オホーツク海における海水・海氷・油の流動予測システムの開発

（文部科学省　科学研究費　基盤研究（Ｂ）（一般）：平成１７―１９年度）

研究代表者：大島　慶一郎　（北海道大学　低温科学研究所　教授）

はしがき

オホーツク海はそのほとんどがロシア領海域であることや、冬季に海氷に覆われることなどで、観測が非常に少なく、その循環や流れの場でさえ、よくわかっていなかった。しかし、この10年あまりの間に、科学技術振興事業団戦略的基礎研究によるオホーツク海氷プロジェクト(以下CRESTと略す)などにより、オホーツク海の海流、海氷場の実態が一挙に明らかになってきた。それらによって、オホーツク海には大きな反時計回りの循環があり、その西岸境界流として強い南下流である東樺太海流が存在することが実測から明らかになった。特に、この東樺太海流は、海氷やそれに伴って淡水や負の熱、さらに油汚染を、南へ北海道沿岸へと運ぶと言う意味でも重要な海流である。一方、平成15年度から北海道低温科学研究所により北海道オホーツク海沿岸5ヵ所に海洋短波レーダーが設置され、この海域の表層流速場が詳細にモニターできるようになっている。

本研究の目的は、CRESTや海洋レーダによる観測に加え、新たに行う係留観測から得られるデータを比較・検証データに用いて、高精度の海洋数値シミュレーションモデルを開発し、オホーツク海の海流・海氷・油の流動予測システムを構築することである。そして、これらの成果を漁業・油汚染対策・観光・船舶航行などに役立てることをめざす。特に、将来起こる可能性があるサハリン油田からの油流出に対して、数週間から数ヶ月先までの油の流動・拡散を予測・シミュレーションできるモデル・システムを確立する。

油流動予測モデルはナホトカ号事故もあって日本海ではいくつかの研究があるが、オホーツク海にはまだ実用に足るものはない。むしろ、大きなサハリン油田があるオホーツク海では、予測システムを作ることは急務と言える。東樺太海流のような強い海流がある海域では油の流動はかなりの部分海の流れで決まるが、既存の油予測モデルは適切に海流が表現されておらず、実用に足るものとなっていない。本研究では海流を非常によく再現できるモデルを用いることで、格段に予測精度がよいモデルを提出する。

より適切な流動予測モデル構築のためには、海流場の変動およびそのメカニズムを明らかにすることが基盤となるので、本研究はそれも目的とする。オホーツク海は本格的な海氷域としては北半球の南限であり、北海道沖も1-3月は海氷域となる。オホーツク海の海氷の拡がりは大きな年々変動をすることが知られている。海氷変動の予測は漁業・油汚染対策・観光に重要となるだけでなく、気候の予測にも大きく関わってくる。本研究の目的には海氷の予測モデルを構築することも含まれる。

�T．研究組織

研究代表者：大島　慶一郎　（北海道大学　低温科学研究所　准教授）

研究分担者：若土　正曉　　（北海道大学　低温科学研究所　教授）

江淵　直人　　（北海道大学　低温科学研究所　教授）

三寺　史夫 （北海道大学　低温科学研究所　教授）

深町　康　　 （北海道大学　低温科学研究所　助教）

研究協力者：中野渡　拓也 （北海道大学　低温科学研究所　学術研究員）

小野　純　　　（北海道大学　低温科学研究所　学術研究員）

清水　大輔　　（水産総合研究センター　日本海区水産研究所　博士研究員）

内本　圭亮　　（北海道大学　低温科学研究所　学術研究員）

二橋　創平　　（北海道大学　低温科学研究所　博士研究員）

�U．交付決定額（配分額）

（金額単位：円）

	直接経費	間接経費	合　計
平成１７年度	5,800,000	−	5,800,000
平成１８年度	5,100,000	−	5,100,000
平成１９年度	4,000,000	1,200,000	5,200,000
総　計	14,900,000	1,200,000	16,100,000

