シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

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土壌の物理性Lectures

No. 151 p.27 ∼ 34 (2022)

次世代地球システムモデルに向けた統合陸域シミュレータの開発∼ 土壌物理プロセスに着目して ∼芳村 圭 1 · 新田友子 1

Development of integrated land simulator for next generation earth system models
Kei YOSHIMURA1 and Tomoko NITTA1

1. はじめにて，別途研究されている知見やモデルをより簡易かつ物理的な整合性は担保した形で結合させることのできるフ
レームワークである「統合陸域シミュレータ（Integrated

人類は陸域で生活しており，気候がわずかに変化しただけでもその自然 · 社会影響は甚大になる．また陸域は，Land Simulator; ILS）」の構築に取り組んだ．本解説では，その取り組みについて記述する．

気候変動という現象において地球システムの中で影響が大きい．気候から陸域への影響と陸域から気候への影響を精確に推定するためには，陸域の現象をできるだけ正確に，かつ詳細にモデル化することが重要である．正確
さとはすなわち，地質的 · 物理的 · 化学的 · 生物学的プロセスに加え人為的 · 社会的プロセス等をより正しく表現することであり，詳細さとはすなわち，より高い時空間分解能でそれらのプロセスを表現することである．近年
では，そのような目的を持って，気候モデル（地球システムモデルとも呼ばれる）の一要素としての陸域モデルは開発されてきている．
従来気候モデルにおける陸域は，数ある物理過程パラメタリゼーションの一つとして表現され，大気モデルに

2. 統合陸域シミュレータ（ ILS）の開発
2.1 歴史的経緯
気候モデルにおける陸域の挙動の表現は，2021 年にノーベル物理学賞を受賞した真鍋博士の「バケツモデル」（Manabe, 1969）に端を発し，いわゆる物理過程と分類されるパラメタリゼーション群の一つ，すなわち地表面パラメタリゼーション（land surface parameterization

scheme; LSS）として発展してきた（別名として陸面モデル（land surface model; LSM）ともよく呼ばれるが，この稿では大気モデルの物理過程の一部であることを意味する場合は LSS で統一する）．物理過程とは，大気モデ従属する形でそのモデリングが進められてきた．しかしリング分野における慣用的な表現であり，大規模な流体ながら，気候モデルが高度化高解像度化してその精度にの運動を表現した力学過程に対して，各グリッドないしますますの信頼性が期待されているなか，本質的に大気鉛直一次元で表現できる現象のことを総称している．

よりも格段に不均一な存在である陸域を大気と同一の水平解像度で表現することには様々な問題があり，抜本的な改善が必要であった．また，大気モデルに従属したモデルであるため，陸域での水文過程，生物地球化学過程などに関するあらたな知見やそのモデルが，気候モデルそのものになかなか反映されないということも，大きな問題となっていた．そのため筆者を含む研究チームでは，これまで大気モデルの一部であった地表面過程パラメタリゼーションを，陸域モデルとして独立させ，これまでの気候モデルでは扱えてこなかった，もしくは過度に簡素化されていた様々な陸域での重要な要素，例えば河川，湖沼，積雪，植生，土壌，地下水，人間活動等につい
1 Global Hydrological Prediction Center, Institute of Industrial Science,
The University of Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8574,
Japan. Corresponding author: 芳村 圭，東京大学生産技術研究所グローバル水文予測センター．
2022 年 2 月 28 日受稿 2022 年 4 月 18 日受理

その後，土壌が複数の層になったり，植生による光合成や蒸散が表現されたり，雪の表現が追加されたりとLSS は進歩していったが（Pitman, 2003），大気モデルの鉛直一次元で表現される物理過程の一部であるという制約はなかなか取り払えずにいた．その結果，1．大気モ
デルと同一の水平空間解像度で表現されることが常態化することで，本来大気に対して不均一である地表面の物理過程が過度に簡素化されるようになり，2．大気モデ
ル開発の現場において陸域に関する専門家が不在もしくは極めて少数になることで，LSS の開発 · 改良の速度が遅くなるという問題が生じていた．

1 つ目の問題に関しては，モザイク化（タイル化とも呼ばれる）した上でグリッド内の面積割合で重み付けするという手法が一般的に実施されているが，それはあくまでも便宜的な対処であり，陸域の空間的不均一性やプロセスの複雑さを表現するには不十分である．2 つ目の土壌の物理性28

