土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 72, No. 2, I_451─I_456, 2016.

福島県沖海域を対象とした海洋拡散予測システムの開発と検証

上平 雄基 1・川村 英之 2・小林 卓也 2・内山 雄介 3
1学生会員	  （国研）日本原子力研究開発機構 原子力基礎工学研究センター 環境動態研究グループ（〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4） E-mail:kamidaira.yuki@jaea.go.jp
2

非会員	  （国研）日本原子力研究開発機構	  原子力基礎工学研究センター	  環境動態研究グループ

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）

日本原子力研究開発機構で開発された海洋拡散予測システムの沿岸海域での高精度化を図るため，気象研
MOVEと多段ネストROMSを用いたダウンスケーリングに基づく高解像度海洋モデルを導入した．新シス
テムを福島第一原発事故に適用することで，現行システムでは再現することが困難であったサブメソスケ
ール渦の消長に伴う137Csの3次元的な混合と海洋中移行過程の解析精度検証を行った．高解像度モデルによる流速場・乱流強度等の再現性は良好であり，低解像度モデルと比較して137Cs濃度分布の再現性の向上が確認された．事故直後の福島県沖海域では，季節的な海面冷却などによって強いサブメソスケール渦が発達し，それに伴う強い鉛直流によって137Csが中深層へ活発に輸送されていた．

Key Words : ROMS, SEA-GEARN-FDM, 137Cs, oceanic turbulent mixing, submesoscale eddies

1. 	  はじめに一方，陸棚や沿岸域では，水平数 km〜10 km 程度のサ
ブメソスケール現象に伴う乱流混合が海洋での物質輸送	  日本国内の原子力発電所や使用済燃料再処理施設の多に大きな影響を与えることが明らかになりつつあり 4)，

くは海岸に設置されており，それらの冷却水及び放射性事故によって放出された放射性核種の輸送過程にも当然廃液は安全性を確保しながら計画的に沿岸海域へ放出さながら強く影響すると考えられる．したがって，これられている．原子力事故等により，万が一不測の漏洩が起の影響を合理的に考慮できるように海洋循環モデルを高こると大量の放射性核種が海洋へ放出される恐れがあり， 精度化しておくことが重要な課題となっている．
沿岸海域や生態系に深刻な影響を与える可能性がある．	  そこで本研究では，JAEA の予測システムに対して領実際に，2011 年 3 月 11 日に発生した東日本大震災に伴域海洋モデル ROMS 5) を用いた多段ネストダウンスケー

う東京電力福島第一原子力発電所事故では大量の放射性リング高解像度沿岸域モデルを導入することで，サブメ核種が大気・海洋環境に放出されたことは記憶に新しい． ソスケール力学や沿岸域特有の海洋構造を考慮できるよ
この事故を教訓として，緊急時に放射性核種の海洋拡散うシステムの高度化を試みた．さらに，本システムを用を高精度に予測するシステムの必要性が高まっている．

いて福島第一原発事故の海洋再解析を行い，これまで十	  日本原子力研究開発機構（JAEA）では，事故前から分に表現することが困難であったサブメソスケールの海海洋拡散予測システムの開発を目的として，海洋拡散モ

洋現象に伴う 137Cs の海洋中移行過程を解析し，システデ ル の 開 発 を 行 っ て き た （ 例 え ば Kobayashi ら ，ムの検証を行った．

1）

2007 ）．このシステムは，公表される海洋予報データによる流動場を用いて物質輸送を推定するため，その再2. 	  海洋拡散予測システム

現性は使用するモデルの精度に依存する．しかしながら，一般的に，これらの予報データの空間解像度は比較的粗	  JAEA が開発した差分型の海洋拡散モデル SEA-いため，迅速な緊急予報を行うといった目的には適切でGEARN-FDM（例えば Kawamura ら，20146））は，予めあるものの，福島沖海域のように沿岸域に捕捉された形

海洋循環モデルにより計算された海況予報や再解析によ

2)で物質輸送が生じる場合 の再現性確保や，瀬戸内海なる海流場を入力値として移流拡散方程式を解く，offline3)

