I はじめに
森林は地球上の地表面の約30%を占めているため,地表面と大気間の熱・水・CO₂の交換に大きな影響を与える。近年，大気一森林間の熱・水・CO,移動の観測では，空間の平均的なフラックス(単位時間・単位面積あたりの吸収・放出量)を精度高く測定する渦相関法が広く用いられる。しかし，熱収支の視点では，純放射量と貯熱量の差が，渦相関法より求まる顕熱と潜熱の和と釣り合わないインバランス問題があり，全世界の大多数の観測地点でこの問題が生じている。Wilson et al. (5)は，様々な植生群落上で行われた満相関法の測定結果から，満相関法によって求まる顕然と潜熱を過少に，もしくは有効エネルギーを過大に評価していることを報告している。 Saigusa et al., (3)は標高1,420m,平均樹高15～20mの山岳斜面の冷温帯落葉広葉樹林において乱流観測を行い，満相関法より求めた顕熱と潜熱の和が有効エネルギーに比べて25~35%程度小さい傾向があることを示している。現時点において熱収支のインバランスのメカニズムは未だに明らかにされていないが,地形の起伏などの観測条件により生じる系統的な熱移動(例えば,山谷風など)の影響などが考えられている(2)。森林は一般的に山地に多く分布し，山地は複雑な斜面で構成されている。このような複雑な地表面ではは，日中に加熱された斜面上で温められ軽くなった空気が斜面に沿って上昇し，夜間の放射冷却によって冷やされた空気が重力によって斜面を下降する山谷風が発生し，平坦地と違った熟交換が行われている(1)。このため,森林樹冠上の風の流れのみならず, 1 段スケールの大きな流域界の尾根や谷といった風の流れを明らかにした上で，山地森林と大気の熱,水, CO₂交換を評価することが必要であると考える。そこで本研究では，山頂と中腹に設置された親測塔で得られた1年間の気象観測データ(風向，風速および気温)を比較し，山地森林斜面で生じる山谷風の特徴を明らかにすることを目的とする。 II 方法1.観測地概要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,プナ(Fagus crenate),コナラ(Quercus serrata)などの落葉広葉樹が混在している。測定は高平山の山頂サイト(標高985m)および中腹サイト(標高765m)で行われた。図ー la)は調査地の地形図，図ー1b)は中腹サイトから山頂サイトにおける断面図を示す。中腹サイトは採石場跡地で，比較的平坦である。中腹サイトから南西方向に谷地形が発達する。山頂サイトは高平山の山頂であり，その周辺において背丈の高い樹木は見られないが1m～2mの草木が生えている。中腹サイトと山頂サイトの標高差および水平距雁はそれぞれ220m, 400mであり，両サイト間の平均勾配は約30°である(図－1b))。図− 1.  a)山頂サイトと中腹サイトの位置を示した地形図およびb)中腹サイトから山頂サイトにおける所面区Fig. l a) Topographic map showing the location of the mid-slope summit  site b) and the site Topographical elevation from the summit site to the mid-slope site Legends: O, Mid-slope site; A, Summit site 2.風速，風向および気温の観測中腹サイトでは高さ6mの親測塔の頂上部に，山頂サイトでは3mの単管パイプの先端に風速計(AC750, Makino),風向計(VF016, Makino), 温湿皮センサー(HMP155A ,Vaisala)を設置し,データロガー(中腹サイトではCR23X,山頂サイトではCR10X,共にCampbell)を用いて10分間隔で記録させた。本研究では, 2011年9月から2012年8月の期間のデータを対象とし，風速のデータは0.2m/sec以上のものを解析に使用した。
III結果および考察
1.月平均風速,風向および気温の季節変化図－2 a)～c)は,山頂サイトと中腹サイトにおける日中と夜間の月平均風速，風向および気温の季節変化を示したものである。図－2において1)は日中09:00〜15:00, 2)は夜間21:00〜03:00の間のデータを月平均した。図一2 a1)における日中の風速の季節変化は，山頂サイトと中腹サイトにおいてあまり明瞭ではないが,両サイトとも2012年4月から2012年8月にかけて減少する傾向がみられた。図一2 a2)において，山頂サイトにおける夜間の風速は明瞭な季節変化を示し,秋から冬にかけて増加し,４月に2.5m/secでピークをもち，それ以降減少する傾向を示した。中腹サイトの夜間の風速は，0.5m/sec前後の弱風で，季節変化は不明瞭である。図一2 b1)における日中の風向は, 2011年10月から2012年２月の問,山頂サイトでは45°付近(北東方向),中腹サイトでは225°付近(南西方向)であり,ほぼ180°異なる。また2012年6月から2012年8月の間の風向は，山頂サイトでは225°付近(南西方向)，中腹サイトでは45°付近(北東方向)であり，ほぼ180°異なる。つまり，日中の風向は，山頂サイトと中腹サイトにおいて冬季と夏季で逆転した。図ー2  b2)における夜間の風向は，山頂サイトでは45°付近(北東方向)，中腹サイトでは315°付近(北西方向)であり,季節変化はみられず，通年ほぼ一定の風向であった。図− 2 c1)およびc2)において,日中と夜間の気温は,山頂サイトと中腹サイトでほぼ同様の季節変化を示し，秋から冬にかけて減少し，1月に–5℃前後の最低気温を示し，夏に向けて上昇する傾向がみられた。 2.山頂サイトと中腹サイトにおける風速の関係　図一3a)～b)は，山頂サイトと中腹サイトの1時間平均風速の関係を示し，図－3a)は日中(09:00〜15:00),図－ 3b)は夜間(21:00〜03:00)に限定したものを示す。