Development of high-resolution biosphere model and mitigation scenario

• Project Area: Digital biosphere: integrated biospheric science for mitigating global environment change
• Project/Area Number: 21H05318
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: The University of Tokyo (2022-2025); National Institute for Environmental Studies (2021)
• Principal Investigator: 伊藤 昭彦 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (70344273)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中岡 慎一郎 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 主任研究員 (00450164) ; 安立 美奈子 東邦大学, 理学部, 准教授 (40450275)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥139,620,000 (Direct Cost: ¥107,400,000、Indirect Cost: ¥32,220,000); Fiscal Year 2025: ¥28,080,000 (Direct Cost: ¥21,600,000、Indirect Cost: ¥6,480,000); Fiscal Year 2024: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000); Fiscal Year 2023: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2022: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2021: ¥28,210,000 (Direct Cost: ¥21,700,000、Indirect Cost: ¥6,510,000)
• Keywords: 生物圏機能 / 統合モデル / 気候変動緩和 / 温室効果ガス収支 / バイオマス供給 / 生物圏モデル / 気候変動 / 生物地球化学 / 温室効果ガス / 炭素隔離 / モデル統合化 / 炭素貯留固定 / バイオマス生産 / モデル検証 / 高分解能シミュレーション / 炭素循環 / 土地利用 / 高分解能モデル / 炭素固定 / 光合成生産力 / 観測データ利用 / 観測連携 / 陸域生態系 / 海洋生態系 / 高分解能化 / 炭素吸収固定

Outline of Research at the Start

研究領域のデータと成果を活用して全球の生物圏機能をシミュレートする高分解能モデル「デジタルバイオスフェア」を開発し、統合生物圏科学の具体化に貢献する。変動環境下での生物圏機能の最適利用に関するシミュレーションを実施し、地球環境激変の影響予測とそれを防止する対策に必要な土地面積などに関して系統的な評価を行う。生理生態的プロセスに基づくメカニスティックなモデルと、観測データから導出されるデータ駆動モデルの長所を組み合わせ、二酸化炭素吸収量やバイオマス量を高い空間分解能で計算し、過去から将来にわたる変動環境下での応答を推定する。

Outline of Annual Research Achievements

高分解能な生物圏モデルを開発するための研究を継続した。陸域については、前年度までに開発した2種類のプロトタイプについて改良を進め、中分解能モデルについてはERA5だけでなくJRA3Qを入力気象データに使用できるようにし、計算の速報性を向上させた。観測データを用いた検証で問題となっていた、葉面積指数の過大評価傾向について、同化産物の葉への分配率を見直し、最適葉面積指数を再計算することで改善を図った。亜熱帯における葉フェノロジーについては、TRENDYモデル相互比較プロジェクトの出力データを衛星観測MODISと比較することで、多くのモデルで問題点があることを見出し、一般性のある熱帯季節林フェノロジーモデルの開発を進めた。さらなるモデルの検証と改善のため、東南アジアを対象として葉面積指数データを収集した。同じく昨年度に問題が見出されていた、土地利用変化後の炭素収支変化の推定に関しても、二次林を想定した生産力変化を導入することで計算結果の改善が見られた。海洋モデルに関しては、観測された溶存CO2濃度データを機械学習によって太平洋域に広域化するモデルを開発した。研究領域から得られる知見を生物圏モデルに統合化するための方針を検討し、パラメータの広域化、環境応答関数の改良、ゲノムレベルの適応を想定した長期変化の導入、土壌炭素の安定化、などについてモデルの改良方針を検討した。国際共同研究に参加し、森林の炭素収支に関するグローバルな解析結果や、窒素循環を介した気候フィードバック効果のモデル推定に関して論文発表を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

