中山 忠暢

　アジア地域では様々な人間活動に伴って環境資源が急激に枯渇・劣化・悪化してきており、生態系機能を定量的に評価・予測し持続的発展のための科学的根拠に基づいた政策提言を行うことは非常に重要である。このため、大気・森林・農地・都市・河川・湖沼・地下水・海域等の生態系から構成される環境資源データベースとのインターフェイスを持つ統合型水・物質・エネルギー循環モデルの開発・適用は非常に強力なツールとなりうる。私はこれまでに、東アジア地域の小規模から大規模スケールまでの様々な流域を対象として、地上観測・GISデータ・衛星データ・分布型プロセスモデル(NICE: National Integrated Catchment-based Eco-hydrology model)の統合による水・熱・物質循環の変化に伴う生態系機能の変化を評価・予測する手法の開発を行ってきた。
　NICEモデルは、異なる植生から構成される自然地モデル・主要作物や灌漑を含む農業生産モデル・管路網や都市構造物を含む都市モデル・ダムモデル・河道流モデル・地下水モデル・物質（土砂・炭素・窒素・リンなど）循環モデル・植生遷移モデル・局所大気モデル等、様々なサブモデルから構成される。現在、私は日本全国の一級河川流域(109水系)及び全球を対象に、NICEのプラスチック動態モデルへの新たな拡張を進めている。NICEは首都圏・霞ヶ浦・釧路湿原などの日本国内のみならず、長江・黄河・メコン川・シベリア湿原・モンゴル、更に近年は全球にスケールアップして、様々な流域の水物質循環及び生態系評価に用いられてきている。
　今後の研究として、植生増殖モデル・都市生産モデルの開発、及び、陸域モデル・大気モデル・海洋モデルの結合によるスケールアップ・スケールダウン相互からの流域生態系の水・熱・物質循環プロセスの解明(乱流モデルとの結合を含む)を予定している。特に、アジア地域では、都市域が流域の水・熱・物質循環に及ぼす影響は年々大きくなっているため環境と共存・調和した経済発展を目指す必要があり、技術・政策インベントリ及びシナリオと結合したモデルシミュレーションによる評価・予測を行う予定である。
　なお、NICEモデルの詳細については下記をご参照頂きたい。

CGER'S SUPERCOMPUTER MONOGRAGH REPORT Vol.11 (Part I)
-NICEの基礎方程式について(釧路川流域・華北平原)-
　 http://www.cger.nies.go.jp/publications/report/i063/I063
　Part Iでは表面流−地下水間での相互作用を含むオリジナルNICE、及び農業生産モデルとの結合NICE-AGRについてまとめている。
Nakayama, T., Watanabe, M. 2004. Simulation of drying phenomena associated with vegetation change caused by invasion of alder (Alnus japonica) in Kushiro Mire. Water Resour. Res. 40(8), W08402.
Nakayama, T., Watanabe, M. 2006. Simulation of spring snowmelt runoff by considering micro-topography and phase changes in soil layer. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 3, 2101-2144.
Nakayama, T., et al. 2006. Simulation of groundwater dynamics in North China Plain by coupled hydrology and agricultural models. Hydrolol. Process. 20(16), 3441-3466.
国立環境研究所ニュース23巻3号
-流域生態系のモデル化によるシミュレーション〜釧路湿原生態系の回復可能性評価〜-
　 http://www.nies.go.jp/kanko/news/23/23-3/23-3-03.html
　下記の書籍も参考になる。
Nakayama, T. 2009. Simulation of Ecosystem Degradation and its Application for Effective Policy-Making in Regional Scale. In River Pollution Research Progress, Mattia N. Gallo and Marco H. Ferrari (eds), Nova Science Publishers, Inc., pp.1-89 (Chapter 1).

