博 士（ 地 球環 境科 学）曽平続

学位論文題名A new first‑order closure model for wind flow within●andabovevege
tationcanopleS（植物群落内外の風速予測の新しい1次クロージャーモデル）
学 位 論 文 内 容 の要 旨

植物群 落内外 の風は単 に熱・運動量のみならず、水蒸気、炭酸ガス、メタンガスなどの物質 輸送に 大きくか かわっており、地球的視野から見ても重要である。植物群落上の風に関 する研 究は1910
年代 から始 まり、す でに多 くの成果 がだされ ている 。しかし植物群内 の風に ついては 群落構造が複雑であり、植物の種類やその組み合わせで変わるため に十 分 な精 度 で 風速 分 布を 数 値 的に 表 現 し予 測 する こ とはで きなかっ た。
本論文 では群 落上から 群落内 への運動 量輸送現 象を群 落上の接 地境界 層に発達している比 較的小 さな乱流 (smalleddy)と境界 層の外 から入っ てきた 比較的周 期が長く振幅 の 大 き な 乱 流 (large eddy)に よ る も の と に 分 け て モ デ ル を 構 築 し た 。
さらに largeeddyによる 運動量 輸送が群 落内で 植物茎葉 による 抵抗のた めに減衰する過程 を表現 するため に、植物面積密度と風に対する植物体の抵抗を含む係数をあらたに考案 し、演 算時間が 少なくて すむ1次クロ ージャ ーモデルの中に組み込んだ。なお、
smalleddyによ る輸送現 象には 従来のK理論モ デルを 用いた。
モデル の検証 はまず著 者が観 測に参加 して得た 中国海 南島のゴ ムノキ 林の風速データを用 いて行 った。観 測は高さ 14mの ゴムノキ 林内に 設けた高 さ30mの鉄塔で 行われ、気 温・ 風 速 は樹 冠 上 から 林床付 近まで10層 で測定 したもの である 。また、 樹冠上下 2ケ所で 測定し た日射量 を用いて、植物面積密度の季節変化を算定した。植物面積密度の垂直構 造は葉 面積の垂 直分布の 実測値 から求め た。
モデル による 森林群落 内外の風速計算結果は実測値と良く一致し、ゴムノキの落葉に伴 な う 群 落 密 度 （ 植 物 面 積密 度 ）の 変 化に も良 く 対応 し てい た 。
次に、 多様な 植物群落 へのモデルの適応性を、他の研究者の研究成果を用いて検証した。対 象とし た植物群 落はダイズ、ムギ、トウモロコシ、オレンジ、トウヒ、ヤマナラ
シ 、マ ツ 、 カシ な ど 草本 から木 本まで、 群落高 もImから23mまで 多様であ ったが、 計算値と 実測値 は良く一 致した。
すでに 提唱さ れている モデル と比較す ると、K理論 モデルだけによる計算では群落上の風速 は良く 一致する が、群落内の風速は一致していないと言う欠点があった。ー方、

高次クロ ージャー モデル では群落内は良く一致したが、群落上の風速は一致しない場合があった 。本モデ ルでは それらの欠点が解消されており、精度が大幅に向上していた。
Watan
abeandKondo(1990)が定義し たバル ク運動量輸送係数（のを本モデルにより群落構造と関連させ表現することが出来た。また、Thom（1971)
が提案した植物群落上を吹く風の 空気力学 的特徴 量である粗度長と地表面修正量の関係をしめす値（え）についても、過 去の研究 結果を 統一的に 表現す ることが できた 。
本研究に より、 多様な植物群落内外の風速分布を精度良く再現する数値モデルが開発さ れ 、 演 算 時 間 も 短 い こ と か ら 、 GCMモ デ ル な ど へ の 応 用 も 期 待 で き る 。

学位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査

教 授
教 授
助教授
助教授

小野有五
平 川一臣
高 橋英紀
石 川信敬

学位 論 文 題 名A new first‑order closure model for wind flow within●and above vegetation canopleS（植 物 群 落 内 外 の 風 速 予 測 の 新し い 1次 ク ロ ー ジ ャ ーモデ ル）

植物群落内外の風は単に熱・運動量のみならず、水蒸気、炭酸ガス、メタンガスなどの物質輸送に大きくかかわっており、地球的視野から見ても重要である。植物群落上の風に関する研究は1910年代から始まり、すでに多くの成果がだされている。しかし植物群内の風については群落構造が複雑であり、植物の種類やその組み合わせで変わるために十分な精度で風速分布を数値的に表現し予測することはできなかった。
本論文では群落上から群落内への運動量輸送現象を群落上の接地境界層に発達している比較的小さな乱流(small eddy)と境界層の外から入ってきた比較的周期が長く振幅の大きな乱流（largeeddy)によるものとに分けてモデルを構築した。
さらにlargeeddyによる運動量輸送が群落内で植物茎葉による抵抗のために減衰する過程を表現するために、植物面積密度と風に対する植物体の抵抗を含む係数をあらたに考案し、演算時間が少なくてすむ1次クロージャーモデルの中に組み込んだ。なお、smalleddyによる輸送現象には従来のK理論モデルを用いた。
モデルの検証はまず著者が観測に参加して得た中国海南島のゴムノキ林の風速データを用いて行った。観測は高さ14mのゴムノキ林内に設けた高さ30mの鉄塔で行われ、気温・風速は樹冠上から林床付近まで10層で測定したものである。また、樹冠上下2ケ所で測定した日射量を用いて、植物面積密度の季節変化を算定した。植物面積密度の垂直構造は葉面積の垂直分布の実測値から求めた。
モデルによる森林群落内外の風速計算結果は実測値と良く一致し、ゴムノキの落葉に伴なう群落密度（植物面積密度）の変化にも良く対応していた。
次に、多様な植物群落へのモデルの適応性を、他の研究者の研究成果を用いて検証した。対象とした植物群落はダイズ、ムギ、トウモロコシ、オレンジ、トウ ヒ、 ヤマ ナラシ 、マ ツ、 カシ など 草本 から 木本 まで 、群 落高 もImから23mまで多様であったが、計算値と実測値は良く一致した。
す でに 提唱されているモデルと比較すると、K理論モデルだけによる計算では群落 上の 風速 は良く 一致 する が、 群落 内の風速は一致していないと言う欠点があっ た。 一方 、高次 クロ ージ ャー モデ ルでは群落内は良く一致したが、群落上の風 速は 一致 しない 場合 があ った 。本 モデルではそれらの欠点が解消されており、精度が大幅に向上していた。
ま た本 モデルによりWatanabe and Kondo（1990)が定義したバルク運動量輸送係数 （り を群 落構造 と関 連さ せ表 現す ることが出来た。さらにThom（1971）が提案 した 植物 群落上 を吹 く風 の空 気力 学的特徴量である粗度長と地表面修正量の関 係を しめ す値（ え） につ いて も、 過去の研究結果を統一的に表現することができた。
本 研究 によ り、多 様な 植物 群落 内外 の風速分布を精度良く再現する数値モデルが開発され、演算時間も短いことから、GCMモデルなどへの応用も期待できる。
審査員一同は、これらの成果を高く評価し、また大学院課程における研鑽や取得単位なども併せ、申請者が研究者として誠実かつ熱心であり、博士（地球環境科学）の学位を受けるに十分な資格を有するものと判定した。