Observational study on nocturnal cooling in a complex of small valleys in the western margin of Kanto Plain during the winter 関東平野西縁部の小規模な谷地形における冬季の夜間冷却に関する観測的研究

Numerous studies have suggested that cooling intensity is stronger in a basin or valley than in a flat, open area, because the mountain ridges surrounding a basin or valley block the ambient wind and enhance nocturnal cooling by decreasing the turbulent exchange. In addition, air cooled radiatively at ground level on the surrounding mountain slopes flows into the basin or valley and produces a strong inversion layer at a lower elevation. However, previous studies of valleys in semi-mountainous areas have reported that in situ cooling and a wind-sheltering effect predominantly govern nocturnal cooling, and cold air flows play a less significant role. As a result, nocturnal cooling strength should be the same in a valley and on a nearby plain when the weather is clear and calm in both areas. The mechanism of nocturnal cooling in a basin or valley is well understood; however, little research has been reported regarding the equivalence of nocturnal cooling strength between a valley and its neighboring flat terrain. While numerous studies on nocturnal cooling have been carried out in basins or valleys in mountainous regions, research in semi-mountainous regions is limited to a few studies. We clarify the nocturnal cooling mechanism in a complex of small valleys in a semi-mountainous region near the western margin of the Kanto Plain, Japan. We measured temperature, wind, humidity, air pressure, and radiation continuously throughout each winter from 2007 to 2011, and on clear, calm days, we carried out intensive observations and thermal infrared image analyses. First, systematic changes in the strength of the seasonal wind associated with the life cycle of the winter pressure pattern (distribution of atmospheric pressure in which high pressure lies to the west and low pressure to the east) controlled nocturnal cooling in the study area. At the beginning and end of the winter pressure pattern phase, strong winds were restricted to the northern or eastern areas of Saitama Prefecture, and winds were weak near the base of the western Kanto Mountains, causing nighttime low temperatures to be more frequent in the valleys than on flat parts of the plain. In these situations, however, the wind-sheltering effect of the surrounding ridges played only a minor role in nocturnal cooling. When clear and calm conditions prevailed over the entire Kanto Plain, minimum temperatures in the valley bottom were at least 1 to 2℃ lower than those on the plain. Under these conditions, cold air flowing downslope contributed to nocturnal cooling in the valley in the early evening. Subsequently, this cold air current was weakened by the increasing stability associated with the formation of an inversion layer. As the inversion developed, atmospheric radiation was reduced, which promoted radiative cooling in the valley bottom. This radiative cooling was the dominant factor accounting for nocturnal cooling for the rest of the night. The contributions of atmospheric radiative cooling and advective cooling to the observed cooling of the air layer were approximately 60% and 30%, respectively. The contribution of atmospheric radiation reduction induced by the formation of a temperature inversion layer to atmospheric radiative cooling was about 30%. Previous studies of nocturnal cooling in small valleys in semi-mountainous areas have reported in situ cooling and a wind-sheltering effect to be the predominant factors governing nocturnal cooling, with cold air flows playing a less significant role. These studies, therefore, inferred that the nocturnal cooling strength would be equivalent in a valley and in a neighboring flat area when weather conditions were clear and calm in both areas. In this study, however, we found that cold air flow, as well as in situ cooling, contributed to nocturnal cooling in a valley. As a result, we observed temperatures in the valley that were lower than those in a neighboring flat area.

