Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
内堀の場合も、鉱床に到達するトンネルを巻の巣のように張り巡らせ探掘し、探掘方法によっては地表部の陥没を引き起こすため、露天掘りと同様に環境への負荷が発生する。

最近の研究では、金属が生産されるまでに排出された廃棄物量も勘案すべきだとして、フロー全体での環境負荷を測る試みもなされている。これは、隠れた物質フロー、エコロジカル・リュックサックやTMR（関与物質総量）と呼ばれ、土地の改変量としてズリや廃石の量だけでなく、鉱山から半永久的に流出するAMD（酸性鉱排水）による負荷や、鉱山開発全体における生態系への影響なども含めた総合的な環境負荷として算出された例が出つつある。その他にも、重機やプラントからの粉じんや排気ガスによる大気への影響、地下水の汚染や枯渇、発破による振動の影響など、程度の差は鉱山によって様々であるが鉱山開発には一定の環境破壊と負荷が避けられない面がある。

資源の採掘量を減少させることには、採掘と製錬にともなうこのような環境負荷を減少させることにダイレクトに影響を与える。また、そもそも資源は地球上で有限であることには変わりなく、将来世代に引き継ぐべき資産であることも考え合わせると、3Rの促進が持続可能な資源利用につながる一つの手段であることは間違いない。

資源開発の観点からも将来の課題とされている点は多い。鉱山は開発が容易で費用が安いところから開発されるため、今後残されている鉱床は開発がさらに困難な場所が残されてくる。例えば、現在の鉱山開発で課題となっている事項を列挙すると、鉱石に含まれる不純物が多くなってきたこと、鉱石の品位が低下してきたこと、新しいタイプの鉱物を処理しなければならないこと、鉱床にたどりつくまでの道路や鉄道などのインフラが整備されていないこと、鉱床の位置が地中深くになり露天掘りでは対処できず効率が悪い坑内堀で採掘しなければならないことなど、すでに世界各地の資源国でその兆候は出始めている。今後、これらに対処するための技術開発が必要であるが、実験室での小規模な実験では可能でも、鉱山での処理量が膨大となるため抜本的な新技術の適用は難しく、坑内堀での大規模操業例はまだ少ない。また、将来的にたとえ適用されたとしても生産費用が大幅に上昇することは避けられず、生産費用の増加は資源価格の上昇または高値維持を引き起こすと考えられるだろう。さらなる資源高までを勘案すると、現時点で3Rを推進することが経済性の面で折り合わなくとも、将来的には大幅に緩和される施策も多くなることが期待できる。それに遅れないように現時点から、3Rの制度と技術を整える努力を継続することが、世界的にも求められる。

これらのことを本研究のレアメタルフローの見える化と合わせて考えると、日本が資源や加工品をどのような国や地域から調達しているかが明確となることは大変重要である。日本の資源確保のリスクを考えた場合、調達先が単に多くの国や地域に分散していることがそのままリスクを低減させるわけではなく、各国のカントリーリスクとともに、我が国との友好度も加味して考える必要が
ある。また、部品の調達先は多様であっても、その元となる資源供給国が限定されていることなど、資源のサプライチェーンを一覧できるようになることから、資源確保のボトルネックが明確になる点もフロー見える化によって明らかになる重要な点である。中間投入財と最終製品を生産する国と最終消費をする国が連携・協同することによってバーゲニングパワーを増し、資源ナショナリズムが高まる資源生産国との交渉をより有利に進め、資源確保につなげることも、今後重要な資源政策になると考えられる。

さらに、環境負荷の観点からは、金属生産にともなう環境負荷のトレーサビリティを測るきっかけを与えることが期待できる。各資源供給国での主な採掘方法や環境対策、閉山後の対策、資源開発に関する制度・法律などについてさらに調査を進めて、環境負荷に関する要因をさらに加えることで、消費する金属の総合的な環境負荷を測り、今後の資源開発への投資先も含めて、より負荷の少ない金属を消費するような方策を立てることも今後重要となってくる。

一方で、社会的も大きく取り上げられたことから、近年レアメタルに関する分析が多くなってきているが、従来から大量に消費されているベースメタルについても注視する必要があることについて述べる。多くのレアメタルに共通する特徴として資源生産が特定の地域に偏在していること、短期的な世界情勢や製品需要の急増に大きな影響を受けること、レアメタルを使用する製品サイクルの早さなどをあげることができる。また、中期的にみれば企業の技術開発によって金属の代替や省資源化が可能な用途もある。加えて、金属としての市場の流通量が少なく、市場規模が小さいことは価格の変動が大きくなる要因となっている。このためレアメタル需要の長期的な見込みを立てることが困難であり、レアメタルを採掘する資源産業側からの視点では、ベースメタルと比較して取引額の割に非常にリスクが高い鉱山開発となる。これが多国籍資源企業の大手メジャーがレアメタルの鉱山開発に消極的な理由であり、そのため開発は地域の小規模な企業にゆだねられることが多い。鉱山開発企業が小規模であることは、投資が少なく新しい開発が進まないだけでなく、供給の不安定さが増す原因にもなる。生産計画の透明性も確保されていないことから、消費側の材料調達のリスクが一段と増す要因につながる。これに付け加えて中国のように国による生産や輸出調整が行われ政治リスクが高い金属についてはさらに調達リスクは高くなり、レアアース問題として顕在化してきた。

