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東海大学 2017 年度
海洋地球科学研究
日本海沿岸水位の経年変動特性
指導 轡田 邦夫 教授
東海大学海洋学部海洋地球科学科
4BKJ1130 兼上 海
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要旨
論文題目「日本海沿岸水位の経年変動特性」
兼上海（4BKJ1130） 全世界の平均海面水位は 1971-2010 年で 2.0mm/年(ICPP 第 5 次評価報告書)，日本沿岸 水位は同 1.1mm/年と同様な傾向にある．この上昇傾向が地球温暖化の影響かは明らかで なく，それらの解明には日本沿岸の海面水位変動特性の理解が必要である．先行研究で は，太平洋沿岸水位の長期変動が，北太平洋中央部の海面水温で特徴づけられる太平洋 10 年規模振動（PDO）に関係することが明らかになった．本研究では日本海沿岸の水位に 注目し，太平洋沿岸の水位および PDO との関係性を明らかにすることを目的とする．使用 データは JODC 提供の日本沿岸の 14 測点であり，潮汐変動の除去および気圧補正を行った 時系列に対する解析を行った． その結果，日本海沿岸では 1995 年以降上昇傾向がみられ，1985 年以降に上昇傾向があ る太平洋沿岸との間で開始時期に顕著な相違がみられた．また，最西端測点（福江）を基 準とする１年移動平均時系列へのラグ相関解析から，東方伝播傾向がみられた．さらに， 5 年移動平均時系列と PDO との相関は，西郷以外で 0.75 以上の高相関を示し，日本海沿 岸の水位変動が PDO に関係づけられることを示したが，西郷，稚内以外の測点では 2000 年以降に相関が低下する傾向がみられた．以上より，日本海沿岸における水位変動は 5 年 以上の時間スケールでは PDO に関係づけられるが，2000 年以降の上昇傾向は他の要因が 支配することが示唆された．1 目次 1. 序論 2 2. 方法 2－1 使用データ 3 2－2 解析方法 5 3. 結果および考察 3－1 1 年移動平均の時系列 7 3－2 1 年移動平均における相関、ラグ相関 7 3－3 5 年移動平均の時系列 8 3－4 5 年移動平均における相関、ラグ相関 8 3－5 PDO と日本海沿岸、太平洋沿岸の関係性 9 4. 結論および課題 10 5. 謝辞 11 6.参考文献 12 付図 13 付録 35
2 1. 序論 気象庁による IPCC 第５次評価報告書（IPCC2013）では、世界平均海面水位の平均上昇率 は、1901～2010 年の期間で 1 年あたり 1.7mm、1971～2010 年の期間で 1 年あたり 2.0mm で あった可能性が非常に高く、日本沿岸の海面水位の上昇は 1971～2010 年の期間で 1 年あ たり 1.1ｍｍ、1993～2010 年の期間で 1 年あたり 2.8ｍｍと上昇傾向にある。気候変動監 視レポート 2016（気象庁、2017）によれば、この日本沿岸の海面水位の上昇が地球温暖化 の影響をどの程度受けているかは定かではない。なぜなら日本沿岸の海面水位は 1906～ 2010 年の期間において 10 年から 20 年の周期変動があり、偏西風などの影響も考えられる からである。(図１)それらの解明のためには日本沿岸観測点での海面水位変動特性を理解 することが必要である。
先行研究（黒木 2013）では、JODC(Japan Oceanographic Data Center)の 85 地点の毎時 潮位データの中から欠測の少ない日本沿岸の 17 地点（稚内、網走、釧路、苫小牧西港、宮 古、銚子漁港、御前崎、串本、室戸岬、土佐清水、油津、枕崎、那覇、境、舞浜、栗島） を選択して解析が行われた。太平洋では大気と海洋が結びつき、太平洋での数十年程度の 規模の変動を引き起こしている。PDO の気候変動指数は PDO 指数と呼ばれている。この PDO(太平洋十年規模変動)と日本沿岸観測点の 5 年、10 年移動平均の時系列が高相関にな り、5 年以上の時間スケールで PDO の変化と各観測点の関係性があることが示唆された。 本研究では日本海沿岸の海面水位変動に注目し、太平洋沿岸の海面水位変動および PDO との関係性を明らかにすることを目的とする。今回使用したデータは、JODC（日本海洋デ ータセンター）提供の毎時潮位データの 14 地点（稚内、三国、田後、西郷、境、博多、仮 屋、厳原、福江、枕崎、油津、土佐清水、串本、御前崎）である（図２）。プログラムも用 いて 48 時間タイドキラーフィルター、気圧補正、日別平均値、それを基に月別平均値を求 め、1 年、5 年移動平均の時系列を求めた。
