土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 75, No. 2, I_979─I_984, 2019.

ダウンスケーリング海洋モデルを用いた南シナ海の海洋構造物に作用する外力評価
高浦 育 1・内山 雄介 2・Nizamani ZAFARULLAH 3・中山 昭彦 4
1 学生会員

神戸大学 大学院工学研究科市民工学専攻（〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1）
E-mail: t.naru_u117@ezweb.ne.jp
2正会員 神戸大学教授 大学院工学研究科市民工学専攻（〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1）
E-mail: uchiyama@harbor.kobe-u.ac.jp
3 Universiti Tunku Abdul Rahman （Jalan Universiti, 31900 Kampar, Perak, Malaysia）
4 正会員 Universiti Tunku Abdul Rahman（Jalan Universiti, 31900 Kampar, Perak, Malaysia）
HYCOM-ROMS海洋モデルと気象庁GPV-GSMによる海象気象再解析値を用いて，南シナ海沿岸に偏在する海洋構造物に作用する外力の予測可能性に着目した研究を行なった．極値統計を用いて構造物に作用する数十年確率表面流速・風応力を求めた結果，風応力はマレー半島東沖，表面流速はボルネオ島北沖で大きくなる傾向があった．マレー半島東沖の風応力は冬季モンスーンの影響を，ボルネオ島北沖の流れはボルネオ海峡を介したスールー海への流入の影響を受けて形成されていた．通過流量収支解析の結果，ボルネオ沖流動は黒潮流量変動と連動したルソン海峡からの流入，ミンダナオ海流変動と連動したセレベス海峡からの流入の影響を間接的に，しかし強く受けていることが示された．

Key words: HYCOM-ROMS model, offshore platform, extreme value analysis, South China Sea

1.

はじめにフォーム）が多数建設運営されている（図-1右）．マレ
海洋構造物の設計・維持管理のためには外力となる海ーシアは石油・天然ガスなどが豊富に賦存する世界屈指流・海上風・波浪等の評価を適切に行う必要がある．通の資源輸出国である．日本は世界のLNG輸入量の34.9%

常，長期間の外力超過確率を得るためには長期間の海象を輸入しているLNG輸入大国であるが，国別ではマレー観測が求められる．構造物に作用する外力は局所的に評

シアからの輸入量がオーストラリアの30.7%に次いで全価されるが，それらは例えば風向とフェッチに依存する体の17.7%を占める．すなわち，当海域のプラットフォなど，広域の気象海象変動の影響を強く受けるため，ピームは我が国にとっても死活的に重要な海洋資源の供給

ンポイントの観測データだけでは極端外力の発生機構や源であると理解される．一般に，海洋資源開発に関するそれに基づく予測を十分に行うことは困難である．

データはアクセスが困難であるが，我々が入手し得た情外力の一つである海流に着目すると，たとえ閉鎖的な報では，建設前後の非常に限定された期間と精度の海象水域であっても，強い外洋影響下にあることが多い．例

観測データのみから設計外力を評価したようである．

えば，瀬戸内海の残差流は平常時には豊後水道から紀伊

そこで本研究では，現地データに乏しい南シナ海の海水道へ向かう時計回りの通過流が卓越するが，その強度

洋プラットフォームに作用する長期的な外力の予測可能は両水道南側海域における黒潮の流路変動の影響を強く性を探るべく，高解像度海洋モデルおよび全球気象モデ

1)受けている ．したがって，ある海域の極端外力を評価

ルによる再解析値を用いて，南シナ海全域およびペトロするためには，局所的な観測に加えて外洋影響も考慮しナス社プラットフォーム展開位置での海上風および表層た広域的かつ長期間の広域データ蓄積が必須となる．と流速を評価することを試みる．具体的には，1. 比較的短ころが，このような総合的な気象海象観測には技術的，い有限期間における気象・海洋再解析データに対して，経済的な困難を伴うため，特に発展途上国などでは必ず極値統計を用いることで超過確率年数十年における最大しも十分に実施されずに設計がなされることも多い．