第 151 号（2022）

Fig. 1 2016 年度第 1 回次世代陸モデル開発検討会にて著者が使用したスライドの冒頭部分の抜粋．

問題は，特に日本において，次段落に示すようなオフラ

son Project; Warszawski et al., 2014）など，気候モデルのインモデルの進化型など，陸域の表現をより正確かつ詳一部としての機能は無いが，水問題 · 食糧問題 · エネル

細にするためのモデルは存在しているにも関わらず，気ギー問題等様々なセクターにおける気候変動影響を評価

候モデルの物理過程には実装されにくいという形で顕在することのできるモデルも含めての相互比較が行われて化していた．

いる．
そのような発展の方向性自体は，科学の深化 · 多様化

2 つ目の点についての解説をもう少し試みる．特に水文分野や森林分野を中心に，LSS を単体で用いて，地表からの潜熱 · 顕熱フラックスや土壌水分等の状態量のの上ではむしろ歓迎するべきものである．しかし，少な再現性を検証する研究が発展してきた．そのような研究した機能が，タイムリーに気候モデルに反映されない，

では，地表面付近の気温 · 風速 · 気圧 · 水蒸気量 · 短波

すなわち気候モデルの LSS とオフラインモデルの乖離

放射 · 長波放射 · 降水量等を大気からの外力として与えが大きくなりすぎて合流できない状況になってしまって

くとも日本においては，オフラインモデルに新たに実装LSS を動かす「オフライン実験」という手法が用いらいた．これは，前述の 2 つ目の問題，大気モデルあるいれてきた．そうしたオフライン実験によってモデル比較

は気候モデルの開発現場に，こうしたオフラインモデルを行う PILPS（Project for Intercomparison of Land sur-を用いた陸域での気候影響評価に関わる研究者が，深く

face Parameterization Schemes; Henderson-Sellers et al.,1993）や GSWP（Global Soil Wetness Project; Dirmeyeret al., 1999）といった大型プロジェクトも 1990 年代以降行われるようになり，LSS の改良が進んでいった．しかしながら，本来気候モデルの LSS の改良を目的とし関与していなかったことが一因だと考えられた．

を構想し，2016 年 5 月に「2016 年度第 1 回次世代陸モていたはずが，気候影響評価用のモデル開発に目的がデル開発検討会」を開催した（http://hydro.iis.u-tokyo.ac.

シフトし，オフライン専用モデルとして独自の進化を遂げたり，そもそも気候モデルとの結合を想定していjp/TiMiNG/?page id=234）．筆者がそこでの発表に使ったスライドの冒頭が Fig. 1 である．前述の問題点を解決ないモデルが生まれたりと，当初とは異なる方向でもする手段として「陸独立」というスローガンを掲げ，開発展していったことも，興味深い事実である．いまで発を進めていくという主旨が述べられている．より具体

は，ISI-MIP（Inter-Sectoral Impact Model Intercompari-的には，Fig. 2 に示すように，陸域の各要素を司るモデ

2.2 新たな陸域モデルの開発方針
そのような問題意識を背景に，著者を含む研究チーム
では，従来の LSS とは異なる新たな陸域モデルの開発

解説：次世代地球システムモデルに向けた統合陸域シミュレータの開発

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Fig. 2 統合陸域シミュレータの構成概念図．

ル群を一つのプログラムにまとめようとせず，なるべく氏が，Jcup が必要とするリグリッディングテーブル

そのまま複数の実行体として用い，MPMD（マルチプロ（任意の格子変換のためのマップ群）を作成するツール

グラム · マルチデータ）での並列実行で結合を実現するに大気 · 海洋と並列実行することで，最終目標である気SPRING （SPheroidal grid system Regridding INterpolation table Generator; http://hydro.iis.u-tokyo.ac.jp/∼akira/page/Works/contents/SPRING/）の開発には東京大学大学候モデルも構築される．言わば，これまでの LSS は，気院生の竹島滉氏が，そして，要素モデル群及び気候モデ候モデルの一部として開発され，必要に応じて大気からルとの結合部分のコーディングを含めた ILS 全体の構築切り離して検証していたが，新たな陸域モデルは，もと及びそのコード管理は東京大学生産技術研究所助教の新もと大気から切り離された形で開発を進め，よく検証さ田友子氏がそれぞれ担当し，膨大な作業を伴う研究開発れたあとに気候モデルと結合する方針に切り替えようとが進められていった．という方針を定めた．その並列実行での結合体を，さらいうことになる．すなわち「陸独立」とは，あらたなプ

