JP2005052045A - System for quantitatively evaluating environmental influence of plant - Google Patents

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昊澤 朴
Shigeaki Hattori
重昭 服部
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隆文 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for quantitatively evaluating environmental influence of plants based on an exchange process of emission, energy, water and carbon dioxide in a soil-plant-air circulation system. <P>SOLUTION: This system for quantitatively evaluating the environmental influence of plants comprises the followings: a tree crown structure data acquisition means 10 observing a predetermined range of an evaluation area where plants grow by a laser beam cutting method to obtain a three-dimensional structure of a plant community in the evaluation area as unidimensional tree crown structure data; and an evaluation means 20 evaluating, in time series, environmental influences of plants at the evaluation area caused from physiological and biochemical activities based on the unidimensional tree crown structure data and geographic data obtained via a geographic information system. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システムに関する。   The present invention relates to a quantitative evaluation system for the effects of plants on the environment.

評価地域における植物群落の時・空間的な変化は、評価地域における水・熱の動きに影響を与えるのみならず、周辺地域の気象や大気環境にまで影響を及ぼす。従って、評価地域における環境変化を評価するために評価地域の植物群落を考慮した多数の評価システムが開発された。そのような評価システムは、評価地域に関する植物群落及び気象データ等の多数の情報を要求するため、その情報を収集するためには、人的・物的投資が必須不可欠である。例えば、森林開発による土地利用の変化により、今後予想される環境変化又は森林管理による水・熱輸送プロセスの変化を評価するためには、観測データを収集する必要があることから、評価に至るまで多大の時間、労働、物的投資を必要とし、効率性が悪い。そのような現状を踏まえて、情報要求を充足させるために様々な林冠及び気象に関する測定法が開発され、使用されている。   Temporal and spatial changes in plant communities in the evaluation area not only affect water and heat movements in the evaluation area, but also affect the weather and atmospheric environment in the surrounding area. Therefore, in order to evaluate the environmental changes in the evaluation area, a number of evaluation systems that take into account the plant communities in the evaluation area have been developed. Since such an evaluation system requires a large amount of information such as plant communities and weather data regarding the evaluation area, human and material investment is indispensable to collect the information. For example, in order to evaluate future changes in the environment due to changes in land use due to forest development or changes in water and heat transport processes due to forest management, it is necessary to collect observation data. It requires a great deal of time, labor, and physical investment and is inefficient. In light of this situation, various methods for measuring canopy and weather have been developed and used to satisfy information requirements.

樹冠構造測定法とは、葉や枝等が形成する樹冠を測定し、それらの情報を数値データとして表す方法である。体表的な樹冠構造の情報としては、葉面積指数(LAI:lear area index)、断面積指数(BAI:Branch area index)、葉傾斜角及びそれぞれの垂直分布がある。例えば、LAIはLAI−2000(Canopy Analyzer(LI-cor社))等の樹冠構造測定装置を用いて非破壊的に測定する方法と、リターフォールから葉面積を求めるリタートラップ法と、実際に葉を刈り取って破壊的に面積を測定する方法とがある。また、葉の傾斜角はクリノメータを用いて葉1枚1枚を測定することによりその情報が得られる。   The canopy structure measurement method is a method of measuring the crown formed by leaves, branches, etc., and expressing the information as numerical data. Information on the surface crown structure includes a leaf area index (LAI), a cross-sectional area index (BAI), a leaf inclination angle, and vertical distribution of each. For example, LAI is a non-destructive measurement method using a canopy structure measuring device such as LAI-2000 (Canopy Analyzer (LI-cor)), a litter trap method for determining leaf area from litterfall, There is a method of cutting the area and measuring the area destructively. Further, the information on the inclination angle of the leaf can be obtained by measuring each leaf one by one using a clinometer.

植物群落において生じる水及びエネルギー交換プロセスを評価するために多くの数値モデルが開発され、それらのプロセスと樹冠構造との関係に関する研究が行われている。そのような数値モデルは、樹冠をどのように取り扱っているのかにより二つのタイプに分類される。一つの数値モデルは、図1(A)に示すように、樹冠を1枚の葉として取り扱うbig-leaf型モデルである。他の一つのモデルとしては、図1(B)に示すように、樹冠の空間的構造の違いを考慮し、その構造が諸プロセスに及ぼす影響を詳細に評価する多層モデルがある。   Numerous numerical models have been developed to evaluate the water and energy exchange processes that occur in plant communities, and studies on the relationship between these processes and the canopy structure are being conducted. Such numerical models are classified into two types depending on how the crown is handled. As shown in FIG. 1A, one numerical model is a big-leaf type model that handles a tree crown as one leaf. As another model, as shown in FIG. 1B, there is a multi-layer model that considers the difference in the spatial structure of the tree crown and evaluates the influence of the structure on various processes in detail.

これら従来の評価方法によっても、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を評価することは可能である。   Even with these conventional evaluation methods, it is possible to evaluate the influence of the physiological and biochemical activities of plants on the environment of the evaluation area.

また、建物や樹木等のデザインを再現し、表面温度の予測ができる熱環境の予測方法等も知られている(特許文献1)。この予測方法は、空間構成要素を三次元空間に形成し、所定間隔ごとの高さについて、上記空間構成要素を切断し、生成された平面図形の座標を取得し、上記平面図形を所定のメッシュに分割し、この各メッシュに部位固有の情報を与え、上記各メッシュについて、熱収支計算を行い、表面温度を算出し、上記表面温度に基づき、熱環境評価指標を算出するものである。この方法を用いても、植物が生育している一定範囲の評価地域における植物が環境に及ぼす影響を評価できると考えられる。
特開2003−99697号公報
In addition, a thermal environment prediction method that can reproduce the design of a building, a tree, and the like and predict the surface temperature is also known (Patent Document 1). In this prediction method, spatial components are formed in a three-dimensional space, the spatial components are cut for heights at predetermined intervals, the coordinates of the generated plane graphic are obtained, and the plane graphic is converted into a predetermined mesh. In each of the meshes, site-specific information is given, a heat balance calculation is performed for each mesh, a surface temperature is calculated, and a thermal environment evaluation index is calculated based on the surface temperature. Even if this method is used, it is thought that the influence which the plant in the evaluation area of the fixed range where the plant has grown has on the environment can be evaluated.
JP 2003-99697 A

しかし、樹冠構造測定においてリタートラップ法を用いる場合は、リターフォールの空間性が大きいため、多数のリタートラップの設置が進められると同時に長期間の観測が要る。さらに、この方法は葉量と面積以外の他の情報が得られない大きな問題がある。また、LAI−2000等の測定装置は、簡便であるものの、樹冠の距離情報が得られないとともに、高価な装置であることからコストの高騰化が生じる。樹冠から葉を刈り取る方法は、環境にダメージを与えるとともに、同一の評価地域を継続して測定することを不可能にする。クリノメータを用いる葉傾斜角の測定は、葉1枚1枚を測定するため、非省力的であることや測定者による個人差が生じる懸念もある。   However, when the litter trap method is used for measuring the canopy structure, the litterfall has a large spatiality, so that a large number of litter traps are installed and observation is required for a long time. Furthermore, this method has a big problem that information other than leaf quantity and area cannot be obtained. In addition, although a measuring apparatus such as LAI-2000 is simple, it cannot obtain tree crown distance information and is expensive, resulting in an increase in cost. The method of cutting leaves from the tree crown damages the environment and makes it impossible to continuously measure the same evaluation area. Since the measurement of the leaf inclination angle using the clinometer measures each leaf, there is a concern that it is not labor-saving and may cause individual differences depending on the measurer.