一方で、銅・亜鉛などのベースメタルは過去より大量に生産され大量消費が続いてきているため、世界中で新たに大規模で高品位な鉱床が発見されることが非常に希になってきている。すでに述べたように、鉱石に含まれる金属品位の大幅な低下、不純物や毒性の高い重金属の混入などが新規に開発される鉱山の大きな問題点となってきているのが現状である。これはベースメタルの従来型の鉱床が枯渇に近づいて来ている兆候ととらえることもできよう。また、レアメタルのうちコバルト、
モリブデン、ガリウム、インジウムなどはベースメタルの副産物として産出されるため、ベースメタルの生産動向に大きく左右される。それに対してその他のレアメタルは、その金属種の性格にもよるが、多くは未探査あるいは資源として価値がないものとみなされ未開発に終わってきた地域が世界にはまだ多く残されており、レアメタルの開発・精製技術にも改善の余地が多く残されていると考えられる。今後の探査や技術開発によっては資源が追加されることが期待できる点で、カントリーリスクを除外して資源の供給のポテンシャルだけを見るとベールメタルより余裕がある金属も多いと考えられる。

以上を鑑みると、短期的な国際情勢や資源ナショナリズム、対中国などの地政学的要因を主な課題であると考えるならば、レアメタルは戦略的な武器となり我が国にとってはその安定的な確保は製造業の生産を守るうえで非常に脅威となるが、長期的に資源の持続的な確保を考える際には、国内・国際的な3Rも含めてベースメタルの持続的な供給も視野に入れて総合的に検討すべきであると言えよう。
### 6. 研究発表

## 論文発表

[1] Shigemi Kagawa, Shinichiro Nakamura, Yasushi Kondo, Kazuyo Matsubae, Tetsuya Nagasaka, Forecasting Replacement Demand of Durable Goods and the Induced Secondary Material Flows: A Case Study of Automobiles (2014), Journal of Industrial Ecology (Forthcoming) (IF@2012 = 2.276). （查読有）

[2] Yasushi Kondo (2014) Triangulation of input-output tables based on mixed integer programs for inter-temporal and inter-regional comparison of production structures, Journal of Economic Structure (Forthcoming). （查読有）

[3] Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa, Yasushi Kondo, Sangwon Suh, Yosuke Shigetomi, and Yuko Oshita (2014) Global flows of critical metals necessary for low-carbon technologies: the case of neodymium, cobalt and platinum, Environmental Science & Technology (IF@2012 = 5.257), 43(3), 1391-1400. （查読有）

[4] Shigemi Kagawa, Klaus Hubacek, Keisuke Nansai, Minori Kataoka, Shunsuke Managi, Sangwon Suh, Yuki Kudoh (2013) Better cars or older cars?: Assessing $ CO_{2} $ emission reduction potential of passenger vehicle replacement programs, Global Environmental Change (IF@2012 = 5.236), 23(6), 1807-1818. （查読有）

[5] Shigemi Kagawa, Shunsuke Okamoto, Sangwon Suh, Yasushi Kondo, and Keisuke Nansai (2013) Finding environmentally important industry clusters: Multiway cut approach using nonnegative matrix factorization, Social Networks (IF@2012 = 3.381), 35, 423-438. （查読有）

[6] Shigemi Kagawa, Sangwon Suh, Yasushi Kondo, and Keisuke Nansai (2013), Identifying environmentally important supply chain clusters in the automobile industry, Economic Systems Research (IF@2012 = 2.098), 25(3), 265-286. （查読有）

[7] 南斉規介、近藤康之、加河茂美 (2013)、（解説）GLIO を用いたグローバル環境負荷原単位データベースの開発、日本 LCA 学会誌、9(2)、101-107.（査読無）

[8] Ryu Koide, Chiharu Tokoro, Shinsuke Murakami, Tsuyoshi Adachi and Akihiro Takahashi (2012) A Model for Prediction of Neutralizer Usage and Sludge Generation in the Treatment of Acid Mine Drainage from Abandoned Mines: Case Studies in Japan, Mine Water and the Environment (IF@2012 = 0.982), 31(4), 287–296. （查読有）
## 学会等発表

・南齋規介、中島謙一、加河茂美、近藤康之 (2014)、日本のマテリアルフローフットプリント、第9回日本LCA学会研究発表会、2014年3月4～6日、東京.

・近藤康之、南斉規介、中島謙一、加河茂美 (2014) 我が国における耐久財使用に係るネオジム、プラチナ、コバルトの国際貿易フローおよび技術的見地からの Hotspot の可視化、第 9 回日本 LCA 学会研究発表会、2014 年 3 月 4～6 日、東京.

• Nansai K., Kagawa S., Kondo Y., Nakajima K. (2013) Estimate of rare metal footprints for Japanese products with a global link input-output model. SETAC Europe 19th LCA case study symposium, Roma, Italy.

• Shigetomi Y., Nansai K., Tohno S. (2013) Environmental footprints of households from the viewpoint of an aging society with fewer children. SETAC Europe 19th LCA case study symposium, Abstracts, 78-79, Rome, Itarly.

• Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa, Yasushi Kondo and Sangwon Suh (2013) Characterization of Global Flows of Rare Metals and Their Relation to Japan's Economy, Book of Abstracts of 21th International Input-output Conference, p77, July, Kitakyushu, Japan.

