土壌の含水量は地域の気候に大きな影響を及ぼしますが、その関連性の多くはまだ明らかになっていません。ETHチューリッヒの大気・気候科学研究所の研究者たちは、ベルギーとオランダの同僚とともに、夏の午後に雨が最も頻繁に降るのはいつ、どこなのかを調べました。土壌が乾燥している日と湿っている日では、どちらのほうが雨が多いのか、また、そうした日に具体的にどこで雨が降りやすいのかを明らかにすることが目的でした。研究のきっかけとなったのは、他の科学者による相反する知見です。土壌水分が多い日に特に午後の降水が観測されると報告した研究者がいる一方で、反対の結論に至った研究者もいました。周辺地域と比べて土壌が最も乾燥した場所で雨が降るというのです。
今回の新たな研究は、こうした点をある程度明らかにしました。「平均すると、土壌水分が多い日に最も雨が降ります」と、筆頭著者のベノワ・ギヨは説明します。彼はソニア・セネヴィラトネ教授（陸域・気候ダイナミクス）の研究グループで博士論文の一環として研究を主導し、現在はオックスフォード大学で研究しています。「しかし、降水量が最も多いのは、最も乾燥した小地域の上空です」。この現象は次のように説明できます。日中、太陽が地表を暖めると、湖、川、海、そして地面に含まれる水が蒸発します。水蒸気は一日を通して上昇し、より冷たい空気層に達すると凝結します。そして雨が降り始めます。土壌の水分量は、特に海岸から離れた地域で決定的な役割を果たします。土壌の水分が多いほど蒸発できる水の量が増え、降水の可能性も高まります。
では、具体的にどこで雨が降るのでしょうか。湿潤な地域の中では、土壌水分の少ない場所で最も暖かい空気が生まれます。その空気によって水蒸気はより高くまで上昇でき、より冷たい空気層に最も早く達します。その結果、こうした場所で最も頻繁に雨が降ります。
土壌水分の研究はまだ不十分
この結論に至るには、科学者たちは膨大なデータを調べる必要がありました。土壌水分は重要な気候要因ですが、世界規模の情報は不足しています。これまで、スイスはこの分野を先導する数少ない国の一つでした。大気・気候科学研究所が始めた観測網は、2008年から運用されています。Agroscope Reckenholz-TänikonおよびMeteoSwissとともに、ETHは SwissSMEX プロジェクトの一環として、スイス各地の19か所に土壌センサーを設置しました。さまざまな深さで土壌温度と水分量を記録しています。
これほど詳細な測定は、世界的にもまれです。この研究では、科学者たちは衛星データに頼らざるを得ませんでした。衛星データから得られるのは、地表から深さ2～3センチメートルまでの水分に関する情報です。しかし、水の蒸発を正確に調べるには、地表のデータだけでは不十分でした。植物は根から土壌の深いところにある水を吸収して上へ運ぶため、多くの水は植生を通じて蒸発します。科学者たちは深さ1メートルまでの土壌水分を推定するため、降水量と表層土壌水分のデータに加え、放射と気温に関する情報も利用しました。
10万件を超える降雨事象を分析
「地表に格子を設定し、アルゴリズムを使って2002年から2011年までの10万件を超える個々の降雨事象を特定し、それらの事象が起きる前の土壌水分を分析しました」とギヨは説明します。これまでの研究は、雨がどこで降るかという空間的側面か、いつ降るかという時間的側面のどちらかに限られていました。「土壌水分と降水量の時間的・空間的な相関関係を総合的に示したのは、私たちの研究が初めてです」とギヨは述べています。
それでも彼は、早急な結論を出さないよう警告します。「この過程は複雑であるため、降雨がいつ正確に起きるのかという問いには、まだ完全な答えが出ていません」。今後、より高性能なコンピューター、詳細なシミュレーション、モデル実験によって、降雨事象が土壌水分や大気の過程からどの程度影響を受けるのかについて、さらに答えが得られるはずです。
こうした問いへの答えは、将来、他の気候過程をよりよく理解する助けになるかもしれません。「たとえば、土壌水分と植物の成長の相互作用について、さらに知見を得られる可能性があります」とセネヴィラトネは説明します。こうした情報は、たとえば農業における大規模な灌漑システムの影響を研究する基礎となるかもしれません。また、植林や灌漑によって乾燥地域の拡大を抑えられるかどうかを明らかにする可能性もあります。
本記事は ETHチューリッヒとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：インケン・デ・ウィトはETHチューリッヒのために執筆しています。
画像：カンザス州ハドソンのキビラ国立野生生物保護区にある乾いた池の一つの上に虹が現れる。ロイター／ジェフ・タトル