盆地や谷地形などの凹地状の土地では，周辺の丘陵や山地が一般風を遮ることにより静穏な状態が作られやすく，さらに凹地を取り囲む斜面上で冷えた空気が冷気流（斜面下降風）として斜面を下降し凹地底に堆積するため，平地に比べて夜間の気温低下量が大きくなることが指摘されている．しかしながら，中山間地域の谷地形の夜間冷却を扱った研究によると，平野に隣接する小規模な谷地形では，地上における放射冷却と谷を取り囲む山地による一般風の遮蔽効果が冷却を強める主な要因であり，冷気流の効果は小さいことが報告されている．すなわち，晴天静穏の条件下であれば，平野部と小規模谷地形における夜間の気温低下量は同程度となることになり，このことは盆地・谷地形においては平地よりも夜間の気温低下量が大きくなるという従来の研究結果と相反するものである．これまで山地域の盆地・谷地形における夜間冷却を対象とした研究は多いが，平野から山地に移り変わるような中山間地域の盆地・谷地形を対象とした研究はほとんどなく，そこでの冷却過程については未解明の部分が多い．以上をふまえ，中山間地域の盆地・谷地形における夜間冷却の要因とプロセスを明らかにすることを本研究の目的とする．本研究では，埼玉県西部の丘陵（岩殿丘陵）にある谷地形とその周辺地域（比企地域）を対象とし，2007年から2011年の冬季を中心とした継続的な気温・風・湿度・気圧・放射等の気象観測と晴天静穏日における集中観測，ならびに広域的な温度分布の把握に有効な熱赤外画像解析などを実施した．本論文は6章で構成されている．以下に概要を示す．第1章では，序論として研究の背景・目的と本論文の構成を述べた．第2章では，研究対象地域と気象観測の概要，ならびに熱赤外画像解析と熱収支解析の手法について述べた．第3章では，夜間冷却に対する地形条件および気象条件の影響について論じた．まず，地形条件に関し，谷底における風速の観測値は谷周囲の尾根頂上の風速と同程度ないしは2～3m/s強く，谷を取り囲む丘陵の尾根が一般風を遮蔽する効果は小さいことが示された．気象条件については，夜間冷却強度と気圧配置型および風速分布との関係に着目した．対象地域における夜間冷却強度の指標として谷底と尾根上の気温差から気温逆転強度を求め，2010年12月から2011年2月の一冬季を対象に，既往研究に基づく6類型の気圧配置との対応を調べた．その結果，対象地域の位置する埼玉県西部においては，移動性高気圧に覆われる日の他に，冬型気圧配置の初期および後期において北西季節風の弱風域となりやすく，このような条件から県内の他地域よりも冷え込む日が多いことが示された．一方で，冬型気圧配置の最盛期には，平野部の他地域と同様に強い季節風が吹くため逆転強度が小さく，冷却が抑制されることが明らかとなった．第4章では，対象地域に形成される逆転層の高さとその空間的な広がりを捉えるために，逆転層の上端高度に対応する斜面温暖帯に着目し，その分布をサーモグラフィとTerra/ASTER衛星による熱赤外画像を用いて調べた．晴天静穏夜間の熱画像によると，関東平野西部の山地斜面に温暖帯が帯状に広がっており，夜半前には逆転層が関東平野西部の縁辺地域一帯に形成されている様子が捉えられた．この温暖帯の山麓からの高度は約300mであり，従来の研究で報告された関東山地斜面における温暖帯の形成高度とおおよそ一致した．第5章では，晴天静穏条件下における谷地形内の夜間冷却プロセスについて論述した．谷内の夜間冷却量は標高の低い地域ほど大きくなった．谷すじにおける温位断面図によると，夜半前には等温位線が斜面に沿っており，明け方には斜面に交わる分布に変化した．また，風速と気温の観測結果から求めた冷気流の風速と発生頻度ならびに気温逆転強度の時間変化によると，冷気流風速は日の入り後1～2時間で最大となり（0.8m/s程度），その後，逆転層の発達に伴い谷内の安定度が増すと0.2～0.5m/sまで弱まった．これらの結果から，本研究の対象とした谷地形では，谷内に発生する冷気流が主に日の入りから数時間を中心として谷内の冷却に寄与するが，その後は平野スケールで発達する逆転層が谷全体を覆い，谷内の安定度を高めるため，冷気流の効果が抑制されることがわかった．気温・湿度・放射の観測値を用いて行った谷地形中央部における熱・放射収支解析によると，一晩の大気冷却の約60%が放射冷却によっており，谷内の冷気流による冷却は約30%であることが示された．この冷気流の寄与率は山間部の盆地あるいは山麓よりも20～60%程度小さい値である．さらに，広域的な逆転層の発達に伴い上空大気からの下向き大気放射が減少し，地上における放射冷却を促進する効果が，一晩の放射冷却の約30%に及ぶことが明らかとなった．以上のことから，本研究が対象とした関東平野縁辺部中山間地域の谷地形では，夜間前半における冷気流の効果が認められ，また広域的な逆転層形成に対応した放射冷却の促進によって，浅い谷地形であっても平地より夜間の気温低下量が大きくなることが明らかとなった．第6章では総括として，本論文より得られた知見をまとめるとともに，今後の課題および展望について述べた．

首都大学東京, 2013-09-30, 博士（理学）, 甲第418号