流速と最大風力を評価すること，2. プラットフォーム位

南シナ海南西部の陸棚海域（マレー半島東岸域およびボルネオ島北岸域）にはマレーシア・ペトロナス社保有

置における海上風と表層流速の極大値の発生原因を考察することの2点を主たる目的とする．の石油・天然ガス掘削プラットフォーム（以下プラット

I_979図−1 左図：南シナ海を中心とした研究対象海域．カラーは水深 (m)．黒枠：ROMS 計算領域，記号は主要な海域や地名(SCS：南シナ海，CS：セレベス海，SS：スールー海，JS：ジャワ海，GoT：タイランド湾， Tai：台湾，Ind：インドシナ
半島，Mal：マレー半島，Luz：ルソン島，Bor：ボルネオ島)．右図：南シナ海周辺の拡大図．右図の地名を付した赤線
はフラックス収支解析で用いる海峡と断面の名称．X 印：本研究で考慮した Petronas 社プラットフォーム 38 基の位置．

2. 研究方法

表−1 HYCOM-ROMS 南シナ海モデルの計算条件
計算期間
格子数
水平解像度
時間解像度
側方境界条件海上風海面フラックス
海表面温度・塩分
河川流量
海底地形
調和定数（潮汐）(1) 研究対象海域：南シナ海
ペトロナス社がプラットフォームを展開している南シナ海（図–1）の流動は，ルソン海峡の西側を中心とした北部海域において多くの観測・モデル研究が行われてきた（例えばCenturioni，2004）2）．特に，ルソン海峡海
嶺地形に励起される強い内部波（内部潮汐）の発生・伝播・散逸過程や，ルソン島北部における黒潮の西向き転流に伴う流入イベントとそれに伴う切離および定在中規模渦に科学的興味が集中していた．しかしながら，南側のタイランド湾やマレー半島沿岸を含む南シナ海全体の流動構造に関する研究は大幅に立ち遅れており，海域流動の全容は必ずしも解明されていないのが現状である．
本海域は多島海であり，比較的狭隘で浅い海峡で囲まれているため，半閉鎖的な海域であると考えられることが多い．しかし，フィリピン東岸沖では西岸境界流である黒潮とミンダナオ海流が流れており，瀬戸内海のように海流の影響を間接的に，残差流として受けている可能性が高い3),4)．
(2) 評価外力
運用中のプラットフォームでは，疲労や錆，生態系への影響評価などのために，海流，海上風（およびそれに伴う波浪）の長期的な評価が必要である．疲労は主に構造物に作用する波力によって発生するが，波力は波の軌道流速と海流速度を用いて評価される．ここでは最大波力を間接的に評価するために最大流速と最大風速に着目する．錆については海上での飛沫と海面下での酸化の2つの要素が支配的になるが，前者は波浪と関係するため間接的に海上風で評価され，後者は塩化物イオン交換速度が流速に比例することから（平均）流速が重要になる

2011 年 1 月 16 日–2015 年 12 月 31 日
1024 × 1024 ×鉛直 40 層
約 5 km（Oblique Mercator 投影法）
180 s （baroclinic モード）
HYCOM+NCODA（1 日平均値）
気象庁 GPV-GSM（6 時間値）
NOAA-COADS（月平均気候値）
HYCOM-SST，SSS（20 日平均値）
Dai ら（2009）による月平均気候値
SRTM30_Plus データ
TPXO 7.0 による主要 10 分潮と考えられる．したがって本研究では，海洋再解析値か
ら海洋表層流速を，気象再解析値から海上風（本研究では差を際立たせるため，風速の二乗に比例する風応力を使用している）を用いて以下の解析を行うこととした．
(3) HYCOM-ROMS・GPV-GSM再解析データ
海洋再解析データとしては，南シナ海全域を対象としたHYCOM-ROMSダウンスケーリングモデル3), 4)を用い（表–1，図–1参照），気象再解析データとしては気象庁
現業全球気象解析データGPV-GSMを用いる．HYCOMROMSモデルは，水平解像度1/12度の3D-Varデータ同化
全球海洋再解析値HYCOM+NCODA GOFS 3.0 GLBu 0.08
expt. 90.6–91.2（https://hycom.org 参照．以下，単にHYCOMと呼称）による日平均出力の3次元流速，塩分・水温，水位を時空間的に内挿して側方境界条件・初期条件とし，領域海洋循環モデルROMS（水平解像度5 km，鉛直40層）
へ one-way offlineネスティングしたものである．ROMSの海上風にはGPV-GSM（6時間毎解析値），海面での熱・放射・淡水フラックスにはNOAA-COADS月平均気候値，河川流量にはDaiら（2009）による月平均気候値を用い，

