生物環境物理学特論
Environmental Biophysics
小杉緑子
第2回:乱流フラックスデータの特性と使い道
今日の参考書
「フラックス観測マニュアル」
フラックス観測マニュアル編集委員会編、2009
http://www2.ffpri.affrc.go.jp/labs/flux/manual_j.html
「植物と微気象-群落大気の乱れとフラックス」
文字信貴、大阪公立大学共同出版会、2003
「陸域生態系における二酸化炭素等のフラックス観測
の実際」 Asia Flux運営委員会編、2003
http://www-cger.nies.go.jp/publication/M015/M015.pdf
乱流フラックスとは
生物体と環境の間の運動量・エネルギー・物質の交換過程
は概ね乱流輸送であり、潜熱(latent heat flux)・顕熱(sensible
heat flux)・CO2などは乱流(eddy)によって輸送される。
乱流変動法(渦相関法):乱流フラックスを求める方法とし
て、用いる仮定が少なくもっとも直接的な方法であると考えら
れている。CO2などの微量気体の鉛直フラックスは次式のよ
うに表される。
F  wc  wc  w c
cは物質濃度、wは風速の鉛直成分でバーは時間平均、プラ
イム(‘)は平均からの偏差を表している。平坦で一様な地表
面でwの平均wが0と仮定できる場合、鉛直フラックスはwとc
の共分散の平均wcで表される。
乱流フラックスとは
H  C p  wT 
E   wq   wv
H:顕熱フラックス(W m-2)、Cp:空気の定圧比熱(J K-1 kg-1)
E:潜熱フラックス(W m-2)、 :気化潜熱(J kg-1)、E :蒸発散
量(H2Oフラックス)(kg m-2 s-1)、:空気の密度(kg m-3) 、w:
風速(m s-1)、q:比湿(kg kg-1), v:水蒸気密度(kg m-3)
鉛直風速が下向きのときH2O濃度が高く、
鉛直風速が上向きのときH2O濃度が低ければ、
HO2は下向きに輸送される(H2O吸収=凝結)
鉛直風速が下向きのときH2O濃度が低く、
鉛直風速が上向きのときH2O濃度が高ければ、
H2Oは上向きに輸送される( H2O放出=蒸発散)
風にのって運ばれるH2O分子
鉛直風速の向き
乱流フラックスとは
CO2もH2Oや顕熱と同様、乱流によって輸送される。
乱流変動法での群落CO2Flux測定=NEEが直接測定可能。
Fc  mol wc 106  wc 106
Fc:CO2フラックス(吸収が正)(mmol m-2 s-1)
mol:空気の密度(mol m-3)、w:風速(m s-1)、c:CO2濃度(mol mol-1), c:CO2密度(mol m-3)
鉛直風速が下向きのときCO2濃度が高く、
鉛直風速が上向きのときCO2濃度が低ければ、
CO2は下向きに輸送される(CO2吸収)
鉛直風速が下向きのときCO2濃度が低く、
鉛直風速が上向きのときCO2濃度が高ければ、
CO2は上向きに輸送される(CO2放出)
風にのって運ばれるCO2分子
鉛直風速の向き
フラックスが算定されるまで
(1)観測
まず樹冠上のある高度で、応答のよい測器を使い0.05~0.2
秒間隔程度でx,y,z方向の風速、温度、CO2濃度、H2O濃
度を連続測定する。
x,y,z方向の風速と温度の変動
を測定する超音波風速温度計
CO2,H2O濃度の変動を測定する
オープンパス式ガスアナライザー
フラックスが算定されるまで
(2)データの分割
フラックスを計算するためには、まず延々と続く生データを
ある長さで分割する必要がある。この時間のことを「平均
化時間」という。
平均化時間は、短すぎると乱流フラックスに寄与する波の
全てを捕らえることができず、長すぎると日変化のような
大きな変動までひらってしまうので、 30分から一時間程
度がよいとされる。
フラックスが算定されるまで
C
m/s
m/s
m/s
(3)生データのチェックや異常値の除外
4
2
0
-2
-4
4
2
0
-2
-4
4
2
0
-2
-4
26
X-WIND
Y-WIND
Z-WIND
Air Temperature
25
24
CO2
mmol/m
3
23
15.0
14.0
1100
mmol/m
3
14.5
H2O
1000
900
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
2003/6/29 9:00-9:30の赤穂常緑広葉樹林のデータ
フラックスが算定されるまで
(4)座標回転
w’c’の平均からフラックスを算出するためには、水平一様な
地形上でwの平均が0でなければならない。しかし実際に
は地形の影響などからz風速の平均は0にならない。これ
を補正するために座標を回転し、計算にはz風速の値では
なく、座標回転後のw風速を用いる。
Double rotation
(wを毎回ゼロに)
w
Planer fit (wが長期平均的
にゼロになる一平面を仮定)
z
z
(a,b,c)
c
y
u
W
U
a
φ
U(a,b,c) N=(α,β,γ)
y
θ
b
x
v
x
フラックスが算定されるまで
(5)タイムラグを見積もる
風速・温度とCO2密度・H2O密度は別々の測器で測定してい
る。このため測定時間に若干のずれが生じる。このずれ時
間を把握し、共分散の計算時にデータをずらして計算しな
ければならない。
オープンパス式ガスアナライザーLI7500の例:測器自体の問
題により0.25s程度のずれがあるので、ずれ時間を記録
データ間隔に併せるため、測器からの信号の時点であら
かじめ0.3s(10Hz測定の場合)に調整しておく。
クローズドパス式の例:チューブでの吸引に伴うずれ時間を
見積もる。共分散が最も大きくなるずれ時間を各平均化時
間毎に算定した結果をもとに、各システムにおける最適ず
れ時間を決定することが多い。
フラックスが算定されるまで
(6)トレンド除去
15.8
3
CO2 concentration (mmol/m ) (2003/8/11 12:00-12:30)
CO2 (mmol/m 3)
15.6
平均からの偏差(プライム)
15.4
15.2
15.0
14.8
14.6
0
5
10
15
20
25
30
平均値が30分の間にどんどん変化していく場合もある。
このような時には、青いラインではなく赤いラインが
平均値として用いられる。(=直線回帰によるトレンド除去)
フラックスが算定されるまで
(7)平均・偏差・共分散の計算
6
U-WIND
m/s
4
AGERAGE=1.24m/s
2
0
-2
4
W-WIND
m/s
2
AGERAGE=0.00m/s
0
-2
-4
15.0
CO2
mmol/m
3
AGERAGE=14.53m/s
14.5
14.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
座標回転後の水平風速(u)、鉛直風速(w)、CO2濃度
(赤穂2003/6/29 9:00-9:10の10分間。鉛直風速とCO2濃度の
変動を較べると反対の形になっていて、CO2を吸収している。)
フラックスが算定されるまで
(8)単位換算・湿度補正・密度変動(WPL)補正
単位換算
共分散を、必要とするフラックスの単位に調整する。
超音波温度計の水蒸気補正
超音波温度計で測定される音仮温度から水蒸気の変動成分を除くために必要
wT   wTsv  0.514Tsv wq
H  H sv  0.514Tsv
c p a
E
a
密度変動補正(WPL補正、Webb et al 1980)
微量気体の場合、空気密度変動により発生するwc項を考慮しなければならない
Fc  w c  m
c

