関東森林研究 67-1(2016)

論 文

冷温帯落葉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
Continuous energy flux measurements using an eddy covariance technique
at a cool-temperate deciduous broad leaved forest
小坂泉＊1・野中翔平＊2・大塚羽純＊1・関崎良美＊1・田口裕也＊1・清水伸大＊1・瀧澤英紀＊1・阿部和時＊1
Izumi KOSAKA＊1, Shohei NONAKA＊2, Hasumi OTSUKA＊1, Yoshimi SEKIZAKI＊1,Yuuya TAGUCHI＊1, Nobuhiro SHIMIZU＊1, Hideki TAKIZAWA＊1and 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：本研究ではブナ（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フラックスの連続観測を実施し，熱フラックスの経年変化および熱収支インバランスについて調べた。測定は山頂（標高 985m）に設置された６m の観測塔を用い，2012 年７月から 2015 年８月で行われた。その結果，熱フラックスは地表面の変化を反映した季節変化を示し，それらの傾向は毎年ほぼ同様であった。熱フラックスのピークについては，顕熱フラックスでは展葉前の４月もしくは５月にみられ，潜熱フラックスでは着葉期の８月にみられた。熱収支インバランスについては，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が有効エネルギーよりも大きくなる傾向を示した。
キーワード：顕熱フラックス，潜熱フラックス，熱収支，インバランス，渦相関法
Abstract: To investigate the inter-annual variation of heat fluxes and energy balance closure at a cool-temperate deciduous
broad-leaved forest (dominated by Fagus crenata), continuous flux measurements were made at a tower located on the summit of Mt.
Takahira (985 m.a.s.l) at Nihon University Forest in Minakami-machi, Tone-gun, Gunma, Japan. The measurements were conductedusing an eddy correlation method from July 2012 to August 2015. The heat fluxes showed clear seasonal variations that reflected thechanges of the ground surface, these trends were almost similar in every year. The maximum monthly average sensible heat flux was
found in April or May, the maximum monthly average latent heat flux was found in August. The sum of turbulent fluxes of sensible
and latent heat flux (H+lE) was greater than the available energy.
Keywords: sensible heat flux, latent heat flux, energy balance, imbalance, eddy correlation methodては，Foken（１）によってレビューされているが，熱収Ⅰ はじめに
近年，森林－大気間の熱・水・CO2 交換量を精度高く測支インバランスの詳細なメカニズムについては，未だ解明定できる渦相関法による連続測定が，世界各地で実施されされておらず，複雑地形上だけでなく平坦地においても熱ている（例えば，７）。この観測法の理論は水平で一様な収支インバランスが発生することが報告されている（10）。

地表面を仮定しているが，陸域生態系において，このよう森林地における群落レベルでの熱・水・CO2 交換量の長期な理想的な条件が十分に満たされることは少なく，特に日モニタリングに関しては，現時点では渦相関法が最も有効

本の森林は一般に山地に多く，複雑な地形上に分布していであることは間違いないが，その場合，プラットホームとる。最近の研究では，複雑地形上の山地森林おいて渦相関して樹高よりも高度の高い観測タワーが必要となる。筆者

法を適用し，NEE（Net ecosystem exchange; 生態系純生産

らは，渦相関法について，比較的標高の高い山地森林の山量）および蒸発散量の季節変化やその年間収支について報頂において適用可能であれば，樹高が比較的低いので高度告されている(例えば, ３,８)。但し熱収支の視点では，純の低い観測タワーでフラックス計測が実施できる可能性

放射量（Rn）と貯熱量（G）の差が，渦相関法より求まるがあるのではないかと考えている。

顕熱フラックス（H）と潜熱フラックス（lE）の和と釣り

そこで本研究では，群馬県北部のブナが優占する冷温帯合わない熱収支インバランス問題がある。その要因につい落葉広葉樹林が見渡せる標高 985m の山頂サイトに設置さ－ 77 －(2016 年 3 月 15 日受理)

