土木学会論文集B2（海岸工学）
Vol. 70, No. 2, 2014, I_1286-I_1290

太平洋全域における海表面二酸化炭素フラックス変動および海洋酸性化の評価
Analysis of Ocean Acidification in the Pacific Ocean
Based on the Data-driven Evaluation of the Air-sea Carbon Dioxide Flux
１

２

内山雄介 ・松山真由子 ・上平雄基

３Yusuke UCHIYAMA, Mayuko MATSUYAMA and Yuki KAMIDAIRAThe ocean absorbs about 1/3 of the anthropogenic CO2 released to the atmosphere. As more CO2 accumulates in theocean, the oceanic pH decreases, leading to ocean acidification. In order to better understand the carbon cycle in theocean and associated long-term pH variation, we estimate CO2 exchange flux at the sea surface in the Pacific Ocean withthe empirical method proposed by Sugimoto et al. (2012) exploiting the publically available oceanic dataset. The oceanic
CO2, the air-sea CO2 flux, and pH are successfully evaluated for the Pacific Ocean from 1985 through 2008. The pH andCO2 absorption relation is then argued along with climatological influences during the ENSO events.
下が危惧されており，温暖化が加速する可能性が予見さ

1. はじめにれる（例えば，IPCC, 2007）．したがって，海洋-大気間

産業革命以降，世界各地で農業から工業への移行が進でのCO2の吸収・放出量（CO2フラックス）の時空間変み，森林伐採や化石燃料の消費が増大してきた. 近年，動を評価し，海洋酸性化の状況を正確に把握する必要がこのような人間活動の拡大による二酸化炭素（以下，ある．

CO2）濃度の増加や地球温暖化等に伴い，海水のアルカ海洋中のCO2濃度分布の観測は国際協力により精力的リ性が弱まる「海洋酸性化」が大きな問題となっている．に実施され，気候値的な空間分布のデータベース化も進

海洋酸性化は世界的に広範囲にわたって進行しており，んでいるが，例えば南太平洋のように観測が疎らでデー

植物プランクトン，動物プランクトン，サンゴ，貝類やタの蓄積が不十分な海域も多い．そのため，海洋におけ甲殻類など，さまざまな海洋生物の成長や繁殖に影響がるCO2濃度分布の全体像の把握には至っておらず，様々及び，海洋生態系に大きな変化を及ぼす恐れがある．また，海洋は大気に放出された人為起源のCO2 の約3分の1を吸収し，蓄積することで温暖化の進行を抑制していることが知られている．しかしながら，海表面におけるpHの低下と水温上昇の進行に伴い，海洋のCO2吸収能力低表-1

海洋中CO2濃度推定に使用したデータセットの一覧

物理量データセット

pCO2s，xCO2s

SOCAT

空間解像度
1°×1°

xCO2a

気象庁全球解析データ

2.5°×2.5°

SST

MGDSST

0.25°×0.25°

SSS

SODA

0.5°×0.5°

Chl-a

MODIS-Aqua
SeaWiFs

4km
9km

SLP

JRA25

1.25°×1.25°

10 m wind speed

JRA55

1.25°×1.25°

博（工） 神戸大学准教授 大学院工学研究科市民工学専攻
２ 正会員
学（工） 神戸大学工学部市民工学科（現神戸市建設局道路部計画課計画係)
３ 学生会員 学（工） 神戸大学大学院工学研究科市民工学専攻

図-1

World Ocean AtlasのSST,SSSを用いた海域分割．

１ 正会員

図-2

pCO2sの推定精度の一例． 北太平洋亜寒帯域におけるpCO2sの推定値(青線)とSOCAT（観測値， 黒丸）の比較．
バーは標準偏差を表している．

太平洋全域における海表面二酸化炭素フラックス変動および海洋酸性化の評価

図-3

I_1287太平洋海表面におけるCO2フラックス FCO2推定値の月平均値の空間分布．正値（赤）は海洋からのCO2放出を表す．

（2006）は全球におけるSST，SSSから全アルカリ度を求める経験的手法を提案した．しかしながら，いずれも各研究者がアクセス可能なデータセットを用いて検定がなされているが，一般に入手可能なデータセットに対する精度検証は十分になされていない．そこで本研究では，
海 面CO2濃 度 デ ー タ ベ ー スSOCATを 始 め と す るpublic
図-4

