JP5039195B2 - Forest CO2 flux measurement method - Google Patents

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Description

本発明は、森林のCOフラックス測定法に関する。さらに詳述すると、本発明は、渦相関法(EC)により評価されていた森林全体のCO吸収量の評価技術の改良に関する。 The present invention relates to a method for measuring CO 2 flux in forests. More specifically, the present invention relates to an improvement in the technique for evaluating the CO 2 absorption amount of the entire forest, which has been evaluated by the eddy correlation method (EC).

温暖化ガス削減策として京都メカニズムにおける森林吸収源を利用するには、森林吸収源におけるCOの吸収量の評価方法を示し、実行する必要がある。温暖化抑制や気候変動における森林の影響を定量化する上では、森林全体のCO収支の評価(フルカーボンアカウンティング)が重要である。このような森林全体のCO収支は、COの交換量(フラックス)を積算することで評価できるものであり、現在、地球規模のCO収支の評価・予測が盛んに行われている。このように評価や予測を行うにあたっては、地表面で実測されたエネルギー・物質交換量(フラックス)の検証データとしての利用価値が高いことから、フラックスサイトをネットワーク化し、広域的かつ長期間にわたってフラックスデータをグラウンドトゥルースとして利用できる環境の整備が世界的に進められている。また、現在、IPCC(Intergovernmental Panel on Climatic Change、1988年に設立された国連の組織で、地球温暖化問題についての科学的な議論を行う場)が推奨するCO吸収量の評価手法があるが、この評価手法は森林のCO収支のうち土壌からのCO放出を正確に把握できないことから、森林のCO収支を正しく評価できる新しい手法が今後は求められるであろうという面もある。 In order to use the forest absorption source in the Kyoto mechanism as a greenhouse gas reduction measure, it is necessary to show and implement a method for evaluating the amount of CO 2 absorbed in the forest absorption source. In order to quantify the impact of forests on global warming suppression and climate change, it is important to evaluate the CO 2 balance of the entire forest (full carbon accounting). Such forest overall CO 2 balance, which can be evaluated by integrating exchange amount CO 2 (the flux), the current, the evaluation and prediction of the global CO 2 balance has been actively conducted. In conducting such evaluations and predictions, the use value as verification data of energy and mass exchange (flux) measured on the ground surface is high. The development of an environment where data can be used as ground truth is being promoted worldwide. In addition, there is currently an evaluation method for CO 2 absorption recommended by IPCC (Intergovernmental Panel on Climatic Change, a UN organization established in 1988, where scientific discussions on global warming issues are held). this evaluation method is the fact that can not be accurately grasp the CO 2 emission from the soil of the CO 2 balance of the forest, a new technique that the CO 2 balance of the forest can be correctly evaluated there is also a surface that will be required in the future.

例えば、小規模な公園程度の大きさであればCOの出入りの量に差が生じるが、数十haあるいは数百haといった大規模な森林であれば出入りの量はほぼ等しいと考えることができる。したがって、森林におけるCO吸収量を評価するにあたり、森林が横方向に均一だと考えれば、森林に対して横方向から流入する風と横方向に流出していく風のCOの流量(交換量)はほぼ等しいとして扱うことが可能となる(図1参照)。したがって、この考えに基づけば、横方向の流量は考慮せず、森林の上部空間において上下方向に出入りする空気量などを例えば1年間測定することにより、1年の間に森林がどの程度COを吸収したか、あるいは放出したかがわかる(図1参照)。より具体的には、森林の上下方向におけるCOの交換量速度を把握し続け、最後に積算すればある期間(例えば1年)の吸収量(放出量)がわかる。この吸収ないしは放出の量、つまりはCOの交換量を単位時間あたりの量として考えたものが「フラックス」、つまりいわば交換速度ということになる(図1参照)。 For example, if the size of a small park is large, there will be a difference in the amount of CO 2 in and out, but in the case of a large forest such as tens or hundreds of ha, the amount of in and out is considered to be almost equal. it can. Therefore, when evaluating the amount of CO 2 absorbed in the forest, assuming that the forest is uniform in the lateral direction, the flow rate of CO 2 (exchange) (Quantity) can be treated as almost equal (see FIG. 1). Therefore, based on this idea, the amount of CO 2 in the forest during the year can be measured by measuring, for example, the amount of air entering and exiting the vertical space in the upper space of the forest, for example, without considering the lateral flow rate. Is absorbed or released (see FIG. 1). More specifically, if the CO 2 exchange rate in the vertical direction of the forest is kept tracked and integrated at the end, the absorption amount (release amount) for a certain period (for example, one year) can be found. The amount of absorption or release, that is, the amount of CO 2 exchanged as an amount per unit time is referred to as “flux”, that is, so-called exchange rate (see FIG. 1).

ここで、森林上におけるCOの収支を表すNEE(Net Ecosystem Exchange:生態系純交換量)は、COフラックスFを用いて次式で表される。
[数7]
NEE=F+F
は森林内の空間に一時的に存在するCO量(林冠内貯留量)で、1日の中で貯留と放出を繰り返し、1日を通した収支は非常に小さい。したがって、1年間のNEEは、COフラックスの時系列1年分を積算することで求めることができる。1年間のNEE(mgCOm-2yr-1)は光合成の同化作用によって森林生態系が1年間に吸収したCO量を示す(図5参照)。
Here, NEE representing the balance of the CO 2 in the forest (Net Ecosystem Exchange: net ecosystem exchange amount), using a CO 2 flux F C is expressed by the following equation.
[Equation 7]
NEE = F C + F S
F S is the amount CO 2 temporarily present in the space in the forest (canopy in storage amount), repeated storage and release during the day, the balance is very small throughout the day. Therefore, NEE for one year can be obtained by integrating the time series of CO 2 flux for one year. One year of NEE (mgCO 2 m −2 yr −1 ) indicates the amount of CO 2 absorbed by the forest ecosystem in one year due to the assimilation of photosynthesis (see FIG. 5).

従来、このCOフラックスを測定するための手法の一つとして、渦相関法(EC:Eddy-covariance method)が広く用いられている。この渦相関法は、垂直風速の変動(w’)と気温や湿度、CO密度変動の測定値(c’)の共分散の平均値(w’c’(文中ではアッパーラインを付していないが、算術平均を表しているものとする))から乱流輸送量であるフラックスを求める、つまり、図1に示してあるように、
COフラックス=風の乱れ×CO密度変動=w’c’
という式に従い、COフラックスを求めるというものである。この渦相関法による測定手法は、各物理量を直接測定するものであることから最も仮定が少ない測定法とされている。また、この渦相関法を利用する場合の施設としては森林上空の風の流れとCOの密度の変動を直接的に測定するための施設、例えば森林内に建てられたタワーや当該タワーに設けられたセンサなどが利用されている(例えば、非特許文献1参照)。センサとしては、風の乱れを測定するための超音波風速計や、CO密度変動を測定するためのCO/H2O分析計などが用いられる。
Conventionally, an eddy-covariance method (EC) has been widely used as one of the methods for measuring the CO 2 flux. The eddy correlation method, 'the temperature and humidity, CO 2 measurements of density variations (c variation of vertical wind velocity (w)' The average covariance) (w'c '(statement not given the upper line Not, but represent the arithmetic mean))) to determine the turbulent flux, ie, as shown in FIG.
CO 2 flux = turbulence of wind × CO 2 density fluctuation = w′c ′
The CO 2 flux is obtained according to the equation: This measurement method using the vortex correlation method is the measurement method with the fewest assumptions because it directly measures each physical quantity. Also, when using this eddy correlation method, facilities for directly measuring changes in wind flow and CO 2 density over the forest, such as a tower built in the forest or the tower, are provided. The sensor etc. which were used are utilized (for example, refer nonpatent literature 1). As the sensor, an ultrasonic anemometer for measuring wind turbulence, a CO 2 / H 2 O analyzer for measuring CO 2 density fluctuation, or the like is used.

Thiermann, V. "A displaced-beam scintillometer for line-averaged measurements of surface layer turbulence". Tenth symposium of turbulence and diffusion, 29 Sept -2 Oct, 1992, Portland, OR., published by the American Meteorological Society, Boston, MA.: p244-p247 (1992)Thiermann, V. "A displaced-beam scintillometer for line-averaged measurements of surface layer turbulence". Tenth symposium of turbulence and diffusion, 29 Sept -2 Oct, 1992, Portland, OR., Published by the American Meteorological Society, Boston, MA .: p244-p247 (1992)

しかしながら、従来の測定法の場合、測定精度が十分ではないとの見方がある。すなわち、フラックスは大気下層の地表面付近では大気乱流によって駆動されることから、晴天日の夜間など大気が安定した状態や、大気の対流が大きい不安定な条件では、渦相関法による熱フラックスと放射計による放射フラックスが釣り合わない現象(インバランス)が多発している。そして、このような現象(インバランス)は、主に渦相関法に起因する問題と認識されている。   However, there is a view that the measurement accuracy is not sufficient in the case of the conventional measurement method. In other words, since the flux is driven by atmospheric turbulence near the ground surface in the lower atmosphere, the heat flux by the eddy correlation method is used in the stable atmosphere such as at night on a clear day, or in unstable conditions with large atmospheric convection. There are many phenomena (imbalance) in which the radiation flux from the radiometer is not balanced. Such a phenomenon (imbalance) is recognized as a problem mainly caused by the vortex correlation method.

そこで、本発明は、森林全体におけるCOの吸収量を高精度に評価するための森林のCOフラックス測定法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a forest CO 2 flux measurement method for accurately evaluating the amount of CO 2 absorbed in the entire forest.

かかる目的を達成するため、本発明者は種々の検討を行った。森林全体におけるCOの吸収量を高精度に評価するため、森林全体における時間平均ないしは空間平均のCOフラックスを測定することを考えた。ただし、上述したように、渦相関法だと測定精度が十分ではないとの見方があり、本発明者はこの問題について検討した結果、森林上空の1点にて測定を行ういわば「点測定」型であることに理由があるのではないかと考え、さらに検討を進めた結果、パス(トランスミッタとレシーバとの設置間隔)を長くとれるシンチロメータを使ってCOフラックスをいわば面的に広い領域にて測定するという着想を得るに至った。シンチロメータならば、トランスミッタとレシーバとを数十mあるいは100m以上離して設置し、それらの間におけるレーザ光の屈折率変化を測定することにより、少なくとも渦相関法の場合よりも広いエリアについてCOフラックスを測定することが可能となる。 In order to achieve this object, the present inventor has conducted various studies. In order to evaluate the amount of CO 2 absorbed in the entire forest with high accuracy, it was considered to measure the time average or spatial average CO 2 flux in the entire forest. However, as described above, there is a view that the measurement accuracy is not sufficient with the eddy correlation method, and as a result of studying this problem, the present inventor performs measurement at one point over the forest, so-called “point measurement”. As a result of further study, we thought that there was a reason for the type, and as a result, we used a scintillometer that can take a long path (the distance between the transmitter and the receiver), and CO 2 flux in a wide area I came to the idea of measuring. In the case of a scintillometer, a transmitter and a receiver are installed at a distance of several tens of meters or 100 m or more, and a change in the refractive index of the laser beam between them is measured, so that at least a CO 2 flux over a wider area than in the vortex correlation method. Can be measured.

ただし、シンチロメータの場合だと、温度の乱流強度しか測定することができないために、上述したCOフラックスを求めるための要素である「CO密度変動」に関するデータを直接求めることができないという欠点もある。つまり、より広い領域にてフラックス測定することにより測定精度を高めることが期待できても、COフラックスを求めるための要素を直接求めることができなければそもそもCOフラックス測定が不可能となってしまう。 However, in the case of a scintillometer, only the temperature turbulence intensity can be measured, so that the data relating to “CO 2 density fluctuation”, which is an element for obtaining the above-mentioned CO 2 flux, cannot be directly obtained. There is also. That is, even be expected to increase the measurement accuracy by the flux measured in a broader area, it becomes impossible elements begin CO 2 flux measurement to be able to determine directly for obtaining the CO 2 flux End up.

ここで、本発明者は、パスを長くとれるシンチロメータを測定手段として利用しつつCOフラックスを求めるためさらなる検討を加えた。そこで、測定手法の差異に対するソースエリアの影響を調べるために、ソースエリアおよびシンチロメータと渦相関センサによる消散率を比較することに想到し、さらなる検討の結果、ある知見を得るに至った。 Here, the present inventor further studied in order to obtain the CO 2 flux while using a scintillometer that can take a long path as a measuring means. Therefore, in order to investigate the influence of the source area on the difference in measurement technique, we came up with a comparison of the dissipation rates of the source area, scintillometer, and eddy correlation sensor, and as a result of further investigations, we obtained some knowledge.

本発明はかかる知見に基づくものであり、まず、森林のCOフラックス測定法として、森林上空のシンチロメータのトランスミッタから照射したレーザ光をシンチロメータのレシーバで受光する際、森林上における乱流あるいは温度変動に起因するシンチレーションに基づく光強度の変動を計測して温度変動の消散率εを求め、さらに、森林上空の渦相関センサによって、温度に関する変動の分散の平方根σ、水蒸気に関する変動の分散の平方根σ、COに関する変動の分散の平方根σを測定し、その後、以下の関係式
に基づき、水蒸気の消散率ε、COの消散率εをそれぞれ算出し、スカラー量である各消散率ε、ε、εからフラックスを求めることを特徴とするものを発明した。
The present invention is based on such knowledge. First, as a method for measuring CO 2 flux in a forest, when a laser beam emitted from a scintillometer transmitter over the forest is received by a scintillometer receiver, turbulence or temperature fluctuations in the forest are detected. The variation of the light intensity based on the scintillation due to the temperature is measured to obtain the extinction rate ε T of the temperature variation, and further, the vortex correlation sensor over the forest is used to calculate the square root σ T of the variation with respect to the temperature, Measure the square root σ q , the square root σ c of the variance of the variation with respect to CO 2 , and then
Based on the above, the present invention has been invented in that it calculates the water vapor extinction rate ε q and the CO 2 extinction rate ε c , and obtains the flux from the respective extinction rates ε T , ε q , ε c which are scalar quantities. .

例えば森林の上空で空気乱流や熱変動が生じると、光の散乱が生じ、光強度が変動する。そこで、このように相関的に変動した光強度に基づき、乱流運動エネルギーの消散率、あるいは温度変動の消散率を求める(図2参照)。また、空気の乱れとCOの密度とを掛け合わせる、あるいは空気の乱れと温度変動と掛け合わせることによって熱のフラックスを求めることができる。ここで、フラックスの生成と消散には一対の関係がある。そこで、消散率を求めることによって間接的にフラックスを算出することが可能である。 For example, when air turbulence or heat fluctuation occurs over the forest, light scattering occurs and the light intensity fluctuates. Therefore, the dissipation rate of turbulent kinetic energy or the dissipation rate of temperature fluctuation is obtained based on the light intensity that has changed in this way (see FIG. 2). Further, the heat flux can be obtained by multiplying the air turbulence and the CO 2 density, or by multiplying the air turbulence and the temperature fluctuation. Here, there is a pair of relationship between flux generation and dissipation. Therefore, it is possible to calculate the flux indirectly by obtaining the dissipation rate.

