昌 勲4・ 水 谷 法 美5
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(2) 1212. 海. 図‑2. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 大気‑海 洋‑波 浪‑水 質 結合 モ デル. 図‑4 (COD),有. 計算 領域 およ び観 測点. 機 態 リ ン(0‑P),リ. 機 態 窒 素(O‑N),ア. ン酸 態 リ ン(PO4‑P),有. ン モ ニ ア 態 窒 素(NH4‑N),亜. 硝 酸 窒 素(NO2‑N・NO3‑N),ク. 硝酸 ・. ロ ロ フ ィ ルa(Chl‑a)の8つ. の水 質 項 目 の生 化 学 的 過 程 を考 慮 した 入 江 ら(2004)の モ デ ル に 基 づ い て い る.こ の水 質 モ デ ル で は,植 物 プ ラ ン 図‑3. 水質 モ デルの概 要. ク トンの 成 長 や呼 吸 ・枯 死,有 機 物 の 分 解 ・生 成,再. 曝. り急 変 す る水 環 境 につ い て詳 し く議 論 を行 う ため に も,. 気 に よ る酸 素 増 加 な ど を 考 慮 して お り,夏 季 の大 阪 湾 に. 東 海 豪 雨 時 の水 質 構 造 を 明 らか に す る必 要 が あ る.. お け る貧 酸 素 水 塊 分 布 を 精 度 よ く再 現 で き る こ とが 確 認. 本 研 究 で は,大 気 一海 洋 一 波浪 結 合 モ デ ル に,植 物 プ ラ ン ク ト ンの一 次 生 産,有 機 物 の 分 解,窒 素 ・ リ ンの循 環 を考 慮 した高 度 な 水 質 モ デ ル を 導 入 した大 気‑海 波 浪‑水. 洋‑. され て い る.図‑3に. 水 質 モ デ ル の概 要 を 示 す.. 大 気 一海 洋 一波 浪 結 合 モ デ ル は,気 象 擾 乱 の影 響 を 考 慮 可 能 で,植 物 プ ラ ン ク トン の増 殖 す る過 程 に影 響 を 及. 質 結 合 モ デ ル を 構 築 し,伊 勢 湾 海 域 の流 動 ・密. ぼ す 日射 等 の 気 象 場 お よ び 各 水 質 項 目 の 移 流 ・拡 散 過 程. 度 構造 が 一 変 した東 海 豪 雨 時 を対 象 に,水 質 構 造 の 再 現. に 大 き く関 係 して い る海 洋 場 が 適 切 に評 価 で き る モ デ ル. 計 算 を実 施 す る.そ. で あ る.よ. して,東 海 豪 雨 の 出 水 前 後 に お け る. って,上 記 の結 合 モ デ ル と水 質 モ デル を連 結. 各 水 質 項 目の 時 空 間変 化 につ い て解 析 す る こ とに よ り,. す る こ と に よ り,高 精 度 な 水 質 構 造 の計 算 が 可 能 と考 え. 東 海 豪 雨 時 の 伊 勢 湾 に お け る水 質 特 性 に つ い て議 論 す る. られ る.ま. こ と を 目 的 と して い る.. 座 標 系 の計 算 格 子 を 用 い て い るた め,河 川 か らの 流 入 負. 2. 大 気‑海. 洋‑波. 浪‑水. セ ン タ ー),海 ルSWAN(デ. 上 ら,2004),波. 浪 モデ. ル フ ト工 科 大 学)を 採 用 した.大 気 一海 洋 一. 波 浪 結 合 モ デ ル は,海 面 境 界 に お いて,風 短 波 ・長 波 放 射,海. 面 温 度,流. 速,摩 擦 速 度,. 速,水 面 変 位,波. 同 様,多. 重 σ. 度 に 行 う こ と が で き る モ デ ル とな って い る.. ン シ ル ベ ニ ア州 立 大 学 ・米 国 大 気 研 究 洋 モ デ ルCCM(村. 質 モ デ ル で は,CCMと. 荷 や 日射 な ど の影 響 を 強 く受 け る表 層 付 近 の 計 算 を 高 精. 質 モ デ ル の概 要. 本 研 究 で は,大 気 一海 洋 一波 浪 結 合 モ デ ル と して,気 象 モ デ ルMM5(ペ. た,水. 浪 によ. 3. 