Backup of Projects(No. 6)

 
 
 

波およびサブメソスケールダイナミクスを考慮した黒潮海域における海洋構造の再現---超高解像度領域海洋モデルとスペクトル波浪モデルの連成並列計算による地球環境研究のパラダイムシフト †

 

　黒潮は北太平洋亜熱帯循環の西端に形成される西岸境界流であり，その流量は毎秒約3000万m3（全世界の総河川流量の30倍に相当）にも達する．北緯15度付近を西進する北赤道海流はフィリピン沖で南進するミンダナオ海流と北進する黒潮に分岐し，黒潮は陸棚に沿って琉球列島西側を北上，トカラ海峡で方向を転じ，日本南岸へ至る．日本沿岸では，四国・紀伊半島沖から伊豆海嶺の間において10数年に一度大きく離岸する「大蛇行」によって特徴付けられるように，頻繁にその流路を大きく変動させる．黒潮の主流は表層500m程度までに集中しており，傾圧性の強い流れであるため，蓄積された位置エネルギーが運動エネルギーへと開放される傾圧不安定によって大蛇行が生じるものと考えられる．流路パターンは概ねその平均流量によって規定されており，低流量で直進，高流量で蛇行，中流量では多重平衡状態となり，その両者の間をカオス的に行き来する．特に中流量時に遠州灘沖で観測される黒潮流路変動はメソスケール渦（準地衡流バランスによる中規模渦）によると考えられている．このように様々な時空間スケールで変動する黒潮流路であるが，流路変動のメカニズムは未だ解明されていない．特に急峻な沿岸・海底地形との相互作用や，波浪などによる小スケール（サブメソスケール）での運動量の水平・鉛直混合過程の影響など，スケール間の相互作用の解明が急務となっている．

　一方，海洋流動に対する波の影響には，Stokes driftとコリオリ力の相互作用，それに伴う海洋表層Ekmanバランスの改変，海洋渦とStokes driftとの相関，砕波による波から流れへの運動量輸送，Langmuir循環による表層混合の促進などがある．反対に波動場は，流れによってドップラーシフトと屈折変形を受けるため，平均流や海洋渦を変化させるフィードバック作用を持っている．このように，波は地球規模での海洋のダイナミクスや海洋乱流のエネルギーバランスを考える上で潜在的に重要な役割を果たしているにも関わらず，McWilliams et al.（2004）によって波形勾配に関する弱非線形近似などの仮定の下に位相平均されたprimitive方程式が整理されるまではこれらを記述する術がなかったため，一部のごく単純化された理論や要素実験を除くと，統一的に検討されることはなかった．これに対し我々は，McWilliams理論を強非線形波のregimeまで拡張し，上記のような波の影響を全て考慮した一般的な理論体系を構築し，海洋モデルROMSに組み込むことに成功した（Uchiyama et al., 2010）．同じ北太平洋亜熱帯循環の東岸境界流であるCalifornia海流に対する予備的な実験（Uchiyama et al., 2010, Ocean Sciences Meeting）によれば，流れに対する波の影響は顕著であり，平均流速を最大で30％強化し，海洋－大気界面プロセスを左右する混合層厚さを20％程度変化させるなどの事実が明らかになっている．流量も気象変動もより大きい西岸の黒潮海域では，さらに強い影響を受けることが予想される．

　以上のような背景および予備的な検討成果を踏まえ，本研究では，最先端の領域海洋モデルROMSおよびスペクトル波浪モデルを用い，マルチスケール多段ネスティングにより，グローバル海洋データからスタートして西太平洋全域（解像度10km），東アジア沿岸（解像度3km），および日本沿岸（平解像度1km）へ4段階でダウンスケールすることにより，グローバルからサブメソスケールまでの現象を再現可能な超高解像度シミュレーションを行い，海盆規模（basin scale）の流れと波動，複雑地形，内部潮汐，メソ・サブメソスケール渦や乱流などを全て考慮した形で黒潮の統計的特徴を再現・抽出する．そして波浪を考慮した場合としない場合の双子実験を行い，黒潮流路変動に代表される海洋流動と波浪との双方向的な相互作用について定量的に評価することを試みるものである．鍵となるのは超高解像度モデルによるサブメソスケール現象の再現と，波－流れ相互作用を考慮する点に集約され，最新の理論と計算技術を駆使することにより黒潮流路動態研究に新たなブレークスルーをもたらすことが大いに期待される．