ただし、この手法においてはCOのフラックス自体を直接的に求めることはできず、顕熱フラックス(伝熱)と風速シアー(乱流の強さ)という2つが直接的に求められるに過ぎない。そこで、この方法を応用してCOのフラックスあるいは水蒸気のフラックスを求める手法を新たに導入する。すなわち、上述したようにフラックスの生成と消散とには一対の関係があることから、本発明においては、消散率を求めることによってフラックスを間接的に算出することとしている。この場合、渦相関センサによる計測値からシンチロメータの空間スケールに対応するフラックスを算出する点が特徴的である。 However, in this method, the CO 2 flux itself cannot be obtained directly, and only two of sensible heat flux (heat transfer) and wind speed shear (turbulent strength) are obtained directly. Therefore, a new method for obtaining the CO 2 flux or the water vapor flux by applying this method is introduced. That is, as described above, since there is a pair of relationship between flux generation and dissipation, in the present invention, the flux is indirectly calculated by obtaining the dissipation rate. In this case, it is characteristic that the flux corresponding to the spatial scale of the scintillometer is calculated from the measured value by the vortex correlation sensor.

より具体的に説明すると、シンチロメータを用いればフラックスを間接的に測定することは可能だが、このシンチロメータの場合、温度と乱流の強さしかわからない。そこで、温度と水蒸気の消散率の比が、温度と水蒸気の分散の比の二乗と等しいという関係式を導入し、渦相関センサによって計測したデータから、温度に関する変動の分散の平方根σと水蒸気に関する変動の分散の平方根σの比を求め、さらには温度に関する変動の分散の平方根σとCOに関する変動の分散の平方根σの比を求め、ここから、シンチロメータによっては直接的には測りえない水蒸気の消散率ε、COの消散率εをそれぞれ算出することとしている(図3参照)。こうしてスカラー量である各消散率ε、ε、εを求めることができれば、これらの結果からフラックス(例えばCOフラックス)を求めることが可能となる。 More specifically, it is possible to indirectly measure the flux by using a scintillometer, but in this scintillometer, only the strength of temperature and turbulence is known. Therefore, the ratio of the dissipation rate of the temperature and water vapor, the temperature and introduced a relational expression equal to the square of the ratio of the dispersion of water vapor, from the data measured by the eddy correlation sensor, the variance of the change relating to the temperature square root sigma T and steam The ratio of the square root σ q of the variance of the fluctuations with respect to temperature, and the ratio of the square root σ T of the variance of the fluctuations with respect to temperature and the square root σ c of the variance of the fluctuations with respect to CO 2 , from which, depending on the scintillometer, The extinction rate ε q of water vapor that cannot be measured and the extinction rate ε c of CO 2 are calculated (see FIG. 3). If the extinction rates ε T , ε q , ε c that are scalar quantities can be obtained in this way, a flux (for example, CO 2 flux) can be obtained from these results.

なお、渦相関法において熱フラックスの過小評価が見られたことがあった。このような測定手法に対し、本発明の場合、シンチロメータによる熱フラックスは熱収支のインバランスを緩和させ、より妥当な評価結果が得られる。また、COフラックスは顕熱および潜熱フラックスと同じ測定原理に基づくことから、シンチロメータの適用によって、より信頼できる値が得られることになる。 In some cases, underestimation of the heat flux was observed in the eddy correlation method. In contrast to such a measuring method, in the case of the present invention, the heat flux by the scintillometer relaxes the imbalance of the heat balance, and a more appropriate evaluation result can be obtained. In addition, since the CO 2 flux is based on the same measurement principle as the sensible heat and latent heat flux, a more reliable value can be obtained by applying a scintillometer.

ここで、本発明者は検討を重ねた結果、森林上に適用したシンチロメータから得られた乱流運動エネルギーおよびスカラー分散の消散率(フラックス算出のための支配的パラメータ)が、測定パスに直交する風向時に渦相関センサによる消散率を特徴的に上回る現象を知見するとともに、この現象の原因のひとつに、シンチロメータと渦相関センサの間でソースエリアが大きく異なることがあると考えた。かかる知見に基づいて、上記のようなCOフラックス測定を実施する場合には、シンチロメータにおけるレーザ光の照射方向たるパスの方向が森林における風向と直交するようにトランスミッタおよびレシーバを配置しまたは配置を変換することが好ましい。シンチロメータによる測定領域を広げるという観点からは、上記のようにパス方向を風向に直交させれば、シンチロメータを利用してCOフラックスを測定する場合により大きな効果を得ることが可能となる(図4参照)。例えば、風向が一定ないしは安定となっている場合にパスを直交させることとすれば測定精度が高くなる。また、特に測定パスをより長距離化した場合に、シンチロメータは広い領域においてフラックスが導出できるため、より広い面的な測定が可能となるという利点がある。本発明の場合、トランスミッタとレシーバの少なくとも一方を移動可能としておけば風向に応じてパスの方向を適宜変化させることが可能となる。 Here, as a result of repeated studies, the present inventors have found that the turbulent kinetic energy and scalar dispersion dissipation rate (dominant parameters for flux calculation) obtained from the scintillometer applied on the forest are orthogonal to the measurement path. We found a phenomenon that characteristically exceeds the dissipation rate of the vortex correlation sensor in the wind direction, and thought that one of the causes of this phenomenon is that the source area differs greatly between the scintillometer and the vortex correlation sensor. Based on this knowledge, when carrying out the above-mentioned CO 2 flux measurement, the transmitter and the receiver are arranged or arranged so that the direction of the path as the irradiation direction of the laser light in the scintillometer is orthogonal to the wind direction in the forest. It is preferable to convert. From the viewpoint of expanding the measurement area by the scintillometer, if the path direction is orthogonal to the wind direction as described above, a greater effect can be obtained when measuring the CO 2 flux using the scintillometer (FIG. 4). reference). For example, if the paths are orthogonal when the wind direction is constant or stable, the measurement accuracy is increased. Further, particularly when the measurement path is made longer, the scintillometer has an advantage that a wider area measurement is possible because the flux can be derived in a wide area. In the case of the present invention, if at least one of the transmitter and the receiver can be moved, the path direction can be appropriately changed according to the wind direction.

以上がシンチロメータを利用した森林のCOフラックス測定法であるが、本発明者はさらに検討を重ねた。シンチロメータを利用すれば上記のような効果が得られる反面、レーザ光の光路が遮られると測定不能となるため、雨天や霧など悪天候時のデータが得られないという面もある。また、シンチロメータの測定パスに風向が直交する際には領域を代表する値が得られる一方で、パスに平行な風向時には渦相関法と同等の評価値となる。フラックスの積算によってCO吸収量を得るためには、シンチロメータの空間スケールを持つフラックスを長期に安定して算出する必要もあると考えた。そこでさらに検討を重ねた結果、シンチロメータと渦相関法による温度変動の消散率の比εTSAS/εTECが、(i)センサの測定範囲の比(換言すればソースエリアの比、RA=ASAS/AEC )および (ii)大気の乱流強度(σ/u) と相関が高いことから、これら2つの要素をパラメータとして、渦相関法の測定値をシンチロメータ相当のフラックスに変換する手法に想到するに至った。 The above is the forest CO 2 flux measurement method using a scintillometer, but the present inventor has further studied. If the scintillometer is used, the above-described effects can be obtained, but if the optical path of the laser beam is interrupted, measurement becomes impossible, so that data during bad weather such as rain or fog cannot be obtained. When the wind direction is orthogonal to the measurement path of the scintillometer, a value representing the region is obtained, but when the wind direction is parallel to the path, an evaluation value equivalent to the vortex correlation method is obtained. In order to obtain the amount of CO 2 absorption by integrating the flux, it was considered necessary to stably calculate a flux having a scintillometer spatial scale over a long period of time. As a result of further investigation, the ratio ε TSAS / ε TEC of the temperature fluctuation dissipation rate by the scintillometer and the vortex correlation method is (i) the ratio of the measurement range of the sensor (in other words, the ratio of the source area, RA = A SAS / A EC ) and (ii) Atmospheric turbulence intensity (σ w / u) is highly correlated, so these two elements are used as parameters to convert the vortex correlation measurement value into a flux equivalent to a scintillometer. I came up with an idea.

請求項1に記載の発明はこのような考えに基づき想到したものであり、森林全体のCO吸収量を測定するためのCOフラックス測定法において、シンチロメータを用いた場合と渦相関法による場合の温度変動の消散率の比εTSAS/εTECが、シンチロメータを用いた場合の測定範囲ASASと渦相関センサによる場合の測定範囲AEC の比RA(=ASAS/AEC )との相関、および大気の乱流強度σ/u との相関が高いことに基づき、これら2つの要素RA(=ASAS/AEC )およびσ/u をパラメータとする関係式
を、シンチロメータおよび渦相関センサを使って実際に得られた一定期間における測定結果に基づきあらかじめ用意しておくとともに、数式10中における測定範囲の比RAには一定値を与えることによりすべての風向に対するシンチロメータの広い測定範囲を適用することとし、その後、森林の上空に実際に設置した渦相関センサによって大気の乱流強度σ/uを測定し、以下の関係式
に基づき、渦相関法によって求めた顕熱フラックスHECをシンチロメータによって求めた場合に相当する顕熱フラックスHSASに補正し、尚かつ、渦相関法によって求めた潜熱フラックスλEECおよびCOフラックスFcECに関しても、以下の関係式
に基づき、シンチロメータによって求めた場合に相当する潜熱フラックスλESASおよびCOフラックスFcSASに補正し、シンチロメータにて測定したのと同様の測定結果を得ることを特徴としている。この場合のRAは風向によって変化するシンチロメータの空間スケール、σ/uは大気の乱流状態を表している。
The invention according to claim 1 has been conceived based on such an idea. In the CO 2 flux measurement method for measuring the CO 2 absorption amount of the entire forest, the case of using a scintillometer and the case of using the eddy correlation method The ratio of extinction ratio of temperature fluctuation of ε TSAS / ε TEC to the ratio RA (= A SAS / A EC ) of the measurement range A SAS when using a scintillometer and the measurement range A EC when using a vortex correlation sensor , And the high correlation with the atmospheric turbulence intensity σ w / u, the relational expression with these two elements RA (= A SAS / A EC ) and σ w / u as parameters
Is prepared in advance based on the measurement results in a certain period actually obtained by using a scintillometer and a vortex correlation sensor, and a constant value is given to the ratio RA of the measurement range in Equation 10 for all wind directions. The wide measuring range of the scintillometer is applied, and then the turbulence intensity σ w / u of the atmosphere is measured by the eddy correlation sensor actually installed above the forest.
The sensible heat flux H EC obtained by the vortex correlation method is corrected to the sensible heat flux H SAS corresponding to that obtained by the scintillometer, and the latent heat flux λE EC and CO 2 flux F obtained by the vortex correlation method are corrected. Regarding cEC , the following relational expression
Based on the above, the latent heat flux λE SAS and the CO 2 flux F cSAS corresponding to those obtained by a scintillometer are corrected, and the same measurement result as that obtained by the scintillometer is obtained. In this case, RA is the spatial scale of the scintillometer that varies depending on the wind direction, and σ w / u represents the turbulent state of the atmosphere.

本発明の場合、上述の(i)と(ii)を変数とする関数(数式10)を、実際にシンチロメータおよび渦相関センサを使った過去の測定結果に基づきいわば経験値としてあらかじめ用意しておく。その後の計測は渦相関法のみを実施し、シンチロメータを使った実測はもはや行わないが、あらかじめ用意された関係式を利用し、フラックスを補正することによってシンチロメータを使った場合と同様の測定結果を得ることができる。つまりは、当該測定対象森林にシンチロメータを実際に設置する必要はなく、あくまでも従来と同様の手順により渦相関センサのみにより実際の測定を実施して測定データを得ることができる。例えば渦相関センサのみによる測定結果は実際の値よりも過小評価される傾向があるが、本発明においては特定の関係式に基づきこの結果を補正ないしは補間し、あたかもシンチロメータを使って得たのと同様、真の値により近い測定結果を算出することができる。   In the case of the present invention, the function (Formula 10) having the variables (i) and (ii) described above as variables is prepared in advance as an experience value based on past measurement results actually using a scintillometer and a vortex correlation sensor. . Subsequent measurements are performed only using the vortex correlation method, and actual measurements using the scintillometer are no longer performed, but the same measurement results as when using the scintillometer are obtained by correcting the flux using the relational expression prepared in advance. Obtainable. In other words, it is not necessary to actually install a scintillometer in the measurement target forest, and measurement data can be obtained by performing actual measurement using only the vortex correlation sensor according to the same procedure as before. For example, the measurement result using only the vortex correlation sensor tends to be underestimated than the actual value, but in the present invention, this result is corrected or interpolated based on a specific relational expression, and it is obtained as if using a scintillometer. Similarly, a measurement result closer to the true value can be calculated.

前述のCOフラックス測定法によれば、測定パスを長距離化できるシンチロメータを利用することにより、広い領域においてフラックスを計測することが可能となる。例えば従来の渦相関法の場合、いわば点で測定するため測定領域が極めて狭いのに対し、本発明にかかるフラックス測定法の場合だと大きい領域を測定できるため、狭小領域における変動には依存しない平均的かつ精度の高い測定データを得ることができる。これにより、森林全体のCO吸収量を高精度に評価することが可能となる。 According to the above-mentioned CO 2 flux measurement method, it is possible to measure the flux in a wide area by using a scintillometer that can extend the measurement path. For example, in the case of the conventional eddy correlation method, the measurement area is very narrow because it is measured at a point, whereas in the case of the flux measurement method according to the present invention, a large area can be measured, so it does not depend on fluctuations in the narrow area. Average and highly accurate measurement data can be obtained. Thereby, it becomes possible to evaluate the CO 2 absorption amount of the entire forest with high accuracy.

また、前述のCO2フラックス測定法においては、風向にパスを直交させるか、あるいはこれに近似した状態とすることによってより広い測定領域を確保することができる(図4参照)。これによれば、森林全体のCO吸収量をより高精度に評価することが可能となる。 In the above-mentioned CO2 flux measurement method, a wider measurement area can be secured by making the path orthogonal to the wind direction or by approximating it (see FIG. 4). According to this, it becomes possible to evaluate the CO 2 absorption amount of the entire forest with higher accuracy.

請求項1の発明によると、シンチロメータは使わずに、シンチロメータを使ったのと同様の高精度の測定結果を得ることができる。こうした場合、トランスミッタとレシーバのそれぞれを設置するためのタワーを設けなくても済むため、コストを抑えつつ、CO吸収量を高精度に評価することが可能となる。要は、測定領域の異なる計測値から導いた補正を施すことによって、あたかもシンチロメータにて計測を実施したのと同様の結果を得ることができ、渦相関法による熱フラックスのインバランスを解消に向かわせることが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to obtain a highly accurate measurement result similar to that using the scintillometer without using the scintillometer. In such a case, since it is not necessary to provide a tower for installing each of the transmitter and the receiver, it is possible to evaluate the CO 2 absorption amount with high accuracy while suppressing the cost. In short, by applying corrections derived from different measurement values in the measurement area, it is possible to obtain the same results as if measurement was performed with a scintillometer, and to eliminate the heat flux imbalance by the vortex correlation method. It is possible to make it.