• Shigetomi Y., Nansai K., Tohno S. (2013) Future Projection of Global Greenhouse Gas Emissions Associated with Japanese Household Consumption with a Global Link Input-Output Model. 21th International Input-output Conference, Abstracts, 100.

• Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa, Yasushi Kondo and Sangwon Suh (2013) International shared responsibility for enhancing global material efficiency of rare metals, Proceedings of 7th International Conference on Industrial Ecology, 520(CD-ROM), June, Ulsan, Korea.

• Shigetomi, Keisuke Nansai, Susumu Tohno (2013) Change in consumption-based greenhouse gas emissions and energy consumptions from households associated with the future transition of household composition in Japan, Proceedings of 7th International Conference on Industrial Ecology, 440(CD-ROM), June, Ulsan, Korea.

• Keisuke Nansai (2013) (Keynote speech) Characterisation of global flow of rare metals in order to promote the sustainability of global resources, Rare Earth Minerals Symposium, May, Brisbane, Australia.

• Yasushi Kondo, Kenichi Nakajima, Shinichiro Nakamura, Kazuyo Matsubae, Tetsuya Nagasaka (2013) Simultaneous material and substance flow analysis: An extension of WIO-MFA and its application to effective recycling of steel alloys. The 7th International Society for Industrial Ecology Biennial Conference, June 25–28, 2013, Ulsan, Korea
• Yasushi Kondo, Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa (2013) Visualizing international bilateral material flow of neodymium, platinum and cobalt associated with use of durable goods in Japan and detecting bottlenecks in the supply chains from technology perspectives. World Resources Forum 2013, October 6–9, 2013, Davos, Switzerland

• Yasushi Kondo, Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa (2013) Visualizing international bilateral material flow of neodymium, platinum and cobalt associated with use of durable goods in Japan and detecting hotspots in the supply chains. 3R International Scientific Conference on Material Cycles and Waste Management, March 10–12, 2014, Kyoto, Japan

• Tsuyoshi Adachi and Kazuya Uzawa (2013) Risk indicators of materials supply for future photovoltaic expansion – the case of silver -, World Mining Congress 2013, August, Montreal, Canada.

• Keisuke Nansai, Shigemi Kagawa, Yasushi Kondo, Kenichi Nakajima, Sangwon Suh (2012), Green technologies and their global resource dependency: Material flow analysis using a global link input-output model, 20th International Input-output Conference, June, Bratislava, Slovakia.

• Keisuke Nansai, Kenichi Nakajima, Shigemi Kagawa, Yasushi Kondo, Sangwon Suh (2012), International Material Flow Analysis on Green Technologies with a Global Link Input-Output Model, Proceedings of The 10th International Conference on EcoBalance, CD-ROM (C2-11), Nov., Yokohama, Japan.

・南斉規介、中島謙一、加河茂美、近藤康之 (2012)、貿易に伴うレアメタルの国際移動と日本経済との関係、第8回日本LCA学会研究発表会、2013年3月、滋賀.

• Yasushi Kondo, Anders Hammer Strømman, Shigemi Kagawa, Keisuke Nansai (2012) Path-based Matrix Decomposition Analysis: Theory and Application. Presented at the 20th International Input-Output Conference, June 2012, Bratislava, Slovakia

• Yasushi Kondo, Anders Hammer Strømman, Shigemi Kagawa, Keisuke Nansai (2012) Structural Understanding of Production Network by Visualizing Inter-sector Carbon Flow: A Path-based Matrix Decomposition Analysis. Presented at the 10th International Conference on EcoBalance, November 2012, Yokohama, Japan

• Kenichi Nakajima, Keisuke Nansai, Kazuo Matsubae and Yasushi Kondo (2012) Global flow of metals and phosphorus: Identifying its network structure and implication for sustainable resource management. MFA - ConAccount Section Conference 2012 (September 26 - 28, 2012 Darmstadt, Germany)

### 7. 知的財産権の取得状況
環境研究総合推進費補助金「国際的な資源依存構造に着目したレアメタルに関する3R効果評価手法の開発(3K122024)」(平成24～25年度)

## 研究背景と目的

国際サプライチェーンを含む包括的な資源依存の実態を踏まえ，3Rがどれだけ資源依存の安定性に貢献するかを定量的に示す新たな指標を開発し，主要なレアメタルを対象にその指標を計測（見える化）することを目的とする。

## 研究方法

【構成課題】

課題①: レアメタルの国際マテリアルフローの実態把握とわが国との構造的関係性の解明

課題②: 資源依存の安定性評価の枠組設計と定量化手法の開発

課題③: 3R活動を対象とした資源依存安定性指標の計測

## 主な成果

[1] レアメタルの国際フローの同定

低炭素技術に必要なレアメタルを対象とした世界231の国や地域を含む国際マテリアルフロー分析手法の開発（国際貿易データ，製品別元素含有率，国別マテリアルバランス調整のための数理計画法を使用）（図はネオジムの推計例）

[2] 日本の最終需要が誘発したレアメタル国際フローの抽出

GLIO (Global link input-output model) に推計した国際マテリアルフローデータに組み込み，世界全体のフローから日本の最終需要が依存するフローのみを検出（図はネオジムの事例）

