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Mechanism and impact of enhanced thermal diffusivity due to double-diffusive convection on ocean circulation, climate and ecosystem

Research Project

Project/Area Number 21H04921
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

安田 一郎  東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (80270792)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岡 顕  東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (70396943)
松村 義正  東京大学, 大気海洋研究所, 助教 (70631399)
田中 雄大  国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産資源研究所(横浜), 研究員 (10750391)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2021: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Keywords二重拡散対流 / 乱流 / 海洋循環 / 海洋生態系 / 気候 / 鉛直混合 / 海洋モデリング / 直接数値計算 / 気候影響
Outline of Research at the Start

西部北太平洋亜寒帯海域や南極周辺海域において、申請者によって発見された、大きな水温拡散に、拡散型二重拡散がどう関与しているか、また、鉛直方向の熱輸送に寄与する成分はどれほどか?、表層水温を通じて気候に影響しているのか、 東北沖で発見されたソルトフィンガーに伴う大きな塩分拡散が、いつどこで、どのような条件で発生し、どのように塩分構造や栄養塩輸送を変えて、東北沖の高い生物生産に寄与しているのか?これらの問いについて、観測、直接数値計算(DNS)、海洋・気候モデリングの手法を統合的に用いて、明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

2022年9月に水産研究・教育機構・水産資源研究所の若鷹丸航海において、北海道南沿岸域海底斜面に沿って亜表層に分布するオホーツク起源と考えられる等密度面間の厚みが大きい親潮水を対象に、同じ水深を曳航する水平乱流観測と水平高解像度鉛直乱流観測を組み合わせた連続観測を行うことができた。みらいMR2203航海において2021年7月に47N,160Eに投入した微細構造センサを搭載したフロートの回収に成功した。フロート乱流観測によって、800-1500mの中深層において、冬季に乱流強度が他の季節に比較して数倍大きくなることが発見された。この中深層での乱流強化は、密度データから得られるストレインには現れておらず、海面で励起された近慣性内部波の到来によって、流速鉛直シアが強化されたことに対応していたことが推測された。また、亜寒帯での3日間連続観測から、水温が上ほど低くなる拡散型二重拡散の水温塩分構造に対応して、エネルギー散逸率は低いが水温消散率が大きくなり、階段構造が出現することが明らかとなった。これまで北太平洋西部海域で見過ごされてきたソルトフィンガー活発域が、3月に塩分前線である亜寒帯境界(北緯40度)に沿う緯度方向の密度比=1-2の海水が亜表層に貫入することで出現し、4-8月に不安定を解消しながら減少すること、また、この海域でのソルトフィンガー活発域での密度が低下傾向にあり、それが海面付近での密度比=1-2の海水の水温上昇・低密度化傾向に対応していること、を見出した論文をJournal of Physical Oceanographyに投稿した。みらい航海、凌風丸6航海啓風丸6航海、白鳳丸2航海における高速水温計観測を実施し、二重拡散の消長に関わる基礎データを収集することができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年7月に47N,160Eに投入した微細構造センサを搭載したフロートの回収が成功し、冬季を挟んだ約1ヶ月間隔の西部亜寒帯海域の構造変化を微細構造・乱流構造も含めた世界初の観測データを取得することができ、冬季に800-1500mでの乱流が強化されていることが発見されたことは、大きな成果として特筆される。併せて、亜寒帯海域での水温極小から極大にかけての拡散型二重拡散可能域での水塊変質と微細構造・乱流構造を同時に捉えることができるフロート観測データ(2021/7-9月)および2022年5月に3日間の定点連続観測を実行できたことは、亜寒帯海域で拡散型二重拡散が熱の鉛直輸送をどの程度強化するのか、定量的な観測データを与える成果として、評価できる。2021年度に繰越を行なっていた、高速電気伝導度センサを用いた微細構造観測を、2022年5-6月のみらい航海で亜寒帯から亜熱帯、ならびに、9月の若鷹丸航海行うことができ、ソルトフィンガーおよび拡散型二重拡散の発生可能海域において、観測データを取得することができた。さらに、ソルトフィンガー型二重拡散活発域を西部北太平洋の北緯40度に沿った海域で新たに見出し、その季節・経年変動からソルトフィンガー形成域の水温が上昇傾向にあることを記述し、その形成過程を論じた、Journal of Physical Oceanography誌に投稿した論文は、査読で高い評価を受けており、間も無く受理される見通しである。これらの観測にもとに、モデリングを進める準備ができつつあり、研究は順調に進展していると判断している。