れた６m の観測塔を用いてフラックス計測を実施し，算出a) Daytime

大きさを求め，既往の研究成果と対比し，その特徴を調べた。
Ⅱ 方法
観測地は群馬県利根郡みなかみ町の日本大学水上演習林（36°48′N，139°02′E，標高 650-985m）で，優占樹種はブナ（F. crenata）であり，その他の樹種としてミズナラ（Quercus crispula）などの落葉広葉樹が混在した平均樹高15m 程度の 50~60 年生の二次林である。葉面積指数は着葉期において約４m2 m-2 である（６）。
測定は同演習林の最高標高地点（高平山山頂，標高985m）

Relative frequency (%)

された H および lE より求められる熱収支インバランスの40 a1) Spring302010009018040 a2) Summer
302010009018040 a3) Autumn
302010009018040 a4) Winter
3020100090180270270270270360

270360270360270360Wind direction (deg)に建設された６m の観測塔で行われた。山頂周辺の平均傾斜角は約 24°と急峻であり，観測塔付近における樹木の平270b) Nighttime40 b1) Spring
302010036009018040 b2) Summer
302010036009018040 b3) Autumn
302010036009018040 b4) W inter
3020100360090180

図－１．日中と夜間における季節別の風向の頻度分布

均樹高は２m 程度と低く，観測塔の上端での高さは山頂周

Fig.1 Frequency distributions of wind direction data measured

辺にある樹木の樹高よりも高くなる。そのため，観測塔のin degrees from north. 1) Spring (from March through先端に超音波風速温度計（CSAT3, Campbell）およびMay); 2) summer (from June through August); 3)

Open-Path 型 CO2/H2O 分析器（EC150, Campbell）を水平・autumn (from September through November); and 4)

東向きに設置し，10Hz の測定間隔で出力される３次元風速，winter (from December through February). a) Daytime

気温，CO2 濃度および H2O 濃度のデータをデータロガー

data collected between 0900 to1500h, while b)（CR1000, Campbell）に記録させ，渦相関法により H およnighttime data collected between 2100 to 0300h .

びlEを算出した。
各フラックスの平均化時間は30分とし，a1)，a2)および a3)では南西方向を示す風向 225°付近に第その算定過程において McMillen（５）による座標変換２のピークがやや顕著にみられた。本試験地では風向 0°（Double rotation）および Webb et al.（９）による密度補正付近および風向 225°付近の２方向を中心とした風がみらを行った。今回の解析では，Foken and Wichura（２）が提れる。これは，本試験地の東側には武尊山，北西側には谷示した定常性の検査を行い，解析に不適なデータを取り除

川岳や朝日岳など，標高 2,000m 前後の連山に周辺を囲まいた。降雨中およびその前後２時間のデータは，センサーれていることや，利根川上流域において北から南西方向に感部の間の雨粒により，ノイズを含む可能性があるので解発達した谷地形などの影響を受けているためだと考えら析から除去した。これらにより約 67％データは消去された。

れる。

解析期間は2012 年７月６日から2015 年８月26 日である。

2．熱フラックスの日変化 図－２は，2012 年７月から

熱収支を評価するため，2014 年４月 16 日に６m の観測塔

2015 年８月までの各月における同時刻の 30 分データを集の頂上に放射収支計（NR01, Hukseflux）を設置し，上向き・計して月平均した a)H および b)lE の日変化を示したもの

下向き短波放射量および上向き・下向き長波放射量の４成である。図中の白点は H ，黒点は lE のデータを示し，エ分の測定値を用いて Rn を算出した。さらに G を計測するラーバーはその標準偏差を示す。上段から 2012 年，2013