また、数値モデルのうち、big-leaf型モデルは、簡便であるが、モデルに用いられるパラメータの一部は、複雑な非線形的自然現象を単純に線形化させたため、様々な気象環境に対する適用性に問題がある。また、この方法は、対象地域の森林の詳細な微気象データを時系列的に取得しなければならず、そのために観測タワー等、観測施設設置等の一連の作業が必要である。また、多層モデルは、非線形的な自然現象を充分考慮したものの、パラメータが多い。特に、一部のパラメータは、経験的に与えられる。   Among the numerical models, the big-leaf type model is simple, but some of the parameters used in the model are simply linearized of complex non-linear natural phenomena, so it can be applied to various weather environments. There is a problem. In addition, this method has to acquire detailed micrometeorological data of the forest in the target area in time series, and for that purpose, a series of operations such as setting up observation towers and observation facilities is necessary. In addition, the multi-layer model has many parameters, although it fully considers non-linear natural phenomena. In particular, some parameters are given empirically.

他方、特許文献1の方法は、植物の表面からの蒸発散過程を考慮しておらず、植物が環境に及ぼす影響の評価には適切ではない。すなわち、熱環境は基本的に温度、湿度により変化するものであり、熱環境の正確な予測には、評価地域に生育している植物の影響が無視できない。特に、植物からの蒸散は大気の温度・湿度に影響し、それによって熱環境が変化する。この方法は、建物や樹木などのデザインを再現することを主眠として熱環境を予測しているので、植物の生理・生化学的活動を考慮してはいない。また、この方法は、評価地域の三次元構造を把握するものであり、将来予測には不適切である。   On the other hand, the method of Patent Document 1 does not consider the evapotranspiration process from the surface of the plant, and is not appropriate for evaluating the influence of the plant on the environment. That is, the thermal environment basically changes depending on temperature and humidity, and the influence of plants growing in the evaluation area cannot be ignored for accurate prediction of the thermal environment. In particular, transpiration from plants affects the temperature and humidity of the atmosphere, thereby changing the thermal environment. Since this method predicts the thermal environment with the main sleep being to reproduce the design of buildings and trees, it does not consider the physiological and biochemical activities of plants. Moreover, this method grasps the three-dimensional structure of the evaluation area, and is not suitable for future prediction.

したがって、森林が生育している一定範囲の評価地域を対象にし、長期間・連続的なモニターリングを通してその評価地域における水・熱の循環の実態を明らかにした上で、その評価地域の生態系を構成する個々の環境空間の変化に伴う水文環境の変動を検知し、その影響を評価するシステムを開発する必要がある。   Therefore, the target area of the evaluation area where the forest is growing is targeted, and the actual condition of water and heat circulation in the evaluation area is clarified through long-term continuous monitoring. It is necessary to develop a system that detects changes in the hydrological environment accompanying changes in the individual environmental spaces that make up the environment, and evaluates the impact.

本発明は、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスに基づいて、植生の環境への影響を評価するシステムを提供することを解決すべき課題としている。   An object of the present invention is to provide a system for evaluating the environmental impact of vegetation based on the exchange process of radiation, energy, water and carbon dioxide in the soil-plant-atmosphere circulation system.

本発明の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システムは、植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、該評価地域の植物群落の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得る樹冠構造データ取得手段と、
該一次元樹冠構造データと、地理情報システムによって得られる該評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が該評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する評価手段とを備えていることを特徴とする。
The quantitative evaluation system of the influence of the plant on the environment of the present invention observes a certain range of evaluation area where the plant is growing by laser light cutting, and the three-dimensional structure of the plant community in the evaluation area is one-dimensional crown. Canopy structure data acquisition means obtained as structure data;
An evaluation means for evaluating, in a time series, the influence of the physiological and biochemical activities of plants on the environment of the evaluation area from the one-dimensional crown structure data and the environmental information of the evaluation area obtained by a geographic information system; It is characterized by having.

樹冠構造データ取得手段は、植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、その評価地域の三次元樹冠構造を一次元樹冠構造データとして得る。レーザ光切断法によれば、非破壊的に評価地域を測定し、数多くの樹冠情報(葉面積指数、葉傾斜角、葉の鉛直分布等)を短時間に取得することが可能である。発明者らは、評価地域の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得るレーザ光切断法を先に提案している(特願2001−349857)。   The canopy structure data acquisition means observes a certain range of evaluation area where the plant is growing by laser beam cutting, and obtains a three-dimensional canopy structure of the evaluation area as one-dimensional canopy structure data. According to the laser beam cutting method, it is possible to measure the evaluation area in a non-destructive manner and acquire a large number of tree crown information (leaf area index, leaf inclination angle, leaf vertical distribution, etc.) in a short time. The inventors have previously proposed a laser beam cutting method for obtaining a three-dimensional structure of an evaluation area as one-dimensional crown structure data (Japanese Patent Application No. 2001-349857).

樹冠構造データ取得手段は、図2に示すように、例えば、波長685nmの赤色レーザ光と波長830nmの近赤外レーザ光のいずれかを選択的に出射可能なレーザユニットと、測定対象物から反射された光の像(反射輝度)を撮像可能なCCDカメラと、CCDカメラで撮影された画像データを記憶するとともに、レーザユニット及びCCDカメラの動作を制御する汎用パーソナルコンピュータなどの制御装置で構成され得る。   As shown in FIG. 2, the canopy structure data acquisition means includes, for example, a laser unit capable of selectively emitting either a red laser beam having a wavelength of 685 nm or a near infrared laser beam having a wavelength of 830 nm, and a reflection from a measurement object. It consists of a CCD camera that can capture the image of the light (reflection brightness) and a control device such as a general-purpose personal computer that stores the image data captured by the CCD camera and controls the operation of the laser unit and the CCD camera. obtain.

また、本評価システムは、そうした樹冠構造データ取得手段で得られた一次元樹冠構造データと地理情報システム(GIS: Geographic Information System)によって得られる評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を評価する。GISによって得られる評価地域の地理情報は市販又は自治体により整備されているものに基づく。データベース化されるべき具体的な情報としては、図3に示すように、評価地域の地表面状態を表す土地利用情報(例えば、農地、都市、森林等)と、土壌型、地質及び地形等の土壌情報等の地理情報と、降雨量、風速、温度、湿度、及び日射量等の気象データがある。   In addition, this evaluation system uses the one-dimensional canopy structure data obtained by such a canopy structure data acquisition means and the environmental information of the evaluation area obtained by the Geographic Information System (GIS) to obtain the physiological and biochemistry of the plant. The impact of social activities on the environment in the assessment area. The geographical information of the evaluation area obtained by GIS is based on what is marketed or maintained by the local government. As specific information to be databased, as shown in FIG. 3, land use information (for example, farmland, city, forest, etc.) indicating the surface condition of the evaluation area, soil type, geology, topography, etc. There are geographic information such as soil information and weather data such as rainfall, wind speed, temperature, humidity, and solar radiation.