3 2.方法 2－1 使用データ 潮位データ JODC(日本海洋データセンター)が提供している毎時潮位データを使用した。使用した観 測地点は気象庁管轄の稚内（1967～2012）、福江（1965～2016）、境（1967～2016）、西郷（1966 ～2016）、御前崎（1966～2016）、串本（1966～2016）、土佐清水（1966～2016）、油津（1966 ～2016）、枕崎（1966～2016）の 9 地点と国土地理院管轄の田後（1967～2016）、三国（1966 ～2016）、仮屋（1972～2016）の 3 地点と海上保安庁管轄の博多（1965～2016）、厳原（1966 ～2016）の 2 地点で計 14 地点を日本沿岸の代表観測点とした（図２）。また、どの観測地 点においても単位は cm である。 気圧データ 気象庁の HP より平均海面気圧データをダウンロード （http://www.data.jma.go.jp/gmd/risk/obsdl/）して使用した。ただし、気圧データの観 測点中には潮位データの観測点と同一ではないものがあり、その場合はもっとも近い観測 点のデータを代替使用した。単位は 0.1hPa である。 海面高度データ
AVISO（Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic）が提 供した絶対力学的海面高度（Absolute dynamic sea level）のデータをダウンロードして 使用した。（http://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html）空間解像度は 0.25 度×0.25 度格子で時間解像度は週平均である。使用した期間は 1993 年 1 月 1 日～2015 年 12 月 31 日である。また単位は cm である。
4 PDO（太平洋十年規模振動）指数 PDO 指数とは北太平洋中央部での海面水温偏差の指標である。北太平洋東部、赤道で海面 水温が高くなるとき、北太平洋中央部で平年より低くなっており、そのような変動を 20 年 周 期 で お こ っ て お り 、 そ れ を PDO （ 太 平 洋 十 年 規 模 振 動 ） と い う 。 （http://www.data.jma.go.jp/kaiyou/data/db/climate/knowledge/pac/pacific_decadal .html参考）（図３）
JISAO（Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Ocean）が提供してい る月平均 PDO(太平洋十年規模振動)指数のデータをダウンロードして使用した。使用した 期間は 1966 年～2016 年である。
5 2－2 解析方法 JODC が提供しているデータは毎時潮位データであり長期変動を見るには短周期の変動 を取り除く必要があるため先行研究で用いられたプログラムを使ったデータの処理を行っ た。その手順を以下に示す。 ① 一年毎のフォルダに入っていたデータを各観測点につき 1 つずつのファイルにし、1 日 分のデータが横 1 列に並んでいた潮位データを縦一列に並び替えた、 ② 生の毎時潮位データから月と太陽の引力によって生じる潮汐変動と慣性周期（コリオ リ力と遠心力がつりあっているときの周期）を除去するために、花輪・三寺（1985）に よる 48 時間タイドキラーフィルターを使用した。このフィルターはデータの存在する 全期間の前後 120 時間を使用して計算するためデータの期間が前後 5 日分削られた状 態で算出される。またフィルターをかけたデータから日別平均値を算出した（図４）。 ③ 気象業務支援センター提供の気象データベースから観測点毎の日別平均海面気圧デー タを抽出し、静水圧近似（下向きの重力と上向きの気圧傾度力が釣り合いの取れた状態 で存在すること）に基づく補正（気圧補正）を行った（図５）。気圧補正を行う理由と しては、気圧の低下により海水が吸いあげられる現象があり、１hPa 低くなると海面が およそ１cm 高くなる関係があるからである。その後全期間の平均値から偏差を求めた。 ④ ③で算出されたデータの欠損部分へデータの内挿を行い右上がりに転ずるトレンドを 除去するため最小二乗法によって回帰直線を求めそれを内挿したデータから引くこと で処理（トレンド除去）を行った（図６）。その後に日別平均値を基に月別平均値の算 出も行った（図７）。 ⑤ 月別平均値を基に 1 年移動平均、5 年移動平均の算出し、各観測点のグラフを作成した （図８）。 ⑥ 最西端である観測点の福江との相関とラグ相関をそれぞれ見るために観測点ごとで解 析を行った。
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7 ３．結果および考察 3-1 1 年移動平均の時系列 季節変動を除去して、経年変動に注目するために、各観測点の潮位変動の時系列に 1 年 の移動平均をかけた。九州地方にある日本海側の観測点（福江、厳原、仮屋、博多）では 1982～1984 年、1987～1990 年の期間は厳原が福江、仮屋、博多と異なった水位変動があっ たことが分かる（図９）。隠岐諸島での観測点（西郷）ではこのような推移変動は見られな かった（図 10）。この原因として考えられるのは（厳原）が島であり、対馬海流が通ってい ることが考えられる。日本海沿岸の観測点では、上昇下降を繰り返し 1995 年以降上昇傾向 にある（図 11）。 太平洋沿岸観測点（枕崎、油津、土佐清水、串本）では上昇下降を繰り返し、1975～1985 年は下降の傾向にあり、1985 年以降は上昇傾向にある（図 12）。 