土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 73, No. 2, I_451─I_456, 2017.

黒潮と内部波が影響する
伊豆諸島周辺海域における流動場の解明
英治1・鈴江増永
1正会員

洋太2・内山雄介3・山崎秀勝4

広域水圏科学教育研究センター（〒316-8511茨城県日立市中成沢町4-12-1）
E-mail:eiji.masunaga.office@vc.ibaraki.ac.jp
2 正会員 株式会社建設技術研究所 中部支社（〒460-0003 愛知県名古屋市中区錦 1-5-13）
E-mail:yta-suzue@ctie.co.jp
3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 兵庫県神戸市灘区六甲台町1-1)
E-mail:uchiyama@harbor.kobe-u.ac.jp
4非会員 東京海洋大学教授 大学院海洋科学技術研究科(〒108-8477東京都港区港南4-5-7)
E-mail:hide@kaiyodai.ac.jp
茨城大学助教潮汐と内部潮汐が伊豆諸島周辺海域に及ぼす影響を評価するために，潮汐の外力を組み込んだ領域海洋モデルROMSを用いた解析を実施した．内部波のエネルギーフラックスを推定した結果，伊豆諸島周辺では非常に強い内部波が発生していることがわかった．内部波のエネルギ−フラックスは潮汐によってバックグラウンドの値の10倍以上に増幅され，対象海域の内部波は潮汐によって支配されていることがわかった．
また，潮汐により運動エネルギー全体量は増大するが，順圧的な運動エネルギーはむしろ減少し，傾圧（内部波）成分の運動エネルギーは増大していた．したがって，対象海域では黒潮や風に比べ潮汐によって発生した傾圧的な流れを伴う内部波が流動場に対して卓越して影響していること，内部潮汐が伊豆諸島周辺海域の海水運動に強く寄与していることがわかった．

Key Words : internal tides, nonlinear internal waves, baroclinic motion,Izu-Ogasawara Ridge,

1. はじめに動態は未解明な点が多く，詳細なメカニズムは明らかとなっていない．

沿岸海域において，潮汐波は傾圧的な内部潮汐を励起

日本本州南岸の海洋環境は，潮汐流に加えて強流と暖させ密度場の擾乱を伴う非常に強い流れを発生させる．

水を伴う黒潮に強い影響を受けている．黒潮により発生

内部潮汐によって発生する等水温面の振幅は100 mを超する強い流れは，流速2 m/sを超えることもあり，日本周1)える場合があり(Sheaら )、潮汐順圧流による流れの強さ

辺海域の海水運動に大きな影響を与えている．黒潮によの十倍を超える傾圧流を発生させる(Masunagaら2))．強いり発生した流れや渦が浅海域に現れると強い混合を伴う

内部潮汐は一般的に分散関係式で示される内部波のビー流れが発生することが知られ，Hasegawaら9)は黒潮が伊ム角と海底斜角が一致する海域や地形の起伏によって発豆諸島を通過時に強い鉛直混合を発生させ物質輸送を強3)4)生する(Cacchioneら ，Alfordら )．大陸棚で励起された内部波は，浅海域もしくは深海域へ伝搬し最終的に散逸す化していることを明らかにした．

る．

る伊豆諸島周辺海域における流動場を3次元海洋モデル

大陸棚において発生した内部潮汐は，浅海域の伝搬にこのような背景の中，本研究では潮汐と黒潮が影響す
JCOPE2-ROMSを用い，対象海域における内部波の動態

2)伴い非線形性を強めることがわかっている(Masunagaら ， を調査した．沿岸海域における詳細な流動場を調査する
Venayagamoorthyら5))．非線形性を強めた内部潮汐は，海ためにJCOPE2-ROMSシステム（内山ら10)）を3段階ダウ底斜面上において非常に強い流れと乱流混合を発生させンスケーリングすることで，対象海域の水平解像度を6)ることが近年の研究により明らかとなった(Masunagaら )． 300 m まで向上させた．内部潮汐が強化されると考えら
非線形性を強めた内部波は，強い物質輸送を伴い，沿岸れる夏季（2013年7月から8月）に着目し，潮汐による効海域と外洋間の物質輸送を強化していると考えられてい果を検証するために，潮汐を外力として与えたモデルとる(Van Weeringら7))．また内部潮汐によって発生した物質