どの狭領域を対象にする ことは原理的に困難であった． Eulerian passive tracer モデルの一種である．既往の研究か

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表-1	  SEA-GEARN-FDM の計算条件	  Input models
Computationalperiod
Time step
Model domain
Horizontal
grid cells
Horizontal
resolution
Vertical level(z-coordinate)
Duration of theoceanic release
Duration of theatmosphericdeposition

図-1	  ROMS を用いた 2 段階ネスティングモデル領域．破線
枠：ROMS-L1（水平解像度約 3 km），黒枠：ROMS-L2（同 1 km）．星印は福島第一原発．

ら，このような海洋拡散モデルの計算結果は入力値に用いる海流場に強く影響されることが知られており （例えば Periáñez ら，20157）），高精度な海流場を入力値として選ぶことが必要である．気象庁気象研究所（気象研）
が開発した海洋データ同化システム MOVE（The Multivariate Ocean Variational Estimation System8））は様々な観測データを同化に用い，海洋循環モデルの力学的整合性を保持しながら現実に近い海況の再現，予報を行うシステ
ムであり，現業分野での実績もある．特に北太平洋の海洋再解析・予報値の信頼度は高いが，その水平解像度は約 10 km であり，サブメソスケール現象による乱流混合は直接的には考慮されていない．本研究では，MOVEによる高精度な再解析データを初期・境界条件とし，ROMS によるダウンスケーリングを行うことで，サブメソスケール現象を再現することを試みた．さらに，
ROMS により再現された海況場を SEA-GEARN-FDM の入力値として，福島第一原発起源の 137Cs の海洋拡散シミュレーションを実施した．以下に，各モデルの設定や計算条件を示す．

ROMS-L2

ROMS-L1

MOVE

3/12/2011-6/30/2011, UTC
120 s
140.5°-145°E,
35.6°-39.2°N

180 s
140°-148°E,33°-39°N

360 s
120°E-120°W,10°-60°N

451 × 361

267 × 2011200 × 500

0.01°

0.03°

0.1°

79 levels

79 levels

54 levels

3/26/2011-6/30/2011, UTC
3/12/2011-5/31/2011, UTC

1994-2003 年の月平均気候値をそれぞれ用いた．海上風については，ROMS-L1 では気象庁 GPV-GSM 再解析データの日平均値を，ROMS-L2 では GPV-MSM 再解析データの日平均値を与えた．さらに，黒潮等の水平 100km〜300 km 程度のメソスケールの海洋構造を大局的にMOVE と整合させるため，MOVE の水温・塩分の 10 日平均値に対して簡易的な 4 次元同化（TS-nudging，nudging strength = 1/20 day-1；内山ら，2012 9）参照）を L1 領域全体に適用した．ROMS-L2 では一切の同化は行わず，4 次元同化などの制御を加えないシミュレーションを実施することで，サブメソスケールの時空間変動を考慮した．データセットの出典については著者ら 10) を参照されたい．
(2)	  海洋拡散モデル	  SEA-GEARN-FDM を使用し，MOVE 再解析データ及び ROMS-L1，ROMS-L2 により計算された 3 次元海流データを入力した 3 通りの拡散計算を行い，相互比較を行う．対象核種は 137Cs（半減期 30.1 y）とし，大気から海(1)	  海洋循環モデル
MOVE 再解析データ（水平解像度約 10 km ，1 日平均値）を時空間内挿して初期及び側方境界条件とし，ROMS を用いた 1-way offline nesting によって中解像度モデル ROMS-L1（水平解像度 3 km，格子数	  320 × 400）から高解像度モデル ROMS-L2（水平解像度 1 km，格子数	  704 × 512）へと 2 段階のダウンスケーリングを行った（図-1）．ROMS-L1，ROMS-L2 モデルはともに鉛直
解像度は 32 層（σ 座標）とし，海底地形には JEGG500を SRTM30 で補完したデータを，各種海面フラックスには COADS 月平均気候値を，海表面水温・塩分にはMOVE の 20 日平均値を，領域内の一級河川の流量は日
本河川協会の雨量・流量年表データベースから求めた表面に沈着した 137Cs と福島第一原発からの直接漏洩による 137Cs を放出源として与えた．大気から海表面への137

