関東森林研究 68‑2(2017)

論 文

山岳域の冷温帯落葉性広葉樹林における熱収支インバランスについて
Energy balance non-closure at a cool-temperate deciduous broadleaf forest in a mountainous region
浅香渉＊1・小坂泉＊1・野中翔平＊2・瀬戸萌子＊1・髙松美月＊1・瀧澤英紀＊1・阿部和時＊1
Wataru ASAKA＊1 , Izumi KOSAKA＊1 , Shohei NONAKA＊2 , Moeko SETO＊1 ,Mitsuki TAKAMATSU＊1 , Hideki TAKIZAWA＊1 and Kazutoki ABE＊1＊１ 日本大学生物資源科学部
Coll. Bioresource Sci., Nihon Univ., Fujisawa 252-0880＊２ 日本大学大学院生物資源科学研究科
Grad. Sch. Bioresource Sci., Nihon Univ., Fujisawa 252-0880
要旨：ブナ（Fagus crenata）が優占する冷温帯落葉広葉樹林において渦相関法による熱収支インバランスの特徴を明らかにするため，熱フラックスの連続観測を日本大学水上演習林内の山頂（標高 985m）において 2016 年１月１日から９月 23 日の期間で実施した。その結果，顕熱および潜熱フラックスの和で表される熱の渦フラックスは，有効エネルギーよりも 18％程度大きく算定された。風向が南西方向のとき有効エネルギーと熱の渦フラックスの関係における近似直線の傾きは、風向が北方向のものに比べて大きくなった。
風向が北および南西方向での熱収支インバランスは，風速に対する摩擦速度の比の増加に伴い大きくなる傾向を示した。
キーワード： 熱収支・インバランス・渦相関法・渦フラックス・ブナ
Abstract: To investigate the characteristics of energy balance closure by the eddy covariance method at a cool-temperate
deciduous broadleaf forest (dominated by Fagus crenata), continuous flux measurements were taken at a tower located on thesummit (985 m.a.s.l) of Mt. Takahira in Nihon University Forest in Minakami-machi, Tone-gun, Gunma, Japan. The
measurements were conducted from 1 January through 23 September 2016. The sum of sensible and latent heat fluxes
overestimated the available energy by 18%. The slope of the regression line of eddy fluxes against available energy was greater forsouthwest winds than north winds. The energy balance non-closure for southwest winds and north winds were tended to increaceas the ratio of the friction velocity to the longitudinal wind velocity increaced.
Key-words: Energy balance, Imbalance, Eddy covariance method, Eddy fluxes, Fagus crenata

Ⅰ はじめにラックスは有効エネルギーよりも大きくなる傾向を示し、近年，森林など様々な地表面において渦相関法を用い既往の研究結果とは逆の傾向を示した。そこで本研究でた熱フラックスなどの長期連続測定が，世界各地で実施は，本試験地における熱収支インバランスの特徴を明らされている（例えば，Saigusa et al.（５））。それらの測定かにするため、渦相関法で求められたフラックスデータ結果において，渦相関法より求まる熱の渦フラックス（顕を風向で場合分けし、風速や摩擦速度などが熱収支イン

熱フラックス（H）と潜熱フラックス（lE）の和）が，バランスの大きさに与える影響について調べた。

純放射量（Rn）と貯熱量（G）の差で表せる有効エネルギーより 10〜30％も過小評価される熱収支インバラン

Ⅱ 方法

スが発生することが報告されているが（６），その詳細な観測地は群馬県利根郡みなかみ町の日本大学水上演習メカニズムについては，未だ解明されていない（２）。

林（36°48′N，139°02′E，標高 650-985m）である。優占樹

小坂ら（３）は，群馬県北部のブナが優占する冷温帯

種はブナ（F. crenata）であり、その他の樹種としてミズ落葉広葉樹林が見渡せる標高 985m の山頂サイトに設置ナラ（Quercus crispula）などの落葉広葉樹が混在する。