[3] レアメタル利用の量と質に着目した「見える化」の指標とネットワーク理論を活用した構造解析手法の開発

レアメタルフローにおける

Hotspot（レアメタル利用が

ND hokeotflows within and between clusters

集約的な貫易国群）の検出

視認性の高い国際フローの可視化手法

3Rによる国際依存量の軽減効果指標

Rank	Sector num	Sector name	Risk-weighted induced global flow	World share
[%/M-JPY]	[-]
1	JD230	その他の電気機械器具	5.45E-06	1.19E-07
2	JI242	電子計算機付属装置	5.91E-07	1.29E-08
3	JD270	医療用機械器具	4.85E-07	1.06E-08
4	JI274	情報記録物	3.06E-07	6.67E-09
5	JI241	電子計算機本体（除パソコン）	2.77E-07	6.04E-09
6	JD248	その他の電子部品	2.49E-07	5.44E-09
7	JI240	パーソナルコンピュータ	2.08E-07	4.55E-09
8	JD254	自動車部品	1.63E-07	3.51E-09
9	JI237	携帯電話機	1.46E-07	3.19E-09
10	JI205	金属工作機械	1.21E-07	2.63E-09
Japan’s dependence on international supplies of rare metals up to year 2035 were analyzed.
課題名 2RFa-1201 衛星データを複合利用したモデルーデータ融合による陸域炭素循環モデルの高精度化

課題代表者名 市井 和仁 （独立行政法人海洋研究開発機構地球表層物質循環研究分野）

研究实施期间 平成24～26年度

累計予算額 35,045 千円（うち 26 年度 11,480 千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキーワード 陸域炭素循環、水循環、陸域炭素循環モデル、モデル・データ融合、最適化、リモートセンシング、北極域、アジア

## 研究体制

(1)衛星観測・地上観測データと陸域炭素循環モデルの統合手法の構築（独立行政法人海洋開発研究機構）

(2)衛星データを複合利用した陸域プロダクトの構築(独立行政法人海洋開発研究機構)

(3) アジア地域における衛星データ利用型陸域モデルの改良と陸域生態系変動の把握

（国立大学法人筑波大学）

(4) 北極域における陸域生態系変動の把握 (公立大学法人大阪府立大学)

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

グローバルスケールの温暖化予測においては、予測の不確実性を与える一要因である陸域炭素循環のより正確な把握が求められている。また、地域スケールでも、森林による炭素収支の把握と管理、将来の気候変動に対応した陸域植生の変動予測などの政策決定のために炭素循環の把握が先進国・途上国において急務となっている。陸域炭素循環をより正確に把握・理解するために、サイトにおける観測、衛星観測、陸域生態モデルングなどの様々な手法を統合する試みが行われている。これらの達成には、(1)サイト観測を衛星データにより広域化(スケールアップ)して、広域プロダクトを構築する、(2)広域プロダクトを陸域生態系モデルに用いることでモデルの改善を行う、の2ステップが必要である。

衛星観測データをベースにした陸域プロダクトの構築はいろいろと進みつつある状況であり、いくつかのプロダクトも公開されている。例えば、Terra衛星搭載のMODISセンサを利用した植生指数・葉面積指数等がある。その他GOSAT衛星からの陸域CO₂収支やクロロフィル蛍光を利用した光合成量などの最新のデータも利用できる。これらのプロダクトについてはグローバルスケールで様々なプロダクトが作成されてはいるが、検証が十分にされていない、陸域炭素循環モデルの高精度化において、いくつか必要なプロダクトを構築できる余地がある、などの問題が残っている。

このような陸域プロダクトを利用した陸域モデルを改善する試みやデータとモデルを融合させる研究（データ・モデルフュージョン）はいくつか試みられているが、まだ初期段階である。例えば、衛星観測ベースの広域蒸発散，光合成量をモデルの制約として用い、植生の根の深さや最大光合成速度等を逆推定したモデル改善が進められている。しかし、これらは陸域モデル内の一部パラメータのみの改善にとどまっている。すなわち既往の研究は、ある特定のパラメータやプロダクトに着目したものであって、様々な衛星プロダクトを用いて統合的に陸域モデルを改良するものではなかった。

本研究では、様々な衛星プロダクトを有効利用したデータ・モデル融合を通した陸域炭素循環モデルの高精度化を目標とした。まず、様々な衛星プロダクトを調査し、モデル制約に利用するデータ項目を選定、もしくは、必要なデータセットの構築または高精度化を試みた。その上で、データ・モデル融合型の陸域炭素循環モデルのフレームワークを構築し、モデルを構築した。さらに、構築されたモデルやデータを用いて、炭素収支変動において将来重要な役割を果たすと想定される、アジア域や北極域に着目し、特に炭素収支を規定する事象の把握、変動の把握を行った。本研究の概要を図1に示す。
図1. 本研究課題の概念図。

### 2. 研究開発目的

本課題では、様々な衛星プロダクトを有効利用し、データ・モデル融合を通した陸域炭素循環モデルの高精度化を目的とする。具体的には、（1）既存の利用可能データを有効利用した陸域炭素循環モデル改善への道筋を立て、陸域炭素循環モデルを高精度化する、（2）データ融合実験を行い、新規モデルから期待出来うる科学的知見を模索する、（3）完成されたモデルを用いて陸域炭素循環の過去～将来の変動を再評価する、（4）陸域炭素循環研究において必要であるが欠如しているデータ項目の抽出とデータ構築、という点を目的とする。

