Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
が得られた。それぞれの土壌タイプについてみると、LT、UTは、ともに鉱質土壌、CTは活動層、凍土層ともに有機質土壌であった。

表(1)-3 培養試料の詳細と-5℃→5℃、5℃→15℃、15℃→25℃の $ Q_{10} $ 値の計測結果

BS1	BS2
Active layer	Permafrost	Active layer	Permafrost
Active layer depth (cm)	40-50	30
Depth of sample (cm)	21-28	-65	16-36	80-90
Horizon designation	organic	mineral	organic	mineral
Volumetric moisture (%)	81.6	59.6
Organic carbon contents (%)	44.2	1.6	36.2	5.6
Total Nitrogen contents (%)	0.69	0.08	1.7	0.3
Bulk density (g cm $ ^{-3} $ )	-	-	0.13	0.75
$ ^{14} $ C age of SOM	Modern	4500±40	4090±35	1620±30
Q $ _{10} $ (-5-5℃)	18.9	7.3	13.6	4.5
Q $ _{10} $ (5-15℃)	2.2	2.5	2.5	2.3
Q $ _{10} $ (15-25℃)	2.1	2.1	2.2	2.3

LT	CT
Active layer	Permafrost	Active layer	Permafrost
Active layer depth (cm)	28	28
Depth of sample (cm)	20-30	52-62	24-34	52-64
Horizon designation	mineral/sandy	sandy	organic	mineral
Volumetric moisture (%)	47.2	27.2	40.9	74.8
Organic carbon contents (%)	3.8	0.1	13.4	8.8
Total Nitrogen contents (%)	0.13	2.5	0.7	0.4
Bulk density (g cm $ ^{-3} $ )	1.3	1.6	0.75	0.42
$ ^{14} $ C age of SOM	11520±50	12620±90	1870±30	2830±30
Q $ _{10} $ (-5-5℃)	9.1	9	9.6	33.8
Q $ _{10} $ (5-15℃)	1.9	2.7	2.8	2.1
Q $ _{10} $ (15-25℃)	1.7	2.6	2.2	2.3
UT
Active layer	Permafrost
Active layer depth (cm)	30
Depth of sample (cm)	25-35	55-66
Horizon designation	mineral	mineral/organic intrusion
Volumetric moisture (%)	33.7	66.7
Organic carbon contents (%)	6.9	11.6
Total Nitrogen contents (%)	0.2	0.5
Bulk density (g cm $ ^{-3} $ )	1.2	0.6
$ ^{14} $ C age of SOM	4330±30	7800±45
Q $ _{10} $ (-5-5℃)	5.6	58.4
Q $ _{10} $ (5-15℃)	2.1	2.7
Q $ _{10} $ (15-25℃)	2.4	2.6
図（1）-10-a 北方林（BS1, BS2）、ツンドラ生態系（UT, LT, CT）における-5-5°Cの $ Q_{10} $ 値

図(1)-10-b 北方林（BS1, BS2）、ツンドラ生態系（UT, LT, CT）における5-15°Cの $ Q_{10} $ 値
図(1)-10-c 北方林（BS1, BS2）、ツンドラ生態系（UT, LT, CT）における15-25°Cの $ Q_{10} $ 値

以上から、UT、LT、CTにおいて、 $ Q_{10} $ 値の変動を説明する明確な理由は得られていないが、バルク有機物の年代結果から推定すると、UTは4300年から7800年、LTは、11500年から12600年と極めて古いのに対し、CTは、1800年から2800年と最も新しい有機物であった。CTは、沿岸ツンドラであることから、海水準の変動や海洋性プランクトンなども含めた堆積有機物の差異などの影響があるのかもしれない。しかしながら、現段階では明確な理由は不明であるが、ツンドラ生態系では、北方林に比べて $ Q_{10} $ 値の変動幅が極めて大きいということである。これは温暖化による分解影響の実態把握において重要な示唆を示していることになり、今後さらに検討する必要性があることが確認された。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本研究では、凍土土壌からなる北極高緯度土壌圏における土壌炭素の温暖化による気候変動による脆弱性評価の為のモデル開発にとって重要なパラメーターとなる土壌炭素の平均滞留時間の実測に成功した。得られた滞留時間は、北方林、遷移帯、ツンドラ生態系毎に実測され、炭素蓄積量の試算と相まって、過去数千年以降の炭素蓄積量と平均滞留時間が明らかとなった。平均滞留時間の長いツンドラには、生産量が低い環境であるにもかかわらず、分解量が小さいことから北方林よりも多くの有機炭素が存在していることがわかり、北極土壌圏の温暖化による
る影響評価の調査研究の重要性を示すものとなった。また北方林における自然火災による炭素焼失量の推定からは、一度の火災により失われる炭素量を実測するための手法開発に成功し、自然火災の多発する北極地域における炭素動態モデルの開発にいて重要な定量的データを提供することが可能となり、今後開発されるモデルへの重要な実測データとなることはまちがいないといえる。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

## 特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

CO $ _{2} $ など温室効果ガスの削減に対する国際的な取り組みが進められている中、ポスト京都の枠組について国際交渉がすでに始まり、その主要な議題は「大気中の温室効果ガスの長期的な安定化目標の設定」である。その決定を理論的に裏付けるため、陸域生態系ごとの温室効果ガスの排出・吸収量の算定とその変動性に関する科学的知見の整備が急務である。温暖化をはじめとする環境変動が北極圈陸域生態系の土壌炭素蓄積に及ぼす影響の解明と将来予測は、将来の気候変動予測における不確実性の軽減の点からも、重要な地球環境研究の課題であり、今回得られる知見は、まさに第6次IPCC評価報告書においても高い貢献が期待される。

