関東森林研究論 文71-1(2020)

ブナが優占する冷温帯落葉広葉樹林における夏季の熱フラックスの変動特性
小坂泉 1 ・松島克 1 ・大庭流維 1 ・瀧澤英紀 1 ・阿部和時 1
１ 日本大学生物資源科学部
要旨：ブナが優占する冷温帯落葉広葉樹林において，夏季の熱フラックスの変動特性を明らかにするため，５年間(2014年から 2018 年)において７月に実施した渦相関法に基づく顕熱および潜熱フラックス(H および λE)のデータを比較した。その結果，2018 年７月において月平均した気温および飽差は，他の年のものに比べて高くなった。2018 年 7 月中旬までは日中の λE は H を上回り，λE/(H+λE)は 0.6～0.8 の範囲で変動したが，2018 年７月下旬において土壌含水率の低下に伴い，λE が H を下回り，λE/(H+λE)が著しく減少する傾向を示した。この期間では，気温および飽差が高かったにもかかわらず，土壌の乾燥が熱フラックスの変動に与える影響が顕著であった。
キーワード：顕熱フラックス，潜熱フラックス，渦相関法，土壌含水率，ブナVariability in heat fluxes in summer in a cool-temperate deciduous broadleaf forest
dominated by Fagus crenata
Izumi KOSAKA1, Suguru MATSUSHIMA1, Rui OBA, Hideki TAKIZAWA1 and Kazutoki ABE1
College of Bioresource Sciences, Nihon University, Fujisawa, Kanagawa 252-0880
Abstract: To investigate the variability in heat fluxes in summer from a cool-temperate deciduous broadleaf forest dominated byFagus crenata, the flux was measured continuously using the eddy covariance method at a tower located on the summit of Mt.
Takahira (985 m a.s.l.) in Nihon University Forest, Gunma Prefecture, Japan. The sensible heat flux (H) and latent heat flux (λE) inJuly from 2014–2018 were compared. The monthly average daytime air temperature and vapor pressure deficit in July were higher
in 2018 than in 2014–2017. In the daytime, the λE was greater than the H, and the λE /(H+λE) ranged from approximately 0.6–0.8
until the middle of July 2018. However, at the end of July 2018, the λE was lower than the H and the λE/(H+λE) significantly
declined with a decrease in the volumetric soil water content. The variability in the heat flux at this site was strongly influenced by
the volumetric soil water content during the dry period of July 2018, under conditions of high air temperature and high vapor pressure
deficit.
Key-word: sensible heat flux, latent heat flux, eddy covariance method, volumetric soil water content, Fagus crenata法によるフラックスの連続観測を実施している(２)。

Ⅰ はじめに
渦相関法による森林-大気間における熱，水および二酸

本研究対象地における先行研究として，両川ら(４)は化炭素の交換量の長期的なモニタリングは，温暖化など

２高度の気温差および水蒸気圧差より算定されるボーエの気候変動に伴い年々変動する環境の変化(例えば，気温ン比と，渦相関法で求められた顕熱および潜熱フラック

上昇や土壌干ばつ)に対する森林の蒸発散や光合成などス(H および λE)より算定されるボーエン比が概ね一致すの応答特性を評価する上で強力なツールの１つであるとることを示し，本試験地において渦相関法で得られた H考えている。本研究対象である冷温帯落葉広葉樹林におおよび λE は，比較的高い精度で測定されていることをける優占樹種はブナ(Fagus crenata)であるが，松井ら（３）報告している。朝倉ら(１)は，2018 年７月中旬から下旬

は気候変動に伴う気温上昇により本州のブナの分布確率にかけて土壌水分の著しい低下に伴い森林から大気へのが低下することを報告している。筆者らは，ブナが気候二酸化炭素の交換量が増加することを示し，森林群落ス

変動などの環境変化にどのように応答するかを現地観測

ケールでの光合成活性の低下を示唆する報告がなされてに基づいて実証的に明らかにすることを念頭におき，群いるが，この時期に渦相関法で取得した熱フラックスに

馬県北部に位置する日本大学水上演習林において渦相関ついては議論していない。

－117 －（受理日 2020 年 2 月 17 日）

そこで本研究では，本試験地において渦相関法によりき長波放射量の４成分の測定値を用いて純放射量(Rn)を取得した 2014 年から 2018 年における夏季の熱フラック算出した。これらの測定については，10 秒毎に出力されスデータを比較することで，2018 年の７月における H おるデータを 10 分平均した値をデータロガー(CR1000,よび λE の変動特性を明らかにすることを目的とした。