1 年移動平均で日本海沿岸観測点では 1995 年以降上昇傾向、太平洋沿岸観測点では 1985 年以降上昇の傾向にあり、開始時期に顕著な相違が見られた。1990 年ごろの上昇の理由と しては潮位の周期が上昇の時期にあったのではないかと考える。 3-2 1 年移動平均における相関、ラグ相関 日本海沿岸、太平洋沿岸の観測点の相関、ラグ相関にどのような特徴がみられるのかに 注目し、日本海沿岸観測点の最西端（福江）と相関、ラグ相関の解析を行った。日本海沿 岸観測点との相関では、0.8 以上の値が示され、高相関であることがわかった。しかし、 厳原では福江との相関が日本海沿岸観測点と比べ値が低く 0.8194 となっていた。（図 13） 太平洋沿岸観測点と(福江)との相関では 0.7 以上の値を示し、油津では 0.9116 と高相関 であった。御前崎では 0.7176 とほかの観測点に比べ低い値を示した（図 14）。 日本海沿岸観測点でのラグ相関では(厳原)では-1 ヶ月、(仮屋、博多、境)では 0 ヶ月、 (西郷、田後)では 1 ヶ月、(三国、稚内)では 3 ヶ月のところで値が最大になっており、東
8 方に伝播する傾向がみられた。しかし、北海道では稚内は 3 ヶ月、奥尻では 7 ヶ月となっ ており奥尻までは西に伝播傾向がみられた。この結果リマン海流の影響も示唆された。太 平洋沿岸観測点でのラグ相関では(油津)が-1 ヶ月、(枕崎、土佐清水、串本)では 0 ヶ月、 (御前崎)では 4 ヶ月のところで最大となり、日本海沿岸と同様に東方に伝播する傾向がみ られ、日本沿岸で起こっている特性であることが示唆された（図 15）。 3-3 5 年移動平均の時系列 季節変動を除去した 1 年移動平均時系列に加えて、より長い時間スケールの潮位変動に 注目するため、5 年移動平均の時系列で解析をした。 日本海沿岸(厳原)では 1970～1979 年間では上昇下降の潮位変化が大きく、日本海沿岸 のほかの観測点では見られない変化であった（図 16）。厳原と同じ時期に同様の潮位変動 をしていたのは太平洋沿岸の枕崎、土佐清水、串本であった（図 17）。原因は日本の東方 から流れ込んでいる海流が原因ではないかと考えられる。5 年の時間スケールで潮位変化 の解析を行ったところ、厳原を除く日本沿岸のすべての観測点で 1985 年頃付近まで下降、 それ以降は上昇の傾向にあり、日本海沿岸と太平洋沿岸での違いは見られなかった。 3-4 5 年移動平均における相関、ラグ相関 1 年移動平均よりも長い時間スケールで日本海沿岸、太平洋沿岸の観測点の相関、ラグ 相関はどのような特徴があるのかに注目し、日本海沿岸観測点の最西端である福江と相関、 ラグ相関の解析を行った。その結果日本海沿岸との相関では 0.9 以上を示し、5 年以上の スケールでは 1 年の時間スケールより高相関であった（図 18）。太平洋沿岸では御前崎は 0.66 とほかに比べて低い値を示されたが、（枕崎、油津、土佐清水、串本）では 0.85 以上 と高相関を示した（図 19）。 ラグ相関の日本海沿岸では厳原が-1 ヶ月、博多が-4 ヶ月、ほかの観測点はすべて 0 ヶ 月のところで値が最大になっていた。太平洋沿岸では(枕崎)は-17 ヶ月、(油津)は-15 ヶ 月、(土佐清水)は 2 ヶ月、(串本)は-7 ヶ月、(枕崎)は-31 ヶ月と東方への伝播の傾向がみ
9 られなかった（図 20）。 3-5 PDO と日本海沿岸、太平洋沿岸の関係性 日本沿岸では PDO の影響をどの程度うけて、太平洋とどの程度関係性があるのかを見る ために PDO、日本海沿岸、太平洋沿岸の 5 年移動平均で関係性を調べた。 PDO の 5 年移動平均と太平洋沿岸の 5 年移動平均の同時相関の解析を行ったところ、0.45 以上と相関は高いとはいいがたい結果となった。日本海沿岸の 5 年移動平均では西郷を除 く観測点で 0.75 以上の高相関を示した。しかし、(西郷、稚内)以外は 2000 年以降に相関 が低下している傾向がある。（図 21.22）日本沿岸における水位変動は 5 年以上の時間スケ ールでは PDO に関係づけられるが、2000 年以降の上昇傾向は他の要因が支配することが示 唆された。
10 ４．結論および課題 本研究では日本沿岸の日本海沿岸、太平洋沿岸のそれぞれの経年変化に注目をし、そし て太平洋十年規模振動(PDO)との関係について調べた。観測されている毎時潮位データを 使用し、潮汐の除去、気圧補正を行った日別データを基に月別データを算出し、1 年移動 平均、5 年移動平均も算出し解析を行った。 その結果、1 年移動平均の時系列では上昇下降を繰り返し、日本海沿岸では 1985 年以降 は上昇の傾向、太平洋沿岸では 1995 年以降上昇傾向にあり、開始の時期に顕著な相違が見 られた。厳原では 1982～1984 年、1987～1990 年の間は異なった水位変動があり、対馬海 流が関係していることが示唆された。 最西端の(福江)との 1 年間移動平均における相関では、日本海沿岸では 0.8 以上、太平 洋沿岸では 0.7 以上と高相関を示した。ラグ相関では東方へ行くにつれ日本海では最大 3 ヶ月で最大になり伝播し、太平洋沿岸も最大 4 ヶ月のところで最大となり伝播することが 示された。 