March，1995

農業環境技術研究所資料

　　　　　第16号

1993年夏期の北極域ツンドラ（Ala§ka，Barrow）の微気象データ

原薗芳信・吉本真由美・宮田　　明・内田洋平

　George　L．Vourlitis　and　Walter　C．Oeche1

　　　　　　　（環境資源部・気象管理科）

　　　　農林水産省

農業環境技術研究所　　　（平成7年3月）

農業環境技術研究所資料　第16号

審　査　会

会　長玉木佳男（所長）審査員原田二郎（企画調整部長）

11

〃

〃

〃

ノ1

ノ1

岡　田　齊　夫　（環境研究官）

齊藤利雄（総務部長）太　田　　　顕ズ環境管理部長）

蘭　　　道　生　（環境資源部長）

吉　野　嶺　一　（環境生物部長）

越野正義（資材動態部長）

農業環境技術研究所資料　第16号　　平成7年3月10日印刷　平成7年3月15日発行

発行農業環境技術研究所　〒305茨城県つくば市観音台3－1－！発行者所長玉木佳男

　　　　　　　　　電話0298－38－8186（情報資料課広報係）印刷佐藤印刷株式会社　〒310茨城県水戸市松ヶ丘2 323代表取締役佐藤隆男

薫灘鋸灘撫　、纏，羨、．，繊 麟鑑畿綴鰹1 謙難灘難

Photo．1　Bird’s－eye　view　of　the　coastal　Arctic　tundra　close　to　thawing（near　Barrow）．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　覧　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　偽　．誹乱

議灘灘灘鍵灘鐘灘を

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猛藁轟、「麟瓢藁藤、許

Photo．2　0ver　view　of　the　coastal　tundra　near　Point　Barrow　in　mid－summer．

Photo．3 Landscape　of　tundra　polygons　contiguous　to　the　measurement　point　of　the　IBP　site

in　mid－summer．

Photo．4　Setting　up　micrometeorological　sensors　and　data　lo99ers　at　the　IBP　site　in　mid－June．

Photo。5　The　same　as　Photo．4except　for　the　mid－July　measurement．

炉ll

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Photo．6　The　same　as　Photo．4except　for　the　last　August　measurements．

監

轟鄭ザ～＼

Photo．7　Snow　covered　tundra　and　setting　up　of　measuring　instruments　near　CMDL／NOAA

　　　　（June8，1993）．

Photo．8　Measurements　of　fluxes　of　CO2，latent　and　sensible　heat　by　the　eddy　correlation

　　　　measurement　on　snow　covered　tundra　near　DMCL／NOAA（June8，1993）．

・葎黙　』雛ド　鴨z

馨璽騨贈鰭礪．

　　　　　　欝鞍善灘醗欝鷺、議轟螺、，、．、

　　Photo．9　View　of　snow　cover　after　a　fresh　snow　fall　at　Barrow　in　mid－August．

、、轡灘

Photo．10A　close　look　at　the　coastal　dry　tundra　at　IBP　site　showing　a　random　mixture　of

　　　　　　　fresh　plants　in　a　withered　heath．

Photo． 11Meadows，small　bodies　of　water　feature　and　pond　margin　at　the　coastal　wet

　　　tundra　at　the　Central　Marsh　site．

　麟麟撫辮撫慧麟

懸叢蟻

鯨贋、灘

Photo、12CO2flux　measurement　at　the　IBP　site　using　a　chamber　by　the　San　Diego　State

　　　　University　group．

Misc．Publ．Nat1．Inst，

Agro－Environ．Sci．，16，／ 215（1995）

Micrometeorological　Data　and　their　Characteristics

　　　　over　the　Arctic　Tundra　at　Barrow，Alaska

　　　　　　　　　　　during　the　summer　of1993

（Received　June13，1994）

Yoshinobu　Harazono，Mayumi　Yoshimoto，Akira　Miyata　　　　（National　Institute　of　Agro－Environmental　Sciences＊）

　　　　　　Yohei　Uchida

（University　of　Osaka　Prefecture＊＊）

George　L．Vourlitis　and　Walter　C．Oeche1

　　　　　（San　Diego　State　University＊＊＊）

　＊Division　of　Agrometeorology，National　Institute　of　Agro－Environmental　Sciences，Kamondai，Tsukuba，305

　　Japan＊＊Departmellt　of　Agriculture，Ullivers三ty　of　Osaka　Prefecture，Sakai，Osaka，591Japan

＊＊＊Department　of　Bioiogy，San　Diego　State　Universlty，San　L）iego，CA92182…0057，USA

Contents

1、Introduction・・9－

2．Location　and　methods

2．1Sites・………・…

2．21nstruments　and　setting　them　up　for　measurements……

　　　　　1）Mlcrometeorologlcal　components……一…・一…一………9………………・・…

　　　　　2）Carbon　dioxide　concentrations

2．3Periods　of　data　collection・・………需・

3．Acquisition　of　data　and　quality　contro1

3．1Mode　for　processing　input　signals　from　sensors…………

3．2Quality　control　for　data　and．calibra．tions……

　　　　　1）Temperature

　　　　　2）Humidity…

　　　　　3）Radiation　and　soil　heat　flux

　　　　　4）Wind　speed　and　direction

　　　　　5）Aerodynamic　parameters

　　　　　6）Carbon　diox量de　concentration　　一一・・・…　含一・…・一一99C・・一一・・‘・一・一6…・璽じD一一◎…

4．Additional　reference　data

4．l　Background　CO2concentration　data　by　NOAA

42Monthly　weather　data　from　the　National　Weather　Service

4．3Thaw　depth

5．Notes　on　results

5。l　Field　conditions　during　measurement　periods

5．2Daily　variations　of　the　heat　budget　components

　　　　　1）Heat　budget　analysis

　　　　　2）Typical　result　of　heat　budget　over　the　tundra　at　the　IBP　site

5．31ntra－season　variations　of　micrometeorological　characteristics　over　the　tundra・

6．Data　tables　・・一一6一Ω・6・魯・・…　一6・噂・・U一一◎一一一・・一・…　e9。修・・…　＿◎＿6＿＿．9．。．＿G＿．。

7。Acknowledgments・………

8．References

Symbols

Data　Iists　of　Central　Marsh　site

Data　lists　of　IBP　slte

　　　1

　　　3

　　　3

　　　4

・…6　　　7

　　　8

　　　9

　　　9

　　　9

　　　9

　　・10

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　　・12

　　・14

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　　・21

　　・21

　　・22

　　・22

　　・24

　　・27

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　　・33

　　・34

　　・37

　　・38

　　・76

Har＆zonoαα」．l　Micrometeorologlcal　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 1

1．Introduction

　　　　　The　importance　of　atmospheric　greenhouse　gases　on　climatic　warming　has　brought　attention　to

global　sinks　andsources　ofcarbon　in　terrestrial　ecosystems（Mooneyαα／．，19871Post，19901Schlesinger，

19901Tansα召／．，199010echel　and　Billings，！9921Harden6渉α1．，！99210echelαα1．，1993）．Northem

ecosystems（tundra　and　boreal　forests）comprise　l3％of　the　earthツs　land　area　but　account　for　as　much

carbon　storage　as22％of　the　terrestrial　plant　and　soil　organic　matter，most　of　which（83％）is　found　in

seasonally　thawed　layers　or　trapped　in　permafrost（Miller，1981）．

　　　　　Northem　ecosystems　may　be　important　for　global　carbon　balance　because　dimatic　warming

deepens　the　active　layer　of　permafrost　which　causes　erosion　and　eventual　loss　of　permafrost　over　a　great

portion　of　Arctic　tundra　and　boreal　forest（Oechel　and　Billings，1992）．Consequently，Arctic　hydrology

makes　the　upper　soil　layers　dry　and　the　decomposition　rate　of　organic　matter　in　soihncreases（Oechel

and　Billings，1992）．Furthermore，the　rate　at　which　carbon　accumulates　in　terrestrial　ecosystems

depends　on　the　vegetation　and　climate，and　on　the　presumed　sensitivity　of　soil　carbon　accumulation　or

loss　to　climatic　change（Miller6砲1．，1983；Billings，1987）．As　a　result，much　of　the　carbon　stored　in　the

active　soil　layer　and　permafrost　is　released　into　the　atmosphere，thereby　increasing　and　exacerbating