東 海 豪 雨 時 に お け る 伊 勢 湾 の 水 質 構 造 解 析 (1) 計 算 条 件 本 研 究 で は,東 海 豪 雨 の 前 後 を 含 む2000年9月8日0時 〜14日12時(UTC)の 期 間 に お け る伊 勢 湾 海 域 を計 算 対 象 と した.計 算 領 域 は 図‑4に 示 す と お りで あ る.図‑1に. 例. る粗 度 高 さ お よ び 波 齢 な ど,各 モ デ ル の計 算 結 果 を互 い. 示 さ れ る伊 勢 湾 に 流 入 す る主 要10河 川 の1時 間 毎 の 河 川. に影 響 させ る こ とに よ り,高 精 度 な 海 水 流 動 計 算 を 可 能. 流 入 量(国 土 交 通 省 中部 地 方 整 備 局)に 各 種 水 質 項 目 の 濃. と す るモ デ ル で あ る.. 度 を乗 じた もの を 流 入 負 荷 量 と して水 質 モ デ ル の河 川 境. 本 研 究 で は,上 記 の 結 合 モ デ ル で 計 算 した海 水 流 速, 水 温,塩. 分,渦 拡 散 係 数,日 射 量 を 介 して,結 合 モ デ ル. と水 質 モ デ ル を連 結 し,新 た に大 気‑海. 洋‑波 浪‑水. 結 合 モ デ ル を 構 築 した.構 築 した大 気‑海. 洋‑波. 質. 浪 一水. 界 値 と した.た. だ し,ク ロ ロ フ ィルaに つ い て は,長 良. 川 以 外 の デ ー タが な い た め,長 良 川 で観 測 され た ク ロ ロ フ ィ ルaを 各 河 川 に 与 え て い る.水 質 構 造 計 算 の 初 期 値 に は,中 部 国 際 空 港 株 式 会 社 ・愛 知 県 企 業 庁 に よ っ て観. 質 結 合 モ デ ル の 概 要 を 図‑2に 示 す.本 研 究 で 導 入 した 高. 測 され たDO,ク. 度 な水 質 モ デ ル は,溶 存 酸 素(DO),化. 県 科 学 技 術 振 興 セ ン タ ー の観 測 か ら得 られ た 窒 素,リ. 学 的酸 素要求 量. ロ ロ フ ィルaお よ びCODの. デ ー タ,三 重 ン.
(3) 大気‑海 洋‑波 浪‑水 質結 合 モデ ルの構築 と東 海豪 雨時 にお け る伊 勢湾 の水 質構 造解析. (a) 表 層(水. 深0.1m). (b) 底 層(水. 深15m). (a) 出水 前(10日12時). 図‑7 図‑5. SB5に お け る ク ロ ロ フ ィ ルaの 時 系 列. (a) 出水 前(10日12時). 図‑6. (b) 出 水 後(12日18時). 出水 前後 の領 域Aに お ける表層 クロ ロフ ィルaおよ び表. の デ ー タ に基 づ い て 作 成 した.. よび表 層流 速 の. 空間 分布. (a) 出 水 前(10日12時). 図‑8. (b) 出水 後(12日18時). 出水 前後 の領域Aに お け る表 層NH4‑Nお よ び表 層流 速. れ た ク ロ ロ フ ィルaは 増 大 して お り,約10μg/1ま. 関 して は,本 研 究 で 導 入 した 水 質 モ デ ル. に よ る計 算 をCase1,鵜. (b) 出 水 後(12日18時). 出水前 後 の領 域Aに お け る表 層CODお. の空間 分布. 層流 速 の空間 分布. ま た,DOに. 1213. 飼 ら(2006)が 用 い た 溶 存 酸 素,. て い る.こ. で達 し. の急 激 な ク ロ ロ フ ィ ルaの 上 昇 は 出 水 に よ る. 河 川 か らの ク ロ ロ フ ィルaの 流 入 の 影 響 で あ り,計 算 値. 機 栄 養 塩 の3要 素 を代 表 変 数 と した簡 易 水 質. は 出 水 時 の 河 川 か らの ク ロ ロ フ ィルaの 流 入 を 過 大 評 価. モ デ ル の計 算 をCase2と し,2つ の 水 質 モ デ ル に よ る計 算. して い る と考 え られ る.計 算 結 果 と観 測 結 果 の 差 異 の一. 結 果 の比 較 も行 っ た.. 要 因 と して,取 得 で き た デ ー タの 関 係 上,長. 有 機 物,無. 良川で観測. (2) 水 質 構 造 の解 析 結 果. さ れ た ク ロ ロ フ ィ ルa濃 度 を全 河 川 の 河 川 境 界 値 と して. ま ず,赤. 