### 6. 国際共同研究等の状況

本サブテーマで実施されている野外観測については、米国アラスカ大学フェアバンクス校国際北極圈研究センター（IARC）のLarry Hinzman所長、原菌芳信氏、岩田拓記氏の協力により、アラスカ大学が管理・運営するフラックス観測サイトでの試料採取等を実施している。本研究の成果である土壌炭素蓄積量およびCO₂の発生源に関するデータを提供することで、彼らの研究テーマである微気象観測に基づく北方森林生態系および火災跡地における炭素収支の研究に貢献する。また、同校IARCの岩花剛研究員および同校水環境研究センター吉川謙二教授には、永久凍土までの試料採取、および湿地における試料採取、同校School of Agriculture and Land Resource Management・Chien-Lu Ping教授にはツンドラ生態系における試料採取に協力いただいた。加えて、同校IARCのKim Yongwon助教授の協力を得て、アラスカ縦断観測を実施に関する協力を頂いた。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) H. IWATA, M. UEYAMA, Y. HARAZONO, S. TSUYAZAKI, M. KONDO, and M. UCHIDA: SOLA, 7, 105–108, (2011)

“Quick Recovery of Carbon Dioxide Exchanges in a Burned Black Spruce Forest in Interior Alaska”

2) M. MORI, T. ISE, M. KONDO, Y. KIM, H. ENOMOTO and M. UCHIDA: Open Journal of Ecology 2, 2, 90-95, (2012)

"The effect of the feedback cycle between the soil organic carbon and the soil hydrologic and thermal"
dynamics"

3) Y. KIM, S-D. KIM, H. ENOMOTO, K. KUSHIDA, M. KONDO, M. and UCHIDA: Alaska, Polar Science, 7, (2013)

“Latitudinal distribution of soil $ CO_{2} $ efflux and temperature along the Dalton Highway” (in press) <その他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 近藤美由紀，内田昌男，金龍元，高橋善幸，内海真生，篠崎鉄哉，榎本浩之，柴田康行：日本地球惑星科学連合 2010年大会 (2010)

「放射炭素同位体を用いたアラスカツンドラ・タイガ生態系における土壌有機炭素の滞留時間の推定」

2) M. KONDO, M. UCHIDA, H. ENOMOTO, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, Y. KIM, and Y. SHIBATA: Int. Symp. Snow, Ice and Humanity in a Changing Climate, Sapporo, Japan, 2010

“Snow conditions in Northern Alaska and possible influences on soil-carbon-dynamic-related carbon assimilation and $ CO_{2} $ emission.”

3) M. UCHIDA, M. UCHIDA, M. KONDO, and Y. SHIBATA: Organic matter stabilization and ecosystem functions SOM 2010, France, 2010

“Heterotrophic microbial decomposition of soil ancient carbon in Norway Arctic; First evidence from molecular level natural radiocarbon analysis.”

5) M. UCHIDA, M. UCHIDA, M. UTSUMI, M. KONDO, Y. TAKAHASHI, Y. SHIBATA: 2nd Int. Symp. Arctic Res., Tokyo, Japan, 2010

“ The heterotrophic respiration using old carbon in arctic soil: Insights from compound-specific radiocarbon analysis.”

6) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, and Y. SHIBATA: 2nd Int. Symp. Arctic Res., Tokyo, Japan, 2010

7) M. UCHIDA, M. UTSUMI, M. KONDO, Y. TAKAHASHI, and M. UCHIDA: AGU 2010 Fall Meeting, San Francisco, USA, 2010

“Evidence of heterotrophic microbial decomposition of preaged carbon in Arctic soil; Insights from molecular level natural radiocarbon analysis.”

8) M. KONDO, U. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, and Y. SHIBATA: AGU 2010 Fall Meet., San Francisco, USA, 2010

“Radiocarbon-based estimates of residence times for soil organic carbon of Tundra and Boreal forests in Alaska.”
9) Y. HARAZONO, H. IWATA, M. UEYAMA, S. TSUYUZAKI, M. UCHIDA, M. KONDO, Y. TAKAHASHI, M. UTSUMI: ISAM2011, Kagoshima, Japan, 2011

“Vegetation recovery, changes in fluxes and micrometeorology after wildfire of a black spruce forest on permafrost in Alaska.”

10) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI., T. SHINOZAKI, Y. TAKAHASHI, M. ADACHI, and Y. SHIBATA: Arctic Sci. Summit Week 2011, Seoul, Korea, 2011

“Constraining radiocarbon signature of soil organic matter in Alaskan Arctic soil: Implication for importance basis examining the impact of climate warming on $ CO_{2} $ release.”

11) M. KONDO, A. HOSHINO, S. MURAYAMA, T. SHINOZAKI, R. WAGAI, Y. SHIBATA, and M. UCHIDA: AGU Fall Meeting 2011, San Francisco, USA (2011)

“Investigation of carbon turnover and $ CO_{2} $ evolution in soil organic carbon from forest soils: Insight from radiocarbon analysis of soil density fractions and soil respired $ CO_{2} $ ”

12) T. SHINOZAKI, M. UCHIDA, M. KONDO, K. YOSHIKAWA, S. NOMOTO, and M. UTSUMI: AGU Fall Meeting 2011, San Francisco, USA (2011)

“Reconstruction of Alaskan Arctic environmental changes for past 1 ka using $ \partial^{13}C $ of peat cellulose and their $ {}^{14}C $ wiggle-match dating”

13) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, M. ADACHI, Y. and SIBATA: The 4th East Asia Accelerator Mass Spectrometry Symposium, Tokyo, Japan (2011)

