長期海洋再解析データによる日本海極前線および熱環境の解析

長期海洋再解析データによる日本海 極前線および熱環境の解析 ◯浜野 竜太朗¹・二宮 順一²・森 信人³ ・ J o s k o Tr o s e l j ⁴ 1 ㈱オリエンタルコンサルタンツ 2 正会員 金沢大学助教 理工研究域環境デザイン学系 3 正会員 京都大学准教授 防災研究所 4 正会員 京都大学 防災研究所 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved

１．はじめに Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved

1. はじめに 日本の海洋での資源開発・環境防災 海洋の環境，構造の把握が課題 ・外洋からの海流流入による流況，水温変動 ・海洋の温暖化影響 一方，日本海の海洋環境に関する研究は… 太平洋側と比較して解析が遅れている（内山ら,2012,2014） 本研究の目的 長期海洋再解析データを用いた日本海の海洋環境，構造の解析 ⇒日本海の海洋環境、温暖化に対して新たな知見を獲得 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 3

1. はじめに 再解析データの特徴 予報 ・再解析 修正 予報 過去のデータを対象とした解析 修正 予報値 同化 ・観測との違い 観測値 同化により観測＋周辺の環境も再現 解析時刻 時間 図‐1 解析の原理 本研究の解析内容 1. EOF解析による日本海の水温場解析 2. 日本海の極前線南北熱量の解析 3. 4Box水温場モデルによる日本海の熱輸送経路解析 FORA‐WNP30 を用いた日本海の熱輸送経路の把握 4

2．再解析データ概要 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 5

2. データ概要（FORA-WNP30） 再解析データセットFORA-WNP30 誤差小 予報 期間：約30年（1982/01/01-2012/12/31） 範囲：北西太平洋（117-160°E,15-65°N） 水深54層（0-6500m） 同化手法：4次元変分同化（図-2） パラメータ：水温，塩分， 流速, (海面高度) 解像度：空間1/10度，時間1日 再解析データとしての利点 1) 同化期間が長期間（約30年） 2) 日本近海で解像度が高い 修正 観測値 予報値 解析期間 時間 図‐2 4次元変分同化 ・3次元（東西，南北，高さ）に時間を追加 ・期間内全ての観測値に近づくように修正 日本海海洋環境の再現性 二宮ら（2015）により確認済み 6

3．4Box水温場モデル積分計算 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 7

3. 4Box水温場モデル積分解析 日本海の熱輸送経路→図-3のように4Boxモデルを仮定 1.s1層より熱源（対馬暖流）が 流入すると仮定 2.s1からs2,n1層に熱輸送 3.n1,s2からn2層に熱輸送 4.冬季にn2層からn1層を経由して 大気に熱を放出 ・南北の境界：極前線が 形成されていると仮定（１） 図‐3 日本海における4Box計算仮定の概要 𝑇e：熱源（対馬暖流）の水温，T：水温， ・1層と2層の境界：138m 熱量の変動傾向が変わる水深帯（２） Q：海面熱フラックス， 𝑞0：熱源との水平交換速度， ・2層目の境界：2000m q：水平交換速度，r：鉛直交換速度 おおよその日本海水深 下付き文字の1,2は鉛直区分， sは南，nは北の区分 8

3-1．境界条件の設定 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 9

3-1. 境界条件の設定 極前線の検討 水深50m,100mにおいて極前線の指標水温（重岡，2010）から 極前線位置を推定 ・課題：50m,100mの指標水温のみ →重岡の指標決定方法を他の水深に適用 ・FORA-WNP30の水深200mまで指標を推定 ⇒水深100mの極前線を南北境界条件に設定 表‐1 水深50m,100mでの指標水温 図‐4 1月の極前線（1982‐2012平均） 10

3-1. 境界条件の設定 FORA-WNP30各海域(極前線南北)の水深帯毎月熱量の パワースペクトル第2位までのピーク及び周期より ・最も大きいピークは1年周期，次は半年周期 1年周期：対馬暖流の年周期変動 半年周期：年二回の強化 ・12m以深から138m付近までの水深帯で南北の変動に違い ⇒水深138mを表層、低層の境界条件に設定 図‐5月熱量パワースペクトル解析結果の例 （数字：スペクトルが極値を示した時の周波数） 図‐6月熱量パワースペクトル第2位までのピー 11 ク[右]及びその時の周期[左]の水深変動