w v  1  m  c wT 
a
T


v





E   1  m  w  v  w T 
T


m  ma mv (乾燥空気/水蒸気分子量),    v  a フラックスが算定されるまで
(9)スペクトル解析・応答補正
フラックスが正しく評価されているかどうか確認するために、パ
ワースペクトル・コスペクトルをチェックする。必要に応じて低周
波側トレンド除去や高周波側応答補正などを行う。
「植物と微気象」文字信貴著 P99より転写
パワースペクトルのチェックポイント
Kosugi et al, 2007, J. Hydrol. Fig. 3
クローズドパス法ではコスペクトルが高周波側
で減衰するのでその分嵩上げする必要あり
フラックスが算定されるまで
(10)定常性・乱流統計量・フェッチなどの品質管理
定常性 Stationarity (Foken and Wichura 1996)
1run(30分ないし一時間)内の定常性が満たされているかどうかをチェックする。
データを5分程度に分割し分割区間間のコバリアンスを比較し、範囲外であれば
データを棄却する。
乱流統計量 Integral Turbulence Characteristics
(Folen and Wichura 1996, Aubinet et al 2000)
安定度z/Lと各物理量の無次元標準偏差の関係をとり、 Monin-Obukhov相似則に
よるフラックスと分散の関係が成り立っているかを判定する。予想されるラインから
外れて極端に大きくなっているときは、障害物や非一様性が疑われる。
フェッチ(Fetch)
風上側に十分なフェッチ(吹走距離)が確保できているかを評価する。Footprintモデ
ル(Schuepp et al 1990、Leclerc and Thertell 1990、Horst and Well 1994など)を用い
て、測定されたフラックスが風上側のどの範囲の寄与をうけているかを評価する。
乱流フラックスの特性
時間スケール:フラックスデータは30分-1時間スケール
扱う範囲は~10年程度(今のところ)
空間スケール:「フェッチ」の範囲=「群落」「生態系」スケール
測れるのはあくまである一点での「乱流フラックス」(青渦)
現実は、あるBOX内のガス交換=「乱流フラックス」(赤渦)+
「貯留フラックス」(緑丸)+「移流フラックス」(赤矢印)
乱流フラックスの短所
乱流変動法のインバランス問題
乱流変動法によって測定された潜熱と顕熱を足しても、有効
エネルギーに足りないことが多い。(=エネルギーインバランス
問題)
夜間に移流項の影響が大きくなるために、夜間の生態系呼
吸を過小評価する。
現在のところ測定点・測定期間が限られている。ようやく10年
未満程度のデータが取れ始めたところで、より長期(数十年~)
の解析には向かない。またあくまで一群落スケールの測定で
あり、より大きな空間スケールへの拡張には工夫が必要。
乱流フラックスの長所
乱流変動法によるフラックス観測のもつ世界的・今日的な意義
その短いタイムスパンゆえにガス交換の決定要因も含めた
詳細な動態の把握という目的に対して大きなAdvantageを持つ。
「いかにして」の部分、森林システムの機能を解明する上で役
立つ。
扱う空間スケールがちょうど群落・生態系のスケールであり、
これまで個別に扱われてきた生態系システムの各構成要素に
ついての研究を、より大きな空間スケールの話へとスケール
アップする際に大きな威力を発揮する。
乱流フラックス関連研究
インバランス問題への取り組み
Kosugi and Katsuyama, 2007. Evapotranspiration over a Japanese cypress forest. II. Comparison
of the eddy covariance and water budget methods. Journal of Hydrology 334, Fig. 5
乱流変動法と流域水収支法による蒸発散量のクロスチェック
乱流フラックス関連研究
インバランス問題への取り組み
Ohkuboet al, 2007. Comparison of the eddy covariance and automated closed chamber methods
for evaluating nocturnal CO2 exchange in a Japanese cypress forest. Agric. For. Met. 142.Fig.7
乱流変動法とチャンバー法による夜間生態系呼吸量のクロスチェック
乱流フラックス関連研究
より大きな時空間スケールを志向する路線
「フラックスネット」による観測網・データベースの組織的整備
衛星リモセン研究・モデル研究など上位スケールの研究と
の連携
http://www.fluxnet.ornl.gov/fluxnet/graphics.cfmより
