Atmospheric ammonia deposition and its role in a cool-temperate fragmented deciduous broad-leaved forest

堅田 元喜*; 山口 高志*; 渡辺 誠*; 福島 慶太郎*; 中山 理智*; 永野 博彦*; 小嵐 淳; 舘野 隆之輔*; 久保田 智大

Atmospheric Environment, 298, p.119640_1 - 119640_12, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2023.119640

Moderately elevated reactive nitrogen (Nr) deposition due to anthropogenic activities can have an impact on forest production via throughfall and canopy retention processes. Forest fragmentation can increase dry deposition of atmospheric ammonia volatilized from agricultural areas, and consequently increase spatial variability of Nr deposition even within the same forest (edge effect). However, little is known about the edge effect and its impact on forest production in a deciduous broad-leaved forest in Asian countries. Here, we performed the field observations of atmospheric concentration and deposition of inorganic Nr gases and particles in a Japanese fragmented forest from May 2018 to April 2019. The results demonstrated that annual dry deposition of ammonia was dominant in the annual total dissolved inorganic Nr deposition at the forest edge, including the edge effect. Additionally, agricultural activities such as fertilization in the area surrounding the forest likely enhanced the potential of canopy retention of NH, known as Nr species readily absorbed by tree canopy.

Role of advection in atmospheric ammonia; A Case study at a Japanese lake basin influenced by agricultural ammonia sources

久保田 智大; 黒田 久雄*; 渡邊 未来*; 高橋 晃子*; 中里 亮治*; 樽井 美香*; 松本 俊一*; 中川 圭太*; 沼田 康子*; 大内 孝雄*; et al.

Atmospheric Environment, 243, p.117856_1 - 117856_9, 2020/12

https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.117856

大気アンモニア(NH)の乾性沈着は水圏生態系への窒素負荷経路の1つである。アジア諸国におけるNHの最大の排出源の一つである農業・畜産は、NH濃度の空間的及び季節的変動を引き起こし、乾性及び湿性沈着により湖沼流域へ影響を与えることが知られている。しかし、観測ネットワークの不足から、流域スケールでのNH濃度の空間分布はよく知られていない。本稿では、農業・畜産が盛んな流域(霞ヶ浦流域)でのNH濃度の空間的及び季節的変動の支配的要因を明らかにすることを目的とした。観測は2018年10月10日から2020年1月14日まで、合計36地点で行った。観測期間中の平均NH濃度は、農用地,湖,住宅地,森林の順に高かった。畜舎近傍で観測されたNH濃度は夏季より冬季の方が高く、気温に依存する揮発プロセスに基づくNH排出量の季節変化と異なった。農用地や湖のNH濃度と気象要素との比較から、排出源からのNHの移流の季節変化の重要性が示唆された。湖上のNHの乾性沈着量を推定したところ、全窒素の湿性沈着量を上回る可能性がある。湖への乾性沈着は植物プランクトンの増殖プロセスに関連することが知られており、水圏生態系の管理を行う上でNHの移流を考慮するべきである。

Wintertime grassland dynamics may influence belowground biomass under climate change; A Model analysis

堅田 元喜*; Grote, R.*; Mauder, M.*; Zeeman, M. J.*; 太田 雅和

Biogeosciences, 17(4), p.1071 - 1085, 2020/02

https://doi.org/10.5194/bg-17-1071-2020

山間部の管理された草原では、冬季の寒冷な気候によって生産性が低下する。そのため、将来予想される気温上昇および雪面の変化は、草原の生産性に大きく影響する可能性がある。これを調べるため、陸面モデルSOLVEGに積雪,凍結・解氷および草の成長過程を導入し、このモデルを記録的な暖冬下における草原での熱輸送・炭素交換に適用した。モデル計算は、3年間のシミュレーション期間中に観測された熱フラックス,地温,積雪深度を再現した。計算結果から、暖冬下では高められた植物生理活動によって100g-C mのCO固定が起きたこと、更に、この固定された炭素の多くが春先の植物成長に利用されることなく地下部の根バイオマスへと供給されたことが示された。この暖冬の影響下で起きた地下部への炭素供給は、将来の温暖化環境においては土壌への炭素蓄積量および土壌からのCO放出量が増加するという可能性を示唆しており、既存の全球陸域生態系モデルが本過程を厳密に考慮する必要があることを示すものである。

Impacts of anthropogenic source from the nuclear fuel reprocessing plants on global atmospheric iodine-129 cycle; A Model analysis