CO2caused　warming（Billings6厩1．，1982）and　changing　the　micrometeorology　of　the　tundra．Elevated

atmospheric　CO2，along　with　changed　micrometeorology　and　changed　mtrlent　availability　affect　plant

c・mmmitiesandvegetati・n・lntheevent・fg1・bal．warminganditsatte卑dantec・systemandclimatic

changes，there　is　considerable　uncertainty　as　to　whether　the　northem　ecosystem　will　act　as　a　CO2sink

or　not．

　　　　　In　the1970’s　Coyne　and　Kelley（1971，1975）reported　the　characteristics　of　the　micrometeorology

and　CO2flux　over　an　area　of　tundra　at　Barrow　in　Alaska，as　part　of　a　study　of　the　US　Intemational

Biosphere　Program（IBP）．Coyne　and　Kelley（1971）measured　wind　profiles　at　several　heights，CO2

concentrations　and　air　temperature　profiles　up　to16meter　in　height，soil　temperatures，solar　radiation，

and　some　other　factors　at　the　IBP　site　area，and　then　revealed　that　the　Arctic　tundra　was　a　sink　of

atmospheric　CO2．Recently，Oechel　et　al（1993）measured　CO2flux　at　a　coastal　Arctic　tundra　durlng199！

and1992using　a　chamber　method（see　Photograph　l2）and　found　that　the　Arctic　tundra　acts　as　a　source

of　CO2today．They　compared　their　CO2flux　data　with　those　of　the　early1970’s　determined　by　Coyne

and　Kelley（1971，1975）in　the　IBP　program．Although，the　present　micrometeorological　characteristics

2 Misc．Publ．Nat1．Inst．Agro・Environ．Sci．，No．16（1995）

at　the　site　were　not　investigated　precisely，the　comparison　of　the　micrometeorological　data　obtained　at

two　dlfferent　times　with　a　twenty　year　difference　can　improve　the　understanding　of　the　characteristics

of　Arctic　tundra　and　the　climatic　warming．

　　　　　This　study　was　carried　out　to　examine　whether　the　coastal　Arctic　tundra　acts　as　a　sink　or　source

today，with　comprehensive　measurements　during　the　summer　in1993．The　observation　site　was　the　same

ピoastal　Arctic　tundra　at　Barrow，Alaska，used　in　the1970’s　by　Coyne　and　Kelley（1971，1975）．A

micrometeorological　survey　and　flux　measurements　were　made　using　aerodynamic，heat　budget，and

eddy　correlation　methods．The　micrometeorological　data　were　obtained　over　almost　all　of　the　summer

season　of1993at　Barrow．These　results　are　valuable　not　only　for　further　study　of　the　Arctic　ecosystem

but　also　for　assessing　the　contribution　of　tundra　vegetation　to　global　warming．Therefore，the　data　is

reported　here　along　with　the　analysis　on　the　changes　of　CO2flux　over　the20years　and　the　differences

in　CO2flux　between　wet　tundra　and　polygonal　dry　tmdra　in　the　Arctic　tmdra　ecosystem　will　be　done

in　the　near　future．

Harazono6齢♂。：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 3

2．Location　and　methods

2．1Sites

　　　　　The　observation　sites　are　located　at　tv～70sites　over　coastal　Arctic　tundra　near　Barrow（71。18’N，

156。47〆W，with　a　populationofapproximately4000），thenorthemmostcityinAlaskafacingtheChukchi

Sea．The　Arctic　coastal　tundra　is　characterized　by　low　relief，and　dominated　by　ice－wedge　polygons，

shallow，oriented　lakes　and　drained　basins（Bunnellαα1．，1975）．Over　views　of　the　Arctic　tundra　are

shown’in　Photograph　l　during　the　thawing　period　of　spring　and　Photograph2in　mid－summer．The

former　measurement　site　is　named　the　IBP　site，and　the　latter　the　Central　Marsh　site．The　locations　of

the　two　sites　are　shown　in　Fig．1．

Barrow

　　　　、

　　　、　　．　　　　　　　　　　　じ　　　　　　　3　　　　》㍗　　　　　　　●　　　　　　先，。

ゆ　　　　　　　ノ　ジのヤヘじメ

　　　　ALASKA

ARCTIC　OCEAN

CHUKCHl　SEA

℃

EAUFORτSEA

　　N

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　　Browervi“e

Barr讐撫

○ 80

　　　　」

　　　　も

0　　も

o

Marsh　site

2 4

ELSONLAGOON

　　　　　o

　　　もρo　o　　　　　o

》　　　　　ノ

6km

Φ　　　iBP　site

八○＼。

Fig．1 Map　of　contiguous　Alaska（inlet）and　details　of　an　area　adjoining　to　the

measurement　sites（the　IBP　and　the　Central　Marsh　sites）．

4 Misc．PubL　NatL　Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

　　　　　The　IBP　site　is　located2．5km　east　of　the　edge　of　Browerville　village　near　Barrow　city　and2．5

km　from　the　southeast　coast　of　the　Chukchi　Sea．This　site　is　the　same　experimental　site　as　that　of　the

USIntemational　BiosphereProgram（IBP）Tundra　Biomeintensivesite（71Ql7〆68”N，156041〆33”W）ofthe

l970’s．The　measurement　point　was　set　at　about300m　south　of　the　edge　at　a　small　creek　that　rms　from

Footprint　Lake　which　is　located　south　of　the　site．Flat　tmdra　stretches　over　several　kilometers　in　all

directions　from　the　measurement　point　except　for　the　small　creek，and　an　uneven　polygonal　pattem

（polygon）20to40cm　in　heig且t　is　scattered　over　some　parts　of　the　ground　surface　around　the　measure－

ment　point．The　polygon　around　the　IBP　site　is　shown　in　Photograph3．Sufficient　fetch　length　was

obtainedofmorethanlkminthedirectionbetweenthenortheastandnorthwestand300mtothenorth，

which　was　sufficient　to　evaluate　the　fluxes　of　momentum，heat　and　gases　using　micrometeorological

techniques．There　was　an　unpaved　road　about　O．8km　east　of　the　measurement　point　but　with　very　little

traffic，and　there　was　no　serious　influence　of　human　activities　to　disturb　the　measurement　except　for

CO2discharged　from　a　gasoline　power　generator．

　　　　　The　Central　Marsh　site（hereinafter　Marsh　site）is　located7km　northeast　of　Barrow，2km

southeast　of　the　Chukchi　Sea　shore，and2km　west　of　Elson　Lagoon．The　Central　Marsh　is　a　dried

Iagoon　with　an　elliptic　shape　of　approximately3km　in　major　axis　and1．5km　in　minor　axis，and　is　now

a　flat　and　wet　lowland．A　wide　bank　rim（ridge）about2m　in　maximum　height　and100m　in　width

surromds　the　marsh．The　measurement　point（71019〆27”N，156Q37〆09”W）was　about300m　from　the

nearest　northeastbank－edge．The　fetch　ofthe　Marsh　site　was　more　than　l　km　to　mostdirectionsexcept

the　northeast　bank，and　the　influence　of　human　activities　on　the　measurement　was　as　little　as　that　at　the

IBP　site．

2．21nstruments　and　Setting　them　up　for　measurements

　　　　　Field　measurements　were　carried　out　at　both　sites　using　towers．A　typical　schematic　view　of

measurement　at　the　IBP　site　is　mustrated　in　Fig．2，and　the　setting　conditions　at　the　IBP　site　are　shown

in　Photographs4，5，and6in　mld－June，mid－July　and　late－August．At　the　IBP　site，most　measurements

were　carried　out　from　June　l5to　July18and　from　August9to　August25，and　some　elements　were

measured　between　July19and　August8．While　at　the　Marsh　site，almost　the　same　elements　as　at　the

IBP＄ite　were　measured　between　July20and　August8．The　measured　elements，instmments　and　their

