学位論文題名 Amplification of diurnal tidal currents bytopographic waveslntheSeaofokhotSkand itSinteraCtionWithSealCe

博 士 （ 地 球 環 境 科 学 ） 小 野

純

学位論文題名

  Amplification of diurnal tidal currents by topographic waveslntheSeaofokhotSkand     itSinteraCtionWithSealCe

（オホーツク海における地形性波動によって増幅された

日 周 潮 流 と そ の 海 氷 と の 相 互 作 用 ）

学位 論文内 容の要旨

オホー ツク海 のカ シェバ ロパバ ンクお よび サハリン東岸沖は、特に日周潮流が強い海域であることが順 圧の潮 汐数値 シミュ レー ション によっ て示さ れている。カシェバロバパンクは、夏に低海面水温、冬に低 海氷密 接度が 維持さ れて いる海 域であ る。一 方、サ ハリ ン東岸 沖は、北太平洋中層水の起源水の1 っと考 えられ ている 高密度 陸棚 水や海 氷の輸 送経路 となっている。したがって、これらの海域における潮流が海 氷や海 水混合 に与え る影 響を調 べるこ とは重 要である。しかしながら、長期間にわたって直接これらの海 域にお ける潮 流を計 測し た例は 少なく 、季節 変化および鉛直構造を含めて、潮流場については十分にわか って い な い 。 日露 米 共 同 に よる 戦 略 的 基 礎 研究 「 オ ホー ツク海 氷」で は、1998 年から

年 間にわ たっ て、長期係留観測を行なった。本研究の目的は、カシェパ口パパンクおよびサハリン東岸沖における潮位・

潮流 特 性 を 明 らか に し 、 そ の物 理機 構およ び海洋 ・海氷 場に 与える インパ クトを 調べる こと である 。

（1 ） カシ ェパロ パパン クにお ける 潮位・ 潮流特 性

カシェ パロバ バン ク上に おける 流速、 水位 、海底 （水深

にお ける水 温は 、顕著 な日周期および 大潮小 潮に伴 う〜 14 日周 期の 変動に よって 特徴付 けら れてい た。大潮時の流速は、〜

ー1 にも達し てい た 。Kl （周 期

時 間 ） と01 （ 周 期

時間 ） の 潮 流 楕円 は 、 等 方的 で時計 回り の回転 をし ており 、順圧 的な構 造で あった 。また 、それ らの季節変化は小さかった。カシェパ口パパンク上で日周潮 流が増 幅する 物理機 構を 解釈す るため に、成 層を考慮した海山捕捉波の線形理論を適用した。分散関係か ら、 動 径 波 数0 、 方 位 波 数

の 海 山 捕 捉 波の 周 波 数 は 、日周 潮(Kl 、01 ） の周波 数に近 かった 。そ の海 山捕捉 波の流 速楕円 は、 等方的 で時計 回り回 転をした順圧的な構造であり、観測結果と一致していた。以 上の結 果から 、カシ ェパ ロパバ ンク上 での強 い日周潮流は、海山捕捉波との共鳴によって生じていること が明らかになった。さらに、この強い日周潮流による海水混合および海氷への影響を調べた。大潮時には、

表層と 海底に おける 水温 差が小 さくな り、鉛 直一様になるほどの強い潮汐混合が起こっていることが示唆

された 。また 、大潮 時の 海底における水温は、秋に冷たく冬に暖かくなり、0.5 ℃付近に近づくような季節

変化を 示した 。これ は、 カシェ バ口バ パンク 周囲の 水深

〜

に 存在し 、ー 年を通 じてほぼ一定水

温（〜0 ．5 ℃）の海水が移流してきたシグナルを捉えていることが示唆された。海氷は大潮小潮周期で変動

し、潮 流と1 日遅 れで強 い負の 相関 （―0.70) を示 した。 また 、密接 度は小 潮時よ りも 大潮時に低く、そ

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れ に 伴 っ て 大 気 海 洋 間 の 熱 フ ラ ッ ク ス も 大 潮 小 潮 の 影 響 を 受 け て い る こ と が わ か っ た 。   （2） サ ハ ル ン東 岸 沖 に お け る 潮位 ・ 潮 流 特 性

