The evidence is now overwhelming that the growing human dominance of the Earth has resulted in significant negative consequences on the Earth's regulatory processes over a broad range of scales, and freshwater systems are no exception. The perturbation of freshwater flows and reserves will continue further in the coming decades because of increase in demand for water, and the changes in availability due to anthropogenic climate change. Therefore, as the concerns over global water resources sustainability increase, the importance of monitoring the Earth's terrestrial water cycle has become increasingly apparent. Moreover, there also remain challenges for agricultural sustainability because significant amounts of additional water will be needed in the future to increase food production for the escalating population in the developing world. Consequently, understanding how the water cycle evolved during the past decades and how it will change in the future under increasing human disturbance and climate variability has become one of the major challenges in hydrology. Adequately addressing such key issues by the accurate predictions of global water resources availability can be achieved only through the development of advanced and integrated assessment models. Therefore, these concerns about global water resources have drawn considerable attention from hydrology and climate research communities in emphasizing the urgent need for developing integrated water resources models which can simulate the impact of anthropogenic activities on the terrestrial water cycle.

Despite numerous advances in the development of land surface models (LSMs) and global terrestrial hydrological models (GHMs), relatively few studies have focused on the impact of anthropogenic activities on the terrestrial water cycle using the framework of LSMs. Comparison of terrestrial water storage anomaly (TWSA) with the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) observations reveals that a process based LSM, namely the Minimal Advanced Treatments of Surface Interaction and Runoff (MATSIRO), outperforms the simple bucket model based GHM H08 in simulating hydrologic variables, particularly in water-limited regions. However, since MATSIRO does not account for the impacts of anthropogenic activities, the anthropogenic water regulation modules derived from H08 are incorporated into MATSIRO. Further, a new irrigation scheme based on the soil moisture deficit is developed. An integrated global water resources assessment model which consists of MATSIRO LSM and human impact modules is thus developed.

Incorporation of anthropogenic water regulation modules significantly improves river discharge simulation in the heavily regulated global river basins. The estimated irrigation water withdrawal for the year 2000 (2462 km3 yr-1) agrees well with the estimates by the Food and Agriculture Organization (FAO). Results indicate that irrigation significantly affects surface energy balance with increase in latent heat flux (or evapotranspiration) as high as 50 W m-2 in highly irrigated areas in northwest India and Pakistan. However, increase in latent heat flux averaged over global irrigated areas is rather small (~2%). Moreover, unsustainable anthropogenic water use is estimated to be ~450 km3 yr-1 for the year 2000, which corresponds closely with documented records of groundwater overdraft, representing an encouraging improvement over the previous modeling studies. Globally, unsustainable water use accounts for ~40% of total blue water used for irrigation. Further, the role of artificial reservoirs on terrestrial water storage (TWS) simulations is also investigated. It is found that representing reservoir storage in the model notably improves TWS simulations, particularly in the highly regulated river basins.

The developed modeling framework is then applied to reconstruct the hydrological cycle during the past half century. Results indicate that human activities have significantly affected TWS and freshwater discharge to the inland seas and global oceans. Summing up the contributions of artificial reservoir water impoundment, unsustainable groundwater use, and climate-driven TWS change, and combining the results for two periods 1951-2000 and 2001-2007, the net effect on global sea level change over the period 1951-2007 is an increase by 0.53 ± 0.08 mm yr-1. For the period 1961-2003, the net effect is an increase in sea level by ~0.74 mm yr-1 which of comparable magnitude to the unexplained sea level rise estimated by the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), while for the period 1993-2003 the estimate of ~1.5 mm yr-1 is higher than the reported sea level rise. It is also found that the development of large-scale irrigation in the Aral Sea drainage areas reduced the inflow to the sea by ~10 km3 yr-1.

Furthermore, a fully dynamic groundwater representation and a newly developed pumping scheme are incorporated into the integrated model, thus leading to the development of an integrated model that accounts for Human Impacts and Groundwater representation in MATSIRO LSM (HIGW-MAT). The model simulates global groundwater withdrawal (~630 km3 yr-1) well as compared to the documented records of global groundwater abstractions. Simulated groundwater withdrawals for the principal aquifers in the United States compare well with the observations by the United States Geological Survey (USGS). For the High Plains Aquifer simulated total groundwater withdrawal of ~23 km3 yr-1 corresponds closely with ~24 km3 yr-1 estimated by the USGS for the year 2000. Simulated groundwater depletion in the high plains aquifer is also evaluated against the observations from the GRACE satellite mission for the period 2002-2007. Even though the model tends to exaggerate groundwater depletion as compared to GRACE observations, simulated results indicate a decreasing trend of groundwater storage and that corresponds well with USGS observations. It is found that water levels averaged over the entire aquifer area declined by 20 cm yr-1 from 2002 to 2007.

Finally, the integrated model is used to assess global water resources; global water scarcity is studied using various water stress indicators, and model application for the estimation of global hydropower potential is also briefly discussed. In consensus with the previously reported estimates, results of this study indicate that ~34% of the global population currently lives under severe water stress conditions. The estimated global theoretical hydropower potential of ~49000 TWh yr(-1) is found to be higher than previously reported.

The consideration of human impacts and explicit representation of groundwater movement and pumping within MATSIRO makes the model a suitable tool for assessing potential anthropogenic impacts on global water resources. In this dissertation, the modeling framework is used for offline simulations. However, since MATSIRO has been developed with a direct linkage to the parent climate model MIROC, the developed framework is ready to be coupled with MIROC to assess potential human impacts on the global climate system and the associated feedbacks.