された６m の観測塔を用いて渦相関法によるフラック

平均樹高は 15m 程度であり，葉面積指数は着葉期においス計測を実施しているが，本試験地で得られた熱の渦フて約４m2 m-2 である（４）。

−193 −（受理日 2017 年 7 月 3 日）

測定は同演習林の最高標高地点（高平山山頂，標高y=1.1 8 x+25 .6 9 1:1 Line

15 00985m）に建設された６m の観測塔で行われ，その観測塔の先端に超音波風速温度計（CSAT3, Campbell）およびH+ lE (W m - 2 )Open-Path 型 CO2/H2O 分析器（EC150, Campbell）を水平・東向きに設置した。測定間隔は 10Hz であり，出力される３次元風速，気温および H2O 濃度のデータをデータロガー（CR1000, Campbell）に記録させ，渦相関法によりH および lE を算出した。各フラックスの平均化時間は

r 2 =0.7 410 00

5 000n=4 53 230 分とした。詳細なフラックスの算定や解析方法につい-5 00-5 0 0ては小坂ら（３）を参照されたい。観測塔の頂上に放射500

100 0

150 0-2Rn-G (W m )収支計（NR01, Hukseflux）を設置し，上向き・下向き短波放射量および上向き・下向き長波放射量の４成分の測0

図−１．有効エネルギー（Rn-G）と熱の渦フラックス定値を用いて Rn を算出した。さらに G を計測するため（H+lE）の関係に，熱流計（PHF-01, REBS）を深度５cm に設置した。

Fig.1 The sum of the instantaneous (30-min average)

解析期間は，2016 年１月１日から 2016 年９月 23 日であsensible and latent heat flux (H+ lE ; y axis) as aる。

function of the difference in instantaneous net
radiation and ground heat flux (Rn –G ; x axis) forthe period from 1 January through 23 September

Ⅲ 結果および考察
１．熱収支インバランス 図−１は，2016 年 1〜9 月

2016. The solid line depicts the best fit lineまでの 30 分平均値を用いた有効エネルギー（Rn-G）とestimated from least squares linear regression, and顕熱および潜熱フラックスの和（H+lE）で表せる熱の渦

the dashed line depicts the 1:1 relationship. Theフラックスの関係を示したものである。図中の実線，回equations correspond to the slope, intercept, and帰式，決定係数（r2）は両者を回帰したもので，点線は 1：coefficient of determination (r2) of the regression.

1 のラインを表す。近似直線の傾きを熱収支の充足率(n = 4532 observations)（closure ratio; CR）とすると，その値は 1.18 となった。
このことは，渦相関法で算定された熱の渦フラックスのする。この傾向は、2014 年４月から 2015 年８月に得られたデータを用いて解析を行った結果（３）とほぼ同様であった。
２．風向の頻度分布 図−２は，試験地における相対40

Relativefrequency (%)

方が有効エネルギーよりも 18％大きくなることを意味0〜15°において最も高く，31％であった。北方向を示
いで、風向が南西を示す 225°付近で頻度が高く、225±201000的な風向のヒストグラムである。相対的な風向の頻度はす風向（330〜30°）のデータは、全体の 53％であった。次304590 135 180 225 270 315 360

W ind direction (deg)
図−２．相対的な風向の頻度分布
Fig.2 Frequency distributions of wind direction data

30°の範囲に約 30%のデータが存在した。本試験地の風

measured in degrees from north for the period from

向は，北方向と南西方向に卓越することから，渦相関法

1 January through 23 September 2016.

で求められたフラックスデータを，北方向を示す風向（330〜30°）と南西方向を示す風向（195〜255°）で場合フラックスのデータは、1:1 ラインに対して下側に分布分けして解析する。

し，CR は 0.91 であった。図−３b)において CR は 1.35

３．熱収支インバランスに与える影響

図−３は，となり,風向が北方向のものに比べ 1.5 倍程度大きくなり、

Rn-G と H+lE の関係であるが、風向で場合分けし、北方本試験地の CR は風向によって明瞭な違いを示した。こ向を示す風向（330〜30°）に限定したものを図−３a)に、の要因については、風向によって乱流の性質が異なるこ

南西方向を示す風向（195〜255°）に限定したものを図−と（１）や、斜面方位によって森林が受ける有効エネル３b)に示す。図−３a)における有効エネルギーと熱の渦ギーの違いなどに起因するのではないかと考えている。

−194 −

関東森林研究 68‑2(2017)

y=0.9 1 x+12 .3 9 1:1 Liner 2 =0.7 1a)