�V．研究成果

研究成果としては、３つに大別できる。一つ目は、過去の観測データに加え、新たに取得した海洋レーダー・係留系データを用いての、海流場及び海氷場の詳細な解析である。これらの実態把握は、流動予測モデル構築の基盤となるもので、これらの観測データはモデルの比較・検証データにもなる。二つ目が、本研究の中心となるもので、海流及び流出油の数値シミュレーションモデルの構築である。基本的には、高精度の海洋3次元循環モデルを用い海流場のシミュレーションを行い、粒子追跡法によりに流出油のシミュレーションを行う。三つ目は、海氷予測モデルである。海氷の予測には、海流や風といった力学的要因の他に、熱力学的な要因が重要となる。本研究ではより基本となる後者に焦点を当てた研究を行った。

なお、研究成果の多くについては、すでに論文や解説として印刷（または投稿中）されているので、成果の詳細は本冊子に付属資料として載せているこれらの論文・解説を参照にされたい。

�V-1. 観測データの解析・実態の把握

オホーツク海の海流場を特徴づけるのは、東樺太海流と宗谷暖流の二つの海流である（オホーツク海の表層の海流場に関しては、付属論文7(大島他, 2008)のFig.1にある模式図を参照されたい）。海水や流出油の流動を考える場合にも、この二つの海流の実態を詳細に把握することが鍵となる。東樺太海流については、CREST研究によりその季節変動は研究されていたが、それより短い周期の変動や潮汐による変動については十分解析されていなかった。これらの変動は拡散効果の主役を握っていると考えられる。東樺太海流のシノプティックな変動に関しては、Mizuta et al. (2005) 及び付属論文6 (Ohshima and Simizu, 2008)により、詳しい解析がなされた。それらによると、シノプティックな変動は樺太東岸の岸沿い方向の風が重要であり、陸棚上の流速変動は、風応力の岸沿い方向成分を地形性波動が伝わってくる方向の沿岸に沿って積分したもので概ね決まることが示されている (Ohshima and Simizu, 2008)。

樺太の大陸棚は潮流が大きく増幅される海域でもある。これは、緯度が高いため、樺太の大陸棚やその周辺の海堆では日周潮の地形性ロスビー波が存在しえるためである。潮流は海水・流出油の拡散に重要な働きをするのでその理解は不可欠となる。樺太東岸の大陸棚の潮流に関しては付属論文3 (Ono et al., 2008)により、樺太北東の海堆(Kashevarov Bank)の潮流に関しては Ono et al. (2006)により詳しい解析がなされている。

宗谷暖流については、今まで長期連続測流は、1点1層での観測しかなかったが、海洋短波レーダーの観測により、宗谷海峡周辺の表層流に関しては時間的にも空間的にも高精度なモニターが可能になった。この詳細な解析は、付属論文1 (Ebuchi et al., 2006)によってなされている。一方、宗谷海峡近傍では、海底設置方式による超音波ドップラー流速プロファイラー(ADCP)によって長期連続測流を行い、宗谷暖流の鉛直構造及び季節変動の詳細を明らかにした（付属論文2: Fukamachi et al., 2008)。

海洋レーダー・過去の海洋観測データ・ADCPデータを組み合わせて、宗谷暖流の流量を見積もると、年平均で約１(Sv)、8月に最大の約１.5 Sv、1月に最小の約0.3 Svとなる。海洋レーダー・ADCPデータからは、宗谷暖流には5−20日周期程度のシノプティックな変動が卓越することがわかった。それらは、樺太東岸および北海道西岸の岸に平行に吹く風が誘起する陸棚波によってセットアップされる海峡間の水位差によって駆動されることが示唆された (Ebuchi et al., 2008)。

オホーツク海紋別沖では、海底設置方式の氷厚計・ADCP観測により、海氷の厚さと漂流速度を高精度で連続測定した（付属論文4: Fukamachi et al., 2006)。それより、オホーツク海南部での海氷の厚さ分布や漂流特性などが明らかになった。