潮汐を外力として与えない2ケースを比較し，潮汐と内及び熱輸送は海洋生態系や地球規模の熱循環に密接に関部波によって発生する内部波エネルギーフラックス及び

8)

わっていると考えられている(Walshら )．しかしながら， 運動エネルギーの解析を行った．また，潮汐によって強化される渦運動エネルギーについても報告する．
日本近海における内部波及び内部潮汐の発生機構やそのI_451

2. 海洋モデルと遅角の比較をした（表-1）．また下記式（1）と（2）から観測値と比較した潮位の変動の相対RMSエラー値

本研究ではJCOPE2再解析値を境界条件とした3段階ネ（RE）を求めた（Carterら12）．

スティングを採用し，伊豆諸島周辺海域を水平解像度300 mで解像するダウンスケーリング領域海洋モデル
ROMSを用いた（図-1）．2段ネスティングL2領域（水平解像度1 km）までの領域において2011年12月から2013年6月までを潮汐エネルギーを与えない助走期間として設定し，2013年7月からL2領域の海境界から潮汐を海面EAO(1)1 2(AO + AM2 ) − AO AM cos(GO − GM )
2(2)

RE =
E=

Aは振幅，Gは遅角，OとMはそれぞれ観測値とモデルの値であることを示す．REは8.9 %以下を示し，主要4分潮高度の外力として与え，同時に高解像度L3領域へダウンスケーリングを行った．潮汐外力にはTPXO7.2潮位モデル値を用いたが，北西太平洋での再現性が低いため，ニュートン法を用いて伊豆大島岡田港の潮位観測データにフィッティングするように補正を加えた．海面風応力と海面放射・熱フラックスについては，気象庁GPVMSM再解析値とCOADS月平均気候値を外力としてそれぞれ用いた．数値計算データの解析には，潮汐を外力として与えた後，20日間を潮汐助走期間として設定し，2013年7月21日から2013年8月14日までの計算データを解析に用いた．過去の研究により，本モデルは日本周辺海域における物理現象及び解析に対する十分な精度が担保されていることが示されている（例えば内山ら11)）．
潮汐を外力として海洋モデルに与える場合，潮位変動の再現性がモデル精度に大きな影響を与える．そこで伊豆大島岡田港における主要4分潮（S2, M2, K1, O1）の振幅
表-1 伊豆大島岡田港における潮位の比較．表内の差はモデ
ルから観測値を差し引いた値を示す．
振幅差
遅角差
RES2
1.8 mm1.27 °
8.2 %M2-17.1 mm
1.70 °
1.6 %K1-29.8 mm
1.96 °
8.9 %O1-7.9 mm-5.13 °
7.0 %
図-1 3段ネスト海洋モデルROMSの計算領域

図-2 伊豆大島西側(図-1 L3領域中の赤十字点)における(a)潮位，(b)水温，(c)東西と(d)南北方向の傾圧成分(UBC及びVBC)の流速の鉛直時系列図(2013年7月21日〜8月3日).

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図-3 (a) 潮汐を外力として与えたモデル結果から推定した内部波エネルギーフラックスと(b) 潮汐を外力として与えていないモデ
ル結果から推定した内部波エネルギーフラックスの平均値は6.4 %であった．よって領域モデル内におけ

月21日から14日間）の時間平均値を図-3(a)に示す．伊

る潮位変動は数%の誤差内において良好に再現できてい豆諸島周辺海域では，3 kW/mを超える強いエネルギーると言える．

フラックスが確認された．特に強い内部波エネルギの発生・増幅は新島の西及び東側の海域と御蔵島の南東海域

3. 内部潮汐で見られた．新島西側で発生した内部波は伊豆半島及び大島に伝搬し，新島東側で発生した内部波は三宅島方向

伊豆大島西側水深40 m 地点の潮位，水温，傾圧流速へ伝搬していた．御蔵島南東海域で発生した内部波は複成分を図-2に示す．図-2(c,i)に示している傾圧流速は， 雑な伝搬構造をしているが，概ね御蔵島南東から御蔵島流速から鉛直平均した流速を差し引いた流速であり，内方向へ伝搬していた．これらの強い内部波は，順圧的な部潮汐による傾圧的な運動成分を示している．水温20℃

