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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H04921
• Research Institution: The 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)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Keywords: 二重拡散対流 / 海洋循環 / 気候 / 海洋生態系 / 乱流 / 鉛直混合 / 海洋モデリング / 直接数値計算

Outline of Annual Research Achievements

南極周辺での海氷形成に伴い形成された水温逆転構造における拡散型二重拡散に対する小さな階段構造の検出手法を開発し、乱流よりも大きな鉛直熱輸送が生じる可能性を示唆した。高速水温計を用いた乱流エネルギー散逸率・乱流鉛直拡散係数の南大洋55Eに沿った南極周曲流を横断する断面構造を明らかにし、ファインスケールパラメタリゼーションと比較し、海面・海底から160m以上離れた部分で両者が良く整合することを示した。既存のパラメタリゼーションは流速シア・ストレイン比が大きい時に過大評価する傾向があり、シア・ストレイン比をGarrett・Munkの内部波平衡スペクトルに合わせて３とした、ストレインを用いたパラメタリゼーションが有効であることを示した。47N太平洋横断観測はコロナの影響で日本から150Wまでの観測に短縮された他、計画していた高速電気伝導度センサを搭載した乱流観測は、機器の不調(電気伝導度センサからの浸水と水温センサの異常)によって実施できず、予算を繰り越して、2022年度の航海において実施した。一方、高速水温計と超音波流速計LADCPを用いた観測は予定通り実施することができ、流速が弱い深層でのLADCPの流速シアデータのノイズがパラメタリゼーションにおけるシア・ストレイン比の評価に大きな影響を与えうることを、この航海および他の観測データを併用することで明らかにした。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が明らかとなった。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

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

Reason

47N太平洋横断観測はコロナの影響で日本から150Wまでの観測に短縮された他、計画していた高速電気伝導度センサを搭載した乱流観測は、機器の不調(電気伝導度センサからの浸水と水温センサの異常)によって実施できず、予算を繰り越して、2022年度の航海において実施した。一方、高速水温計と超音波流速計LADCPを用いた観測は予定通り実施することができ、流速が弱い深層でのLADCPの流速シアデータのノイズがパラメタリゼーションにおけるシア・ストレイン比の評価に大きな影響を与えうることを、この航海および他の観測データを併用することで明らかできたことなど、計画は概ね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