“Radiocarbon Signature of Soil Organic Carbon in Tundra and Boreal Forests, Northern Alaska”

14) 内海真生、近藤美由紀、安立美奈子、天野 (佐藤) 千恵、内田昌男: 第59回 日本生態学会 (2012) 「アラスカ北極圈陸上生態系の土壌呼吸特性解析」

15) 榎本浩之、内海真生、内田昌男、伊勢武史、森健介、近藤美由紀、Nuerasimuguli Alimasi、佐々木文彬, Younwon Kim: 第3回極域科学シンポジウム (2012)

「アラスカ広域の積雪および土壌温度・水分の季節変化，- 土壌分解とモデリングのための基礎物理情報取得 -」

16) H. ENOMOTO, Y. AUZUMA, H. HAYASAKA, M. HIRABAYASHI, K. G.-AZUMA, T. KADOTA, H. YABUKI, T. OHATA, S. TAKAHASHI, R. KUSAKA, T. SHIROKAWA, N. ALIMASI, T. AOKI, S. SUGIYAMA, K. TATEYAMA, K. SHIMADA, M. UTSUMI and M. UCHIDA: the 3rd symposium on Polar Science, Tokyo, Japan, 2012.

“Arctic weather in 2012 summer and influences on Arctic Environment”

17) C. AMANO, M. UTSUMI, M. UCHIDA, M. KONDO, M. ADACHI, and T. YAMAMOTO: 2012 AGU Fall Meeting, San Francisco, USA, 2012

“ $ CO_{2} $ , $ CH_{4} $ fluxes and bacterial diversities at terrestrial ecosystem along the trans-Alaska pipeline in tundra and boreal forest, Alaska.”

18) S.F. RELLA, and M. UCHIDA : 2012 AGU Fall Meeting, San Francisco, USA, 2012

“Sedimentary organic matter and carbonate variations in the Chukchi Borderland in association with ice sheet and ocean-atmosphere dynamics over the last 155 kyr.”

19) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. SHIBATA, H. IWATA, and Y. HARAZONO: 2012 AGU Fall Meeting, San Francisco, USA, 2012
“Estimation of Carbon loss by fire in a burned black spruce forest in interior Alaska using radiocarbon”

20) K. MORI, T. ISE T, M. KONDO, Y. KIM, H. ENOMOTO, and M. UCHIDA: Third International Symposium on the Arctic Research, Tokyo, Japan, 2013

“The effect of the feedback cycle between the soil organic carbon and the soil hydrologic and thermal dynamics.”

21) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. SHIBATA, H. IWATA, and Y. HARAZONO : Third International Symposium on the Arctic Research, Tokyo, Japan, 2013

“Estimation of C loss by fire in a burned black spruce forest in interior Alaska using radiocarbon”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

（５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## (6) その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

1) Arctic Climate Impact Assessment, 2005, Cambridge Univ. Press.

2) Y. KIM, S-D. KIM, H. ENOMOTO, K. KUSHIDA, M. KONDO, M. and UCHIDA: Polar Science, 7, (2013)

“Latitudinal distribution of soil $ CO_{2} $ efflux and temperature along the Dalton Highway, Alaska” (in press)

3) M. UCHIDA, Y. SHIBATA, M. YONEDA, T. KOBAYASHI, and M. MORITA: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 223–224, 313–317 (2004)

“Technical progress in AMS microscale radiocarbon analysis”

4) S.E. TRUMBORE, J.W. HARADEN: Journal of Geophysical Research, 102, 28817–28830. (1997) "Accumulation and turnover of carbon in organic and mineral soils of the BOREAS northern study area."

5) I. LEVIN, B. KROMER, S. HAMMER: Tellus B, 65, 20092 (2013)

“Atmospheric $ \Delta^{14}CO_{2} $ trend in Western European background air from 2000 to 2012”

6) H. I IWATA, M. UEYAMA, Y. HARAZONO, S. TSUYAZAKI, M. KONDO, and M. UCHIDA: SOLA, 7, 105–108, (2011)

“Quick Recovery of Carbon Dioxide Exchanges in a Burned Black Spruce Forest in Interior Alaska”
## 7 ) 大塚俊之：日本生態学会誌, 62, 31-44 (2012)

「森林生態系の炭素循環：Takayama Forestでの10年間で分かったことと、分からなかったこと」
(2) 微気象・物理・水文プロセスの総合観測と変動量評価に関する研究

大学共同利用機関法人情報・システム研究機構

国立極地研究所 北極観測センター

榎本浩之

平成22～24年度累計予算額：6,093千円

（うち、平成24年度予算額：1,201千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

北極高緯度域の土壌有機炭素の中・長期的な動態を再現するモデルの開発とその高精度化のための検証作業には、代表的な土壌における温度、水分量などの測定データが必要である。アラスカを南北に縦断するトランセクトに沿った年間モニタリングサイトにおける年間の地表付近の気象・積雪状態（積雪深・積雪内温度プロファイル・熱伝導）・地温プロファイル・土壌水分・凍結深の時間変化を計測し、これによって広域の物理環境の時間変化を通年にわたりモニターした。アラスカ北部では冬期の積雪の多寡が、地面の冷却、凍結状態に影響し、融雪後の昇温に影響する。また融雪水は土壌水分にとっても重要な影響を持つ。各地に配置した観測機器の通年のデータから、これらの地域差、季節変化の特徴を明らかにすることが出来る。ここで得られる物理情報を温暖化影響予測の高精度化に向けたモデル開発を実現するための検証データ、また土壌観測計画の立案・最適化のための情報として活用するための観測を行なった。また、凍土地域に見られる地表面状態の不均一性についての検討を行い、斜面の方向と傾斜による積雪深の違いについて地理情報及び現場広域観測データより分類し、主に斜面方向の影響の違いが現れることを確認した。斜面方向が、モデル化にとっても基本的な条件として重要であることがわかった。

