概要
バレンシア大学が運営するバレンシアアンカーステーション（VAS）は、ヨーロッパで最も重要な地球観測（EO）検証サイトの一つです。スペインのバレンシアから北西約80km、ラ・プラナ・デ・ウティエル＝レケナ地域に位置するこのサイトは、2002年以来、衛星製品の検証活動を支援してきました。
VASは、農業システムにおける炭素および水フラックスの測定能力を強化するため、2013年にキャンベル・サイエンティフィック社のIRGASON™オープンパス渦相関（EC）システムを導入し、インフラをアップグレードしました。この追加により、ブドウ園生態系におけるCO₂、水蒸気、および地表面エネルギーフラックスを高精度で連続的に測定することが可能になりました。
現在、1km四方の実験用ブドウ園には、固定式および移動式のシステムが堅牢に設置されており、衛星ミッションや高度なモデリング研究のための包括的な地上検証プラットフォームを提供しています。
課題
VASは、以下を含む複数の国際衛星ミッションの検証活動をサポートしています。
- NASA CERES
- EUMETSAT/ESA GERB
- ESA/JAXA EarthCARE
- ESA SMOS
- NASA SMAP
- コペルニクス・センチネル3号
- EUMETSAT MetOp
- GNSS反射率測定ミッション
これらのシステムを検証するためには、研究者は地表放射成分、土壌水分、光合成有効放射吸収率（FAPAR）、葉面積指数（LAI）、葉のクロロフィルおよび窒素含有量、CO₂および水蒸気フラックスを正確に測定する必要があります。
当該地の主要な土地被覆である、アーモンドとオリーブの木が植えられたブドウ畑では、景観全体にわたる代表的なフラックスデータを得るために、精密な微気象観測が必要となります。
主な技術的課題は以下のとおりです。
- 適切な取得と代表性を確保する
- 乱流センサー周辺の流体歪みを最小限に抑える
- EC測定値と放射線および土壌データを統合する
- 運用監視と高度な研究の両方を支援する
解決策
VASは、CO₂フラックス、水蒸気フラックス、顕熱、潜熱（蒸発散）、および地表面エネルギー収支成分を測定するために、Campbell Scientific社のIRGASONオープンパスECシステムを設置しました。
システムの設置は、Campbell Scientific社のガイダンスに従い、乱流センサーを卓越風向に合わせることで流れの歪みを最小限に抑えるように行われました。風配図解析により卓越風が西風であることが確認され、ECシステムはそれに合わせて調整されました。
この包括的な計測機器によって、ブドウ畑規模の地表大気交換観測所が完成しました。
実装
IRGASONシステムは、計測機器が完全に設置された1km²のブドウ畑区画内に導入されました。その敷地には以下のものが含まれます。
- ECシステムを備えた中央フラックスタワー
- 複数のFAPARフラックス観測所
- 放射線センサー
- 土壌測定ステーション
- 野外調査用の移動式計測機器
この設備は、実践的なトレーニングプラットフォームとしても機能しました。上級学部生の物理学専攻の学生たちが、設置作業と初期データ収集に参加し、実際の微気象観測に基づいた質の高い研究論文を作成しました。
結果
炭素と水の流れに関する理解の向上
連続EC測定により以下のことが明らかになりました。
- ブドウの樹冠が発達するにつれて、夏の水蒸気フラックスが増加する。
- 生育最盛期におけるCO₂隔離量の増加
- 詳細な週ごとの地表面エネルギー収支の変動
エネルギー収支分析により、放射入力と乱流フラックスの間に強い相関関係があることが示され、蒸発散量とブドウ畑の炭素吸収量を完全に特徴づけることが可能になりました。
機械学習の統合
高品質なECデータセットは、先駆的な機械学習（ML）研究を可能にしました。
- 顕熱、蒸発散量、およびCO₂フラックスを予測するために、9つの機械学習モデルが評価された。
- 放射成分が最も重要な予測変数として特定された。
- モデルは、従来型の気象データのみを用いて、ECフラックスのシミュレーションに成功した。
この研究はブドウ畑の現場にとどまらず、28の観測地点からの統合炭素観測システム（ICOS）データを用いたヨーロッパ規模の研究へと発展し、ハイブリッド機械学習と深層学習モデルを用いて大気中のCO₂濃度を1年先まで予測できることを実証しました。
利点
- 衛星検証のための高精度な地上真値： IRGASON ECシステムは、複数の国際衛星ミッションの検証を強化する、研究グレードの連続的なフラックス測定値を提供します。
- ブドウ園規模の代表的な測定： 最適化されたマストの高さと卓越風の向きにより、1 km²のブドウ園エリア全体で信頼性の高い流量代表性が確保されます。
- 統合エネルギー収支モニタリング： 放射、土壌、乱流フラックスの同時測定により、地表面のエネルギー収支を完全に評価できます。
- 高度なモデリングのためのスケーラブルなデータ： 高頻度のECデータは、地域規模と大陸規模の両方で、機械学習、深層学習、および予測アプリケーションをサポートします。
- 長期的な研究インフラ： 2013年以来、ECシステムは査読付き研究や国際協力の基盤となる、安定した継続的な測定データを提供してきました。
- 教育と人材育成： このシステムは、物理学と環境科学の学生に実践的な経験を提供し、高性能な研究機器が学術的な訓練環境で効果的に機能することを実証します。
なぜCampbell Scientificを選ぶのか？
Campbell Scientific社の計測機器は以下の機能を提供します。
- 統合されたEC測定機能
- 実証済みの乱流測定精度
- 堅牢な野外耐久性
- 構成可能なデータ収集システム
- ベストプラクティスEC導入基準との整合性
Campbell Scientific社は、高精度センサーと現場ですぐに使用できる設計を組み合わせることで、VASが衛星検証サイトから高度な炭素フラックスおよび機械学習研究拠点へと発展することを可能にしました。
結論
Campbell Scientific社のIRGASON ECシステムの導入により、VASの科学的能力は大幅に向上しました。このシステムは、衛星検証、ブドウ畑の炭素モニタリング、そして最先端の機械学習研究を支援する、信頼性の高い高品質なフラックス測定値を提供します。
今日、VASは、地上設置型の統合計測機器がいかに地球観測科学を強化するかを示すモデルとして位置づけられており、現場測定、衛星データ、予測分析を統合された研究プラットフォームに結びつけています。