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瀬戸内海全域を対象とした高解像度海洋モデルの開発に基づく外洋影響を考慮した広域流動の動態把握と内湾環境保全戦略 †

 

　瀬戸内海では，東京湾や伊勢湾と同様に，高度経済成長期以降の環境悪化に伴い海域に流入する窒素やリンの総量規制を行ってきたが，近年の海域水質は横ばい，あるいは底層酸素量などの項目ではむしろ悪化傾向にあると報告されている．瀬戸内海は種々の有用水産生物が生息している生産力の高い海域であるが，水質低下とシンクロして水産資源の減少が懸念されており，漁獲量は1987年頃から減少傾向にあり，2000年以降はピーク時（1982年）の半分程度で推移している．その主たる原因は海域の富栄養化や藻場干潟の消失などによる生息環境の悪化であるとされ，水産資源の回復と適切な管理が望まれる．そのためには海域環境を適切に評価し，最適な環境保全戦略を策定する必要があり，アセスメント・海況予報ツールとしての瀬戸内海の物質輸送と流れを精緻に再現する数値流動モデルを開発することが急務となっている．

　瀬戸内海は多くの海峡と複雑な地形，大小様々な島嶼を有するため，これらを正確に表現することが流動モデリング成功への鍵となる．また，内湾の物質拡散や乱流エネルギー収支において主要な役割を果たすサブメソスケール渦は1～数km程度の空間規模であるため，このような沿岸域の海洋構造を正確に再現するためには，最低でも500m程度以下の水平解像度で評価しなければならない．一方で，瀬戸内海の平均的な流動は黒潮流路変動の影響を強く受けていること（駒井ら，2009），湾内を通過する流量は約10年周期の変動し，多くの年では豊後水道から流入して紀伊水道から流出すること（藤原ら，2006），その流量は瀬戸内海に流入する全一級河川の総流量の10倍にも達することなどが分かりつつある（中山ら，2009）．太平洋全体の風成循環の一部である黒潮流路もまた，10年程度の周期で間欠的に直進から大蛇行へレジームシフトすることがよく知られており，結局，瀬戸内海の流動は，内因的な潮汐残差流や密度流に加え，黒潮などを通じてグローバルな環境変動の影響を強く受けて形成されている．

　本研究ではまず，瀬戸内海環境アセスメントのための中核ツールとして，四国沖太平洋側から瀬戸内海にかけての広範な海域に対応した新世代の超高解像度3次元海洋流動モデルを開発する．次いで，2004年の黒潮大蛇行時を含む最近15年間分の再解析を行い，瀬戸内海の広域流動の中長期的な動態把握，瀬戸内海を構成する湾・灘（大阪湾，播磨灘，広島湾等々）間の海水交換と平均滞留時間，稚魚類・動植物プランクトンの行動モデルを組み込んだラグランジュ粒子の3次元追跡を行い，瀬戸内海内部の物質・生物分散と，紀伊水道，豊後水道，関門海峡を通じた外洋との海水交換機構を解明することを主たる目的とする．