[キーワード] 寒冷圈、積雪、冬季冷却、凍結融解、土壤水分、気候変動。

### 1. はじめに

高緯度域の土壌における炭素分解の変化は温暖化による炭素循環の変化を考える上で重要なプロセスであり、その解明が気候変動研究に大きく寄与する。寒冷地の炭素分解をコントロールする土壌温度、水分量の状態を明らかにすることにより、土壌の物理状態の把握、さらにその再現モデル¹,²の高精度化のための検証として使用することが出来る。変動する北極圈の気候に関して地表面の温度変化、積雪との関連を探ることを目的として気象および積雪状況の現地観測を実施した。その実態や影響プロセスを調べるアプローチとして、気温、地温、雪温、土壌水分の観測を行なった。観測対象域として、アラスカ北部を選んでいる。アラスカ北部にはフェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがある。

このアラスカ北部では冬期の積雪の多寡が、地面の冷却、凍結状態に影響し、融雪後の昇温に影響する。また融雪水は土壌水分にとっても重要な影響を持つ。アラスカ北部の永久凍土帯はシベリアと同様、夏季の気温は高い。しかし、冬季の低温が著しく、また低温期間が長い。土壌が
凍結していない期間はいつ始まり、いつ終わるのかといった基本サイクルの確認と、その中での雪や融雪水と凍土の融解水の季節サイクルにおける役割を確認することが必要である。

## 2 ．研究開発目的

本サブテーマでは、変動する北極圈の気候に関して地表面の温度変化、積雪との関連を探ることを目的として、土壌温度、水分量の地域差、季節変化の特徴を調査した。ここで得られる物理情報を温暖化影響予測の高精度化に向けたモデル開発を実現するための検証データ、また土壌観測計画の立案・最適化のための情報として活用するための観測を行なう。

ツンドラ、森林帯と植生の大きなコントラストを持つ地域における、気温、積雪、凍結・融解の基本サイクルの違いを確認することは、広大な凍土域の現場観測では、観測地域の空間代表性も問題になる。本サブテーマでは多点観測と移動観測により、地域性の違いを観察する。

また、凍土地域に見られる地表面状態の不均一性の影響についての検討を行い、モデル化にとっても基本的な条件の確認を行った。また、積雪分布のアラスカの広域及び地形による違いについても検討を行う。

## 3 ．研究開発方法

## （１）アラスカ北部における観測の展開

アラスカ大学との共同研究により温度記録ロガーをアラスカ北部7地点に設置して、気温、雪温、地温、土壌水分の観測を維持してきている（図(2)-1）。地中5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cmなどに地温計を設置し、1時間インターバルで通年の温度モニターを行なった。地上では気温測定のほかに、高さ10cm間隔で温度センサーを固定し、冬期の積雪中の温度分布や温度勾配を見た。この観測データを整備し地中の温度、水分に関する特徴を明らかにする。

この研究では、地域的な違いを検討できる広域データを得るために、フェアバンクスを起点に北極海沿岸に位置する油田基地の町Deadhorseまで、アラスカを南北に縦断する総延長約700kmの間で石油パイプラインに沿って整備されたダルトンハイウェイ沿いにアラスカの代表的な植生を選び、定点観測サイト（図(2)-1赤丸：UT（#19）、SAT（#13）、TZ（#11）、BC（#7、#9））、UAF（Fairbanks上）を設定した。

観測地点の分布。フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがある。本研究における定点観測は、北から、CT(Coastal Tundra)、UT(Upland Tundra)、SaT(Subarctic Tundra)、TZ(Transfer Zone of Ecotone)、BC(Boreal Forest)、UAF(University of Alaska: Boreal Forest)である。

これらの地域に、データロガーに接続した温度計および水分計、インターバルカメラなどを設置した。冬季にはマイナス40℃以下に温度が下がるため低温耐性に注意しながら、機器の選択と設置を行なった。また、凍土帯の問題は夏季の水にもある。いたるところ融解水で覆われるので、防水にも注意して設置した。さらに、アラスカ特有の問題である野生動物によるセンサーやケーブルの破壊がある。動物からセンサー類を守るため、埋設やケーブルの保護カバーの利用などをおこなった。
図(2)-1 観測地点の分布。フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがある。北から、CT(Coastal Tundra, #21)、UT(Upland Tundra, #19)、SaT(Subarctic Tundra, #13)、TZ(Transfer Zone of Ecotone, #11)、BC-1(Boreal Open Forest, #9)、BC-1(Boreal Compacted Forest, #7)、UAF(University of Alaska: Boreal Forest、Fairbanks上赤丸)という観測点がある。

## （２）長期温度、土壌水分データの整備および解析

アラスカの観測点における微気象を観測しデータロガーに蓄積する。各観測点の気温、積雪、凍結に関する観測結果から年間の気温変化、水分変化、凍結融解のタイミング、土壌の冷却度などを調べた。

北極高緯度域の土壌有機炭素の中・長期的な動態を再現するモデルの開発とその高精度化のための検証作業には、代表的な土壌における温度、水分量などの測定データが必要である。アラスカを南北に縦断するトランセクトに沿った年間モニタリングサイトにおける年間の地表付近の地温・土壌水分・凍結深の時間変化を計測した。アラスカ北部では融雪の早期化が報告されているが、冬期にみられる大きな気温変化幅は土壌の凍結状態にも影響する。融雪水は土壌水分にとっても重要な影響を持つ。これらの地域差、季節変化の特徴を明らかにすることが出来る。ここで得られる物理情報を温暖化影響予測の高精度化に向けたモデル開発を実現するための検証データ、また土壌観測計画の立案・最適化のための情報として活用するための観測を行なった。