Strategy for Future Research Activity

本科研費の主要なテーマの一つである、上ほど低温低塩分となる海域での分子拡散の水温塩分の差に基づく理論によって説明できない階段構造形成について、最近、浮力レイノルズ数100以下の弱い乱流で特徴つけられる成層乱流下での、拡散型二重拡散について、モデルと理論を合わせた研究が出版された。この研究によると、水温渦拡散係数が塩分渦拡散係数より大きくなり、浮力レイノルズ数の減少に従い、その差が拡大し、分子拡散に至る、というもので、より広範に拡散型二重拡散による階段構造が発生しうる可能性が示唆された。2023年度は、モデル理論研究をさらに深化させ、特に鉛直熱輸送について影響を明らかにし、研究観測から得られた観測データとの比較を行う。また、大規模なモデルを用いて、この現象が亜寒帯海域での鉛直熱輸送などに果たす役割の解明につなげる。ソルトフィンガー活発域が、3月に塩分前線である西部北太平洋亜寒帯境界(北緯40度)に沿う水平方向の密度比=1-2の海水が亜表層に貫入することで出現し、近年高温化低密度化し存在水深が浅化する、という温暖化に対応している顕著な変動についての論文は現在改訂中である。これらの結果を元に、ソルトフィンガーによって強化される塩分・栄養塩鉛直拡散係数を見積もり、海洋循環・生態系モデルに導入することにより、40Nに沿った高い生物生産による栄養塩・炭素の季節的減少をどの程度説明できるか、明らかにする。凌風丸・啓風丸・白鳳丸・新青丸のCTDに取り付けた高速水温計観測を行い、二重拡散出現海域の鉛直拡散の構造と水温・塩分・栄養塩輸送の実態を明らかにする観測を継続する。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (36 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 11 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] オレゴン州立大学(米国)

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    • Author(s)
      Nishikawa Haruka、Itoh Sachihiko、Yasuda Ichiro、Komatsu Kosei
    • Journal Title

      Aquaculture, Fish and Fisheries

      Volume: - Issue: 3 Pages: 179-188

    • DOI

      10.1002/aff2.39

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  • [Journal Article] In Situ Calibration of Underwater Glider Flight Model Using Acoustic Doppler Current Profilers2022

    • Author(s)
      T. Tanaka, D. Hasegawa, T. Okunishi, I. Yasuda, T.P. Welch
    • Journal Title

      Journal of Atmospheric and Oceanic Technology

      Volume: 39(9) Issue: 9 Pages: 1331-1352

    • DOI

      10.1175/jtech-d-21-0074.1

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    • Author(s)
      Yasuda Ichiro、Fujio Shinzou、Yanagimoto Daigo、Lee KeungJong、Sasaki Yusuke、Zhai Shuo、Tanaka Mamoru、Itoh Sachihiko、Tanaka Takahiro、Hasegawa Daisuke、Goto Yasutaka、Sasano Daisuke
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 1 Pages: 17-28

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00574-2

    • NAID

      40022471961

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  • [Journal Article] Vertical turbulent nitrate flux from direct measurements in the western subarctic and subtropical gyres of the North Pacific2021

    • Author(s)
      Kaneko Hitoshi、Yasuda Ichiro、Itoh Sachihiko、Ito Shin-ichi
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 1 Pages: 29-44

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00576-0

    • NAID

      40022471968

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhanced vertical turbulent nitrate flux in the intermediate layer of the Kuroshio in the Tokara Strait2021

    • Author(s)
      Tanaka T.、Hasegawa D.、Yasuda I.、Yanagimoto D.、Fujio S.、Nakamura H.、Inoue R.、Nishioka J.
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 1 Pages: 45-53

