ばれる、光合成に必要な波長（４００〜７００ｎｍ）についてのデータが必要となる。太陽光の測定そのものは測定器が市販されており、比較的簡単に可能であるが、海上には設置できないので、他の方法で推定するしか方法がない。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、地球上における光合成有効放射量を的確に推定することができる光合成有効放射量の推定方法及びそれを用いた推定システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光合成有効放射量の推定方法において、大気上面の光の量である太陽定数を、波長別に光量子数に変換し、この光量子数に、静止気象衛星データから推定した大気による光の減衰率を掛け、地球上における光量子数照度とし、これらを４００〜７００ｎｍの範囲で波長積分し、地球上における光合成有効放射量と推定することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕光合成有効放射量の推定システムにおいて、静止気象衛星データを受信・配信する装置に自動的にアクセスし、自動的に指定した点の地球上の光合成有効放射量を、上記〔１〕に記載の光合成有効放射量の推定方法によって計算し、その計算されたデータを保存することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明では、静止気象衛星（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）のデータから地球上（地上及び海上）における光合成有効放射量を推定するようにした。他の衛星のデータからでも推定は可能であるが、静止気象衛星は時間分解能が最も高く、空間分解能は他の低軌道衛星に劣るとはいえ、推定する光合成有効放射量の性質上、十分な能力を有していると考えられる。
【００１１】
大気上面における太陽光の量はほぼ一定であり、これは太陽定数と呼ばれ、良く知られている。また、静止気象衛星のデータから大気による太陽光の減衰率を推定する方法も研究されており、地上もしくは海上における日射量を推定する方法に関しては報告されている。しかし、日射量と光合成有効放射量は異なる概念の単位を持つ、異なる物理量である。本発明では、光合成を考える上で一般的に使われる光合成有効放射量を推定する。
【００１２】
まず、推定原理について説明する。
【００１３】
大気上面の太陽光の量である太陽定数を、波長別に光量子数で表現する。これに、静止気象衛星データから推定した大気による光の減衰率を掛け、地上もしくは海上における光量子数照度とする。さらにこれらを４００〜７００ｎｍの範囲で波長積分し、地球上における光合成有効放射量とした。
【００１４】
図１は本発明の光合成有効放射量の推定フローチャートである。
【００１５】
（１）まず、大気上面の太陽光の量である太陽定数を、波長別に光量子数に変換する（ステップＳ１）。
【００１６】
（２）次に、その光量子数に、静止気象衛星データから推定した大気による光の減衰率を掛けて、地球上における光量子数照度を求める（ステップＳ２）。
【００１７】
（３）次に、それらの光量子数照度を４００〜７００ｎｍの範囲で波長積分し、地球上（地上もしくは海上）における光合成有効放射量と推定する（ステップＳ３）。
【００１８】
次に、太陽定数と光合成有効放射について説明する。
【００１９】
図２は本発明にかかる太陽定数を示す図であり、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に光量（Ｗ／ｍ２  ）を示しており（例えば、理科年表参照）、その表記は、以下のようになっている。
（太陽輻射エネルギーの波長分布）
太陽面の単位面積［ｃｍ２  ］から単位立体角内に毎秒出る短波長領域（１μｍ）内のエネルギーをエルグで示す。地球大気外の１ｍ２  における波長域０．０１μｍ内の効率をワットで表したものに変換するには表の値を真数に直し６．８×１０−１０  をかける。（Ａｌｌｅｎ：Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ，１９７３）
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この図に示すように、大気上面の光の量である太陽定数については既によく知られているが、これは一般には単位面積あたりの光波エネルギー量で示される。
【００２０】
しかし、光は波であると同時に粒子であるとされており、光の量を表すのに光の粒子、光量子の数を用いる方法もある。前記光波のエネルギー量と光量子数の関係は波長によって変化し、一定でない。本発明で求めた、光合成有効放射量は、植物が光合成に利用する波長範囲（４００〜７００ｎｍ）の光の量であるが、一般に光波エネルギー量ではなく、光量子数で表される。
【００２１】
そこで、波長範囲４００〜７００ｎｍについて、バンド幅５ｎｍ毎に太陽定数を光量子数に変換する。
【００２２】
光量子がもつエネルギー量について
１ｑｕａｎｔｕｍ＝ｈν＝ｈｃ／λ：光量子１個あたりのエネルギー量
一般に光量子はｍｏｌ単位で考えることが多く、１Ｅｉｎｓｔａｉｎ＝１Ｎｑｕａｎｔｕｍである。
【００２３】
ｈ：プランク定数：６．６２６０７５５×１０−３４  〔Ｊｓ〕〔Ｋｇｍ２  ／ｓ〕
ｃ：光速    ２．９９７９２４５×１０８  〔ｍ／ｓ〕
ν：周波数    〔Ｈｚ〕〔／ｓ〕
λ：波長    〔ｍ〕
Ｎ：アボガドロ数    ６．０２２１３６７×１０２３を表す。
【００２４】
よって、光量子１つ、あるいは１μｍｏｌあたりのエネルギー量は、波長によって異なる。
【００２５】
次に、大気による光の減衰について説明する。
【００２６】
太陽光は大気によって吸収、散乱され、地球上に届くまでに減衰する。その減衰率を求める方法については多くの報告があり、ここでは静止気象衛星ひまわりのデータから、各波長における減衰率を推定する方法を利用した。
【００２７】
静止気象衛星データを用いた大気による光の減衰率推定は、
晴れたとき：Ｓ＝ＳＩ  ＋ＳＲ  ＋ＳＡ  