Harazonoαα」．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 5

mounting　conditions　at　each　site　are　listed　in　Table　l　for　each　period。

　　　　　TheEB750powergenerator（AC120V，60Hz，750W＝Honda，Tokyo，Japan）wasusedtosupply

power　for　measurement　at　the　IBP　site．The　generator　was　placed　more　than　lOO　m　north　of　the　tower

by　June21，and　was　then　moved　to　more　than200m　north　to　avoid　CO2contamination　from　the

generator．Whlle　at　the　Marsh　site，we　used　the　commercial　power　supply　from　the　field　observatory

oftheNationa1GeographyService，whichwasabout400mfromthemeasurementtower．

vegetationthawdeptht

RFACE　LAYER

UV

AcllVE　　　　　■

LAYER

PERMAFROST

＿皇丁Ωanemometer

軋　　　　　　wind　vane【｛Lpsychr・meter

合

ワ

→凸

　　UV

凸

pyranometer（downward）

pyranometer（upward〉

net　radiometer

B－range　u　ltra－

violet　radiometer

photon　flux　meter（PAR）

一一z＝＝7’heat刊ux　p！ate

　　　　　　thermometer

一『一（soil　temperature〉

5gasinlet

Fig．2 Schematic　illustration　of　the　setting　up　of　instruments　at　tundra．

6 Misc．Publ．Natl．Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

Table　l　Measured　elements　and　their　set．up　heights　at　the　field．

Element Symbol　Helght（m） Sensor

Wind　speed（highest〉

Wind　speed

Wind　speed（middle）

Wind　speed

Wind　speed（lowest）

Wind　direction

ul

U2U3U4∪5

粉

4．7

2．0

1．2

0．7

0．3

4．7

Cup　anemometer

Cup　anemometer

Cup　anemometer

Cup　anemometer

Cup　anemometer

Wind　Vane

CO2Concentration（higher）　　CO2－H

CO2Concentration（10wer）　　CO2－L2

0．3

NDIRCO2analyzerNDIR　CO2analyzer

Inlet　height

lnlet　height

Solar　Radiation

Reflection　of　Rs

Net　Radiation

PhOtOSynthetiC　ACtive

　　　　　Radiation

Ultra　Videt　lntenSity

困

舳㎞

PAR

UVb

1．0

0．9

1．2

0．3

0。3

Thermop“e　Pyranometer

Thermop“e　Pyranometer

Net　Radiometer

Photon　sensor

UV　radiometer

Dry　bulb　Temperature（highe

Dry　bωb　Temperature（middl

Dry　bulb　Temperature（lower

Wet　bulb　Temperature（high∈

Wet　bulb　Temperature（midd

Wet　bulb　Temperature（iowel

Soil　Temperature

So“Temperature

Soil　Temperature

Soil　Temperature

Tal

Ta2Ta3TwlTw2Tw3Tsl

Ts2Ts3Ts4

　2

1．2

0．3

　2

1．2

0．3

0．01

0．05

0．10

0．20

Ventilated　psychrometer（PT－100）

Ventilated　psychrometer（PT－100）

Ventilated　psychrometer（PT－100〉

Ventilated　psychrometer（PT－100）

Ventilated　psychrometer（PT－100）

Ventilated　psychrometer（PT－100）

Thermocouple（Type－T）

Thermocouple（Type－T）

Thermocouple（Type－T〉

Thermocouple（Type－T）

Soil　Heat　flux

So縫Heat　flux

Gl

G20．005

0。005

Heat　flow　plate

Heat　fbw　plate

1）Micrometeorological　components

The　vertical　wind　profile　was　measured　using5cup－anemometers（014A，Campbell　Scientific　Inc．，

Logan，USA）which　were　mounted　at　up　to4．7m　in　height　with　a　horizontal　boom　extending　O．5m　from

the　tower．Wind　direction　was　measured　with　a　wind　vane（024A，Campbell　Scientific　Inc．，Logan，USA）

at　the　same　height　as　the　top　anemometer．Dry－bulb　and　wet－bulb　temperatures　were　measured　using

ventilated　psychrometers（hand－made　and　calibrated　with　Asmanゴs　psychrometer）with　a　platinum

resistance　thermometer　at　three　different　heights．The　other　two　sets　of　psychrometers　consisting　of　a

T－type　thermocouple　sensor（Copper　and　Constantan，0．31mm　diameter）were　mounted　at　two　different

Harazono6厩／．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 7

heights　on　the　other　site．Soil　temperatures　at　two　to　four　depths　were　measured　with　the　T－type

thermocouple．Measured　depths　were1，5，10，20cm　below　the　surface，but　the　depth　varied　with　the

observation　sites　because　of　the　limitation　of　the　terminal　numbers　of　the　data　logger．Depth　is　shown

in　the　data　tables　for　each　measured　site．Soil　heat　flux　was　measured　with　two　thermopile－type　heat

flux　plates（MF－9，Eko　Instruments　Co．，LTD，Tokyo　Japan），and　both　sensors　were　buried　at　O．5cm　in

depth　and　the　average　value　of　the　two　was　obtained．

　　　　　Downward　solar　radiation（Rsd）and　reflected　solar　radiation（Rsu）were　measured　with　ther，

mopile－type　pyranometers（MS－62，Eko　Instruments　Co．，LTD．，Tokyo，Japan），and　each　was　mounted

horizontally　but　facing　opposite　directions，and　this　set　was　used　at　the　IBP　site．The　other　thermopile

－type　pyranometers（PCM－03，Kipp＆Zonen，the　Netherlands）were　used　only　at　the　Marsh　site．Net

radiation　was　measured　continuously　at　the　IBP　site　using　a　thermopile－type　ventilated　net　radiometer

（MF－！1，Eko　Instruments　Co．，LTD．，Tokyo　Japan），while　a　non－ventilated　sensor（Q－6，Campbell

Scientific，Inc．，Logan，USA）was　partly　used　at　the　Marsh　site．Photosynthetic　active　radiation（PAR）

was　measured　with　a　silicon　photo　diode－type　photon　flux　meter（ML－020P，400－700nm　in　wavelength，

Eko　Instruments　Co．，Ltd．，Tokyo，Japan）．　B－range　ultraviolet　radiation（UV－B，280－315nm　in

wavelength）was　also　measured　with　a　silicon　photo　diode－type　UV－B　meter（MS－210W，Eko　Instru－

ments　Co．，LTD．，Tokyo，Japan）during　the　latter　half　of　the　measurement　period．

2）Carbon　dioxide　concentrations

　　　　　The　carbon　dioxide（CO2）concentration　was　measured　using　a　non－dispersive　infrared　gas

analyzer（ZFU1，Fuji　Electric　Co。Ltd．，Tokyo　Japan）．Air　at　the　two　tower　heights　were　sampled

through　each　Teflon　tube　with　a　polyfluon　filter（PFO50，Toyo　Filter，Ltd．，Tokyo，Japan）at　flow　rates

of　LO　dm3／min．Sampled　air　at　each　height　was　sent　continuously　to　the　switching　solenoid　valve（NCV

－3，Takasago　electric　Inc．，Tokyo，Japan），and　one　of　them　was　altemately　sent　to　the　cell　of　the　CO2

analyzer。Watervaporincludedinthesamplewasremovedusingasemi－permeabledrier（ZBJO250，Fuli

Electric　Co．Ltd．，Tokyo，Japan）before　the　inlet　of　the　celL　The　solenoid　valve　was　controlled　every

70seconds　interlocking　with　data　acquisition　by　a　data　logger（21X，Campbell　ScientificJnc。，Logan，

USA）．This　system　was　used　at　both　the　IBP　and　Marsh　sites．

　　　　　Another　non－dispersive　infrared　gas　analyzer（ZFP9，Fuji　Electric　Co．LTD．，Tokyo，Japa血）was

8 Misc．PubL　NatL　Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（！995）

also　used　at　the　IBP　site　from　July19to　August8、In　this　system，the　air　flow　rate　was　O．6dm3／min，

andthesolenoidvalvewasswitchedevery60seconds．Watervaporwit且inthesampledairwasremoved

by　the　membrane　filter　installed　in　the　analyzer．However，the　control　of　the　switching　valve　by　the　dat3