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00581-3

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Estimation of Basin-scale turbulence distribution in the North Pacific Ocean using CTD-attached thermistor measurements2021

    • Author(s)
      Goto Yasutaka、Yasuda Ichiro、Nagasawa Maki、Kouketsu Shinya、Nakano Toshiya
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 969-969

    • DOI

      10.1038/s41598-020-80029-2

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  • [Journal Article] Observations of anticyclonic eddies in the western subarctic North Pacific2021

    • Author(s)
      Dobashi Ryo、Ueno Hiromichi、Okada Yuki、Tanaka Takahiro、Nishioka Jun、Hirawake Toru、Ooki Atushi、Itoh Sachihiko、Hasegawa Daisuke、Sasai Yoshikazu、Sasaki Hideharu、Yasuda Ichiro
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 2 Pages: 229-242

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00586-y

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  • [Journal Article] Widespread distribution of allochthonous fluorescent dissolved organic matter in the intermediate water of the North Pacific2021

    • Author(s)
      Yamashita Youhei、Tosaka Tetsu、Bamba Rise、Kamezaki Ryuichi、Goto Shuji、Nishioka Jun、Yasuda Ichiro、Hirawake Toru、Oida Joji、Obata Hajime、Ogawa Hiroshi
    • Journal Title

      Progress in Oceanography

      Volume: 191 Pages: 102510-102510

    • DOI

      10.1016/j.pocean.2020.102510

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Vertical eddy diffusivity in the subsurface pycnocline across the Pacific2021

    • Author(s)
      Itoh S.、Kaneko H.、Kouketsu S.、Okunishi T.、Tsutsumi E.、Ogawa H.、Yasuda I.
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 2 Pages: 185-197

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00589-9

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synchronized interdecadal variations behind regime shifts in the Pacific Decadal Oscillation2021

    • Author(s)
      Hamamoto Masaki、Yasuda Ichiro
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 印刷中 Issue: 3 Pages: 383-392

    • DOI

      10.1007/s10872-021-00592-8

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  • [Journal Article] The potential role of thermohaline?shear instability in turbulence production in the Bering Sea and the subarctic North Pacific2021

    • Author(s)
      Tanaka Mamoru、Yoshida Jiro、Lee Keunjong、Goto Yasutaka、Tanaka Takahiro、Ueno Hiromichi、Onishi Hiroji、Yasuda Ichiro
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: 77 Issue: 3 Pages: 431-446

    • DOI

      10.1007/s10872-021-00602-9

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A review: iron and nutrient supply in the subarctic Pacific and its impact on phytoplankton production2021

    • Author(s)
      Nishioka J, Obata H, Hirawake T, Kondo Y, Yamashita Y, Misumi K, Yasuda I
    • Journal Title

      Journal of Oceanography

      Volume: - Issue: 4 Pages: 561-587

    • DOI

      10.1007/s10872-021-00606-5

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nanomolar phosphate supply and its recycling drive net community production in the subtropical North Pacific2021

    • Author(s)
      Hashihama Fuminori、Yasuda Ichiro、Kumabe Aki、Sato Mitsuhide、Sasaoka Hiroshi、Iida Yosuke、Shiozaki Takuhei、Saito Hiroaki、Kanda Jota、Furuya Ken、Boyd Philip W.、Ishii Masao
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3462-3462

    • DOI

      10.1038/s41467-021-23837-y

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Iron and nutrient dynamics along the East Kamchatka current, western Bering sea basin and Gulf of Anadyr2021

    • Author(s)
      Nishioka J, Hirawake T, Nomura D, Yamashita Y, Ono K, Murayama A, Shcherbinin A, Volkov Y N, Mitsudera H, Ebuch N, Wakatsuchi M, Yasuda I
    • Journal Title

      Progress in Oceanography

      Volume: - Pages: 102662-102662

    • DOI

      10.1016/j.pocean.2021.102662

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ocean mixing processes (OMIX): impact on biogeochemistry, climate and ecosystem2020

    • Author(s)
      Yasuda, I., S. Masuda, J. Nishioka, X. Guo, N Harada, S. Ito, T. Hibiya, H. Hasumi
    • Journal Title