しかも、シンチロメータは光学的な計測機器であるために雨や霧の場合に稼働率が下がるといったように天候に左右されやすいが、実際にシンチロメータを使わずに高精度な結果が得られるようにした本発明にかかる測定法によれば天候の影響を受けずに随時測定することが可能になるという利点もある。   Moreover, because the scintillometer is an optical measuring device, it is easy to be affected by the weather, such as the operating rate drops in the case of rain or fog, but it has been made possible to obtain highly accurate results without actually using the scintillometer. The measurement method according to the present invention also has an advantage that measurement can be performed at any time without being affected by the weather.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

図1〜図8に本発明の実施の一形態を示す。本発明にかかるCO測定法は、森林全体におけるCOフラックスを計測し評価するというもので、森林上空のシンチロメータ1のトランスミッタ2から照射したレーザ光をシンチロメータ1のレシーバ3で受光する際、森林上における乱流あるいは温度変動に起因するシンチレーションに基づく光強度の変動を計測して温度変動の消散率εを求めるか、あるいは経験値としてあらかじめ用意しておき、さらに、森林上空の渦相関センサによって、温度に関する変動の分散(またはその平方根σ)、水蒸気に関する変動の分散(またはその平方根σ)、COに関する変動の分散(またはその平方根σ)を測定し、その後、以下の関係式
に基づき、水蒸気の消散率ε、COの消散率εをそれぞれ算出し、スカラー量である各消散率ε、ε、εからフラックスを求めるというものである。
1 to 8 show an embodiment of the present invention. The CO 2 measurement method according to the present invention is to measure and evaluate the CO 2 flux in the entire forest. When the laser light emitted from the transmitter 2 of the scintillometer 1 over the forest is received by the receiver 3 of the scintillometer 1, the forest Measurement of light intensity fluctuation based on scintillation due to turbulent flow or temperature fluctuation on the surface to obtain temperature fluctuation extinction rate ε T , or prepared as an empirical value in advance, and further eddy correlation sensor over forest Measure the variance of the variation with respect to temperature (or its square root σ T ), the variance of the variation with respect to water vapor (or its square root σ q ), the variance of variation with respect to CO 2 (or its square root σ c ), and then formula
Based on the above, the water vapor extinction rate ε q and the CO 2 extinction rate ε c are respectively calculated, and the flux is obtained from the respective extinction rates ε T , ε q , ε c which are scalar quantities.

まず、ここで本明細書中における各種用語について説明しておく。まず、一般に「フラックス」といった場合、気流の乱れによって鉛直方向に運ばれる乱れのエネルギー(運動量フラックス)や、熱・物質の単位面積あたりの移動速度(顕熱フラックス、潜熱フラックス、COフラックス)のことを意味する。本明細書では、単位時間当たりのCOなどの交換量のことをフラックスと呼ぶ。「渦相関法」は、超音波風速計とCO/HO変動計を用いて計測した水平および鉛直方向の風速と物質量の変動成分からフラックスを算定する手法である。「消散率」は、大気の乱れのエネルギーや、熱・物質の密度変動の消散を表す値である。接地境界層の乱流エネルギーについての生成と消散に関する収支式から乱流フラックスが算定される。 First, various terms in this specification will be described. First, in general, in the case of “flux”, the energy of the turbulence (momentum flux) carried in the vertical direction by the turbulence of the air current and the movement speed per unit area of heat / material (sensible heat flux, latent heat flux, CO 2 flux) Means that. In the present specification, the exchange amount of CO 2 or the like per unit time is called a flux. The “vortex correlation method” is a technique for calculating flux from fluctuation components of horizontal and vertical wind speeds and masses measured using an ultrasonic anemometer and a CO 2 / H 2 O variometer. “Dissipation rate” is a value representing the dissipation of atmospheric turbulence energy and heat / material density fluctuations. The turbulent flux is calculated from the balance equation for the generation and dissipation of turbulent energy in the surface boundary layer.

本実施形態では、まずシンチロメータ1によるフラックスの算出方法の概要について説明する。次に、その手法を拡張し、シンチロメータ1の空間スケールから決定した関数を用いて渦相関法の測定値を補正するというフラックス算出方法について説明する。   In this embodiment, first, an outline of a flux calculation method using the scintillometer 1 will be described. Next, the flux calculation method of extending the method and correcting the measured value of the vortex correlation method using a function determined from the spatial scale of the scintillometer 1 will be described.

シンチロメータ1(本実施形態においてはSAS:Small Aperture Scintillometerを用いている)は、可視レーザーを射出するトランスミッタ2とレーザー強度を検出するレシーバ3の一対で構成されており、乱流によって引き起こされる大気の屈折率の変動を光強度変化として捉え、顕熱フラックス算出のパラメータである温度変動の消散率(ε)を算出する(図2参照)。温度変動の消散率は、渦相関センサによって計測した風速と温度の時系列からも計算することができる。フラックスの収支式にモニンオブコフの相似則を適用することで、消散率は次式によってスカラーフラックスである顕熱H(Wm−2)、潜熱λE(Wm−2)およびCOフラックスF(mgCOm−2s−1)と関連付けられる。
ここで、uは摩擦速度(ms−1)、ρは空気密度(gm−3)、kkarはカルマン定数(=0.4)、zは測定高さ(m)、cは空気の定圧比熱(Jg−1−1)およびλは水の蒸発潜熱(Jg−1)を表す。ε、εはそれぞれ、比湿(q kgkg−1)変動およびCO密度(mgCO−3)変動の消散率である。φε(ζ)は無次元化された消散率で大気安定度を表すパラメータ
[数19]
ζ=z/Lmo(Lmo:モニンオブコフ長)
の関数として与えられる。
A scintillometer 1 (SAS: Small Aperture Scintillometer is used in this embodiment) is composed of a pair of a transmitter 2 that emits a visible laser and a receiver 3 that detects a laser intensity. The change in refractive index is regarded as the change in light intensity, and the extinction rate (ε T ) of temperature fluctuation, which is a parameter for calculating the sensible heat flux, is calculated (see FIG. 2). The dissipation rate of temperature fluctuation can also be calculated from the time series of wind speed and temperature measured by the vortex correlation sensor. By applying Moninofkov's similarity law to the flux balance equation, the dissipation rate can be determined by the following equation as sensible heat H (Wm −2 ), latent heat λE (Wm −2 ) and CO 2 flux F C (mgCO 2) m −2 s −1 ).
Here, u * is the friction velocity (ms -1), ρ is air density (gm -3), k kar Kalman constant (= 0.4), z is the measurement height (m), c p is the specific heat at constant pressure of the air (Jg −1 K −1 ) and λ represent the latent heat of vaporization (Jg −1 ) of water. ε q and ε c are the extinction rates of the specific humidity (q kgkg −1 ) variation and the CO 2 density (mgCO 2 m −3 ) variation, respectively. φε ( ζ) is a parameter that expresses atmospheric stability with a non-dimensionalized dissipation factor [Equation 19]
ζ = z / L mo (L mo : Monin Obkov length)
Is given as a function of

続いて、シンチロメータ1によって決定したuおよびεと、同時に測定したqおよびCO密度変動の分散から、ε,εを求めて潜熱フラックスおよびCOフラックスを算出する手法の内容について説明する。 Subsequently, the contents of a method for calculating latent heat flux and CO 2 flux by obtaining ε q and ε c from u * and ε T determined by the scintillometer 1 and dispersion of q and CO 2 density fluctuations measured simultaneously are described. To do.

シンチロメータ1によるフラックス算定は消散法に基づいて行われる。乱れは生成消散によって成り立っており、渦相関法がスカラー変動や乱流運動エネルギー(気流の乱れのエネルギー:Turbulent Kinetic Energy=TKE)生成の直接測定に相当するのに対し、消散法はスカラー変動やTKEの消散率(エネルギーの消散を表す正の値)からそれらの生成を計算する手法である。消散法は船の動揺など低周波ノイズの影響を受けにくいことから海上でのフラックス測定などに応用されてきた。消散法によるフラックス算出では、まずTKEとスカラーの変動の消散率を求め、次いでフラックスと消散率との収支式からフラックスを算定する。シンチロメータ1はこのうちTKEとスカラー変動の消散率を測定する装置である。   The flux calculation by the scintillometer 1 is performed based on the dissipation method. Turbulence consists of generation and dissipation. The vortex correlation method corresponds to the direct measurement of scalar fluctuation and turbulent kinetic energy (Turbulent Kinetic Energy = TKE) generation, whereas the dissipation method uses scalar fluctuation and It is a technique for calculating their generation from the dissipation rate of TKE (a positive value representing energy dissipation). Dissipation method has been applied to measuring flux at sea because it is not affected by low frequency noise such as ship motion. In the flux calculation by the dissipation method, first, the dissipation rate of fluctuation of TKE and scalar is obtained, and then the flux is calculated from the balance equation of flux and dissipation rate. The scintillometer 1 is a device for measuring the dissipation rate of TKE and scalar fluctuation.

消散法の原理について以下に説明する。水平一様で定常な接地境界層における乱流運動エネルギーTKE(e)およびスカラー変動の収支方程式は以下のように書かれる。
The principle of the dissipation method will be described below. The turbulent kinetic energy TKE (e t ) and scalar variation balance equations in the horizontal uniform and steady ground boundary layer are written as follows:

ここでsは気温T、比湿q、やCOなどのスカラーを表し、pは気圧で
[数22]
θ’=θ(1+0.61q)
は仮温位(ただしθは温位)、eはTKE(e=(u+v+w)/2)を表す。ここで、u,v,wは平均風向、横風方向、鉛直方向の風速成分である。また、この文中ではアッパーラインを付していないが、数式中のバーは平均値、プライムは平均値からの変動を表す。数式20の各項はそれぞれ生成項、浮力項、輸送項、圧力項、そして消散率である。また、数式21の各項は、生成項、輸送項、そして消散率である。両式第1項のu’w’およびw’s’(ただし本文中ではアッパーラインを省略)が求めるべき運動量およびスカラーのフラックスに相当する。接地境界層においては両式とも輸送項および圧力項を無視できると仮定して、数式23で定義される摩擦速度u
Monin-Obukov長(Lmo)およびKarman定数(kkar 0.4)を用いて、それぞれを
3/kkar(z−d0) と kkar(z−d0)u/(w’s’) によって無次元化すると、数式20、数式21の各項は測定高さz(m)において、
と表される。φεとφεsはTKEおよびスカラーの無次元消散率を、φとφはTKEおよびスカラーの無次元した鉛直勾配を表す。d0 はゼロ面変位で、植生地上での風速プロファイルの対数分布を仮定した際の、高さを測る基準面を上方に修正するためのパラメータである。群落高×0.7という値がよく使われる。さらに、ここでTKEおよびスカラー変動の消散率は次のように定義される(Brutsaert,1982)。
Here, s represents a scalar such as temperature T, specific humidity q, or CO 2 , and p is atmospheric pressure [Equation 22].
θ ′ v = θ (1 + 0.61q)
The provisional potential temperature (where θ is Yutakai), e t represents the TKE (e t = (u 2 + v 2 + w 2) / 2). Here, u, v, and w are wind velocity components in the average wind direction, the cross wind direction, and the vertical direction. Although no upper line is added in this sentence, the bar in the formula represents the average value, and the prime represents the fluctuation from the average value. Each term of Formula 20 is a generation term, a buoyancy term, a transport term, a pressure term, and a dissipation factor. Each term of Equation 21 is a generation term, a transport term, and a dissipation rate. The first terms u'w 'and w's' in both formulas (however, the upper line is omitted in the text) correspond to the momentum and scalar flux to be obtained. Assuming that both terms can be ignored in the contact boundary layer, the friction velocity u * , defined by Equation 23,
Using Monin-Obukov length (L mo ) and Karman constant (k kar 0.4), u * 3 / k kar (z−d 0 ) and k kar (z−d 0 ) u * / (w ′s ') When dimensionless by 2 , the terms of Equation 20 and Equation 21 are calculated at the measurement height z (m).
It is expressed. phi epsilon and phi .epsilon.s is a dimensionless dissipation rate of TKE and scalar, the phi m and phi s represent the vertical gradients dimensionless TKE and scalar. d 0 is a zero plane displacement, and is a parameter for correcting upward the reference plane for measuring the height when the logarithmic distribution of the wind speed profile on the vegetation is assumed. The value of community height x 0.7 is often used. Further, here the dissipation rate of TKE and scalar variation is defined as follows (Brutsaert, 1982).

水平一様な接地境界層ではこれらの無次元消散率は、大気安定度を示すパラメータζ=(z−d)/Lmo(安定時ζ>0−、不安定時ζ<0)の関数として表されることを数式24、数式25は示している。ここで用いられるMonin-Obukov長Lmoは、以下の式で定義される。 In a horizontal uniform contact boundary layer, these dimensionless dissipation rates are a function of the parameter ζ = (z−d 0 ) / L mo (stable ζ> 0−, unstable ζ <0) indicating atmospheric stability. Expressions 24 and 25 indicate that they are expressed. The Monin-Obukov length L mo used here is defined by the following equation.

ρは空気密度、Tは仮温度であり、H、λEは地表面における顕熱および潜熱フラックスである。数式26と数式27のs=θおよびs=qに関する式をそれぞれu、H、λEについて解くと、 ρ is air density, T v is the virtual temperature, H, λE is sensible and latent heat flux in the earth's surface. Solving the equations for s = θ and s = q in Equation 26 and Equation 27 for u * , H, and λE, respectively,

で、数式30〜数式32は、無次元消散率の関数形が既知であれば、消散率を与えることで連立方程式として解くことができ、フラックスu、H、λEが求められる。大気安定度パラメータζによる無次元関数表現は、接地境界層におけるMonin-Obukov similarity(MOS)が成立することに基づいており、物理量の鉛直プロファイルがζで一意に表現できることを示している。例えば数式24、数式25中のφ≡kkarz/u∂u/∂z、
φ≡kkarzu/w’s’∂s/∂z をζの関数で表すのにBusinger-Deyer式がよく用いられる。また、無次元消散率の関数形も観測結果を元にいくつか提案されている。例えば、Kader(1992)による経験式は以下である。
Thus, if the function form of the dimensionless dissipation factor is known, Equations 30 to 32 can be solved as simultaneous equations by giving the dissipation factor, and fluxes u * , H, and λE are obtained. The dimensionless function expression by the atmospheric stability parameter ζ is based on the establishment of the Monin-Obukov similarity (MOS) in the ground boundary layer, and indicates that the vertical profile of the physical quantity can be uniquely expressed by ζ. For example, φ m ≡k kar z / u * ∂u / ∂z in Equation 24 and Equation 25,
The Buser-Deyer equation is often used to express φ s ≡k kar zu * / w's' ∂s / ∂z as a function of ζ. Several function forms of dimensionless dissipation factor have been proposed based on the observation results. For example, the empirical formula by Kader (1992) is:

温位と比湿の大気安定度に対する応答が相似であれば φεc=φε0=φεq が成立し、数式30、数式31、数式32は繰り返し計算によって解くことが出来る。更にスカラーの無次元消散率の相似性の成立を仮定した場合は、COの消散率から、数式31、数式32と同様にしてフラックスを算出することが出来る。 If the response of atmospheric temperature and specific humidity to atmospheric stability is similar φ εc = φ ε0 = φ εq is satisfied, Equation 30, Equation 31, Equation 32 can be solved by iterative calculations. Furthermore, when it is assumed that the scalar dimensionless dissipation rate is similar, the flux can be calculated from the CO 2 dissipation rate in the same manner as Equations 31 and 32.