Cs 沈着量は Katata ら，2015 による推定量 11)からWSPEEDI-II（Worldwide version of System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information）を用いて大気拡散シミュレーションで計算した海表面沈着量を 3 時間毎に与えた．原発から海洋への直接放出量に関しては，東京電力による海洋モニタリングデータをもとに見積もられた放出量 12) を 1 日毎に与えた．海水中の 137Cs の大部分は溶存相として存在し，残りの僅かな量が海水中の粒子状物質に吸着された懸濁態として存在すると考え，海水中の 137Cs は完全に溶存相として存在すると仮定した．
表-1 に SEA-GEARN-FDM の計算条件を示す．

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図-2	  2011 年 3 月 1 日から 2011 年 6 月 30 日までの平均海表面 図-3	  2011 年 3 月 1 日から 2011 年 6 月 30 日までの平均海洋表面流速の絶対値．
渦運動エネルギー（EKE）．

図-4	  2011 年 3 月 25 日の海表面無次元相対渦度（ζ / f）の日平均値（左から ROMS-L2，L1，MOVE）．左図内の黒実線は図-5，図-8に用いる観測線を表している．

3. 	  再現性の検証

解像度化に伴うサブメソスケールの海象を再現することが可能である．

(1)	  海洋循環モデル	  ROMS による流動場の再現性を検証するため，衛星海o(2)	  海洋拡散モデル

面高度計データ AVISO（水平解像度約 1/4 ）による黒潮	  SEA-GEARN-FDM による 137Cs 拡散シミュレーション

流路との比較を行った．2011 年 3 月から 6 月までの 4 ヶの再現性を確認するため，2011 年 6 月に観測された溶月間に対して時間平均された海表面流速の絶対値を見る

存相 137Cs 濃度データ（Buesseler ら, 201214））との比較をと（図-2），ROMS は黒潮続流域の流軸位置（周囲より行う．海表面 137Cs 濃度の水平分布（図-5 上）を見ると，流速の大きい暖色系領域）や蛇行パターン等を良好に再高解像度モデル ROMS-L2 を用いた結果は沿岸域での高現していることが確認できる．

濃度域や黒潮続流域での濃度分布の再現性が高いことが	  また，同じ期間に対する平均海表面渦運動エネルギー確認できる．また，観測点での濃度の比較（図-6）では，（Eddy Kinetic Energy，EKE）の空間分布の比較結果を見低解像度モデルであるほど過小評価する傾向が見られる．

ると（図-3．ROMS と MOVE による結果を比較），全計算値が観測値に対してファクター10 以内となる観測体的なパターンの整合性は保持しつつ，解像度の向上に点数の割合は，MOVE では 5.7%，ROMS-L1 では 34.3%，伴って黒潮続流域で EKE が著しく増大する傾向がある． ROMS-L2 では 60.0%となった．特に，MOVE を用いた
このとき，海表面での無次元相対渦度 ζ / f（ただし，ζ：計算結果（図-5，右上）では，北緯 36.5 度付近で観測さ相対渦度の鉛直成分， f：惑星渦度）の日平均値の分布れた濃度を大幅に過小評価しているが，ROMS-L2 モデを比較すると（図-4），ROMS-L2 モデル沿岸域などにルを用いた計算結果では，観測された濃度を良く再現し見られるように，高解像度化によって低解像度モデルでている（図-5，左上）．事故後，茨城県沖合では高気圧は再現することができなかったサブメソスケール渦が多性（時計回り）のメソスケール渦が卓越していた可能性数出現し，しかも著しく強化されていることが分かる．

が高く，渦に伴う沿岸域での北上流によって 137Cs の南

このようなサブメソスケール渦は海面冷却と downfront

下が 5 月末まで抑制されていたと考えられる 15)．5 月末

風が強化される冬から春にかけての寒冷期に発達するこには低気圧接近によってこのメソスケール渦が解消され，とが知られており（例えば内山ら 13）），事故直後の同時に強い南向き風とそれに伴う岸向き Ekman 輸送に