経度平均した FCO2の月平均値の24年間の経年変動．背景のピンクおよびシアンの帯はそれぞれEl Niño，La Niñaの期間を表している．

domainのデータ（表-1）に対してCO2フラックス，全ア
ルカリ，pHについての既存の評価手法を適用し，その推定精度を確認する．さらに，CO2フラックスと海洋酸性化の最近24年間にわたる中期変動傾向について解析し，季節変動や気候変動との関連を把握することを主たる目的とする．

2. 海洋表層CO2分圧・CO2フラックスの分布と変動（1）杉本ら（2012）による推定方法
図-5

経度平均したpHの月平均値の24年間の経年変動．

本研究では，杉本ら（2012）によって提案された海洋大気間のCO2フラックス評価方法を1985年〜2008年の24年間における海洋データセット（表-1）に適用する．各データセットの出典については松山（2014）を参照されたい．本方法では，疎らなCO2濃度の観測値データベース（SOCAT：Surface Ocean CO2 Atlas, version 2）に対して，重回帰分析による推定式およびSST，SSS，クロロ
フィル濃度などの海洋表層データを用いて詳細なCO2濃図-6

赤道域における，24年間の長期的減少傾向をトレンドとして除去したpHの経年変動．

度の空間分布を経験的に求める．CO2分圧の季節変動特性は海域ごとに異なるので，まず，対象海域（太平洋ほぼ全域）を緯度別に5つの領域に分割し，World Ocean
Atlas 2009によるSST，SSS気候値の空間分布を用いて各な時間スケールでの気象・海象・気候変動に対する応答領域をさらに細分化し，図-1に示す合計14の小領域に分などについては未解明な部分が非常に多い．同様にpHにけて評価を行う．本研究では，CO2フラックスF CO2は，ついても，観測船を用いた採水と分析によって徐々に推定された海表面CO2分圧（pCO2s），大気下層におけるデータが蓄積されつつあるが，長期間の広域的な海洋酸，海上10 m風速等の関数であるガス交CO2分圧（pCO2a）性化の進行状況を解析するためには，何らかのデータ補換速度k，溶解度LによりFCO2 = c k L（pCO2s - pCO2a）で間を行ってpH分布を推定する必要がある．これに対して評価する（cは正の定数）．ただし，kとLは気象庁／電中杉本ら（2010，2012）は，海面水温（SST），海面塩分研によるJRA-55海上風再解析値, JRA-25海面気圧再解析（SSS）および表層Chl.a分布を用いて北太平洋，南太平洋値などを用いて評価する．海水中のpHはpCO2sと全アルの広域におけるCO2分圧の面的分布を長期間にわたってカリ度を用いて求めるLewis・Wallace（1998）の方法を評価するための経験的な手法を提案した．また，Leeら用い，計算に必要な平衡定数はLuekerら（2000）の値を

I_1288

土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 70，No. 2，2014

図-7 （左）平年（1985年1月〜1997年2月）と，（右）エルニーニョ現象発生期間（1997年3月〜1998年2月）における各物理量の期間平均値の比較．上から，SST，海面CO2フラックス（海洋からの放出が正），pH分布である．図中のコンターは全て海面高度（SSH．
単位はm）を表す．