次に、渦相関センサによる消散率の算定について説明する。シンチロメータ1との比較に用いるために、渦相関センサによる計測値から消散率を算定する方法について述べる。消散率の算定には、スペクトル(エネルギーや物質量変動の周波数表現)の慣性小領域における乱流特性を利用して間接的に求める慣性消散法(inertial dissipation method)を用いる。ただし、フーリエ変換の結果は一般に乱れが大きく、消散率の推定誤差要因となりうるため、ここではスペクトルの実空間表現である構造関数にもとづいた消散率の推定法を用いる。TKEおよびスカラー変動のスペクトルに対応する2次の構造関数Dab(r)は次式で定義される。
ここでa,bはそれぞれu,θ,qなどの風速やスカラーを表し、rは実空間における距離である。時系列のデータ間の時間差をτとすると平均風速を用いて、τu=rの関係にある。Kolmogorovの理論によればrが慣性小領域にあるとき2次の構造関数と消散率は以下の関係にある。
ここでεとεはそれぞれTKEおよびスカラー変動の消散率を表す。αuuはKolmogorov定数(およそ0.55)で、αssはObukhov-Corrsin定数(およそ0.8)と呼ばれる普遍的な定数である。比例定数Cs は構造関数定数で、次のaとbの組み合わせ[T:T](気温)、[q:q](比湿)および[T:q]はそれぞれ構造関数定数C 、C およびCTqに対応する。数式36、数式37に示すように2次の構造関数がr2/3に比例していることから、慣性小領域に相当するrの範囲で構造関数にr2/3の曲線をフィットさせることで数式36、数式37から消散率を求め、消散法によるフラックス計算へと進む(図11参照)。超音波風速計のパス長dより小さい乱流変動は測定されず、測定高さよりも大きい渦はその一部分しか測られないことから、十分に乱流変動計測が保障されるフィット範囲として 2d<r<(z−d)/2 を選択する。
Next, calculation of the dissipation rate by the eddy correlation sensor will be described. For use in comparison with the scintillometer 1, a method for calculating the dissipation factor from the measurement value obtained by the vortex correlation sensor will be described. For the calculation of the dissipation factor, an inertial dissipation method is used which is indirectly determined by using the turbulence characteristics in the small inertia region of the spectrum (frequency representation of energy and mass fluctuation). However, since the result of Fourier transform is generally largely disturbed and may cause an error in estimating the dissipation rate, here, a method for estimating the dissipation rate based on a structure function that is a real space representation of the spectrum is used. A quadratic structure function D ab (r) corresponding to the spectrum of TKE and scalar variation is defined by the following equation.
Here, a and b represent wind speeds and scalars such as u, θ, and q, respectively, and r is a distance in real space. When the time difference between the time series data is τ, the relationship is τu = r using the average wind speed. According to Kolmogorov's theory, when r is in the small inertia region, the quadratic structure function and the dissipation factor have the following relationship.
Here, ε and ε s represent the dissipation rate of TKE and scalar variation, respectively. α uu is the Kolmogorov constant (approximately 0.55), and α ss is a universal constant called the Obukhov-Corrsin constant (approximately 0.8). The proportionality constant C s 2 is a structure function constant, and the following combinations of a and b [T: T] (temperature), [q: q] (specific humidity) and [T: q] are the structure function constants C T 2, respectively. , C q 2 and C Tq . Since the second-order structure function is proportional to r 2/3 as shown in Equation 36 and Equation 37, fitting the curve of r 2/3 to the structure function in the range of r corresponding to the small inertia region. Then, the extinction rate is obtained from Equation 36 and Equation 37, and the flow proceeds to flux calculation by the dissipation method (see FIG. 11). The turbulent fluctuation smaller than the path length d s of the ultrasonic anemometer is not measured, and only a part of the vortex larger than the measurement height is measured. Therefore, 2d s as a fitting range in which turbulent fluctuation measurement is sufficiently guaranteed. <R <(z−d 0 ) / 2 is selected.

次に、シンチロメータ1を用いた消散率の算定方法について述べる。SLS40A(Scintec AG,Germany)は、市販のdisplaced-beam small aperture scintillometer で、波長0.67μmのHeNeレーザーを偏光面が直交する2本のビームに分離し、2光路のシンチレーションからTKEおよび気温変動の消散率を求め、フラックスを算出する装置である。SLSシリーズは単一光源を用いることで動作および計測の安定性と経済性を両立させた製品である。乱流による屈折率変動は大気中を伝搬する単色光の光強度のlog分散として計測することが出来る。独立した2光源と受光機がある場合の光強度のlog共分散B12は次式で表される(Thiemann,1992)。 Next, a method for calculating the dissipation rate using the scintillometer 1 will be described. SLS40A (Scintec AG, Germany) is a commercially available displaced-beam small aperture scintillometer that separates a 0.67 μm wavelength HeNe laser into two beams with orthogonal polarization planes and dissipates TKE and temperature fluctuations from two-path scintillation. It is an apparatus that calculates the flux and calculates the flux. The SLS series is a product that achieves both operational and measurement stability and economy by using a single light source. The refractive index fluctuation due to turbulent flow can be measured as log dispersion of the light intensity of monochromatic light propagating in the atmosphere. The log covariance B 12 of the light intensity when there are two independent light sources and light receivers is expressed by the following equation (Thiemann, 1992).

ここで、xは、パス長Lの光軸上での位置;K=2π/λは光の波数;k乱流の波数;C は屈折率変動の構造関数定数、l内部スケール(乱流渦が徐々に小さな渦に崩壊していく際、これ以上小さくなると分子粘性により渦が維持できなくなり熱として分解していくスケールの目安)である。JおよびJは0次と1次の第1種ベッセル関数で、ビーム間の距離dおよび受光機の直径Dによって定まる感度分布を表す。検出器単体による分散を表すBとBは数式38でd=0とすることで得られる。数式38中のφは屈折率変動の次元スペクトルで、
であり、f(kl)は、Hill and Clifford(1978)による屈折率変動の3次元スペクトルモデルである。数式38は、σ <0.3の低散乱条件(Rytov approximation)が前提である。式中の被積分関数はシンチロメータ1の感度分布を表す荷重関数で、パスの中央で最大値となる釣鐘型の関数形を取る。数式39を数式38に代入し、xおよびkについて積分することで次式が得られる。
Here, x is the position on the optical axis of the path length L; K = 2π / λ is the optical wave number; wave number k turbulence; C n 2 is the structure function constants of a refractive index variation, l 0 Internal scale ( When the turbulent vortex gradually collapses into small vortices, if it becomes smaller than this, the vortex cannot be maintained due to molecular viscosity and is decomposed as heat. J 0 and J 1 are zero-order and first-order Bessel functions of the first order, and represent sensitivity distributions determined by the distance d between the beams and the diameter D of the receiver. B 1 and B 2 representing dispersion due to a single detector can be obtained by setting d = 0 in Equation 38. Φ n in Equation 38 is a dimensional spectrum of refractive index fluctuation,
F (kl 0 ) is a three-dimensional spectral model of refractive index variation according to Hill and Clifford (1978). Formula 38 assumes a low scattering condition (Rytov approximation) of σ x 2 <0.3. The integrand in the equation is a load function that represents the sensitivity distribution of the scintillometer 1, and takes a bell-shaped function that has a maximum value at the center of the path. Substituting Equation 39 into Equation 38 and integrating over x and k yields:

はl,dおよびDの増加に対するB12の減衰を表す関数である。相関係数r12=B12/(B1/2 =B12/B1=B12/B2 はl,dおよびDの関数となり、dとDを定数と考えると、相関係数r12から内部スケールlが求められる。lがわかれば、B1(あるいはB)からC が求められる。Scintecのソフトウェアでは、lに対するrおよびfをパス長Lに対する数表として用意し、B12とB1およびB2 からリアルタイムでlとC を計算する。得られたlから乱流運動エネルギー(TKE)の消散率は次の関係によって求められる。 f B is a function representing the attenuation of B 12 with respect to increases in l 0 , d and D. Correlation coefficient r 12 = B 12 / (B 1 B 2 ) 1/2 = B 12 / B 1 = B 12 / B 2 is a function of l 0 , d and D, and d and D are considered as constants. An internal scale l 0 is obtained from the correlation coefficient r 12 . If l 0 is known, C n 2 can be obtained from B 1 (or B 2 ). In Scintec software, r and f B for l 0 are prepared as a numerical table for path length L, and l 0 and C n 2 are calculated in real time from B 12 , B 1 and B 2 . From the obtained l 0, the dissipation rate of turbulent kinetic energy (TKE) is obtained by the following relationship.

ここでν(m2-1)は空気の動粘性係数である。屈折率の変動に最も寄与するのは気温T(K)であり、ついで比湿q(kgkg-1)の変動である。COなどのガスは大気中に微量しか存在しないため屈折率変動には影響しない。屈折率変動の構造関数定数C は気温変動の構造関数定数C (K−2/3)、比湿変動C (m−2/3)および気温と比湿T−qの結合構造関数定数CTq(Km−2/3)によって次のように表される(Hill et al.,1980)。 Here, ν (m 2 s −1 ) is a kinematic viscosity coefficient of air. The temperature T (K) contributes most to the change in the refractive index, and then the change in the specific humidity q (kgkg −1 ). Since a gas such as CO 2 exists only in a minute amount in the atmosphere, it does not affect the refractive index fluctuation. The structure function constant C n 2 of the refractive index variation is the structure function constant C T 2 (K 2 m −2/3 ), the specific humidity variation C q 2 (m −2/3 ), the temperature and the specific humidity T−. It is expressed as follows by the bond structure function constant C Tq (Km −2/3 ) of q (Hill et al., 1980).

定数AとAは光の波長、気圧、気温および比湿の影響を受ける。本実施形態で使用するシンチロメータ1で利用する波長λ=0.67μmにおいては、Andreas(1989)による以下の式を用いる。
ここでP(hPa)は気圧である。光源に単一波長を用いるシンチロメータ1ではC の値が一つしか得られないため数式42からC およびC を一意に求めることが出来ない。この問題に対し、Thiermannは比湿がC に与える影響が気温に比べて1オーダー小さいためこれを無視できるとし、数式42の右辺第1項のみからC を求めた。本実施形態で用いるシンチロメータ1に付属のフラックス計算ソフトウェアはこの計算方法を採用しており、運動量フラックスおよび顕熱フラックスのみが計算される。
Constant A T and A q receives the wavelength of light, air pressure, the effect of temperature and specific humidity. In the wavelength λ = 0.67 μm used in the scintillometer 1 used in the present embodiment, the following equation by Andreas (1989) is used.
Here, P (hPa) is atmospheric pressure. Since the scintillometer 1 that uses a single wavelength as the light source can obtain only one value of C n 2 , C T 2 and C q 2 cannot be uniquely determined from Equation 42. In response to this problem, Thiermann assumed that the influence of specific humidity on C n 2 is one order of magnitude smaller than air temperature, so that this can be ignored, and C T 2 was obtained from only the first term on the right side of Equation 42. The flux calculation software attached to the scintillometer 1 used in this embodiment employs this calculation method, and only the momentum flux and the sensible heat flux are calculated.

また、本実施形態では水蒸気やCO密度などのスカラーについてもシンチロメータ1に対応する値を得るための手法を適用する。 In this embodiment, a technique for obtaining a value corresponding to the scintillometer 1 is also applied to scalars such as water vapor and CO 2 density.

まず水蒸気補正のための既存手法であるが、数式42から明らかなように、シンチロメータ1は水蒸気の変動に対しても感度を持ち、水蒸気フラックスが顕熱フラックスに比べて非常に大きい条件ではC が過大評価されてしまうことから水蒸気に対する補正の必要性が指摘されている(Green and Hayashi,1998)。水蒸気影響の古典的な補正法はWesely(1976)によって提唱されたボーエン比(顕熱と潜熱の比:H/λE)補正である。ボーエン比補正にはw’T’とw’q’が必要なため、渦相関システムなどのセンサによる測定値を用いる。Moene(2003)はボーエン比補正について精査し、気温と比湿の標準偏差σ,σの比を用いる手法が、フラックスの比を用いた手法に対して、測定項目が少ないため誤差が小さいことを示している。すなわち
とすることで、数式42は、C とC に関して次のように変形できる。
Tとqの平均値と分散、そして相関係数RTqを他のセンサで計測することで、水蒸気の影響をキャンセルしたC を計算することが出来る。
First, an existing method for correcting water vapor is apparent. As is clear from Equation 42, the scintillometer 1 is sensitive to fluctuations in water vapor, and C T under conditions where the water vapor flux is much larger than the sensible heat flux. The need for correction for water vapor has been pointed out because 2 is overestimated (Green and Hayashi, 1998). The classical correction method for the water vapor effect is the Bowen ratio (sensible heat to latent heat ratio: H / λE) correction proposed by Wesely (1976). Since Bowen ratio correction requires w′T ′ and w′q ′, the measured value by a sensor such as a vortex correlation system is used. Moene (2003) scrutinizes the correction of Bowen ratio, and the method using the standard deviations σ T and σ q of temperature and specific humidity has less measurement items than the method using the flux ratio, so the error is small. It is shown that. Ie
Thus, Equation 42 can be modified as follows with respect to C n 2 and C T 2 .
By measuring the average value and variance of T and q, and the correlation coefficient R Tq with another sensor, C T 2 in which the influence of water vapor is canceled can be calculated.

次にスカラーフラックスへの拡張であるが、水蒸気補正の際に導入した水蒸気と気温の構造関数定数比と分散比の相似性が成立するなら数式44にしたがって、シンチロメータ1によるC と、渦相関センサによるσ,σからC を算出できると考えられる。同様にこの相似性をCOなどのガスフラックスまで拡張すると以下が成り立つ。
これにより、渦相関センサによって得られた気温、水蒸気密度およびCO密度の分散とシンチロメータ1によって得られた気温変動の構造関数定数から水蒸気およびCO変動の構造関数定数CTq ,C が求められる。この算出法は純粋なシンチロメータ1による導出ではなく、渦相関センサとの組み合わせによることを留意する必要がある。しかし、現時点でシンチロメータ1と同様のスケールでの変動を測定する手法は存在しない。数式37にqおよびcに関する構造関数定数を代入して消散率εとεが求められ、ε,εを加えて消散法によるフラックス計算へと進む。
Next, as an extension to the scalar flux, if the similarity between the structure function constant ratio and the dispersion ratio of water vapor and air temperature introduced at the time of water vapor correction is established, C T 2 by the scintillometer 1 and the vortex It is considered that C q 2 can be calculated from σ T and σ q by the correlation sensor. Similarly, when this similarity is extended to a gas flux such as CO 2 , the following holds.
Thus, the structure function constants C Tq 2 and C c 2 of the water vapor and CO 2 fluctuations are obtained from the dispersion of the air temperature, water vapor density and CO 2 density obtained by the vortex correlation sensor and the structure function constants of the air temperature fluctuations obtained by the scintillometer 1. Is required. It should be noted that this calculation method is not derived by a pure scintillometer 1 but by a combination with a vortex correlation sensor. However, there is no method for measuring fluctuations at the same scale as the scintillometer 1 at present. Dissipation rates ε q and ε c are obtained by substituting the structural function constants for q and c into Equation 37, and the flow proceeds to flux calculation by the dissipation method by adding ε and ε T.