137

よって沿岸域に張り付いた形で強い南下流が生じた結果，	  以上の結果から，ROMS によるダウンスケーリングは，

137

MOVE で再現されたメソスケールの海象に加えて，高示唆された（図-7）．

Cs 輸送に対して強い影響を与えたと予想される．

Cs が千葉県銚子市付近まで輸送されていた可能性が

I_453

図-5	  2011 年 6 月における溶存態 137Cs 濃度の観測値と計算値の比較．（上）海表面水平分布，（下）観測線（図-4 参照）における鉛直断面分布．いずれも左から，ROMS-L2，ROMS-L1，MOVE 流動場を用いた SEA-GEARN-FDM 推定値．◯は観測値．

布を図-8 に示す．春期（図-8 左）には海面冷却などの影響によって混合層が深くなり，サブメソスケール渦とそれに伴う強い鉛直流（非地衡二次流；AgeostrophicSecondary Circulations，ASCs）の発達が混合層内で促進されていることが確認され，事故発生直後には ASCs が137

Cs 鉛直輸送に対して強く影響していたことが示唆される．ASCs の発達は特にサブメソスケール渦が発達しやすい沿岸域や黒潮続流フロントから 1°程度離れた海域（図-4 左 参照）で 4 月の下旬まで続くが，それ以降は混合層が浅くなって ASCs は低減する（図-8 右）．この温暖な時期（6 月）には，サブメソスケール現象よりも，黒潮続流フロント周辺におけるシアや鉛直流，剥離
図-6	  2011 年 6 月の海表面 137Cs 濃度の観測値（横軸）と計算値（縦軸）との比較．

渦，切離渦などのメソスケール現象が 137Cs 鉛直循環を	  さらに，観測線（図-4 左，黒太線）での 137Cs 濃度のに空間平均された 137Cs 平均濃度の時系列（図-9）を見る

鉛直断面分布（図-5 下）から，低解像度モデルでは中と，表層の平均濃度は 4 月下旬頃まで高く，反対に水深深層の観測値を過小評価しているのに対して，高解像度

480 m の中深層では 5 月中旬以降に高くなる傾向がある．

モデルでは表層から深層までの 137Cs 濃度分布を比較的また，ROMS-L2 による 137Cs の平均鉛直フラックス良く再現していることが確認できる．

（𝑤 ∙ 𝑐 [Bq m s-1]，ただし，w は鉛直流速 [m s-1]，c は放支配していると考えられる．ROMS-L2 による水深ごと

射能 [Bq]，上付きバーはアンサンブル平均操作を表す．

4. 	  鉛直流が 137Cs 濃度分布に与える影響

図-10）から，水深 20 m（図-10 左）では北緯 37°以南の	  観測線での 137Cs 濃度の鉛直断面分布（図-5，下）から，ROMS-L2 モデルの計算結果を用いた場合，137Cs が活発に中深層へ輸送される結果となったが，本章ではこの 137Cs 鉛直輸送メカニズムについて考察する．ROMSL2 による観測線（図-4 左）での鉛直流速の鉛直断面分

黒潮続流域付近で 137Cs 沈降が卓越していることが確認できる．また，サブメソスケール渦が発達し，しかも表層の 137Cs 濃度が高い 3 月，4 月では，仙台湾沖合や，北緯 37°以北の外洋等，黒潮続流域から離れた海域でも活発で細かな 137Cs 鉛直循環構造が見られる．しかし，5I_454

図-7	  ROMS-L2 による海表面流速ベクトル及び 137Cs 濃度（カラー）．左から 2011 年 4 月 17 日，5 月 7 日，5 月 30 日．

得られた海況データを SEA-GEARN-FDM の入力データとすることで，福島県沖海域を対象とした海洋拡散予測システムを開発するとともに，その妥当性を検証した．
また，サブメソスケール現象に伴う鉛直循環に着目し，事故直後の寒冷期に発達していた ASCs が 137Cs 鉛直循環に強く関与していた可能性を指摘した．本研究結果は，
図-8	  ROMS-L2 による観測線（図-4 参照）における日平均鉛直流速の断面分布．黃色線は混合層深さ．（左）2011 年
3 月 19 日，（右）6 月 16 日．

