GCOM-C Net Primary Production productAlgorithm Theoretical Basis Document (ATBD)

Version 11.09

Kazutaka Murakami, Takahiro Sasai and Kenlo Nishida Nasahara

GCOM PI#102

2011.09.30.

Version policy: 2 digits for year and 2 digits for month, separated by a dot. For example, ver. 11.09 means it was completed on September (month 09), 2011

Algorithm Outline

　本アルゴリズムは、

- GPP （総一次生産量; 毎月）

- NPP (純一次生産量; 毎月)

- NEP (純生態系生産量; 毎月)

の推定を行う。しかし、標準もしくは研究プロダクトとされているのは、NPP のみである。

　本アルゴリズムの背景、理論、検証は、Sasai et al. (2005, 2007, 2011)に詳細が書かれているた

め、ここではアルゴリズムの構造について記す。

Algorithm Description

　本アルゴリズムは、現時点で日本領域 1km メッシュ版である。

1. 入力データ

　入力データは、気候データ、衛星データ、土地被覆データの 3 種類あり、気候データ及び、衛

星データは、時間変化する。入力データのモデル解像度を合わせるために、前処理を行ない、同

時に品質検査を行なっている。詳しくは、Sasai et al. (2005, 2007, 2011)を参照のこと。

1.1. 気候データ

　気温データは、 National Center for Environmental Prediction and National Center for

Atmospheric Research (NCEP/NCAR) re-analysis dataset と、WORLDCLIM data version 1.4

(Hijmans et al., 2005)を用いた。風速は、NCEP/NCAR re-analysis dataset、大気 CO2 濃度は

Mauna Loai での観測値 (Atmospheric CO2 values (ppmv) derived from in situ air samples collected at Mauna Loa, Hawaii, USA provided by the CDIAC Web site (Keeling et al., 1995;

Keeling et al., 2009)) を用いた。

1.2. 衛星データ

　地表面温度は、MOD11A2 と MYD11A2 (Terra and Aqua/MODIS Land Surface

Temperature/Emissivity 8-Day L3 Global 1 km) (Wan et al., 2002)を用いた。FPAR と LAI は、

MOD15A2 と MYD15A2 (Terra and Aqua/MODIS Leaf Area Index/fPAR 8-Day L4 Global 1 km)

(Myneni et al., 1997, 2002) を用いた。Albedo は MOD43B3 (Terra/MODIS Albedo 16-Day L3

Global 1 km) (Liang et al., 2002; Lucht & Lewis, 2000) 、Incoming solar radiation は MODIS PAR product (PAR dataset derived from Terra/MODIS reflectance product (MOD02)) (Nasahara,

2009)、Relative humidity は MODIS VPD product (VPD dataset derived from the MODIS LST

product (MOD11 and MYD11)) (Hashimoto et al., 2008) 、Precipitation は TRMM/3B43 (TRMM

rainfall product 3B43) と WORLDCLIM (WORLDCLIM data version 1.4 (Hijmans et al., 2005)) を

用いた。

1.3. 土地被覆及び標高に関するデータ

　標高は Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 30 arc-seconds Digital Elevation Model

(DEM) dataset (Farr et al., 2007)、Soil texture は IGBP-DIS (International Geosphere-Biosphere

Programme (IGBP) - Data and Information System (DIS) soil dataset) 、Land cover map はMOD12Q1 (MODIS Land Cover Type 96-Day L3 Global 1 km (Friedl et al., 2010; Strahler et al.,

1999)) を用いた。

2. アルゴリズムについて

2.1. ソースコード

　陸域生態系モデル (BEAMS) のソースコードは、C 言語によって記述されている。コンパイラー

には、Intel C++ Compiler が用いられ、OpenMP により並列化が処理が行われる。gcc でもコンパ

イル可能であるが、計算時間が倍以上になるため Intel Compiler を推奨する。アルゴリズムのディ

レクトリ構造は下記の通りである。

- BEAMS/

- beams.sh

- bin/ ディレクトリ (変更可)：実行ファイル

- src/ ディレクトリ (変更可)：ソースコード

- Makefile

- main.c

- land_cycle.c

- data_path_malloc.c

- input_read.c

- initialize_para.c

- ini_data_rw.c

- spinup.c

- soilw_afflux_submodel.c

- heat_afflux.c

- stress_submodel.c

- C3_photosynthesis.c

- C4_photosynthesis.c

- heat_efflux.c

- soilw_efflux_submodel.c

- gpp_submodel.c

- plantresp_submodel.c

- npp_submodel.c

- litterfall_submodel.c

- soil_decomposition_submodel.c

- output_read.c

- tool.c

- all_parameter.h

- data.h

- function.h

- in_out_data.h

- photosynthesis_para.h

- etc/ ディレクトリ (変更可)：設定ファイル

- data_path.ini

- default.ini

- ini_pool/ ディレクトリ (変更可)：初期値ファイル

- input/ ディレクトリ (変更可)：入力ファイル

- output/ ディレクトリ (変更可)：出力ファイル

beams.sh がメインアルゴリズムであり、これを実行することにより NPP 推定が行われる。

2.2. 入出力データの配置

　入力、出力データファイル、パラメータデータファイルを配置するディレクトリは、etc/data_path.ini

に記述する。それぞれの設定名は下記のとおりである。

- INITIAL_PATH 初期値ファイル

- INPUT_PATH 入力ファイル

次のデータは INPUT_PATH で指定されたディレクトリ以下のパスを記述する。

- land cover map 土地被覆図

- soil texture 土壌組成

- soil depth 土壌深

- elevation 標高

- C4 species ratio C4 植物の比率

- atmospheric CO2 concentration 大気 CO2濃度

- air temperature 気温

- precipitation 降水量

- humidity 相対湿度

- downward surface short wave radiation flux 下向き短波放射量

- wind speed 風速

- albedo 地表面アルベド - fpar Fraction of Photosynthesis Active Raditation - lai Leaf Area Index

- PARAMETER_PATH パラメータファイル

- OUTPUT_PATH 出力ファイル

2.3. アルゴリズムの実行

　本アルゴリズムは、beams.sh を実行することでコンパイルからモデル計算まですべて行われる。

解析期間や計算範囲、並列化数は、beams.sh に記述する。それぞれの設定名は下記のとおりで

ある。

- BEAMS_C 実行ファイルへのパス

- INIPATH_F データ配置記述ファイルへのパス

- BYR 解析開始年

- EYR 解析終了年

- SLINE 解析開始位置 (北緯 90°から何ライン解析するのかを指定)

- ELINE 解析終了位置

- OMP_NUM_THREADS 並列化数

　beams.sh を実行すると、次の手順で解析が進む。

1. モデルのコンパイル

2. インプットデータの読込

3. 解析開始年で spin-up

4. spin-up により計算された初期値を ini_pool/へ出力

5. 解析期間分の計算

6. 月毎に計算結果を出力

2.4. 出力データ

　出力データは、入力データに従った領域で月毎の Raw Binary 形式で output/以下に出力される。

NPP 以外にも、GPP や NEP 等の炭素フラックスや炭素貯蔵量も出力される。

3. 結果・検証

　結果・検証については、Sasai et al. (2005, 2007, 2011) に詳細を記す。

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