生物圏モデルの改良についてはプロトタイプ開発を順調に進めることが出来た。昨年度から雇用したポスドク研究員による亜熱帯でのモデル改良が軌道に乗りつつあり、観測データ収集とモデル解析を進めることが出来た。国際プロジェクトに参加した成果が論文として出版された。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である次年度に向けて生物圏モデルの開発を加速し、海洋と陸域を結合した高分解能モデルの開発を推進する。研究領域から得られる知見を、モデル構造、パラメータ、定式化などに反映して統合化するための連携研究を進める。引き続き、生物圏モデルを用いた国際プロジェクトに参加し、次期IPCCレポートなどへの成果提供に向けて活動を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] USDA Forest Service/Woodwell Research Center(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Exeter(英国)
• [Journal Article] The enduring world forest carbon sink (2024)
  • Author(s): Pan Yude、Birdsey Richard A.、Phillips Oliver L.、Houghton Richard A.、Fang Jingyun、Kauppi Pekka E.、Keith Heather、Kurz Werner A.、Ito Akihiko、Lewis Simon L.、Nabuurs Gert-Jan、Shvidenko Anatoly、Hashimoto Shoji、Lerink Bas、Schepaschenko Dmitry、Castanho Andrea、Murdiyarso Daniel
  • Journal Title: Nature Volume: 631 Issue: 8021 Pages: 563-569
  • DOI: 10.1038/s41586-024-07602-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global burned area increasingly explained by climate change (2024)
  • Author(s): Burton Chantelle、Lampe Seppe、Kelley Douglas I.、Thiery Wim、Hantson Stijn、Christidis Nikos、Gudmundsson Lukas、Forrest Matthew、Burke Eleanor、Chang Jinfeng、Huang Huilin、Ito Akihiko、Kou-Giesbrecht Sian、Lasslop Gitta、Li Wei、Nieradzik Lars、Li Fang、Chen Yang、Randerson James、Reyer Christopher P. O. et al.
  • Journal Title: Nature Climate Change Volume: 14 Issue: 11 Pages: 1186-1192
  • DOI: 10.1038/s41558-024-02140-w
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen (2024)
  • Author(s): Gong Cheng、Tian Hanqin、Liao Hong、Pan Naiqing、Pan Shufen、Ito Akihiko、Jain Atul K.、Kou-Giesbrecht Sian、Joos Fortunat、Sun Qing、Shi Hao、Vuichard Nicolas、Zhu Qing、Peng Changhui、Maggi Federico、Tang Fiona H. M.、Zaehle S?nke
  • Journal Title: Nature Volume: 632 Issue: 8025 Pages: 557-563
  • DOI: 10.1038/s41586-024-07714-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergent constraints on future Amazon climate change-induced carbon loss using past global warming trends (2024)
  • Author(s): Melnikova Irina、Yokohata Tokuta、Ito Akihiko、Nishina Kazuya、Tachiiri Kaoru、Shiogama Hideo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 7623-7623
  • DOI: 10.1038/s41467-024-51474-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global termite methane emissions have been affected by climate and land-use changes (2023)
  • Author(s): Ito Akihiko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 17195-17195
  • DOI: 10.1038/s41598-023-44529-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temporal Variation and Hysteresis of Soil Respiration and Sap Flow of Pinus densiflora in a Cool Temperate Forest, Japan (2022)
  • Author(s): Adachi Minaco、Hobara Yudai、Saitoh Taku M.、Hirota Mitsuru
  • Journal Title: Forests Volume: 13 Issue: 11 Pages: 1833-1833
  • DOI: 10.3390/f13111833
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 地球システムモデリングにおける炭素循環過程の検証と発展 (2021)
  • Author(s): 羽島知洋、伊藤昭彦、野口真希
  • Journal Title: 地球環境 Volume: 26 Pages: 101-110
  • Open Access
• [Presentation] 気候変動と土地利用を考慮したシロアリによるメタン放出のグローバルな推定 (2024)
  • Author(s): 伊藤昭彦
  • Organizer: 日本生態学会第71回全国大会
• [Presentation] Bottom-up evaluation of global surface N2O budget, 1970-2022 (2023)
  • Author(s): Akihiko Ito
  • Organizer: iLEAPS-Japan Workshop
• [Presentation] 変動環境下での森林計画に向けた生態系モデルへの森林管理の組み込み (2023)
  • Author(s): 伊藤昭彦
  • Organizer: 第135回日本森林学会大会
• [Presentation] Ammonia volatilization simulated by global biogeochemical models (2022)
  • Author(s): 伊藤昭彦
  • Organizer: iLEAPS-Japan2022 研究集会
• [Presentation] Soil carbon dynamics simulated by CMIP6-LUMIP models (2022)
  • Author(s): Akihiko Ito
  • Organizer: LUMIP mini-workshop
• [Presentation] 統合生物圏科学に向けたデジタルバイオスフェアの開発 (2022)
  • Author(s): 伊藤昭彦
  • Organizer: 日本生態学会第69回大会 シンポジウムS13
• [Remarks] デジタルバイオスフェア：地球環境を守るための統合生物圏科学
  • URL: https://digital-biosphere.jp/
• [Remarks] 学術変革領域 デジタルバイオスフェア：地球環境を守るための統合生物圏科学
  • URL: https://digital-biosphere.jp/