放射性核種を対象とした沿岸域の海洋拡散予測システムを構築する上で，ダウンスケーリングによる高解像度化が有効な手段であることを示している．
謝 辞 ： 本 研 究 の 一 部 は 科 研 費 補 助 金 （ 15H00977，15H04049）の援助を受けた．大気から海表面への137Cs沈
着量データ提供に関してJAEAの古野朗子氏に，MOVEのデータ提供に関して気象研の碓氷典久氏にご助力いただいた．ここに記して深遠なる謝意を表す．	  
参考文献

図-9	  ROMS-L2 による水深ごとに空間平均された 137Cs 平均濃度の時系列．青：水深 1m，赤：480m．横軸は日付．

1)月，6 月には黒潮続流域以外での 137Cs 鉛直循環，特に沈降は抑制されている．一方，水深 900 m での 137Cs の平均鉛直フラックス（図-10 右）の分布より，黒潮続流

2)

フロント周辺における 137Cs 鉛直循環は 3 月から 4 月の沈降フラックスは比較的弱いが， 中深層の 137Cs 濃度が高くなる 5 月から 6 月にかけて沈降フラックスが高くなっていることが分かる．以上より，表層に高濃度の

3)

137

Cs が存在した事故直後の時期にはサブメソスケール渦が発達し，それに伴う ASCs によって，137Cs が混合層以深に輸送されたのち，5 月頃からは黒潮続流フロント4)部で発達する鉛直流などのメソスケール現象によって，中深層へと輸送されていたことが示唆される．
5)

5. 	  おわりにMOVE の再解析データを初期・境界条件として，ROMS を用いたダウンスケーリングシステムを導入し，

6)

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Kobayashi, T., Otosaka, S., Togawa, O. and Hayashi, K.:
Development of a non-conservative radionuclides dispersion model in the ocean and its application to surface cesium-137 dispersion in the Irish Sea, J. Nucl. Sci. Technol.,Vol. 44, pp. 238-247, 2007.
内山雄介，山西琢文，津旨大輔，宮澤泰正，石井倫
生：福島第一原発からの放射性核種の初期分散に及ぼす沿岸ジェットとメソスケール渦の影響，土木学会論文集 B2（海岸工学），Vol.69, No.2, pp. I_1051I_1055, 2013.
内山雄介，鈴江洋太，小硲大地：瀬戸内海および遠州灘沿岸域における陸域起源物質分散の季節変動特性について，土木学会論文集 B1（水工学），Vol.72,
No.4, pp. I_949-I_954, 2016.
上平雄基・内山雄介・御手洗哲司・仲田翔平：琉球諸島周辺海域における eddy heat flux を用いたサブメ
ソスケール乱流混合強化メカニズムの解析，土木学会論文集 B2（海岸工学）, Vol. 71, No. 2, pp. I_1219I_1224, 2015.
Shchepetkin, A.F. and McWilliams, J.C. : The regional
ocean modeling system (ROMS): a split-explicit, freesurface, topography-following-coordinate oceanic model,
Ocean Modell., 9, pp.347–404, 2005.
Kawamura, H., Kobayashi, T., Furuno, A., Usui, N. and図-10	  ROMS-L2 による平均鉛直 137Cs フラックス（正が湧昇，負が沈降を表す）．(a)，(b): 水深 20 m，(c)，(d): 水深 900m， (a)，(c):2011 年 3 月 12 日から 4 月 30 日までの平均値，(b)，(d): 2011 年 5 月 1 日から 6 月 30 日までの平均値．
Kamachi, M.: Numerical simulation on the long-term variation of radioactive cesium concentration in the North
Pacific due to the Fukushima disaster, J. Environ. Radioact., Vol. 136, pp. 64–75, 2014.
7) Periáñez, R., Brovchenko, I., Duffa, C., Jung, K.-T., Kobayashi, T., Lamego, F., Maderich, V., Min, B.-I., Nies, H.,Osvath, I., Psaltaki, M. and Suh, K.-S.: A new comparisonof marine dispersion model performances for Fukushima
Dai-ichi releases in the frame of IAEA MODARIA program. J. Environ. Radioact., Vol. 150, pp. 247-269, 2015.
8) Usui, N., Ishizaki, S., Fujii, Y., Tsujino, H., Yasuda, T. andKamachi, M. : Meteorological Research Institute Multivariate Ocean Variational Estimation (MOVE) system: Some
early results, Advances in Space Research, 37, pp.806–822,
2006.
9) 内山雄介・石井翔大・宮澤泰正：JCOPE2-ROMS 多
段ネスティングによる黒潮続流域でのダウンスケー
リング効果の検証，土木学会論文集 B2（海岸工学），
Vol.68, No. 2, pp. I_436-I_440, 2012.
10) Kamidaira, Y., Uchiyama, Y. and Mitarai, S. : Eddyinduced transport of the Kuroshio warm water around theRyukyu Islands in the East China Sea, Cont. Shelf Res.,2016. (in revision)11) Katata, G., Chino, M., Kobayashi, T., Terada, H., Ota, M.,
Nagai, H., et al.: Detailed source term estimation of theatmospheric release for the Fukushima Daiichi Nuclear