用 い て い る こ とが 挙 げ られ,河 川 か らの流 入 負 荷 の設 定. 潮 発 生 の 重 要 な 指 標 と な る ク ロ ロ フ ィルaの. 解 析 結 果 につ い て 検 討 す る.図‑5に,SB5に ロ フ ィ ルaの 時 系 列 を 示 す.観. お け るクロ. 測 値 を み る と,東 海 豪 雨. に つ いて は更 な る検 討 が 必 要 で あ る. 図‑6は 出 水 前 後 の 領 域A(図‑4参. 照)に お け る表 層 ク ロ. 時 で あ る12日 の デ ー タが 欠 落 して い る も の の,そ れ 以 外. ロ フ ィルaお よ び 表 層 流 速 の 空 間 分 布 を示 した も の で あ. の期 間 に お い て は,両 水 深 と も5μg/l以 下 で あ る こ とが. る.同 図 よ り,出 水 前 に は 表 層 流 速 が小 さ く,木 曽三 川. 確 認 で き る.計 算 値 は11日 ま で は 観 測 値 と ほ とん ど一 致. の 河 口 付 近 に の み 高 い ク ロ ロ フ ィ ルa値 の 分 布 が み られ. して い る もの の,12日. 以 降 に は,水. 深0.1mに お い て 計. 算 値 が 上 昇 して い る こ とが わ か る.13日 以 降 に も計 算 さ. る.出 水 後 に は,湾 全 域 で 湾 口部 に 向 か う強 い流 れ が 発 生 して お り,そ の影 響 を 受 けて,河. 川 か ら流 入 す る ク ロ.
(4) 1214. 海. (a) 出 水 前(10日12時). 図‑9. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (a) 表 層(水. 深0.1m). (b) 底 層(水. 深15m). (b) 出水 後(12日18時). 出水 前後 の領 域Aに お ける表層PO4‑Pお よ び表層 流速 の 図‑10. 空間 分布. SB3に. お け るDOの. 時 系列. ロ フ ィ ルaの 高 い水 塊 が 湾 中 央 部 を 除 く湾 全 域 に 広 が っ て い る こ とが わ か る.今 回 の計 算 で は,流 入 す る ク ロ ロ フ ィルa濃 度 の 河 川 に よ る違 い が な い と仮 定 して い る た め,出 水 後 の ク ロ ロ フ ィ ルaの 分 布 が 東 海 豪 雨 の 出 水 後 の塩 分 分 布(村 上 ら,2007)と. ほ ぼ 同 様 な結 果 とな って い. る と考 え られ る. 次 に,東 海 豪 雨 時 に お け る有 機 物 お よ び栄 養 塩 の 変 化 につ い て 着 目 す る.図‑7は 層CODお. (a) 表 層(水. 深0.1m). (b) 底 層(水. 深15m). 出 水 前 後 の 領 域Aに お け る表. よ び 表 層 流 速 の 空 間 分 布 を 示 した も ので あ る.. 出 水 前 に は,湾 全 域 で2.0〜2.5mg/1と ほ ぼ 一 定 値 と な っ て い る こ と が わ か る.出 水 後 に は,ク. ロ ロ フ ィルaと 同. 様,湾 奥 部 か ら湾 口部 に 向 か う流 れ の 影 響 を受 け て,湾 奥 部 か ら湾 中 央 部 ま で のCODが 認 で き る.特. 上 昇 して い る こ と が 確. に,湾 奥 部 東 側 の名 古 屋 港 付 近 に お い て は 図‑11. 9mg/lと 特 に 高 い値 を示 して い る こ とが わ か る.こ れ は, 庄 内 川 か ら流 入 す るCODの. 濃 度 が 他 の 河 川 と比 較 して. 高 か っ た た め で あ る と考 え られ,CODは. 河 川 か らの流. SB5に. お け るDOの. 時系 列. Case2と も に,出 水 前 後 の表 層 お よ び底 層 に お け るDOを よ く再 現 で き て い る こ とが わ か る.今 回 の 計 算 で は,東. 入 負 荷 の影 響 を 強 く受 け る と推 察 さ れ る.こ れ は,現 地. 