Proceedings of the Soil Moisture Workshop 2013西アフリカ乾燥域におけるAMSR-E土壌水分
プロダクトと陸面過程モデル解析値の比較
Comparison of Soil Moisture Derived from AMSR-E and Land Surface Modelin West African Arid Regions

小槻峻司1、田中賢治2Shunji KOTSUKI1 and Kenji TANAKA2
1 京都大学大学院工学研究科（〒615-8530 京都府西京区京都大学桂）2 京都大学防災研究所（〒611-0011 京都府宇治市五ヶ庄）

Abstract
AMMA Land surface Model Intercomparison Project second phase (ALMIP2) has been launched toreveal which processes are missing or not adequately modeled by the present generation of land surface
models in the region. The authors have conducted land surface analysis with SiBUC using meteorologicalforcings and land surface parameters provided by the ALMIP2. Simulated soil moisture was compared tosoil moisture product derived from AMSR-E in three meso-scale domains: Benin, Niger, and Mali. On
the Niger and Mali domains, seasonal soil moisture from simulation agreed to AMSR-E derived soilmoisture. On the other hand, AMSR-E may under estimate soil moisture during rainy season in Benin
domain because of interruptions of dense vegetations.
Key Words : soil moisture, AMSR-E, land surface model, Western Africa, arid region

レーションやモデルの調整無しに，現状のモデルがどこまでの再現性を持つかを計るための解析である．
今後，プロジェクの進行に合わせて，参加グループ
西アフリカ・モンスーン域の季節変動・年変動のには地表面フラックスや土壌水分量等の観測情報が理解に向け，The African Monsoon Multidisciplinary
提供される予定である．
Analysis (AMMA) projectが組織されている．その中我々の研究グループは，陸面過程モデルSiBUC
で ， 陸 面 過 程 に 関 連 す る 活 動 は ， AMMA Land
(SimpleBiosphere model including Urban Canopy) 2)を
surface Model Intercomparison Project (ALMIP)により用いてALMIP2プロジェクトに参加している．著者
主導されている．この地域は，大気‐陸面間の相互自身のモチベーションは，SiBUCを用いた乾燥域の作用が非常に重要であると指摘されており，ALMIP
水収支解析精度の向上にある．これまで，SiBUCをの重要な課題は，陸面プロセスの時空間変動が，大用いた河川流量解析では，乾燥域において河川流量気循環・陸水循環に与える影響を明らかにすること解析の過大評価が報告されてきた(e.g. 小槻ら3)，峠である．2012年からは，ALMIPのセカンドフェイズら4))．こういった乾燥域における河川流量の過大評(ALMIP2)が開始された．ALMIP2には，20を超える価は，他の研究グループによっても報告されている陸面過程モデル・水文モデルが参加しており，プロ(e.g. Pokhrel et al.5))．乾燥域における河川流量過大ジェクトから提供される気象強制力・地上物理パラメータを用いて，二次元解析であるmeso-scale runと， の解決には，大きく2つの問題を解決する必要がある．一方は入力となる降水量の不確実性であり，他地点解析であるlocal runが実行されている．ALMIP2
方は陸面過程モデル中のプロセスが十分に乾燥域にの主要な目的の1つは，様々なモデル出力の相互比対応できていない点である．乾燥域に位置する諸国
較を通じて，現状のモデルが乾燥域で十分に表現で1)は発展途上国であることが多く，予算を十分に気象きていないプロセスを明らかにすることである ．
観測に回すことが出来ないのが現状である．この点
2013年12月時点の進行状況は，各参加モデルが出力は，GPCC (Global Precipitation Climatology Center)6)を検証する観測情報無しに解析を行うブラインド・やAPHRODITE7)等の降水量プロダクトが公開していランを行っている状況である．これは，キャリブ

１．タイトルページ

10-1

Table 1 Summary of the three meso-scale domains.
SquareArea
Benin
1.55 ˚E to 3.15 ˚E, 12.85 ˚N to 14.15 ˚NNiger
1.45 ˚E to 2.85 ˚E,
8.95 ˚N to 10.20 ˚NMali-1.90 ˚E to -1.20 ˚E, 15.00 ˚N to 15.70 ˚N