　具体的には，データ同化された西太平洋海域渦解像海洋モデルJCOPE2（Miyazawaら，2009）から開始し，ROMS（Regional Oceanic Modeling System，Shchepetkin & McWilliams，2005）を用いて合計3段階でダウンスケールする．つまり，JCOPE2（解像度約10km）→ROMS-L1（同2km） →ROMS-L2（同500m）と順次入れ子状に領域を収斂させ，外洋からの地球規模環境シグナルを取り込みつつ，微細な地形特性や内因的なサブメソスケール渦などの乱流をも詳細に再現することの可能な枠組みを構築する．瀬戸内海流動に対して本質的な重要性を持つ河川からの淡水流入も当然ながら考慮しつつ，15年間の再解析を実施する．また，2年目以降には，ラグランジュ粒子の時間逆行計算と水質－生態系モデルとのカップリングを行い，浅海生物の起源および黒潮を考慮した瀬戸内海生物ネットワーク形成について調査，流れの相関を評価することにより，戦略的な内湾環境保全計画の策定に直接貢献することをプロジェクト全体のゴールとして設定している．

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Vortex force理論に基づく新しい位相平均プリミティブ方程式による海浜流場の3次元構造の解明---海岸・海洋工学の新展開 †

 

　沿岸域流動の時空間的構造の実態把握と定量評価は，地球物理学的には海洋循環の境界条件を与え，土木工学的には，a) 津波や高潮など沿岸災害の評価・予測，b) 海岸侵食対策，c) 海洋構造物の性能設計，d) 生態系や環境の保全技術の確立等に対して第一義的に重要である． Michael Longuet-Higginsによって1950年代後半から1960年代に提案されたradiation stressは，風波によって駆動された沿岸の流れをグロスに記述しうるほぼ唯一の理論であった．弱非線形波，WKB近似などを駆使し簡便な数学的表記に帰着させることにより，工学分野では一定の成功を収めていたが，一方では3次元への拡張性が極めて低く，密度成層や地球自転の効果が欠如しているなど，著しく一般性の欠けた概念であった．これに対して我々は，海洋表層で生じるLangmuir循環を記述するために1970年代にCraikとLeibovichによって導出された，Navier－Stokes方程式非線形項のHelmholtz分解に基づくvortex force理論の拡張性の高さに着目し，マルチスケール漸近展開を用いて波動に関して位相平均されたプリミティブ方程式を導出し，領域海洋循環モデルROMSに組み込んだ（Uchiyamaら，2009；2010）．この理論とモデルは，原理的に海洋物理学に求められるほぼ全ての現象を統一的に包含しているため一般性が非常に高く，精度的にもradiation stressをはるかに凌駕し，なおかつこれまで別個に扱われていた沿岸流動と地球規模の海洋流動とをシームレスに接合することが可能な画期的なツールであり，その応用を通じて海岸工学，海洋物理学分野にパラダイムシフトをもたらすことが期待される．

　本研究では，上記の枠組みを応用し，海岸工学分野における典型的な流体力学的問題である海浜流系統の発達過程を精緻に調査し，今まで全く把握されていなかった海浜流の3次元像を明らかにすることを主たる目的とする． 3次元海浜流場では，1）砕波による岸向き表層流とそれを補償する沖向き低層流に代表される鉛直循環流の形成，2）沿岸方向圧力勾配に伴う1）の変形と流れの3次元化，3） 1）の機構に伴う鉛直シア不安定の発生，4）渦度のストレッチ作用などによるエネルギーカスケードの促進， 5） vortex forceによる岸沖方向のstreak構造の発生，などが新しい現象として発見されるものと予想している．これらはいずれも本研究の枠組みがあって初めて再現・解析可能なものであり，本研究の海岸・海洋工学分野に対する学術的インパクトは計り知れない．

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福島第一原発を放出源とした放射性セシウムの沿岸海洋分散に関する研究 †

 

　2011年3月11日に発生した東日本大震災に伴う巨大津波により，東京電力福島第一原発の原子炉3機で水蒸気爆発が生じ，3月12日から現在に至るまで，炉心や燃料棒の冷却のために海水や淡水が営々と注入されている．注水された水は放射能汚染水となって施設内に貯まり続け，再循環システム稼働以前には重大な漏水事故が惹起された．判明しているだけで4月16日に2号機から4,700 TBq，4月4〜10日に緊急計画放出により 150 GBq，5月10〜11日に3号機から 20 TBq（いずれも推定値）の放射性物質が海洋へ放出されたと報告されている．