  サ ハ リ ン 東 岸 北 部 の 陸 棚 上 で は 、Klと01の 日 周 潮 流 が 卓 越 し 、 そ の 鉛 直 構 造 は ほ と ん ど 順 圧 的 で 、 厚 さ 〜  10mの 海 底 エ ク マ ン 層 が 形 成 さ れ て い た 。Klと01の 潮 流 楕 円 は 、 等 深 線 に 沿 っ て 伸 長 し た 形 で 時 計 回 り 回 転 を し て 、3.4と3.8ms−lの 位 相 速 度 で 、 岸 を 右 に 見 る 方 向 に 伝 播 し て い た 。 一 方 、斜 面 お よ び 沖 に お け る 潮 流 楕 円 は 小 さ く 、 顕 著 な 日 周 潮 流 は 陸 棚 上 の み に 限 ら れ て いた 。 こ れ ら の 特 徴 から 、 日 周 期 の 沿 岸 捕 捉 波 が 励 起 さ れ て い る こ と が 示 唆 さ れ る 。 そ こ で 、 成 層 を 考 慮 した 沿 岸 捕 捉 波 の 線 形理 論 を 適 用 し て 、 観 測 結 果 の 物 理 機 構 を 解 釈 し た 。 沿 岸 捕 捉 波 の 分 散 曲 線 か ら 、 サ ハル ン 東 岸 北 部 で は 、日 周 期 の 第 1モ ー ド の 沿 岸 捕 捉 波 が 存 在 し 得 る こ と が わ か っ た 。 そ の 潮 流 楕 円 構 造 は 、 陸 棚 上 で は 時 計 回り 回 転 を し た 岸 沿 い 方 向 に 伸 長 し た 形 を し て お り 、 斜 面 や 沖 で は 急 激 に 小 さ く な っ てい た 。 ま た 、 鉛 直 構造 は ほ と ん ど 順 圧 的 で 、 位 相 速 度 も 観 測 結 果 に 近 か っ た 。 こ れ ら の 特 徴 か ら 、 サ ハ リン 東 岸 北 部 の 陸 棚 上に お け る 潮 流 場 は 、 日 周 期 の 第1モ ー ド の 沿 岸 捕 捉 波 に よ っ て ほ ぼ 説 明 で き る こ と が 明 ら か に な っ た 。 一方 、 北 緯 〜 52度 以 南 で は 、 日 周 期 の 沿 岸 捕 捉 波 が 存 在 し 得 な い こ と が 分 散 曲 線 から 示 唆 さ れ た 。 こ れは 観 測 と 矛 盾 し な い 結 果 で あ っ た 。 日 周 期 の 沿 岸 捕 捉 波 は 、 密 度成 層 の 影 響 を ほ と んど 受 け ず 、 水 位 には 〜1/4し か 寄 与 し な い こ と が 示 さ れ た 。 ま た 、 観 測 結 果 か ら 得 ら れ たKlお よ び01の 位 相 速 度 は 、 冬 に 〜0.2ms―1増 加 し て い た 。 こ れ は 、1月 に 最 大 流 速 に 達 す る 東 樺 太 海 流 の 移 流 の 効 果 に よ っ て 説 明 で き る こ と が、 平 均 流 を 考 慮 し た 順 圧の 理 論 解 と の 比 較 から 示 さ れ た 。

  北 緯53度 の 陸 棚 上 で は 、1〜3月 に 流 速 の 振 幅 が 有 意 に 減 少 し て い る こ と が 観 測 さ れ た 。 こ れ は 、 海 氷 密 接 度 が 高 い(80％ 以 上 ） 時 期 に 一 致 し て い た 。 短 期 間 の 調 和 解 析 の 結 果 か ら 、Klと01の 潮 流 楕 円 の 振 幅 は 、 鉛 直 一 様 に 、 冬 に 〜 30％ 減 少 し て い る こ と が示 さ れ た 。 こ の 特徴 は 、 北 緯53度の 陸 棚 上 の み に 限ら れ て お り 、 斜 面 や 沖で は 観 測 さ れ な か った 。 高 密 接 度 時 に、 陸 棚 上 に お け る潮 流 の み が 弱 ま る 理由 と し て 、 次 の よ う な シ ナ リ オ が 考 え ら れ る 。 サ ハ リ ン 東 岸 北 部 の 陸 棚 上 に お け る 潮 流 場 を 決 めて い る 日 周 期 の 第1 モ ー ド の 沿 岸 捕 捉 波 は 、 渦 モ ー ド の 波 で あ る た め 、 海 氷 底 面 で の 摩 擦 に よっ て ス ピ ン ダ ウ ン を受 け て 減 衰 し 、 冬 の 日 周潮 流 は 弱 ま る 。