5 年移動平均の時系列では、最西端(福江)の側転における時系列との相関を解析した結 果、日本海沿岸では 0.9 以上、太平洋沿岸では 0.85 以上を示し、互いに高相関であること がわかる。ラグ相関では 1 年移動平均とは異なり、5 年以上の時間スケールでは東に伝播 している傾向がないことが明らかになった。 また、PDO と観測点 5 年移動平均の相関をみたところ、太平洋沿岸では 0.45 以上と相関 はあまり高くなく、日本海沿岸では 0.75 以上と高相関を示した。しかし 2000 年以降の上 昇傾向は他の要因が支配することが示唆された。 今後の課題としては AVISO の絶対力学的海面高度を使用し、太平洋のどの海域まで PDO が反映しているかを確かめる必要がある。そして日本海沿岸の観測点と、日本海を流れて いる対馬海流の関係性も明らかにする必要がある。最後に 1 年お年移動平均の時系列に対 する相関、ラグ相関解析しか行っていないので、2～3 年および 10 年以上の時間スケール に注目することも今後の課題である。
11 5.謝辞 本研究を進行していく中で、解析の方法など分からなかった私に助言や、ご指導をしてく ださった東海大学海洋学部海洋地球科学科轡田邦夫教授に深く感謝いたします。また院生 の八木さん、町田さん、高橋さん、金杉さんにも深く感謝したします。最後に 1 年間楽し く一生懸命に研究に励めたのは轡田研究室のメンバーのお陰です。ありがとうございまし た。
12 6.参考文献 花輪公雄・三寺史夫（1985）：海洋資料における日平均値作成についてーに日平均潮位を 扱い際の留意点，沿岸海洋研究ノート，79－87 川島 卓也（2014）：日本沿岸における水位の経年変動とその要因，東海大学海洋学部卒 業論文 2014 年度卒業論文，90 ページ 気象庁 （2013）：ICPP 第 5 次評価報告書 http://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/ipcc/ar5/index.html 気象庁 （2016）：気候変動監視レポート， 第 2 章 気候変動 2.8 日本沿岸海面水位の 変動，出版社名，ページ数 気象庁 （2016）：太平洋十年規模振動（PDO）指数の変動 http://www.data.jma.go.jp/kaiyou/data/shindan/b_1/pdo/pdo.html 黒木理沙（2013）：日本沿岸における海面水位の長期変動.東海大学海洋学部卒業論 2013 年度卒業論文、59 ページ
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図１ 日本沿岸の代表観測点地図 黒枠：日本海沿岸観測点（JODC） 水色枠：太平洋沿岸観測点（JODC） 黄色枠：AVISO の絶対力学的海面高度
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図 2 日本沿岸の代表観測点地図 黒枠：日本海沿岸観測点（JODC） 水色枠：太平洋沿岸観測点（JODC） 黄色枠：AVISO の絶対力学的海面高度
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図３ 海面水温、海上風と PDO 指数との関係
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図５ 仮屋における潮位の日別平均値（気圧補正後）
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図７ 仮屋における潮位の月別平均値
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図 10 厳原、西郷における潮位の 1 年移動平均
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図 A-1 福江と厳原における潮位の 1 年移動平均
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図 A-3 西郷と境における潮位の 1 年移動平均
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図 A-5 枕崎、油津における潮位の 1 年移動平均
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図 A-7 福江、厳原における潮位の 5 年移動平均
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図 A-9 西郷、境における潮位の 5 年移動平均
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図 A-11 枕崎、油津における潮位の 5 年移動平均
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図 A-13 太平洋十年規模指数（PDO）の 1 年移動平均
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