ために，熱流計（PHF-01, REBS）を深度５cm に設置した。

年，2014 年および 2015 年を表している。図－２a1)～a4)
における H について，そのピークは消雪期で展葉する前

Ⅲ 結果および考察の４月および５月でみられ，その値は 600W m-2 程度となり，１．風向の頻度分布 図－１に a)日中（9：00～15：00）

着葉期である６～８月で 200W m-2 程度となった。図－２および b)夜間（21：00～3：00）における季節毎の風向のb1)～b4)における lE について，そのピークは着葉期の８月頻度分布を示す。図－１において，上段から春（３月からで多くみられ，その値は 600W m-2 程度となった。lE の季５月），夏（６月から８月），秋（９月から 11 月）および冬節変化は，積雪期後半の３月から展葉がほぼ終了する６月（12 月から２月）のデータを表している。図－１a1)～b4)

にかけて徐々に増加する傾向を示し，そのピークを示したにおいて，風向の頻度分布は北方向を示す風向 0°付近に８月から落葉期である 11 月にかけて徐々に減少する傾向ピークがみられた。春から秋における日中を示した図－１を示した。積雪期である１～２月における H および lE の－ 78 －lE (W m -2 )H (W m - 2 )lE (W m -2 )H (W m - 2 )lE (W m -2 )H (W m - 2 )lE (W m -2 )H (W m - 2 )関東森林研究 67-1(2016)

Jan.
Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
1000a1)
2012
800
600
400
2000-2001000
2012
800 b1)
600
400
2000-2001000
2013
800 a2)600
400
2000-2001000
2013
800 b2)600
400
2000-2001000
2014
800 a3)600
400
2000-2001000
2014
800 b3)600
400
2000-2001000
2015
800 a4)600
400
2000-20010002015800 b4)
600
400
2000-200
0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 24
Time (h)図－２．2012 年７月から 2015 年８月において月平均した a)顕熱フラックス(H)，b)潜熱フラックス(lE)の日変化
Fig.2 Monthly average diurnal changes with 30-min interval a) sensible heat flux(H), b) latent heat flux(lE) from July 2012 to August
2015. White circles indicate the monthly average diurnal change in sensible heat flux. Black circles indicate the monthly
average diurnal change in latent heat flux. In the figure the top and bottom of the vertical bars indicate the standard deviation.
変動幅は，他の月のデータに比べ全体的に小さい。山頂で表す。図－３において，渦相関法で算定された熱の渦フラ計測された H および lE は，地表面の変化を反映した季節ックスの方が有効エネルギーよりも大きくなる傾向がみ変化を示し，その傾向は毎年ほぼ同様であった。

られた。近似直線の傾き（(H+lE)/(Rn-G)）を熱収支インバ

3．熱収支インバランス 図－３に 2014 年４月から 2015

ランス率（EBR）と定義すると，その値は 1.22 となった。

年８月までの 30 分平均値を用いた有効エネルギー（Rn-G）
A site and B site, b) Topographical elevation fromと顕熱および潜熱フラックスの和（H+lE）で表される熱の表－１に Wilson et al. （10）で報告された FLUXNET のサA site to B site
渦フラックスの関係を示し，図中の実線，回帰式，決定係す。本試験地における EBR は，既往のものよりも大きいこ数（r2）は両者を回帰したもので，点線は 1：1 のラインをとがわかり，既往の研究で報告されている渦相関法で得らイトで報告された EBR の最小値，最大値および平均値を示－ 79 －y =1.22 x +22.95 1:1 Line

H+ lE (W m -2 )1500

r 2 =0.77

assessment of surface–based flux measurements．Agric For
Meteorol 78：83－105（３） KOMINAMI, Y., JOMURA, M., DANNOURA, M.,

1000

GOTO, Y., TAMAI, K., MIYAMA, T., KANAZAWA, Y.,
KANEKO, S., OKUMURA, M., MISAWA, N., HAMADA,

500

S., SASAKI, T., KIMURA, H.and OHTANI, Y.