アラスカ北部にはフェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがある。このアラスカ北部では冬期の積雪の多寡が、地面の冷却、凍結状態に影響し、融雪後の昇温に影響する。また融雪水は土壌水分にとっても重要な影響を持つ。図(2)-1中の観測地点で、これらの特徴を調査した。
## （3） 積雪広域分布と地表面凍結状況

## 1 ）冬期積雪状態の広域観測

アラスカ北部にはフェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがある。このアラスカ北部では冬期の積雪の多寡が、地面の冷却、凍結状態に影響する。この地域の広域縦断観測を実施し、積雪分布を明らかにした。

積雪開始、融雪開始、積雪（融雪）終了、土壤凍結開始は衛星観測によっても推定できる。衛星データと組み合わせることにより水平分布の把握が可能であり、広域代表性も確認できる。また、現地観測データは観測年が短期であるが、衛星データと組み合わせることにより、長期の評価が可能となる。また、凍土地域に見られる地表面状態の不均一性についての検討を行い、斜面の方向と傾斜による積雪深の違いについて地理情報及び現場広域観測データより分類し、その特徴を探った。

## 4 ．結果及び考察

## （１）アラスカ北部における観測の展開

アラスカ大学との共同研究により温度記録ロガーをアラスカ北部7地点に設置して、気温、雪温、地温、土壌水分の観測を維持した。地中5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cmなどに地温計を設置し、1時間インターバルで通年の温度モニターを行なった。北部ツンドラ域では多い土壌水分やタソク植生のために地表面形状が複雑である、このため地中の熱流の違いをみるために観測機を設置した。

フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に自動気象観測器を設置した。図(2)-2にはルート上に設置した7か所の観測データを示す。地表面付近（表面～10cm深）は夏季に10～20℃まで昇温する。20cm深では上限は5℃程度である。

北方森林帯では隣接した数m以内の場所でも林床の水分差がコケ（Sphagram>Feather）の種類によりみられる（BC-1）。Featherでは低い値が続いている。これは融雪後でも同様であった。Sphagramでは変動が大きい。

土壌水分は春季の融雪水によるものが大半を占め、夏季の降水に短期変動が重なる。秋季の土壌の凍結開始は深さによって時間差があるが、春季の凍結土壌の融解は、異なった深さでも短い時間の間に連続して起きる。表面からの積雪融解水の浸透が急速に温度を均一化する。

フェアバンクスのアラスカ大学（UAF）サイトでも、同様の結果が得られたが、北方森林帯の気温年較差は大きく、また冬季の短期変動も大きい。冬季に2週間の間に-40℃以下から0℃まで昇温するなど、40℃近い変化が記録されている。特に12月の昇温では、積雪や地温が一気に0℃まで増加し、土壌水分の記録が上がっていることも示されている。
図(2)-2 2010－11年の観測データ．フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの間の7地点のデータを示す．上より、北方の、CT(Coastal Tundra), UT(Upland Tundra), SaT(Subarctic Tundra), TZ(Transfer Zone of Ecotone), BC-1(Boreal Open Forest), BC-1(Boreal Compacted Forest), UAF(University of Alaska: Boreal Forest).
冬季の昇温は気温変化としては認識されやすいが、それが積雪や土壌中にも影響していることは驚きである。冬期間といえども、積雪内や土壌内での気温が成層して変化が少なくなっている訳でなく、大きな変化が起こりうることを示している。積雪・土壌の温度勾配の消滅、積雪や土壌の融解が起きている。このようなイベントは短期間であるが、冬季の積雪、土壌中にどのような影響を起こすか興味深い。なお、これらの変動は短期間で起きるため、月平均気温では冬季の気温変動性は見出すことはできない。

これらの地点毎の観測結果より、詳細な鉛直プロファイルとともに、積雪の開始、融雪の開始・終了、土壌凍結開始と終了がわかる。積雪の開始は地表付近センサーの温度記録の日較差の減衰よりわかる。融雪開始終了は、気温および雪温度の0℃以上への上昇、融解水の移動は雪層温度の均一化、土壌の凍結・融解は土壌水分センサーの急降下により判別できる。

## （２）長期温度、土壌水分データの整備および解析

アラスカ北部の温度・水分変化状況についてデータを整理した。各観測点の気温、積雪、凍結に関する観測結果から、北方森林の方がツンドラより低温であるが、高度の高い山岳ではかえって温暖であることがわかった。これは高緯度域の強力な接地逆転層の存在によるためであり、冬期現場観測などでもしばしば蜃気楼が観察されることから強い温度成層の存在を知ることが出来る。このような強力な接地逆転層の形成と頻度が冬期の土壌の凍結に影響する。一方で積雪は土壌の冷却を妨げるため雪の状態が春の凍結状態に重要である。

土壤水分は海岸ツンドラとツンドラには15～20％の差がある。UAFサイトは地面一面をコケで覆われており土壌水分が多くなっている。

図(2)-3 アラスカ北部ツンドラにおける温度変化の季節サイクル.
図(2)-4 アラスカ北部北方森林（アラスカ大学）における夏期の土壌温度上昇と下降、凍結開始の様子。（AT80:気温80cm高さ、ST5：地温5cm深、ST10：地温10cm深）

## （3） 積雪広域分布と地表面凍結状況

アラスカ北部の積雪分布は、北方森林では1 m近くあるが、ツンドラでは20～30 cm程度である。また、また積雪期間は200～230日である。凍結期間はツンドラのほうが長い。また地域により差が大きく、210～270日の幅があった。地面の冷却状況については、積雪の多少の影響を受け、森林域の深い積雪下では冷却は-10℃程度まであるが、ツンドラ域の浅い積雪下では冷却は-20℃程度まで進んだ(図(2)-5)。