曇ったとき：Ｓ＝（ＳＩ  ＋ＳＲ  ＋ＳＡ  ）×（１−ａ×Ａ）
直達光強度：ＳＩ  ＝Ｓ×τＯ  ×τＲ  ×（１−αＷ  ）×τＡ  
レーリー散乱光による強度：ＳＲ  ＝Ｓ×τＯ  ×０．５×（１−τＲ  ）×τＡ  
エアロゾルによる拡散光強度：ＳＡ  ＝Ｓ×τＯ  ×τＲ  ×（１−αＷ  ）×ＦＣ  ×ωＯ  ×（１−τＡ  ）
・オゾンによる減衰
【００２８】
【数１】
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【００２９】
・レーリー散乱による減衰
【００３０】
【数２】
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【００３１】
・エアロゾルによる減衰
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・水蒸気の吸収係数
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ここで、
ａ：雲による消散係数    ０〜１．４［ｍ−１］
Ａ：アルベド  Ｒ／ｃｏｓθ
Ｒ：反射率  静止気象衛星データより
ＦＣ  ：エアロゾルによる前方散乱率
ωＯ  ：単散乱アルベド    １
Ｉ：太陽定数    １３６７［Ｗ／ｍ２  ］
ｄＭ  ：太陽からの年平均距離
ｄ：太陽からの距離    １．４７１〜１．５２１［１０１１ｍ］
θ：太陽高度
Ｕ：オゾン全量（理科年表）    ０．２３８〜０．４１４［ｃｍ］
ｍ＝１／｛ｃｏｓθ＋０．１５（９３．８８５−θ）−１．２５３｝
Ｐ・ＰＯ  ：気圧    Ｐ≒ＰＯ  
λ：波長    ０．３〜２．８［μｍ］
α：エアロゾルの混濁パラメータ    １．３
β：オングストロームの混濁パラメータ    ０．１〜０．３
Ｔ１  ・Ｔ２  ：赤外域の輝度温度  静止気象衛星データより
次に、地球上における光合成有効放射量の推定方法について説明する。
【００３２】
大気上面における太陽光の光量子数（バンド幅５ｎｍづつ）と、静止気象衛星データから推定する大気による光の減衰率とを、各波長において組み合わせることで、その波長の地球上における光量子数を推定することができる。
【００３３】
次に、この推定した各波長における地球上光量子数を波長４００〜７００ｎｍの範囲で積分し、光合成有効放射量とする。すなわち、
（大気上面における光量子量）×（大気による減衰率）
＝その波長における地球上光量子量
光合成有効放射量＝∫地球上光量子量ｄλ  ただし、λは波長
上記した推定に必要なデータは、静止気象衛星のデータ（近赤外２バンドの輝度温度と可視域反射率）と太陽高度、地面・海面における反射率である。静止気象衛星のデータは、受信・保存・配信を行っている機関があり、そのデータを得ることができる。太陽高度は日時と推定の対象となる地点の緯度から計算することもできる。地面・海面における反射率については既に報告されているものを利用することもできるし、観測することもできる。これらを組み合わせ、本発明を適用することにより、任意の地点での地上・海上での光合成有効放射量を推定することができる。
【００３４】
この方法を採用して、地球上（地上・海上）における光合成有効放射量を自動的に推定するシステムについて説明する。
【００３５】
図３は本発明にかかる静止気象衛星データ受信装置及び光合成有効放射量の自動推定装置からなるシステムの模式図、図４は図３における光合成有効放射量の自動推定装置の構成図である。
【００３６】
これらの図において、１は静止気象衛星データ受信装置、１０は光合成有効放射量の自動推定装置であり、この光合成有効放射量の自動推定装置１０は、中央制御部１１、静止気象衛星データ受信部１２、データ変換部１３、光合成有効放射量演算部１４、データ保存用の記憶部１５、データ表示部１６などを備えている。  そこで、静止気象衛星データ受信装置１で受信されたデータは、自動推定装置１０の静止気象衛星データ受信部１２に取り込まれ、データ変換部１３でデータ変換されて、光合成有効放射量演算部１４で上記したように太陽定数を光量子数で計算しなおし、大気による減衰率を適応して地球上における光量子数を求め、光合成有効放射量を推定する。その推定された光合成有効放射量は記憶部１５に保存したり、必要に応じてデータ表示部１６で表示することができる。
【００３７】
このシステムを利用して、静止気象衛星データを受信・配信する装置に自動的にアクセスし、自動的に指定した点の地球上光合成有効放射量を計算し、得られたデータを保存するプログラムを構築した。
【００３８】
このプログラムではＲｅｄＨａｔＬｉｎｕｘのバッチ処理で、毎日１回、自動的に静止気象衛星データをインターネットを経由して取得し、一日分（静止気象衛星データは毎正時観測）の光合成有効放射量を任意の点に関して推定し、そのデータを保存しておく。圧縮された衛星データから必要な情報を取り出すプログラムはＣで、光合成有効放射量の推定プログラムはＦｏｒｔｒａｎで記述される。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光合成に関わる光の強さを示す地球上における光合成有効放射量を的確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光合成有効放射量の推定フローチャートである。
【図２】本発明にかかる太陽定数を示す図である。
【図３】本発明にかかる静止衛星データ受信装置及び光合成有効放射量の自動推定装置からなるシステムの模式図である。
【図４】図３における光合成有効放射量の自動推定装置の構成図である。
【符号の説明】
１    静止気象衛星データ受信装置
１０    光合成有効放射量の自動推定装置
１１    中央制御部
１２    静止気象衛星データ受信部
１３    データ変換部
１４    光合成有効放射量演算部
１５    データ保存用の記憶部
１６    データ表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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