数値モデルは、図4に示すように、土壌−植生−大気間における熱、水蒸気及び二酸化炭素交換を評価する一次元多層モデルである。各プロセスの評価は、微気象モジュールと生理・生化学的モジュールを結合することにより可能になる。具体的に、微気象モジュールは、葉面と土壌表面におけるエネルギー収支、乱流拡散を基礎とする微気象変化及び放射収支に関するモデルで構成される。また、生理・生化学的モジュールはコンダクタンスモデル、蒸散及び光合成に関するモデルで構成される。   As shown in FIG. 4, the numerical model is a one-dimensional multilayer model that evaluates heat, water vapor, and carbon dioxide exchange between soil, vegetation, and air. Each process can be evaluated by combining the micrometeorology module with the physiological / biochemical module. Specifically, the micrometeorology module is composed of a model relating to energy balance on the leaf surface and soil surface, microclimate change based on turbulent diffusion and radiation balance. The physiological / biochemical module is composed of a conductance model, a model related to transpiration and photosynthesis.

数値モデルは、こうした一次元樹冠構造データとGISの情報とを用いて、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスに対して植物が及ぼす影響を評価する。数値モデルの詳細は以下で記述する。   The numerical model uses these one-dimensional crown structure data and GIS information to assess the impact of plants on the radiation, energy, water and carbon dioxide exchange processes in the soil-plant-atmosphere circulation. Details of the numerical model are described below.

「微気象モデル」
個々の葉と群落内大気との間で交換される運動量、熱、水蒸気及び二酸化炭素等は、乱流によって上下方向に輸送され、群落上の大気との間で交換が行われる。このとき、葉によるシンク/ソースの強度と乱流による輸送効率のバランスによって、群落内部の風速や気温等の平均分布が決まる。森林上の空気塊が森林内へ直接侵入すると、風は葉の茂る樹冠部ですぐ弱まるが、群落下部では緩やかに減少する。すなわち、群落内の平均風速は、葉面積密度(A)の大きさやその分布によって異なる。この現象は、次のような2次モーメントの収支式より表現できる。場が定常で水平一様のとき、平均風速(u(オーバーラインを省略する。))の運動方程式は、数1と書ける。
"Micrometeorological model"
Momentum, heat, water vapor, carbon dioxide and the like exchanged between individual leaves and the atmosphere in the community are transported in the vertical direction by turbulent flow and exchanged with the atmosphere above the community. At this time, the average distribution of wind speed, temperature, etc. within the community is determined by the balance between the intensity of the sink / source by the leaves and the transport efficiency by the turbulent flow. When air masses in the forest directly enter the forest, the wind is weakened immediately in the leafy crown, but gradually decreases in the foliage. That is, the average wind speed in the community varies depending on the size of the leaf area density (A) and its distribution. This phenomenon can be expressed by the following second moment balance equation. When the field is steady and horizontally uniform, the equation of motion of the average wind speed (u (omitting overline)) can be written as:

ここで、u´w´(オーバーラインを省略する。)は運動量のフラックスであり、cdは個葉の抵抗係数である。群落下の地面は、運動量を吸収するシンク(u´w´(オーバーラインを省略する。)<0)となる。従って、群落内のいずれの高さでも、運動量輸送は下向き(u´w´(オーバーラインを省略する。)<0)となる。乱流による群落内外への運動量の輸送は、葉面への顕熱や水蒸気の輸送と兼ね合ってスカラ(気温、湿度等)分布を決める。その過程を数2と表わす。 Here, (omitted overline.) U'w' is flux momentum, c d is the drag coefficient of the single leaf. The ground of the group fall becomes a sink (u′w ′ (overline is omitted) <0) that absorbs the momentum. Accordingly, momentum transport is downward (u′w ′ (overline omitted) <0) at any height within the community. The transport of momentum into and out of the community by turbulent flow determines the distribution of scalars (temperature, humidity, etc.) in combination with sensible heat and water vapor transport to the leaf surface. This process is expressed as Equation 2.

xはスカラであり、Sxは葉面と群落内の大気間の勾配により生じるスカラのソース(貯留)である。 x is a scalar, and S x is a scalar source (storage) caused by the gradient between the leaf surface and the atmosphere in the community.

群落上の空気塊が群落内に直接侵入するとき、群落外の低温低湿な空気が高温高湿の樹冠部を通り越して群落内に運ばれ、平均温度や平均湿度の局所的な勾配とは逆向きのフラックスが生じる。そのフラックス(w´x´(オーバーラインを省略する。))は数3と表わされる。   When the air mass on the community directly enters the community, the low-temperature and low-humidity air outside the community is carried into the community through the high-temperature and high-humidity canopy, contrary to the local gradient of average temperature and average humidity. Directional flux is generated. The flux (w′x ′ (overline is omitted)) is expressed as Equation 3.

ここで、右辺第1項はシアー生成項、第2項は拡散項、第3項は圧力による再配分項、第4項はシンク/ソース項である。群落よりも上の接地境界層では、平均風速に比べ、シアーストレスが高さ方向にあまり大きく変化しない。そのため、上式における拡散項の寄与は大きくないと考えられる。ところが、群落内では、風の運動量は群落上部で強く吸収され、シアーストレスの大きさは群落上部から深さとともに急速に減少する。ここに、乱流輸送の効果が加わる結果、シアーストレスは正味として群落上部から下方へ輸送されることになる。   Here, the first term on the right side is a shear generation term, the second term is a diffusion term, the third term is a redistribution term due to pressure, and the fourth term is a sink / source term. In the contact boundary layer above the community, the shear stress does not change much in the height direction compared to the average wind speed. For this reason, the contribution of the diffusion term in the above equation is considered to be not large. However, in the community, the momentum of the wind is strongly absorbed in the upper part of the community, and the magnitude of the shear stress decreases rapidly with the depth from the upper part of the community. As a result of adding the effect of turbulent transport, shear stress is transported downward from the upper part of the community.

数3では、空気塊の直接侵入による運動量輸送の効果を表現しているため、数1と数3とを組み合わせると、風速の平均分布が計算される。同様に数2と数3とを用いることにより、スカラ成分の分布が得られる。3次クロージャーモデルは22個の連立方程式で構成され、22個の未知数は中心差分法により近似される。3次クロージャーモデルの詳細については、Meyers and Paw (1986,1987)を参照されたい。   Since Equation 3 expresses the effect of momentum transport by direct intrusion of an air mass, when Equation 1 and Equation 3 are combined, the average wind speed distribution is calculated. Similarly, by using Equations 2 and 3, a distribution of scalar components can be obtained. The third-order closure model is composed of 22 simultaneous equations, and 22 unknowns are approximated by the central difference method. For details on the third-order closure model, see Meyers and Paw (1986, 1987).