続いて、渦相関法の補正法の誘導について説明する。   Next, the induction of the correction method of the vortex correlation method will be described.

以下では、シンチロメータ1によるフラックスおよび消散率にはSASの添え字を、ECに相当する値にはECの添え字を添えて区別することとする。ここで、数式16〜数式18において各フラックスの比をとると数式47〜数式49となり、シンチロメータ1と渦相関センサによる消散率の比(εiSAS/εiEC)と渦相関法によるフラックスより、シンチロメータ1の空間スケールに相当するフラックスが得られる。なお、εにおける添字iは、何の消散率を表すかによってT,q,cのいずれかの添字が該当することを意味している。
In the following, the flux and the dissipation rate by the scintillometer 1 are distinguished by adding a SAS suffix, and the value corresponding to EC is appended by an EC suffix. Here, from the flux by taking the ratio of the flux in Equation 16 to Equation 18 Equation 47 to next equation 49, the scintillometer 1 and the ratio of the dissipation rate eddy correlation sensor (ε iSAS / ε iEC) eddy correlation method, scintillometer A flux corresponding to a spatial scale of 1 is obtained. The subscript i in ε i means that any subscript of T, q, or c corresponds to what extinction rate is expressed.

ここで、εTSAS/εTECは、乱流強度(水平風速で標準化した垂直風偏差:σ/u)および風向に応答して変化することが分かっている。また、シンチロメータ1のパスに対する風向の変化はシンチロメータ1の空間スケールに影響する。つまり、風向の変化、すなわちパスに対する風の迎え角が変化することで、空間スケール(測定する範囲)が変化する。ただし、このほかに風速や大気の安定度なども影響するが、空間スケールの変化に最も大きく寄与するのが風向と考えられる。そこで、εiSAS/εiEC を乱流強度とシンチロメータ1の空間スケールを変数とする関数で表すことで、渦相関センサによる計測値からシンチロメータ1の空間スケールに対応するフラックスを算出することが可能となる。 Here, it is known that ε TSAS / ε TEC changes in response to turbulence intensity (vertical wind deviation standardized by horizontal wind speed: σ w / u) and wind direction. Further, the change in the wind direction with respect to the path of the scintillometer 1 affects the spatial scale of the scintillometer 1. That is, the change in the wind direction, that is, the angle of attack of the wind with respect to the path, changes the spatial scale (measurement range). However, the wind direction is considered to contribute the most to changes in the spatial scale, although wind speed and atmospheric stability are also affected. Therefore, epsilon iSAS / epsilon iEC that expressed by a function that the spatial scale of the turbulence intensity and scintillometer 1 and variable, and can be calculated flux corresponding from the measured value by the eddy correlation sensor spatial scale of scintillometer 1 Become.

シンチロメータ1の空間スケールに対応するフラックス算出に関しては以下のとおりである。まず、フラックス測定センサによって検出される乱流信号は風上の領域を起源とし、その広さ(ソースエリア)は風速や大気安定度、そしてセンサの測定パス長に対して変化することになる。シンチロメータ1と渦相関の空間スケールの違いを定量的に解析するために、Kormann and Meixner(2001) のフットプリントモデルを応用してシンチロメータ1のソースエリアを算出すると以下のとおりとなる。すなわち、フットプリントF(x)は風上方向にx(m)離れた位置のフラックスへの寄与を表した関数で、風速u(ms−1)、摩擦速度u(ms−1)測定高さz(m)、大気安定度パラメータζを変数とする。さらに、De Bruin et al.(2002) の計算例に従い、シンチロメータ1のソースエリア(ASAS)を、F(x)とセンサのパス長で表される横風方向y(m)の感度関数D(x,y)との積が描く等値線に囲まれた面積から求める(図6参照)。ここで、D(x,y)はシンチロメータ1が信号を検出する感度がパスの中央部で最も高いことを表す関数で、本実施形態では式形の簡単さから、Wang et al.(1978) が示した感度関数D(x,y)
[数50]
D(x,y)=(y/L(1−y/L))5/6
を標準化して用いる。ただし、Lはシンチロメータ1のパス長である。また、風向によって変化するシンチロメータ1のソースエリアは、パスに直交する方角からの風向角(θ)を用いて次のように表すこととする。
シンチロメータ1および渦相関センサのソースエリアの比RA(=ASAS/AEC )は、風向がシンチロメータ1のパスに平行な場合(θ=90°、270°)に1となり、直交風向時に増加する(図7参照)。
The flux calculation corresponding to the spatial scale of the scintillometer 1 is as follows. First, the turbulent flow signal detected by the flux measurement sensor originates from the windward area, and its size (source area) varies with the wind speed, the atmospheric stability, and the measurement path length of the sensor. In order to quantitatively analyze the difference in spatial scale between the scintillometer 1 and the vortex correlation, the source area of the scintillometer 1 is calculated as follows by applying the footprint model of Kormann and Meixner (2001). That is, the footprint F (x) is a function representing the contribution to the flux at a position x (m) away in the windward direction, and the measured wind velocity u (ms −1 ) and friction velocity u * (ms −1 ) are measured. Z (m) and the atmospheric stability parameter ζ are variables. Further, according to the calculation example of De Bruin et al. (2002), the sensitivity area D of the source area (A SAS ) of the scintillometer 1 in the crosswind direction y (m) represented by F (x) and the path length of the sensor. It is obtained from the area surrounded by the isoline drawn by the product of x, y) (see FIG. 6). Here, D (x, y) is a function indicating that the sensitivity of the scintillometer 1 to detect a signal is the highest in the center portion of the path. In this embodiment, Wang et al. (1978) Sensitivity function D (x, y)
[Equation 50]
D (x, y) = (y / L p (1−y / L p )) 5/6
Is standardized and used. Where L p is the path length of the scintillometer 1. Further, the source area of the scintillometer 1 that changes depending on the wind direction is expressed as follows using the wind direction angle (θ) from the direction orthogonal to the path.
The ratio RA (= A SAS / A EC ) of the source area of the scintillometer 1 and the vortex correlation sensor is 1 when the wind direction is parallel to the path of the scintillometer 1 (θ = 90 °, 270 °) and increases when the wind direction is orthogonal. (See FIG. 7).

次に、領域平均フラックスを算出する。ここでは、まず上記で求めたソースエリア比RAおよび乱流強度σ/uを変数とする関数f(σ/u,RA)の形を定め、一定期間に得られたεTSAS/εTEC の実測値に対する回帰によって、関数の係数を決定する。
次に、妥当と考えられるフラックス評価値を導くRAを求め、その関係が全ての風向に対して成立すると仮定して、数式47より顕熱フラックスHSASを求める。こうして求めたフラックスを領域平均フラックスと定義する。領域平均フラックスは全風向に対してシンチロメータ1の空間スケールを持ち、渦相関センサによる計測値のみでフラックス評価を行うことができるため、シンチロメータ1が測定不能な気象条件のフラックスも評価できる。さらに、水蒸気とCOが熱と同じ原理で輸送されると考えられることから、
と仮定すると、潜熱とCOについても同様に領域平均フラックスが計算できる(図8参照)。
Next, the area average flux is calculated. Here, first, the shape of the function f (σ w / u, RA) having the source area ratio RA and the turbulent flow intensity σ w / u obtained as above as variables is defined, and ε TSAS / ε TEC obtained for a certain period of time. The coefficient of the function is determined by regression with respect to the actual measurement value.
Next, determine the RA directing flux evaluation value considered appropriate, assuming that the relationship is established for all the wind direction, obtaining the sensible heat flux H SAS from Equation 47. The flux thus obtained is defined as the area average flux. Since the area average flux has the spatial scale of the scintillometer 1 with respect to all wind directions, and the flux evaluation can be performed only by the measurement value by the vortex correlation sensor, the flux under the weather conditions that the scintillometer 1 cannot measure can also be evaluated. Furthermore, since water vapor and CO 2 are thought to be transported on the same principle as heat,
Assuming that, the area average flux can be similarly calculated for latent heat and CO 2 (see FIG. 8).

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

中部地方の浅間東麓の54年生の落葉広葉樹林においてCOを含むフラックス測定を、2002年から2004年を通して行った。ここでは、シンチロメータ1の空間スケールから決定した関数を用いて渦相関法の測定値を補正することにより、領域平均フラックスを算出するという「領域平均フラックスの算出」を実施し、算出した領域平均フラックスによって熱収支が正しく評価されていることを確認した。また、光合成量の計測結果とCOフラックスから求めた群落光合成量とを比較した。優先種であるダケカンバ個葉の光合成特性と葉の分布をもとに算出した森林の光合成ポテンシャルに対し、渦相関法が約CO程度過小評価する一方で、領域平均フラックスによる算出値は良好に一致したことから、CO交換量においても領域平均フラックスによって評価値の信頼性が向上することが分かった。さらに、森林のCO吸収量の評価を実施した結果、気象条件や樹種が類似した場所で得られた既往の渦相関法による評価結果とほぼ同等であった。以上につき、以下に実施例1として説明する。 Through 2002-2004, flux measurements including CO 2 were conducted in a 54-year-old deciduous broad-leaved forest in the eastern foot of Asama, Chubu district. Here, “regional average flux calculation” of calculating the region average flux is performed by correcting the measured value of the vortex correlation method using the function determined from the spatial scale of the scintillometer 1, and the calculated region average flux Confirmed that the heat balance was correctly evaluated. It was also compared with the canopy photosynthesis amount determined from photosynthesis of the measurement result and CO 2 flux. While the vortex correlation method underestimates about CO 2 with respect to the photosynthetic potential of forests calculated based on the photosynthetic characteristics and leaf distribution of the first-class Dake birch, the calculated value by the area average flux is good. From the agreement, it was found that the reliability of the evaluation value was improved by the area average flux even in the CO 2 exchange amount. Furthermore, as a result of evaluating the CO 2 absorption amount of the forest, it was almost the same as the evaluation result by the past eddy correlation method obtained in a place where the weather conditions and the tree species were similar. The above will be described as Example 1 below.

ここでは、高さ28mの鋼製足場材組上げ式のタワーを東西に86m離して配置し、東側の塔頂で渦相関法を実施するとともに領域平均フラックス測定のために、2基のタワー間をシンチロメータ1の測定パスとした。渦相関法では顕熱、潜熱、COフラックスを測定した。フラックス算出には10Hzサンプリング時系列の30分ブロック平均を用いた。NEEの算出には降雨などの影響を受けにくく、測定値のドリフトが少ない閉光路(closed-path)式CO分析計(LI-7000, Licor USA)によって計測したCO密度変動を用いた。内径4mmのデカボンチューブ40mを経由してタワー基部の観測舎に塔頂の大気サンプルを9.0Lmin−1で吸引し、その一部を2.0Lmin−1でCO分析計に導入した。サンプルエアが塔頂から分析器までに到達する時間遅れは、9秒程度であった。サンプルエアーの吸引によって信号の高周波成分が劣化してしまう問題は、乱流のスケールが大きな森林上ではほとんど考慮しなくて良いことが報告されている。当試験林においても、応答の速い開光路(open9-path)式のCO分析計と比較して、closed-path式のシステムが問題ない精度でCOフラックスを計測することを確認した。領域平均フラックスを計算するための関数f(σ/u,RA)を定めるために、シンチロメータ1の測定値が得られた2002年6月から11月までの晴天日の測定値を用いて回帰計算を行った。 Here, 28m high steel scaffolding towers are placed 86m away from east and west, the vortex correlation method is performed at the top of the east side, and the area average flux is measured between the two towers. The measurement path of the scintillometer 1 was used. In the eddy correlation method, sensible heat, latent heat and CO 2 flux were measured. A 30-minute block average of 10 Hz sampling time series was used for flux calculation. The NEE was calculated by using the CO 2 density fluctuation measured by a closed-path CO 2 analyzer (LI-7000, Licor USA) which is not easily affected by rainfall or the like and has little drift in measurement values. An air sample at the top of the tower was sucked into the observation building at the base of the tower via a decabon tube 40m having an inner diameter of 4 mm at 9.0 Lmin −1 , and a part thereof was introduced into the CO 2 analyzer at 2.0 Lmin −1 . The time delay for the sample air to reach the analyzer from the tower top was about 9 seconds. It has been reported that the problem that the high-frequency component of the signal deteriorates due to the suction of the sample air hardly needs to be considered in forests where the scale of turbulence is large. In this test forest as well, it was confirmed that the closed-path system measured CO 2 flux with high accuracy compared to the open-path (open9-path) CO 2 analyzer. In order to determine the function f (σ w / u, RA) for calculating the area average flux, regression was performed using the measured values on a clear day from June to November 2002 when the measured values of the scintillometer 1 were obtained. Calculation was performed.

次に、欠測データの補間について説明する。フラックスからNEE(Net Ecosystem Exchange:生態系純交換量)を算出するためには、計測器の故障、メインテナンス、停電などさまざまな理由により発生する欠測を補い、連続した時系列を得る必要がある。そのために、1.5時間以内の短期欠測は線形補完を行い、それ以外はCOフラックスと相関の高い気象要素を用い、あらかじめ求めておいた気温‐呼吸量および光‐光合成の関係から補間を行った(図9参照)。測定値が得られない場合はAMeDASデータから当試験林の日平均日射量および気温を推定した。 Next, the missing data interpolation will be described. In order to calculate NEE (Net Ecosystem Exchange) from flux, it is necessary to compensate for missing measurements caused by various reasons such as instrument failure, maintenance, power outage, and to obtain a continuous time series. . Therefore, short-term missing within 1.5 hours performs linear interpolation, using a high meteorological parameters correlated with the CO 2 flux otherwise, previously obtained temperature - perform interpolation from photosynthesis relationship - respiration and light (See FIG. 9). When measured values could not be obtained, the daily average solar radiation and temperature of this test forest were estimated from AMeDAS data.

