20kmGCMを用いた気候変動が日本の水需給バランスに与える影響推定2012年2月22日 防災研究所年次講演会○小槻峻司*・田中賢治**・小尻利治*** 京都大学大学院 工学研究科 博士課程1年** 京都大学防災研究所

広域スケールの陸域水循環モデル開発
1 地球水循環を1.
地球水循環を一般性を持って記述する
般性を持って記述する
パラメーター同定に依らない水循環の再現
究極的には 地球物質循環解明へ寄与したい究極的には，地球物質循環解明寄与したい

2. コミュ
コミュニティモデルとしての公開を目指す
ティモデルとしての公開を目指す
5年計画の1年目（博士課程中はモデル開発に集中）特に，海外の研究者に使ってもらいたい究使

3. 広域モデルの優位性を生かす
気象モデルのアンサンブル出力を活かす
気候変動へ脆弱な地域の抽出と適応策の検討

Ensemble River Discharge Analysis
観測予報

 非線形性の強い気象モデル
 アンサンブル予報が良く行われる

非常につよい非線形性

 例えば洪水予測等に応用する場合には，総量，強度，分布のアンサンブル情報を生かした解析が必要．

2011年7月新潟‐福島豪雨事例解析 (11：45~田中賢治先生が発表)

馬下

CReSiBUC Rainfall [mm/hr]

River Discharge [m3/s]

アンサンブルハイドログラフ

気候変動に脆弱な地域の特定
日本全流域を評価した既往研究○ 流況・洪水・洪水被害の解析（防災）流況 洪水 洪水被害の解析（防災）
水文統計解析

物理モデル解析

100年確率日降水量

浸水深 [m]社会・経済へのインパクト評価

被害推定額[mil. USD]

[mm/day]

Kazama (Sustain Sci., 2009)

× 水需給バランスの変化を評価した研究は無い

問題設定
1. 温暖化・降水パターン変化により因・ 降雪量や融雪の時期はどう変わるか？
・ 日本海側の米作地帯で水供給はできるか？ 果

2. 適用策を立てた場合の効用－例えば，耕作の早期化を図った場合．
水需給バランスは改善されるか？
 メの収穫量は維持 きるかコメの収穫量は維持できるか？

水循環‐農業活動の因果関係を横断的に記述するモデルが必要である

因果

発表内容

1. 日本全域水資源モデルの開発と検証
2. 水需用・供給バランス（水ストレス）算定方法
3 気候変動の影響推計と適応策の検討
3.
4. 結論と今後の展望

本研究で扱う水循環
気象強制力を入力として，水循環‐農業活動を表現する

Oki and Kanae (Science, 2006)日本全域水資源モデル
Rice GrowthLand Surface

SIMRIW(Horie 1985)SIMRIW(Horie,1985)(T k 2004)
SiBUC (Tanaka,2004)

Irrigation(T k 2004)
SiBUC (Tanaka,2004)

Stream flow

Dam operation

Kinematic wave

Newly developed日本全域水資源モデル
Veg. Dynamics

Yield

Rice Growth

Water Cycle
LAI

Crop calendar

Human Effects

Land Surface

SIMRIW(Horie 1985)SIMRIW(Horie,1985)

Irrigation

Soil moisture

Intake & drainageg(T k 2004)
SiBUC (Tanaka,2004)

RunoffStream flow

(T k 2004)
SiBUC (Tanaka,2004)

Dam operation
Outflow demand

Discharge

Kinematic wave

Newly developed

Outflow & Inflow

Rice Growth Model(ⅰ)モデル開発
デ 開発 ⇒ (ⅱ)検証
検証 ⇒ (ⅲ)水ストレス算定
水算定 ⇒ （ⅳ）気候変動の影響と適応策（ ）気候変動 影響と適応策

Simulation Model for Rice‐Weather relations

SIMRIW
稲の成長 収量を予報する経験プ セデ稲の成長・収量を予報する経験プロセスモデル
水文陸面過程とオンライン結合

Vegetation Dynamics of SIMRIW
開花時期の高温ストレスを考慮Y    hh W
Yield Harvest Index Dry weighthh  hm (1  0.95 h );Tc To Ccool T max  Tb  Tc  T max  To Tb for T max  To h  