Campbell）に記録させた。土壌含水率および地温の計測
では TDR 土壌水分センサー(CS616, Campbell)を深度 10Ⅱ 材料と方法

cm に設置し，30 分毎の瞬間値をデータロガー(CR1000,観測地は群馬県利根郡みなかみ町の日本大学水上演習Campbell)に記録させた。降水量は高平山山頂から北へ直林(36°48′N, 139°02′E, 標高 650-985 m)で，優占樹種

線距離でおよそ６km 離れた藤原 AMeDAS (36°52′N,はブナ(F. crenata)であり，その他の樹種としてミズナラ

139°04′E, 標高 700 m)のデータを使用した。本研究に(Quercus crispula)などの落葉広葉樹が混在した平均樹高

おける解析期間は，2014 年，2015 年，2016 年，2017

15 m 程度の 50~60 年生の二次林である。

年および 2018 年の７月１日から７月 31 日とした。

演習林内の最高標高地点(標高: 985 m)である高平山山頂に建設された６m の観測塔の先端に Open-path 型ガスⅢ 結果と考察

アナライザー(EC150, Campbell)および超音波風速温度計

１．熱フラックスの日変化 図-１は，2014 年から 2018

(CSAT3, Campbell)を水平・東向きに設置し，10Hz で出力

年の７月において月平均した a) 気温(Ta)，b) 飽差(VPD)，

される３次元風速，気温および H2O 濃度のデータをデーc) Rn，d) H および e) λE の日変化を示し，各項目によっタロガー(CR1000, Campbell)に記録させ，渦相関法によりて凡例の印を変えて表示した．図中の実線は，2014 年かH および λE を算出した。フラックスの平均化時間は 30

ら 2018 年の 5 年間で月平均したものを示す。図-１a1)～分とした。詳細なフラックスの算定や解析方法について

a5) において，2018 年の月平均気温は他の年のものよりは小坂ら(２)を参照されたい。観測塔の６m の高さに温高く，日中(９～15 時)のピーク時で 25℃を上回り，５年湿度センサー(HMP155, Vaisala)を用いて気温と湿度を計間の平均値との差が大きい．図-１b1)～b5) では，日中に測した． 観測塔の頂上に放射収支計(NR01, Hukseflux)をおける 2018 年の月平均飽差は 10 hPa を上回り，他の年設置し，上向き・下向き短波放射量および上向き・下向のものより高く，５年間の平均値よりも大きい。図-１c1)

July 2014
30Ta(℃ )25V PD( hP a )Rn( W m -2)
H( W m -2)

July 2016

July 2017

July 2018a2)

a3)

a4)

a5)

b1)

b2)

b3)

b4)

b5)

c2)

c3)

c4)

c5)

d2)

d3)

d4)

d5)

e2)

e3)

e4)

e5)

2015
1020λE( W m -2)

July 2015a1)

151050800c1)
600
400
2000-200800d1)
600
400
2000-200800e1)
600
400
2000-2000

6 12 18 24 0

6 12 18 24 0

6 12 18 24 0
Time (hour)

6 12 18 24 0

6 12 18 24

図-１. 2014 年から 2018 年の７月において月平均した a) 気温(Ta)，b) 飽差(VPD)，c) 純放射量(Rn)，d) 顕熱フラックス(H)および e) 潜熱フラックス(λE)の日変化
Fig. 1 Monthly diurnal time courses of average 30-min (a) air temperature (Ta; black triangles), (b) vapor pressure deficit (VPD;white triangles), (c) net radiation (Rn; diamonds), (d) sensible heat flux (H; white circles), and (e) latent heat flux (λE; blackcircles) in July 2014, 2015, 2016, 2017, and 2018. Lines represent average diurnal time courses of these 5 years.