また、フラックス測定値との比較を行うために、葉面積、個葉の光合成量の測定を行った。タワーを中心とした60m(N−S)×140m(E−W)の範囲を10m×10mの区画に分け、すべての生態データ取得の基準とした。ここでは、葉面積の季節変動を明らかにするために、開口部1m×1mの落葉採取装置(リタートラップ)を林床から1.3mの高さに千鳥状に19個配置し、9月中旬から11月上旬の落葉期に落葉・落枝を定期的に採取した。また、強風などによる落葉期以外の落葉・落枝を考慮して着葉期の6月から9月上旬まで、平均的な落葉量を示した3個所のリタートラップを用いて落葉量を調査した。あらかじめ求めておいた落葉の乾燥重量と面積の1次回帰式から、採取した落葉サンプルの葉面積を求め、全葉面積から調査区域のLAI(Leaf Area Index:波面積指数)を求めた。光合成量の測定は、渦相関法を実施したタワーの北側に隣接したダケカンバ(Betula ermanii Cham.)の高度9m付近にある任意の個葉を対象に、携帯型光合成蒸散量測定装置(LI-6400, Licor USA)を用いて行った。ダケカンバは、事前の毎木調査によって、当試験林を構成する樹木の地上部(枝+幹)炭素量の44.3%を占める優先種であることが分かっている。当装置は小型のリーフチャンバを備え、チャンバ内の気温、湿度およびCO濃度を外部環境に追従させて制御できる。ダケカンバ葉が十分に光飽和する光強度から7段階(2000, 1500, 1000, 500, 200, 100, 0μmolm-2s-1)に変化させ、最も光合成能力が高いと思われる7月から9月期間で光強度に対する光合成量の反応(光−光合成反応)を調べた。 Moreover, in order to compare with the flux measurement value, the leaf area and the amount of photosynthetics of individual leaves were measured. The range of 60 m (N−S) × 140 m (E−W) centered on the tower was divided into 10 m × 10 m sections, which were used as the criteria for acquiring all biological data. Here, in order to clarify the seasonal variation in leaf area, 19 litter collection devices (litter traps) with an opening of 1m x 1m were arranged in a staggered pattern at a height of 1.3m from the forest floor. Litter leaves and twigs were periodically collected during the fall season in early November. In addition, the amount of fallen leaves was investigated using three litter traps that showed the average amount of fallen leaves from June to the beginning of September, taking into account the fallen leaves and branches other than the fallen leaves due to strong winds. The leaf area of the collected deciduous sample was determined from the linear regression equation of dry weight and area of deciduous leaf obtained in advance, and the LAI (Leaf Area Index) of the survey area was determined from the total leaf area. The measurement of photosynthetic amount is a portable photosynthetic transpiration measuring device (LI-6400) for any individual leaf at an altitude of 9 m in the birch (Betula ermanii Cham.) Adjacent to the north side of the tower where the eddy correlation method was performed. , Licor USA). Bake birch is known to be a priority species, accounting for 44.3% of the above-ground (branch + trunk) carbon content of the trees that make up the test forest, based on prior tree surveys. This apparatus has a small leaf chamber, and can control the temperature, humidity and CO 2 concentration in the chamber by following the external environment. The birch leaves are fully saturated with light intensity in 7 levels (2000, 1500, 1000, 500, 200, 100, 0 μmolm -2 s -1 ), and the photosynthetic capacity is considered to be the highest from July to September. The reaction of the amount of photosynthesis with respect to the light intensity over a period (photo-photosynthesis reaction) was examined.

以上の結果、以下のような結果が得られた。まず、2002年から2004年にかけての年毎のフラックスデータ欠測率はそれぞれ18%、5%、3%であった。2002年に欠測率が高いのは落雷による停電の影響で、そのほかにはメインテナンスや悪天候、機器の故障などの原因があった。ここで、FLUXNET(Falge et al.,2002)や、Asia Flux(Asia Flux運営委員会、2003) などでは信頼性の高いフラックス測定のために、乱流データのクオリティコントロール(QC)が提言されている。QCでは乱流の成立性が乏しい状況での渦相関法は信頼性が低いとして、摩擦速度uや時系列データの定常性に基準を設け、基準に満たないデータを棄却して補間の対象とする。このため、標準的な森林フラックスサイトの欠測率は30%程度と言われている。しかし、本実施例では、渦相関法の信頼性が低いとされる乱流の乏しい状態あるいは対流の大きな状態における計測値も含めてシンチロメータ1のデータと比較し、その結果に基づいて領域平均フラックスを算出するため、QCは適用せずすべてのデータを用いた。 As a result, the following results were obtained. First, the annual flux data missing rate from 2002 to 2004 was 18%, 5%, and 3%, respectively. The high missing rate in 2002 was due to the power outage caused by lightning strikes, and there were other causes such as maintenance, bad weather and equipment failure. Here, FLUXNET (Falge et al., 2002), Asia Flux (Asia Flux Steering Committee, 2003) and others have proposed quality control (QC) of turbulent data for reliable flux measurement. Yes. In QC, where turbulence is not feasible, the vortex correlation method is considered unreliable, and the standard is set for the friction speed u * and the continuity of the time series data. And For this reason, the missing rate of standard forest flux sites is said to be around 30%. However, in the present embodiment, comparison is made with the data of the scintillometer 1 including the measured values in a turbulent flow poor state or a large convection state in which the reliability of the vortex correlation method is considered to be low, and based on the result, the area average flux Therefore, QC was not applied and all data was used.

続いて、補正関数の決定を行った。ここでは、シンチロメータ1と渦相関センサによる温度変動の消散率比εTSAS/εTEC は、機械的な乱流強度(σ/u)が大きな中立時では、ECセンサによる消散率がSASを上回り、(σ/u)が小さな安定時および不安定時ではSASの消散率がECより大きくなった(図10(a)、図10(b)参照)。消散率とフラックスの絶対値は数式47のように比例関係にあるため、この結果は、対流が卓越する条件や成層した大気条件では渦相関センサがフラックスを過小評価するというKanda et al.(2004)の結果と一致した。また、シンチロメータ1のソースエリアが渦相関センサに比べて大きくなる(RAが大きくなる)につれてεTSAS/εTEC の分散の上端が大きくなる傾向が見られた(図10(c)、図10(d)参照)。センサの空間スケールが大きくなることで、より広い領域を起源とする信号の平均値を検出できるため、空間的スケールの大きな大気の乱流現象を捉えることができ、結果的に上記のσ/uに対するεTSAS/εTEC の関係が強調されると考えられた。 Subsequently, the correction function was determined. Here, the dissipation rate ratio ε TSAS / ε TEC of temperature fluctuations by the scintillometer 1 and the vortex correlation sensor is higher than the SAS at the neutral time when the mechanical turbulence intensity (σ w / u) is large. , (Σ w / u) is small and unstable, the SAS dissipation rate is larger than EC (see FIGS. 10A and 10B). Since the dissipation factor and the absolute value of the flux are proportional to each other as shown in Equation 47, this result suggests that the vortex correlation sensor underestimates the flux under conditions where convection prevails or in stratified atmospheric conditions. Kanda et al. (2004 ). Further, as the source area of the scintillometer 1 becomes larger than that of the vortex correlation sensor (RA becomes larger), the upper end of dispersion of ε TSAS / ε TEC tends to increase (FIG. 10 (c), FIG. 10 ( d)). Since the average value of signals originating from a wider area can be detected by increasing the spatial scale of the sensor, it is possible to capture atmospheric turbulence with a large spatial scale, resulting in the above σ w / It was thought that the relationship of ε TSAS / ε TEC to u was emphasized.

そこで、図10(a)および図10(b)のf(σ/u,RA)が大きい領域の漸近値をオフセットと考え、指数減衰関数(数式54、数式55)によって上記の関係を表現することとした(図10の右欄参照)。ここでは、数式中の係数a,a,aを昼間のおよび夜間について最小二乗法によって決定した。夜間と昼間で係数が異なるのは、ソースエリアの算出に用いたフットプリントモデルが夜間と昼間で異なる関数で表されるためである。
[数54]
f(σ/u,RA)=y+aexp[−(σ/u−x)/a
[数55]
=(RA−1)/a
Therefore, the asymptotic value in the region where f (σ w / u, RA) in FIGS. 10A and 10B is large is considered as an offset, and the above relationship is expressed by an exponential decay function (Equation 54, Equation 55). (Refer to the right column of FIG. 10). Here, the coefficients a 1 , a 2 , and a 3 in the formula are determined by the least square method for daytime and nighttime. The reason why the coefficients differ between night and day is that the footprint model used to calculate the source area is expressed by different functions at night and day.
[Formula 54]
f (σ w / u, RA) = y 0 + a 1 exp [− (σ w / u−x 0 ) / a 2 ]
[Equation 55]
x 0 = (RA-1) / a 3

関数f(σ/u,RA)と消散率比εTSAS/εTEC の比較を図12に示す。昼間(図12(a))に比べて夜間(図12(b))の分散が大きいのは、渦相関センサによる温度変動の消散率εTEC の算出精度が乱流状態の乏しい状況で低下したことが原因と考えられた。 FIG. 12 shows a comparison between the function f (σ w / u, RA) and the extinction rate ratio ε TSAS / ε TEC . The dispersion at night (Fig. 12 (b)) is larger than that during the day (Fig. 12 (a)) because the calculation accuracy of the temperature fluctuation extinction rate ε TEC by the eddy correlation sensor is lowered in a poor turbulent state. It was thought to be the cause.

次に、領域平均フラックスが得られると考えられる最適なRAを計算するために、年間の熱フラックスの収支とRAの関係を調べた(図13)。昼間の不安定時および夜間安定時共に、RAの増加にしたがってインバランス率I
[数56]
I=(H+λE−Rn)/Rn
が0に近づき、熱収支が釣り合う効果が見られた。特に、夜間安定時はその効果が強かった。潜熱と顕熱の他に林冠内の大気や植物体に蓄えられる熱や地中伝熱( 林冠内貯熱)が熱収支に関与するが、その値は大きくても10数Wm−2であることと、RAが20を超える測定値がほとんど無く、外挿による誤差の拡大を防ぐ観点から、インバランス率=−0.3を示すRAを求めた(夜間10.8、昼間23.1)。これによってf(σ/u,RA)がσ/uの変数として表され、渦相関センサの測定値に基づいて領域平均フラックスが得られた。
Next, in order to calculate the optimum RA that is considered to obtain the area average flux, the relationship between the annual heat flux balance and RA was examined (FIG. 13). Imbalance rate I as RA increases for both daytime instability and nighttime stability
[Formula 56]
I = (H + λE−Rn) / Rn
Was close to 0, and the balance of heat balance was seen. In particular, the effect was strong when the night was stable. In addition to latent heat and sensible heat, heat stored in the canopy atmosphere and plant bodies and underground heat transfer (stored heat in the canopy) are involved in the heat balance, but the value is at most 10 tens Wm- 2 . In addition, from the viewpoint of preventing the increase of errors due to extrapolation with almost no measured value exceeding RA of 20, an RA indicating an imbalance rate = −0.3 was obtained (10.8 at night, 23.1 at daytime). As a result, f (σ w / u, RA) was expressed as a variable of σ w / u, and a region average flux was obtained based on the measured value of the vortex correlation sensor.

ここで、領域平均フラックスの特徴について記す。領域平均フラックスは、σ/uが小さな領域では渦相関法によるフラックスより大きな値を示し、σ/uが大きな領域では渦相関法より小さな値を示す。その結果、夜間の放出および昼間の吸収量ピークが大きく見積もられ、日変動の振幅が拡大する。図14に熱およびCOフラックスの測定例を示す。熱フラックスでは領域平均フラックスによる熱収支の改善が見られる一方で、大気が中立な条件では、領域平均フラックスが渦相関法を下回る状況も見られた(図14のA参照)。また、熱収支の改善効果が小さい状況も見られた。林冠内貯熱の寄与が大きい時間帯が存在する可能性もあると考えられた。Fについても同様に放出・吸収ピークが拡大する傾向が見られ(図14のB参照)、Fに基づいて計算される群落光合成量や、群落呼吸量も変化することになる。 Here, the characteristics of the area average flux will be described. The region average flux shows a larger value than the flux by the vortex correlation method in a region where σ w / u is small, and shows a smaller value than the vortex correlation method in a region where σ w / u is large. As a result, nighttime release and daytime absorption peaks are greatly estimated, and the amplitude of daily fluctuations increases. FIG. 14 shows an example of measurement of heat and CO 2 flux. In the heat flux, the heat balance was improved by the area average flux, but under conditions where the atmosphere was neutral, the area average flux was lower than the vortex correlation method (see FIG. 14A). In addition, there were some cases where the effect of improving the heat balance was small. It is considered that there may be a time zone where the contribution of heat storage within the canopy is large. F C Similarly tendency emission-absorption peak is enlarged is observed also (see B in FIG. 14), and canopy photosynthesis amount calculated on the basis of F C, will also vary community respiration.

さらに、領域平均フラックスと土壌呼吸量との比較を行った。土壌中の動物および根の呼吸と微生物による有機物の分解によってCOが放出される土壌呼吸と、地上部の植物体による呼吸が合算して森林からのCO放出となり、その放出量を群落呼吸量と呼ぶ。森林上で観測したCOからは、群落呼吸量に相当する情報が得られる。一方、土壌呼吸量は、チャンバ法などによって実測が可能である。そこで、COフラックスの妥当性を検証するために、群落呼吸量と土壌呼吸量を比較した。 Furthermore, a comparison was made between the area average flux and soil respiration. Soil respiration, in which CO 2 is released by the respiration of animals and roots in the soil and decomposition of organic matter by microorganisms, and respiration by plant bodies on the ground, add up to CO 2 release from the forest. Call quantity. Information corresponding to the community respiration rate can be obtained from CO 2 observed on the forest. On the other hand, soil respiration can be measured by a chamber method or the like. Therefore, in order to verify the validity of the CO 2 flux, the community respiration rate and the soil respiration rate were compared.

まず、群落光合成量A、群落呼吸量RとNEEの間には
[数57]
NEE=−A+R
の関係がある。夜間はA=0なので、NEEが群落呼吸量となる。群落呼吸量は温度の相関が高く、温度に対する群落呼吸量のパラメタリゼーションには数式58が用いられる(Lloyd and Taylor,1969)。
First, canopy photosynthetic amount A g, between the canopy respiration rate R e and NEE [number 57]
NEE = −A g + R e
There is a relationship. Since A g = 0 at night, NEE is the community respiration rate. The canopy respiration rate is highly correlated with temperature, and Equation 58 is used to parameterize the canopy respiration rate with temperature (Lloyd and Taylor, 1969).

ここで、T(K)は温度、T(K)は任意に決定する基準温度で、RはT(K)におけるCOフラックスを表す。また、Q10は温度係数で、基準温度におけるCOフラックスに対する、基準温度から10K上昇したときのCOフラックスの比を表す。気温と群落呼吸量の関係(2004年)によると(図15参照)、見易さのため σ/u>0.3以上のデータを示した。そこで、当該森林の群落呼吸量を解析するために、SASおよびECから求められる夜間のCOフラックス(F)のデータと温度の関係から、パラメータQ10,Rを決定した(表1参照)。ここでは、冬季間に積雪することを考慮して、Tには地温ではなく地上高さ3mの位置の気温を用いた。なお、群落呼吸量Rは、土壌呼吸量(土壌中の生物による呼吸と根の呼吸)および植物地上部の呼吸量を含む。
Here, T (K) is a temperature, T 0 (K) is an arbitrarily determined reference temperature, and R 0 represents a CO 2 flux at T 0 (K). Also, Q 10 represents a temperature coefficient, relative to CO 2 flux at the reference temperature, the CO 2 flux ratio when the reference temperature was 10K rises. According to the relationship between air temperature and community respiration rate (2004) (see FIG. 15), data of σ w /u>0.3 or more are shown for ease of viewing. Therefore, in order to analyze the community respiration rate of the forest, parameters Q 10 and R 0 were determined from the relationship between the data of CO 2 flux (F C ) at night and the temperature obtained from SAS and EC (see Table 1). ). Here, in consideration of snow accumulation during the winter season, the temperature at a height of 3 m above ground was used for T instead of the ground temperature. The community respiration rate Re includes the soil respiration rate (respiration by organisms in the soil and respiration of the roots) and the respiration rate of the above-ground part of the plant.