2022年2-3月白鳳丸航海で試行した水平方向の詳細構造を捉える曳航式微細構造観測手法を、2022年9月に計画している水産研究・教育機構・水産資源研究所の若鷹丸において、親潮海域に適用することで、親潮海域での大きな水温消散率に対する水平混合の寄与の直接評価を試みる。2020年に親潮前線海域での集中観測データを取りまとめ水温拡散の鉛直成分を評価し、観測条件に合わせて数値実験の結果と合わせて、二重拡散の鉛直熱輸送に対する寄与を明らかにする。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を、みらいMR2203航海において回収し、データを解析することにより、北太平洋亜寒帯海域で年間を通して高い水温消散・水温鉛直拡散が生じているか、現場観測データを元に明らかにする。また、当海域や南極周辺で見られる拡散型二重拡散について、観測に基づくシア流中の振る舞いについて、数値実験を実施し、外部環境条件の関数とした渦拡散係数として定式化する。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が2021年度に明らかとなった。この成果を論文にするとともに、強化される塩分・栄養塩鉛直拡散係数を見積もり、この海域で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、栄養塩供給に対するモデルに導入することで、明らかにすることを試みる。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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] プサン海洋研究所(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: プサン海洋研究所
• [Int'l Joint Research] 極東水文気象研究所(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: 極東水文気象研究所
• [Journal Article] Ocean Mixing Processes (OMIX): Impact on biogeochemistry, climate and ecosystem. (2021)
  • Author(s): Yasuda, I.
  • Journal Title: J. Oceanogr. Volume: 77-1 Pages: -
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00578-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimate of turbulent energy dissipation rate using free-fall and CTD-attached fast-response thermistors in weak ocean turbulence. (2021)
  • Author(s): Yasuda I., S. Fujio, D. Yanagimoto, K.J. Lee, Y. Sasaki, S. Zhai, M. Tanaka, S. Itoh, T. Tanaka, D. Hasegawa, Y. Goto and D. Sasano
  • Journal Title: J. Oceangr Volume: 77 Pages: 17-28
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00574-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vertical turbulent nitrate flux from direct measurements in the western subarctic and subtropical gyres of the North Pacific (2021)
  • Author(s): Kaneko H., I. Yasuda, S. Itoh, and Shin-ichi Ito
  • Journal Title: J. Oceanography Volume: 77 Pages: 29-44
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00576-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced vertical turbulent nitrate flux in the intermediate layer of the Kuroshio in the Tokara Strait. (2021)
  • Author(s): Tanaka T., D. Hasegawa, I. Yasuda, D. Yanagimoto, S. Fujio, H. Nakamura, R. Inoue, J. Nishioka
  • Journal Title: J. Oceanography Volume: 77 Pages: 45-53
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00581-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimation of Basin-scale turbulence distribution in the North Pacific Ocean using CTD-attached thermistor measurements. (2021)
  • Author(s): Goto Y., I. Yasuda, M. Nagasawa, S. Kouketsu, Toshiya Nakano
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 969
  • DOI: 10.1038/s41598-020-80029-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observations of anticyclonic eddies in the western subarctic North Pacific (2021)
  • Author(s): Dobashi R., H. Ueno, Y. Okada, T. Tanaka, J. Nishioka, T. Hirawake, A. Ooki, S. Itoh, D. Hasegawa, Y. Sasai, H. Sasaki, I. Yasuda
  • Journal Title: Journal of Oceanography Volume: 77 Pages: 229-242
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00586-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Widespread distribution of allochthonous humic-like fluorescent dissolved organic matter in the intermediate water of the North Pacific (2021)
  • Author(s): Yamashita Y., T. Tosaka, R. Bamba, R. Kamezaki, S. Goto, J. Nishioka, I. Yasuda, T. Hirawake, J. Oida, H. Obata, H. Ogawa
  • Journal Title: Progress in Oceanography Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.pocean.2020.102510
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vertical eddy diffusivity in the subsurface pycnocline across the Pacific. (2021)
  • Author(s): Itoh S., H. Kaneko, S. Kouketsu, T. Okunishi, E. Tsutsumi, H. Ogawa, I. Yasuda
  • Journal Title: J. Oceanography Volume: 77 Pages: 185-197
  • DOI: 10.1007/s10872-020-00589-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synchronized variations in the Pacific Decadal Oscillation. (2021)
  • Author(s): Hamamoto M. and I. Yasuda
  • Journal Title: J. Oceanogr Volume: 77 Pages: 383-392
  • DOI: 10.1007/s10872-021-00592-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The potential role of thermohaline-shear instability in turbulence production in the Bering Sea and the subarctic North Pacific. (2021)
  • Author(s): Tanaka, M., J. Yoshida, K. Lee, Y. Goto, T. Tanaka, H. Ueno, H. Onishi, and I. Yasuda.
  • Journal Title: J. Oceanogr Volume: 77 Pages: 431-446
  • DOI: 10.1007/s10872-021-00602-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A review: Iron and nutrient supply in the subarctic North Pacific and its impact on phytoplankton production. (2021)
  • Author(s): Nishioka J., H. Obata, T. Hirawake, Y. Kondo, Y. Yamashita, M. Misumi, I. Yasuda
  • Journal Title: J. Oceanography Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1007/s10872-021-00606-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanomolar phosphate supply and recycling drive net community production in the western North Pacific. (2021)
  • Author(s): Hashihama F., I. Yasuda, A. Kumabe, M. Sato, H. Sasaoka, Y. Iida, T. Shiozaki, H. Saito, J. Kanda, K. Furuya, P. W. Boyd, M. Ishii
  • Journal Title: Nature Communications Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23837-y
  • 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 Anadyr. (2021)
  • Author(s): Nishioka, J, T. Hirawake, D. Nomura, Y. Yamashita, K. Onoa, A. Murayamaa, A. Shcherbinin, Y. N. Volkov, H. Mitsuderaa, N. Ebuchia, M. Wakatsuchia and I. Yasuda
  • Journal Title: Progress in Oceanography Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.pocean.2021.102662
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of energy transfer from traveling typhoons to turbulent mixing in the ocean (2021)
  • Author(s): Aiqi Zhang, Ichiro Yasuda, Daigo Yanagimoto, Shinzo Fujio, Yusuke Sasaki
  • Organizer: JpGU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南大洋水塊形成海域における乱流混合分布 (2021)
  • Author(s): 安田一郎・佐々木雄亮・勝又勝郎・纐纈慎也・内田裕
  • Organizer: 南極の海と氷床」2020年度成果報告会
• [Presentation] 佐々木雄亮・安田一郎・勝又勝郎・纐纈慎也・内田裕 南大洋拡散型二重拡散領域における階段状構造の検出と鉛直熱輸送の評価 (2021)
  • Author(s): 佐々木雄亮・安田一郎・勝又勝郎・纐纈慎也・内田裕
  • Organizer: 南極の海と氷床」2020年度成果報告会
• [Remarks] 安田一郎研究室HP
  • URL: http://lmr.aori.u-tokyo.ac.jp/feog/yasuda/index.html
• [Remarks] 海洋混合学の創設HP
  • URL: http://omix.aori.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks] プレスリリース：海の砂漠の謎に迫る! -ほんのわずかなリンの供給が活発な生物生産を駆動
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2021/20210608.html