用いる．pCO2sおよびF CO2の推定方法のさらなる詳細にの経年変動をそれぞれ図-4，図-5に示す．いずれの海域関しては，杉本ら（2012）を参照されたい．

（緯度帯）においても，24年間にわたってpHの長期的な（2）太平洋におけるpCO2s，FCO2分布減少傾向，すなわち海洋酸性化の進行が確認される．ま

図-2は，太平洋亜寒帯域における海表面CO2分圧pCO2s

た，海域ごとに季節変動パターンに有意な差異があるこの観測値との比較を示しており，両者は概ね一致していとが分かる．赤道域ではF CO2，pHともに明確な季節変動る．pCO2sは季節変動が大きく，年間で250〜370 matm程が見られず，ENSO，すなわちエルニーニョ（図中のピ度の範囲の変動を24年間にわたって繰り返しながら，経ンク帯の期間），ラニーニャ（シアン帯の期間）との関年的に徐々に増加していることが分かる．図-3は太平洋連性が高い中期変動が確認される．例えば，赤道域にお全域におけるF CO2推定値の月平均空間分布を季節ごとにけるF CO2は常に正，つまり常時CO2放出傾向にあるが，示している．北太平洋亜寒帯域では一年を通じてF CO2はエルニーニョ時に低下，ラニーニャ時に上昇することが負，すなわちCO2の吸収域となっているが，春〜夏季に確認される．そこで，赤道域の海洋表層pHについて，24は植物プランクトンの光合成などの生物活動の活発化に年間の長期的減少傾向を線形トレンドとして除去し，中よってpCO2sが低下し（図-2），CO2吸収量は減少してい期変動シグナルを取り出して調べたところ（図-6），エルる（図-3）．反対に，冬季にはpCO2sは増大し，CO2吸収ニーニョ時に上昇，ラニーニャ時に低下する傾向がより量は最大値を取る．また，赤道域や南米ペルー沿岸では，明瞭に捉えられた．同様の操作を行ったF CO2についても赤道湧昇や沿岸湧昇によって炭素の豊富な深層水が海表pHと同様に中期的な気候変動の影響を受けて中期変動し面に輸送されるため，いずれの季節においても正のF CO2，ていることが確認された．

すなわち強いCO2放出が確認される．さらに，北太平洋

20世紀最大のエルニーニョ現象が生じた1997年3月〜

亜熱帯域と亜寒帯域の境界付近の中緯度帯（日本列島の1998年2月の１年間と，それ以前の1985年〜1997年2月の東側海面）では，冬季（2月）に極めて強いCO2吸収が生期間（平年と呼称する）に対して時間平均された各物理じるなど，海域ごとのF CO2の季節変動には明確な差異が量を比較した（図-7）．平年は，赤道域の南米ペルー沖に見られる．

おいて，貿易風による沿岸湧昇によって冷たい深層水が3. エルニーニョ・ラニーニャの影響経度方向に空間平均したF CO2，pHの月平均値の24年間表層へ流れ込み，西向きエクマン輸送によって赤道域東部から中部にかけてSSTが低く，したがって海面高度SSHが低い領域が広がっている．本海域では，湧昇に伴太平洋全域における海表面二酸化炭素フラックス変動および海洋酸性化の評価

図-832

24年間のFCO2トレンドの空間分布．
1985−1992

1993−2000

I_1289図-924年間のSSTトレンドの空間分布．

図-11

24年間のChl.aトレンドの空間分布．

2001−2008

SST (oC)

30282624320

340360pCO s ( atm)

3804002

図-10北太平洋亜熱帯域におけるpCO2sとSSTの相関．

う低水温水塊が卓越するため，海洋はCO2 を吸収しやす
く，しかも底層からの炭素供給によってpCO2sが高くなり，結果として大気とのCO2分圧差が増大してF CO2放出量が大きくなっている．海洋中CO2分圧pCO2sの増加によって水素イオン濃度が増加し，pHは低下して海洋酸性化が著しく進展する．一方，エルニーニョ時には貿易風の弱化によってペルー沖の沿岸湧昇が弱まり，アジア側の赤道域西部からの暖水の勢力が強まるため，南米側の赤道域東部における舌状に西進した低SST域が縮退する．
その結果，ペルー沖のSSTおよびSSHは平常時より上昇

図-12 南太平洋亜寒帯域高緯度域（南極海域）におけるpCO2sとpCO2aの経年変動の比較．

し，F CO2吸収量が減少してpCO2sが低下し，pHが上昇するため，酸性化が抑制される，という構造になっているへのCO2吸収が進展しつつあることが示されている．まことが理解される．