I_980

図−2 左図：50 年確率の風応力分布 ，中央図：50 年確率の表面絶対流速，右図：4 年間の表面絶対流速平均値． ☓印はそれぞれの値の大きかった Petronas 社のプラットフォーム上位 5 箇所の位置を示している（表–2〜4 参照）．

ここに，x：流速や風応力の年最大値，F (x) ：退化しな

表−2 風応力最大値・極値（N/m2）上位 5 箇所
構造物名

4 年間最大値

50 年確率風応力

LahoBergading
Sepat
Abu
Bubu-1

0.286
0.277
0.275
0.245
0.244

0.355
0.352
0.341
0.283
0.283

い Gumbel 分布関数，𝜇，𝜂：パラメータであり，x の平均値 𝑥 および分散 Sx を用いて，積率法により 𝜂 =6𝑆! 𝜋，𝜇 = 𝑥 − 0.5772 ∙ 6𝑆! 𝜋で評価した．

3. 極値統計解析と結果

表−3 表層流速最大値・極値（m/s）上位 5 箇所
構造物名

4 年間最大値

50 年確率流速

Tembungo
BADD-AKN-B
KN-C
SAMARANG

0.816
0.741
0.727
0.692
0.677

1.047
0.846
0.816
0.796
0.779

(1) 風応力の極値とその成因
南シナ海全域における 50 年確率風応力の空間分布とプラットフォームの中で値の大きかった上位 5 箇所を
図-2 左および表-2 に示す．確率年である 50 年は風力発電の設計基準を参考に決めた 6)． 50 年確率風応力に加えて 20 年，35 年確率風応力も求めたが，それらの空間分布は 4 年間の最大値分布と定性的には概ね一致してい表−4 表層流速平均値（m/s）上位 5 箇所

た（図は割愛）．風応力極値は最大で 0.35 N/m2 程度

構造物名

4 年間平均値（風速換算で 10 m/s 程度）であり，上位 5 箇所のプラッTembungo
BADD-AKN-B
SAMARANG
KN-C

0.237
0.223
0.208
0.202
0.199

トフォームはいずれもマレー半島東沖に存在していた．
なお，風応力は約 10 km の水平格子内の日平均値を用いたため，実際の瞬間最大風応力はさらに強くなる点に注意されたい（次節の流速も同様）．次に，最大風応力の潮汐には全球調和定数TPXO 7.0による主要10分潮を与えた．その他のモデリングの詳細については既報3), 4), 5) を参照されたい．南シナ海の流動再現においても，総観規模や中規模現象における再現精度は極めて高いことが確認されている3), 4)．本研究ではHYCOM-ROMSモデル計算期間（助走期間を除く）に対応させて，2012年−2015年の約4年間の再解析値を用いた．
使用したデータの期間 4 年間では，直接的な長期の外力評価には不十分であるため，極値統計解析を用いて数十年超過確率の流速等を求めた．本研究では試行的に最も広く用いられる Gumbel 式を確率密度関数に採用し，4年分の年最大値を用いてフィッティングさせた．
𝐹 𝑥 = exp − exp −!

力最大値を記録した月を求め，その月（2014 年 12 月）の月平均値分布を調べた（図-3 左）．インドシナ半島沖で南西方向への季節風が顕在化しており，その風下にあるマレー半島沖のプラットフォームに強い影響を与えていることが分かる．したがって，プラットフォームに影響する風応力はこの季節風の影響によるものであると思われる．強風域は台湾沖から南シナ海中央部を長距離(4) 極値統計解!!!