「群落内の放射伝達」
群落の上端に入射する日射エネルギーは、群落中の葉や枝等に遮られ、吸収・反射・透過の過程を経て、下層に入るにしたがって弱くなる。植物の葉は、太陽光の全成分を吸収するわけではなく、光合成に有効な波長(PAR)をよく吸収し、それより長い波長の近赤外域(NIR)はほとんど吸収しない。樹冠を透過する日射光において散乱光と直達光により透過過程が異なるため、それらを考慮し日射透過プロセスを計算する。図5がそのプロセスの模式図である。図5から高さzに流入する直達日射量(Qb)と高さz+1から反射する散乱光(Qd)は、数4及び数5で表される。
"Radiation transfer in the community"
The solar radiation energy incident on the upper end of the community is blocked by the leaves and branches in the community, and becomes weaker as it enters the lower layer through the processes of absorption, reflection, and transmission. Plant leaves do not absorb all the components of sunlight, but absorb well the wavelength (PAR) that is effective for photosynthesis, and hardly absorb the near-infrared region (NIR) of longer wavelengths. In the solar radiation that passes through the tree canopy, the transmission process differs depending on the scattered light and direct light. FIG. 5 is a schematic diagram of the process. The direct solar radiation amount (Q b ) flowing into the height z from FIG. 5 and the scattered light (Q d ) reflected from the height z + 1 are expressed by Equations 4 and 5.

ここで、τは透過率、ρは反射率、fbは直達光の率、Ibは散乱されずに通過する確率、Idは散乱光が葉層を通過する確率を表す。数4と数5の下付き文字dは散乱光を、bは直達光を表す。また、↓は日射成分の下向き、↑は上向きを表す。 Here, τ is the transmittance, ρ is the reflectance, f b is the rate of direct light, I b is the probability of passing without being scattered, and I d is the probability of passing the scattered light through the leaf layer. The subscripts d in Equations 4 and 5 represent scattered light, and b represents direct light. Also, ↓ indicates the downward direction of the solar radiation component, and ↑ indicates the upward direction.

群落上端から入射した直達日射が散乱されず、透過する確率は数6と表わし、日射の散乱成分が樹冠を通過する確率は数7と表わす。   The probability that the direct solar radiation incident from the upper end of the community is not scattered and is transmitted is expressed by Equation 6, and the probability that the scattered component of solar radiation passes through the tree crown is expressed by Equation 7.

ここで、Hは太陽高度、Lは葉面積指数、Gは葉層内の葉面積と太陽光の入射方向に垂直な面への投影面積との比、Ωは葉の固まりを表す係数である。Gは、個葉の傾斜角α、方位角βから決まる同様の関数G(α,β,H)を群落全体で平均化したもので与えられる。個葉の傾斜角の分布密度関数をg((α)とすれば、Gは数8で表される。なお、個葉の関数Gは数9で表される。 Here, H is the solar altitude, L is the leaf area index, G is the ratio of the leaf area in the leaf layer to the projected area on the plane perpendicular to the incident direction of sunlight, and Ω is the coefficient representing the leaf mass. . G is given by averaging the same function G l (α, β, H) determined from the inclination angle α and azimuth angle β of the individual leaves over the entire community. If the distribution density function of the inclination angle of a single leaf is g ((α)), G is expressed by Equation 8. The single leaf function G 1 is expressed by Equation 9.

上式らは、短・長波全域の日射について成り立つが、PARは葉に吸収されやすいので、葉の反射率、透過率の値は波長毎に区別して与える必要がある。   The above equations hold for solar radiation over the entire short and long wave, but since PAR is easily absorbed by the leaves, the reflectance and transmittance values of the leaves need to be given separately for each wavelength.

同様に、長波放射(Ql)も数10と数11とを用いて近似する。 Similarly, long wave radiation (Q l ) is also approximated using Equations 10 and 11.

ここで、Tsは葉表面温度、εlは射出率、σはステファンーボルツマン定数である。放射収支モデルの詳細はNorman (1979)を参照されたい。 Here, T s is the leaf surface temperature, ε l is the injection rate, and σ is the Stefan-Boltzmann constant. For details of the radiation balance model, see Norman (1979).

「個葉のエネルギー収支」
個々の葉によって吸収される放射エネルギーは顕熱、蒸発散の潜熱、長波の再放射及び樹体貯熱に配分される。それぞれへのエネルギー配分の割合は、葉の周辺における風速・気温・湿度等気象条件の他、気孔の開閉度によって変化する。個葉のエネルギー収支は数12で表される。
"Single-leaf energy balance"
The radiant energy absorbed by individual leaves is distributed to sensible heat, latent heat of evapotranspiration, long-wave re-radiation, and tree heat storage. The ratio of energy distribution to each of these changes depending on the degree of opening and closing of the pores in addition to the weather conditions such as wind speed, temperature and humidity around the leaves. The energy balance of a single leaf is expressed by Equation 12.

この式において、Rnは純放射量であり、Cpは空気の定圧比熱、ρaは空気密度、Taは大気温度、Lvは水の蒸発の潜熱、gbとgsとはそれぞれ葉面境界層コンダクタンスと気孔コンダクタンス、qs(Ts)とqaとはそれぞれ葉表面における比湿と大気の比湿である。ここで、Rnは前述した放射収支モデルから計算された短波と長波放射の収支で与えられる。 In this equation, R n is the net radiation amount, C p is the constant pressure specific heat of air, ρ a is the air density, T a is the atmospheric temperature, L v is the latent heat of water evaporation, and g b and g s are respectively The leaf boundary layer conductance and stomatal conductance, q s (T s ) and q a are the specific humidity on the leaf surface and the specific humidity of the atmosphere, respectively. Here, R n is given by the balance of short wave and long wave radiation calculated from the radiation balance model described above.

上式の右辺各項は順に、葉が放出する長波放射エネルギー、顕熱及び潜熱交換を表す。その式に気象データやコンダクタンスの値を入力して葉面温度を求め、その温度を用いて顕熱及び潜熱が計算される。葉面温度TsはPaw (1987)が提案した2次方程式の解として与えられる。このエネルギー収支は後述する光合成モデルと相互関係を保っている。具体的に、エネルギー収支式から求められた葉面温度は光合成モデルに入力され、光合成、呼吸量、気孔コンダクタンス等が計算される。そこで計算された気孔コンダクタンスは、またエネルギー収支式に入力データとして用いられる。これらのプロセスは数値的に解けられる。 Each term on the right side of the above formula represents, in order, the long wave radiant energy, sensible heat and latent heat exchange emitted by the leaves. The meteorological data and conductance values are input to the equation to determine the leaf surface temperature, and the sensible heat and latent heat are calculated using the temperature. The leaf surface temperature T s is given as a solution of a quadratic equation proposed by Paw (1987). This energy balance is interrelated with the photosynthesis model described later. Specifically, the leaf surface temperature obtained from the energy balance equation is input to the photosynthesis model, and photosynthesis, respiration rate, stomatal conductance, and the like are calculated. The calculated pore conductance is also used as input data in the energy balance equation. These processes can be solved numerically.

降雨時の個葉による遮断蒸発過程はTanaka (2002)のモデルを用いて計算する。   The block evaporation process due to individual leaves during rainfall is calculated using Tanaka's (2002) model.

「個葉光合成モデル」
個葉における光合成の生化学的環境反応はFarquharら (1980)のモデルを用いて数13で計算する。
"Single leaf photosynthesis model"
The biochemical environmental reaction of photosynthesis in single leaves is calculated by Equation 13 using the model of Farquhar et al. (1980).