10gger（CR10，Campbell　Scientific，Inc．，Logan，USA）failed　for　most　of　the　measurement　period　due　to

the　wet　and　cold　conditions　at　the　IBP　site．

　　　　　Calibration　of　both　analyzers　was　made　at　any　interval　during　the　measurement　periods　using　two

levels　of　CO2standard　gases（299．4ppm　and473．6ppm）．

2．3Periods　of　data　collection

　　　　　The　preliminary　measurement　was　carried　out　over　snow－covered　tmd．ra　near　the　Climatic

Monitoring　and　Diagnostic　Laboratory（CMDL），Nationa10cean＆Atmospheric　Administration

（NOAA）located　at　the　east　of　Central　Marsh　in　Barrow　from　June8to！0．The　circumstances　of　the

measurement　over　snow　covered　tundra　are　shown　in　Photographs7and8．　These　preliminary

measurement　data　are　not　listed　in　this　data　book．

　　　　　Measurement　at　the　IBP　site　was　carried　out　from　June15to　August25，and　at　the　Marsh　site

from　July19to　August9．Most　data　were　obtained　at　the　IBP　site，because　there　was　not　enough

equipment　for　both　sites．During　the　measurement　period　at　the　Marsh　site，some　sensors　were　moved

from　the　IBP　site　to　the　Marsh　site，therefore　wind　speed　and　wlnd　direction　were　not　measured　and　the

number　of　measurements　of　depth　of　soil　temperature　and　ventilated　psychrometer　were　fewer　than　in

other　periods．

　　　　　In　the　summer　season，the　summer　time　system　is　used　in　Alaska　and　the　Alaska　Standard　Time

（AKST）was8hours　later　than　Greenwich　Mean　Time（GMT）．In　this　paper　the　time　is　specified　in

AKST　to　show　the　data　w1th　time．

Harazono6砲」．：Micrometeorological　Data　and　Characterlstics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 9

3Acquisition　of　data　and　quality　control

3．l　Mode　of　processing　input　signals　from　sensors

　　　　　A　digital　data　logger21X（CampbeH　Scientific　Inc．，Logan，USA）with　a　relay　multiplexer

（AM416）was　mainlyused　to　collectbothmeteorological　andCO2concentration　data　atboth　observation

sites．Micrometeorological　data　were　sampled　every70seconds　and　the10minute　average　was

recorded，because　the　AM4160f　the　platinum　resistance　thermometers　did　not　work　atthesame　interval

as　the撃interval　timer　SDM－INT80f　the　cup　anemometers　in　the　field．Another　digital　data　logger　CR10

（Campbell　Scientific，Inc．，Logan，USA）was　used　at　the　IBP　site　on　Ju玉y　l9and　August8．In出is　data

acquis量tion　system，data　were　collected　every　lO　seconds　and　averaged　every　lO　minutes　and　then

memorized．Data　were　subsequently　processed　in　the　laboratory　after　each　run．

3．2　Quality　control　of　data　and．calibration

　　　　　Data　stored　in　the　data　logger　were　checked　for　errors，and　then　the　numerical　values　were

converted　to　physical　values　with　dimension．Correction　of　data　was　carried　out　for10mimtes

averages，then　averaged　again　for　every30minutes，the30minute　average　being　specified　as　both

periods　from10to40minutes（specified　as　OO　of　each　hour　in　the　tables）and　from40to10minutes

（specified　as300f　each　hour　in　the　tables）．

1）Temperature　data

　　　　　There　was　no　correction　for　soH　temperature　data　obtained　using　thermocouples，because　there

was　no　significant　difference　among　the　sensors　and　the　reference　temperature　of　the　logger　was　thought

to　be　almost　constant　in　the　shielded　wooden　box．Platinum　resistance　thermometers　were　used　as　the

sensors　of　the　ventilated　psychrometers　which　were　calibrated　at　the　National　Institute　of　Agro

－Environmental　Sciences（NIAES）before　and　after　the　field　measurement，and　differences　among　the

sensors　were　checked　by　setting　them　at　the　same　conditions（location，height，direction）in　the　field．

The　field　comparisons　of　the　sensors　were　made　three　times　from　June8to　August25．The　calibration

factor　for　each　sensor　and　the　modified　factor　obtained　by　field　checks　were　used　in　the　calculation．

Though，the　thermoco⑮1e　was　also　used　as　the　sensors　of　ventilated　psychrometers，the　calibration　and

correction　of　these　psychrometers　were　made　in　the　same　way　as　those　with　platimm　resistance

thermometers．

10 Misc．Pub1．NatL　Inst．Agro－Environ．Sci．，No．i6（1995）

　　　　　In　the　data　tables，Ta1，Ta2and　Ta3represent　the30minute　average　air　temperatures（℃）

obtained　by　the　ventilated　psychrometers　at　each　leve1．Tsl，Ts2，Ts3，and　Ts4represent　the30mimte

average　soil　temperatures（℃）obtained　by　the　thermocouples。

2）Humidity

　　　　　Saturation　water　vapor　pressures（mb）were　calculated　using　the　Goff－Gratch　formulation（List，

1971）for　wet　bulb　temperatures　at　each　measured　height．The　formations　used　in　the　calculation　for

liquid　water　and　ice　were　as　follows：

　　　　　　　　　　　　　　　　乃

1096w，二一7。90298（　　一1）十5．02808109　　　　　　　　　　　　　　　　T

　　　　　　　　　　　　アマど10－3（10－3・49149（了一一1）一1）十lo9（！013．246）

　　　　　　　　　　　　　　　To

lo96i，コー9．09718（　　一1）一3．56654109　　　　　　　　　　　　　　　　T

％　　一1．3816T

　　　　　　　　　　　　ア10　7（101L344（1一万L1）＋8。1328

To　　＋0．876793（1一一丁

T　　）十lo9（6。10714）⑰

（1〉

（2）

where，

　　　　　6wS＝saturation　vapor　pressure　of　pure　ordinary　liquid　water（mb）

　　　　　6isπsaturation　vapor　pressure　of　pure　ordinary　water　ice（mb）

　　　　　T＝absolute　temperature（K）

　　　　　ルニsteam　point　temperature（373．16K）

　　　　　To＝ice　point　temperature（273．16K）

Vapor　pressures6w（mmHg），relative　humidityノ～H（％），absolute　humidity　of　the　air／1∫ノ（g／m3）were

calculated　using　the　following　formulations．

　　　　　6w二〇．750617（6w、一〇．000660（1＋0。00115！ωソつ（孟ゲ！ω））　　　　　　　　　　　　（3）

　　　　　　　　　　　　　　6w

　　　　　ノ～Hニ100　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）　　　　　　　　　　　　　　6wsd

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　6w

　　　　　・4HニLO6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）　　　　　　　　　　　　　　　（1＋0．00367孟d）

where，

　　　　　8w，d＝saturation　vapor　pressure　for　dry　bulb　temperature（mmHg）

Harazono6齢1．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 11

　　　　　ち二dry　bulb　temperature（℃）

　　　　　砺＝wet　bulb　temperature（℃）

　　　　　P＝atmospheric　pressure（mmHg）

　　　　　We　did　not　measure　the　air　pressqre　P，therefore，the　standard　value　of760mmHg　was　used　in

the　calculation　of　equation（3）．In　the　data　tables，AHl，AH2and　AH3represent　the30minute　average

absolute　humidity（g／m3）in　the　air　at　each　level　calculated　as　mentioned　above．RH1，RH2，and　RH3

represent　the30minute　average　relative　humidity　of　the　air　obtained　by　formulation（4）．

3）Radiation　and　soil　heat　flux

　　　　　Data　on　net　radiation，downward　solar　radiation　and　its　reflection　from　the　surface，were

corrected　using　each　calibration　factor．Data　on　soil　heat　flux　obtained　using　two　heat　flow　plates　were

corrected　in　the　same　way　as　was　radiation，then　the　averaged　value　of　the　two　was　determined　as　the

soil　heat　flux（G，W／m2）listed　in　the　data　tables．There　was　no　correction　owing　to　the　heat　storage

between　the　surface　and　the　heat　flow　plates　because　the　thickness　of　the　soil　over　the　heat　plate　was

very　thin．

　　　　　In　the　data　tables，Rsd　and　Rsu　represent　the30mimte　average　downward　and　upward（reflected）

solar　radiation（W／m2），respectively。Rn　represents　the30minute　average　net　radiation，UVb　represents

the30minuteaveragefluxdensityofthe　B－rangeultravioletradiation（W／m2），and　PARrepresentsthe

