| Project/Area Number |
21H04921
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
安田 一郎 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (80270792)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| Outline of Annual Research Achievements |
浅くなる方向に水温・塩分が上昇する海域で生じる可能性がある、活発なソルトフィンガー二重拡散(SF)が、北西太平洋北緯40度塩分前線である亜寒帯境界に沿って、晩冬3月に形成され、夏季に向けて減衰する、ということを初めて明らかにした論文をJournal of Physical Oceanography誌に出版した。このSFの形成は、表層水温および塩分の水平勾配の密度に対する水平密度比が1-2の値を持つ海水が、再成層化・サブダクトする過程で上下に重なることで、鉛直密度比1-2の活発なSFを生じるという形成メカニズムが示唆された。1に近い水平密度比の形成については、冷却対流を伴う混合層前線でのサブメソ過程により水平密度勾配が減少することが関わっていることが示唆された。さらに、活発なSFを伴い海水の性質が、近年の温暖化に伴い高温・低密度・浅化していることが明らかとなった。このSF活発海域では水温消散率が大きい海域であり、本課題のSFについて新たな知見が得られたと言える。上ほど低温・低塩分となる拡散型二重拡散(DDC)が起こりうる親潮・亜寒帯海域で、水温消散率が大きく水温鉛直拡散係数が非常に大きくなる問題について研究を進めた。水温・塩分の拡散係数が浮力レイノルズ数の関数であり、比較的弱乱流下で水温拡散が塩分拡散を上回るという定式下で階段構造が形成される、という先行研究について検討した。上ほど低温・低塩分となる拡散型二重拡散が起こりうる弱乱流下の水塊において、広い浮力レイノルズ数で階段構造が生じることを、鉛直一次元モデルで確認した。この階段構造は、密度成層が弱まる部分で拡散係数が強まり、成層が強まる部分で拡散係数が弱まることで、微小鉛直スケールの擾乱が発達し、階段構造を形成するという負拡散メカニズムで説明される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
観測された高水温拡散が実際に大きな鉛直熱輸送を担っているのか、理論と観測から明らかにすることに挑戦している。ソルトフィンガー二重拡散については、北西太平洋で活発なSFを発見し、その形成メカニズムを明らかにするなど、大きな進展があった。一方、拡散型二重拡散については、現時点で、階段構造の形成が、高水温拡散の元になっている高水温消散率の一因と考えられ、階段構造形成について、つい最近提案された浮力レイノルズ数依存の水温・塩分拡散理論の枠組みで説明できるかどうか、検討を続けている。現時点では、拡散型二重拡散の水温塩分構造を持つ水塊で頻出する階段構造についての仮説として有力であるが、現実海洋に適用可能かどうか、理論の枠組みがどこまで正しいのか、について検証する必要がある。SF型水温塩分構造や絶対安定構造についても階段構造形成に関わる可能性がある。また、2023年度に微細構造観測装置を搭載した水中グライダの観測を実施したが、装置の不具合によって、観測データの取得ができなかった。2024年度には、乱流計・超音波流速計を搭載した水中グライダの観測に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
拡散型二重拡散構造に対応した大きな水温消散率がなぜ生じるか、について付随して現れる階段構造に注目して観測・理論を統合した取りまとめを行う。水温・塩分・密度の階段構造は古くから注目され、二重拡散を検出する指標として認識されてきた。一方、比較的弱乱流(乱流エネルギー散逸率と密度勾配に依存する浮力レイノルズ数Reb100未満)下では、水温渦拡散係数と塩分渦拡散係数がRebに依存してRebが大きくなると拡散係数が大きくなり、また、小さくなると分子拡散係数に漸近する、という関係が存在する可能性が最近発表された。水温塩分が上方で低下する拡散型二重拡散構造では、密度比に拘らず階段構造が発生し、小さいスケールの階段構造が併合して数mスケールまで発達する可能性が指摘された。親潮海域や南極付近で観測された大きな水温消散率は微細水温変動が大きいために生じているが、階段構造や密度逆転に伴う微細水温変動によって、水温消散率が大きくなった可能性がある。水温と塩分で異なる渦拡散係数を与えた数値実験からは、階段構造が現れることが確認された。さらに、水温・塩分が上方に向かって上昇するソルトフィンガー型構造や水温は上昇し塩分は低下する絶対安定密度構造においても、階段構造が発生する可能性があることが明らかになりつつある。これらの研究の進展には、乱流(Reb)の定量化が必要であるため、乱流強度の分布・形成に関する知見が必要となっている。今後、これまで観測された微細構造の観測データを用いて、高水温消散率分布と階段構造との関係を明らかにすることに加えて、乱流分布とそのメカニズムを明らかにする研究に取り組む。また、このような階段構造が生じた場合に、熱や塩分・栄養塩輸送と生物生産にどのように影響するか明らかにする。
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