海 豪 雨 に よ る 出水 の 影 響 が 大 き く,水 質 モ デ ル の 生 物 化. 観 測 デ ー タ を解 析 した川 崎 ら(2006)の 結 果 と一 致 して い. 学 的 過 程 よ り も移 流 ・拡 散 過 程 が 卓 越 して い るた め,両. る.. モ デ ル の 計 算 精 度 に 顕 著 な差 が 現 れ なか った.し か しな. 図‑8,図‑9は. そ れ ぞ れ 出 水 前 後 の 領 域Aに お け る表 層. ア ンモ ニ ア態 窒 素,表 層 リ ン酸 態 リ ンと表 層 流 速 の空 間. が ら,Case1の. 水 質 モ デ ル の 方 が よ り高 度 な 生 物 化 学 的. 過 程 を考 慮 して お り,精 度 よ く計 算 可 能 で あ る と いえ る.. 分 布 を 示 した もの で あ る.こ れ らの 図 を み る と,出 水 前. ま た,木. に は湾 全 域 で ほ ぼ 同 様 の 値 を示 して お り,出 水 後 に は,. SB5の 両 観 測 点 と も に よ く再 現 で きて い る こ と か ら,本. 名 古 屋 港 付 近 で特 に 高 い値 とな って い る こ とが わ か る.. 水 質 モ デ ル はDOに 対 す る 東 海 豪 雨 時 の 河 川 流 入 の 影 響. CODと. を適 切 に 評 価 して い る もの と考 え られ る.. 同 様,流. 入 負 荷 の濃 度 の 高 い 庄 内 川 か ら の 栄 養. 塩 流 入 の 影 響 が 大 きか っ た もの と推 察 さ れ る. さ らに,貧 酸 素 水 塊 や 青 潮 の 発生 に大 き く関 わ って い る溶 存 酸 素 に対 す る東 海 豪 雨 の 出水 に よ る変 化 特 性 につ い て考 察 す る.図‑10,図‑11は,SB3お. よ びSB5に お け. るDOの 時 系 列 を 示 した もの で あ る.同 図 か ら,Case1,. 曽三 川 の河 口 付 近 で あ るSB3と 湾 中 央 部 付 近 の. 図‑12に 示 す の は,出 水 前 後 の 領 域Aに お け る表 層DO お よ び表 層 流 速 の空 間分 布 で あ る.同 図 を み る と,出 水 後 に は 溶 存 酸 素 の高 い河 川 水 の 影 響 に よ り,表 層 のDO 濃 度 は 上 昇 し て お り,伊. 勢 湾 湾 奥 部 の 表 層DOは8〜9. mg/lと 特 に 高 くな っ て い る こ と が わ か る.一 方,図‑13.
(5) 大 気‑海 洋‑波 浪‑水 質結 合 モデ ルの構 築 と東海豪 雨 時 にお ける伊勢 湾 の水質 構造解 析 有 機 物 の 分 解 ・生 成,窒. 1215. 素 ・リ ンの 循 環,再. 曝気 に よ る. 酸 素 増 加 な ど を考 慮 した 水 質 モ デ ル を 大 気 一海 洋 一波 浪 結 合 モ デ ル と連 結 し.新 た な大 気‑海 合 モ デ ル を 提 案 した.そ. 洋‑波 浪‑水. 質結. して,同 結 合 モ デ ル を用 い て,. 東 海 豪 雨 時 の 伊 勢 湾 海 域 を 再 現 し,そ の 水 質 構 造 を 解 析 した.そ の 結 果,東 海 豪 雨 の 出水 後 に は,湾 西 部 の 水 深 が10m〜20mと. 比 較 的 浅 い 海 域 に お い て,貧. 酸素水 塊が. 解 消 して い る こ と が 判 明 した.し か し,水 深 の深 い 湾 中 央 部 に お い て は,出 水 後 も貧 酸 素 水 塊 が 停 滞 して お り, 出水 の影 響 は小 さ い とい え る. 今 後 は,結 合 モ デ ル の 更 な る高 精 度 化 を図 る と と も に, 貧 酸 素 水 塊 の 挙 動 や赤 潮 ・青 潮 の発 生 に着 目 し,様 々 な (a) 出水 前(10日12時). 図‑12. 条 件 下 の計 算 を行 う こ とで,伊 勢 湾 の 水 質 構 造 に つ いて. (b) 出 水 後(12日18時). 出水前 後 の領 域Aに お け る表層DOお よ び表 層流 速 の. 詳 細 に検 討 を 進 め て い く予 定 で あ る. 