（3） 成 層 を 考 慮 し た三 次 元 潮 汐 数 値 モデ ル

  観 測 的 知 見 に 基 づ い て 、 潮 位 お よ び 潮 流 を 再 現 し う る 、 成 層 を 考 慮し た 三 次 元 潮 汐 数 値モ デ ル を 開 発 し た 。 カ シ ェ バ 口 パ バン ク お よ び サ ハ リ ン東 岸 沖 に お け る 潮位 ・ 潮 流 場 を 再 現す る に は 、300 xio―4m2s―1の 鉛 直 渦 粘 性 係数 （ 鉛 直 一 定 ） を 用い る の が 適 当 で あっ た 。 こ の 値 は 、〜  22mの エ ク マン 層 の 厚 さ に 相 当し 、 観 測 結 果 の お よ そ 二倍 で あ っ た 。 本 研 究で は 、 こ の 値 を 用い た モ デ ル に よ って 、 （1） と （2） ， で 適 用 さ れ た 線 形 理 論 の 妥 当 性 を 調 べ 、 日 周 潮 流 の 増 幅 機 構 に 関 す る 密 度 成 層 、 海 底地 形 、 海 氷 の 影 響 を考 察 し た 。   非 線 形 項 を 含 む こ の モ デ ル に お い て も 、 カ シ ェ パ ロ バ パ ン ク 上 の 海山 捕 捉 波 や サ ハ リ ン東 岸 北 部 陸 棚 上 の 沿 岸 捕 捉 波 の 構 造 が 再 現 さ れ た 。 こ れ は 、 観 測 結 果 を 線 形 理 論 に よ っ て解 釈 す る こ と は 、 本質 的 に 悪 く な い 近 似 で あ る こ と を 示 唆 し て い る 。 ま た 、 沿 岸 捕 捉 波 の 線 形 理 論 に よ って 説 明 で き な か っ た潮 位 場 も 再 現 す る こ と で き た 。 夏 と 冬 の 密 度 成 層 を 与 え た 実 験 か ら 、 潮 流 楕 円 構 造 は順 圧 の 場 合 と 一 致 して お り 、 成 層 の 影 響 は ほ と ん ど な い こ と が 示 さ れ た 。 こ れ は 観 測 結 果 と 整 合 的 で あ り、 順 圧 モ デ ル で も カシ ェ バ ロ パ バ ン ク お よ びサ ハ リ ン 東 岸 沖 の 潮流 場 を 説 明 で き るこ と を 示 唆 し て いる 。

  海 底 地 形 の 効 果 を 調 べ た 実 験 か ら 、 サ ハ リ ン 東 岸 北 部 の 陸 棚 上 に おけ る 潮 流 場 は 、 北 緯54度 付 近 の 陸棚 で 励 起 さ れ た 日 周 期 の 沿 岸 捕 捉 波 に 加 え て 、 カ シ ェ バ ロ バ バ ン ク お よ び サハ リ ン 湾 の 影 響 を 強く 受 け て 、

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増 幅 す る こ と が 示 唆 さ れ た 。 ま た 、 海 氷 の 効 果 を 調 べ た 実 験 から 、 高 密 接 度 時 の海 氷 は 、 海 底 摩 擦と 同 様 な 効 果 を海 氷 底 面 に 持 ち 、二 重 の ス ピ ン ダ ウン 効 果 に よ っ て 、 渦モ ー ド の 波 で あ る沿 岸 捕 捉 波 を 減 衰さ せ 、 冬 の 日 周 潮 流 を 弱 め る と い う シ ナ ル オ を 示 す こ と が で き た 。

ー 73−

学位 論文審査の要旨

主 査

助 教授

大 島 慶一 郎 副 査

教 授   若土 正 暁 副 査

教 授   三寺 史 夫 副 査

講 師   中村 知 裕

副 査

教 授   久保 田 雅久 （ 東 海大 学 大学 院海 洋学

研 究科 ）

学位論文題名

  Amplification of diurnal tidal currents by topographic waveslntheSeaofokhotSkand     itSinteraCtionWithSealCe

（オホーツク海における地形性波動によって増幅された

日 周 潮 流 と そ の 海 氷 と の 相 互 作 用 ）

オ ホーツク海北西陸棚域は、大きな海氷 生産による高塩分水排出により北太平洋の表 層で は最も重い水（高密度陸棚水）が生成 され、北太平洋の中層へ唯一直接に表層の水 が潜 り込まれる場所である。最近の研究で はこの高密度陸棚水に伴って生物生産に不可 欠な 鉄分も中層に送り込まれ、それがここ を起源として北太平洋へ拡がっていることが 示唆 されている。従って、この海域は、北 太平洋規模での、大気・海洋間の物質・熱交 換、 さらには生物生産にとって鍵を握る海 域である。一方、オホーツク海は潮流が非常 に強 い海域として知られており、潮流は高 密度陸棚水の変質・輸送及びそれに伴う水塊 形成 にも重要な働きをしていると考えられ ている。カシェバロババンクおよびサハリン 東岸 沖は、高密度水生成域に近い場所に位 置し、かつ日周潮流が非常に強い海域である こと が示唆されている。これらの海域で潮 流が大きくなるのは高緯度であるために地形 性ロ スビー波が励起されやすいことが考え られ、地球流体力学的にも興味深い海域と言 える 。以上から、これらの海域では特に潮 流の実態を明らかにすることは重要であり、