30minute　average　photon　flux　density　of　photosynthetic　active　radiation（μE／sm2〉at　the　field　obtained

by　each　sensor　mentioned　in　section2．2．

　　　　　Albedo　was　calculated　using　downward　solar　radiation　Rsd　and　its　reflection　Rsu．Because　the

incidence　angle　of　the　sunラs　beams　is　low　over　the　Arctic　tundra，the　accuracy　of　the　pyranometers

lessened　with　the　increase　of　the　incident　angle．Thus，the　reflection　of　solar　radiation　Rsu　was　greater

than　the　downward　solar　radiation　Rsd　in　some　cases，therefore　calculated　albedo　values　over　O．5were

omitted　from　the　data　tables．

4〉Wind　speed　and　direction

　　　　　Five　cup　anemometers　were　used　in　the　field．The　differences　among　the　anemometers　were

checkedinthewindtunnelofNIAES（thetests“ctionwas2，2，9minwidth，height，length，respectively

and　the　wind　speed　range　was　O．3－25m／s）and　in　the　field　in　the　same　way　as　the　psychrometers．At

first，a　data　sampling　interval　was　designed　every10seconds　for　the5anemometers　simultaneously　with

12 Misc．PubL　Natl，Inst．Agro．Environ．Sci．，No．16（1995）

the　interval　timer　SDM4NT8，but　SDM－INT8did　not　work　with　AM416in　the　field．Therefore，wind

speed　was　measured　by　counting　the　pulse　of　each　anemometer　every10seconds　altemately，thus

determining　the　wind　profile　every70seconds．Data　were　corrected　using　modified　calibration　factors

obtained　in　the　field。Field　calibrations　of　all　sensors　were　carried　out　three　times　at　the　same　height

over　the　tundra　during　the　observation　period．

　　　　　In　the　data　tables，UI　to　U5represents　the30minute　average　wind　speed（m／s）at　each　level．

Owing　to　the　different　sampling　timings　of　wind　speed（every70seconds）the　inversion　of　the　wind

profile　was　sometimes　observed，therefore　only　three　levels　of　wind　speed　are　listed　in　the　data　tables．

WD　represents　the30mimte　average　value　of　wind　direction，a　number　was　specified　from　O　to360

degrees　for　the　clockwise　rotation　from　north－east－south－west－north．

5）Aerodynamic　parameters

　　　　　In　order　to　investigate　micrometeorological　conditions，aerodynamic　parameters　were　evaluated．

The　following　is　an　outline　of　the　methods　used．

　　　　　In　the　boundary　layer，the　wind　profile　over　the　vegetation　or　the　ground　surface　can　be　expressed

as　formula（6）under　neutral　atmospheric　conditions．

　　　　　％。　　（㍗ゴ）％（z）＝　　1n

　　　　　κ　　　　　　Zo

（6）

where麗（z）is　the　average　wind　speed　at　any　height～，麗。is　the　friction　velocity，κis　the　von　Karmanヲ

s　constant（0．41），ゴand2。are　zero　plane　displacement　and　the　roughness　length　of　the　surface．In　the

turbulent　boundary　layer　over　vegetation，momentum　fluxτwas　given　by　equation（7）．

　　　　　　　　　　　4κ

τ＝一ρK窺　　　コρ銘＊2二一ρ鋸躍　　　　　　　　　　　ゴz

（7）

Whereρis　the　density　of　air，魚n，the　eddy　diffusivity　of　momentum．According　to　the　mixing－1ength

hypothesis　by　Prandt1，観is　obtained　as　equation（8）．Where　lm　is　a　mean　mixing　length　and　is

proportional　toκand　z　in　the　turbulent　boundary　layer（Arya，1988）．

Harazono6地」』Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　ln　Alaska，1993 13

鋸側二一1吻2 磁4％ぬ　4z

（8〉

Thus，κ郷is　also　expressed　using　wind　profiles　as　equation（9），and　an　integrated　formula　to　calculate

the　momentum　flux　is　given　as　follows（Denmead，1970）．

K窺＝κ2z2

τ　　　　　2｝二κρ

　　　4％　　　　　　π　　　　　　　z△π　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ニだ　　　　　　　　　　　コだ　　　4z　　ln（z／9。）　　1n（z2／2、）

　　△κ△κ　　　　　　　　　　　＝穿△％｛1n（z2／z，）／2

（9）

（10）

where△祝is　the　difference　in　the　wind　speed　between　the　heights　of　z、and　z2，andρブis　diffusive

（diffusion）velocity　for　the　momentum　between　the　two　heights．Then，diffusion　velocityρブcan　be

obtained　from　the　next　formula　under　neutral　atmospheric　conditions二

穿rln（z、㌔～望孟望，一ゴ）），（11〉

廊，and偽are　mean　wind　speeds　at　height　z、and22，respectively　and4and　other　aerodynamic

parameters　such　as　z。and％。can　be　obtained　by　the　regression　line　of　the　logarithmic　wind　profile

（Harazonoαα1．，1990，！993），using　the　following　equations，where　a　and　b　are　coefficients　of　the

regreSSiOn　eqUatiOn、

　　　　　ln（z－4）二azゼ（z）十b　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（12）

　　　　　籏二κ／a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　　　　z。＝exp（b）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（14〉

　　　　　If　the　atmospheric　stability　is　negative，穿has　to　be　corrected　according　to　the　stability　function

（Thom，1975）．In　this　study，the　Richardson　number甜was　used　to　check　atmospheric　stability，and　the

flux　was　modified　using　a　corrected　function　with　specific　function　F（Ri）．

14 Misc．Pub1．Natl。Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

　　　　　　　　　　　κ2（麗1一％2〉

穿c二　　　　　　　　　F（R♂）　　　　　　（1n（ZI－4）一1n（z2－4））2（15）

The　corrected　diffusion　velocityρたwas　obtained　from　formula（15）according　to　Thom（1975），and　the

specific　function　F（1～Z）of　the　Richardson　Number1～i　is　given　in　formula（16）．7i1．7む2，T　are　the　air

temperatures　at　heights　zl　and　z2，and　mean　temperature（unit　K），respectively．

　　　　9　（7も1－7』2）（Zr22）ノ百二

　　　　丁（麗1一κ2）2

F（Ri）＝（1－161～歪）o・75

F（ノ～乞）二（1－5Rガ）2

一〇．2＜1～乞＜0

　0＜ノ～i＜0．2

（16）

（17－a〉

（17rb）

　　　　　In　the　data　tables，～。（cm），u。（m／s），Rねnd航（cm／s）are　listed，havingbeen　calculated　according

to　the　above　analysis．穿in　the　data　table　is　a　modified　value　for　gas　transportation（the　same　asρた），

and　it　will　be　useful　to　evaluate　CO2flux，water　vapor（1atent　heat）flux，and　sensible　heat　flux　in　the

following　analyses．Although，there　is　some　uncertainty　in　the　correction　equations（17－a，b），the穿

value　may　be　modified　slightly　in　further　studies．

6）Carbon　dioxide　concentration

　　　　　Calibration　of　the　infrared　CO2gas　analyzer　was　carried　out　using　two　standard　gases　in　the　field

and　laboratory　in　Barrow．The　levels　of　the　standard　gases　used　were299．4ppm　and473．6ppm．

Unfortunately，at　the　IBP　site，we　had　to　stop　the　generator　almost　once　a　week　in　ord．er　to　change　the

oiL　Output　levels　of　the　CO2analyzer　shifted　slightly　after　restarting　the　generator，therefore　some　CO2

data　obtained　after　the　maintenance　of　the　generator　were　modified。

　　　　　Backgromd　CO2data　were　providedby　NOAA’s　Climatic　Monitoring　andDiagnostic　Laboratory

（CMDL）located　to　the　east　of　Central　Marsh　in　Barrow．Because　there　are　great　differences　in

averaging，sampling　heights，sampling　equipment　and　sampling　intervals　between　the　background　data

by　NOAA　and　the　measured　data　over　the　tundra，there　might　be　some　differences　in　the　concentration

levels　listed．

Harazonoαα1．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 15

4．Additional　reference　data

4．1Background　CO2concentration　data　by　NOAA

　　　　　Hourly　backgromd　CO2data　from　the　micrometeorological　measurement　period　are　also　listed

in　the　data　tables（B－CO2）．These　data　were　prepared　by　NOAA’s　Climatic　Monitoring　and　Diagnostic