森林帯(ワイズマン)

地表面：森林域の深い積雪下では

ツンドラ(UT)

冷却は -10℃程度まで

ツンドラ域の浅い積雪下では

冷却は -20℃程度まで

図(2)-5 アラスカ北部北方森林およびツンドラにおける積雪下の地表面冷却.
表(2)-1 各観測点の気温、積雪、凍結に関する観測結果

2009年	北方森林带	ツンドラ帯
UAF	BC1	GC	TZ	SAT	UT	CT
標高(m)	247	348	433	692	1060	424	40
最低気温(℃)	-49.1	-43.1	-46.0	-39.6	-42.1	-45.4	-43.2
積算寒度(℃·day)	3731	3729	4594	3866	3866	4624	4573
最大積雪深(cm)	66*	110以上	72*	93	66*	36.5*	25
積雪時期	2008/9/22	2008/9/30	2008/10/4	2008/9/30	2008/10/2	2008/10/1	2008/10/5
積雪期間(日間)	201	231	211	228	207	206
凍結時期(日)	2008/9/25	2008/9/28	2008/9/30	2008/9/27	2008/9/19	2008/9/15	2008/9/27
融解時期(日)	2009/4/24	2009/4/27	2009/5/6	2009/4/28	2009/4/30	2009/6/2	2009/6/16
凍結期間(日間)	208	211	218	215	223	270	272
地温最低温度(℃)	-9.9	-5.7	-8.1	-7.9	-8.2	-19
停滞期間(凍結時)	38	19	4	14	39	32	56
停滞期間(融解時)	11	23	15	22	16	19

*は断面間即時の積雪深

#は仮の値(平均値)

$$ \begin{array}{l} 低温 ; 森林 > ツンドラ > 山岳 \\ 積雪 : 森林 > ツンドラ \\ 凍結期間 : ツンドラ > 森林 \\ 地面冷却 : 凍 -19( 沿岸ツンドラ )\sim-6\\ 凍結開始期 (0℃ 滞留期間 ): 凍 \end{array} 積雪期間 :200\sim230 日 $$

沿岸ツンドラ域では凍結開始期の0℃滞留期間が2ヶ月に及んだがこれは土壌水分のためである。積雪が少ないため、積雪の断熱効果がなく、その後の冷却は急速に進む。ツンドラでは融雪開始は遅いが、積雪が少ないため融雪期間は短い。各地の温度状況、積雪、凍結については表(2)-1の様になる。

各地の積雪深、気温記録から積算寒度、また地表面の温度が0℃以下の凍結期間について観測経路上に並べると図(2)-6のようになる。積雪深はツンドラで少なく、森林域では多い。積算感度はツンドラで大きい。アラスカ北部では4000℃・dayとなっており、北海道の東部の2倍以上である。アラスカ内陸域など最高気温は北海道と変わらないので、季節コントタスとの大きさと冷却の大きさが特徴的である。夏季の昇温も長くは続かず、8月には冷却が始まり、山間部や北部では降雪も起きている。
積雪深（cm）

積算寒度(°C·day)

凍結期間(day)

図(2)-6 アラスカ北部ダルトンハイウェイに沿った積雪深、積算寒度、凍結期間の状況.

## （４）森林・山岳・ツンドラの地表面温度・雪氷特性

積雪開始、融雪開始、積雪（融雪）終了、土壤凍結開始は衛星観測によっても推定できる。衛星データと組み合わせることにより水平分布の把握が可能であり、広域代表性も確認できる。また、現地観測データは観測年が短期であるが、衛星データと組み合わせることにより、長期の評価が可能となる。衛星データは宇宙航空研究開発機構（JAXA）のマイクロ波放射計データが、全天候性であり、過去約10年近いデータを蓄積している。マイクロ波による融雪検出方法は、木村ら（2006） $ ^{3)} $ により提案されている。これを用いて、アラスカの南北の融雪開始、終了時期の特徴を調べた（図(2)-7）。南から太平洋沿岸、アラスカ山脈、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）によって、冬季の積雪の多寡、融解開始および終了の早晚、初冬の凍結開始の早晚といったマクロな地域差が確認できる。このうち冬季積雪は、地表冷却を押さえ、融解終了から凍結開始は、土壌水分の増加（不凍結水の存在）と昇温が起きており、土壌中の生物活動ともかかわる。

## アラスカ南部

アラスカ南部では融雪開始は早いものの太平洋空の水蒸気の流入により積雪が多いこととアラスカ山脈という山岳域が存在するため、消雪まで時間がかかる。また高山のため初冬の降雪も早く、高山域を多く持つアラスカ南部では、積雪で覆われている期間が長い。しかし、冬季も温暖であるため、頻繁な融解も生じる。

## 中央部北方森林

中部の北方森林帯では、昇温も早くおこり積雪融解も早く進む。インターバルカメラによる観察では、樹木の存在と起伏に富む地形のために、広域融雪が進行する前に樹木周辺の融雪がすすみ、パッチ上の無雪域が春に存在する。これらの場所では地表面温度上昇や融雪水の浸透、蒸発
なども早めに進行していく。この地域は内陸であるため夏季の昇温もおこり、無雪地表面が長く存在できる。初冬には積雪期が始まる前に、地表面の凍結のほうが先に進行する。現地の地表面観測記録からも、積雪期が始まる前から地表面の冷却が進んでいくことがわかる。

