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Deployment of parameterization techniques for next-generation Southern Ocean oceanographic observations

Research Project

Project/Area Number 22H05003
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section K
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

渡辺 豊  北海道大学, 地球環境科学研究院, 特任准教授 (90333640)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中野 善之  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 技術開発部, 副主任研究員 (20566103)
草原 和弥  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 副主任研究員 (20707020)
平野 大輔  国立極地研究所, 先端研究推進系, 助教 (30790977)
田村 岳史  国立極地研究所, 国際極域・地球環境研究推進センター, 教授 (40451413)
真壁 竜介  国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (40469599)
溝端 浩平  東京海洋大学, 学術研究院, 准教授 (80586058)
Project Period (FY) 2022-04-27 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥193,570,000 (Direct Cost: ¥148,900,000、Indirect Cost: ¥44,670,000)
Fiscal Year 2025: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥32,630,000 (Direct Cost: ¥25,100,000、Indirect Cost: ¥7,530,000)
Fiscal Year 2023: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000)
Fiscal Year 2022: ¥65,130,000 (Direct Cost: ¥50,100,000、Indirect Cost: ¥15,030,000)
Keywords南大洋 / パラメタリゼーション / 氷床融解 / 物質循環
Outline of Research at the Start

現在、「南極氷床融解」の理解の遅れは気候変動予測のボトルネックとなっている。 このため、以下の項目を実施し、次世代の南大洋海洋観測に対するパラメタリゼーション(経験的関数化)技術の開発と展開を行うことで、南大洋における氷床融解の理解を深め、氷床融解と海洋生態系物質循環の相互作用の包括的な実態解明を目指す。
研究項目(1):南大洋全域に対応可能な炭酸系物質・栄養塩類のパラメタリゼーションの開発
研究項目(2):氷床融解量の新規見積り法(化学海洋学的見積り法)の開発と評価
研究項目(3):南大洋における氷床融解量のマッピング
研究項目(4):南大洋における時空間高解像度な生態系物質循環像構築と変動把握

Outline of Annual Research Achievements

南大洋での厳しい気象・海象条件による観測データの時空間的な乏しさが、同海域の生態系・物質循環の研究に大きな不確かさをもたらしている。これらの問題点を克服するために、本研究は、斬新なパラメタリゼーション(経験的関数化)技術とアイデア、そして観測によって、南大洋の氷床融解を深く理解し、海洋生態系・物質循環との相互作用の包括的な実態解明を世界に先駆け、この解明の扉を開くことを目指すため、2023年度は以下の項目を実施した。

●研究項目(1):線形重回帰法(MLR)とニューラルネットワーク(NN)法のハイブリッド型による炭酸系物質・栄養塩類の南大洋全域に適用できるパラメタリゼーションの開発に成功し、Argo等への適用を実施した。
●研究項目(2):項目(1)に基づき氷床融解量の新規見積りを進め、リュッツホルム湾における淡水化全量の30%が氷床融解であることを突き止めた。さらに、トッテン氷河沖において、海洋物理観測・係留系観測・衛星観測・数値モデルの統合解析により、外洋域からの暖水と氷床との相互作用のプロセスを明らかにした。
●研究項目(3):項目(2)で開発したパラメタリゼーションを南大洋全域に適用し、高精度な南大洋の氷床融解量マッピングを実施し、南大洋全体での氷床融解量は268 ± 50ギガトン/年であり、太平洋海盆領域での淡水化が著しいことを明らかにした。
●研究項目(4):項目(1)で開発したパラメタリゼーションをArgoに適用することで、南大洋の純群集生産量(NCP)と、深層から海洋表層への炭素の再回帰量(Restoration)の詳細な分布を描き出した。さらに、NCPが既に年率0.8% で減少しつつあることも見出している。この結果は学術論文に掲載され、南大洋におけるNCPの詳細な分布とその変動を世界で初めて描き出したもので、今後の南大洋の国際的観測を牽引する成果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

