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噴火湾・日高湾の初夏に発達する3種類の水平渦流の観測と数値実験

小林, 直人 北海道大学

2020.06.30

概要

北海道大学水産学部における私の立場は,同学部附属練習船「うしお丸」の教員であると同時に船の運航に関わる航海士であり,研究者ではない。船の安全運航を確保しつつ,陸の教員 (こちらは研究者) から提示された観測調査ニーズを理解し,乗組員や乗船学生とともに個々の海洋調査を成功させることが主たる仕事である。それゆえ,私の個人的な研究興味から海洋調査を別途実施することは許されておらず,一般の博士研究で行われるような,具体的な研究目標に向けての系統的な研究計画や調査計画を立てることは非常に難しい。そのため最初は,航海士としての立場から,膨大に蓄積される超音波流速計 (ADCP) データの社会還元を考えた。例えば,不慮の海難事故が発生したとき,現場近くで練習船による ADCP 観測が行われているにもかかわらず,迅速なデータ処理ができないために,人命救助には役立っていない。また,水産生物の大量斃死が多発した場合も,各研究機関の海流情報の交換がないために,ADCP データが原因究明に役立つ情報に至っていない。このような現状を少しでも解消したいと考え,本学部彙報に掲載した私の最初の論文では,迅速なデータ処理が行える ADCP 品質管理処理プログラムを公開して解説を行い,航海士同士での海流情報の全国的な交換ができることを願った。ただし,現状ではデータ管理をする中心的な機関がないため,残念ながら,この願いはまだ達成されていない。

うしお丸は函館港と臼尻港を主な停泊港とし,亀田半島を取り巻く津軽海峡・噴火湾・日高湾を研究対象海域とした調査航海が不定期であるが何度も繰り返され,停泊港を往復する経路で大量のADCP データが蓄積されている。そこで,私が開発した ADCP 品質管理処理プラグラムを亀田半島周辺海域に適用し,テストケースとして季節平均してみたところ,地元の漁業者の呼び名である「恵山潮」と「鹿部潮」の存在が海流データの実態としてみえるようになった。これが本研究を始める最初の動機となり,臼尻港の入出港時に必ず実施しているモニタリング点の水温・塩分データとも合わせて解析を行い,2 章の「北海道亀田半島沖における流れ場及び水塊の季節変化」としてまとめることができた。

2006 年 5 月 30 日から 31 日にかけて,北海道日高湾に面した亀田半島の鹿部から川汲に至る沿岸海域で北側から順に養殖施設などの漁業施設が破損する被害が発生した。後日,潮の経験的な強弱を熟知している地元の漁業者に聞いても,施設が破損するほどの急潮は過去にほとんど経験したことがなく,今回発生した急潮は当海域では非常に稀な海洋現象であることがわかった。このとき,うしお丸は日高湾沿岸域をちょうど航海中であり,沿岸域に帯状に連なる茶色い水塊が目視観察され,ADCP には明らかに強い南下流が捉えられていた。これは一般に急潮現象と呼ばれ,予測ができないことから,前もって調査計画を立てることができない現象である。個人的な興味から,うしお丸でたまたま捉えられた流速場を急潮現象の実態と捉え,まずは,入手可能な気象海象データや地元の漁業者の話を断片的に寄せ集めてみた。急潮の全体像を観測できた訳ではないが,間接的な情報をまとめた内容が 6 章の「噴火湾沖を通過する急潮 (1)データ解析」である。一方で,観測だけでは単なる報告にすぎず,その報告も完璧な海洋データに裏付けされたとは言えない状態にあった。おそらく,一般の科学を含め,特に海洋物理学は「観測」と「推測」の両方により成立する学問と考える。実は,タイトルとした「噴火湾沖を通過する急潮」を実際に観測してはおらず,「噴火湾沖を通過する」というのは推測である。この推測を裏付けるために,回転系流体の数値モデルの計算方法を独学し,断片的な観測結果を説明し得る急潮再現を行ったのが,7・ 8 章の「噴火湾沖を通過する急潮 (2) 数値モデル実験Ⅰと (3) 数値モデル実験Ⅱ」である。このような急潮現象の研究を通して,私は数値モデル実験が海洋現象を正しく理解し,推測する際の物理的根拠となる良いツールであることを学ぶとともに,このツールは系統的な研究計画をたてられない現状でも,興味ある物理現象をピックアップし十分に研究対象にできると感じた。

これまでは航海士の立場上,個人的な調査計画を立てることを避けていたが,磯田研との共同研究により,ひとつ目の研究対象として津軽 Gyre の分岐に焦点を当て,個人的には初めての調査計画を 2010 年 6 月に実行した。噴火湾から日高湾の調査は,学部内の多くの研究者により毎年実施され,高温高塩分で特徴付けられる津軽暖流水の空間分布が生物分布に影響していることは,調査の手伝いからも十分に認識していた。しかし,春季に津軽海峡から沖合へ流出した津軽暖流水がどのような経路を辿り,夏季から秋季に噴火湾内へ至るのか,その物理機構は解明されていないと思われた。そこで,津軽 Gyre を模した数値モデル実験を先行して行い,その初期段階のモデル結果から,Gyre 分岐が単純な二股分岐でない様子が伺えた。すなわち,日高湾における津軽暖流水の輸送経路が Gyre 分岐の仕方に依存している可能性が推測された。それゆえ,Gyre 分岐に関する集中海洋観測と数値モデル実験を並行して進め,共同研究による観測結果は 3 章の「日高湾陸棚斜面上における津軽 Gyre の分岐」として,数値モデル結果は 4 章の「日高湾陸棚斜面に沿って西方へ引き延ばされる津軽Gyre の数値実験」としてまとめた。

次に取り上げた物理現象は,津軽 Gyre から分岐した津軽暖流水が向かう先にある噴火湾の表層に形成される時計回りの水平循環流である。この循環流の発達は,私自身が航海士として最も身近に接する海洋物理現象でもあることから,非常に大きな関心を抱いていた。海洋観測知見に基づく数値モデル実験の結果,成層初期には沿岸域近傍に弱い反時計回りの水平循環流が形成されるが,成層が発達するに伴い表層の反時計回りの水平循環流は時計回りの水平循環流と変遷し発達する。その要因には,海面加熱により生じる「地形性貯熱効果」が大きな役割を果たす可能性が推測された。この数値モデル実験の結果は,水平循環流の励起に寄与する基本的な物理的要因に焦点を当てた 5 章の「初夏の噴火湾表層時計回り水平循環流の数値実験」としてまとめた。

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