## ツンドラ

北部のツンドラでは融雪開始は遅いが、積雪が少ないため融解が始まると早期に消雪する。また、現地での観測から、ツンドラ域では融雪開始は遅いものの、春には少ない積雪を通して、日射が地表に至り、積雪内部や地表面を温め始めており、内部昇温によるものと思われる積雪内部の蒸発と空隙の生成が生じている。ここで昇華した水蒸気は、低温な表面で凝結し氷膜を作る。このため積雪表面にできた透明な氷膜の内部では温室のような状態となって、地表の加熱を速めている可能性がある。

ツンドラ域では8月中にも降雪が起こり、9月後半からは根雪、地表面の凍結も開始する。衛星からはこういったことが判別できるが、沿岸ツンドラ域に設置した地温記録からは、多くの水分のため水分が凍結しきるまで1か月の期間を要する。この間の凍結の潜熱のため、地温の冷却が停滞する。凍結後、この停滞はなくなり、初冬から急速な地表面冷却が進むことが可能になる。初冬において、森林域では積雪がなくても凍結が進んでいくのに対し、ツンドラ域では積雪期が始まっていても地表面内部の水分の凍結のために時間を要しているといえる。

図(2)-7 アラスカ南北縦断（145° E）における積雪・凍結期間と無雪期間の比較．衛星マイクロ観測（衛星Aqua、AMSR-Eセンサー）による．色の違いは年度の違いを示す．

アラスカの広域における土壌の物理状態の季節変化とかかわる積雪・凍結の影響をマクロに解析したが、一方で、微小地形による不均一性の問題が生じる。これは現地観測の地点の選択や得られたデータの評価、モデルの検証や広域代表性の問題ともかかわってくる。ここでは、特に積雪深の分布に対する地形の影響について、斜面方向と傾斜といった地理情報と現地観測で得られた積雪分布のデータより、特徴を調べた。積雪分布は森林帯では北向き斜面、傾斜角度が緩やかな所で雪が多く積もり、山岳帯、ツンドラではその逆になる。
図(2)-8 アラスカ北部の地表の傾斜方向（左）、傾斜方向と傾斜による積雪深の変化（右）.

さらに、ツンドラ域で20m四方のなかに20か所の地表面温度、水分の観測をおこなって、不均一性を見た。ツンドラ域であるため、表面はほとんどタソクにおおわれ、タソクであるところとその間の部分という構成になっている。

どちらも地表面5cmまでの地温は、場所によるばらつきが大きかったが、10cm深になると場所による変動か少なくなった。しかし、水分はタソクであるかないかに関わらず、不均一性が多かった。地温は1～2℃の標準偏差であるのに対し、土壌水分のほうは多いときには標準偏差が20%以上にもなる。値の不均一性が大きい。図(2)-9にマイクロスケールの比較観測の場所と地表面の状態を示す。

このような不均一性の問題を解消するために、20m四方、50m四方といった小領域での多点観測の平均や分散の評価が有効であるが、その限界もあるため、この不均一性の問題の解決は課題として残る。

図(2)-9 アラスカ北部ノーススロープのツンドラ域における観測風景（Oill Spill Hill）（左）、表面を覆うタソクの状況（右）。比較的均一な混在状態が広がる。
## 観測全体について

本研究では、モデル計算やサンプル分析のために有効な情報を現地の観測から取り出すことにあった。アラスカ北部は、森林、山岳、ツンドラの気候帯を持ち、ブルックス山脈周辺ではわずか100kmのあいだにそれらが存在していること、さらにダルトンハイウェイの存在によりそれらの間のアクセスが容易であることなどの観測の利点があった。気候帯は森林、山岳、ツンドラの3つとそれらの遷移帯などにわけられ、それぞれの特徴的な情報を取り出すことが出来た。

モデル計算の入力や検証に利用できる、長期データが得られ、土壌サンプルも実施された。このような詳細観測点でプロセスのモデル再現が行われているため、その点での再現評価が得られている $ ^{4} $ 。これをどう広い領域にスケールアップするか、長時間サンプリングデータの空間情報もカバーできる手法の採用など、観測点数を増やさずに広域変化を解析する方法の開発が望まれる。衛星観測は直接、広域特性の観測が出来る手法である。今度は樹木の存在による鉛直方法の不可視性が問題になる。フェアバンクス森林域に最近設置されたタワーやアラスで活発に民間利用され、利用の容易な航空機などの利用が期待される。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

・本サブテーマによる観測から、高緯度地域の土壌温度の年間サイクル、また地域差が明らかになった。

・土壌の凍結融解には冬期の積雪の多寡が影響しており、気温とともに積雪によって冬期の冷却が抑制される、また積雪融解による水分供給が春の土壌水分に影響する。土中温度のプロファイルによる冷却の進行、各深さでの凍結開始と終了が確認できた。

・積雪内の温度センサーからは融解の開始、進行、終了が判別できた。冬期内陸の北方森林域の方が低温になるが、北方森林では積雪が多いため、土壌の冷却は抑制される、森林域のほうがツンドラより低緯度であるため春の気温の上昇により融解開始も早い。

・一方、北部のツンドラでは初冬の気温低下は早くから始まるが、多い土壌水分により初冬に0℃の状態が1カ月半に及び冷却が進行しない状態が確認された。凍結後、急速に冷却が深部に進行するがこれは低温であるとともに積雪が少ないためである。

・春の融解は遅くから始まるが、積雪が少ないため積雪の消失は早い。森林域とツンドラでの土壌温度分布、土壌水分の季節サイクルに積雪が関わっていることが確認できた。

これらは、土壌物理のプロセスを正確にシミュレーションするための検証データとして有効である。また、マクロおよびミクロに見た積雪分布の地域差は、永久凍土帯での凍結・融解現象の地域性や不均一性を示しており、広域での検討の際には、多点での観測から平均的な状態を取得することが必要であることを示している。