門脇 正尚; 堅田 元喜*; 寺田 宏明; 鈴木 崇史; 長谷川 英尚*; 赤田 尚史*; 柿内 秀樹*

Atmospheric Environment, 184, p.278 - 291, 2018/07

AA2017-0580.pdf:2.03MB

https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2018.04.044

長寿命放射性ヨウ素(I)は、大気環境における放射性核種の有用な地球化学トレーサである。本研究では、Iの大気濃度および沈着の観測を実施し、観測データから大気濃度および沈着の明瞭な季節変動を得た。さらに、大気中のI循環を支配する要因を明らかにすることを目的として、得られた観測データを用いて、移流、乱流拡散、大気沈着、光化学、ガス粒子変換、核燃料再処理工場からのIの排出、海洋および陸域からのIの揮発の各物理・化学過程を考慮した全球ヨウ素輸送モデルを開発した。全球ヨウ素輸送モデルは、我々が観測したIの大気濃度および沈着の季節変動、そして既往文献のIの降水中濃度の全球分布を良好に再現した。開発した全球ヨウ素輸送モデルを用いて人為起源と自然起源のIインベントリの強度を変化させる数値実験を実施し、地球全体のI循環に対する人為起源のIの影響を評価した。その結果、冬季においては、人為起源のIが主にユーラシアの北部に沈着する可能性があることが示された。一方で、夏季においては、自然起源のIが北半球中高緯度の沈着に支配的であった。これらの結果は、地球表面からのIの再飛散過程が全球規模でのI循環に重要であることを示唆している。さらに、冬季のユーラシア北部や北極域においては局所的に乾性沈着が寄与しており、乾性沈着が環境中のIの季節変化に重要な影響を及ぼすことが示唆された。

Improvement of atmospheric dispersion simulation using an advanced meteorological data assimilation method to reconstruct the spatiotemporal distribution of radioactive materials released during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station accident

門脇 正尚; 永井 晴康; 寺田 宏明; 堅田 元喜*; 朱里 秀作*

Energy Procedia, 131, p.208 - 215, 2017/12

BB2016-0128.pdf:1.61MB

https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.465

原子力施設事故によって大気中に放射性物質が放出された際に、放射性物質の時空間分布を再現可能な大気拡散シミュレーションは、緊急時対応や被ばく評価に対して有効である。本研究では、データ同化手法及び最新の領域気象モデルを用いて大気拡散シミュレーションを改良し、福島第一原子力発電所事故由来の放射性物質の時空間分布を再構築する。大気拡散シミュレーションは原子力機構が開発した大気拡散モデルGEARNによって行われた。大気拡散シミュレーションのための気象場は、4次元変分法を用いた気象データ同化解析手法と領域気象モデルWRFで計算された。シミュレーションの再現性は、放射性核種の沈着量及び大気濃度の計算値と実測値の比較から評価した。福島第一原子力発電所の付近において、観測されたCs-137とI-131の沈着量の空間分布をシミュレーションは良好に再現した。特に、発電所から北西方向及び南方向で観測されたCs-137の高い沈着量分布の再現性の向上が顕著であった。東日本の広域においても、モデル過大評価であったCs-137の沈着量の再現性が向上した。これらは、4次元変分法を用いた気象データ同化解析手法によって、再現性の高い風速場が得られたことに起因すると考えられる。本研究で再構築された大気拡散過程は、福島第一原子力発電所事故の線量影響評価の見直しや、日本国内の原子力施設における緊急時対応に対して有効な情報となる。

Development of the Eulerian atmospheric transport model GEARN-FDM; Validation against the European tracer experiment

門脇 正尚; 堅田 元喜; 寺田 宏明; 永井 晴康

Atmospheric Pollution Research, 8(2), p.394 - 402, 2017/03

https://doi.org/10.1016/j.apr.2016.10.012

世界版緊急時環境線量情報予測システム(WSPEEDI)は、粒子法による大気拡散モデルGEARNを用いている。総観規模より大きな計算対象領域においては粒子法のもつ統計誤差や計算機資源の確保が問題となる。本研究では、WSPEEDIの長距離の大気拡散シミュレーションにおける性能向上のために、有限差分法に基づく大気拡散モデルGEARN-FDMを開発した。移流拡散方程式は質量保存を満たす移流スキームとクランクニコルソン法で解かれる。水平拡散を計算するために、サブグリッドスケールの水平拡散の効果をパラメタリゼーションとして導入した。モデルの妥当性を欧州大気拡散実験データを用いて検証した結果、濃度分布や最大濃度の観測時刻、プリューム到達時刻は良好に再現された。計算による測定値の再現度を評価する統計値も、従来モデル同等以上の結果が得られ、モデルの妥当性を確認した。シミュレートされた水平拡散係数は沿岸や山岳で大きく、それらの場所をプリュームが通過するときに強い拡散が生じていた。水平拡散による輸送を正確にモデル化することは、放射性核種輸送計算をするうえで重要であることが示唆される。

Numerical simulation of surface energy and water balances over a semiarid grassland ecosystem in the West African Savanna

Quansah, E.*; 堅田 元喜; Mauder, M.*; Annor, T.*; Amekudzi, L. K.*; Bliefernicht, J.*; Heinzeller, D.*; Balogun, A.*; Kunstmann, H.*