TTTT
 o b  c o   0for T max  To
 hLAI growth  LAI j k 
LAI j  LAI j  A 1  exp   K f (T  Tcf )  1   LAImax   

SSolarlabsorption

S s  S 0 1  r  (1  r0 ) exp k (1  m) LAI Carbonproductionii l
Empiricalequation

Cfor1  DVI  2
DW j  S s C s , Cs   C(1 B)
DVI  2,for2  DVI  3
1 B exp t収量の検証（都道府県別）
都道府県別の収量統計と検証
経年変化がよく再現されている
NORTH JAPANEAST JAPANMIDDLE JAPAN

ポテンシャル収穫量[g/m2]－黒線：統計黒線 統計－赤線：解析 WEST JAPANDam Operation Modeling(ⅰ)モデル開発
デ 開発 ⇒ (ⅱ)検証
検証 ⇒ (ⅲ)水ストレス算定
水算定 ⇒ （ⅳ）気候変動の影響と適応策（ ）気候変動 影響と適応策

DAM 貯水量100万トンの1231基を結合‐ 治水ダム‐ 利水ダム‐ 多目的ダム（治水と利水）
 河川流下過程とオンライン結合100万トン以上ダムの集水域

Basic Operation

Qinf
Q flood

Qouf

洪水流量，維持流量は流況曲線から設定

1. 治水操作

Q flood Qinf  Q flood 
Qbase when belse Qnorm 
2. 利水操作

Qouff  max Qbase
b , Qreq Qlow

Disc.

Peak‐cut Operation

Q flood
Time

下流要求量を満たす放流
需要量は灌漑モジュールと統計から算出

河川流量検証(ⅰ)モデル開発
デ 開発 ⇒ (ⅱ)検証
検証 ⇒ (ⅲ)水ストレス算定
水算定 ⇒ （ⅳ）気候変動の影響と適応策（ ）気候変動 影響と適応策

Discharge 国内20の1級河川で検証‐ 1994‐2003年（SDP, AMeDAS）

降雪量補足を風速で補正
Rs  exp(4.606  0.157  Ws )補足率

風速
Yang et al. (1998)

1km解像度で解析

河川流量検証
Budget   (Qsim  Qobs ) /  Qobs

水収支
Nashのモデル効率係数

Nash  1 2(QQ) sim obs
2(QQ)
 obs obs

精度の悪い流域は
今後レーダーアメダスを今後レダ アメダスを使用して検証の予定

No.

River

StationBudget[%]

Nash

No.

River

StationBudget[%]Nash

1TeshioMaruyama-8.70.436

11ToneKurihashi+12.70.873

2Ishikari

Ishikari

+13.5

0.117

12NakaNoguchi

-8.7

0.842

3

TokachiMoiwa-2.00.855

13Fujij

Kitamatsuno+59.10.619

4

Mogami

Sagoshi-10.00.849

14Tenryu

Kashima+0.40.873

5OmonoTsubakigawa

-11.2

0.847

15

Kiso

Inuyama

+0.3

0.911

6

Kitakami

Tome-14.6
14 60 812
0.812

16

KatsuraKatsura+9 0+9.00 734
0.734

7

Yoneshiro

Futatsui

-13.3

0.868

17

Kizu

Yawata

-22.3

0.782

8

AbukumaTateyama

-13.7

0.843

18

Gono

Kawahira

-20.2

0.660

9Shinano

Ojiya

-18.2

0.726

19

Yoshino

Ikeda

+10.6

0.871

10Agano

Maoroshi

-14.2

0.783

20

ChikugoSenoshita-14.90.940

河川流量検証
降雪量補正により融雪期の解析精度が向上

Rs  exp(4.606  0.157  Ws )補足率

風速12345678910－黒線：観測流量[m3/s]－青線：降雪補正あり解析[m3/s]－赤線：補正なし解析[m3/s]※要旨裏面に20河川の解析結果を掲載

水ストレス解析(ⅰ)モデル開発
デ 開発 ⇒ (ⅱ)検証
検証 ⇒ (ⅲ)水ストレス算定
水算定 ⇒ （ⅳ）気候変動の影響と適応策（ ）気候変動 影響と適応策

Water Stress水ストレスを各流域（16,000河川）で算出
工業・生活・農業水需要を考慮‐ 農業用水：灌漑モジュール(SiBUC)により解析‐ 工業，生活用水：
工業 生活用水：国土数値情報，日本の水資源(H23)から作成