図ー 3a)において，山頂サイトの風速(以下，U_top)と中腹サイトの風速(以下, U_mid)は2m/sec以下に多く分布する。図中の1:1のラインに対してU_midを上側にやや多く分布し，このデータは日中全体の59%を占め，全ての季節のデータが含まれていた。図ー3b)において，U_top分布範囲は広いが，U_midはは1m/sec以下に多く分布する。図中の1:1のラインに対してU_topを下側に多く分布し，そのデータは夜間全体の91%を占める。図ー2. Fig.2 ～15:00)と2)夜間(21:00～03:00)の月平均a)風速，b)風向およびc)気温の季節変化Seasonal changes in monthly a) wind speed, b) wind direction and c) air temperature at the summit site and the mid-slope site 1) Daytime(average between 0900-1500h) 2) Nighttime(average between 2100-0300h) Legends: ●, Mid-slope site; ●, Summit site塩谷(4)は,円形の丘や単調な斜面などの頂上では,風速は増強する研究事例をレビューしている。図一3a)において，日中のデータの約6割が，山頂の風速であるU_topに比べ,中腹サイトの風速であるU_midが大きく，既往の報告とは逆の傾向を示している。そこで， U_topに比べU_midが大きく，かつU_midが$ 1.0m/sec以上の場合について，山頂サイトの風向(以下, WD_top)と中腹サイトの風向(以下, WD_mid)が，どのような関係にあるかを次節で調べる。図− 3. Fig.3山頂サイトと中腹サイトの風速の関係a)日中(09:00～15:00), b)夜間(21:00～03:00) Relationships between hourly wind speed at the summit site (U_top) and hourly wind speed at the mid-slope site (U_mid) a) Daytime(0900-1500h), b) Nighttime(2100-0300h) 3.山頂サイトと中腹サイトにおける風速の関係区4は, U_topに比べU_midが大きい場合の山頂サイトと中腹サイトの時間ベクトル平均風向の関係を示す。図ー4において，U midが1.0m/sec以上で1.5m/sec未満のものを黒点，U_midか1.5m/sec以上のものを白点で示す。U_midが1.0m/sec以上の場合，WD_topは45°付近に多く分布し，225°付近にもばらついて分布している。WD_midは概ね180°～315°の範囲に幅広く分布する。U_midが1.5m/sec以上の場合, WD_topは45°付近に，WD_midは225°～270°の範囲に集中して分布する。これら結果から，中腹サイトから南西(225°)方向の谷部の斜面が熱せられ，斜面上昇風が発生し，山頂サイトでは強い上昇流により水平方向の風速が弱くなり，山頂の上空では斜面上昇風の補償風による反流が発生したため，WD_topとWD_midは180°異なったものと推察される。図－4.日中(09:00～15:00)における山頂サイトと中腹サイトの風向の関係Fig.4 Relationship between hourly wind direction at the summit site( WD_top) and hourly wind direction at the mid-slope site (WD_mid) during the daytime (0900-1500h) Legends:●, 1.0m/sec < U_mid <1.5m/sec; O, U_mid > 1.5m/sec 4.山頂サイトと中腹サイトにおける温位差と風速差の関係図ー5は，図ー4において白点で示したU_topに比べU_midが大きく，かつU_midカ1.5m/sec以上のものについて，山頂サイトと中腹サイトの温位差Δθ (Δθ=θ_mid-θ_top)と風速差ΔU (ΔU=U_mid-U_top)の関係を示した。図一５において，５月のデータを黒点で，それ以外のデータを白点で示した。 ΔθとΔυの関係において，Δθの滅少にともない，言いかえれぼ山頂が中腹よりも高温になるにつれてΔUが増加する傾向をもつものと，Δθに関係なくΔυが増加する傾向をもつものに大きく２つに分かれ,５月のデータは前者にあたる。本試験地では5月に警解けが終り，樹木が展葉する。このため，地表面の状況は一様でなく，面的に熱エネルギーの不均一が生じると考えられる。つまり，山頂が中腹よりも高温かつ風速が弱い状況から，山地森林における熱収支のインバランスをもたらす原因は，風の流れによる可能性が高いと考えられる。本試験地における風の流れは,試験地の小地形および地表面の熱特性によってもたらされる局地循環の影響や，試験地の周辺地域を囲む標高2,000m前後の山地および利根川上流域に発達した谷地形などスケールの大きな地形の影響を受けていると考えられる。 [図− 5. Fig.5日中(09:00〜15:00)における山頂サイトと中腹サイトの温位差Δθと風速差Δυの関係Relationship between the difference in the potential temperature Δθ (Δθ=θ_mid-θ_top) and the difference in the wind speed AU (AU=U_mid-U_top) during the daytime (0900-1500h) Legends:●, The data in May; O, The data in the other season