Water is a basic necessity for sustaining life and development of society. Proper management, protection and exploitation of the water resources is a challenge imposed by population growth, increasing pressure on water and land resources by competing usage, and reduction of scarce water resources in many parts of the world especially in arid and semi arid areas.

　The effectual management of water resources needs hydrological components. These components are usually hard to obtain directly from observation and then they must be simulated. The land surface as a key component of climate and hydrological processes controls the partitioning of available energy at the surface between sensible and latent heat, and the partitioning of available water between evaporation and runoff. A number of Land Surface Models (LSMs) have been established and developed for simulating land surface process and estimating hydrological components. These models include radiation transfer, evaporation, transpiration, snow, runoff, and so on considering the effects of vegetation, and solve the energy and water exchange between land and atmosphere as the vertical one-dimensional processes.

　This research has aimed to estimate available freshwater resources in cold and semi arid area by a land surface model. MATSIRO (Minimal Advanced Treatments of Surface Interaction and Runoff) land surface model has been used in this study. To achieve the main objective, there were some sub-objectives such as evaluation of applicability of downscaled global data set in regional scale with low density of meteorological stations; providing distributed forcing data including precipitation, air temperature, wind speed, surface pressure, cloud coverage, long and short wave radiation, and specific humidity via limited regional observed data; detecting effective physical process on the simulation; and identifying effective parameters of the land surface model on simulation improvement.

　The study area namely Ardebil area with a low density of meteorological stations is located in cold and semi arid area in the North-West of Iran. There is limited by latitudes 37°49'N and 38°30'N and longitudes 47°45'E and 48°40'E. The total area of its main river basin is equal to 4148 km2. About 990 km2 of this area is plain and remainder is the mountain area. The annual precipitation in the study area is about 340 mm.

　Applicability of downscaled global data set in regional scale has been investigated by carrying out one dimensional simulation of land surface processes in the study area for two years 1987 and 1988. Necessary atmospheric forcing data for this simulation were available as global data sets from ISLSCP-I (International Satellite Land surface Climatology Project) data collection and also as observed data sets from Iran meteorological organization. Required external parameters such as soil type, land cover, Albedo, and Leaf Area Index (LAI) have been obtained from online global data sets. The obtained results showed that using down scaled precipitation data obtained from ISLSCP-I data collection (instead of local observed precipitation data) in regional water balance calculation has made considerable error in simulated runoff.

　In order to make spatial distributed simulation of land surface processes with hourly time step and a spatial resolution of approximately 1 km (30 seconds) mesh; the required distributed forcing data have been provided by using available observed meteorological data sets. The three-dimensional IDW (Inverse Distance Weighting) method for incorporating elevation into spatial interpolation of precipitation has been introduced and used. Also precipitation gauge correction considering the wind-induced systematic error of solid precipitation measurements; has been taken into account in providing distributed precipitation data. The evaluation of applicability of regression method in making distributed air temperature data showed that this method couldn't include elevation effect when the standard deviation of observed values at each time step is small.

　To evaluate simulated results, simulated runoff has been routed by using TRIP (Total Runoff Integrating Pathway) river routing model and then calculated discharges have been compared with observed ones. Also since the main basin located in Ardebil study area is small basin, the areal average of daily simulated runoff (output of the land surface model) has been directly compared with observed daily runoff at outlet of the main basin. The percentage of area of each grid cell which covered by snow is one of the land surface model's outputs. Satellite based snow covered area data with resolution 8km and 10 days derived from the Pathfinder Advanced Very High Resolution Radiometer Land (AVHRR PAL) data set has been used for evaluation of simulated snow covered area.

　Snow/rain separation, effects of snow covered area on air temperature, and soil freezing have been detected as effective physical processes on simulation of land surface process in the cold and snowy area. Using distributed air temperature data provided by lapse rate method improved simulated snow covered area. Applying adjusted air temperature only for snow covered area improved simulated snowmelt timing.

　The threshold temperature of snow/rain separation and soil freezing point were identified as effective parameters of the land surface model on simulation improvement. The simulated results showed that increasing threshold temperature of snow/rain separation from 0 ℃ to 4 ℃ decreased some peaks in simulated runoff where no peaks in observation and decreasing soil freezing point improved the amount of simulated runoff.

