| 研究課題/領域番号 |
15K18128
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
小槻 峻司 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究機構, 特別研究員 (90729229)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | データ同化 / 作物収量推定 / 衛星観測 / 陸面過程モデル / パラメータ推定 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，アンサンブルデータ同化によってモデル計算と衛星観測を双利用した作物生育モニタリング，及び，力学的な広域作物収量予測が可能なシステム開発を目的とする．モデル計算・衛星データ解析による作物生育モニタリング手法を相補的に併用し，両手法の長所を利用できる点に大きな特徴がある．平成27年度は，(1) 統合陸面過程モデルSiBUCへのデータ同化アルゴリズムの実装，(2) モニタリングシステムの開発，を重点的に研究開発を行った．
作物収量モニタリング・将来予測計算には，作物生育を計算可能な統合陸面過程モデルSiBUC(Tanaka 2004)を用いる．本年度は，アンサンブルカルマンフィルタの1手法であるLETKFをSiBUCに実装し，動作検証を行った．衛星搭載センサMODISにより観測された地表面温度の同化実験を行い，予期した通りにモデルの推定値が観測に近付く良好な結果を得た．本研究の最大の特徴である，「モデル計算と衛星観測を双利用」できるシステムの土台が完成したといえる．
陸面モニタリングシステムについても着手した．サーバー上で定期的に入力データを自動データ取得・解析を行うようにアルゴリズムを実装し，モニタリング結果をHP上で随時更新している．2015年8月からテスト計算を開始し，2016年5月現在まで不具合なく作動することを確認した．併せて，地上観測Fluxデータとの比較・検証を行った (Kotsuki et al. 2015)．本研究の最終的な目的とする作物収量モニタリング・予測システムの基盤が完成したといえる．
上記に加えて，衛星観測データを用いた作物農事暦の推定手法を開発した (Kotsuki and Tanaka 2015)．作物農事暦は，世界各国での播種・収穫日の情報であり，次年度以降に行う，収量予測モデルのパラメータ推定実験の入力データとして利用される．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では，以下3点の研究開発を計画している．(1) 統合陸面過程モデルへのデータ同化アルゴリズムの実装，(2) 作物生育モデルのパラメータ推定と検証，(3) モニタリング及び将来予測計算の実施．平成27年度は，(1)と(3)について重点的に開発を進めた．総じて，概ね順調に推移している．
統合陸面過程モデルのデータ同化システムとしてSiBUC-LETKFを開発済みであり，その良好な動作を実証している．併せて，統合陸面過程モデルの入力となる地表面データを自動で作成するツールを作成し，次年度以降，世界の様々な地点・地域で実験を遂行可能な状況である．また，従事しているJAXA共同研究にて，同じデータ同化手法であるLETKFを用いたパラメータ推定アルゴリズムを開発した．このアルゴリズムは，全球大気モデルの物理パラメータを推定するものであるが，陸面過程モデルのパラメータ推定にも同様のシステムを利用可能である．次年度は，開発したパラメータ推定アルゴリズムとその知見を応用し，作物収量予測モデルのパラメータ推定を円滑に実施可能な状況にある．
陸面モニタリングシステム開発についても順調に遂行している．陸面過程モデル計算の入力データとなる気象強制力データを，データ提供期間のサーバーから自動的に入手してモデル計算を実施し，その結果をHP上で随時結果を更新している．このシステムは，2015年8月の開始から2016年5月現在まで不具合無く計算が実施されていることを確認している．現状は，過去の再解析データを入力としたモニタリング計算を行っているが，予報された気象強制力を入力にすることで，最終年度には収量予測計算まで実施される．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は，平成27年度に開発したSiBUC-LETKFを利用し，作物モデルのパラメータ推定・同化実験を進める．MODISにより提供される葉面積指数(LAI)や地表面温度データを同化し，日本内外の収量の年々変動を試みる．水稲以外の主要穀物である小麦・大豆・トウモロコシにもシステムを拡張する．本研究で用いる作物成育モデルは，水稲を対象に開発されたもので(Horie, 1995)，他作物への拡張が重要な課題となる．小麦・大豆は，稲と同様のC3作物であり，圃場レベルの先行研究を踏まえ，モデル内のパラメータ調整で対応する．特に，タイの稲作地域，オーストラリア小麦地帯，ロシア小麦地帯 について，重点的に取り組む方針である．
最終年度は，開発したシステムを実時間のモニタリング・将来予測計算へ展開する．第一段階として，気象庁の提供する過去の予測計算データを用いて解析を行い，実際に起こった作物生育不良が再現可能であるかを検証する．具体的には，2010年度のロシア干ばつや，2010年前後のオーストラリア干ばつを対象とする．第二段階として，実時間でのモニタリング・収量予測計算を実行する．最終的には，モニタリング・予測結果までをHP上で随時更新していく事を検討している．
研究の遂行に際しては，JAXA共同研究「EnKFを用いた全球数値天気予報モデルの降水量データ同化プロジェクト」の成果・知見も活用する．JAXA共同研究では，全球大気データ同化システムを用いた準リアルタイムデータ同化・予報をスコープに入れている．開発するシステムからの出力を，本課題においても積極的に利用し，相乗効果的に研究を遂行する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
請求時点の予定から，差額の生じた主要な理由は下記の通りである．
(1) タワー型データサーバーの購入計画の修正: 当初の予定では，初年度にタワー型データサーバーを購入し，二年次以降にハードディスクを増強していく予定であった．しかし，初年度の研究遂行に際して，当初の予定よりもデータ量を少なく実行する工夫に成功した．そのため，データサーバーについては，二年次に導入することとした． (2) 海外出張計画の修正: 2016年5月にアメリカで開催される，アンサンブルデータ同化に関係するワークショップに出席するために，平成27年度に予定していた海外出張・発表を行わないこととした． (3) 論文出版費の軽減: 比較的出版費用の低い，European Geosciences Union (欧州地球科学連合)の出版する雑誌HESSにて研究成果を発表したため，計画からの差額が生じた．
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| 次年度使用額の使用計画 |
データサーバー購入計画の修正によって生じた差額については，二年次に使用する．二年次以降の研究では，大規模なデータ領域を必要とする衛星データを活用した研究となるため，ハードディスクと併せたデータサーバーの購入を予定している．平成27年度に予定していた海外出張分の経費については，平成28年5月にアメリカ・ペンシルバニア州で開催されるアンサンブルカルマンフィルタ・ワークショップでの出張・発表の際に使用予定である．論文出版費用の差額により経費については，二年次以降の論文出版費用や，今後出版予定の論文のオープンアクセス化に使用する．
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