Power Station accident by coupling simulations of atmospheric dispersion model with improved deposition schemeand oceanic dispersion model, Atmos. Chem. Phys., Vo. 15,
pp. 1029–1070, 2015.
12) Kawamura, H., Kobayashi, T., Furuno, A., In, T., Ishikawa,Y., Nakayama, T., Shima, S. and Awaji, T.: Preliminary
numerical experiments on oceanic dispersion of 131I and137
Cs discharged into the ocean because of the Fukushima
Daiichi nuclear power plant disaster. J. Nucl. Sci. Technol.,48, pp. 1349-1356, 2011.
13) 内山雄介，石井翔大，宮澤泰正：黒潮続流フロント域におけるサブメソスケール乱流の発生機構と混合効果，海岸工学論文集，Vol.69, No.2, pp. I_456-I_460,
2013.
14) Buesseler, K.O., Jayne, S.R., Fisher, N.S., Rypina, I.I.,
Baumann, H., Baumann, Z., Breier, C.F., Douglass, E.M.,
George, J., Macdonald, A.M., Miyamoto, H., Nishikawa, J.,
Pike, S.M. and Yoshida, S.: Fukushima-derived radionuclides in the ocean and biota off Japan. P. Natl. Acad. Sci.
U.S.A., Vol. 109, pp. 5984-5988, 2012.
15) Aoyama, M., Tsumune, D., Uematsu, M., Kondo, F., andHamajima, Y.: Temporal variation of 134Cs and 137Cs activities in surface water at stations along the coastline near theFukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident site, Japan, Geochem. J., Vol. 46, pp. 321–325, 2012.
(2016 .3. 16 受付)

DEVELOPMENT OF A PREDICTION SYSTEMFOR RADIONUCLIDE DISPERSION IN FUKUSHIMA COAST
Yuki KAMIDAIRA, Hideyuki KAWAMURA,Takuya KOBAYASHI and Yusuke UCHIYAMA
A downscaling oceanic dispersal modeling system has been developed. The system consists of double
nested ROMS embedded in the MOVE assimilative reanalysis product and oceanic radionuclides dispersion model SEA-GEARN-FDM. The developed submesoscale eddy-resolving model is applied to reanalyses of the Fukushima accident occurred in March 2011. Model validations with satellite and in-situ dataagreed well. The finest resolution model performed well between three models with different grid resolutions, suggesting that submesoscale eddies and associated vertical flows in the upper layer are substantial
to three-dimensional behavior of the radionuclide. A diagnostic vertical 137Cs flux analysis demonstrates
that ageostrophic secondary circulations induced by submesoscale eddies promote seasonaly-varying
subduction of the 137Cs enhanced in spring, namely, immediately after the accident.

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