－118 －関東森林研究71-1(2020)～c5) において，各年の月平均した Rn のピーク値は 500

おける ΔRn については，2018 年では 50 W m-2 前後の正～600 W m-2 の範囲にあり，年による違いはあまり見られ値である場合が多くみられが，他の年ではあまりみられないが，2018 年のものは５年間の平均値よりやや大きい。

ないことから，本試験地において森林が受ける Rn は，

図-１d1)～d5) において，2014 年から 2017 年の月平均し他の年より 2018 年でやや大きかったと考えられる．図-た H のピーク値は 200 W m-2 程度であるが，2018 年のも２d1)～d5) において， 2018 年の ΔH は日中で 50 W m-2のはそれらに比べ大きく，５年間の平均値よりやや大き前後の正値である場合が多くみられ，他の年のものよりい。図-１e1)～e5) において，月平均した λE のピーク値やや大きかった。2018 年の ΔH の分布形状は 2018 年のについては，2014 年および 2017 年では 600 W m-2 程度でΔRn のものと類似している。図-２e1)～e5) において，大きいが，2016 年および 2018 年では 500 W m-2 を下回

2014 年，2015 年および 2017 年の日中のΔλE は正値(最り，他の年のものに比べやや小さい。

大で 108 W m-2)となり，2016 年および 2018 年のものは

図-２は，図-１で示した各年の７月における a) Ta，b)負値(最小で-92 W m-2)となった。これらの結果から，気VPD，c) Rn，d) H および e) λE の月平均値から 2014 年か温，飽差および Rn が５年間で最も高い 2018 年において，ら 2018 年の５年間で月平均したものの差し引き，そのRn の H への配分比率は他の年のものと比べ大きくなり，差を縦棒で示したものである。図-２a1)～a5) では，2014

Rn の λE への分配比率は他の年のものに比べ小さくなっ

年，2015 年および 2016 年のΔTa は常に負値であり，５たことを示唆する。

年間の月平均気温に比べ１℃程度低い。2017 年および２．熱フラックスの経時変化 図-３は，2014 年から 20182018 年のΔTa は正値を示し，特に 2018 年の日中のΔTa

年の７月１日から７月 31 日における a) 日降水量(P)おは，５年間の月平均気温に比べ２℃前後高くなり，５年よび日平均土壌含水率(θ)，日中(10～14 時)平均した b) Ta間で最も高かったと考えられる。図-２b1)～b5) では，と VPD，c) H と λE および d) λE/(H+λE)の経時変化を示

2014 年，2015 年および 2017 年の午後にΔVPD が負値です。図-３a1)～a5) において，2014 年，2015 年，2016 年，ある場合が多く，大気の乾燥の程度は小さいと考えられ2017 年および 2018 年 7 月の積算降水量は，それぞれる。2018 年のΔVPD は常に正値を示し，2018 年では大204.5 mm，237.5 mm，98.5 mm，287.5 mm，および 94.5mm

気が比較的乾燥していたと考えられる。図-２c1)～c5) にであった。2016 年および 2018 年の積算降水量は 100 mm

July 2014
4(℃ )Δ Ta2(hPa)

Δ V PD

Δ Rn(W m -2 )ΔH(W m -2 )July 2017

July 2018

a3)

a4)

a5)

b1)

b2)

b3)

b4)

b5)

c2)

c3)

c4)

c5)

d2)

d3)

d4)

d5)

e2)

e3)

e4)

e5)

02

(W m -2 )July 2016a2)-2-44ΔλE

July 2015a1)

0-2-4150100 c1)
500-50-100-150150100 d1)
500-50-100-150150100 e1)50
0-50-100-1500612 18 24 0

612 18 24 0

6 12 18 24 0
Time (hour)

612 18 24 0612 18 24

図-２. 図-１で示した各年の７月において月平均した a) 気温(Ta)，b) 飽差(VPD)，c) 純放射量(Rn)，d) 顕熱フラックス(H)および e) 潜熱フラックス(λE)と 2014 年から 2018 年の 5 年間で月平均したものの差
Fig. 2 Difference (Δ) between a monthly average value of a variable for a given year and the monthly average value of the variablefrom 2014 to 2018. (a) Air temperature (Ta), (b) vapor pressure deficit (VPD), (c) net radiation (Rn), (d) sensible heat flux (H),and (e) latent heat flux (λE) during the observation period, the month of July from 2014–2018.