Laboratory（CMDL）．The　air　at15m　high　tower　was　sampled　and　analyzed　by　an　NDIR　analyzer

（ULTRAMAT，Siemens，Germany）．The　averaging　periods　inhours　are　specified　asthebeginning　ofthe

hour，for　example，hour5corresponds　to5AM　to6AM　AKST．Therefore，the　averaged　periods　of

background　CO2concentrations　are　different　from　those　of　measurements　of　the　CO2concentrations

overthetundra．Aselectionprocesshasundertakentodistinguish“background”concentrations，that

is，thevaluesthat　CMDLbelieved　were　not　contaminatedby　local　sources　or　sinks　ofCO2were　selected．

The　selection　process　depended　on　the　station（Petersonαα1．，1986）．The　collected　air　sample，which

was　from　a　strict　clean　air　sector，was　as　a　defined　wind　direction　between20an（i1！0degrees　for

Barrow．The　standard　deviation　of　the1－minute　average　had　to　be　less　than　O．3ppm，otherwise　the　hour

gets　a“V”（variable）flag．Also，the　average　change　from　one　hour　to　the　next　is　less　than　O．25ppm．

Some　data　have　additional　codes，and　there　are　a　large　number　of　possible　codes，but　the　most　common

codes　used　in　the　tables　are：

　　　　　C－Weekly　calibration　of　reference　gases，no　data　available

　　　　　I－Instrument　malfunction，no　data　available

　　　　　V－LargevariabilityofCO2concentrationwithinonehour

　　　　　D－Hour－to－hour　difference　in　concentration＞0．25ppm

　　　　　A－Automatic　selection　based　on　residuals　from　a　spline　curve

Details　conceming　the　background　data　by　CMDL／NOAA　were　reported　by　Peterson6砲1．（1986）．

16 　　　　　　　Misc．Pub1．Natl．Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

Table2Monthly　climate　data　of　Barrow　National　Weather　Station　on　June，1993．

Date　Precipitation　T　max．

　　　　　（mm）　　（OC）

T　min．T　mean（OC）　 （OC）

Wind　max．Wind　mean　（m／s）　　（m／s）

123456789101112131415161718192021222324252627282930

0．3

2．8

0．3

5．8

0．3

0．3

1．3

0．3

0．6

　1．7

　1．1

　1．7

0．0

0．0

2．2

6．1

5．0

2．8

3．9

　1．7

7．8

3．3

10．68．3

1．7

6．7

5．0

3．3

3．3

3．3

2．2

2．8

3．9

6．7

11．717．817．211．7

一1．7

－1．7

－2．2

－2．2

－3．9

－3．9

－1．7

0．6

0．6

0．6

0．0

－0．6

0．0

－0．6

－0．6

－0．6

－1．7

－1．1

0．0

0。0

0．0

－0．6

0．6

0．0

－0．6

－0．6

2．2

3．3

8．9

1．1

一〇．6

0．0

－0．6

－0．3

4．9－1．9

0．3

3．3

2．8

　1．7

　1．9

0．6

3．9

　1．4

5．0

3．9

0．0

2．8

2．5

1．7

1。7

1．4

1．4

1．4

1．7

3．1

6．9

10．613．1

6．4

5．8

5．4

5。4

6．7

9．8

12．512．56．3

6．7

6．3

9．8

12．510．7

8．9

7．6

7．6

4．0

5．8

5．4

6．7

7．2

6．3

6．7

6．7

8．9

9．4

5．8

7．2

5．8

7．2

4．003．474．075．017，469．5：2

7．784．605．453．986．489．705．056．71

4．205．003．583．583．264．255．774．115．194．966．357．423．174．162．644．60

　　HaraZ。n。6！α1．：癩icr。mete。r。1。gica1DataandCharacteristics・fArcticTundrainAlaska，1993

Table3Monthly　climate　data　of　Barrow　National　Weather　Station　on　July，1993．

17

Date　Precipitation　T　max．

　　　　　（mm）　　（OC）

Tmin．（OC）

T　me＆n　Wind　max．

（o“）　（mls）

Wind　me＆n　　（m／s）

1234’

5678910111213141516171819202122232425262728293031

1．5

0．3

0．8

0．3

4．1

0．5

0，3

0．8

0．3

4．6

3．8

7．8

6．1

5．6

10，03．9

3．9

6．7

11，717．814．412．822．226．122．813．311．1　8．3

13．98．4

20．04．4

5．6

13．39．4

6．7

20。012．8

9。4

10．65．6

9．4

1．1

1．1

1．1

2．2

1．7

1．7

1．1

2．2

6．7

6。7

6．1

6．7

8．9

7．2

5．0

4．4

3．3

5．0

5．0

2．8

1．7

1．1

2．2

0．0

0．0

2．8

7．2

2．2

1．1

－0．6

0．0

4．4

3．6

3．3

6．1

2．8

2．8

3．9

6．9

12．210．6

9．4

14．417．515．0

9．2

7．8

5．8

9．4

6．9

11．43．1

3．3

7．8

4．7

3．3

11．410．0

5．8

5．8

2．5

4．7

10．713．4

9．4

6．3

6．3

5．4

5．8

5．8

9．8

8．0

10．78，0

10．710．3

8．9

7．2

8．9

7．6

4．0

8。0

8．0

7．2

6．7

7．6

8．9

8．9

7．2

9．4

19．213．0

7．6

8．0011．30

7．003．71

4．294．254．203．985．866．087．924．346．265．865．864．745．775．102．774．206．795．104．924．435．455．874．344．34

12．50

5．954．65

18 Misc．PubL　Natl．Inst．Agro－Environ．Sci，，No．16（1995）

Table4Monthly　climate　data　of　Barrow　National　Weather　Station　on　August，1993．

Date　Precipitation　T　max。

　　　　（mm）　　（OC）

Tmin．（OC）

T　mean　Wind　max．Wind　mean（OC）　（m／s）　　（m／s）

12345678910111213141516171819202122232425262728293031

4．8

4．6

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0．8

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6．3

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4．164．112．596．267．116．085．414．745．996．446．978．586．794．164．605．055．995．457．336．883．984．693．132．864．113．352．996．487．064．964。20

Harazono6厩1．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 19

4．2Monthly　weather　data　from　the　National　Weather　Service

　　　　　There　is　a　first　order　National　Weather　Service（NWS）station　located　in　the　center　of　Barrow．

Climate　data　listed　in　this　data　book　were　collected　and　compiled　by　Brown6緬1．（1994）．Monthly　data

fromJune，July　and　August　are　shown　in．Tables2，3，and4．Maximum　andminimumtemperatureswere

recorded　automatically，and　mean　temperature　was　calculated　from　a　max－min　amplitude．Precipita－

tion　was　recorded　at70’clock（AKST）on　the　next　day，and　the　record　period　was　different　from

temperature　data．Windspeedwasmeasured　atthetop　ofthe　stationbuildingwhichwasmorethan10

m　inheight，therefore　the　wind　speed　listed　inthe　Tables2to40btained　at　NWS／Barrowwerehigher

thanthoseobtainedat4．7mhighoverthetundra．

　　　　　The　station　is　located　in　the　center　of　the　city　and　there　are　rhany　buildings　near　the　station．

Temperatures　in　the　city　might　have　been　higher　than　that　over　tundra　because　of　the　effects　of　urban

climate　in　the　data　of　NWS，especially　in　summer．

4．3Thaw　depth

　　　　　Thaw　depth　was　measured　by　striking　an　iron　stick（diameter8mm）vertically　into　the　ground

to　the　permafrost　table．Measurements　were　made　almost　every　week　for　the　IBP　and　Central　Marsh

sites．At　the　IBP　site，we　measured　thaw　depth　at　four　different　conditions　on　the　ground，high　center，

low　center，the　rim（ridge）of　the　polygon　and　ice　wedge（trough）．The　schematic　illustration　of　the

polygon　ls　shown　in　Fig．3（after　Patrick，1978），At　the　Marsh　site，measurements　were　carried　out　at

both　the　upland（dry　tundra）of　the　bank　side　and　the　lowland（wet　tundra）of　the　basin．At　each　point，

more　than10samples　of　thaw　depth　were　measured　and　the　average　was　used　for　analysis．The　trend

of　thaw　depth　is　shown　in　Fig．4for　the　IBP　site，in　Fig．5for　the　Marsh　site．

20 Misc．Pub1．Natl．Inst．Agro．Environ．Sci．，No．16（1995）

HC：High　CenterLC：Low　Center

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30m

Fig．3　The　principal　micro　relief　features　of　polygons　at　the　IBP　site（after　Patric，1978）。