�V-2. 海洋・流出油シミュレーションモデル

本研究では、まず3次元海洋モデルとして、Princeton Ocean Modelに現実のオホーツク海の地形・成層を入れた、分解能1/6度のものを用いた (付属論文5: Simizu and Ohshima, 2006)。モデルは日々の風応力と月平均の海面熱フラックスによって駆動される。その後、モデルの分解能を1/6度から1/12度に上げ、さらに日本海と太平洋の海水交換も含むモデルにバージョンアップした(Uchimoto et al., 2007, 付属解説1: 小野他, 2008)。表層ブイ・係留系及び海洋レーダーより取得した測流データとモデルの比較・検討を繰り返すことで、東樺太海流・宗谷暖流に関しては非常に再現性のよいモデルを開発することができた。これらのモデルは特に樺太陸棚上の流速場を非常によく再現していることがわかった(付属論文6: Ohshima and Simizu, 2008)。モデルは特に成層の弱い時期に、海氷期であっても、よく合っていた。モデルには海氷の効果が入っていないが、そうであっても陸棚上の流速場の再現には問題とならないことが示唆された。ECMWFの風速を1.25倍する補正も妥当なものと考えられる。

これらのモデルに粒子追跡法を取り入れて、サハリン油田起源の海水の漂流拡散を調べた(Ohshima and Simizu, 2008; 小野他, 2008)。油の漂流で最も効くのは海流で、本モデルはオホーツク海では初めて海流を適切に取り入れた油流出シミュレーションモデルと言える。水平拡散の効果は、Markov-chain modelを仮定したランダムウォークを用いて取り入れた。サハリン油田周辺から水深0mと15m上で粒子を流す一連の実験を行った。水深15mでは、粒子を投下する月・年に関わらず、10月一気に東樺太海流が強まるのに伴って粒子はサハリン東海岸沖を南下し始め、11〜1月に北海道沖に到達する。表層0mでは、海流だけでなく風によるドリフトの効果が加わり、粒子の挙動は年によって異なる。 沖向きの風が強い年は、粒子は東樺太海流の主流からはずれてしまうため、北海道沖までは到達しない。

2006年2･3月に起こった知床沿岸への大量の油まみれ海鳥の漂着問題に、本モデルによる後方粒子追跡実験を適用し、死骸は11-12月にサハリン沿岸から流れてきた可能性が高いことを示した(付属論文7: 大島他,2008)。このようなシミュレーションはアムール川からの汚染物質の流動予測にも有用であり(大島他,2008)、東樺太海流による輸送効果の重要性が示された。

潮流による拡散効果を正しく評価するために、オホーツク海の主要4分潮の3次元海洋潮流モデルを、観測との比較・検討に基づいて作成した(解説1: 小野他,2008)。この潮流モデルと上記の風成駆動モデルを組み合わせて粒子追跡実験を行うことで、より正確な流動予測モデルとなる。

�V-3. 海氷予測モデル

オホーツク海では、海氷は11月に北西陸棚域から発達し、2-3月に最大の拡がりを持つ。本研究では、年々の海氷の拡がりを予測するスキームを開発した。　

まず、海氷が最初に出現する北西陸棚及び東樺太陸棚域では、海氷生成がいつ始まるかは単純にローカルな秋（10･11月）の熱フラックスで決まることが明らかになった (付属論文8: Ohshima et al., 2005; 付属解説2: 大島, 2007)。従って、初期のオホーツク海全体の海氷面積の経年変動もほぼこの秋の熱フラックスによって決まる(付属論文9: Ohshima et al., 2006)。この熱フラックスのアノマリーは、主に気温による乱流熱フラックスのアノマリーによってもたらされる。海氷がある程度発達する1月中旬以降になると、海氷による断熱効果が効いてきて、海氷面積と熱フラックスの関係は明確でなくなる。海氷が最終的にどこまで張り出すかには熱フラックスはあまり関与しない。

海氷が最終的にどこまで張り出すかは、太平洋カムチャッカ沖から流入してくる海水の表層温度が強く効いていることが示された (付属論文10: Nakanowatari et al., 2008)。以上の知見に基づいて、カムチャッカ沖の11･12月の海面温度と10･11月のオホーツク北西部の気温を用いて、年々の最大海氷面積を予測するスキームを提出した。提案された予測スキームからは、海氷面積が最大となる季節の2−3ヶ月前の情報から、相関係数 0.8 以上の高い確度で予測が可能となる (付属論文10: Nakanowatari et al., 2008)。実際に、2008年の最大海氷面積をこのスキームで（平年並みと）ホームページ（http://wwwod.lowtem.hokudai.ac.jp/~ohshima/）上で予報し、的中させている。