潮汐波が浅い伊豆海嶺を伝搬するときに地形の効果を受以下の冷水が低層から遡上し浅海域に断続的に現れ，冷け傾圧的な運動を伴う内部潮汐にエネルギーが変換され-1

水の遡上と同時に流速 0.4 m s を超える強い傾圧流が発るためであると考えられる．伊豆諸島周辺以外の東京湾生していた．このような強い冷水の遡上は，潮汐を外力湾口や房総半島勝浦沖においても強い内部波の発生が確として与えていないモデルでは確認されなかった．その認できるが，フラックスの強さは伊豆諸島周辺に比べてため，図-2に見られるような大きな等水温面の変動を伴弱い．

う冷水の伝搬は，潮汐により励起された内部潮汐によっ潮汐を外力として与えないケース(図-3(b))では，内部て引き起こされたと考えられる．内部潮汐に伴う水温の波エネルギーフラックスは計算領域全体で 0.5 kW/m 以

変動は複雑な構造を示し，線形的な潮位変動から大きく下の値を示し，潮汐を考慮した計算の場合に比べ10倍程離れ，周期も一致していない．このような沿岸海域で複度低い値を示した．潮汐以外の内部波を励起させる要因

雑な構造を伴う内部波は，非線形性内部波もしくはとして，風によって発生する内部波や地球自転による近internal boresと呼ばれ頻繁に海洋において観測される慣性周期内部波が考えられる（例えばIgetaら14）．対象

2)(Masunagaら )．
領域内における内部波の伝搬動態を定量的に調査する

海域における慣性周期は20時間程度であるため，図-3にために，鉛直積分した内部波エネルギーフラックス(FE)れる．しかしながら，潮汐以外の外力によって発生する

13

内部波の強さは内部潮汐に比べて非常に弱く，伊豆諸島を下記式より求めた (Kang ら )．
ηFE = ∫ u ' BC p'dzz(3)

ここで，u’BCは対象周期の傾圧流速，p’は対象周期の圧示した内部波フラックスには近慣性周期の内部波が含ま周辺では潮汐が内部波場を支配していることがわかった．

4 運動エネルギー

力変動である．半日（S2, M2）から日周期（K1, O1）の内部波に着目するために，3日間より短い周期の成分をハイパスフィルターによって求め，内部波のエネルギーフ