### 3. 研究開発の方法

## (1) 衛星観測・地上観測データと陸域炭素循環モデルの統合手法の構築

観測データと陸域炭素循環モデルの融合のためのフレームワークを構築し、それを基にした陸域炭素循環モデルを構築した。陸域炭素循環モデルBiome-BGCモデルをベースにして、衛星観測された葉面積指数(LAI)を入力とするモードの追加、個々のサブモデルの改善、といった改善を施したのちに、様々な広域データを制約にしてパラメータ最適化を行うルーチンを追加した。パラメータ最適化にはLevenberg-Marquardt法を利用した。

構築したモデルを用いて、データーモデル融合実験を実施した。例えば、陸域炭素循環モデルの雪サブモデルに着目し衛星観測を含む観測データとの比較検証、地上観測データと衛星観測データを組み合わせて機械学習（サポートベクタ回帰、SVR）を用いて経験的広域推定された蒸発散量や光合成量などのプロダクトを制約に用いた植生の根の深さや最大光利用効率などの逆推定などである。これらを通してモデルによる陸域炭素・水フラックス推定の改善を試みた。

観測サイトスケール、広域スケールのモデル実験を通して、陸域炭素循環理解のために必要なデータ項目の抽出を行った。さらに、本研究で構築が可能なデータセットについては、データの構築と独立なデータを用いた相互検証を実施した。本研究では、グローバルスケールの林齢データの構築、2種の純生態系生産量(NEP)データの相互比較を実施した。

## (2) 衛星データを複合利用した陸域プロダクトの構築

本研究ではプロダクトの構築を行うために複数の衛星データを収集した。これらの衛星データを用いて北方林のLAIプロダクトとフェノロジープロダクトを作成した。LAIの推定に関してはシベリア・アラス力地域でそれぞれの地域に最適なLAI推定アルゴリズムを適用して推定を行った。シベリアにおいては、サブ課題代表担当者が構築した手法を適用して1998-2012年までの葉面積指数プロダクトを作成した。アラス力に関しては現地調査で収集したクロトウヒの森林構造データや林床反射率情報を三次元植生放射伝達モデルに入力し、葉面積指数と赤・近赤外反射率の関係を計算してルックアップテーブルを作成し、そのテーブルを参照して葉面積指数を推定した。

## (3) アジア地域における衛星データ利用型陸域モデルの改良と陸域生態系変動の把握

アジア域を対象として、衛星データ利用型陸域モデルによるシミュレーションとモデルの改良を行い、特に、
様々な衛星観測ベースのデータによって、どの程度モデルの結果が改善するかを検討しつつ、アジアにおける潜在的に将来の環境変動が大きい地域に着目して現象の解明を行った。アジアを地域に切り分けて入力データ評価やモデル改良を行い、それらをまとめる形で広域シミュレーションを行った。重要性の高い地表面データの評価・改良、各地域で重要視される生態系プロセスの新規導入を行い、そこで得られた科学的知見を基により高精度な“過去～将来の広域シミュレーション”へとつなげた。

## (4) 北極域における陸域生態系変動の把握

アラスカ域における21サイトのタワーフラックス観測データを収集し、CO_{2}及びエネルギーフラックスのデータベースを構築した。構築したデータベースと衛星観測等から得られる環境変数（植生指数、表面温度、日射量、土地被覆分類、火災履歴、アルベド）との対応関係を構築し、機械学習型の経験モデル（サポートベクタ回帰）を構築した。構築された経験モデルと広域の入力データを用いて、アラスカ域を対象として総一次生産量（GPP）、生態系呼吸量（RE）、純生態系交換量（NEE）、顕熱フラックス、潜熱フラックス、純放射量を推定した。

北極域全体をカバーできるCO₂・エネルギーフラックステータとして、FLUXCOMプロジェクトにより構築されたプロダクトを検証した。FLUXCOMプロダクトは、複数の経験モデル手法のアンサンブル平均をとったものであり、信頼性の高いCO₂・エネルギーフラックス推定を目的としている。本課題でアラスカ域を対象として用いたサポートベクタ回帰も経験モデルの一つとしてFLUXCOMプロダクトの構築に利用されている。

上記の経験的手法による広域プロダクトを用いて、北極域において北極域のプロセスを組み込んだBiome-BGCモデルを最適化し、北極域におけるエネルギー・水・炭素収支の再現性を評価した。このモデルは、北極圈特有のサブモデルをサブ課題1に提供して構築されたモデルである。寒冷圏に特有のプロセスとして、簡易的な永久凍土モジュール、火災における植生の変化などを導入している。本課題では衛星プロダクトを利用して既往のモデルパラメータを最適化し、再現性を高めることを目的としている。

### 4. 結果及び考察

## (1) 衛星観測・地上観測データと陸域炭素循環モデルの統合手法の構築

本課題では、様々な観測データを制約に用いることのできる「データ・モデル融合型陸域炭素循環モデル」を構築した。現状の様々な陸域炭素循環モデルおける問題点として、①観測データの不足：様々な地上観測サイトは整備されているが、全球をカバーするのには不十分、②無限に存在するパラメータの組み合わせ：観測されるパラメータの数に対してモデル内に含まれるパラメータは膨大であり、観測を再現可能なモデルパラメータの組み合わせの自由度が非常に高い、③パラメータチューニングが手作業：多くのモデルではモデルパラメータの調整（チューニング）には手作業で客観性に乏しい、④アルゴリズムの不確実性：モデル毎に使用する計算アルゴリズムが大きく異なり、どのモデル表現が最良であるかの判断が必要であること、などの潜在的な問題がある。