Fig.1

Resolution
0.05˚Period2005 ‒ 20082005 ‒ 2008
2006 ‒ 2008

Annual precipitation
1170 mm
540 mm
350 mmThe ALMIP2 meso-scale domains is shown. The ECOCLIMAP annual average LAI (m2 /m2) is contoured.
The figure is reffered by Boone et al. (2013)1)における潜熱フラックスや顕熱フラックス等の地表る，使用した降水量観測地点の分布からも見て取れ
面フラックスは，サブモデル毎に算出され，その加る．加えて，多くの陸面過程・水文モデルが非乾燥重平均を求めることで得られる．
域で開発・発展されてきたことから，乾燥域におけモデルの入力となる気象強制力は，ALMIP2よりる陸面プロセスが，未だ十分にモデル化されていな提供されているデータを用いた．地表面・土壌パラ
いこと，パラメータが適切に設定されていない事もメータとして提供されるデータは，Ecoclimapと呼指摘されている．
ばれるフランス気象庁の開発してきたプロダクトで観測情報が不十分な点やモデルパラメータのキャある．
リブレーションは，衛星観測情報を用いた同化やALMIP2では，強制力として必要とするモデルにフィルタリングにより改善できる可能性がある．本
向けて，アルベドも提供している．ALMIP2が提供
研究では，衛星が観測する地表面水文量の一つであするアルベドは，植生や地面からの反射をすべて反る土壌水分量に着目する．AMSR-Eによる土壌水分量推定値と陸面過程モデルの算出値の比較を通じて， 映させたアルベドである．一方SiB2では，植生タイプごとの葉や土壌にアルベドを与え，モデル内で放衛星観測土壌水分量の利用可能性を検討する．
射伝達・収支を解く結果としてアルベドが算出される．元々のSiB2では，土壌のアルベドは，可視域で２．解析0.11，近赤外域で0.225と固定しており，SiBUCもその値を採用していた．しかし，解析を進める中で，(1) 計算領域
SiBUCの算出する裸地域の地表面温度が高いことがALMIP2のmeso-scale runでは，参加モデルに3つの分かってきたので，Ecoclimapの算出式を参考にし領域における解析を課している．いずれも西アフリて，砂の比率（sand）からアルベドを設定した．
カに位置し，南から順にBenin, Niger, Maliである（Fig.1, Table 1）．解析領域は西アフリカ・モン
 vis ,dry  0.10  max(0.30  sand ,0.10) (1)
スーン域に位置し，3領域共に雨季と乾季に分かれる気候を持つ（Fig.1, Table 1）．赤道にかけて南(2)
 nir ,dry   vis ,dry  0.10
ほど降水量が多い地域であり，北部は乾燥域となっ
ここで，αは裸地のアルベドを表し，添字のvis, nir,ている．それに伴い，LAIも南から北へ低くなってdryはそれぞれ，可視域，近赤外域，乾燥状態を表いることが見て取れる．計算・比較期間は，す．Ecoclimapの中では，湿潤状態の裸地アルベドALMIP2の実験期間に併せて設定した．
は乾燥状態の0.5倍とされている．解析中のアルベドは，乾燥・湿潤状態のアルベドを用いて，土壌水(2) 陸面過程解析分に応じて設定される．本論文中では，裸地のアル陸面過程解析は，Simple Biosphere model 2 (SiB2)8)ベドを固定した場合の解析結果をSiBUC v1とし，砂をベースに開発された，SiBUC2) を用いて行った．の比率を基にアルベドを設定した解析結果をSiBUC
SiBUCは地表面状態を緑地・都市・水体の3つのカv2 と す る ． 特 に 言 及 し な い 場 合 の 解 析 結 果 は ，テゴリーに分類し，各グリッドにそれらの混在を認
SiBUC v2である．
めるモザイクスキームを採用している．各グリッド

2

Fig.2Monthly precipitation and evapotranspiration in (a) Benin, (b) Niger ,and (c) Mali domains.
Blue boxes and orange lines represent preciptation and evapotranspiration, respectively.

Fig.3

Seasonal soil moisture in (a) Benin, (b) Niger ,and (c) Mali domains. Purple, black, and graylines represent soil moistures of the AMSR-E level 3 product, simulated surface soil moistute,and simulated 2nd layer soil moisture. Simulated results were obtained from SiBUC.

Fig.4

Seasonal albedos in (a) Benin, (b) Niger ,and (c) Mali domains. Red, Black, and gray lines
represent albedos provided by ALMIP2, simulated by SiBUC v2 and simulated by SiBUC v1.

Fig.5

Seasonal Leaf area Indexes (LAIs) in (a) Benin, (b) Niger ,and (c) Mali domains. The LAI data
sets were obtained from ALMIP2.