海水の運動エネルギーは以下のように順圧成分(KEBT)と傾圧成分(KEBC)に分けることが可能である(Kangら13)．

ラックスとした．潮汐を外力として与えたケースのエネ
ルギーフラックスとフラックス発散の大潮小潮周期（7I_453

1KEBT = ρ (U 2 +V 2 )2(4)122(5)KEBC = ρ (uBC+ vBC+ w2 )2
ここでρは密度，U, Vは順圧成分流速，uBC, vBCは傾圧成分の流速，wは鉛直流速である．内部波エネルギーフラックス同様に鉛直積分（全水深）及び14日間で時間平均した全運動エネルギー密度，順圧成分の運動エネルギー密度，傾圧成分の運動エネルギー密度及び，潮汐の有無による運動エネルギーの比を図-4に常用対数スケールで表す．運動エネルギーの比は潮汐ありのケースでの値を潮汐なしの場合の値で除した値とした．潮汐を外力として与えたケースでは，新島の南北の海域において運動エネルギー密度1×102 J m-3を超える非常に強い海水運動が発生し，潮汐を考慮しないモデルに比べて10倍以上のエネルギーであった．潮汐により運動エネルギーが大きく増大している海域では，黒潮による流れや風による効果に比べ潮汐が流動場に卓越して影響していると言える．特に新島の北西側の海域では，運動エネルギーが潮汐により20倍以上増加している海域が存在していた．
潮汐により運動エネルギーが強化されている領域のうち，伊豆諸島の岸に近い海域では順圧成分の運動エネルギーの増大が大きい（図-4(h)）．これは順圧的な潮汐波が浅い伊豆海嶺を通過する時に生じる強い海水運動に起因すると考えられる．一方，岸近くでは傾圧的な運動エネルギーは順圧成分ほど潮汐により増加していないが，岸から離れたより広い海域において運動エネルギーが増大しており，順圧成分の傾向と一致しない（図4(h,i)）．傾圧的な運動エネルギーは主に内部波によって増幅されるため，潮汐によって沖合で励起された内部波や岸近くで励起された内部波が伝搬することで広い海域の海水運動に影響を及ぼしていると考えられる．
潮汐による運動エネルギーの変化をより詳細に調査するために，伊豆諸島周辺海域（図-4内に示す海域）における100 m 海底水深毎の運動エネルギーの空間積分値，積分値の潮汐の有無による比，海底水深に対する累積運動エネルギー（いずれも時間平均値）を求めた（図-5）．
水深毎の全運動エネエルギーは，水深500 m程度までは潮汐により増加しているが，それ以下の水深では潮汐による変化はほとんど見られなかった．また全水深帯で積分した全運動エネルギーの潮汐の有無による違いは非常に小さい（図-5(e)）．よって潮汐が外力として加わることにより，岸に近い浅い海域では運動エネルギーが増

図-4 伊豆諸島周辺の運動エネルギー密度．(a, b, c) 潮汐を外力として与えたケース，(d, e, f) 潮汐を外力として与えていないケース，(g, h, i) 潮汐の有無による運動エネルギーの比．(a, d ,g) 全成分，(d, e ,f) 順圧成分，(g, h, i) 傾圧成分

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図-5 伊豆諸島周辺海域において100 m海底水深毎に積分した（a）全運動エネルギー，（b）順圧成分の運動エネル
ギー，（c）傾圧成分の運動エネルギーと（d）潮汐の有無による運動エネルギーの比．（e）は海底水深に対し累積した運動エネルギーを示す

図-6 2013年7月24日4:00における(a)海面の相対渦度(ζ / f) のスナップショット（b）潮位，（c）伊豆諸島周辺海域における渦運動エ
ンストロフィーの時系列

加し，岸から離れた沖合の深い海域では減少していたと6(a))内の黒破線で囲まれた海域）における海面の渦運

言える．順圧成分の運動エネルギーは，水深 300 m まで動エンストロフィーを図-6(c)に示す．潮位差が大きい7の海域では潮汐による増加が現れているが，水深 500 m

月21日から28日の期間において，潮汐の効果により渦運程度の海域ではエネルギーが減少していた．内部波によ動エネルギーが2〜3倍上昇していた．潮位差が小さい小り強く影響される傾圧成分の運動エネルギーは，水深潮の時期（7月31日前後）では潮汐のによる効果は非常

500 m程度の海域まで潮汐による増加が大きく，増加率は順圧成分に比べて大きかった．岸から水深500 m程度に小さかった．以上のことから潮汐により伊豆諸島周辺の海域までの累積運動ネルギーは，内部波による傾圧成び拡散が促進されていると考えられる．8月4日以降潮汐分が2倍程度に増加していた．一方順圧成分は，500 m水を外力として与えていないモデル結果におけるエンスト深までの累積値にほとんど変化はなく，500 m以深までロフィーの増大は，黒潮が伊豆諸島により接岸していたの海域の累積値は潮汐により運動エネルギーが低下してためである．

では渦運動が活性化し，渦運動による物質と熱の移流及いた．以上のことから，海底水深500 m 程度の海域では，海洋モデルにより再現される渦構造は，計算領域の解

潮汐のエネルギーの多くは傾圧的な海水運動に変換され像度に大きく左右される．一般的に解像度が高いほど渦内部潮汐として伝搬していると言える． このことは図-運動が精度良く再現され，強い渦運動が再現される．高3(a)において内部波エネルギーフラックスの強い部分