15 00

10 00

H+ lE (W m - 2 )H+ lE (W m - 2 )

15 00

5 00

0n=2 24 5-5 00-5 0 0

500

100 0

10 00

5 00

0

● u＜1 m s-1+ 1 m s-1≦u＜3 m s-1-5 00-5 0 0150 0〇 u≧3 m s-10500

100 0

150 0

y=1.3 5 x+49 .5 8 1:1 Liner 2 =0.8 0b)

1:1 Line

15 00 b)

10 00

H+ lE (W m - 2 )H+ lE (W m - 2 )

15 00

0

1:1 Linea)

5 00

0

10 005 000● u＜1 m s-1

n=1 37 0-5 00-5 0 00500

100 0+ 1 m s-1≦u＜3 m s-1-5 00-5 0 0150 0

Rn-G (W m - 2 )〇 u≧3 m s-10500

100 0

150 0

Rn-G (W m - 2 )図−３．風向で場合分けした有効エネルギー（Rn-G）

図−４．風速（u）で場合分けした有効エネルギーと熱の渦フラックス（H+lE）の関係（Rn-G）と熱の渦フラックス（H+lE）の関係

Fig.3 Plots of H+lE versus available energy(Rn-G ). a)

Fig.4 a) and b) panels are the same as in Fig.3. The data werewind directions from 330°–30°from north and b)

differentiated with longitudinal wind velocity (u) .

wind directions from 195°–255° from north. Solidand dotted lines in panels are the same as in Fig.1.

示す風向（330〜30°）に限定した図−５a)では，全体的にばらつきが大きいものの、u*が 0.3 m s-1 未満のデータは、

図−４は，図−３で示した関係と同様のものであるが、1:1 ラインよりも下側に多く分布する傾向がみてとれる。

風速で場合分けし、風速が１m s-1 未満のものを黒点で、南西方向を示す風向（195〜255°）に限定した図−５b)で風速が１m s-1 以上で３m s-1 未満のものを十字で、風速がは，図−５a)と同様にデータの分布にばらつきがみられ３m s-1 以上のものを白点で示す。北方向を示す風向（330るが、u*が 0.3 m s-1 未満のものは下側に、u*が 0.5 m s-1〜30°）に限定した図−４a)において，弱風時のデータは、以上のものは上側に比較的まとまって分布する。これらばらつきが大きく明瞭な関係はみられないが，風速が３のことから，北方向を示す風向よりも南西方向を示す風m s-1 以上のものは、1:1 ラインよりも下側に分布する傾向において，u*の増加に伴い 熱収支インバランスは大き向がみてとれる。南西方向を示す風向（195〜255°）に限くなる傾向を示すと考えられる。

定した図−４b)では，弱風時のデータは、1:1 ラインに対

図−６は，図−３で示した関係と同様のものであるが、して上側に分布する場合が多くみられ、風速が３m s-1 以風速に対する摩擦速度の比（u*/u）で場合分けし、u*/u が上のデータは少ないが、1：1 ライン付近でみられ、全体0.2 未満のものを黒点で、u*/u が 0.2 以上で 0.3 のもの的に下方に分布するように見える。このことから，本試を灰点で、u*/u が 0.3 以上で 0.5 未満のものを十字で、験地において比較的風速が強い場合，風向が南西方向でu*/u が 0.5 以上のものを白点で示す。北方向を示す風向は熱収支が比較的釣り合う傾向を示すと考えられる。

（330〜30°）に限定した図−６a)において，u*/u が 0.２未

図−５は，図−３で示した関係と同様のものであるが、満のデータは、1:1 ラインよりも下側に比較的まとまっ摩擦風速（u*）で場合分けし、u*が 0.3 m s-1 未満のものて分布する傾向がみられる。u*/u が 0.2 以上で 0.3 のデを黒点で、u*が 0.3 m s-1 以上で 0.5 m s-1 未満のものを十ータについては，ややばらつきがみられるものの，1：1字で、u*が 0.5 m s-1 以上のものを白点で示す。北方向をライン付近でみられる場合が多いようにみてとれる。