## （２）環境政策への貢献

＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

＜行政が活用することが見込まれる成果＞
本サブテーマの目的は複雑に変化する高緯度の森林域、ツンドラ域の土壌温度年間サイクルを精密に観測し、積雪との関係、土壌水分への影響を確認することである、これにより高緯度域での気候変動下での土壌圈の炭素ダイナミクスを知る上で、多様な気候帯が南北約1000kmの間に存在しているアラスカを観測及び実験フィールドとして、北極圈広域に応用できる基礎情報とモデル化への貢献ができる。北極圈の代表的な気候、地表面状態を効果的に観測することにより、北極圈、凍土域に対する正確な情報の提供とその変動の進行の仕方、実態の情報を提供することが出来る。

温暖化予測における気温変動だけでなく、積雪の高精度化の必要性など、将来気候予測の高精度化に観測サイドからの提案と、精度検証、不確定性の確認をおこなうことができる。

観測活動を行なったアラスカ北部のダルトンハイウェイはアラスカパイプラインにそって設置された、北極海につながる幹線道路である。この道路の維持と周辺の開発や、環境への影響などはアラスカ州では監視されており、気象、雪氷条件は価値がある。また、長期環境モニタリングサイトとしてツンドラ域にToolik Lake 気候観測ステーションがあるが、本研究の資料はその周辺での広域特性を表すことができ、モニタリングサイトの代表性確認にもつながる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

本サブテーマで実施されているアラスカ北部の温度環境・土壌水分・積雪深の観測は、アラスカ大学との共同研究により実施されている。また、他の地域での広域積雪観測を実施している米国CREEL(Cold Regions Environment and Engineering Laboratory)のStrum博士、カナダ環境局(Environmental Canada)のDarkson博士との観測活動情報の交換と効果的なデータ取得の方策の意見交換をおこなった。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) M. MORI, T. ISE, M. KONDO, Y. KIM, H. ENOMOTO and M. UCHIDA: Open Journal of Ecology 2, 2, 90-95, (2012)

"The effect of the feedback cycle between the soil organic carbon and the soil hydrologic and thermal dynamics"

2) Y. KIM, S-D. KIM, H. ENOMOTO, K. KUSHIDA, M. KONDO, and M. UCHIDA: Alaska, Polar Science, 7, (2013) “Latitudinal distribution of soil $ CO_{2} $ efflux and temperature along the Dalton Highway” (in press)

## くその他誌上発表（査読なし）>

1）中村文彬，榎本浩之，金龍元，佐々木孔明：北海道の雪氷，第29号，49-52.(2010)

「アラスカにおける冬季地表面の冷却過程の観測結果」

2）N. ALIMASI，高橋修平，榎本浩之，金龍元：北海道の雪氷，第29号，57－60.(2010）「アラス
力における凍結路面の光学的特性観測」

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 中村文彬, 榎本浩之, 金龍元, 佐々木孔明: 日本雪氷学会北海道支部発表会, 札幌, 2010「アラスカにおける冬季地表面の冷却過程の観測結果」

2) 榎本浩之，金龍元，佐々木孔明，舘山一孝，谷川朋範，木村しずか，門崎学，斉藤佳彦，ヌアスムグリ アリマス，中村文彬：雪氷研究大会，仙台,2010.

「北極圈ツンドラ・森林域の広域積雪調査－アラスカにおける積雪データの収集とマイクロ波観測実験－」

3) 中村文彬, 榎本浩之, 金龍元, 佐々木孔明 : 雪氷研究大会, 仙台, 2010. 「アラスカにおける冬季地表面の冷却過程の観測」

4）中村文彬，榎本浩之，茂手木勇紀，Nuerasimuguli Alimasi，金籠元，舘山一孝：第33回極域気水圏シンポジウム，東京，2010.

「北極圈における融雪時期の解析 〜アラスカ観測より〜」

5）榎本浩之，佐々木孔明，金龍元，ヌアスムグリ アリマス，中村文彬：第33回極域気水圏シンポジウム，東京,2010.

「北極圈の積雪分布の広域調査および衛星観測」

6) H. ENOMOTO, K. SASAKI, Y. KIM, K. TATEYAMA, S. KIMURA, N. ALIMASI, F. NAKAMURA, T. TANIKAWA, G. KADOSAKI, Y. SAITO, S. TAKAHASHI: The $ 2^{nd} $ International Symposium of Arctic Research, Tokyo, 2010.

“Field Survey and AMSR-E Retrieval of Snow in the Forest and Tundra in Alaska”

7) H. ENOMOTO, K. TATEYAMA, H. SHIBATA, K. SASAKI, Y. TANAKA, Y. KIM, N. ALIMASI, F. NAKAMURA, S. TAKAHASHI: The $ 2^{nd} $ International Symposium of Arctic Research, Tokyo, 2010. "Land—Sea Connection of Snow and Ice Conditions in the Arctic"

8) 榎本浩之，内海真生，内田昌男，伊勢武史，森健介，近藤美由紀，ヌアスムグリ アリマス，佐々木文彬，金龍元：第3回極域科学シンポジウム，東京,2012.

「アラスカ広域の積雪および土壌温度・水分の季節変化 - 土壌分解とモデリングのための基礎物理情報取得 -」

9) T. ISE, N. KATO, H. ENOMOTO, M. KONOD, and M. UCHIDA: American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, United States, 2010,

“Constructing a Depth-Structured Model for Soil Organic Carbon: Dynamics of Past, Current, and Future Accumulation and Decomposition”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。