解像度L3領域にダウンスケーリングを行っていないL2が接岸した海域ではなく沖合側で強いことと一致する．

領域（水平解像度1 km）のモデル結果から見積もった渦

累積した順圧成分の運動エネルギーが低下する要因と運動エンストリフィーは，L3モデルの値のおおよそ半して，潮汐波により黒潮などによって発生する流れが潮分程度であった．よってダウンスケーリングの効果が対汐により減衰される，若くは潮汐波により順圧成分から象領域の渦運動エネルギーの再現に強く影響し，渦運動傾圧成分へのエネルギー変換が強化されるのではないかの再現には水平解像度300 m以上の解像度が求められると考えられる．潮汐によるな順圧成分の減衰メカニズムと言える．一方でL2とL3の2領域で計算された内部潮汐の詳細の解明は今後の課題である．

フラックスの強さは同様な値であったため，内部潮汐の再現という観点では水平解像度1000m程度で十分と言え5. 渦運動エネルギーる．

海洋内におけるサブメソスケールスケール（数km 〜数十km程度）の渦運動は，物質や熱輸送に大きく影響

6. 結論

15)していると言われている（例えばKamidairaら ）．特に潮汐を外力として考慮した高解像度JCOPE2-ROMS 3段

日本本州南岸の海域では，黒潮の影響により渦運動が活16)発であると言われている（Maら ）．海表面における相階ダウンスケーリング領域海洋モデルによる計算・解析

対渦度から対象海域では，数kmスケールの複雑な渦構の結果から以下のことが明らかとなった．

造が現れていた（図-6(a)）．伊豆諸島の周辺海域（図-(1) 伊豆諸島周辺海域では，地形と潮汐の効果により強I_455

い傾圧流を伴う内部潮汐が発生していた．
(2) 潮汐によって発生する内部波は，バックグランドの内部波エネルギーフラックスを10倍程度増大させ，対象海域の内部波場を支配していた．
(3) 潮汐の効果により伊豆諸島沿岸の運動エネルギーは10倍程度増加し，黒潮, 風による効果に比べ潮汐が卓越して流動場に影響していた．
(4) 順圧成分の運動エネルギーは，潮汐の効果により岸近くの浅い海域では大きく増大していた．一方，海底水深が500 mよりも深い沖合の海域では順圧成分のエネルギーが減少し，対象海域全体での累積の順圧成分運動エネルギーは潮汐により減少していた．
(5) 傾圧成分の運動エネルギーは，潮汐により内部波が沖合で励起もしくは伝搬するため，岸から離れた海底水深500m前後の海域において大きく増大していた．
(6) 潮汐により伊豆諸島周辺の渦運動エネルギーが数倍程度大きくなることがわかった．
謝辞：本研究は，JST-CREST「海洋生物多様性および生態系の保全・再生に資する技術基盤の創出」領域（代表者: 山崎秀勝，グラントナンバー：JPRMJCR12A6）の補助を受けた．
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(2017. 3. 15 受付)

A STUDY OF FLOW FIELD INFLUENCED BY INTERNAL TIDES AND
THE KUROSHIO AROUND THE IZU-CHAIN ISLANDS
Eiji MASUNAGA, Yota SUZUE, Yusuke UCHIYAMA and Hidekatsu YAMAZAKI
Regional Oceanic Numerical simulations using ROMS with tidal forcing were conducted to investigate
tidally induced internal waves (internal tides) in the vicinity of the Izu-chain Islands. The tides enhancethe enrgy flux of internal waves by about 10 times as large around the islands. Therefore, in the study region, the internal waves are considerably enargized by the tidal forcing. Although the total and baroclinic
components of kinetic eneygy increase due to the tides, the barotropic kinetic energy component decreased by the tidal forcing. The internal waves accompanied by strong baroclinic flows largely contribute to the flow compared to the currents due to winds and the Kuroshio. The numerical simulateons also
revealed the enhanced eddy motiions due to the tidal forcing, suggesting that the tides contiribute to lateral mixing or transports via meso- and submesoscale eddies.

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