成因を調べるために，上位 5 箇所における 4 年間の風応, −∞<𝑥 <∞にわたって南西方向に舌状に伸びており，非常に長いフェッチを有することから，このときのマレー東岸での波浪はかなり発達していたことが示唆される．
(2) 表層絶対流速の平均値・極値とその成因同様に，表層絶対流速の極値を図-2中央および表-3に示す．風応力極値分布とは大きく異なり，プラットフォ(1)ームの中で値の大きかった上位5箇所はいずれもボルネオ島北沖に偏在し，その最大流速は1 m/s程度であった．

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図−3 左図：月平均値風応力が最大値をとった 2014 年 12 月の月平均風応力（N/m2），右図：表面絶対流速が最大値をとった
2012 年 9 月の月平均流速（m/s）．カラーはベクトルの絶対値を示している．

また，海水中の錆に関係する表面絶対流速の4年間の平れぞれの検査線を通過する月平均流量の変化とそれらの均値分布を図-2右に示す．平均値の大きかった上位5箇関係を調べることにより，南シナ海全体と南シナ海に接所のプラットフォームもまた，極値同様に全てボルネオ続するスールー海とセレベス海の水塊形成機構，それに島北沖に偏在することがわかる．

伴うボルネオ北沖の流れとの関係について考察する．さ

これら上位5箇所における月平均表層流速が最大値をらに，南シナ海への外洋水の流入源であるフィリピン東記録した月（2012年9月）の月平均表層流速分布を見るの太平洋沿岸を南北に流れる黒潮，ミンダナオ海流の流と（図-3右），南シナ海外部やベトナム沖で強い海流が量と，南シナ海水塊構造の関係について検討する．

存在するものの，プラットフォームが設置されているマ(2) 南シナ海周辺の海峡通過流量

レー半島やボルネオ島沿岸域の表層流はかなり弱く，波南シナ海を通過する流量で卓越しているのはルソン海力に対する表層流の寄与は相対的に小さいことが予想さ

峡からの流入とパラワン海峡からの流出である（図-4）．

れる．極値および平均値が大きくなったボルネオ島北沖

両者の増減には明確な負の相関があり，この 2 つの通過には弱い北東方向への残差流が形成されており，ボルネ流が南シナ海の水塊構造を決定づけていると言える．一オ海峡（図-1右参照）近傍で比較的複雑に流向や流速値方で，台湾海峡，ボルネオ海峡，バンカ海峡での海峡通が変化している．この残差流の形成には，南シナ海南西過流量の絶対値はルソン通過流の 20%前後と小さい．し部の循環とホルネオ島東側のスールー海への流出入が関かしながら，いずれも若干の位相差を持ちながらもよく係している可能性が高い．そこで以下では，ボルネオ海似た位相関係を保持しながら増減している．バンカ海峡峡を中心とした南シナ海各海峡部における流量収支につフラックスはパラワン海峡フラックスと概ね同期した状

いて，通過フラックスを用いて検討する．

態で変動しており，平均的には流出傾向にあるが，台湾海峡はほぼ常に流入，ボルネオ海峡では流入と流出が交

4. 南シナ海とその周辺の海水交換特性互に生じている．これらの結果から，ルソン海峡からの流入フラックスは主にパラワン海峡から通過流としてそ(1)

断面通過フラックス解析のまま流出するものの，バンカ海峡での流出も有意であ

ボルネオ島北沖の残差流の形成機構を探るため，南シり，プラットフォームが存在するボルネオ海峡周辺海域

ナ海および南西部の接続海域（スールー海，セレベス

ではそれらの残差として流出入フラックス変動が形成さ海），太平洋間の海水交換特性を評価する．本研究ではれているものと結論付けられる．

各海峡通過流量（体積フラックス）に着目し，図-1 右(3) スールー海周辺の海峡通過流量のように主要な海峡や海流の流路に検査線を設定し，断面通過流量の月平均値を求める．
任意の断面を通過する体積フラックス F（m3/s）は𝐹 𝑡 =!