CGER'S SUPERCOMPUTER MONOGRAGH REPORT Vol.14 (Part II)
-自然共生・都市再生に向けたNICEのシミュレーション(霞ヶ浦・関東平野・釧路湿原)-
　 http://www.cger.nies.go.jp/publications/report/i083/i083
　Part IIでは湖沼モデルとの結合NICE-LAKE、物質輸送モデルとの結合NICE-MASS、植生遷移モデルとの結合NICE-VEGについてまとめている。
Nakayama, T., et al. 2007. Effect of underground urban structures on eutrophic coastal environment. Sci. Total Environ. 373(1), 270-288.
Nakayama, T. 2008a. Factors controlling vegetation succession in Kushiro Mire. Ecol. Model. 215, 225-236.
Nakayama, T. 2008b. Shrinkage of shrub forest and recovery of mire ecosystem by river restoration in northern Japan. Forest Ecol. Manag. 256, 1927-1938.
Nakayama, T., Watanabe, M. 2008a. Missing role of groundwater in water and nutrient cycles in the shallow eutrophic Lake Kasumigaura, Japan. Hydrol. Process. 22, 1150-1172.
Nakayama, T. 2010. Simulation of hydrologic and geomorphic changes affecting a shrinking mire. River Res. Applic. 26(3), 305-321.
Nakayama, T. 2012a. Feedback and regime shift of mire ecosystem in northern Japan. Hydrol. Process. 26(16), 2455-2469.
Nakayama, T. 2013. For improvement in understanding eco-hydrological processes in mire. Ecohydrol. Hydrobiol. 13, 62-72.
　下記の書籍も参考になる。
Nakayama, T. 2014. Hydrology–ecology interactions. In Handbook of Engineering Hydrology - Vol. 1: Fundamentals and Applications, Saeid Eslamian (ed), Taylor and Francis, pp.329-344 (Chapter 16).

CGER'S SUPERCOMPUTER MONOGRAGH REPORT Vol.18 (Part III)
-アジアの都市域へのNICEの適用事例(華北平原及び黄河下流域・大連市・首都圏)-
　 http://www.cger.nies.go.jp/publications/report/i103/ja/
　Part IIIでは都市キャノピー及び局所大気モデルとの結合NICE-URBANについてまとめている。
Nakayama, T., Fujita, T. 2010. Cooling effect of water-holding pavements made of new materials on water and heat budgets in urban areas. Landscape Urban Plan. 96, 57-67.
Nakayama, T., et al. 2010. Simulation of water resource and its relation to urban activity in Dalian City, Northern China. Global Planet. Change 73, 172-185.
Nakayama, T. 2011a. Simulation of complicated and diverse water system accompanied by human intervention in the North China Plain. Hydrol. Process. 25, 2679-2693.
Nakayama, T., Hashimoto, S. 2011. Analysis of the ability of water resources to reduce the urban heat island in the Tokyo megalopolis. Environ. Pollut. 159, 2164-2173.
Nakayama, T. 2012b. Visualization of missing role of hydrothermal interactions in Japanese megalopolis for win-win solution. Water Sci. Technol. 66(2), 409-414.
Nakayama, T., et al. 2012. Multi-scaled analysis of hydrothermal dynamics in Japanese megalopolis by using integrated approach. Hydrol. Process. 26(16), 2431-2444.
Nakayama, T. 2011. Chemical Engineering of Japan, 75, 789-791 (in Japanese).
Nakayama, T. 2011. Chemical Information and Computer Sciences, 29(4), 63-65 (in Japanese).

CGER'S SUPERCOMPUTER MONOGRAGH REPORT Vol.20 (Part IV)
-中国の長江・黄河流域を含む大陸スケールへ適用事例-
　 http://www.cger.nies.go.jp/publications/report/i114/ja/
　Part IVではNICEの長江・黄河流域への展開、及び三峡ダム及び南水北調プロジェクトに伴う生態系変化予測についてまとめている。
Nakayama, T., Watanabe, M. 2008b. Role of flood storage ability of lakes in the Changjiang River catchment. Global Planet. Change 63, 9-22.
Nakayama, T. 2011b. Simulation of the effect of irrigation on the hydrologic cycle in the highly cultivated Yellow River Basin. Agr. Forest Meteorol. 151, 314-327.
Nakayama, T. 2012c. Impact of anthropogenic activity on eco-hydrological process in continental scales. Proc. Environ. Sci. 13, 87-94.
Nakayama, T., Shankman, D. 2013a. Impact of the Three-Gorges Dam and water transfer project on Changjiang floods. Global Planet. Change 100, 38-50.
Nakayama, T., Shankman, D. 2013b. Evaluation of uneven water resource and relation between anthropogenic water withdrawal and ecosystem degradation in Changjiang and Yellow River basins. Hydrol. Process. 27(23), 3350-3362.
地球環境研究センターニュース24巻9号
-長江・黄河流域における水資源の不均衡及び灌漑と生態系劣化の関連性の評価-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201312/277007.html
　下記の書籍も参考になる。
Nakayama, T. 2015. Integrated assessment system using process-based eco-hydrology model for adaptation strategy and effective water resources management. In Remote Sensing of the Terrestrial Water Cycle (Geophysical Monograph Series 206), Venkat Lakshmi (ed), pp.521-535 (Chapter 33), doi:10.1002/9781118872086.ch33, AGU.

