ＩＴで見る開花前線と植物の動き「バーチャル開花前線」
農業情報研究部データマイニング研究室 菅原幸治
E‑mail: sugak@naro.affrc.go.jp
１．はじめに農業では気候の変化を見て作物の生育を予測することが欠かせません。昔の人は「○○の花が咲くと□□の種まきの時季だ」などと言い伝えて、季節的な自然現象から農作業のタイミングを判断していました。あらゆる植物が季節に同じように反応して生育していることは、昔から経験的によく知られていたのです。現代では、気候の変化に植物がどう反応するのかについて科学的な研究が進み、多くの植物について数学的な計算で気象データなどをもとに生育を予測できることがわかっています。このような計算式を「生育モデル」といいます。さらに、生育モデルはコンピュータのプログラムとなることで、複雑な計算の手順を特に意識しなくても簡単に計算結果を出すことができ、農業でも生育モデルが作物の生育予測に利用されるようになりました。
このたびの実験では、ナシの開花を予測するモデルのプログラムを使って、予測結果と実際の開花日に比べてどのくらい当たっているか、また、モデルに世界各地の気象データを当てはめてみて、いつ開花するのかを調べてみます。
２．ナシの開花予測モデル
植物の「生育」とは、生長と発育のことです。
「生長(growth)」とは植物体が育って大きくなること、「発育(development)」とは発芽、開花、結果など植物体でのイベントが進むことをいいます。生育モデルとは、植物の生長または発育の進み方を数学的に表現したもので（厳密にいえば数理モデル）、生長モデルと発育モデルがあります。
今回使うナシの開花予測モデルは数ある発育モデルの一つで、果樹研究所（旧果樹試験場）の杉浦俊彦博士の研究によってつくられました。気象条件のデータとしては気温しか使いませんが、開花の予測精度が高いモデルであることが知られています。
ところでナシやサクラのような落葉樹木は、花や葉の芽が「休眠」する期間があります。休眠には、どんな温度になっても芽吹くことがない「自発休眠」と、温度条件が適さないために芽吹くことができない「他発休眠」があります。落葉樹木ではふつう、夏場に翌年の芽ができたときは自発休眠の状態であり、冬になって芽がある程度の低温を受けると自発休眠から他発休眠の状態になります。これを「休眠打破（覚醒）」といい、秋に誤って芽吹かないようにするために植物が進化してできた仕組みです。休眠打破の後は、温度が高くなるにつれて植物体内で萌芽や開花に向けた変化が進んでいき、ある程度の期間温度を受けると開花に至ります。
落葉樹木の開花予測モデルのうち精度が高いとされているものは、自発休眠と他発休眠の両方の過程が別々の計算式として盛り込まれています。気象庁で実際にサクラの開花予測に使われているモデルでも、休眠の過程を計算しています。
ナシ開花予測モデルは、発育指数(Developmental Index: DVI)法という計算方法を使っています。まず温度データなどの関数として１日または１時間あたりの発育速度(Developmental Rate:DVR)を表し、ある期間での DVR を足し合わせて DVI を求めます。DVI がある一定の値に到達した

ときに、植物体に開花などのイベントが起こると考えます。特にナシ開花予測モデルでは休眠打破も一つのイベントと考えて、自発休眠期ではある程度の低温を受けると休眠打破に向けた発育が進み、他発休眠期に入ると温度が高いほど開花に向けた発育が進むとします。なお、次で説明
するナシ生育予測モデルのプログラムには、さらに開花後の収穫日予測モデルと果実の生長モデルも組み込まれています。
３．モデルのプログラムとその仕組み
今回使ってみるナシ生育予測モデルのプログラムは、杉浦博士のモデルをもとに中央農研の農業情報研究部で作成されたものです。 Java というプログラミング言語でつくられていて、この言語を使うと、計算に必要なプログラムを複数のパーツに分けて、それぞれのパーツを組み合わせることで、ある目的のプログラムを形づくることができます。また、ホームページに Java のプログラムを貼り付けて使えるようにしたものをAppletといいます。ナシ生育予測モデルは、インターネットを通じて誰でも自由に利用できるように、Applet の形にしてあります。
ナシ生育予測モデルの Applet のパーツを大きく分けると、表紙ページ、休眠打破・開花日・収穫日・果実体積の各予測モデル、計算式の定数であるパラメータの設定（見た目にはナシ品種の選択）、気象データの設定、計算結果の一覧表示と地図表示、そしてMetBroker への接続と気象データ取得、といった各部分からなります。
ここでMetBrokerとは、気象データを仲介するための Java プログラムで、いろいろな気象データベースを同じように利用できる仕組みになっています。MetBroker を使えるようにつくられたプログラムは、MetBroker を通して世界各地の気象データを取得することが可能です。
また、結果表示用の地図データについては、インターネット上で地図を提供しているホームページ(http://www.mapblast.com/)から緯度経度で地図の画像を切り出してきて、気象観測地点とモデルの計算結果を重ね合わせています。

応用プログラムの例

気象データベースの例
直接参照
モード

気象観測データ

農業用モデル

仮想観測点
モード

地図情報システム

AMeDAS

MetBroker

空間アクセス
モード

都道府県
データ

New Zealand

世界中の気象データベースと応用プログラムを結びつけるシステム MetBroker
４．ナシ生育予測モデルの使い方
ナシ生育予測モデルのプログラム(Java Applet)は次のアドレスで公開されています。
URL: http://cse.naro.affrc.go.jp/ketanaka/model/applet/PearSugiura.html
以下、この Applet の使い方について順を追って説明します。