ここで、Anは二酸化炭素同化速度、Vcはカルボキシレーションの反応速度、Voは酸素の同化速度、Rdは呼吸速度である。このモデルにおいて、単位葉面積あたりの二酸化炭素同化速度は、葉内二酸化炭素分圧に応じて、Rubisco酸素律速による同化速度(JR)、光化学系電子伝達活性律速による同化速度(JE)の最小値で与えられる。 Here, An is the carbon dioxide assimilation rate, V c is the carboxylation reaction rate, V o is the oxygen assimilation rate, and R d is the respiration rate. In this model, the carbon dioxide assimilation rate per unit leaf area depends on Rubisco oxygen-limited assimilation rate (J R ) and photochemical electron transfer activity-controlled assimilation rate (J E ) according to the carbon dioxide partial pressure in the leaf. Given as a minimum.

Rubisco酸素律速による同化速度が最小値になった場合は、数14で与えられる。   When the assimilation rate by the Rubisco oxygen rate control becomes the minimum value, it is given by equation (14).

ここでVcmaxはカルボキシレーション反応の最大速度、Ciは葉内の二酸化炭素濃度、Oiは葉内のO2濃度、Γは葉内二酸化炭素濃度の補償点、KcとKoはそれぞれ二酸化炭素と酸素に対するMichaelis定数である。 Where V cmax is the maximum rate of carboxylation reaction, C i is the carbon dioxide concentration in the leaf, O i is the O 2 concentration in the leaf, Γ is the compensation point for the carbon dioxide concentration in the leaf, and K c and Ko are respectively Michaelis constant for carbon dioxide and oxygen.

最小値が、PARに対する光合成の依存性を表す光化学系電子伝達活性律速の同化速度である場合、数15で与えられる。   When the minimum value is the photochemical electron transfer activity-controlled assimilation rate indicating the dependence of photosynthesis on PAR, it is given by Equation 15.

ここで、Jは電子伝達の飽和率であり、2次方程式の解として与えられる。   Here, J is the saturation rate of electron transfer, and is given as a solution of a quadratic equation.

植物は気孔を通して、まわりの大気と二酸化炭素だけではなくH2Oも同時に交換している。葉内の二酸化炭素同化速度と気孔コンダクタンス(gs)との関係は、数16で表す(Collatz et. al, 1991)。 Plants exchange not only the surrounding atmosphere and carbon dioxide but also H 2 O through the pores. The relationship between the carbon dioxide assimilation rate in the leaves and stomatal conductance (g s ) is expressed by Equation 16 (Collatz et. Al, 1991).

ここでCsは葉表面の二酸化炭素分圧、rhは相対湿度、mとgoは係数である。このモデルは、葉に吸収されるPAR、大気と葉面の温度、大気の二酸化炭素分圧、水蒸気圧、および葉面境界層のコンダクタンスが既知であれば、An、gs、葉表面の二酸化炭素分圧、水蒸気圧、葉内二酸化炭素分圧の変数が連立方程式によって与えられる。それらすべての変数は互いに非線形関係を持っているため、解を解析的に得ることはできず、数値的に繰り返し計算を行って求めることになる。 Partial pressure of carbon dioxide where C s is the leaf surface, rh is the relative humidity, m and g o is a coefficient. If the model is known for the PAR absorbed by the leaves, atmospheric and leaf temperature, atmospheric carbon dioxide partial pressure, water vapor pressure, and leaf boundary layer conductance, then A n , g s , Variables of carbon dioxide partial pressure, water vapor pressure, and carbon dioxide partial pressure in leaves are given by simultaneous equations. Since all these variables have a non-linear relationship with each other, the solution cannot be obtained analytically, but is obtained by repeated numerical calculations.

「土壌温度、水分移動」
土壌中の熱の移動は、主に伝導によって行われる。その他に、水、ガスの移動に伴っても輸送される。土壌は土粒子、水、気体から構成され、熱の移動はこれら3相の混合状態に大きく左右される。熱移動は数17で与えられる。
"Soil temperature, moisture transfer"
The movement of heat in the soil is mainly carried out by conduction. In addition, it is transported with the movement of water and gas. Soil is composed of soil particles, water, and gas, and the heat transfer is greatly influenced by the mixed state of these three phases. The heat transfer is given by equation (17).

ここでCsは土の体積熱容量、λsは熱伝導率、QHは熱貯留量である。土壌中の温度分布は、時間変化するが、それは地表面に与えられるエネルギーで駆動される。したがって、地表面における放射、顕熱、潜熱フラックスの収支が境界条件として与えられる。 Here, C s is the volumetric heat capacity of the soil, λ s is the thermal conductivity, and Q H is the heat storage amount. The temperature distribution in the soil changes over time, but it is driven by the energy given to the ground surface. Therefore, the balance of radiation, sensible heat, and latent heat flux on the ground surface is given as a boundary condition.

水のポテンシャル差によって移動が決まる土壌水分の分布は数18で与えられる。   The distribution of soil moisture whose movement is determined by the difference in water potential is given by Equation 18.

sは飽和透水係数、gは重力加速度、Uは植物の根からの吸収を表す。土壌水分は、流入する降雨、地面からの蒸発量、蒸散及び流出により変化する。降雨量及び地面蒸発量が境界条件として与えられる。 K s is the saturated hydraulic conductivity, g is the acceleration of gravity, and U is the absorption from the root of the plant. Soil moisture varies with inflowing rainfall, evaporation from the ground, transpiration and runoff. Rainfall and ground evaporation are given as boundary conditions.

本数値モデルと他のモデルとの比較を表1に示す。表1において、「H−C」はHigher-Order Closure Model (Meyers and Paw U, 1986)、「2nd−C」はSecond-Order Closure Model (Wilson and Show, 1977)、「N」はNorman (1979)のModel「単葉scale up」は単葉から樹冠へのスケールアップ、「勾配」は勾配(ポテンシャル)差により移動すること、「×」は考慮されないこと、「○」は考慮されることを示す。   Table 1 shows a comparison between this numerical model and other models. In Table 1, “HC” is Higher-Order Closure Model (Meyers and Paw U, 1986), “2nd-C” is Second-Order Closure Model (Wilson and Show, 1977), and “N” is Norman (1979). ) Model “single scale up” indicates scale up from single leaves to canopy, “gradient” moves due to gradient (potential) difference, “x” is not considered, and “◯” is considered.

「評価システムの効果」
レーザ光切断法は、樹冠構造を非破壊的に測定するため環境保全的であり、葉面積指数、葉面積密度、断面積、及び葉・枝の傾斜角等とそれらの距離情報が短時間で得られる。
"Effect of evaluation system"
The laser beam cutting method is environmentally friendly because it measures the canopy structure in a non-destructive manner, and the leaf area index, leaf area density, cross-sectional area, leaf / branch inclination angle and their distance information can be obtained in a short time. can get.

既存の地理情報や気象データ(自治体、気象庁メッシュデータ)の使用により、観測作業の軽減を実現し、高経済性(観測施設費や機器購入費の軽減)を発揮する。   By using existing geographic information and meteorological data (municipal agency, meteorological agency mesh data), observation work can be reduced, and high economic efficiency (reduction of observation facility costs and equipment purchase costs) is demonstrated.