　電中研・JAMSTEC/文科省・仏 SIROCCO による先行研究は，いずれも放出後の放射性物質の海洋での分散は速やかに行われ，その大半は黒潮続流により北太平洋中緯度域方向へ輸送されることを示唆していた．しかしながら，沿岸域の流れは海岸海底地形，河川流出，波浪等の影響を受けるため，準地衡流的な沖合流動によるものとは異なる分散パターンを生じる可能性がある．特に半減期 30 年のセシウム137（137Cs）は海岸周辺の底質に吸着することにより沿岸域を再循環し，中長期にわたって海洋汚染を引き起こす可能性も否定できない．本研究では，領域海洋循環モデル ROMS（Shchepetkin & McWilliams, 2005）を用いたダウンスケーリング高解像度数値実験により沿岸域での放射性物質の分散特性を定量化することを最終的な目的とする．これまでのところ，2段階のネスティングにより水平解像度 1 km までのダウンスケーリングに成功，その結果を用い，再現性の確認と沿岸域での放射性物質（137Cs）濃度出現パターンを解析している．

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南カリフォルニア湾の沿岸域流動・物質分散に対するサブメソスケール乱流および波浪の影響に関する研究 †

 

　米国西海岸・南カリフォルニア湾の中央部付近に位置するサンタモニカ湾（SMB）は，後背地に人口密集都市ロサンゼルスを抱え，人間活動の影響を色濃く受ける半開放性海域である．SMB は沖合を南進するカリフォルニア海流と，岸近くの中層部を北進するカリフォルニア反流から構成されるカリフォルニア海流システム（CCS）の縁辺部に位置し，春期の北西風による沿岸湧昇や，陸域からの負荷の影響を受ける生産性の高い海域である．この SMB 中央部の沖合約 8km（5 mile）地点の海底には Hyperion Treatment Plant（HTP）からの 2 次処理水排水口があり，平均毎秒約 15 トンの処理水が恒常的に放出されている．ロサンゼルス市では老朽化に伴う排水口の更新を予定しており，排水口位置を沿岸約 1.6km（1 mile）の地点に移設することを第 2 案として検討している．本研究では，領域海洋循環モデル（ROMS；Shchepetkin andMcWiilams, 2005, Ocean Modell.）をベースに，外洋からの遠隔シグナルや，地形性・フロント不安定によるサブメソスケール渦などを取り込むべく，多段ネスティングを用いたダウンスケーリング実験を行い，高解像度（水平解像度約 75m） SMB モデルにより処理水の分散プロセのスを解析し，排水口位置の違いによる海洋構造の変化や分散パターンの相違などについて検討した．

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ハドソン川における3次元非定常密度成層流の乱流特性とサーマルプリュームの時空間的応答に関する研究 †

 

　米国ニューヨーク州とニュージャージー州の境界を南下するハドソン川は，河床勾配が極めて緩いためニュージャージー湾の影響を強く受ける感潮域が最上流まで続く，典型的な大陸河川である．本研究では，ハドソン川中流の約80kmの区間に対して地球自転と密度成層の影響を考慮した3次元静水圧モデリングを行い，Indian Point周辺における非定常3次元流れおよびそれに伴う乱流構造を抽出するととみに，Indian Point左岸側に位置する火力発電所による河川水の取水・温排水に伴うサーマルプリュームの非定常分散過程に関する解析を実施している（神戸大）．また，LES/Fluentシステムによる小領域の定常非静水圧モデリングを併せて行い，POD解析により典型的な物理モードの抽出を試みている（立命館大学）．

 
Hudson Estuary Plume
 
Figure: ハドソン川中流域表層における流速，相対渦度，水温，発電所をソースとした仮想無次元トレーサー濃度（対数スケール）の瞬間像．
 
 
Updated on 2021-07-16 (Fri) 14:07:08