日平均水需要量[流域平均，mm/m2]

Water Stress Index
Oki et al. (2001)

Water withdrawal to total runoff

WWR  Wi /  QiRaskin, 1997
W: daily water withdrawal [MCM]
Q: daily discharge [MCM]⇒水資源量に対するストレス
水資源量に対するストレス
Cumulative withdrawal to demand ratio

CWD   (Wi / Di )Hanasaki (HESS, 2008)
D: daily demand [MCM]⇒流量季節性を含めた水ストレス

River discharge
DemandStresswithdrawn
timeWater Stress Index
High stress
WRR > 0.4
Medium stress
0.4>WRR>0.2
Low stress
0.2>WRR高WRRHigh stress
CWD < 0.5
Medium stress
0.5>CWD>0.8
Low stress
0.8>CWD

最近20年間での渇水発生回数（国土交通省，Ｈ23日本の水資源）

低低CWD

高CWDによる評価が適している気候変動の影響評価と適応策(ⅰ)モデル開発
デ 開発 ⇒ (ⅱ)検証
検証 ⇒ (ⅲ)水ストレス算定
水算定 ⇒ （ⅳ）気候変動の影響と適応策（ ）気候変動 影響と適応策

Climate Change
 MRI‐AGCM20を使って気候変動の影響推計‐ 流域毎に気象強制力7要素の気候値をBias補正（田中ら, 2008）‐ Present(1979‐2003)，Future(2075‐2099), 適応策(2075‐2099)の3実験

計算設定
計算設定
‐ 生活用水，工業用水は変化しないと仮定

気候変動の影響推定
水ストレス変化

水資源量変化
将来増加

将来減少

将来減少

将来増加

水循環速度の加速化や，降雪量の変化により東北地方では水資源量の増加にも関わらず水ストレスが増加する↓
水資源量の変化と水ストレスの変化は必ずしも一致しない

気候変動の影響推定

最上川の流量気候値

水ストレス変化

将来減少

融雪の早期化

降雪量の減少－黒線：現在気候青線 近未来－青線：近未来－赤線：世紀末

将来増加

水循環速度の加速化や，降雪量の変化により東北地方では水資源量の増加にも関わらず水ストレスが増加する↓
水資源量の変化と水ストレスの変化は必ずしも一致しない

適応策:収穫量が最大になる時期に田植え
北日本

西日本

耕作早期化

温暖化の影響を享受早期化で増収の見込み－黒：現在気候－緑：適応策
緑 適応策
－赤：世紀末北日本
・ 温暖化により低温を回避

西日本
・ 早期化による増収の見込

気候変動の影響評価と適応策
適応策を取った場合の水ストレス変化（農業水需要量の発生時期のみが変化する）

水ストレス変化

適応策により緩和

10日程の耕作早期化

1月強の耕作早期化

適応策により悪化

結論
水循環‐農業活動の因果関係を横断的に記述するモデルを開発した

1 日本全域水資源モデルの開発
1.
水循環‐農業活動の包括的解析
収量や河川流量を検証

2. 気候変動の影響推計
流況・水ストレス・収量の変化を解析
流況
水ストレス 収量の変化を解析
適応策の影響・効果を可視化

今後の予定1. 全球陸域水循環モデルの高度化
2. 日本域データベースを構築地理・水需要データを公開予定（5‐6月を目標）
地理 水需要デ タを公開予定（5 6月を目標）
crop calendar

Crop
LAI

LSP

Irrigationsoil moisture
Intakedrainage

Reservoir

runoffrecharge
BC

Agricultural
demandoutflow
inflow

RiverGW

E‐ flow
demandE
Eco‐syspumping

D,I,P
demandWQ

Socioeconomicpollution

1. 全球統合水資源モデルを開発中

2. Webページを構築中