2.3 統合陸域シミュレータ v1.0 の完成

ロセスを正確かつ詳細に表現することによって性能の向その後数年を経て，Nitta et al.（2020）にて ILS の上を図るのではなく，そうした性能向上をより行いやすバージョン 1.0（ILSv1）の完成が宣言された．ILSv1 は，くするための土台を整備しようという取り組みであり，そのことはよく強調しておきたい．繰り返しになるが，MIROC5（Watanabe et al., 2010）で実際に動いていたLSS である MATSIRO5（Nitta et al., 2014）をベースに，気候変動予測の高度化の必要性が高まるに従い，これま単体でも実行可能なようにコードを全面的に書き換えでの陸域モデリングの問題点が顕在化してきたことが動て軽量化した水 · エネルギー輸送モデルである MAT-1D機となっている．また余談であるが，2017 年 1 月ごろ，と，近年開発され利用者が増加している河川動態モデルその新たな陸域モデルを「統合陸域シミュレータ」と呼である CaMa-Flood（Yamazaki et al., 2013）の 2 つを，ぶことを決めたようである．

陸域の物理過程を表現するモデル群として持たせたもの

開 発 体 制 と し て は ，要 素 モ デ ル 同 士 の 結 合 に 用 いである．それらを Jcup で結合することで全球陸域オフる汎用結合モジュール Jcup（Arakawa et al., 2020）及ライン実験など，様々なシミュレーションを実施するこびそ の API（Application Programming Interface）の開とができる．ILSv1 で採用された結合の特徴として，地発 に は 高 度 情 報 科 学 技 術 研 究 機 構（ 当 時 ）の 荒 川 隆

形に応じた集水域の形状を持つ CaMa-Flood の格子ごと

土壌の物理性30

第 151 号（2022）

Fig. 3 陸面水文量シミュレーションシステム Today’s Earth の概要．に，MAT-1D が鉛直 1 次元の水 · エネルギー輸送過程の析及び 39 時間後までの予測を行う数値洪水予測システ

動きを表現していることが挙げられる．現在（2022 年 2ムを構築した（Fig. 3）．特に，河川水位については，過去月）は，次代の気候モデル MIROC7 の開発のさなかにあ10 数年間のシミュレーションについて日本全国約 850

り，従来型の LSS ではなく，ILS を用いて大気と海洋の箇所の水位観測所において予測精度を検証した上で，すそれぞれと陸域との結合を実現し，新たな気候モデルとべての格子において過去のシミュレーションに基づき，して物理性能 · 計算性能を高めていくべく開発が進めら

統計的な「珍しさ」を示す再帰年数（リターンピリオド）れている．

を示すことで，予測された河川水位の危険性を示すようなシステムになっている（Ma et al., 2021）．

3. 統合陸域シミュレータを使った事例紹介

このような実時間予測システムを運用する理由は，もちろん洪水等に関する社会に対する情報提供が一つであ

3.1 Today’s Earth 及び実時間陸域水文予測によるベンチマーキングる．しかし，それに匹敵するもう一つの理由として，実時間運用することで，ILS の性能の時系列変化が記録で東京大学生産技術研究所と JAXA/EORC の共同研究きるということがある．そのようなベンチマーキングをグループでは，ILS を用いて全球や日本域の陸上の水循行うことは，モデル開発の動機づけになるほか，チーム環に関わる物理量（土壌中の水分量や河川流量など）をの士気を高めるために大いに必要であると考えている．

統合的に推定するシミュレーションシステム「Today’s

加えて，気候スケールでのハザードリスクの予測の評

Earth」を運用している（芳村, 2021）．その日本域バージョン「Today’s Earth - Japan」として，気象庁が提供す価にもつながることも指摘しておきたい．前述のよう

る全国合成レーダー降雨量及び数値気象予測データを入

価は世界中で盛んに行われており，そうして推計された力値として用い，降雨流出過程モデルと河川流下過程モ情報はいわゆる「気候サービス」の一部として，例えばデルを組み合わせた数値モデルに与え，日本全国 1 分TCFD（気候関連財務情報開示タスクフォース）が求め（約 2 km）の格子で，1 日 8 回（3 時間毎）土壌水分量やる物理的リスク指標などに利用されてきている．その手