伐採等の森林管理により森林構造が変わった場合、森林内水・熱輸送などの諸プロセスがどのように変化するのかが数値モデルにより予測可能になる。また、森林の成長や大気環境の変化が諸プロセスに及ぼす影響を予測することができる。さらに、数値モデルは地表面上で発生する諸プロセスを詳細に表現しているため、GCM(Global Circulation Model)等に地表面過程評価モデル(Land Surface Model)として利用することができる。   When the forest structure is changed by forest management such as logging, it is possible to predict how various processes such as water in the forest and heat transport will change by a numerical model. It is also possible to predict the effects of forest growth and changes in the atmospheric environment on various processes. Further, since the numerical model expresses in detail various processes that occur on the ground surface, it can be used as a surface process evaluation model (Land Surface Model) in GCM (Global Circulation Model) and the like.

評価システムにより得られたデータは、GIS等と連携してデータベースを構築することにより、行政や森林所有者等へ森林管理情報として提供し、森林資源の有用な活用に資することができる。   The data obtained by the evaluation system can be provided to the government and forest owners as forest management information by constructing a database in cooperation with GIS, etc., and contribute to the effective utilization of forest resources.

「評価プロセス」
本評価システムは、図6に示すように、樹冠構造データ取得手段10と、数値モデルを用いた評価を行う評価手段としてのパーソナルコンピュータ20と、地理情報システム30とからなる。樹冠構造データ取得手段10は、レーザユニット11により波長685nmの赤色レーザ光と波長830nmの近赤外レーザ光を走査し、測定対象物から反射された反射輝度をCCDカメラ12が撮影する。その画像データはパーソナルコンピュータ20に記憶される。パーソナルコンピュータ20は、CCDカメラ12が取得した画像データを解析し、樹冠構造データを出力する。
Evaluation process
As shown in FIG. 6, this evaluation system includes a crown structure data acquisition unit 10, a personal computer 20 as an evaluation unit that performs evaluation using a numerical model, and a geographic information system 30. The canopy structure data acquisition means 10 scans the laser unit 11 with red laser light having a wavelength of 685 nm and near-infrared laser light having a wavelength of 830 nm, and the CCD camera 12 captures the reflected luminance reflected from the measurement object. The image data is stored in the personal computer 20. The personal computer 20 analyzes the image data acquired by the CCD camera 12, and outputs tree structure data.

数値モデルによる評価は、図7に示すフローチャートに従って行う。まず、ステップS10において、解析された一次元樹冠構造データとGISによって構築された評価地域の地理情報及び気象データが入力される。そして、ステップS20において、一次元樹冠構造データと、地理情報及び気象データとから、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する。この際、まず、ステップS21において、放射収支、表面温度、光合成、エネルギー収支、土壌表面のエネルギー収支、土壌温度・水分移動を計算する。そして、ステップS22において、風速、温度、湿度、及び二酸化炭素等のプロファイルを計算する。また、ステップS23において、エネルギー及び運動量フラックスプロファイルを計算する。これらステップS21〜S23は相互に関連性を有するため、一定の条件を満たすまで繰り返す計算を行う。そして、ステップS30において、計算結果を出力する。   The evaluation by the numerical model is performed according to the flowchart shown in FIG. First, in step S10, the analyzed one-dimensional crown structure data and the geographic information and weather data of the evaluation area constructed by the GIS are input. In step S20, the influence of the physiological / biochemical activity of the plant on the environment in the evaluation area is evaluated in time series from the one-dimensional crown structure data, geographic information, and meteorological data. At this time, first, in step S21, the radiation balance, surface temperature, photosynthesis, energy balance, soil surface energy balance, soil temperature and moisture movement are calculated. In step S22, profiles such as wind speed, temperature, humidity, and carbon dioxide are calculated. In step S23, energy and momentum flux profiles are calculated. Since these steps S21 to S23 are related to each other, calculation is repeated until a certain condition is satisfied. In step S30, the calculation result is output.

より具体的に計算プロセスを説明すると、
(1)気象データ(温度、湿度、風速、日射量、PAR、降水量、二酸化炭素濃度)と地理情報を読み込む
(2)LAIの鉛直分布を計算する。
(3)太陽高度、及び樹冠での放射(PAR、NIR)プロファイルを計算する。
(4)初期値の風速成分のプロファイルを計算する。
(5)気孔コンダクタンスを推定する。
(6)長波プロファイルを推定する。
(7)表面温度を計算してから、光合成、呼吸量、及び気孔コンダクタンスを計算する。
(8)土壌表面におけるエネルギー収支と表面温度、土壌水分及び温度の分布、土壌呼吸量を計算する。
(9)運動量、風速成分及びスカラ成分のプロファイルを計算する。
(10)収束条件を満たすまで(7)〜(9)の過程を繰り返す。収束条件としては、樹冠の最上端層におけるエネルギーフラックスが0.5Wm-2以下になることとした。
(11)再び(1)の過程に戻り、次の時間ステップの計算を行う。
To explain the calculation process more specifically,
(1) Read weather data (temperature, humidity, wind speed, solar radiation, PAR, precipitation, carbon dioxide concentration) and geographic information. (2) Calculate LAI vertical distribution.
(3) Calculate solar altitude and radiation (PAR, NIR) profiles at the canopy.
(4) The initial value wind speed component profile is calculated.
(5) Estimate stomatal conductance.
(6) Estimate the long wave profile.
(7) After calculating the surface temperature, calculate photosynthesis, respiration rate, and stomatal conductance.
(8) Calculate the energy balance and surface temperature, soil moisture and temperature distribution, and soil respiration on the soil surface.
(9) Calculate the momentum, wind speed component, and scalar component profiles.
(10) The steps (7) to (9) are repeated until the convergence condition is satisfied. As a convergence condition, the energy flux in the uppermost layer of the tree crown was set to 0.5 Wm −2 or less.
(11) Returning to the process of (1) again, the next time step is calculated.

本評価システムを落葉広葉樹が優占する里山林であるトヨタフォレスタヒルズ内の小流域に適用し、本評価システムの有用性を検証した。発明者らは、トヨタフォレスタヒルズに試験流域を設け、2000年から気象水文観測を行ってきた。具体的に、この評価地域内に微気象観測タワーを建設し、多高度に気象測器を取り付け、林内外の微気象観測を行った。風、水分、熱や二酸化炭素の変動量は、超音波風速風向温度計(DAT−600,Kaijo社)とオープンパースの水・二酸化炭素変動計(LI−7500,Li-Cor社)を用い、20Hzで変動を計測した。本実施例では2003年5月のデータを用いて解析を行った。   We applied this evaluation system to a small watershed in Toyota Foresta Hills, a satoyama forest dominated by deciduous broad-leaved trees, and verified the usefulness of this evaluation system. The inventors have established a test basin in Toyota Foresta Hills and have conducted meteorological and hydrological observations since 2000. Specifically, a micrometeorological observation tower was constructed in this evaluation area, and meteorological instruments were installed at multiple altitudes to conduct micrometeorological observations inside and outside the forest. The amount of fluctuation in wind, moisture, heat and carbon dioxide is measured using an ultrasonic wind speed thermometer (DAT-600, Kaijo) and an open-perspective water / carbon dioxide variometer (LI-7500, Li-Cor). Variation was measured at 20 Hz. In this example, analysis was performed using data from May 2003.