　水循環は人類を始めとする生物を支える根源であり、特に乾燥域や半乾燥域においては増大する人口や水需要に対して適切に水資源を管理するためには水循環に関する情報が不可欠である。しかしながら、水循環に関する観測情報は限られているため、数値モデルを利用しつつグローバルデータに基づいて地域的な情報を推定したりする必要がある。

　本論文は、陸面水文植生モデル(LSM)のひとつであるMATSIROを用いて寒冷半乾燥地域の水資源量を推定したものである。LSMは、本来大気大循環モデルに組み込まれて大気にとっての陸上での下部境界条件である陸面からの運動量、潜熱、顕熱などのフラックスを算定するために開発されたものである。主として洪水時における降雨量から河川流出量あるいは河川流量を算定する従来の水文流出モデルとは異なり、地表面における水収支に加えてエネルギー収支も同時に解いており、また、積雪や融雪、あるいは植生の効果が加えられていることによって特に蒸発散の算定精度が高いことが期待される。

　本論文ではイラン西北部のArdebil川流域(流域面積4148km2)を対象としたケーススタディが行われた。

　まず、先進国ほどには豊富でないにせよ何地点か利用可能な現地データが収集され、西暦との対応付けや必要に応じて紙ベースのデータのデジタル化が行われた。次に、そうしたまばらな地上地点観測データと、衛星や地点観測データの空間内挿等によって作成されているグローバルなデータセットを用いて、MATSIROを1次元で利用した感度実験が行われた。降水量、気温、風速、地表面気圧、雲量、下向きの短波放射量ならびに長波放射量、そして湿度などMATSIROの外力として必要な気象パラメータの中でも、やはり降水量の感度が高く、限られた地上降水量データに基づいて空間内挿で作成されたと推定されるISLSCP-Iに含まれている降水量に基づいた計算では年の水収支が大きく異なって推定されることが示されている。

　さらに、格子点間隔30秒(約1km)での水平2次元に拡大してMATSIROにより日単位での水収支、河川流下モデルを介した河川流量のシミュレーションが行われた。地点データは距離の逆自乗に比例して内挿されたが、降水量に関しては標高方向の距離も重みをつけて考慮され、いわゆる降水量の地形効果も取り込まれ、適切な重みも検証され提案されている。気温に関しては、流域内外の地点からの内挿では標高依存性が適切に表現されなかったため、気温減率を仮定した手法が用いられた。湿度は相対湿度で空間内挿された後、気温情報を用いて絶対湿度に変換された。また、降水量観測に関する風速の影響も補正されている。

　しかしながら、これらを考慮した標準のコントロール実験では、観測流量データには見られない降雨と融雪に伴う流量ピークが冬季期間中にみられ、また、融雪時期も1ヶ月程度早く終了していて、水循環シミュレーションとしては上出来とはいえない結果であった。これは、標高1000〜3000mにも及ぶ高所で、かつ、年降水量が300〜400mm程度と半乾燥地域であり、かつ、冬雨夏乾燥の地中海性気候において、河川流出はもっぱら融雪期である、という極めて微妙なメカニズムをMATSIROでは十分注意を払って表現できていなかったのではないか、ということが推察された。

　そこで、降水量が雪になるか雨になるかの閾値、土壌温度が低下するに連れて土壌の浸透能が低下する基準温度、積雪面上では広域平均よりも気温が低下している効果、などを考慮し、流量が適切に再現されるよう、物理的メカニズムを考慮したMATSIROのパラメータ改善が図られた。その結果、-4度の気温補正、雨雪判別の閾値摂氏2度、土壌凍結によって不透水となる温度を零度から-1.5度にすることなどにより、流量変化のみならず、積雪面積率に関しても衛星観測に対照して大幅に改善されることが明らかとなった。

　以上、本研究では、利用可能な観測データが極めて限られている条件下で、陸面水文植生モデル(LSM)を利用して地域の水循環情報を推定しようとする際の様々な技術的検討とその知見が示されており、かつ、気候変動研究に利用されているLSMの水文過程で十分な検討・検証がなされていなかった半乾燥地における融雪流出過程に関してより適切な取り扱いを提案するものである。流量のみで数値計算の検証が行われることの多かった水循環シミュレーションで衛星観測による積雪面積をも利用して検証されたことも評価される点であり、有用性に富む研究成果と評価できる。よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。