南シナ海とパラワン諸島（北東部のパラワン海峡および南西部のボルネオ海峡）を通じて接続するスールー海における流出入については，スールー海峡からの流出量とパラワン海峡からの流入量がほぼ同量であり，ほぼ同𝑢! 𝑑𝐴

じ位相関係を保持している（図-5）．ボルネオ海峡でので表される．ただし，A：検査断面の断面積（m2），通過流量は両者の 20%程度であるが，変動パターンは 3

un：断面 A に直交する水平流速成分（m/s）である．そ者は概ね同じであることが分かる．したがって，スールI_982

図−4 南シナ海周辺における各海峡での通過体積フラックス．南シナ海への流入を正と定義している．シアン：台湾海峡（中国−台湾間），青：ルソン海峡（台湾−ルソン島間），赤：パラワン海峡（パラワン諸島北東部），黄土色：ボルネオ海峡（パラワン諸島−ボルネオ島間），黒紫：バンカ海峡（スマトラ島−ボルネオ島間）．単位は Sv（106 m3/s）．

図−5 図−4 と同じ．ただしスールー海周辺における各海峡での通過体積フラックス．赤：パラワン海峡，黄土色：ボルネオ海峡，紫：スールー海峡（ミンダナオ島−ボルネオ島間）．

ー海峡からの流出量とパラワン海峡からの流入量の増減とから，南シナ海および接続海域への流入・流出は外洋に連動してボルネオ海峡からの流出が引き起こされておの海流の流量変動の影響を直接的・間接的に受けている

り，プラットフォームが存在する海域に近いボルネオ島ものと理解される．

北部の流動に対しては，スールーおよびパラワン通過流以上の結果をまとめると，南シナ海の水塊構造は大きが大きく影響していることが示唆される．

く分けて 2 つメカニズムに支配されている． 1 つは黒潮(4) セレベス海周辺の海峡通過流量の流量増加によってルソン海峡からの流入が増加し，そセレベス海ではセレベス海峡からの流入とマカッサルれに伴ってパラワン海峡，ボルネオ海峡で流出が増加す海峡からの流出が卓越している（図-6）．なお，3 者のる機構であり，もう 1 つはミンダナオ海流の流量増加に

合計は 0 に近づくべきであるが，流量収支には最大 30%

よってセレベス海峡からの流入，マカッサル海峡から流程度の誤差がある．この原因は，水温の変化による体積出，スールー海峡からの流出が増加し，間接的にパラワの変化，蒸発，降雨，河川の流入などである．セレベスン海峡からの流入，ボルネオ海峡からの流入が増加する

通過流とスールー通過流は夏に増大，冬に低下するようという機構である．したがって，本研究で着目しているな 1 年サイクルで概ね同様の時間変動をしているのに対ボルネオ島北沖の流れは，黒潮，ミンダナオ海流の流量し，マカッサル通過流は 6 ヶ月ごとに増減を繰り返すよ

変動の影響を間接的に受けて決定されていると結論づけ

うな周期変動をしている．つまり，スールー通過流はセられる．

レベス通過流の影響を直接的に受け，マカッサル通過流はセレベス海内部において変調された時間変動を持つも5. おわりにのの，スールー通過流とともにセレベス通過流と概ねバランスするという収支構造になっていると考察される．
(5) ミンダナオ海流と黒潮の流量推移

本研究では，HYCOM-ROMS 海洋モデル再解析値および GPV-GSM 全球気象再解析値を用いて，南シナ海，特黒潮，ミンダナオ海流の流路上の検査線（図-1 右）にマレーシア沖海域に展開されている海洋構造物に作用における各断面通過流量（北向き正）と，ルソン海峡，する代表的な外力である波力と腐食速度の評価に向けて，セレベス海峡通過流との関係を図-7 に示す．まず，ミ平均海流速・風応力の同定，および極値統計解析によるンダナオ海流の流量増加にしたがって黒潮流量も増加し最大流速・最大風力を定量化し，それらの形成メカニズている．両海流はともに，西進する北赤道海流を起源とムについて考察を行った．その結果，まず，プラットフしてフィリピン沖で南北に分岐する海流であることから， ォームで生じる表層流速，風応力の 50 年超過確率極大流量の増減には強い相関があると考えられる．また，黒値はそれぞれ，1 m/s，0.35 N/m2 程度と評価された．風応