乱流フラックス関連研究
より大きな時空間スケールを志向する路線
Saigusa et al, 2008. Temporal and spatial variations in the seasonal patterns of CO2 flux in boreal,
temperate, and tropical forests in East Asia. Agric. For. Met. 148. 11サイトのNEP,GPP,RE比較
乱流フラックス関連研究
より大きな時空間スケールを志向する路線
Cumulative E, Method 1
2000
Cumulative E, Method 2
Cumulative E, Method 3
Cumulative Rainfall
A
(mm)
1500
1000
500
0
2003/1
1000
800
2004/1
B
2006/1
2007/1
2008/1
2009/1
2007/1
2008/1
2009/1
Rainfall - Evapotranspiration
 Storage water of 0-50cm soil
600
(mm)
2005/1
400
200
0
-200
2003/1
2004/1
2005/1
2006/1
Kosugi et al. under submission. Influence of inter-annual climate variability on evapotranspiration
and canopy CO2 exchange of a tropical rain forest at Pasoh in Peninsular Malaysia . J. For. Res.
半島マレーシア(パソ)熱帯雨林の6年間の蒸発散量年々変動
乱流フラックス関連研究
より大きな時空間スケールを志向する路線
Nakaji et al, 2008. Utility of spectral vegetation indices for estimation of light conversion
efficiency in coniferous forests in Japan Agric. For. Met. 148.
CO2フラックスと各種リモセン指標(の地上観測)との比較
乱流フラックス関連研究
特性&長所を最大限生かそうとする路線
左:Kosugi et al, 2007. Evapotranspiration over a Japanese cypress forest. I. Eddy covariance
fluxes and surface conductance characteristics for three years. J. Hydrol. 337. Fig. 11
右:Kosugi, Y et al, 2005. Three years of carbon and energy fluxes from Japanese evergreen
broad-leaved forest. Agric. For. Meteorol. 132. Fig. 8
乱流フラックスから植生のバルク応答特性やガス交換関連フェノロジーを抽出する
乱流フラックス関連研究
特性&長所を最大限生かそうとする路線
Kosugi et al. 2006. Impact of Leaf Physiology on Gas Exchange in a Japanese Evergreen Broadleaved Forest. Agric. For. Meteorol. 139. Fig. 8
多層モデルを使って、個葉ガス交換などの生態系内の素過程を積み上げて乱流フラックスと
比較し、どのような要因が生態系全体のガス交換を決めているかを定量化。
小課題
1.樹冠上の乱流フラックス生データ(30分間)から、熱・水・二
酸化炭素フラックスを算定してみよう。
((8)までの作業を行うが、回転はDouble rotation, (6)トレンド除去はしなくてよい。エ
クセル上で簡易に計算する都合上、水蒸気補正はWPL補正後に一回行い、そ
の結果をもとにもう一度WPL補正計算するだけでよい。)
サンプルデータ:桐生水文試験地(ヒノキ林)の樹冠上29mで2009/7/3 12:30-13:00
に測定された乱流データ。使われている測器はDAC600(Kaijyo)とLI7500(LICor)、データの単位はサンプルデータに記載、LI7500のタイムラグは0.3秒、測
定は10Hz(0.1s間隔)で行われたものです。
サンプルデータとガイド付きのエクセルファイルはhttp://www.bluemoon.kais.kyotou.ac.jp/ykosugi/research/biophysics.htmからダウンロード可能
ダウンロード

乱流フラックスデータの特性と使い道