今回の研究では、オホーツク海全体として見たときの海氷変動を明らかにし、予測モデルを提出している。空間的にも時間的にも高精度の海氷予測を行うには、海流や風による海氷の漂流も重要となる。将来的には、III-2にある数値シミュレーションも組み合わせることで、より高精度の海氷予測が可能となる。

�W．研究発表（広い意味で本研究に関係するものも含む）

�W-１．原著論文（査読がある論文）

1) Ebuchi, N., Y. Fukamachi, K. I. Ohshima, and M. Wakatsuchi: Subinertial and seasonal variations in the Soya Warm Current revealed by HF ocean radars, coastal tide gauges, and bottom-mounted ADCP, Journal of Oceanography, (revised).

2) Nakanowatari,T., K. I. Ohshima, and S. Nagai: What determines the maximum sea ice extent in the Sea of Okhotsk?: Effect of inflowing water from the Pacific, Geophysical Research Letters, (submitted).

3) Fukamachi, Y., I. Tanaka, K. I. Ohshima, N. Ebuchi, G. Mizuta, H. Yoshida, S. Takayanagi, and M. Wakatsuchi, 2008: Volume transport of the Soya Warm Current revealed by bottom-mounted ADCP and ocean-radar measurement. Journal of Oceanography, 64, 385-392.

4) Ono, J., K. I. Ohshima, G. Mizuta, Y. Fukamachi, and M. Wakatsuchi, 2008: Diurnal coastal-trapped waves on the eastern shelf of Sakhalin in the Sea of Okhotsk and their modification by sea ice. Continental Shelf Research, 28, 697-709.

5) Ohshima, K. I. and D. Simizu, 2008: Particle tracking experiments on a model of the Okhotsk Sea: toward oil spill simulation. Journal of Oceanography, 64, 103-114.

6) 大島慶一郎・小野純・清水大輔, 2007：オホーツク海における漂流物の粒子追跡モデル実験. 沿岸海洋研究ノート, 45, 115-124.

7) Toyota, T., S. Takatsuji, K. Tateyama, K. Naoki, and K. I. Ohshima, 2007: Properties of sea ice and overlying snow in the southern Sea of Okhotsk. Journal of Oceanography, 63, 393-411.

8) Nakanowatari T., K. I. Ohshima, and M. Wakatsuchi, 2007: Warming and oxygen decrease of intermediate water in the northwestern North Pacific, originating from the Sea of Okhotsk, 1955-2004. Geophysical Research Letters, 34, L04602, doi:10.1029/2006GL028243.

9) Uchimoto, K., H. Mitsudera, N. Ebuchi, and Y. Miyazawa, 2007: Anticyclonic eddy caused by the Soya Warm Current in an Okhotsk OGCM. Journal of Oceanography, 63, 379-391.

10) Ohshima, K. I., S. Nihashi, E. Hashiya, and T. Watanabe, 2006: Interannual variability of sea ice area in the Sea of Okhotsk: Importance of surface heat flux in fall. Journal of Meteorological Society of Japan, 84, 907-919.

11) Fukamachi, Y., G. Mizuta, K. I. Ohshima, T. Toyota, N. Kimura, and M. Wakatsuchi, 2006: Sea-ice thickness in the southwestern Sea of Okhotsk revealed by a moored ice-profiling sonar, Journal of Geophysical Research, 111, C09018, doi:10.1029/2005JC003327.

12) Simizu, D. and K. I. Ohshima, 2006: A model simulation on the circulation in the Sea of Okhotsk and the East Sakhalin Current, Journal of Geophysical Research, 111, C05016, doi:10.1029/2005JC002980.

13) Ono, J., K. I. Ohshima, G. Mizuta, Y. Fukamachi, and M. Wakatsuchi, 2006: Amplification of diurnal tides over Kashevarov Bank in the Sea of Okhotsk and its impact on water mixing and sea ice. Deep Sea Research, 53, 409-424.