Harazono6短1．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 21

5．Notes　on　results

5．1Field　conditions　during　the　measurement　periods

　　　　　The　sm　was　abqve　the　horizon　from　the　begiming　of　measurement　till　mid－August。More　than

80％of　the　snow　melted　by　June10at　th今Marsh　site　and　by　June12at　the　IBP　site・However，snowfall

was　observed　even　in　the　moming　in　July　and　in　the　daytime　in　mid－August，and　we　had3cm　of　snow

on　August15（Photograph9）．Fog　was　often　observed　at　both　sites，especially　in　June　and　August．The

beach　of　the　Chukchi　Sea　was　covered　with　ice　floe　ti111ate　June．After　early　July，ice　floes　left　the

beach，but　sometimes　came　close　to　the　beach　with　strong　northerly　winds．

　　　　　According　to　a　report　of　the　first　order　National　Weather　Service（NWS）station　located　in　the

city　of　Barrow，July1993was　the　second　warmest　July　on　record，but　August　was　cooler　than　usua1

（Brownαα1．，1994）．

　　　　　Vegetation　at　IBP　site　was　a　relatively　dry　coastal　tund．ra　community　consisting　of　several

species　of　dry　heath，wet　heath，and　mist　meadow（Bumel1αα1。，1975）．At　the　beginning　of　the

measurement（mid－June），there　was　no　living　grass　but　dead　shoots　whose　average　height　was　less　than

10cm（Photograph4）．Although，the　density　of　the　grass　was　low，the　soil　was　covered　with　a　moss

carpet　whose　depth　increased　with　thaw　depth　and　with　a　maximum　thickness　of　about10cm．Fresh

leaves　of　grass　germinated　over　the　moss　surface　after　late　Jme，then　grew　up　to　about25cm　in　late

July（Photograph10）．Thaw　depth　was　different　at　the　high　c6nter，10w　center，rim　and　ice　wedge　of　the

polygon．The　former　was　deeper　than　the　latter，and　the　maximum　depth　was28cm　at　the　high　center

in　early　August，while　that　at　the　ice　wedge　it　was21cm．The　trend　in　thaw　depth　is　shown　in　Fig．4。

　　　　　The　vegetation　at　the　Marsh　site　was　a　wet　meadow　tundra　community，and　the　major　plants

around　the　observation　site　were　some　species　of　wet　meadow　and　pond　margin（Bmnel1α召1．，1975）．

Some　species　of　meadow　germinated　in　the　pond　in　late　June　and　grew　to　about15cm　in　average　height

in　late　July，and　to　a　maximum　height　of25cm　in　early　August（see　Photograph11）．Surface　conditions

at　the　measurement　point　were　shallow　puddles（pond），much　wetter　than　at　the　IBP　site．Thaw　depth

at　the　lowland　was　almost　zero　in　Jme8and　the　permafrost　dissolved　up　to　a　maximum　depth　of29cm

in　early　August，while　the　maximum　depth　at　the　bank　was44cm　at　the　same　time（Fig．5）．

52Daily，variations　of　heat　budget　com加nents

22 Misc．Publ．Natl．Inst。Agro－Envlron．Sci．，No。16（1995）

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Variations　of　thaw　depth　at　the　IBP　site．Refer　to　Fig．3for　characteristic　surface

features．

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　　　Fig．5　Variations　of　thaw　depth　at　the　Central　Marsh　site．

829

Harazonoε砲」．l　Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 23

1）Heat　budget　analysis

　　　　　The　heat　budget　of　a　ground　surface　is　given　by　the　equation，

　　　　　　　　　　1～n＝H＋E＋G　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（18〉

where　Rn，H　and認are　the　net　radiation，sensible　heat　flux　and　Iatent　heat　flux（l　is　the　latent　heat

of　the　vaporization　of　liquid　water　and．E　is　the　evaporation　rate），and　G　is　the　heat　flux　through　the

soil　surface（W／m2）．In　the　turbulent　boundary　layer，the　diffusion　velocity　of　water　vapor　is　assumed

to　be　equal　to　that　of　heat（Monteith，1973）。The　Bowen　ratlo，βis　defined　as　the　ratio　of　sensible　to

latent　heat　flux　as　the　middle　of　equation（19）．Thusβcan　be　determined　from　the　gradients　of

temperature　and　humidity　as　follows：

　　　H　　　△7乙

βrrγ△6、（19）

whereγis　the　psychrometric　constant，and△7ムand△6a　are　vertical　gradients　of　air　temperature　and

vapor　pressure。Energy　fluxes　of∬and　IE　can　be　determin。ed　using　Bowen　ratioβand　measured　values

ofノ～ηand　G　as　follows：

　　　　　　1～究一G万＝β　　　　　　　1＋β

　　　　R％一〇E＝　　　　　1＋β

⑫0）

（21）

2）Typical　results　of　heat　budget　over　the　tundra　at　the　IBP　site

　　　　　Fig．6shows　the　daily　pattems　of　the　heat　budget　components，R％，昭，E　and　O　at　the　IBP　site

in　mid－June（a），1ate　June（b），mid－July（c），late　July（d）and　early　August（e）．

　　　　　Before　mid－July，the　sensible　heat　flux　H　accounted　for　most　of　the　net　radiationノ～％，and　the

contribution　of　latent　heat　flux　to　R％was　sma1L　The　wind　with　low　temperatures　and　high　humidity

blew　over　the　Arctic　tundra　frequently　which　caused　hig且sensible　heat　flux．The　contribution　of　E　to

1～％was　about75％，and　that　of　IE　was12％in　the　earlier　half　period　of　measurement（from　June15to

July　l7）．

　　　　　During　the　mid－summer（1ate－July）the　daily　maximum　of　the　latent　heat　flux　often　exceeded

24 Misc．Pub1．Natl．Inst．AgroEnviron．Sci．，No．16（1995）

100W／m2，and　its　contribution　toノ～n　increases　to34％．The　contribution　of　H　was　about55％．

　　　　　In　the　period　of　late－summer（from　August）ノ～％decreased　significantly　which　caused　a　decrease

of　H　and　G，though　the　level　of　IE　was　almost　the　same　as　that　of　mid－summer（about3MJ／m2day）．

The　contribution　of認to　Rηwas44％，and　that　of　H　was45％．The　increasing　trend　of昭was　caused

by　a　deepening　of　the　thaw　depth　as　shown　in　Fig．4and　Fig．5．

　　　　　The　contribution　of　soil　heat　flux　G　to　Rn　was　within1145％for　each　clear　day．

Harazono6砲1』Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993

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26 Misc．Pub1．Natl．Inst．AgroEnviron．Sci．，No．16（1995）

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24

Fig。6 Daily　variations　of　the　heat　budget　components　for　representative　days（a：mid－

June，b二late　June，c＝midJuly，d：late　July，and　e：early　August）at　the　IBP　site．

五～n：net　radiation　flux，H：sensible　heat　flux，1E：1atent　heat　flux，G：soil　heat　flux．

Harazonoα認．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 27

5．31ntra－season　variation　of　the　micrometeorological　characteristics　over　the　tmdra

　　　　　Fig．7represents　the　seasonal　trend　of　the　daily　summation　of　downward　solar　radiationノ～sゴnet

radiationノ～㌶，and　soil　heat　flux　O．Fig．8representsthe　seasonal　trends　ofdaily　average　air　temperature