これらの潜在的な問題を軽減することを目指して設計されたデータ・モデル融合型モデルの概念図を図2に示す。本モデルの特徴としては、①種々の衛星プロダクトの利用：多くの衛星データをモデルの制約に利用することで様々な物理量に関しての再現が可能になること、②モデル—データ融合手法の優位性：独立性の高いサブモデルに分割することによりパラメータの自由度が低く高速なパラメータが可能になること、③種々のモデルの統合化：既存のいくつかの陸域炭素循環モデルのアルゴリズムの比較を通じて最良であると判断されるアルゴリズムの選択を行うこと等を挙げることができる。利用可能な衛星データプロダクトも合わせて図2に記載した。

次に、モデルーデータ融合モデルの実験として、AsiaFlux, FLUXNETなどのタワー観測と衛星データで広域化した蒸発散の季節変動を拘束として、モデルで定義される根の深さを逆推定し、顕著な空間分布が見られた。図3(a)から、1m以上の根の深さは特定の乾燥地域に多く見受けられた。特にインドシナ半島近辺では衛星データより推定された蒸発散の季節変化をモデルで再現するためには、3m以上の根の深さが必要であることが分かった。一般に利用されている土壌インベントリのデータ(土壌深など)においては、これらの地域では1～2mであり、それらの値を利用すると蒸発散の季節変化を再現することが困難であった。熱帯地域において根の深さが深く推定された地域においては、雨季と乾季が比較的明瞭であり、乾季においても土壌などに保持された水によって光合成・蒸発散が可能であると推測される。また、シベリアなどでは2m程度の深さが推定されているが、これらの地域では凍土の融解などによる水の供給のために植生成長期間においても光合成や蒸発散が維持されると考えられる。これらを再現するためには、モデルで凍土の影響を考慮することが必要である。また、光合成サブモデルに含まれるパラメータの最適化を行うことにより、光合成に関連したパラメータ（最大光利用効率）の空間分布がより現実的になった（図3(b)）。例えば、中国やインドに広がる耕作地については、肥料や灌溉などがあるために、最大光利用効率が大きくなるのは妥当である。根の深さや最大光合成量については、他の陸域炭素循環でも共通して適用できるため、本研究で得られたパラメータの空間分布は高い拡張性を持つ。

さらに、本課題のモデルーデータ融合における必要なデータ項目のうちNEPと林齢の全球マップの構築と評価を行った。本課題で推定した全球林齢マップは人為活動を指標化したHuman Influence Indexと火災の強度を組
み合わせて試作した。顕著な特徴として、100年以上の林齢分布が北アメリカ北部、南アメリカ中央部、シベリア中央部に見られた。一方、北アメリカ中部から南部、ヨーロッパ、東アジア等の人為活動が活発な地域では低い林齢分布が見られた。実測された林齢を基に構築した広域データ（北米と中国のみ存在）と比較したところおおよそ整合していた。NEPについては、FLUXNETと衛星データを組み合わせた経験的広域化により推定したものとGOSAT衛星レベル4Aプロダクトの推定結果の比較をした結果、中高緯度については生態系純生産量の季節変化や振幅が一致していた（図4）。低緯度域・熱帯域では両者にはバイアスがあった。従って、中高緯度域については、SVR、GOSATプロダクトともに信頼性が高く、高空間解像度（現時点では最高1km）を持つSVRプロダクトが有用である。熱帯域については現時点ではSVRに改善の余地があり、サイトを増やすことなどが必要である。

今後充実させるべきパラメータとして、NEP、林齢、バイオマス、土壌（土壌深、土壌炭素量）が必要であると結論づけた。NEPに関しては種々の推定(トップダウン推定・ボトムアップ推定)の比較をさらに深める必要がある。

図2. 本研究におけるデータ—モデル融合のフレームワークと利用可能な衛星データプロダクト。吹き出しは既存の衛星プロダクト（白）、本研究で構築した衛星プロダクト（黄）を示す。

図3.データ—モデル融合実験によって逆推定されたパラメータ、(a)根の深さ(b)最大光利用効率の空間分布

図4. 経験的広域化プロダクト(SVR)とGOSATレベル4Aプロダクトの大気—陸域CO $ _{2} $ 交換量の比較
## (2) 衛星データを複合利用した陸域プロダクトの構築