Advances in Meteorology, 2017, p.6258180_1 - 6258180_11, 2017/00

AA2016-0147.pdf:2.3MB

https://doi.org/10.1155/2017/6258180

乾燥・半乾燥地域における大気からの入力放射エネルギーの地表面での潜熱・顕熱への分配を精緻に予測することは、気象モデルに考慮されている陸面交換過程の研究を進める上で重要な課題である。本研究では、鉛直1次元多層大気-土壌-植生モデルSOLVEGを用いて、西アフリカのサバンナ生態系の乾季および雨季の地表面エネルギー・水収支の数値シミュレーションを行った。数値計算の結果、それぞれの季節について、モデルは観測された地表面熱フラックス(正味放射量、顕熱、潜熱、および地中伝導熱)の日変化の傾向を再現した。また、計算値と観測値の間の相関係数、平均二乗誤差、および標準正規偏差の統計量の比較によりモデルの性能を評価し、モデルのパラメータを適切に与えることによって、サバンナ生態系で観測された地表面熱収支、土壌からの蒸発、植生からの蒸散などのダイナミクスを定量的に再現できる可能性を明らかにした。

Immediate and potential long-term effects of consecutive heat waves on the photosynthetic performance and water balance in Douglas-fir

Duarte, A. G.*; 堅田 元喜; 星加 康智*; Hossain, M.*; Kreuzwieser, J.*; Arneth, A.*; Ruehr, N. K.*

Journal of Plant Physiology, 205, p.57 - 66, 2016/10

https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.08.012

世界規模で増加が予測されている熱波などの極端気象は、生態系の水・炭素循環に大きな影響を及ぼす。気温上昇によって森林樹木は熱ストレスにさらされる可能性があるが、これに対する森林生態系の長期的な応答は未解明である。本研究では、大規模温室における複数回の熱波処理によってベイマツの光合成特性と水収支がどのような影響を受けるかを調べた。樹木の光合成カルボキシル効率はほとんど影響を受けないが、光飽和環境での電子伝達速度および光合成速度は大きく低下し、その影響は最後の熱波処理の6週間後まで継続した。また、熱による蒸散速度、最小気孔コンダクタンス、および夜間気孔コンダクタンスの抑制も同様に継続していた。気孔コンダクタンスモデルを用いた解析により、気孔の閉鎖やクチクラワックスの変化などの葉の形態変化が引き起こされたことがわかった。これらの結果は、ベイマツが熱ストレスに対して光合成性能を低下させる代わりに水分の消費を抑えるように応答することを示しており、熱波によって長期的な樹木成長が阻害される可能性が示唆された。

Montane ecosystem productivity responds more to global circulation patterns than climatic trends

Desai, A. R.*; Wohlfahrt, G.*; Zeeman, M. J.*; 堅田 元喜; Eugster, W.*; Montagnani, L.*; Gianelle, D.*; Mauder, M.*; Schmid, H. P.*

Environmental Research Letters, 11(2), p.024013_1 - 024013_9, 2016/02

AA2015-0882.pdf:2.25MB

https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/2/024013

植物生産力とそれに付随する生物地球化学循環は、局地的な気象現象の主要な駆動力として働く大気大循環における季節から10年スケールの変動パターンに強く依存する。将来の気候変動に対して、地域スケールの生態系生産力と植物季節がどのように応答するかを理解するには、大気循環と上層大気圧パターンの予測の不確実性が、平均気温または降水量の予測の不確実性を上回ることから、上記の短期・中期的な駆動力を統合した解釈が必要である。本研究では、地上気象・植物季節・フラックスタワー・衛星データ等と数値シミュレーションを用いて、大西洋上の2種類の対流圏気圧場のパターンがヨーロッパのフェーン(南風)の流れとどのように相互作用し、冬季の天候に影響するかを明らかにする。これらの効果は、北部・中央アルプスでの初期植物生育期間の応答に対する冬季の降雪と土壌温度の強い影響によって、春季の生態系生産力と植物季節に重要な影響をおよぼす。大気循環の将来変化予測の改善は、気候変動に対する生態系の影響のより良い評価と気候的避難所の描写のために重要である。

Ozone-induced stomatal sluggishness changes carbon and water balance of temperate deciduous forests

星加 康智*; 堅田 元喜; 出牛 真*; 渡辺 誠*; 小池 孝良*; Paoletti, E.*

Scientific Reports (Internet), 5, p.9871_1 - 9871_8, 2015/05

https://doi.org/10.1038/srep09871

対流圏オゾンは、森林の光合成活動を阻害するとともに、気孔開閉機能にも影響を与える。高オゾン濃度環境では気孔開閉の応答の遅れ(気孔鈍化)が誘発され、樹木の炭素獲得や蒸散に伴う水消費が変化するが、この影響は現在森林のオゾン影響評価に使われているモデルには全く考慮されていない。本研究では、精緻な多層陸面モデルと全球大気化学モデルを組み合わせたシミュレーションによって、気孔鈍化が及ぼす北半球スケールの森林の炭素獲得と蒸散への影響を評価する。気孔鈍化をシミュレートするために、個葉スケールでの最小気孔コンダクタンスに基づく新しいパラメタリゼーションを提案する。気孔鈍化プロセスを考慮することによって、森林による炭素吸収量が減少するとともに蒸散が促進され、結果的に水利用効率が大幅に低下することを明らかにした。これらの知見は過去の実験や野外観測から得られた結果と一致しており、特に東アジアなどの高オゾン濃度地域では、森林生態系の炭素・水バランスを予測する上で気孔鈍化による影響を考慮する必要がある。