渦相関法にもとづく群落呼吸量のパラメータQ10と領域平均フラックスによるQ10は年間の差異において異なる傾向を示したが、いずれも平均気温との間には明確な傾向は見られなかった。次に、夜間の温度−呼吸量の関係が昼間でも同様に成り立つと仮定して、昼間の気温と数式58から群落呼吸量を推定した。こうして求めた温度と群落呼吸量の関係と後述する群落光合成量とを用いて、数式57から欠測の補間を行った。以前、土壌呼吸チャンバを用いて評価した当試験林の2002年における年間の土壌呼吸量は6.6tCha−1yr−1であったのに対し、渦相関法と領域平均フラックスにもとづく群落呼吸量はそれぞれ、7.4tCha−1yr−1と7.3tCha−1yr−1で(表2参照)、フラックス測定手法間に明確な相違は見られなかった。一方、2003年および2004年では、渦相関法の3.9tCha−1yr−1および7.2tCha−1yr−1に対して、領域平均フラックスは6.7tCha−1yr−1および8.9tCha−1yr−1と大きな値を示した。群落呼吸量は、土壌呼吸量に植物地上部の呼吸量が加わるため、フラックスによる評価値がチャンバー法を上回るのは妥当な結果といえる。ただし、温度に対する群落呼吸量の分散が大きく(図15参照)、カーブフィッティングの際の誤差が大きいこととなった。領域平均フラックスから算出した群落呼吸量は土壌呼吸チャンバの測定結果と一致し、領域平均フラックスによって正しく群落呼吸量が評価されることが確かめられた。
Although Q 10 by the parameter Q 10 and the region average flux canopy respiration based on the eddy correlation method showed a different tendency in differences in annual both clear trend between the average temperature was observed. Next, the community respiration rate was estimated from the daytime air temperature and Formula 58, assuming that the relationship between the temperature and the respiration rate at night also holds in the daytime. Missing interpolation was performed from Equation 57 using the relationship between the temperature and the group respiration rate thus obtained and the group photosynthesis amount described later. Previously, the yearly soil respiration rate of this test forest evaluated using the soil respiration chamber in 2002 was 6.6 tCha −1 yr −1 , while the community respiration rate based on the eddy correlation method and the regional average flux was In each of 7.4 tCha −1 yr −1 and 7.3 tCha −1 yr −1 (see Table 2), there was no clear difference between the flux measurement methods. On the other hand, in 2003 and 2004, with respect to 3.9tCha -1 yr -1 and 7.2tCha -1 yr -1 eddy correlation method, area average flux 6.7tCha -1 yr -1 and 8.9tCha -1 yr - A large value of 1 was shown. As for the community respiration rate, since the respiration rate above the plant is added to the soil respiration rate, it can be said that the evaluation value by the flux exceeds the chamber method. However, the dispersion of the group respiration rate with respect to the temperature was large (see FIG. 15), and the error at the time of curve fitting was large. The community respiration rate calculated from the area average flux was consistent with the soil respiration chamber measurement, and it was confirmed that the community respiration rate was correctly evaluated by the area average flux.

続いて、領域平均フラックスと群落光合成量との比較を行った。本実施例では、COフラックスの妥当性を検証するために、群落光合成量との比較を行った。COフラックスによって評価される群落光合成量は、森林全体の光合成量を表す。一方、葉の光合成量はリーフチャンバによって実測が可能である。しかし、森林は複雑な立体構造を持ち、林床面積あたりにその数倍の面積の葉が存在する。このため、個葉において計測された光合成量を群落光合成量と比較するためには個葉の計測結果を群落に拡張する必要がある。群落光合成量は、群落最上端に位置する葉の最大光合成量と葉面積から評価することができる。 Subsequently, a comparison was made between the area average flux and the amount of community photosynthesis. In this example, in order to verify the validity of the CO 2 flux, a comparison with the amount of community photosynthesis was performed. The amount of community photosynthesis evaluated by the CO 2 flux represents the amount of photosynthesis in the entire forest. On the other hand, the amount of leaf photosynthesis can be measured by a leaf chamber. However, forests have a complicated three-dimensional structure, and there are several times as many leaves per forest floor area. For this reason, in order to compare the photosynthesis amount measured in a single leaf with the community photosynthesis amount, it is necessary to extend the measurement result of the single leaf to the community. The amount of canopy photosynthesis can be evaluated from the maximum amount of photosynthesis and the leaf area of the leaf located at the top end of the canopy.

まず第一に、群落光合成量のラメタリゼーションを行った。NEEと群落呼吸量の差は同化作用による群落光合成量(数式59中のA)を示す。群落光合成量(μmolm-2s-1)Pは最大光合成量(μmolm-2s-1)を表し、αは初期光合成効率を表す。光合成の単位にはCOの分子量を乗じた密度表現(mgCOm-2s-1)も用いられる。数式57に従って入射光量と数式58に昼間の気温を代入して求めた呼吸量を差し引いたFのプロットに数式59をフィットしてパラメータを決定した。こうして求めたパラメータと入射光量および気温からAとRを算出し、欠測の補間を行った。
First of all, we performed lametallization of the amount of canopy photosynthesis. The difference between NEE and the group respiration rate indicates the group photosynthesis amount (A g in Formula 59) by the anabolic action. Canopy photosynthesis (μmolm −2 s −1 ) P m represents the maximum photosynthesis (μmolm −2 s −1 ), and α represents the initial photosynthesis efficiency. A density expression (mgCO 2 m −2 s −1 ) multiplied by the molecular weight of CO 2 is also used as a unit of photosynthesis. It was determined parameter fit the formula 59 in the plot of F C minus the respiration found by replacing the daytime temperature to the amount of incident light and formulas 58 according to Equation 57. Thus to calculate the A g and R e from the parameter and the incident light quantity and temperature obtained were missing interpolation.

次に、個葉の光合成量を群落光合成量Pcanに換算するための葉面積の算出結果を示す。落葉量から積算した葉面積指数(LAI(Leaf Area Index:波面積指数))は、2002年から2004年までそれぞれ5.6,6.3,6.8で、増加傾向を示した。 Next, the calculation result of the leaf area for converting the photosynthesis amount of individual leaves into the canopy photosynthesis amount P can is shown. The leaf area index (LAI (Leaf Area Index)) accumulated from the amount of fallen leaves was 5.6, 6.3, and 6.8 from 2002 to 2004, respectively, showing an increasing trend.

また、図16に示した葉面積指数の変化を見ると、展葉が完了した6月から、落葉が開始する9月までの期間も落葉が継続している。当試験林の優先種であるダケカンバは、春の展葉の後に2度目の伸張をすることが認められた。6月から9月の期間中も2次伸張による展葉が継続している場合、その間の落葉量をLAIに算入するとLAIを過大評価することになる。林床面積あたりに存在する実際の葉面積に近い値として、落葉開始直前の9月上旬の値を用いると、それぞれ、5.4,5.6,5.8となり、年間の格差は小さくなったが大きさの順位は変わらなかった。全落葉重量に占めるダケカンバの落葉重量は38.2%,42.1%,42.7%とほぼ41%程度であり、地上部炭素量の割合44.3%と近い値を示した。葉面積換算では29.1%,31.9%,32.5%とほぼ31%程度であった。   Moreover, when the change of the leaf area index | exponent shown in FIG. 16 is seen, defoliation is continuing also in the period from June when leaf expansion was completed to September when defoliation starts. Bake birch, the preferred species of the test forest, was found to extend for the second time after the spring leaves. If leaf expansion by secondary extension continues during the period from June to September, if the amount of fallen leaves during that period is included in LAI, LAI will be overestimated. As values close to the actual leaf area per forest floor area, the values in early September immediately before the start of defoliation were 5.4, 5.6, and 5.8, respectively. Did not change. The leaf litter weight of Dake birch in total leaf litter weight was about 41%, 38.2%, 42.1%, 42.7%, showing a value close to 44.3% of the above-ground carbon content. In terms of leaf area, it was about 31% at 29.1%, 31.9%, and 32.5%.

続いて、群落光合成量の算出を行った。領域平均フラックスによるPは、7月および8月に最大値を示し、その値は1.7,1.9,1.8(mgCOm-2s-1)であった。一方、リーフチャンバによって計測したダケカンバ個葉の最大光合成量の平均値はそれぞれ0.8±0.2,0.9±0.1,0.9±0.1(mgCOm-2s-1)であった。リーフチャンバで得られたダケカンバ個葉の最大光合成量を群落最上端の最大光合成量とみなすと、Beerの法則に従い、積算葉面積Fの位置で葉群に吸収された光量Iinkは以下で表される
ここで、Iは群落上端の入射光、Kは葉の角度などで決まる群落内の吸光定数で、0.5とする。aは葉の透過率’(=0.14)である。次に、入射光Iinkに対する光合成量Pは数式59のPARをIinkとすることで算出できる。図17に、積算葉面積に対する葉群の吸光量Iinkおよび数式59にIinkを代入して求めた光合成量Pを示す。そして、PをFで積分することにより、群落全体の光合成量Pcanを計算することができる。
群落下層の植物は群落上端に比べて光合成能力が低い(最大光合成量が小さい)のが一般的で、実際にはさらに群落光合成量が小さくなることが考えられた。また、このモデルでは水分不足による気孔閉塞がもたらす昼寝現象などは考慮していない。したがって、本計算結果は群落光合成のポテンシャルと考えるのが適当である。植物体内の水分状態が気孔の開閉に影響したり、乱流の状態によってCOの交換量が変化するなど、フラックスの瞬時値はほぼ群落光合成のポテンシャル以下に分布すると考えられる。図18に示すように、領域平均フラックスによるAの分布の上端とPcanがほぼ重なる。このことは、領域平均フラックスが当該森林の光合成特性をよく表しているといえる。
Subsequently, the amount of community photosynthesis was calculated. P m by the area average flux, the maximum value in July and August, the value was 1.7,1.9,1.8 (mgCO 2 m -2 s -1 ). On the other hand, the average values of the maximum photosynthetic amount of the birch leaves measured by the leaf chamber were 0.8 ± 0.2, 0.9 ± 0.1, and 0.9 ± 0.1 (mgCO 2 m −2 s −1 ), respectively. Assuming that the maximum photosynthesis amount of the birch leaves obtained in the leaf chamber is the maximum photosynthesis amount at the top of the canopy, the amount of light Iink absorbed by the leaf group at the position of the integrated leaf area F is expressed as follows according to Beer's law. Ru
Here, I 0 is the incident light at the top of the canopy, K is an extinction constant within the canopy determined by the leaf angle, etc., and is 0.5. a is the leaf transmittance '(= 0.14). Next, the photosynthesis amount P with respect to the incident light Iink can be calculated by setting PAR in Equation 59 to Iink . FIG. 17 shows the amount of light absorption I ink of the leaf group with respect to the integrated leaf area and the amount of photosynthesis P obtained by substituting I ink into Equation 59. Then, by integrating P by F, the photosynthesis amount P can of the entire community can be calculated.
Plants in the swarm layer generally have lower photosynthetic ability (smaller maximum photosynthesis amount) than the upper end of the canopy, and it was thought that the amount of swarm photosynthesis was actually smaller. In addition, this model does not take into account the nap phenomenon caused by pore blockage due to lack of moisture. Therefore, it is appropriate to consider this calculation result as the potential of community photosynthesis. It is considered that the instantaneous value of the flux is distributed below the potential of canopy photosynthesis, for example, the moisture state in the plant body affects the opening and closing of the pores, and the exchange amount of CO 2 changes depending on the turbulent state. As shown in FIG. 18, top and P CAN distribution of A g by the region mean flux substantially overlap. This can be said that the area average flux well represents the photosynthetic characteristics of the forest.

また、図19に当試験林で観測される最大光合成有効放射量2000μmolm-2s-1における群落光合成のポテンシャルとフラックスから導いた群落光合成量を示した。渦相関法の過小評価はCOフラックスにおいても明らかで、領域平均フラックスによる最大光合成量は、ECによる最大光合成量の約1.5倍と、理論値である群落光合成のポテンシャルに近づいた。この結果、領域平均フラックスによって森林の光合成が正しく評価されることが示された。 In addition, FIG. 19 shows the community photosynthesis potential derived from the potential and flux of community photosynthesis at the maximum photosynthesis effective radiation amount 2000 μmolm −2 s −1 observed in this test forest. The underestimation of the eddy correlation method is also apparent in CO 2 flux, and the maximum photosynthesis amount by the area average flux is about 1.5 times the maximum photosynthesis amount by EC, approaching the theoretical potential of community photosynthesis. As a result, it was shown that forest photosynthesis was correctly evaluated by the area average flux.

続いて、領域平均フラックスの妥当性評価を行った。本発明者は、以前、シンチロメータ1の適用による熱収支式の整合をフラックス測定の妥当性の根拠とし、同じ原理で測定されるCOについても、フラックスが妥当に測定されると判断したが、本実施例においては更に領域平均フラックスから導いた群落呼吸量および群落光合成量と、群落呼吸量および個葉の光合成特性に基づく群落光合成量を比較した結果、領域平均フラックスによる算出値は、土壌呼吸量および光合成量の実測値とよく一致した。これにより、領域平均フラックスによるCO評価の妥当性が示された。また、熱フラックスの収支を判断材料として、フラックス測定の妥当性を評価する方法論が支持される結果となった。以上のような本実施例における結果は、当試験地特有の現象を捉えたものであるが、既存のフラックス測定サイトおよび新規測定サイトにおいても、渦相関法とシンチロメータ1と組み合わせた観測によってサイト固有の補正関数を求め、領域平均フラックスを求めることが可能と考えられた。 Subsequently, the validity of the area average flux was evaluated. The present inventor previously determined that the flux is properly measured for CO 2 measured by the same principle based on the matching of the heat balance equation by the application of the scintillometer 1 as the basis of the validity of the flux measurement. In this example, the results of comparing the community respiration rate and community photosynthesis amount derived from the area average flux with the community photosynthesis amount based on the community respiration rate and the photosynthetic characteristics of individual leaves, It was in good agreement with the measured values of the amount and the amount of photosynthesis. Thus, the validity of CO 2 Evaluation by region average flux was shown. In addition, using the heat flux balance as a criterion, the methodology for evaluating the validity of flux measurement was supported. The results in the present example as described above capture the phenomenon peculiar to this test site. However, even at existing flux measurement sites and new measurement sites, site-specific observations are made by combining the vortex correlation method and the scintillometer 1. It was considered possible to calculate the area average flux.