収集した衛星データを用いてLAIとフェノロジーのプロダクトを構築した(図5)。本サブテーマでMODISデータをベースにして新たに構築したLAI推定値の検証の結果、MOD15は地上観測値よりも大きい傾向にあり樹冠LAIを過大推定している事が明らかとなった。一方で、今回新たに推定したLAIは、より地上観測値に近い値となった。これはアラスカのクロトウヒの適切な林床反射率を用いて放射伝達モデルでルックアップテーブルを作成することで精度向上が見られたことを示している。本研究で推定された2011年7月のLAIと地上観測値との平均二乗誤差は0.47（誤差±33%）であった。この値はMOD15 LAIよりも小さく、本研究で構築したアラスカの常緑針葉樹のLAI推定値が既存の衛星プロダクトよりも高精度に推定できることが明らかとなった。フェノロジー推定結果に関しては、SPOT-VEGETATIONとTerra-MODISに3つのフェノロジー手法を適用して推定した展葉日と地上カメラデータから算出した展葉日を比較した結果、どの衛星データ・手法にも推定値にばらつきが見られた。また、他の手法と比較して明らかに高精度に推定可能な手法、衛星データの組み合わせを見出すことはできなかった。一方で、今回推定を試みた衛星データ・手法による展葉日の平均値を地上データと比較した結果（図6）、相関係数R=0.64と両者に比較的高い相関が見られた。この比較結果から、衛星データを用いて展葉日を高精度に推定するためには、できるだけ複数の衛星データ・手法を用いて展葉日の推定を行い、その平均値を計算することで代表性高い展葉日が推定できるとの結論に至った。落葉日に関しては、衛星データによる落葉日の推定値は地上カメラによる推定値より16-22日遅かった（図6）。

図5 SPOT-VEGETATIONデータから推定した北半球植生の展葉日・落葉日推定結果例（1998-2011年の平均値）((a) NDVIr法による展葉日推定結果、(b) NDWI法による展葉日推定、(c) NDVIr法による落葉日推定）。フェノロジー手法の詳細については詳細版に記載

図6 衛星データから推定された展葉・落葉日のタイミング、地上カメラによる展葉・落葉日のタイミング及び雪解け・降雪のタイミングの緯度勾配（北緯61°～71°）
## (3) アジア地域における衛星データ利用型陸域モデルの改良と陸域生態系変動の把握

高精度化モデルによる現在と将来における炭素循環シミュレーションを行いアジア地域における純生態系生産量の空間分布を調べた結果、温暖化傾向が強いシナリオほど大きな炭素吸収源になることがわかった（図7）。5つのシナリオ別に結果を比較すると、過去よりも将来の方が吸収量は多く、どの地域も全体的に吸収方向にシフトした。温暖化に伴って生態系に対する温度制限が緩和され、より大きな吸収源になる可能性がある。サブ課題1から提供されたSVRモデルによる推定結果、及び経験モデル相互比較プロジェクトFLUXCOMのモデルアンサンブルとの比較では、サブ課題3の純生態系生産量の方が熱帯で低い値を示した（図8）。この違いの妥当性を理解するためにフラックス観測タワー3地点の観測値を合わせて調べた結果、サブ課題3とフラックス観測タワーの結果は純生態系生産量が負になるなどの傾向が良く一致した。このため、サブ課題1で開発されたモデルの結果がやや過大評価である可能性があり、サブ課題1の担当者とモデル精度向上について議論をした。その結果、サブ課題1で開発したSVRモデルの元となる観測データが熱帯地域で不足しているため、精度が下がる可能性があるという結論に至った。熱帯地域のフラックス観測をより増やしていくことが、同地域の炭素収支解析において重要であると言える。また、純生態系生産量の推定値幅がサブ課題3とその他で大きく異なった。これは初期値を求めるspin-upが原因であり、サブ課題1が開発を進める林齢マップやバイオマス量などの炭素プール量に関わるデータが今後の重要な研究課題となることを指摘する。

図7 衛星観測（左）と4つの将来予測シナリオ（右）を基にしたアジア地域の純生態系生産量の空間分布。

図8 純生態系生産量の空間分布。本研究（左）とサブ課題1が開発したSVRモデルによる（右上）、及びFLUXCOMの結果（右下）。カラーバーは、左図が左下、右の2図が右下。
## (4) 北極域における陸域生態系変動の把握

アラスカ域を対象とした2000～2011年における広域化された総一次生産量(GPP)、生態系呼吸量(RE)、純生態系交換量(NEE)を図9に示す。GPP及びREは、森林帯である内陸部において高く、北極海沿岸のツンドラ生態系において低い値を示した(図9a,b)。広域化されたNEEから、ツンドラ生態系はこの期間においてCO $ _{2} $ の放出源、森林生態系はCO $ _{2} $ の吸収源として作用していることが明らかとなった。

この期間におけるCO₂収支の空間分布には、原野火災による影響(図9f)が強いことが明らかとなった(図9d,e)。火災の影響は森林が有占する内陸地域で特に顕著であり、近年に森林火災が起こった地域においてはGPPの減少(図9d)に伴ってNEEが放出傾向となっていることが見積もられた(図9e)。一方、森林火災が起こった後10年以上が経過している地域については、植生の回復によるGPPの増加により、年間のCO₂収収量が増加することが示された(図10)。領域平均のGPP、REは、2000～2011年でそれぞれ369 ± 22、362 ± 12 Tg C yr⁻¹であり、対象とした12年間でCO₂ニュートラルであり、吸収・放出に有意な傾向は見られなかった⁷)。

森林火災による土地被覆変化は、アラスカ域全体のエネルギー収支を変化させた。特に、火災跡地では冬季のアルベドが増加するため純放射量が低下した。冬季における純放射量の低下は年間の純放射量を低下させた。このことは森林火災によって地表面の放射強制力が低下することを表す。純放射量の低下に伴って顕熱フラックスの低下が見積もられており、森林火災は対流圏下層の気温を低下させる効果をもつことが示唆された。将来の温暖化環境下においては森林火災が多発・大規模化することが懸念されているが、火災後の生態系は純放射量や顕熱フラックスを低下させるため、温暖化に対してネガティブフィードバックとして作用する可能性があることが示された。