諸プロセスの交換場である地上部を20層に分層し計算を行った。さらに、樹冠部で行われる交換プロセスが大気境界層に及ぼす影響を考慮するため、大気層を樹高(12m)の2倍に設定し、全60層(36m)を計算の対象にした。層の数は、目的に従い、自由自在に変更可能である。計算に用いられたパラメータは表2で示す。   The above-ground part, which is the exchange for various processes, was divided into 20 layers and the calculation was performed. Furthermore, in order to consider the influence of the exchange process performed at the tree crown on the atmospheric boundary layer, the atmospheric layer was set to twice the tree height (12 m), and all 60 layers (36 m) were targeted for calculation. The number of layers can be freely changed according to the purpose. The parameters used for the calculation are shown in Table 2.

「計算結果」
レーザ光切断法により得られたトヨタフォレスタヒルズの樹冠構造を図8に示す。地面から5m〜10m間に葉、枝、及び幹などが集中しており、その高さが水、熱およびCO2の交換場であることを示唆している。
"Calculation result"
FIG. 8 shows the crown structure of Toyota Foresta Hills obtained by the laser beam cutting method. Leaves, branches, trunks, etc. are concentrated between 5 m and 10 m from the ground, suggesting that the height is an exchange place for water, heat and CO 2 .

トヨタフォレスタヒルズにおけるエネルギー収支の日変化の測定値と本評価システムによる計算結果を図9に示す。図9において(A)は純放射量、(B)は潜熱、(C)は顕熱、(D)は二酸化炭素のフラックスである。ここで、顕熱、潜熱、及び二酸化炭素フラックスの測定値は渦相関法を用いて得られた結果である。二酸化炭素のフラックスがマイナスになるのは樹木が二酸化炭素を吸収することを意味する。プラスの値は、呼吸による二酸化炭素の放出を表す。   Fig. 9 shows the measured values of the daily change in energy balance at Toyota Foresta Hills and the results calculated by this evaluation system. In FIG. 9, (A) is the amount of pure radiation, (B) is the latent heat, (C) is the sensible heat, and (D) is the flux of carbon dioxide. Here, the measured values of sensible heat, latent heat, and carbon dioxide flux are results obtained using the eddy correlation method. The negative flux of carbon dioxide means that trees absorb carbon dioxide. A positive value represents the release of carbon dioxide by respiration.

時間経過によるエネルギーフラックスの空間分布を図10に示す。(A)は純放射量、(B)は潜熱、(C)は顕熱である。単位はすべてWm-2である。 The spatial distribution of the energy flux over time is shown in FIG. (A) is the amount of pure radiation, (B) is the latent heat, and (C) is the sensible heat. All units are Wm- 2 .

また、降雨時、樹冠上の付着水分量と遮断蒸発量の計算値を図11に示す。   In addition, FIG. 11 shows calculated values of the amount of moisture adhering to the canopy and the amount of blocked evaporation during rain.

降雨時、樹冠上の付着水分量と二酸化炭素フラックスとの時間―空間分布を図12に示す。(A)は降雨量(mm)、(B)は樹冠上の付着水分量(mm)、(C)は葉の裏面の乾燥率、(D)は二酸化炭素フラックス(μmol m-2-1)である。 FIG. 12 shows the time-space distribution of the amount of water adhering to the crown and the carbon dioxide flux during rainfall. (A) Rainfall (mm), (B) Water content on the crown (mm), (C) Drying rate on back of leaf, (D) Carbon dioxide flux (μmol m -2 s -1 ).

土壌表面における評価システムの計算値と実測地の比較を図13に示す。図9から図13において実線は計算値であり、丸点は測定値である。   FIG. 13 shows a comparison between the calculated value of the evaluation system on the soil surface and the actual measurement site. In FIG. 9 to FIG. 13, the solid line is the calculated value, and the round point is the measured value.

「考察」
評価システムにより予測された潜熱は実測値より過大評価、またCO2フラックスは過小評価される傾向がみられたが、計算値は実測値と高い相関を示した(図9)。本評価システムが適用された森林流域には多数の樹木が混在し、流域内の様々なプロセスに及ぼす影響は樹木により異なる。しかし、本評価システムは試験流域内の一部の優占種から得られたパラメータを用いて計算を行った。すなわち、パラメータには諸プロセスに対する樹木個体の影響度が充分考慮されておらず、一部の樹木により平均化された値である。そのようなパラメータを用いて計算したにも関わらず計算値が実測値とよく一致したことは、パラメータ化の正当性より評価システムが林分の空間構造を考慮した結果であるに間違いない。図8で示すように試験流域は高さ5〜10m間で葉や枝等が集中している。そのような林分構造の影響により放射エネルギーの吸収や潜熱・顕熱フラックスの交換が5〜10m間で主に行われていることが評価システムにより表現された(図10)。さらに、その高さは大気と葉面とのCO2交換の主な場所でもある(図12(D))。葉量が多くなると同然吸収されるエネルギー量も増えるが、同時に遮断する降雨量も多くなる。従って、遮断蒸発量が増加し、樹冠部の微気象環境が変化する。この変化は結局樹冠部においての諸プロセスに影響する。例えば、遮断蒸発量が多くなると葉面温度が低下する。温度の低下は呼吸量の減少や大気と葉面間の飽差の減少をもたらし気孔のオープンに適した環境を与える。その結果、固定されるCO2量も多くなる。降雨の終了後、流入するエネルギーの増大により遮断蒸発量が増加し、時間の経過により主な水蒸気の変動量は徐々に蒸散量が支配していくパターンになる(図11)。このように様々な気候環境における諸プロセスが評価システムによりよくシミュレートできた。
"Discussion"
Although the latent heat predicted by the evaluation system tended to be overestimated from the actual measurement value and the CO 2 flux was underestimated, the calculated value showed a high correlation with the actual measurement value (FIG. 9). Many trees are mixed in the forest basin to which this evaluation system is applied, and the influence on various processes in the basin varies depending on the trees. However, the evaluation system calculated using parameters obtained from some dominant species in the test basin. That is, the parameter does not sufficiently consider the degree of influence of individual trees on various processes, and is a value averaged by some trees. The fact that the calculated values agree well with the actual measured values even though they were calculated using such parameters is undoubtedly the result of the evaluation system considering the spatial structure of the stand from the validity of parameterization. As shown in FIG. 8, in the test basin, leaves, branches and the like are concentrated at a height of 5 to 10 m. The evaluation system expressed that the absorption of radiant energy and the exchange of latent heat and sensible heat flux were mainly performed between 5 and 10 m due to the influence of such stand structure (FIG. 10). Furthermore, the height is also the main place for CO 2 exchange between the atmosphere and the foliage (FIG. 12D). As the amount of leaves increases, the amount of energy absorbed is increased, but at the same time, the amount of rainfall that is cut off increases. Therefore, the cutoff evaporation amount increases and the microclimate environment of the tree crown changes. This change eventually affects the processes at the crown. For example, as the cutoff evaporation amount increases, the leaf surface temperature decreases. A decrease in temperature causes a decrease in respiration and a decrease in saturation between the air and the leaf surface, giving an environment suitable for opening of the pores. As a result, the amount of CO 2 to be fixed increases. After the end of the rainfall, the amount of cut-off evaporation increases due to the increase of the inflowing energy, and the fluctuation amount of the main water vapor gradually becomes a pattern in which the amount of transpiration gradually dominates over time (FIG. 11). Thus, various processes in various climatic environments can be simulated well by the evaluation system.