上記のNICEの長江・黄河流域への適用の拡張として、モデル方程式に座標変換を組み込むことによって、高緯度地域やより大領域スケールへの適用が可能になった。また、NICEをインバースモデルと結合することにより、人為活動に伴うインベントリの精緻化を試みている。この改良版NICEをシベリア湿原・モンゴル・メコン川流域などへ適用することによって、湿潤域と乾燥域、低緯度と高緯度域での水循環の相違の検討を行っている。
Nakayama, T., Maksyutov, S. 2018. Application of process-based eco-hydrological model to broader northern Eurasia wetlands through coordinate transformation. Ecohydrol. Hydrobiol. 18, 269-277.
Nakayama, T., et al. 2021a. Evaluation of spatio-temporal variations in water availability using a process-based eco-hydrology model in arid and semi-arid regions of Mongolia. Ecol. Model. 440, 109404.
Nakayama, T., et al. 2021b. Sensitivity analysis and parameter estimation of anthropogenic water uses for quantifying relation between groundwater overuse and water stress in Mongolia. Ecohydrol. Hydrobiol. 21(3), 490-500.
地球環境研究センターニュース32巻1号
-モンゴルの乾燥・半乾燥域での人為活動が水資源の改変に及ぼす影響評価-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/202104/365005.html
国立環境研究所研究プロジェクト報告, 第139号, pp.16-31
-水資源量に基づく乾燥・半乾燥牧草地の利用可能量とその脆弱性の評価-
　 https://www.nies.go.jp/kanko/tokubetu/setsumei/sr-139-2021b.html
環境儀83号
-草原との共生を目指して モンゴルにおける牧草地の脆弱性評価-
　 https://www.nies.go.jp/kanko/kankyogi/83/02-03.html
　 https://www.youtube.com/watch?v=idby7Diuluw

CGER'S SUPERCOMPUTER MONOGRAGH REPORT Vol.26 (Part V)
-NICEと炭素循環モデルの結合による全球炭素循環の高度化-
　 http://www.cger.nies.go.jp/publications/report/i148/ja/
　近年、NICEと既存の複数の物質循環モデルを有機的に結合することで陸域−水域間での炭素動態及び栄養塩との相互作用を内包する新たなモデルNICE-BGCを世界に先駆けて開発している。NICE-BGCを用いることによって、既存研究ではほとんど考慮されてこなかった水域を通した炭素循環の新たな解明、及び既存の炭素収支モデルや研究結果との比較を通した全球炭素循環の高度化を行っている。今後、NICEとNICE-BGCを統合的に用いることによって、人為活動や気候変動に伴う陸域−水域間の連続性を考慮した流域生態系の再評価を行う予定である。
Nakayama, T. 2016. New perspective for eco-hydrology model to constrain missing role of inland waters on boundless biogeochemical cycle in terrestrial-aquatic continuum. Ecohydrol. Hydrobiol. 16, 138-148.
Nakayama, T. 2017a. Development of an advanced eco-hydrologic and biogeochemical coupling model aimed at clarifying the missing role of inland water in the global biogeochemical cycle. J. Geophys. Res. Biogeosci. 122, 966-988.
Nakayama, T. 2017b. Scaled-dependence and seasonal variations of carbon cycle through development of an advanced eco-hydrologic and biogeochemical coupling model. Ecol. Model. 356, 151-161.
Nakayama, T. 2017c. Biogeochemical contrast between different latitudes and the effect of human activity on spatio-temporal carbon cycle change in Asian river systems. Biogeosciences Discuss., doi:10.5194/bg-2017-447.
Nakayama, T., Pelletier, G.J. 2018. Impact of global major reservoirs on carbon cycle changes by using an advanced eco-hydrologic and biogeochemical coupling model. Ecol. Model. 387, 172-186.
Nakayama, T. 2018. Journal of Groundwater Hydrology, 60(2), 143-156 (in Japanese).
Nakayama, T. 2020. Inter-annual simulation of global carbon cycle variations in a terrestrial-aquatic continuum. Hydrol. Process. 34, 662-678.