まず、Web ブラウザで Applet を置いている Web ページを開くと、Applet がダウンロードされて、上左のような表紙ページが表示されます。最初に品種（幸水か豊水）と予測年（西暦）を入力して、「データ設定」をクリックします。計算に使う気象データを設定する画面が開きますので、ここで「複数観測点で同時実行」にチェックを入れて「MetBroker の設定」をクリックします。
なお、果実体積を予測するには日射データを使いますが、国内で観測地点が多いアメダスでは日射を観測していないので、アメダスを選択する場合、日射は「なし」にチェックを入れます。

MetBroker の設定画面では、気象データ観測地点のある領域を緯度・経度で設定したり、データベースに登録されている観測地点を地名や地図で選択したりできます。ある県内すべての観測地点のデータを計算に使う場合は「すべての観測点」を選択します。選択が終わったら「了解」をクリックして画面を閉じ、気象データ設定画面も「了解」をクリックして閉じます。

表紙ページに戻ったら、「実行」ボタンをクリックします。「MetBroker からデータを読み込み中。」という画面が出て、複数の観測地点を選択した場合はここで数分待ちます（国内のデータでは、待ち時間は観測地点の数×5 秒ほど）。気温データの取得とモデルの計算が終了すると、各地点ごとの休眠覚醒期、満開日、収穫日の一覧表と、選択領域の地図が表示されます。地図は、表示範囲の移動や拡大・縮小をすることができます（ただし地図の操作感はやや遅い）。
（使用上の注意点）
自宅のパソコンでこの Applet を使ってみる場合は、Java のプラグイン(JRE1.4)をダウンロードしてインストールする必要があります。詳しくはこちらのページをご覧ください。
URL: http://java.sun.com/j2se/1.4/ja/download.html
中央農研の所内のネットワークはデータ通信速度が高速なので、それほど不自由なく Applet を実行できます。ただし、ダイヤルアップ接続の場合では通信速度が遅いために、Applet のダウンロードや MetBroker からのデータの取得にある程度時間がかかります。その時は下のページで「Java Web Start 版」に進んで、生育モデルのプログラムをパソコンにダウンロードして使うことをお勧めします。
URL: http://cse.naro.affrc.go.jp/ketanaka/model/
５．演習問題(1)予測結果と実際の開花日に比べてどのくらい当たっているでしょうか。
例えば、生まれた年の開花前線はどのように進んでいたのでしょうか。各地でのナシ開花日の記録や、気象庁の植物季節観測表と比較しながら、日本全国の気温データを使って生育予測モデルの計算結果を調べてみましょう。
(2)生育予測モデルに世界各地の気象データを当てはめてみましょう。
通常、落葉樹木をより暖かい地方で育てると、低温を受けて休眠打破されないために開花が遅れたり芽吹かなかったりする場合があります。逆に寒い地方では、休眠打破後の発育に必要な温度が足りないために開花が遅れたり収穫期まで至らなかったりします。ナシはどの地方までなら栽培できるのか調べてみましょう。

６．参考文献
このテキストでは、ナシの生育予測モデルの具体的な内容や計算式について、詳しい説明はあえて省略しました。もしナシやその他植物の生育モデルについて興味がありましたら、次の文献を参照してください。もちろんこの他にも生育モデルの研究は数多く報告されていますので、知りたいことがあればわかる範囲で紹介します。
(1)ナシのモデル
杉浦俊彦・小野祐幸・鴨田福也・朝倉利員・奥野 隆・浅野聖子（1991）ニホンナシの自発休眠覚醒期から開花期までの発育速度モデルについて．農業気象 46：197‑203
杉浦俊彦・本條 均（1997）ニホンナシの自発休眠覚醒と温度の関係解明およびそのモデル化．農業
気象 53：285‑290
杉浦俊彦・小野祐幸・鴨田福也・朝倉利員・奥野 隆・佐久間文雄（1993）ニホンナシの果実生長と日射量の関係のモデル化．農業気象 48：329‑337
杉浦俊彦・本條 均・菅谷 博（1995）ニホンナシの果実生育と気温の関係について．農業気象 51：239‑244(2)サクラのモデル
小元敬男・青野靖之（1989）速度論的手法によるソメイヨシノの開花日の推定．農業気象 45：25‑31
青野靖之・小元敬男（1990）チルユニットを用いた温度変換日数法によるソメイヨシノの開花日の推定．農業気象 45：243‑249
青野靖之・小元敬男（ 1990）温度変換日数を用いたサクラの開花日の簡便推定法．農業気象 46：147‑151(3)その他落葉樹木のモデル
青野靖之・小元敬男（1992）ヤマツツジ・フジ・アジサイの開花日の推定．農業気象 47：233‑240
青野靖之・佐藤和美（1996）休眠解除過程を考慮した西日本におけるウメの開花日の推定．農業気象
52：125‑134(4)イネのモデル
堀江 武・中川博視（1990）イネの発育過程のモデル化と予測に関する研究．第１報 モデルの基本構
造とパラメータの推定法および出穂予測への適用．日本作物学会紀事 59：687‑695
中川博視・堀江 武（1995）イネの発育過程のモデル化と予測に関する研究．第２報 幼穂の分化・発達過程の気象的予測モデル．日本作物学会紀事 64：33‑42