SiBUCの算出値（黒線）がAMSR-E（紫線）を，年(3) AMSR-E土壌水分量間を通じて上回っている．AMSR-Eの土壌水分量が宇宙航空研究開発機構(JAXA)の提供している，AMSR-Eレベル3土壌水分標準プロダクト9)を用いた． 雨季の途中である7月付近から落ち込むのは，植生が発達してくるため，センサが土壌水分を計測でき
SiBUCの出力する土壌水分量は，AMSR-Eプロダクトに合わせて，体積含水率(g/cm3)に変換して用いた． ていない為だと考えられる．それに伴い，SiBUCとAMSR-Eの土壌水分季節変動は大きく異なっている．
AMSR-Eのプロダクトは，森林域において推定精度３．結果と考察が低いことから，密な森林域にマスキング処理を実施している．Beninが該当する密でない森林域にお
3章では，解析領域毎に結果を議論する．それぞける推定精度については，更に検証が必要とされてれの領域における降水量と蒸発散量（Fig.2）の月いる．
積算値，及び，土壌水分量（Fig.3），アルベドアルベド（Fig.4）の比較では，SiBUCの算出す（Fig.4），LAI（Fig.5）を月平均値算出した．
る乾季のアルベドは，アルベド設定の変更によりALMIP2の提供値に近くなっている（灰線はSiBUC(1) Benin
v1，黒線はSiBUC v2，赤線はALMIP2提供値）．一
Beninは，3領域の中では降雨量の多い領域であり方で，植生の発達する雨季は，土壌まで到達する放（Fig.2），地表面被覆は落葉広葉樹林や草原が支射量が少なくなるため，変更の効果が見られない．
配 的 で あ る ． 雨 季 の LAI は 3-4 程 度 に 達 す る
雨季は，SiBUCの算出するアルベドがALMIP2の提（Fig.5）．土壌水分量を比較すると（Fig.3），3供値を下回っているため，雨季の地表面温度が高くなっている可能性がある．

クトと比較した．現状では現地観測情報が提供されていない状況であるが，解析結果の比較を通じて現状のモデリングの課題を述べた．今後の課題は，SiBUC及びAMSR-Eにより推定された土壌水分を，ALMIP2より今後提供される観測値と比較・検証する事である．検証を通じてモデルのプロセスを改良すると共に，AMSR-Eの利用方法について考察を進めていく必要がある．
加えて，裸地のアルベド情報を衛星観測地を用いて推定すること，及び，衛星観測地表面温度との比較が必要となる．

(2) Niger
Nigerは，3領域の中では降雨量が中程度の領域であり（Fig.2），地表面被覆は草原と裸地が支配的である．雨季のLAIは最大で1を超える程度である（Fig.5）．土壌水分量を比較すると（Fig.3），
SiBUCの算出値がAMSR-Eを，乾季には下回り，雨季には上回っているが，季節的な変動は一致している．
アルベド（Fig.4）を見ると，SiBUCの算出する乾季のアルベドが，アルベド設定の変更によりALMIP2の提供値に近くなっているが，依然として大きく下回っている．そのため，SiBUCでは年間を通じて，地表面温度が高いと考えられる．

謝辞：本研究を進めるに当たり，京都大学大学院工学研究科の峠嘉哉さんからAMSR-Eのデータ処理をサポートして頂きました．本研究は，日本学術振興会「特別研究員奨励費」の支援を受け実施されました．記して謝意を示します．

(3) Mali
Maliは3領域の中では降雨量が最も少ない領域であり（Fig.2），地表面被覆は草原と裸地が支配的で あ る ． 雨 季 の LAI は 最 大 で も 1 に 達 し な い（Fig.5）．土壌水分量を比較すると（Fig.3），
SiBUCの算出値がAMSR-Eを，年間を通じて下回っている．
アルベド（Fig.4）を見ると，SiBUCの算出する乾季のアルベドが，アルベド設定の変更によりALMIP2の提供値に近くなっているが，依然として大きく下回っている．そのため，SiBUCでは，雨季の地表面温度が高く算出されている可能性が高い．

参考文献
1)

2)

3)

4)

(4) 3領域の結果からの考察
今回アルベドの設定を変更することで，3領域のアルベド算出値をALMIP2提供値に近づけることが出来た．しかし，裸地のアルベドは土壌特性よりも岩石特徴により決定されるべきである．今後，衛星観測値を用いてアルベドを適切に設定していく必要がある．同時に，地表面温度を用いて検証していく事も重要である．地表面温度は，地表の蒸発だけではなく，気孔開度を通じて蒸散にも寄与する．乾燥域において河川流量解析が課題となる原因の一つとして，蒸散量が少ない事も指摘されているため，今後地表面アルベドの設定に対しても改善を計る必要がある．
土壌水分量についての詳しい検討は，今後提供予定の現地観測値を待つ必要がある．ただ，Beninの様に密でない森林領域では，植生の発達する時期に適切に土壌水分量を推定できない可能性が指摘された．最終的に同化システムとして組み込む際は，衛星観測土壌水分量を利用可能な被覆状態について，考察を進める必要がある．

5)

6)

7)

8)

9)

４．まとめ
本研究では，ALMIP2を通じて行ったSiBUCによる土壌水分量解析値を，AMSR-Eのレベル3プロダ

4

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（2013.12.4 受理）