潮，ミンダナオ海流が減少する時にセレベス海峡からの力はマレー半島東沖で大きく，ベトナム沖に発達する季流入，ルソン海峡からの流入がそれぞれ増加しているこ

節風（モンスーン）の勢力範囲と密接に関係していた．

I_983

図−6 図−4 と同じ．ただしセレベス海周辺における各海峡での通過体積フラックス．黄緑：セレベス海峡（ミンダナオ島−セレベス島間），紫：スールー海峡，灰：マカッサル海峡（セレベス島−ボルネオ島間）．

図−7 図−4 と同じ．ただし，黒：黒潮北向き流量，黄：ミンダナオ海流北向き流量，青：ルソン海峡通過流量，黄緑：セレベ
ス海峡通過流量．

一方で，海洋表層流の最大値と平均値はボルネオ島北部沿岸域で大きな値を取っていた．通過流量収支解析の結3)

果，この海流は黒潮，ミンダナオ海流の影響を間接的に受けた南シナ海および接続海域全体の大規模な流動に支配されている可能性が強く示唆された．

4)

謝辞：本研究は科学研究費（15KK0207，18H03798）の援助を受けた．
5)

参考文献
1) 小硲大地，内山雄介，御手洗哲司：長期高解像度再解析に基づく瀬戸内海内部流動と幼稚仔分散過程の形成メカニズ
ムに関する研究，土木学会論文集B2（海岸工学）, Vol. 72,No. 2, pp. I_1273-I_1278, 2016.
2) Centurioni, L. R., Niiler, P. P and Lee, D.-K.: Observations of inflow of6)

Philippine Sea surface water into the South China Sea through the Luzon
Strait, J. Phys. Oceanogr. Vol. 34, pp. 113-121, 2004.
内山雄介，千郷直斗，黒澤賢太：HYCOM-ROMSダウンス
ケーリング海洋流動モデルの開発と南シナ海周辺海域への応用，土木学会論文集B2（海岸工学）, Vol. 74, No. 2, pp.
I_625─I_630, 2018.
Uchiyama, Y., Sengo, N., Kurosawa, K. and Nakayama, A.: Development of a coupled HYCOM-ROMS downscaling ocean modeling system and its application to the South China Sea, Proc. 13th International
Conference on Hydrodynamics (ICHD2018), pp. 358–363, Incheon,
South Korea, Sept. 2-6, 2018.
Uchiyama, Y., Kanki, R., Takano, A., Yamazaki, H. and Miyazawa, Y.:
Mesoscale reproducibility in regional ocean modeling with a 3-D stratification estimate based on Aviso-Argo data, Atmosphere-Ocean, Vol. 56,No. 4, pp. 212-229, 2018.
岡島伸行，勝海 務：洋上風力発電基礎の技術マニュアルについて，沿岸センター研究論文集，No.1，pp. 49-52，2001.
（2019.3.13 受付）

FORCING EVALUATION FOR OFFSHORE PLATFORMS IN THE SOUTH CHINASEA USING A HYCOM-ROMS DOWNSCALING OCEAN MODEL
Naru TAKAURA, Yusuke UCHIYAMA, Nizamani ZAFARULLAH and Akihiko
NAKAYAMA
Oceanic forcing on offshore oil platforms deployed ubiquitously in the South China Sea (SCS) was evaluated from the medium-term reanalyses based on the in-house regional HYCOM-ROMS oceanic modeland the JMA’s GPV-GSM global atmospheric analysis. An extreme value statistical analysis was conducted for determining the maximum surface currents and winds that may occur with multi-decadal exceedance probability. Wind stresses were most energetic off the eastern shore of the Malay Peninsula due
to southwestward winter monsoons, while surface currents were intensified off the northern shore of Borneo Island. We assessed the mechanism behind the latter using a volume flux analysis at several crosssections around the SCS. It was demonstrated that the remote forcing associated with the Kuroshio andMindanao Currents triggered changes in the fluxes at the Luzon and Celebes Straits that are indirectly but
pronouncedly influential to the coastal currents near the Borneo Strait.

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