空間分 布 謝 辞:海. 洋 観 測 デ ー タ は中 部 国 際空 港 株 式 会 社 ・愛 知 県. 企 業 庁 よ り,河 川 流 量 デ ー タ は 国土 交 通 省 中部 地 方 整 備 局 よ りそ れ ぞ れ ご提 供 頂 い た.こ. 参. (a) 出 水 前(10日12時) 図‑13. 出 水 前 後 の 領 域Aに トー ン はDOが3mg/1以 タ ー は10m間. (b) 出水 後(12日18時) お け る 底 層DOの. 空 間 分 布;灰. 色. 下 の 貧 酸 素 水 塊 を 示 し,コ. ン. 隔 の水 深 を 示 す.. に 出 水 前 後 に お け る 底 層DOの. 空 間 分 布 を示 す.同. り,出 水 後 に お い て 湾 西 部 の 水 深 が10m〜20mと. 図よ. 比較 的. 浅 い 海 域 に お い て,貧 酸 素 水 塊 が 解 消 して い る こ と が わ か る.ま た,湾 中 央 部 の底 層 に 発 達 して い る貧 酸 素 水 塊 に は,出 水 の影 響 が ほ とん ど 及 ん で い な い と いえ る.そ の 要 因 と して は,夏 季 は密 度 成 層 が 発 達 して い る た め, 海 水 の 鉛 直 混 合 が 抑 制 さ れ て い る こ と が挙 げ られ る. 4. お わ り に 本 研 究 で は,植 物 プ ラ ン ク トン の成 長 や 呼 吸 ・枯 死,. 考. 文. こ に謝 意 を表 す る.. 献. 入 江政 安 ・中辻 啓二 ・西 田修三 (2004): 大 阪湾 にお ける貧 酸 素 水塊 の挙 動 に関 す る数値 シ ミュ レー シ ョン, 海 岸工 学 論文 集, 第51巻, pp.926‑930. 鵜 飼亮 行 ・村上 智一 ・安 田孝志 (2006): 気象 場 によ る擾 乱 を 受 け た伊勢 湾 ・三 河湾 の貧 酸素 水塊 の挙 動 の再 現計 算, 海洋 開発 論文 集, 第22巻, pp.823‑828. 川 崎浩 司 ・村上 智一 ・大久 保 陽介 (2006): 長 期 観測 デー タに 基 づ く伊勢 湾 の密度 ・水 質 構造 の季 節変 動 特性, 海岸 工 学論 文集, 第53巻, pp.946‑950. 金 庚 玉 ・山下 隆 男 (2004): 大 気 ・波 浪 ・海洋 結 合 モデ ルに よ る台 風9918号 の高 潮 ・高 波 の追算, 海 岸 工学 論文 集, 第51巻, pp.236‑240. 佐 々木 淳 ・今井 誠 ・磯辺 雅彦 (1997): 内湾 にお け る溶存 酸 素 濃度 予 測 モ デル, 海 岸 工学 論 文 集, 第44巻,pp.1091‑ 1095. 陸 田秀 実 ・市位 嘉 崇 ・秋 山佳 明 ・土 井 康 明 (2003): 局 地気 象 モデ ルを用 い た瀬戸 内 圏 の風況 解析 と吹送 流 の応 答特 性, 海岸 工学 論文 集, 第50巻, pp.436‑440. 村上 智 一 ・川 崎浩 司 ・大久 保 陽介 ・金 鎭 勲 (2007): 東海 豪 雨 時 にお け る伊 勢 湾海域 の流動 ・密 度構 造 の数 値解 析, 海 岸工学 論文 集, 第54巻, pp.371‑375. 村 上智 一 ・川 崎浩 司 ・山 口将人 ・水 谷 法美 (2006): 気 象場 に 支 配 され る伊勢 湾 を対 象 と した大気‑海 洋‑波 浪 結合 モ デル の精度 検証, 海 洋 開発 論文 集, 第22巻, pp.103‑108. 村 上智 一 ・安 田孝 志 ・大澤 輝夫 (2004): 気 象場 と結 合 させ た 湾 内海 水流 動計 算 の ため の多重 σ座標 モ デル の開 発, 海 岸 工学論 文集, 第51巻, pp.366‑370. 村 上智 一 ・安 田孝 志 ・吉野 純 (2007): 気 象 モ デル およ び多 重 σ座 標系 海 洋 モ デルを 用 いた台 風0416号 によ る広域 高 潮 の再 現, 土 木学 会論 文集B, Vol.63, No.4, pp.282‑290..
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