14) Ebuchi, N., Y. Fukamachi, K. I. Ohshima, K. Shirasawa, M. Ishikawa, T. Takatsuka, T. Daibo, and M. Wakatsuchi, 2006: Observation of the Soya Warm Current using HF Ocean Radar. Journal of Oceanography, 62, 47-61.

15) Ebuchi, N., 2006: Seasonal and interannual variations in the East Sakhalin Current revealed by the TOPEX/POSEIDON altimeter data. Journal of Oceanography, 62 171-183.

16) Ohshima, K. I., S. C. Riser, and M. Wakatsuchi, 2005: Mixed layer evolution in the Sea of Okhotsk observed with profiling floats and its relation to sea ice formation. Geophysical Research Letters, 32, L06607, doi:10.1029/2004GL021823.

17) Mizuta, G., K. I. Ohshima, Y. Fukamachi, and M. Wakatsuchi, 2005: The variability of the East Sakhalin Current induced by winds over the continental shelf and slope. Journal of Marine Research, 63, 1017-1039.

18) Shimada, Y., A. Kubokawa, and K. I. Ohshima, 2005: The influence of current width variation on the annual mean transport of the East Sakhalin Current: A simple model. Journal of Oceanography, 61, 913-920.

19) Ohshima, K. I., M. Wakatsuchi, and S. Saitoh, 2005: Velocity field of the Oyashio region observed with satellite-tracked surface drifters during 1999-2000. Journal of Oceanography, 61, 845-855.

�W-2．その他の論文・解説文・プロシーディング（査読のないもの）

20) Toyota, T., K. I. Ohshima, N. Ebuchi, K. Nakamura, and S. Uto, 2007: Retrieval of ice thickness distribution in the seasonal ice zone from L-band SAR. Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Barcelona.

21) Ohshima, K. I., D. Simizu, 2007: Particle tracking experiment on a model of the Okhotsk Sea: Drifting and spreading of the Amur origin water. Report on Amur-Okhotsk Project No.4, Research Institute for Humanity and Nature, 7-13.

22) Ohshima, K. I., M. Wakatsuchi, K. Ono, and S. C. Riser, 2007: Seasonal variations of the circulation in the Okhotsk Sea and of the water exchange with the North Pacific. Proc. 22nd International Symposium on Okhotsk Sea and Sea Ice. 3-6.

23) Ono, J., K. I. Ohshima, G. Mizuta, Y. Fukamachi, and M. Wakatsuchi, 2007: Diurnal coastal-trapped waves on the eastern shelf of Sakhalin in the Sea of Okhotsk and the effect of sea ice on them. Proc. 22nd International Symposium on Okhotsk Sea and Sea Ice. 142-145.

24) Fukamachi, Y., I. Tanaka, K. I. Ohshima, N. Ebuchi, G. Mizuta, H. Yoshida, M. Wakatsuchi, 2007: Long-term measurement of the Soya Warm Current by a bottom-mounted Acoustic Doppler Current Profiler. Proc. 22nd International Symposium on Okhotsk Sea and Sea Ice. 134-135.

25) Ohshima, K. I., D. Simizu, 2006: Particle trace experiments on a model of the Okhotsk Sea: Toward the prediction for spreading of spilled oil and Amur contamination. Proc. 21st International Symposium on Okhotsk Sea and Sea Ice. 119-122.

26) Ohshima, K. I., 2005: Circulation and heat/salt transport in the Sea of Okhotsk and its relation to sea ice, Report on Amur-Okhotsk Project No.3, Proceedings of the International Kyoto Symposium 2005, 23-30.

�W-3．図書

1) 大島 慶一郎: 第1章「東北アジア」の自然環境概説 3.オホーツク海と海氷: その特殊性と重要性「朝倉世界地理講座−大地と人間−2巻：東北アジア」（印刷中）

2) 大島 慶一郎, 2007: 「オホーツク海の気象　−大気と海洋の双方向作用−： 第2章　大気海洋間熱フラックスから見たオホーツク海の海氷　」気象研究ノート，pp9-18.