北極域における経験的広域化プロダクトとしてFLUXCOMプロダクトの評価を行った。北極域におけるGPPについてはシベリアや北アメリカ北部などに分布するツンドラ植生において低く、北ヨーロッパやロシアなどに広がる森林域で高い値を示した。NEEは、ツンドラ地域の広範囲で炭素の正味収支がゼロ、もしくは炭素放出を示した。一方で、多くの森林域では強い吸収となった。この傾向は、アラスカ域ついて構築したデータ（図9c,d）と同様であった。また、アラスカ域で構築したデータ（図9）と季節変動・経年変動を比較した結果、季節変動については、概ね、両者の結果が一致した。経年変動に関しては、項目によって絶対値に差がみられるものがあるが、変動成分に着目すると、顕熱フラックスとNEEを除いて、変動のパターンが一貫していた。以上のことから、北極域を対象とした解析においてはFLUXCOMデータが有効であることが分かった。

広域蒸発散量データをモデル制約に用いたパラメータの最適化実験を行った。サブ課題1で構築されたパラメータ最適化手法を利用し、未知数として最大気孔コンダクタンスと遮断蒸発係数の2変数を選択してパラメータの最適化実験を行った。得られた最大気孔コンダクタンス(図11)については、空間的には植生タイプに応じた分布を示した。一部、海岸近辺においては大きな値が得られているが、これは気候データの解像度に起因した問題と考えられる。蒸発散量に関するRMSEについては0.2～0.3 mm day $ ^{-1} $ 程度であったが、モデルに付随する既存パラメータを使った実験と比較して、大幅な改善が得られた。最大気孔コンダクタンスなどの植物生理パラメータの調整によりプロセスモデルの再現性が向上する可能性が示されたことから、この地域における植物生理パラメータの観測の重点化や推定法を確立することがモデルの不確実性を低減させる上で重要であるといえる。

(a)

(b)

(d)

(c)

(e)

{y}

図9 経験的広域化手法により推定された2000～2011年の年間平均(a)GPP、(b)RE、(c)NEE及び、同期間における(d)GPPと(e)NEEの増減傾向と(f)原野火災が生じた年。
stand age at 2011 (year)

stand age at 2011 (year)

図 10 火災からの年数に対する 2000～2011 年における(a)GPP と(b)NEE の増減傾向。図 8 を林齢ごとに整理した。

(a)

(b)

(a) 最大気孔コンダクタンス(m/s)

(b) 燕秃散量 RMSE(mm/day)

図11 アラスカ域を対象とした広域衛星プロダクトを利用したモデルパラメータ最適実験の結果の一例。(a)推定された最大気孔コンダクタンス、(b)モデル・データ間の蒸発散のRMSE。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

・本研究で構築された地上観測と衛星観測を組み合わせたプロダクト（経験的広域化プロダクト）は多くの地上観測データを反映させていることから信頼度が高く、炭素循環解析における重要なプロダクトとなる。従って、炭素循環に関わる多くの研究者に利用されることが期待できる。プロダクトは地域的にも多岐（アラスカ・アジア・グローバル）にわたる。

・特に、観測点不足からこれまでに広域的な評価が困難であった北極域生態系におけるCO_{2}・エネルギー収支に関して、地上観測データと衛星観測データを利用した高精度な広域評価を可能にした。

・既存の葉面積指数やフェノロジーのグローバル衛星プロダクトでは北方林の葉面積指数が過大評価であった。その原因を突き止め、検証作業を行うことにより、より正確なデータ構築ができた。

・全球スケールでの林齢や生態系純交換量は、陸域炭素循環の再現には必要であったが、これまでには存在しないデータであった。従って、これらデータ構築と検証自体に意義が高いものである。

・本研究で構築したモデルは、既存の多くのモデルに比較してより多種の広域データを制約にするために、再現性が格段に高くなる。従って、現代や将来などの炭素収支の推定がより正確になる。

・広域炭素・エネルギーフラックスのデータをモデルの制約として用いることで、根の深さなど測定が困難なパラメータを空間的に逆推定できる可能性を示した。逆推定したパラメータは汎用性が高く他モデルにも利用可能である。従って一般的な陸域モデルの向上という波及効果が期待できる。

・本研究で構築したデータ・モデル融合のフレームワークは、一般的な陸域炭素循環モデルへの適用も可能である。従って、陸域炭素循環モデル全体への波及効果と、陸域炭素循環モデルが改善されることによる温暖化予測の不確実性低減への貢献が期待できる。

・詳細な解像度で炭素循環のホットスポットを解析することで、熱帯での地上観測の充実の必要性や炭素プール量関連の研究促進など、炭素循環モデル研究分野における本質的な課題を創出することができた。

・プロセスモデルによる確度の高い純生態系生産量の計算を全球1kmグリッドまで詳細化する研究の道筋がついた。衛星観測データを複合利用した炭素循環研究では例がないことから、自然生態系の二酸化炭素の吸収・放出量を診断的に把握する新規的な研究成果である。