た，太平洋最大のCO2放出源である南米ペルー沖沿岸湧昇域を中心とした低緯度海域と，CO2吸収源である南北4. 24年間における海洋酸性化の長期的変動傾向

亜寒帯域では，それぞれ放出量，吸収量が経年的に増加

太平洋全域における24年間の長期変動傾向を，線形トしている様子が見て取れる．この機構を考察するためにレンド（最小二乗fitting直線の傾き）の空間分布としてChl.aのトレンドを求めた（図-11）．Chl.aは南北亜寒帯域評価する．北太平洋の亜寒帯域から中緯度域にかけてので顕著な増加傾向にあり，これらの海域では春・夏季に，西部海域に着目すると，F CO2トレンド分布から（図-8）おける植物プランクトンのブルームに伴う活発な光合成

海域ではフラックス増大，東部海域では減少傾向にあり，によって海洋表層でのCO2消費が促進され，海洋へのSSTトレンド分布（図-9）からは西部海域では昇温，東CO2吸収量が増大すると考えられる．低緯度域では，沿部海域では低温化傾向にあることが分かる．北太平洋亜岸湧昇・赤道湧昇による深層水からの炭素供給の増加に熱帯域におけるpCO2sとSSTには明確な正の相関があり伴ってCO2放出量が上昇するものと解釈される．一方，（図-10），昇温海域である西部ではpCO2s増大に伴う大気南極海域ではChl.aが増加トレンドにあるにも関わらず，へのCO2放出が，反対に低温化海域である東部では海洋F CO2トレンドが正（放出）になっている．この原因を理I_1290

土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 70，No. 2，2014

比較的容易に入手可能なSST，SSS, クロロフィルa濃度などの海洋格子点データに対してそれを適用し，海洋表層におけるCO2分圧の時空間構造を推定した．その結果、観測値に対して良好に一致する結果が得られ，一般的な海洋データセットを用いた場合でも十分な精度でCO2濃度推定が行えることがわかった．ただし, データが極めて疎らな南半球については，回帰直線の推定精度に問題があり，今後より再現性を高めるためには，データの増加と回帰直線の再検討，あるいは新たな推定手法の開発が必要であるものと思われる．
CO2フラックスF CO2には海域ごとにかなり異なる特徴が見られた．南北亜寒帯域は吸収源，赤道域は放出源となること，24年間のF CO2およびpHに明確な季節変動が現れることが確認された．同時に，赤道域ではENSOと関連して数年サイクルでのpHの低下と上昇，F CO2の増加と
図-13 （上）pH，（下）pCO2sの24年間の緯度別経年変動．

減少が生じ，pCO2sやCO2フラックス分布がENSOに代表される中期的な気候変動の影響も強く受けていることが確認された．また，太平洋全域においてpCO2sの増加傾向とpHの低下傾向が見られ，海洋酸性化が太平洋全域で進行していること，特に赤道域はpCO2sが高く海洋酸性化が進行しており，南北亜熱帯海域でもpHに低下域が拡大していることなどが確認された．また，本解析により，南極海域においてCO2吸収能力が長期的に低下する傾向にある可能性が強く示唆された．

図-14

経度平均されたpHトレンドの緯度方向分布．

解するために，南極海域におけるpCO2sとpCO2aの経年変動を比較すると（図-12），1990年代後半以前と以降とではpCO2sとpCO2aの平均的な大小関係が逆転しており，1990年代後半以降はpCO2s > pCO2aとなることにより，F CO2が放出トレンドに転じたことが分かる．したがって，南極海域では1990年代後半からCO2吸収能力の低下が顕著となり，海洋酸性化の限界に達しようとしていることが示唆される．
pHおよびpCO2sの24年間の緯度別経年変動を図-13に示す．全ての緯度で24年間を通じてpCO2sの増加と，それに対応したpHの低下傾向が確認される．赤道域で発達するpCO2sの高濃度域は北太平洋亜熱帯域にまで徐々に拡大している様子が見られる．経度平均したpHトレンドからも（図-14），全緯度帯で負のトレンドが見られ，しかも高緯度域ほどpHの減少速度が大きく，酸性化の進行が速いことが示されている．

5. おわりに本研究では杉本ら（2012）によって開発された海洋-大気間のCO2フラックス推定方法を用い，一般に公開され謝辞：本研究に使用したデータの一部は気象研究コンソーシアムを通じて提供されたものである．
参考文献

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