蒸発散量，河川流量，河川水位等の陸域水文量の現況解法で得られた将来気候における物理的リスクが信用にたに，LSS から派生したモデルを用いた気候変動影響評解説：次世代地球システムモデルに向けた統合陸域シミュレータの開発

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Fig. 4 ILS 内の土壌スキームの改良による河川流量への影響（浜田ら（2021）を改変した発表資料より，本人の了承を取って掲載）．

るものであると納得させる一つが，実時間運用によるハファー関数 Rosetta3（Zhang and Schaap, 2017）を用いザード予測であり，それによるベンチマーキングであるて，土壌パラメータの水平 · 鉛直分布を全球 0.5 度四方と考えている．実時間予測と気候変動予測を同じモデルの格子ごとに推定した．その上で，土壌スキーム改良にで行う，いわゆるシームレス予測を行うことで，気候変おける各要素（水分特性モデルの変更，土壌特性の空間動のより確かな物理的リスク指標を提供できるようにな分布の考慮，土壌特性の鉛直分布の考慮）が計算結果にるといえよう．

与える影響を切り分けるシミュレーションを行い，観測3.2 土壌特性パラメタリゼーション及び土壌タイプデータの更新に基づいた土壌水分量や流出量 · 河川流量等のデータとの比較を行った．

土壌水分量は，陸域の水循環において重要な要素であ

その結果，各土壌スキームの改良によって，土壌水分り，流出と地下浸透の配分は土壌水分量によって決定さ量推定の決定係数が上昇したほか，流出量や河川流量もれるほか，大気陸面相互作用などを介して気候システム改善した．特に，水分特性モデルを VG 式に変更したこにも影響を及ばす．この研究事例では，ILS の土壌水分とで，砂質での土壌の保水力が増加した影響が大きく，動態を表現した部分（以降土壌スキームと呼ぶ）におい土壌水分量の過小評価が改善した．また，河川流量のポて，水分特性曲線を改良し，さらに土壌パラメータの 3

イントデータ GRDC を用いた検証を行ったところ，土壌次元分布を考慮することで，土壌水分量分布及び蒸発量特性の鉛直分布を考慮したことで，観測地点の 19 % でや河川流量などの陸域水循環要素をより適切に表現でき説明力が向上したことが確認された（Fig. 4）．特に，中るか否かを確認した．なお本研究は，浜田ら（2021）と央ヨーロッパやアマゾン川流域のローム質において改善してすでに発表済みであるため，詳細については原典をが見られた．

参照してもらいたい．

3.3 サブグリッド地中水輸送パラメタリゼーション

具体的には，ILS の水分特性モデルを Clapp and Horn-

前述の通り，伝統的に LSS では鉛直一次元のモデル化

berger 式（CH 式）から van Genuchten 式（VG 式）に変がされている．陸域での水平方向の水 · エネルギー輸送更した．また，最新の土壌データセット SoilGrids250m

量は，鉛直のそれに比べると無視できる程度であろうと（Hengl et al., 2017）と，機械学習を用いたペドトランスいう暗黙の仮定に基づくものであるが，その仮定の妥当土壌の物理性

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第 151 号（2022）

Fig. 5 ILS 内のサブグリッド側方流スキームの導入による河川流量への影響（足立ら（2021）を改変した発表資料より，本人の了承を取って掲載）．

4. おわりに性は実は明らかになっていない．複雑な標高分布に合わせた植生分布の違いなどからみても，それなりの規模で水とエネルギーの水平輸送は行われていると考えるほう地球規模あるいは国レベルから地域スケールの，具体がより自然である．この研究事例では，ILS の 1 格子の的な気候変動適応策が立案及び実施されるにあたり，気中で，標高差による水平水輸送がどれくらい起こってい候予測には，これまでのような大気 · 海洋情報だけではるのか，そしてその格子内輸送により，全球規模での陸なく，陸域及びその周辺のより多様なきめ細やかな情域水循環がどの様に変化するかを検討した．なお本研究報提供へのニーズが高まってきている．気候変動メカは，足立ら（2021）としてすでに発表済みであるため，ニズムの解明及び気候予測精度の向上に加えて，こうし詳細については原典を参照してもらいたい．