Nakayama, T. 2022. Impact of anthropogenic disturbances on carbon cycle changes in terrestrial-aquatic-estuarine continuum by using an advanced process-based model. Hydrol. Process. 36(2), e14471.
地球環境研究センターニュース28巻5号
-新たな統合型水文生態系−生物地球化学結合モデルの開発：その１〜陸水が全球炭素循環に及ぼす影響の再評価〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201708/320010.html
地球環境研究センターニュース28巻5号
-新たな統合型水文生態系−生物地球化学結合モデルの開発：その２〜陸水を通した炭素循環のスケール依存性及び季節変化の評価〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201708/320011.html
地球環境研究センターニュース29巻10号
-新たな統合型水文生態系−生物地球化学結合モデルの開発：その３〜ダムが陸水を通した全球炭素循環の変化に及ぼす影響の評価〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201901/337009.html
地球環境研究センターニュース31巻1号
-新たな統合型水文生態系−生物地球化学結合モデルの開発：その４〜陸域−陸水間の連続性を考慮した炭素循環の経年変化の評価〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/202004/352008.html
　下記の書籍も参考になる。
Nakayama, T. 2021. Recent progress of an advanced eco-hydrologic and biogeochemical coupling model to quantify biogeochemical cycle in inland water. In Handbook of Water Harvesting and Conservation, Saeid Eslamian (ed), John Wiley & Sons, Inc.

プラスチックによる環境汚染は、過去数十年間、科学者、政策立案者、および一般の人々から大きな注目を集めてきた。最近、NICEをプラスチック動態モデルと結合することによって、劣化・沈殿・巻き上げなどを考慮した新たなプラスチック環境流出モデルを構築した。同モデルを用いることによって、不適切に管理されたプラスチック廃棄物 (MPW) 及び点源 (タイヤ、パーソナルケア製品、ほこり、洗濯物) がマクロおよびマイクロプラスチックの時空間的な動態に及ぼす影響を地域スケール(全国一級河川流域：109水系)及び大陸・全球スケールで評価した。近年プラスチック資源循環戦略において海洋プラスチックごみの排出抑制に関する政策の目標が示されており、本成果は環境排出後の陸域から河川等を通じて海洋に至る挙動を評価する方法の確立に大きく貢献するものと思われる。

Nakayama, T., Osako, M. 2023a. Development of a process-based eco-hydrology model for evaluating the spatio-temporal dynamics of macro- and micro-plastics for the whole of Japan. Ecol. Model. 476, 110243.

Nakayama, T., Osako, M. 2023b. The flux and fate of plastic in the world's major rivers: Modeling spatial and temporal variability. Global Planet. Change, 221, 104037.

地球環境研究センターニュース22巻8号
-これからの生態系モデルには何が必要なのか？-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201111/252005.html
地球環境研究センターニュース23巻1号
-水循環解明のためのリモートセンシングの有効活用に向けて-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201204/257002.html
地球環境研究センターニュース25巻8号
-水資源の観点からの湿原の役割について〜ドナウ・デルタの事例〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201411/288004.html
地球環境研究センターニュース27巻5号
-生態系モデルの新たな進展について〜この5年間を振り返って〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/201608/308001.html
地球環境研究センターニュース30巻12号
-シミュレーションによって見えてくる水の流れ〜生態系モデルのグローバルな適用に向けて〜-
　 http://www.cger.nies.go.jp/cgernews/202003/351005.html