      J. Oceanogr.

      Volume: 77 Issue: 1 Pages: 1-1

    • DOI

      10.1007/s10872-020-00578-y

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of energy transfer from traveling typhoons to turbulent mixing in the ocean2022

    • Author(s)
      Aiqi Zhang, Ichiro Yasuda, Daigo Yanagimoto, Shinzo Fujio, Yusuke Sasaki
    • Organizer
      JpGU2022
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  • [Presentation] The North Pacific marine heatwave simulated in a high-resolution coupled general circulation model.2022

    • Author(s)
      Matsuura Tomonori, Ichiro Yasuda and Hiroaki Tatebe
    • Organizer
      JpGU2022
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  • [Presentation] 1980年代での黒潮大蛇行研究2022

    • Author(s)
      安田一郎・松浦知徳・新沼拓・建部洋晶
    • Organizer
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  • [Presentation] 北太平洋中層水のケイ素を含めた化学的特性の形成過程:仮説の提案2022

    • Author(s)
      西岡 純, 小畑 元, 山下洋平, 三角和弘, 南 秀樹, 則末和宏, 鈴木光次, 近藤能子, 中村知裕, 三寺史夫, 安田一郎
    • Organizer
      日本海洋学会・秋季大会
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  • [Presentation] CTD搭載型高速水温計を用いた乱流断面観測及びファインスケールパラメタリゼーションに関する考察2022

    • Author(s)
      佐々木雄亮, 安田一郎, 勝又勝郎, 纐纈慎也, 内田裕
    • Organizer
      日本海洋学会2022年度秋季大会
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  • [Presentation] 白鳳丸2025年2月航海:冬季黒潮での乱流と熱・栄養塩・稚仔魚輸送過程2022

    • Author(s)
      安田一郎・田中雄大・坂本達也・西川悠・高須賀明典・西岡純・伊藤幸彦
    • Organizer
      水産海洋学会・大会
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      田中雄大・長谷川大介・奥西武・安田一郎
    • Organizer
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  • [Presentation] 北太平洋亜寒帯外洋域の鉛直混合:ロシア船2018観測とフロート乱流計時系列観測2022

    • Author(s)
      安田一郎・木村詩乃・佐々木雄亮
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      北海道大学低温科学研究所共同研究集会「海洋コンベアベルト終焉部の生物生産・物質循環における北方圏縁辺海の役割評価」
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      西岡 純・小畑 元, 山下洋平, 三角和弘, 南 秀樹, 則末和宏, 鈴木光次, 近藤能子, 中村知裕, 三寺史夫, 津旨大輔, 坪野考樹, 安田一郎
    • Organizer
      北海道大学低温科学研究所共同研究集会「海洋コンベアベルト終焉部の 生物生産・物質循環における北方圏縁辺海の役割評価」
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    • Author(s)
      平譯享・西岡純・小畑元・安田一郎・山下洋平・大井田穰示・野村大樹・鈴木光次
    • Organizer
      北海道大学低温科学研究所共同研究集会「海洋コンベアベルト終焉部の生物生産・物質循環における北方圏縁辺海の役割評価」
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  • [Presentation] Phytoplankton responses to iron, macro-nutrient fluxes in the western North Pacific2022

    • Author(s)
      Deng Huailin、西岡純、鈴木光次、安田一郎、小川浩史
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      北海道大学低温科学研究所共同研究集会「海洋コンベアベルト終焉部の生物生産・物質循環における北方圏縁辺海の役割評価」
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  • [Presentation] Observation of energy transfer from traveling typhoons to turbulent mixing in the ocean2021

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      Aiqi Zhang, Ichiro Yasuda, Daigo Yanagimoto, Shinzo Fujio, Yusuke Sasaki
    • Organizer
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      安田一郎・佐々木雄亮・勝又勝郎・纐纈慎也・内田裕
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      佐々木雄亮・安田一郎・勝又勝郎・纐纈慎也・内田裕
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      http://omix.aori.u-tokyo.ac.jp

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      https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2021/20210608.html

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-06-24  

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