さらに、領域平均フラックスに基づく森林CO吸収量の評価を行った。表2に示したように、NEEは大きな年変動を示した。これには、降水量、日射量、気温および水蒸気の飽差などの気象条件に加えて、窒素負荷や病害虫なども複合で影響すると考えられた。例えば、2004年は他の年より落葉時期が早く、9月中に葉量を減らしたにもかかわらず生産量は高かった。領域平均フラックスによるNEEは渦相関法を上回り(図20のA参照)、その結果、群落呼吸量および群落最大光合成量も大きく見積もられた(図20のB参照)。3年間のNEEの平均値は渦相関法では180gCm-2yr-1、領域平均フラックスでは266gCm-2yr-1と約1.5倍になった。以前、当試験林と類似した立地条件の40年生のダケカンバ林で1998年から1999年にかけて実施された渦相関法によるフラックス測定では163gCm-2yr-1で、本実施例の結果に近い値であった。また、熱収支のインバランスを解消させるようにフラックスを補正したところ、214gCm-2yr-1となり約1.3倍となった。生態系呼吸量(R)と生態系純生産量(NEE)の和で表されるGPP(Gross primary production)について比較すると、従来法で875gCm-2yr-1、補正後では1146gCm-2yr-1で、当試験林の3年間平均値811gCm-2yr-1および領域平均フラックスによる1156gCm-2yr-1と同等の結果であった。これは本実施例とは異なった補正法を用いているが、本実施例の結果と同様に渦相関法による過小評価が起こっていると考えられた。 Furthermore, forest CO 2 absorption based on the area average flux was evaluated. As shown in Table 2, NEE showed large annual fluctuations. In addition to the meteorological conditions such as precipitation, solar radiation, temperature and water vapor saturation, nitrogen load and pests were considered to be combined. For example, in 2004, the defoliation period was earlier than in other years, and the production volume was high despite the decrease in leaf volume during September. NEE by the area average flux exceeded the eddy correlation method (see A in FIG. 20), and as a result, the community respiration rate and the maximum community photosynthesis amount were also greatly estimated (see B in FIG. 20). The average value of the NEE of 3 years 180gCm -2 yr -1 in eddy correlation method, in the region average flux was about 1.5 times the 266gCm -2 yr -1. Previously, the flux measurement by eddy correlation method carried out from 1998 to 1999 in a 40-year-old dake birch forest with similar conditions to this test forest was 163 gCm -2 yr -1, which is close to the result of this example. there were. Moreover, when the flux was corrected so as to eliminate the heat balance imbalance, it was 214 gCm -2 yr -1 , which was about 1.3 times. Ecosystem respiration rate (R e) and Comparing the GPP represented by the sum of net ecosystem production (NEE) (Gross primary production) , 875gCm -2 yr -1 in the conventional method, after the correction 1146gCm -2 yr -1 was 1156gCm -2 yr -1 equivalent result by 3 years average 811gCm -2 yr -1 and the area average flux of this test forest. Although this uses a correction method different from that of the present example, underestimation by the vortex correlation method is considered to have occurred as in the result of this example.

以上のとおり、本実施例においては、森林におけるCO吸収量を高い精度で評価することを目的として、シンチロメータ1の空間スケールから決定した関数を用いて渦相関法の測定値を補正することにより、領域平均フラックスを算出した。ここでは、熱収支が整合するように調整した領域平均フラックスと、森林における群落呼吸量や群落光合成量との比較を通して領域平均フラックスの確かさを検証した。その結果、領域平均フラックスを基に算出した群落呼吸量は、以前に開発されたチャンバ法による土壌呼吸量の評価結果との一致を見た。また、従来法である渦相関法から算出した群落光合成量がダケカンバ個葉の計測結果から導いた群落光合成量を大きく下回るのに対し、領域平均フラックスによる群落光合成量は個葉の計測結果とよく対応することが明らかになった。以上より、森林における熱収支および群落のCO収支において、本発明者が領域平均フラックス評価法として開発した手法が従来の渦相関法の信頼性を高めることが分かった。例えば、従来法によって評価したCO吸収量の3年間の平均値は180gCm-2yr-1で、類似の立地条件にある落葉広葉樹林の値と同等であった。それに対し、本発明にかかる測定手法を用いて推定した森林によるCO吸収量の3年間の平均値は266gCm-2yr-1で、渦相関法による評価値の1.5倍であった。 As described above, in this embodiment, for the purpose of evaluating the CO 2 absorption amount in the forest with high accuracy, by correcting the measurement value of the vortex correlation method using the function determined from the spatial scale of the scintillometer 1. The area average flux was calculated. Here, we verified the certainty of the area average flux by comparing the area average flux adjusted to match the heat balance with the community respiration and forest photosynthesis in the forest. As a result, the community respiration rate calculated based on the area average flux was consistent with the evaluation result of soil respiration rate by the chamber method developed previously. In addition, the amount of canopy photosynthesis calculated from the eddy correlation method, which is the conventional method, is significantly lower than the amount of canopy photosynthesis derived from the measurement results of the leaves of the birch, while the amount of canopy photosynthesis by the region average flux is well It became clear to correspond. From the above, it was found that the method developed by the inventor as an area average flux evaluation method improves the reliability of the conventional eddy correlation method in the heat balance in forests and the CO 2 balance in communities. For example, the three-year average value of CO 2 absorption evaluated by the conventional method is 180 gCm -2 yr -1 , which is equivalent to the value of deciduous broad-leaved forest under similar location conditions. On the other hand, the average value of the amount of CO 2 absorbed by the forest estimated using the measurement method according to the present invention over three years was 266 gCm −2 yr −1 , which was 1.5 times the evaluation value by the vortex correlation method.

風速、乱流強度、TKE(乱流運動エネルギー)、温度、比湿、COの各要素に関し、シンチロメータ1(SCとも表記している)および渦相関センサ(SC)間の消散率比と風向の関係について実験を行った(図21参照)。図中の角度は方位を表し、北を0°としている。グラフ中の値が大きければ大きいほどシンチロメータ1による消散率の比が大きく、例えば風速でいえば、北風ほどシンチロメータ1による消散率の比が大きくなる傾向が強い、という結果が得られた。 Dissipation rate ratio and wind direction between scintillometer 1 (also referred to as SC) and vortex correlation sensor (SC) with respect to wind speed, turbulence intensity, TKE (turbulent kinetic energy), temperature, specific humidity, and CO 2 An experiment was conducted on the relationship (see FIG. 21). The angle in the figure represents the azimuth and the north is 0 °. The larger the value in the graph, the larger the ratio of the extinction rate by the scintillometer 1. For example, in terms of wind speed, the north wind tends to increase the ratio of the extinction rate by the scintillometer 1.

摩擦速度u、顕熱フラックスH、潜熱のフラックスλE、そしてCOフラックスfcのそれぞれに関し、シンチロメータ1および渦相関センサによるフラックス算出値の比較を行った(図22参照)。図中、四角い記号で示すシンチロメータ1のパスに平行な西風、丸い記号でシンチロメータ1のパスに直交する北風のデータを示した。各期につき、シンチロメータ1による測定結果と渦相関センサによる測定結果の比は図に示すように、シンチロメータ1による測定結果が大きくなる傾向にあった。 For each of the friction velocity u * , the sensible heat flux H, the latent heat flux λE, and the CO 2 flux fc, the flux calculation values of the scintillometer 1 and the vortex correlation sensor were compared (see FIG. 22). In the figure, data of a west wind parallel to the path of the scintillometer 1 indicated by a square symbol and data of a north wind perpendicular to the path of the scintillometer 1 are indicated by a round symbol. In each period, as shown in the figure, the ratio between the measurement result by the scintillometer 1 and the measurement result by the vortex correlation sensor tended to increase the measurement result by the scintillometer 1.

シンチロメータ1と渦相関センサのそれぞれの場合の非着葉期におけるインバランス率をグラフに表示することにより、熱収支インバランスが改善されたことの確認を行った(図23参照)。インバランス率RI、熱収支式はそれぞれ図中に示す式で求めることができる。この結果、本発明にかかるCOフラックス測定法によれば従来法よりもインバランス率が改善されることがわかった(図23参照)。 It was confirmed that the heat balance imbalance was improved by displaying the imbalance rate in the non-leafing period in each case of the scintillometer 1 and the vortex correlation sensor (see FIG. 23). The imbalance ratio RI and the heat balance equation can be obtained by the equations shown in the figure. As a result, the CO 2 flux measurement method according to the present invention was found to improve the imbalance rate over the conventional method (see FIG. 23).

本発明のフラックス測定法におけるフラックスの定義と測定法を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the definition and measuring method of the flux in the flux measuring method of this invention. シンチロメータの測定原理を示す図である。It is a figure which shows the measurement principle of a scintillometer. 本発明におけるフラックス算出のデータ処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the data processing of the flux calculation in this invention. シンチロメータのパス長による測定領域の違いを渦相関センサの場合も併せて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference in the measurement area | region by the path length of a scintillometer also in the case of a vortex correlation sensor. 森林生態系のCO交換の概念を示す図である。It is a diagram illustrating the concept of CO 2 exchange forest ecosystems. 風向がパスに直交するときのフットプリントおよびソースエリアを示す図である。It is a figure which shows a footprint and source area when a wind direction is orthogonal to a path | pass. ソースエリア比RAと風向θの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between source area ratio RA and wind direction (theta). 領域平均フラックス算出の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of area | region average flux calculation. 欠測データの補間のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of interpolation of missing measurement data. εTSAS/εTEC に対する乱流強度σ/uおよびソースエリア比RAの関係、ならびに補正関係f(σ/u,RA)と乱流強度σ/uおよびソースエリア比RAの関係を示す図である。The relationship between the turbulent intensity σ w / u and the source area ratio RA with respect to ε TSAS / ε TEC and the relationship between the correction relationship f (σ w / u, RA), the turbulent intensity σ w / u and the source area ratio RA are shown. FIG. 構造関数の例と曲線フィットによる消散率決定の内容(2002年6月10日)を示す図である。It is a figure which shows the content (June 10, 2002) of the example of a structure function and the dissipation rate determination by curve fitting. εTSAS/εTEC とf(σ/u,RA)の比較を示す図で、a)は昼間、b)は夜間を表している。The figure which shows the comparison of (epsilon) TSAS / (epsilon) TEC and f ((sigma) w / u, RA), a) represents daytime, b) represents nighttime. ソースエリア比RAとインバランス率I(ただし、Iは3年間の平均値)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between source area ratio RA and imbalance rate I (however, I is an average value for 3 years). 熱フラックスおよびCOフラックスの日変化における渦相関法ECと領域平均フラックスSASの関係を示す図である。Is a diagram showing an eddy correlation method EC and area average flux SAS relationship in diurnal heat fluxes and CO 2 flux. 気温と群落呼吸量の関係(2004年)を示す図であって、見やすさのためσ/u>0.3 の条件部分についてのみ表しているものである。It is a figure which shows the relationship (2004) of temperature and a community respiration rate, Comprising: Only the condition part of (sigma) w / u> 0.3 is represented for easiness to see. リター積算に基づいた落葉期のLAIの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of LAI of the leaf fall period based on litter integration. 葉群の吸光量Iおよび光合成量(P)の積算葉面積(F)に対するプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the profile with respect to the integrated leaf area (F) of the light-absorption amount 10 and photosynthesis amount (P) of a leaf group. 群落光合成のポテンシャルおよび群落光合成量の入射光量(PAR)との関係(2004年7月)を示す図である。It is a figure which shows the relationship (July, 2004) with the potential of canopy photosynthesis and the amount of incident photosynthesis (PAR). 群落光合成ポテンシャルと群落光合成量の比較(PAR=2000μmolm-2s-1)を示す図である。It is a figure which shows the comparison of a canopy photosynthetic potential and a canopy photosynthesis amount (PAR = 2000micromol-2s - 1 ). 領域平均フラックスと渦相関フラックスによる生態系純交換量(NEE)および群落最大光合成量(A)の比較を示す図である。It is a diagram showing a comparison of net ecosystem exchange amount by the area average flux and eddy correlation flux (NEE) and canopy maximum photosynthesis (A g). シンチロメータ(SC)および渦相関センサ(EC)間の消散率比と風向の関係を各要素について示す図である。It is a figure which shows the relationship between the dissipation factor ratio between a scintillometer (SC) and a vortex correlation sensor (EC), and a wind direction about each element. 摩擦速度u、顕熱フラックスH、潜熱のフラックスλE、COフラックスfcのそれぞれに関し、シンチロメータおよび渦相関センサによるフラックス算出値の比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the flux calculation value by a scintillometer and a vortex correlation sensor regarding each of friction speed u * , sensible heat flux H, flux λE of latent heat, and CO 2 flux fc. シンチロメータと渦相関センサのそれぞれの場合の非着葉期におけるインバランス率が改善されたことを示す図である。It is a figure which shows that the imbalance rate in the non-leafing stage in each case of the scintillometer and the vortex correlation sensor was improved.

1 シンチロメータ
2 トランスミッタ
3 レシーバ
1 scintillometer 2 transmitter 3 receiver

Claims (1)

森林全体のCO吸収量を測定するためのCOフラックス測定法において、シンチロメータを用いた場合と渦相関法による場合の温度変動の消散率の比εTSAS/εTECが、シンチロメータを用いた場合の測定範囲ASASと渦相関センサによる場合の測定範囲AEC の比RA(=ASAS/AEC )との相関、および大気の乱流強度σ/u との相関が高いことに基づき、これら2つの要素RA(=ASAS/AEC )およびσ/u をパラメータとする関係式
を、前記シンチロメータおよび前記渦相関センサを使って実際に得られた一定期間における測定結果に基づきあらかじめ用意しておくとともに、数式1中における測定範囲の比RAには一定値を与えることによりすべての風向に対する前記シンチロメータの広い測定範囲を適用することとし、その後、森林の上空に実際に設置した渦相関センサによって大気の乱流強度σ/uを測定し、以下の関係式
に基づき、渦相関法によって求めた顕熱フラックスHECをシンチロメータによって求めた場合に相当する顕熱フラックスHSASに補正し、尚かつ、渦相関法によって求めた潜熱フラックスλEECおよびCOフラックスFcECに関しても、以下の関係式
に基づき、シンチロメータによって求めた場合に相当する潜熱フラックスλESASおよびCOフラックスFcSASに補正し、前記シンチロメータにて測定したのと同様の測定結果を得ることを特徴とする森林のCOフラックス測定法。
In the CO 2 flux measurement method for measuring the CO 2 absorption of the whole forest, the ratio ε TSAS / ε TEC of the rate of extinction of temperature fluctuation when using a scintillometer and using the vortex correlation method, when using a scintillometer Based on the fact that the correlation between the measurement range A SAS and the ratio RA (= A SAS / A EC ) of the measurement range A EC with the eddy correlation sensor and the atmospheric turbulence intensity σ w / u is high, Relational expression with these two elements RA (= A SAS / A EC ) and σ w / u as parameters
Is prepared in advance based on the measurement results in a certain period actually obtained using the scintillometer and the vortex correlation sensor, and all the values are obtained by giving a constant value to the ratio RA of the measurement range in Equation 1. The scintillometer's wide measurement range with respect to the wind direction is applied, and then the atmospheric turbulence intensity σ w / u is measured by the eddy correlation sensor actually installed above the forest, and the following relational expression
The sensible heat flux H EC obtained by the vortex correlation method is corrected to the sensible heat flux H SAS corresponding to that obtained by the scintillometer, and the latent heat flux λE EC and CO 2 flux F obtained by the vortex correlation method are corrected. Regarding cEC , the following relational expression
The basis, corrected to latent heat flux RamudaE SAS and CO 2 flux F CSAS corresponds to a case where determined by scintillometer, CO 2 flux measurement of forest, characterized in that to obtain the same measurement result as that measured by the scintillometer Law.
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