こうして、この評価システムでは、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスによる環境への影響を評価することができた。しかし、一部のプロセスに関する評価システムの予測においては実測地と差が見られた。その一つの例が図13である。土壌表面温度は、土壌内及び林内における諸プロセスの境界条件として用いられる。そのため、予測値の誤差は諸プロセスへの誤差に直接つながる。例えば、高い土壌表面温度は土壌温度との高い勾配をもたらし、高い地面蒸発また顕熱の原因になる。このような土壌面におけるエネルギー配分は流域全体のエネルギー収支に影響する。予測値の誤差にはいろんな原因があるが、特に評価システムに用いられたパラメータの影響も大きい。したがって、評価システムによる計算値とパラメータとの感度分析を行った。その結果、評価システムの計算は個葉の抵抗係数、Cdに対して大きく依存していることが明らかにされた。係数Cdは葉量と林分内の微気象環境との関係を表すものである。葉量の変化は林分微気象環境に影響し、その結果、諸プロセスにおいて変化が生じる。流域内の諸プロセスは林分構造に大きく依存していることが、諸プロセスに対する係数Cdの影響からも明確になる。したがって、本評価システムを他流域に適用するに当たっては流域の林分構造に関する情報収集が最優先的に行うべきであることを示唆する。 Thus, the evaluation system was able to evaluate the environmental impact of the exchange process of radiation, energy, water and carbon dioxide in the soil-plant-atmosphere circulation. However, in the prediction of the evaluation system for some processes, there was a difference from the actual measurement location. One example is shown in FIG. Soil surface temperature is used as a boundary condition for various processes in soil and forest. Therefore, the error in the predicted value directly leads to errors in various processes. For example, a high soil surface temperature results in a high gradient with the soil temperature, causing high ground evaporation or sensible heat. Such energy distribution on the soil surface affects the energy balance of the entire basin. There are various causes for the error in the predicted value, but the influence of the parameters used in the evaluation system is particularly large. Therefore, sensitivity analysis of the calculated values and parameters by the evaluation system was performed. As a result, the resistance coefficient calculation Leaf evaluation system, it was revealed that relies heavily against C d. The coefficient C d represents the relationship between the amount of leaves and the microclimate environment in the stand. Changes in leaf mass affect stand microclimate environments, resulting in changes in processes. It is clear from the influence of the coefficient Cd on the processes that the processes in the basin largely depend on the stand structure. Therefore, it is suggested that when applying this evaluation system to other basins, information collection on the forest structure in the basin should be given the highest priority.

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従来の数値モデルに係り、図(A)は単層モデル法の模式図、図(B)は多層モデルの模式図である。In relation to a conventional numerical model, FIG. (A) is a schematic diagram of a single layer model method, and FIG. (B) is a schematic diagram of a multilayer model. 本発明に係る樹冠構造データ取得手段の構成図である。It is a block diagram of the tree crown structure data acquisition means which concerns on this invention. 本発明に係る地理情報システムの構成図である。It is a block diagram of the geographic information system which concerns on this invention. 数値モデルの模式図である。It is a schematic diagram of a numerical model. 本発明に係る放射収支モデルの模式図である。It is a schematic diagram of the radiation balance model which concerns on this invention. 本評価システムのブロック構成図である。It is a block block diagram of this evaluation system. 本評価システムの評価手段である数値モデルの処理フローチャートである。It is a process flowchart of the numerical model which is an evaluation means of this evaluation system. 評価地域の樹冠構造を示すコンピュータの画面図である。It is a computer screen figure which shows the crown structure of an evaluation area. 評価地域のエネルギー収支の日変化の測定値と本評価システムによる計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measured value of the daily change of the energy balance of an evaluation area, and the calculation result by this evaluation system. 時間経過によるエネルギーフラックスの空間分布を示すコンピュータの画面図である。It is a screen figure of the computer which shows the spatial distribution of the energy flux by progress of time. 降雨時、樹冠上の付着水分量と遮断蒸発量の計算値を示すグラフである。It is a graph which shows the calculated value of the amount of adhesion | attachment water on a crown and the amount of interception evaporation at the time of rain. 降雨時、樹冠上の付着水分量と二酸化炭素フラックスとの時間―空間分布を示すコンピュータの画面図である。It is the screen figure of the computer which shows the time-space distribution of the moisture content on a crown and a carbon dioxide flux at the time of rainfall. 土壌温度の日変化を示すグラフである。It is a graph which shows the daily change of soil temperature.

符号の説明Explanation of symbols

10…樹冠構造データ取得手段
20…評価手段(パーソナルコンピュータ)
10 ... Tree crown structure data acquisition means 20 ... Evaluation means (personal computer)

Claims (6)

植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、該評価地域の植物群落の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得る樹冠構造データ取得手段と、
該一次元樹冠構造データと、地理情報システムによって得られる該評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が該評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する評価手段とを備えていることを特徴とする植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
A canopy structure data acquisition means for observing an evaluation area of a certain range where a plant is growing by laser light cutting and obtaining a three-dimensional structure of a plant community in the evaluation area as one-dimensional canopy structure data;
An evaluation means for evaluating, in a time series, the influence of the physiological and biochemical activities of plants on the environment of the evaluation area from the one-dimensional crown structure data and the environmental information of the evaluation area obtained by a geographic information system; A system for quantitative evaluation of the effects of plants on the environment.
前記一次元樹冠構造データは、高さ方向に分割された各層毎に得られる葉面積指数からなることを特徴とする請求項1記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。   The quantitative evaluation system for the influence of a plant on the environment according to claim 1, wherein the one-dimensional tree crown structure data includes a leaf area index obtained for each layer divided in the height direction. 前記地理情報は、土地利用情報及び気象データを含むことを特徴とする請求項1又は2記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。   3. The quantitative evaluation system for the influence of plants on the environment according to claim 1, wherein the geographical information includes land use information and weather data. 前記地理情報は、土壌型、地質及び地形等の土壌情報を含むことを特徴とする請求項3記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。   4. The quantitative evaluation system for the influence of plants on the environment according to claim 3, wherein the geographical information includes soil information such as soil type, geology, and topography. 前記気象データは、前記評価地域の降雨量、風速、温度、湿度及び日射量からなることを特徴とする請求項3又は4記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。   5. The quantitative evaluation system for the influence of plants on the environment according to claim 3, wherein the meteorological data comprises rainfall, wind speed, temperature, humidity and solar radiation in the evaluation area. 前記評価手段は、水、エネルギー及び二酸化炭素の変動量と収支とを評価することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。   6. The quantitative evaluation system according to claim 1, wherein the evaluation means evaluates the fluctuation amount and balance of water, energy, and carbon dioxide.
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