−195 −

H+ lE (W m - 2 )15 00

関東森林研究 67：77-80

1:1 Linea)（４）野中翔平・小坂泉・川口美優・瀧澤英紀・阿部和

10 00

時 (2015) 冷温帯落葉広葉樹林におけるLAIの季節変化．

5 00（５） SAIGUSA, N., YAMAMOTO, S., HIRATA, R.,

関東森林研究 66：107-110
OHTANI, Y., IDE, R., ASANUMA, J., GAMO, M.,
HIRANO, T., KONDO, H., KOSUGI, Y., LI, S. G., NAKAI,0● u*＜0.3 m s-1

Y., TAKAGI, K., TANI, M. and WANG, H. (2008) Temporal+ 0.3 m s-1≦u*＜0.5 m s-1-5 00-5 0 015 00and spatial variations in the seasonal patterns of CO2 flux in○ u*≧0.5 m s-10500

100 0150 0boreal, temperate, and tropical forests in East Asia．Agric For

1:1 Line

Meteorol 148：700-713b)（６）WILSON, K., ALLEN, G., FALGE, E., AUBINET, M.,

H+ lE (W m - 2 )10 00

BALDOCCHI, D., BERBIGIER, P., BERNHOFER, C.,
CEULEMANS, R., DOLMAN, H., CHRIS, F., GRELLE, A.,

5 00

IBROM, A., LAW, B. E., KOWALSKI, A., MEYERS, T.,
MONCRIEFF,0-5 00-5 0 0

MONSON,R.,

OECHEL,W.,

TENHUNEN, J., VALENTINI, R. and VERMA, S. (2002)● u*＜0.3 m s-1+Energy balance closure at FLUXNET sites ． Agric For

500

Meteorol 113：223-243

0.3 m s-1≦u*＜0.5 m s-1○ u*≧0.5 m s-10J.,

100 0

150 0

Rn-G (W m - 2 )15 00

図−５．摩擦速度（u*）で場合分けした有効エネルギー
H+ lE (W m - 2 )（Rn-G）と熱の渦フラックス（H+lE）の関係
Fig.5 a) and b) panels are the same as in Fig.3. The data
were differentiated with friction velocity (u*) .
u*/u が 0.5 以上のデータの多くが、1:1 ラインより上側に

1:1 Linea)

10 00

5 00

● u*/u＜0.2● 0.2≦u*/u＜0.30分布する。南西方向を示す風向（195〜255°）に限定した+ 0.3≦u*/u＜0.5

図−６b)では，u*/u が 0.2 未満のデータについては、Rn-G-5 00-5 0 0と H+lE が 250 W m-2 以下では，1:1 ライン付近に分布する傾向がみられる。
u*/u が 0.5 以上のデータについては、○ u*/u≧0.50500

100 0

150 0
1:1 Line

15 00 b)数点を除けば，ほとんどの場合で 1:1 ラインより上側にH+ lE (W m - 2 )分布する。以上のことから、本試験地では、u*/u が大きくなる（比較的風速が強く，u*が小さい場合から、比較的風速が弱く，u*が大きくなる）につれて、熱収支インバランスは大きくなることが示された。

10 00

5 00

● u*/u＜0.2● 0.2≦u*/u＜0.3

0+ 0.3≦u*/u＜0.5

引用文献
-5 00
-5 0 0（１）芦葉弥生・小坂泉・中村貴雄・雨松里美・瀧澤英紀・阿部和時 (2015) 複雑地形上に立地する落葉広葉樹○ u*/u≧0.50500

100 0

150 0

Rn-G (W m - 2 )図−６．風速に対する摩擦速度の比（u*/u）で場合分け林における乱流特性．関東森林研究 66：293-296

した有効エネルギー（Rn-G）と熱の渦フラッ（ ２ ） FOKEN, T. (2008) The energy balance clouser

クス（H+lE）の関係

problem: an overview．Ecol Appl 18：1351-1367

Fig.6 a) and b) panels are the same as in Fig.3. The data（３）小坂泉・野中翔平・大塚羽純・関崎良美・田口裕也・清水伸大・瀧澤英紀・阿部和時 (2016) 冷温帯落葉

were differentiated with the ratio of the friction

広葉樹林における渦相関法によるフラックスの連続観測．

velocity to the longitudinal wind velocity (u*/u).

−196 −