人間活動が地球環境にも多大な影響を及ぼしていることが認識されるようになってきたAnthropocene (人間紀)とも呼ばれる現代において、グローバルスケールでも現実の水循環は自然の水循環とは大きく異なり、灌漑や工業用水、生活用水などへの取水、ダムによる堰き止め、貯水池への貯留とその水の放流、さらには流動が極めて遅く化石水とも呼ばれるような地下水の汲み上げなど、人間活動の影響を色濃く反映している。

今後、途上国を中心として人口が増大し、増えた人口が都市に集中し、さらには経済発展も加わって、水需要が集中し、淡水資源を確保し、安定して供給することが難しくなることが懸念されている。人口増加と経済発展は飼料用も含めた食料需要をも増大させ、今後の食料増産を支えるためにも淡水資源がますます必要とされることになる。

水循環の観測データはグローバルには密度が低い地域も多く、適切な推計が可能な対象領域は限定されるため、世界の水資源供給を支える水循環の現状と利用可能性、今後の展望について的確に把握推計するためには数値モデルによるシミュレーションが効果的である。

これまでにも陸面モデルやグローバルな水文モデルによってそうした地球規模の水循環、世界の水資源に関する推計が行われてきたが、現実の水循環に多大な影響を及ぼしている人間活動を陽に考慮した研究は少なく、気候モデルの陸面境界条件を与えるために元来発達してきた陸面モデルではほとんど行われたことはなかった。

そこで、本研究では、陸面モデル(Minimal Advanced Treatments of Surface Interaction and Runoff; MATSIRO)に、ダム貯水池への貯留と灌漑需要に合わせた放流、その推計に必要な農地での作物の作付と生育・栽培、あるいは工業用水や生活用水への取水などの人間活動を表現するサブモジュールや環境用水要求量算定モジュールをH08モデルから移植し、さらには地下水面の変動も陽に算定できるようにした新たな人間-自然系の水循環・水資源モデル(Human Intervention and Ground Water MATSIRO; HiGW-MAT)を開発した。

第1章では、研究の背景が述べられ、グローバルな水循環と世界の水資源研究の重要性と研究のギャップが、既存研究のレビューと共にまとめられている。

第2章では、本研究で構築した新たな人間-自然系の水循環・水資源モデルの基礎となった陸面モデルなどが説明されている。

第3章では、新たなモデル開発の解説ならびに、そのモデルの精度評価結果がまとめられている。河川流量データ、各国の灌漑水量統計データなどで精度を検証し、比較的シンプルな水循環・水収支算定アルゴリズムが組み込まれている元々のH08に比べて、乾燥地や融雪が支配的な地域において、MATSIROの方がより適切に水循環・水収支をシミュレーション可能であることが示された。さらに、土壌水分の欠損量に応じて灌漑を行う新たなスキームも開発され、各国の統計値と非常によい対応を見せること、また、人間活動を組み込むことによって世界の代表的な大河川の流量シミュレーションも改善されることが示されている。

こうして構築された人間活動を組み込んだ陸面モデルによる推計では、世界の灌漑取水量は2000年時点で年間2,462km3であり、国際連合食糧農業機関(FAO)の統計値2,660km3/年とよく対応している。また、灌漑の影響によって年平均の潜熱フラックス量が最大で50W/m2上昇している領域もパキスタンなど一部の地域で見られることが明らかとなっている。

第4章では新たに構築されたモデルにおいて、貯水池での貯留・放流を考慮することが、陸面総貯留量の推計にどの程度効果的であるかが、衛星からの重力測定による陸面総貯水量変動観測値との比較によって調べられた。その結果、新モデルによって人工貯水池を組み込むことが衛星観測との対応を向上させることが示されている。

第5章では、1951年~2000年の平均的な水収支ならびに、1951~2007年にわたる長期の水循環変動に対する人間活動の影響が評価された。ダム貯水池に人間が水を貯めると海水面を押し下げる効果がある一方、化石水と呼ばれる循環していない地下水を汲みだすと海水面を上昇させる効果があることに着目し、土壌水分など陸水貯留量の変化が海水面に及ぼす影響も含めて推計し、これらの要素全体として、正味では押し上げる効果があること、そしてその0.7mm/年といった値が、IPCC、気候変動に関する政府間パネルの第4次報告書では、氷河や氷床の融解、海洋表面の膨張だけでは観測されている海面上昇を十分に説明しきれないギャップとして記載されていた未知の上昇分をちょうど説明できる可能性があることなどが明らかとなった。

第6章では地下水を陽に取り扱うモデルが組み込まれた結果が示され、アメリカ中西部など、検証データがある地域や、各国統計などと比較され、ばらつきは大きいもののマクロな地下水くみ上げ量などは適切にモデルで再現されていることが示されている。

第7章では、本研究で開発された人間活動も考慮したグローバルな水循環・水資源モデルを用いて、水不足、水ストレス指標や世界の潜在的な水力発電可能量を推計した応用例が紹介されている。

第8章にはこれらのまとめと、今後の展望が記述されている。

このように、本論文はこれまでグローバルな水循環研究では陽に考慮されていなかった人間活動を気候モデルの陸地境界条件部分である陸面モデルに組み込み、より現実的な水循環を再現し、人間活動の影響を的確に評価することを可能にしたものであり、今後の水資源計画や水マネジメントに取り入れられる要素があるばかりではなく、気候変動において不確実性が高いため従来は推計不可能であった水循環に対する直接の人間活動が海水面変動に及ぼす影響をも定量的に算定するなど、学術的にも大きく貢献するものである。

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。