(2008)

Biometric and eddy-covariance-based estimates of carbon
balance for a warm-temperate mixed forest in Japan．Agric For

0n =6335

Meteorol 148：723－737（４） 小坂泉・瀧澤英紀・小林昌平・佐々木千鶴・中村-500
-500

0500

1000

1500

貴雄・掛谷亮太・阿部和時 (2014) 冷温帯落葉広葉樹林

Rn-G (W m - 2 )図－３．有効エネルギー（Rn-G）と熱の渦フラックス

における CO₂フラックスの季節変化．関東森林研究
65：181－184（H+lE）の関係
Fig.3 Relationship between available energy (net radiation
Rn –ground heat flux G) and turbulent fluxes (latent
heat lE and sensible heat H) for the period from April
2014 to August 2015. The solid line depicts the best
fit line estimated from least squares linear regression,and the dashed line depicts the 1:1 relationship. The
equations correspond to the slope, intercept, andcoefficient of determination (r2) of the regression.
Data are 30-min averages. (n = 6335 observations)（５） MCMILLEN, R. T.

(1988) An eddy correlation

technique with extended applicability to non–simple terrain．
Boundary–Layer Meteorol 43：231－245（６） 野中翔平・小坂泉・川口美優・瀧澤英紀・阿部和
時 (2015) 冷温帯落葉広葉樹林におけるLAIの季節変化．関東森林研究 66：107－110（７） SAIGUSA, N., YAMAMOTO, S., HIRATA, R.,OHTANI, Y., IDE, R., ASANUMA, J., GAMO, M.,HIRANO, T., KONDO, H., KOSUGI, Y., LI, S. G., NAKAI,Y., TAKAGI, K., TANI, M. and WANG, H. (2008) Temporal

表－１．熱収支インバランス率(EBR)の比較

and spatial variations in the seasonal patterns of CO2 flux inTable 1 Linear regression slope (EBR) for the surface

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

available energy (Rn-G) and sum of the sensible heat-2Slope
Intercept (W m )This study
All data
1.22
22.95FLUXNET sites (Wilson et al . 2002)
M inimum0.55-32.9
M aximum
M ean

0.99
0.79

36.9
3.74

Meteorol 148：700－713（８） SHIMIZU, T., KUMAGAI, T., KOBAYASHI, M.,flex and latent heat flux(H+lE).
r²

TAMAI, K., IIDA, S., KABEYA, N., IKAWA, R., TATEISHI,M., MIYAZAWA, Y. and SHIMIZU, A (2015) Estimation of0.77

annual forest evapotranspiration from a coniferous plantation
0.64

watershed in Japan (2): Comparison of eddy covariance, water

0.96
0.86

budget and sap-flow plus interception loss．J Hydrol 552：250－264

れる熱の渦フラックスが有効エネルギーよりも小さくな（９） WEBB, E.K., PEARMAN, G. I. and LEUNING, R.

る傾向とは逆の傾向を示した。この原因については，現時(1980) Correctoin of flux measurements for density effects due

点ではわからないが，本試験地において，風向が北および

to heat and water vapor transfer．Q J R Meteorol Soc 106：85

南西方向のほぼ２方向に限られていることや，日中におい－100て風速は弱いが，逆に摩擦速度が大きくなること（４）な（10） WILSON, K., ALLEN, G., FALGE, E., AUBINET, M.,

どが，本試験地の熱収支インバランスに影響を与えている

BALDOCCHI, D., BERBIGIER, P., BERNHOFER, C.,可能性もあると考えている。

CEULEMANS, R., DOLMAN, H., CHRIS, F., GRELLE, A.,
IBROM, A., LAW, B. E., KOWALSKI, A., MEYERS, T.,

引用文献

MONCRIEFF,（１） FOKEN, T. (2008) The energy balance clouser problem:TENHUNEN, J., VALENTINI, R. and VERMA, S. (2002)

J.,

MONSON,R.,

OECHEL,W.,

Energy balance closure at FLUXNET sites ． Agric For

an overview．Ecol Appl 18：1351－1367（２） FOKEN, T. and WICHURA, B. (1996) Tools for quality

Meteorol 113：223－243－ 80 －