ルand　absolute　humidity。4H　of　the　air、（height2．l　m），and　Fig。9represents　daily　average　wind　speed

of　the　highest　leve1αand　wind　direction（height4．7m）over　the　tundra．Daily　average　values　were

calculated　using　each30minute　average．

　　　　　The　daily　accumulation　ofsolarradiation　accountedformorethan25MJ／m2perday　onclear　and

relatively　Iow　wind　speed　days　in　the　earlier　half　of　measurement（from　ruid－Jme　to　midJuly）which

was　almost　the　same　as　that　measured　at　the　central　part　of　Japan　in　summer．Net　radiation　ranged

from8to18MJ／m2par　day　in　late　July，thendecreasedwithsolarradiation．Soilheatflux　also　changed

with　Rs4and／or∫～η，but　the　amplitude　of　the　fluctuation　was　smaller　than　those　of　Rs4and　R％．The

long　term　trend　of　the　contribution　of　G　to　Rn　did　not　change　remarkably　those　values　ranging　within

ll45％ofノ～”．The　share　ofノ～n　to　Rs4was　smaller　in　the　earlier　half　period　of　the　measurement

compared　to　the　Iatter　half，because　of　the　continuous　solar　radiation　of　the　mid　night　sun．Solar　energy

mainly　contributed　to　sensible　heat　by　Iate　July，but　after　August　there　was　a　few　clear　days　and

radiative　cooling　at　night，thus　the　solar　energy　did　not　contribute　to　the　sensible　heat．

　　　　　The　amplitude　of　the　daily　average　air　temperature　was　large　in　mid　summer，while　the　level　of

absolute　humidity　did　not　change　remarkably．The　maximum　alr　temperature　waもobserved　in　mid

July，which　was　almost　three　weeks　after　the　peak　of　solar　radiation．Higher　air　temperatures　of　more

than20℃were　observed　in　the　aftemoon　under　both　low　wind　speed　and．clear　conditions，while，10wer

air　temperatures　of　less　than　O℃were　observed　on　windy　and　foggy　days．

　　　　　Windspeed　overtheArctictundra　wasrelativelyhighalmosteveryday，andsometimesthedaily

average　exceeded10m／s，of　which　the　hourly　average　exceeded15m／s．These　high　wind　speed　might

provide　a　large　portlon　of　sensible　heat，especially　in　the　measurement　period　before　mid－July。Wind

direction　changed　almost　every　day，and　the　dominant　wind　direction，which　was　different　from　the

dominant　direction　reported　by　Herbertαα1（1991），was　northwest　and　east　to　southeast．

28 Misc，Publ．Nat1。Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

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8／2 8／17

Fig．7 Variations　of　daily　fluxes　of　solar　radiation，net　radiation　and　soil　heat　over　the

Arctic　dry　tundra　at　the　IBP　site　during　the　observation　period．

Harazono6加1．：Micrometeorological　Data　and　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 29

lBP aveTrend615－825

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Fig．8 Variations　of　daily　mean　temperatureル，daily　mean　absolute　humidity、4Hover　the　Arctic　dry　tundra　of　the　IBP　site．

30 Misc．Pub1．NatL　Inst．Agro－Environ．Sci。，No．16（1995）

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Fig．9 Variations　of　daily　mean　wind　speed乙～（4．7m　in　height）and　wind　direction　at　the

IBP　site．

Harazonoαα」』Micrometeorologic＆1Data＆nd　Characteristics　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，！993 31

6．Data　tables

　　　　　Data　are　listed　as　an　every30minute　average　except　for　the　background　CO2concentration，

B℃02．The　dividing　points　of　the　averagings　are10and40minutes，thereforethe　data　with　a　time　Iabel

of　OO　were　averaged　between41minutes　to10minutes　of　each　hour．Only　the　backgromd　CO2

concentrations　listed　with3time　label　of　OO　were　averaged　from　Ol　to60minutes　of　each　hour．The

symbols　are　shown　as　followsl

Tal

Ta2

Ta3

AH！

AH2

AH3

RHl

RH2

RH3

Tsl

Ts2

Ts3

Ts4

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Rsu

Rn

G

UVb

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Albedo

Ul

U3

U5

air　temperature（℃）at　the　highest　level　of　measurement

air　temperature（℃）at　the　middle　level　of　measurement

air　temperature（℃）at　the　lowest　level　of　measurement

absolute　humidity（g／m3）of　the　air　at　the　highest　level

absolute　humidity（g／m3）of　the　air　at　the　middle　level

absolute　humidity（g／m3）of　the　air　at　the　lowest　level

relative　humidity（％）of　the　air　at　the　highest　level

relative　humidity（％）of　the　air　at　the　middle　level

relative　humidity（％）of　the　air　at　the　highest　level

soil　temperature（℃）at　l　cm　depth　below　the　surface

soil　temperature（℃）at5cm　depth　below　the　surface

soil　temperature（℃）at　lO　cm　depth　below　the　surface

soil　temperature（℃）at20cm　depth　below　the　surface

solar　radiation（W／m2）（downward）

reflection　of　solar　r＆diation（W／m2）（upward）

net　radiation（W／m2）

soil　heat　flux（W／m2）

ultra　violet　radiation（W／m2）

photosynthetic　active　radiation（、μE／sm2）

Albedo；Rsu／Rsd

wind　speed（m／s）at　the　top　measurement　height

wind　speed（m／s）at　the　middle　level

wind　speed（m／s）at　the　lowest　measurement盤eight

32 Misc，Pub1．Nat1．Inst．Agro－Environ．Sci．，No，16（1995）

WDZO

賑

Ri

Df

CO2

B－CO2

wind　direction（deg）specified　from　O　to360degrees　with　clockwise　rotation　from　north

roughness　parameter（roughness　length）（cm）over　the　tundra

friction　velocity（m／s）over　the　tundra

Richardson　number

diffusion　velocity（cm／s）over　the　tmdra

CO2concentration（ppm）over　the　tundra（at　the　same　height　of　Tal）

Background　CO2concentration（ppm）measured　by　CMDL／NOAA．

A　mark　shown　in　this　column　is　represented　in　section4。1．

Harazono6砲1』Micrometeorological　Data　and　Characteristlcs　of　Arctic　Tundra　in　Alaska，1993 33

7．Acknowledgments

　　　　　This　observational　study　was　conducted　as　a　collaboration　between　the　Global　Change　Research

Group　of　San　Diego　State　University（SDSU）（Director，Prof．Walter　C．Oeche1）and　the　Division　of

Meteorology，National　Institute　of　Agro－Environmental　Sciences（NIAES）．Budgetary　support　was

provid．ed　by　the　Science　and　Technology　Agency　Japan（STA）and　the　San　Diego　State　University

Foundation．The　Department　ofWildlife　Management，North　Slope　Borough（DWM／NSB），Barrow　at

Northem　Arctic　Research　Laboratory（NARL）supported　the　observation　by　providing　us　with　a

laboratory，mechanic　shop　and　accommodation　facilities　at　the　Arctic　Research　Facility（ARF）。The

authors　acknowledge　the　persons　of　the　above　organizations，especially　Mr．Benjamin　P．Nageak，

Director　of　the　Department　of　Wildlife　Mallagement／NSB　and　Dr．George　Craig　ofARF／DWM／NBS．

Regarding　the　background　CO2data，we　thank　Dr．Daniel　J．Endres　of　the　Climatic　Monitoring　and

Diagnostic　Laboratory（CMDL），Barrow　Station／NOAA，and　Dr．Pieter　Tans　of　CMDL，Boulder／

NOAA　for　their　efforts．

　　　　　We　also　thank　Mrs．Hiromi　Matsubara，from　the　Lab．ofmicrometeorology，NIAES　forherhelp

with　data　processing，to　Dr．Seisi　Isobe，head　of　the　meteorology　division，NIAES　and　to　Mr．Steven　J．

Hasting，Department　of　Biology／SDSU　for　their　useful　comments，to　Dr．Susumu　Sugihara　and　the　staff

of　the　Intemational　and　Domestic　Liaison　division　of　NIAES，and　to　persons　comected　with　the

Intemational　Research　Division，of　the　Agriculture，Forestry　and　Fisheri“s　Research　Council　Secretar－

iat，MAFF　for　their　support　for　this　observational　study，

34 Misc．Pub1．Nat1．Inst．Agro－Environ．Sci．，No．16（1995）

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