－119 －

July 2014

July 2015

July 2016

July 2017

July 2018
0.4

P40

0.3

60
80

0.2

θa1)

a2)

a3)

30 b1)

b2)

b3)

Taa4)

a5)

b4)

b5)

θ

0.1
020
1030
20
100VPD

0800 c1)

c2)

c3)

c4)

c5)

No dataH, λ E(W m -2 )VPD(hPa)

Ta(℃ )

0.520(m 3 m -3 )P(mm day -1 )0No data

λ E / (H+ λ E)

600
400

○H2000● λE

0.80.60.40.2 d1)
01d2)
102030 1d3)
102030 1d4)
1020Time (day)

30 1d5)102030 1102030

図-３. 2014 年から 2018 年の７月における a) 日降水量(P)および日平均土壌含水率(θ)，日中(10～14 時)平均した b)
気温(Ta) および飽差(VPD)，c) 顕熱(H)および潜熱(λE)フラックスおよび d) λE / (H+λE)の経時変化
Fig. 3 Time series of (a) daily precipitation (P; bars, left scale) and daily mean volumetric soil water content at a depth of 10 cm(θ; solid lines, right scale), (b) midday (10:00–14:00) average air temperature (Ta; solid lines, left scale) and vapor pressure deficit(VPD; diamonds, right scale), (c) sensible heat flux (H; white circles) and latent heat flux (λE; black circles), and (d) the ratio of
the latent heat flux to the sum of the sensible heat flux and the latent heat flux [λE /(H+λE)] (triangles).
以下となり，他の年のものに比べ５割以下と少なかった。

かかわらず，土壌水分の減少に伴う rc の増加(群落レベ

このことは，図-２e3)および e5) において，2016 年およルでの気孔開度の低下)により蒸散が抑制されたと考えび 2018 年のΔλE が負値を示した要因の１つであると考られる。特に無降雨期間後半では，土壌の乾燥が熱フラえられる。各年の θ は 0.2 m3 m-3 の前後の範囲で変動しックスの変動に与える影響が顕著になり，熱フラックスているが，2018 年７月下旬では θ が 0.1 m3 m-3 以下までに対する λE の占める割合が４割程度まで低下したと考低下し，土壌が乾燥した状態であった。図-３b1)～b5) にえられる。

おける Ta は 20℃以上のデータが多くみられるが，2018年の無降雨期間の Ta および VPD は，それぞれ 30℃およ

引用文献び 20 hPa 前後を示し，他の年に比べ高い日が多かった。

(１) 朝倉健介・小坂泉・島田悠暉・宮浦琴美・古旗果波・

図-３c1)～c5) において，白丸は H，黒丸は λE を示す。

瀧澤英紀・阿部和時 (2019) ブナが優占する冷温帯落葉H および λE の変動は大きいものの，2014 年から 2017 年

広葉樹林における春季から夏季の CO2 フラックスの変動

では λE が H を上回っているが，2018 年７月下旬におい特性－2017 年と 2018 年の比較－．関東森林研究 70(2) :て H が λE を上回るデータがみられた。図-３d1)～d5) に印刷中

おいて，各年の λE/(H+λE)は概ね 0.6～0.8 の範囲に分布(２) 小坂泉・野中翔平・大塚羽純・関崎良美・田口裕也・

し，渦相関法で得られた熱フラックスに対する λE の占清水伸大・瀧澤英紀・阿部和時 (2016) 冷温帯落葉広葉樹める割合が６～８割程度であることを示す。但し，無降林における渦相関法によるフラックスの連続観測．関東

雨 期 間 で あ る 2018 年 ７ 月 中 旬 か ら 下 旬 に か け て

森林研究 67(1) : 77-80

λE/(H+λE)が 0.8 から 0.4 へ減少する傾向がみられた。

(３) 松井哲哉・田中信行・八木橋勉・小南裕志・津山幾2014 年から 2018 年の７月１日から７月 31 日の日中(10太郎・高橋潔 (2009) 温暖化にともなうブナ林の適域の～14 時)において実蒸発散量の推定式である Penman-変化予測と影響評価．地球科学 14(2) : 165-174

Monteith 式中の空気力学的抵抗(ra)および群落抵抗(rc)の(４) 両川光流・小坂泉・大越亮介・黒澤理沙・鎌田真友・

平均値を求めると，それぞれ 8.8 および 61.2 s m-1 となっ高田名津海・村田真純・瀧澤英紀・阿部和時 (2018) 山岳たが，無降雨期間後半の ra および rc の平均値は，それ域の冷温帯落葉広葉樹林における熱収支と風向の関連性．

ぞれ 4.5 および 122.0 s m-1 となった。これらのことから，

関東森林研究 69(1) : 63-66

無降雨期間後半において気温および飽差が高かったにも－

120 －