一方 で潮流が増幅されるメカニズムはカ学 的にも興味深いテーマである。しかし、今ま では 十分な実測データもカ学的な研究もな されていなかった。日露米共同による戦略的 基 礎 研 究 「 オ ホ ー ツ ク 海 氷 」 で は 、 こ れ ら の 海 域 で

年 から

年 間に わた っ て、

はじめて冬を含む長期係留観測が行なわれた。

申 請者は、まず、これらのデータに基づ き、カシェバロババンクおよびサハリン東岸 沖に おける潮位・潮流特性を明らかにし、 地形性波動の理論解との比較から日周潮流の 増幅 機構を調べた。カシェバロババンクお よびサハリン東岸沖における流速、水位、水 温は、顕著な日周期変動によって特徴付けられていた。潮流の鉛直構造は順圧的であり、

サハリン東岸沖の陸棚上では潮流の強い北部ほど海底エクマン層が厚いことがわかった。

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これらの海域で日周潮流が増幅 する物理機構を解釈するために、成層を考慮した海山捕 捉波 お よび 沿岸 捕捉 波の線形理論を適用した。カシェバ ロババンクでは、動径波数O 、 方位 波 数1 の海 山捕 捉波の周 波数は日周潮の周波数に近く、その流速楕円は等方的で 時 計回り回転をした順圧的な構造 であり、観測結果と一致していた。この結果から、カシ エバロババンクでは、海山捕捉 波との共鳴によって日周潮流が増幅することが明らかに なっ た 。ま た、 サハ リン東岸沖では、北部の陸棚上にお ける日周潮流場は、第1 モー ド の日周期の沿岸捕捉波によって ほば説明できることがわかった。一方、南部では、そこ での地形が日周期の沿岸捕捉波 を励起し得ないために、潮流は北部に比べてかなり小さ いことが示された。上記の地形 性波動は、密度成層およびその季節変化による影響をほ とんど受けず、水位場への寄与 は小さいことがわかった。

次に、申請者は、今までほと んど研究がされていなかった潮流と海氷の相互作用につ いて調べ、興味深い知見を示し た。カシェバロババンクでは、強い日周潮流によって引 き起こされた海水混合によって 、低海氷密接度が維持され、潮流が海氷に影響を与えて いることを見出した。一方、サ ハリン東岸沖では、沿岸捕捉波が日周潮流場を決める北 部の陸棚上のみで、海氷期にお ける日周潮流の振幅が有意に減少し、海氷が潮流に影響 を与えていることを見出した。 この結果から、申請者は、海氷底面での摩擦によって生 じるスピンダウン効果が、日周 期の沿岸捕捉波を減衰させ、日周潮流を弱めるというシ ナリオを提案した。

さらに、申請者は、上記の観 測で明らかとなった潮位・潮流場を再現し得る、成層を考 慮した三次元潮汐数値モデルを 開発した。現実的な海底地形を考慮した数値モデルにお いても、カシェバロババンク上 の海山捕捉波やサハリン東岸北部の陸棚上における沿岸 捕捉波の構造が再現され、線形 理論による観測結果の解釈の妥当性が示された。日周潮 流に対する密度成層およぴその 季節変化による影響は小さく、観測結果と整合的であっ た。これは、順圧モデルでも潮 流場を再現できることを示唆している。サハリン東岸北 部の日周潮流は、沿岸捕捉波が 存在し得る陸棚地形が始まる角で、外洋からの潮汐エネ ルギーが沿岸捕捉波に変換され て生じていることが推察された。また、カシェバロババ ンクおよぴサハリン湾の影響を 受けて、日周潮流はさらに増幅することが示された。高 密接度時の海氷は、海底と海氷 底面の両方からの摩擦によるスピンダウン効果によって 日周期の沿岸捕捉波を減衰させ 、陸棚上のみで日周潮流を弱めるというシナリオを示唆 することができた。

審査員一同はこれらの成果を 高く評価し、また研究者として誠実かつ熱心であり、大 学院博士課程における研鑽や修 得単位などもあわせ、申請者が博士（地球環境科学）の 学位を受けるのに充分な資格を 有するものと判定した。

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