●研究項目(1):炭酸系物質と栄養塩類のMLR-NNハイブリッド法によるパラメタリゼーション技術の開発はほぼ終わり、今後の海洋観測データ群によってその精度向上を狙う段階まで到達している。2023年度末現在で既にその一部は学術論文として掲載済あるいは投稿中の段階である。
●研究項目(2):氷床融解量の新規見積り法に基づき、リュッツホルム湾における淡水化全量の30%が氷床融解であること突き止めた成果が得られており、今後の南大洋の国際的観測を牽引する成果として現在投稿中である。
●研究項目(3):項目(2)で開発した新規見積り法を適用することで、より高精度な南大洋の氷床融解量マッピングを行い南大洋全体での氷床融解量を定量化するとともに、近年、太平洋海盆領域での淡水化が著しいことが明らかにした。これらの成果は学術論文として投稿中である。
●研究項目(4):項目(1)のパラメタリゼーションをArgoに適用することで、南大洋の海洋生態系・物質循環像の構築の一環として、純群集生産量(NCP)と再回帰量(Restoration)の詳細な分布を描き出した。この成果は、南大洋におけるNCPの詳細な分布とその変動を世界で初めて描き出したもので、今後の南大洋の国際的観測を牽引する成果である。さらに、本研究で開発したパラメタリゼーションを全球のArgoデータに適用することで、全球海洋における海洋生態系を通した物質循環像を描き出した[。この成果もまた、南大洋を起点とする全海洋の生態系・物質循環像を世界で初めて描き出したもので、今後の南大洋の国際的観測を加速・牽引するものである。

Strategy for Future Research Activity

●研究項目(1):本研究で開発した炭酸系物質・栄養塩類のパラメタリゼーション技術を応用し、全球海洋にシームレスに適用可能で高精度な炭酸系物質・栄養塩類のパラメタリゼーションの開発・展開を目指す。
●研究項目(2):化学海洋学的見積り法(氷床総融解量)と衛星データ見積り法(海氷生成量)の差分を用いて、南大洋での氷床の正味の融解量の見積りの高精度な定量的見積りを図り、これらの結果を海洋・氷床モデル結果と比較することで、極域全般に適用可能な化学海洋学的見積り法の展開を目指す。
●研究項目(3):Argoデータ群を用いた南大洋縁辺海域における時空間的に詳細でリアルタイムな氷床融解量の実態を把握する観測システムの構築を引きつづき行う。
●研究項目(4):炭酸系物質・栄養塩類の統合データ群を基盤に、南大洋全域にわたり緯度経度1度格子・海底面まで10m毎の氷床融解量・海洋生態系物質循環像の構築ならびにこれらの時系列変動解析を引きつづき行う。この結果を、国立極地研究所が保有する同海域の生態系時系列データ群(分画クロロフィル・植物動物プランクトン現存量)と比較し、南大洋の淡水化変動と海洋生態系変動の先駆け的研究を目指す。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(5 results)
  • 2024 Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 9 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Modeling seasonal-to-decadal ocean?cryosphere interactions along the Sabrina Coast, East Antarctica2024

    • Author(s)
      Kusahara Kazuya、Hirano Daisuke、Fujii Masakazu、Fraser Alexander D.、Tamura Takeshi、Mizobata Kohei、Williams Guy D.、Aoki Shigeru
    • Journal Title

      The Cryosphere

      Volume: 18 Issue: 1 Pages: 43-73

    • DOI

      10.5194/tc-18-43-2024

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] On-shelf circulation of warm water toward the Totten Ice Shelf in East Antarctica2023

    • Author(s)
      Hirano Daisuke、Tamura Takeshi、Kusahara Kazuya、Fujii Masakazu、Yamazaki Kaihe、Nakayama Yoshihiro、Ono Kazuya、Itaki Takuya、Aoyama Yuichi、Simizu Daisuke、Mizobata Kohei、Ohshima Kay I.、Nogi Yoshifumi、Rintoul Stephen R.、van Wijk Esmee、Greenbaum Jamin S.、Blankenship Donald D.、Saito Koji、Aoki Shigeru
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 4955-4955

    • DOI

      10.1038/s41467-023-39764-z

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Basin-scale tracer replacement timescales in a one-degree global OGCM2023

    • Author(s)
      Kusahara Kazuya、Tatebe Hiroaki
    • Journal Title

      Frontiers in Marine Science

      Volume: 10

    • DOI

      10.3389/fmars.2023.1308728

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spatiotemporal high-resolution mapping of biological production in the Southern Ocean2023

    • Author(s)
      Pan Xianliang L., Lai Xiangxing, Makabe Ryosuke, Hirano Daisuke, Watanabe Yutaka W.
    • Journal Title

      Communications Earth & Environment

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 488-488

    • DOI

      10.1038/s43247-023-01067-y

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Diffusion of Circumpolar Deep Water Towards Antarctica2023