たニーズにも応えるべく，これまで大気モデルの一部で具体的には，高解像度標高データを基に 1 格子を 10あった地表面過程パラメタリゼーションを陸域モデルの標高ビンに分割し，それぞれのビンで計算される地下として独立させ，これまでの気候モデルでは扱えてこな水面に基づく水頭勾配を用いて，Darcy 則により飽和側かった，もしくは過度に簡素化されていた様々な陸域で方流を表現し，各ビンからの流出から河川流量をシミュの重要な要素について，別途研究されている知見やモデレートした．その結果を，観測に基づいた河川流量デー

ルをより簡易かつ物理的な整合性は担保した形で結合さタと比較した．

せることのできる統合陸域シミュレータを構築した．こ

その結果，土壌水分量と蒸散量は全球平均の広い範囲れにより，気候モデルの全体的な性能の改善と同時に，で減少傾向が見られた．これは，標高の高いビンから低近未来の洪水などの自然災害の予測精度の向上が期待さ

いビンに土壌水分が移動することで標高の高いビンでれる．

蒸発量が減少する一方，低いビンでは土壌水分が増えてこうした動きは日本だけではない．それどころか諸外も蒸発量が増加しないということを示していることがわ

国では，近年の激甚災害の頻発も鑑みて，陸域モデル開かった．また，全球での河川流量の再現性がよくなった

発体制の集中化がより進んでいる研究組織も存在する．

ことが確認された（Fig. 5）．

日本においても，陸域に関する様々な研究分野がうまく解説：次世代地球システムモデルに向けた統合陸域シミュレータの開発

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Fig. 6 陸域モデル開発体制のコミュニティ化についての概念図．

連携して研究開発を加速させる必要性が顕在化してきている．

研究「グローバル水文学の新展開」（2016 年 4 月 ∼ 2021
年 3 月）及び東京大学渡部雅浩教授代表の文部科学省統

日本において，全体の研究開発の強化及び効率化を図

合的気候モデル高度化研究プログラム「全球規模の気候るにはどうすればよいか．そのためには，1）国内の陸域変動予測と基盤的モデル開発」（2017 年 4 月 ∼ 2022 年

モデリングを行う個人ないしグループの情報交換や議論群をサブモデルとして扱うための汎用結合モジュールや3 月），九州大学竹村俊彦教授代表の環境省環境研究総合推進費（S-20）「短寿命気候強制因子による気候変動 · 環
境影響に対応する緩和策推進のための研究」（2021 年 4月 ∼ ）による支援を得て，統合陸域シミュレータ開発が周辺ツールからなるプラットフォームモデルを開発 · 整進められた．

促進の場を形成し，既存のモデルの結合や新規モデルの開発を行うための連携体制を構築し，2）独立したモデル備し，3）そのプラットフォームモデルを気候モデル等へ引用文献導入するとともに，プラットフォーム自体及び中のモデル群の改良 · 高度化を進めるという，陸域モデル開発体制のコミュニティ（共同体）化が必要である（Fig. 6）．
前述の通り，2016 年頃より「陸モデル開発検討会」が発足し，機関を横断したゆるい共同体を形成し，陸域モデリングにおける研究担当者間の意思疎通が図られている．土壌物理学会の諸賢におかれても，この取り組みにぜひ積極的に関わっていただきたいと考えている．

謝辞

足立幸太, 山崎 大, 新田友子 (2021): 斜面流れを考慮した全球陸域モデルによる丘 – 谷間水分コントラストの再現.
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東京大学沖大幹教授代表の科学研究費補助金特別推進浜田光太郎, 山崎 大, 新田友子 (2021): 陸域モデルの土壌水土壌の物理性

34

分スキームの高度化と土壌パラメータの水平 · 鉛直分布の考慮. 土木学会論文集 B1 (水工学）, 77: I 223–I 228.

第 151 号（2022）
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旨

これまで大気モデルの一部であった地表面パラメタリゼーションを，大気モデルから独立させ，統合陸域シミュレータ（ILS）を開発した．ILS とは，モデル単体ではなく，開発の枠組みに対する名称である．本解説では，その開発経緯と，ILS を用いた 3 つの事例を紹介した．実時間陸域水文予測への応用，3 次元土壌分類パラメタセットの実装，そしてサブグリッドスケールでの水平方向の土壌水分輸送の実装である．諸外国の研究速度も鑑み，本研究並びに気候変動及び影響評価研究のさらなる進展のためには，陸域モデル開発体制のコミュニティ化（共同体化）が必要である．
キーワード：統合陸域シミュレータ，気候モデル，MPMD，格子変換ツール，コミュニティモデル

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