3-2．計算条件及び計算結果 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 12

3-2.計算条件及び計算結果 4BOX水温場の収支式 t:時間[月]，V:Box容積[FORA-WNP30]，S:Box表面積， 𝐵: 𝑄⁄𝑐𝜌（Q:海面熱フラックス，c:比熱，𝜌:海水密度） q・rと水平・鉛直渦拡散係数 , ・ の式 A:２つのBox境界の断面積，∆𝐿：Box間の重心距離

3-2.計算条件及び計算結果 4Boxモデルの水温場積分計算結果（最後10年） 水温の初期値はFORA-WNP30の1981年1月の水温を採用 ・s1層が最も水温が高い →n1層・s2層へ熱が輸送 ・s2層は常にn2層より高い →s2層からn2層へ熱輸送 ・冬季に となる n2層からn1層を通過して 大気へ放出される 仮定した日本海熱輸送経路を再現 図‐7 4Box水温場積分計算結果（最後10年） 線色：Box区分 14

3-3．温暖化条件の設定及び計算結果 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 15

3-3.温暖化条件の設定及び計算結果 将来的な日本海の気温・水温の上昇を想定 について条件を設定 熱源水温 ，気温 ，水平渦拡散係数 1.気温上昇量 4Box計算結果の 2.熱源水温上昇量 最後10年の水温場変動 3.水平渦拡散係数 4Box水温場の最大振幅・最大値・平均から考察 表‐2 4Box計算熱源水温・気温・水平渦拡散係数の上昇条件 上昇条件 熱源⽔温Te[℃] 0 2 4 8 気温Ta[℃] 0 2 4 8 ⽔平拡散係数 Kh1[m²/s] 2000 3000 5000 16

3-3.温暖化条件の設定及び計算結果 4box水温場積分計算結果より（例図8,9） 1.気温上昇によって平均・最大水温が上昇，振幅が拡大 2.熱源水温上昇に伴い，s1層を中心に平均水温・最大水温が上昇 Te 図‐8 熱源水温[℃]上昇による4Box計算 図‐9 熱源水温[℃]と最大水温[℃]の関係（図上： Box区分，渦拡散係数，色分け：気温上昇量区分） 17

3-3.温暖化条件の設定及び計算結果 渦拡散係数Khの増加による 4Box計算結果（図10）より 3.渦拡散係数の増加 Box間の熱交換， 熱源からs1層への熱輸送を加速 ・s1の振幅減少,n1層の振幅増加 ・s2の水温減少 図‐10 Khによる4Box計算結果の変化 ・熱源上昇が気温上昇より高い場合 渦拡散係数の上昇によりすべてのBox，特にs1層の水温が上昇 ・気温上昇が熱源上昇より高い場合 渦拡散係数が低い方が水温は（特にn1層で）上昇 18

4．結論 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 19

4. 結論 4Boxモデル熱輸送経路解析 4Box計算結果より，南表層が最も水温が高く，北の表層・南の 底層へ熱が輸送されると考えられる． 南底層も常に北底層より水温が高く，南底層から北底層へ熱が 輸送される． 北層では，冬季以外に表層が底層よりも水温が高いため底層に 熱が蓄積され，冬季に表層・低層が同程度の水温となり，底層の 熱が表層を通過して大気へ放出される． 20

5．今後の展望 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 21

5. 今後の展望 モデルの再現性向上により、詳細な熱輸送経路の解明 1.１層目とFORA-WNP30の50m水深の水温変動は類似 ⇒日本海の変動傾向を再現 2.北側水深50mで9℃近い差 実際の水温場よりも高水温 再現性向上のために ・極前線北側の海水交換 ・河川からの流入 ・大気との熱交換 ・水深帯の多層化 Copyright 2015 ORIENTAL CONSULTANTS Co.,Ltd. all rights reserved 図‐11 4Box計算結果の月平均値とFORA‐ WNP30の水深50mにおける南北30年平均水 温との比較（点線：平均） 22