    • Author(s)
      Yamazaki Kaihe、Aoki Shigeru、Mizobata Kohei
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Oceans

      Volume: 128 Issue: 2 Pages: 2-2

    • DOI

      10.1029/2022jc019422

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      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Warm surface waters increase Antarctic ice shelf melt and delay dense water formation2022

    • Author(s)
      Aoki Shigeru、Takahashi Tomoki、Yamazaki Kaihe、Hirano Daisuke、Ono Kazuya、Kusahara Kazuya、Tamura Takeshi、Williams Guy D.
    • Journal Title

      Communications Earth & Environment

      Volume: 3 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s43247-022-00456-z

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chlorophyll a, macronutrient concentrations, and photosynthetically active radiation measured during the Umitaka-maru cruise of the 61st Japanese Antarctic Research Expedition, January 20202022

    • Author(s)
      Makabe Ryosuke, Takahashi Kunio
    • Journal Title

      Polar Data Journal

      Volume: 6 Pages: 9-16

    • DOI

      10.20575/00000035

    • ISSN
      2432-6771
    • URL

      http://id.nii.ac.jp/1434/00000035/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Shoaling of abyssal ventilation in the Eastern Indian Sector of the Southern Ocean2022

    • Author(s)
      Shimada Keishi、Kitade Yujiro、Aoki Shigeru、Mizobata Kohei、Cheng Lingqiao、Takahashi Kunio T.、Makabe Ryosuke、Kanda Jota、Odate Tsuneo
    • Journal Title

      Communications Earth & Environment

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 120-120

    • DOI

      10.1038/s43247-022-00445-2

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intense ocean freshening from melting glacier around the Antarctica during early twenty-first century2022

    • Author(s)
      Pan Xianliang L.、Li Bofeng F.、Watanabe Yutaka W.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-021-04231-6

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Spatiotemporal high-resolution behavior of ocean acidification in the Southern Ocean and other regions2023

    • Author(s)
      Cai Y, Li BF, Pan XL, Watanabe YW
    • Organizer
      The 14th Symposium on Polar Science
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  • [Presentation] Freshening of coastal regions of east Antarctic based on a hybrid parameterization technique2023

    • Author(s)
      Li BF, Pan XL, Gan W, Watanabe YW
    • Organizer
      The 14th Symposium on Polar Scienc
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Use of a drifter array for observing temporal variability of pelagic ecosystems and material cycling in seasonal ice zone2023

    • Author(s)
      Makabe R et al
    • Organizer
      Southern Ocean Observing System (SOOS) Symposium
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rapid progress of ocean acidification over the Southern Ocean2023

    • Author(s)
      Li BF, Pan XL, Watanabe YW
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spatiotemporal distribution of Si & N decoupling2023

    • Author(s)
      Pan XL, Li BF, Watanabe YW
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Shoreward intrusion of oceanic surface waters alters physical and biological ocean structures on the Antarctic continental shelf during winter: Observations from instrumented seals2022

    • Author(s)
      Kokubun N, Hirano D, Tamura T et al.
    • Organizer
      Southern Ocean Observing System (SOOS) Symposium10th SCAR Open Science Conference,
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  • [Presentation] Incorporation of phytoplankton into newlyformed sea ice in Dalton Polynya and off Totten Glacier(Southern Ocean) during late summer2022

    • Author(s)
      Takahashi KD, Makabe R , Tamura T et al.
    • Organizer
      10th SCAR Open Science Conference
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  • [Presentation] Zooplankton vertical distribution during sea ice melting season in the Southern Ocean2022

    • Author(s)
      Makabe R, Mizobata K et al.
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meetin
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Remote sensing observations of melt pondson top of Antarctic sea ice using Sentinel-3 data2022

    • Author(s)
      Istomina L, Tamura T et al.
    • Organizer
      IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium2022
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Helicopter-based ocean observations capture broad ocean heat intrusions towards the TottenIce Shelf2022

    • Author(s)
      Nakayama Y, Tamura T et al.
    • Organizer
      Aerican Geophyscial Union Fall Meeting
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 科研費 基盤(S) 次世代南大洋海洋観測に対するパラメタリゼーション技術の開発と展開

    • URL

      https://kakens-sopara.jimdofree.com

    • Related Report
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Published: 2022-04-28   Modified: 2025-06-20  

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