土木学会論文集B2（海岸工学）
Vol. 70, No. 2, 2014, I_446-I_450

紀伊半島田辺湾湾口部における海水交換特性に関する研究
Water Exchange at the Mouth of Tanabe Bay in Kii Peninsula, Japan
１２３４４内山雄介 ・松川大佑 ・神吉亮佑 ・馬場康之 ・森 信人 ・水谷英朗
６７
６８９
渡部靖憲 ・大塚淳一 ・山田朋人 ・猿渡亜由未 ・二宮順一

５Yusuke UCHIYAMA, Daisuke MATSUKAWA, Ryosuke KANKI, Yasuyuki BABA
Nobuhito MORI, Hideaki MIZUTANI, Yasunori WATANABE, Junichi OTSUKA
Tomohito YAMADA, Ayumi SARUWATARI and Junichi NINOMIYATanabe bay is a small embayment connected directly to the Pacific Ocean to the south, whereas frequently suffers fromharmful algal blooms due to sewage effluent and the local aquaculture industry. For preserving the ecosystem in the bay, it
is necessary to understand an oceanic structure in the bay along with water exchange at the bay entrance. We thus conduct
a comprehensive investigation consisting of a shipboard measurement, a season-long platform observation, and a triply
nested high-resolution ocean modeling. The water exchange at the bay mouth is largely affected by semi-diurnal tidal
currents and episodic subtidal intrusion of the offshore water controlled by mesoscale circulations.

1. はじめに馬場ら，2014；およびそれらの参考文献を参照），2013
年 夏 期 ～ 秋 期 に 実 施 し た 連 続 観 測 で は 台 風17号

紀伊半島南西端近くに位置する和歌山県・田辺湾は，（TORAJI）および18号（MAN-YI）の接近を捉えること黒潮流路に近いために外洋影響を強く受けつつも，地形に成功した（馬場ら，2014）．本研究では，2013年8月上的にやや閉鎖性が強い内湾である．湾口部の水質は比較

旬～10月中旬に観測塔において実施した係留系等を用い的良好であるが，湾奥部では河川出水，養殖業，生活排た連続観測，船舶によるADCP曳航観測，および3段ネス水等による環境負荷に伴う水質悪化や貧酸素水塊・赤潮ティングによる高解像度領域海洋循環モデルの3通りのの発生などが依然として報告されている（上出，2003）．

アプローチにより，夏期～秋期における外洋影響を考慮

田辺湾の水質及び生態系保全の問題の解決に取り組むにした田辺湾湾口部における海水交換特性とそのメカニズあたり，湾周辺の海洋構造，特に外洋との境界である湾ムについて検討したので，その結果について報告する．

口での海水交換特性を理解する必要がある．本海域においては，主に夏期を対象とした海水交換機構に関する幾

2. 曳航観測

つかの先行研究が行われており，北風に伴う沖向き表層2013年8月28日に実施した曳航観測では，防災研・白エクマン輸送に起因する沿岸湧昇性の内部急潮（吉岡ら，

浜海象観測所所有の調査船に搭載されたADCP（12001998；田中ら，1998）や，黒潮二次流の接岸状況に対応した湾内への外洋水侵入（仁木ら，2004；Niki，2004）などが湾内水質環境に少なからぬ影響を及ぼしている可能性が指摘されている．
著者らのグループでは，田辺湾湾口部に位置する京都大学防災研究所・田辺中島高潮観測塔（以下，観測塔）を用いて，台風接近時の気象・海象データ計測を目的とした現地観測を継続して実施しており（馬場ら，2012；
１ 正会員
２ 学正会員
３ 学正会員
４ 正会員
５ 正会員
６ 正会員
７ 正会員

博（工） 神戸大学准教授 大学院工学研究科
学（工） 神戸大学工学部市民工学科（現 和歌山県）
学（工） 神戸大学大学院 工学研究科市民工学専攻
博（工） 京都大学准教授 防災研究所
博（工） 京都大学助教 防災研究所
博（工） 北海道大学准教授 大学院工学研究院
博（工） （独法）土木研究所寒地土木研究所
寒冷沿岸域チーム
８ 正会員
博（工） 北海道大学助教 大学院工学研究院
９ 学正会員 修（工） 京都大学大学院 工学研究科

図-1

田辺湾の水深分布（カラー），曳航観測における湾軸ライン（赤一点鎖線：◯は始点，×は終点）
および湾口ライン（青点線），黒実線：海水交換解析に用いる田辺湾口ライン，▲：田辺中島高潮観測塔．

紀伊半島田辺湾湾口部における海水交換特性に関する研究

図-2

I_447

湾軸方向流速の鉛直分布．湾軸ラインにおける（a）上げ潮，（b）
下げ潮時の湾内向き流速，湾口ラインにおける（c）
上げ潮，（d）下げ潮時の断面通過流速．いずれも正値（実線）が湾内への流入を表す．黒太線は両ラインが交差する位置を示す．

図-3

CTDによる上げ潮，下げ潮時の湾軸（a, b, e, f）および湾口ライン（c, d, g, h）
での水温（上段）と塩分
（下段）
分布．

kHz）と投げ込み式CTD（塩分水温水深計）を用いて，正と定義しており，上げ潮時は表層で流出，中層で流入，

図-1に示す湾軸ラインおよび湾口ライン沿った断面にお中央部付近の下層では流出という3層構造が明瞭に見らいて上げ潮時と下げ潮時の二回ずつ，流速，水温，塩分れる．しかしながら，下げ潮時には表層の流出域が縮退の鉛直分布を計測した．

し，2層構造化しており，湾軸ライン断面と同様の流動

湾軸ライン断面内流速分布（図-2（a），（b））では北東構造が確認できる．

方向を正とした湾軸ラインに沿う方向の流速成分を示し

CTDによる水温・塩分分布の観測結果を見ると（図ており，横軸距離2 kmあたりを境界として西（左）側を-3），湾内では上げ潮と下げ潮時で成層構造に大きな変化

湾外，東（右）側を湾内と定義する．上げ潮時（図-2（a））

はなく，湾内における潮流の影響が限定的であるというの流速分布は3層構造を形成しており，沖側表層で湾外流速計測と同様の傾向が見て取れる．湾軸ラインでは，へ流出，中層から湾内表層にかけて流入，湾内下層で流

湾外表層において上げ潮時にボア状の低温高塩分水塊が出が生じている．下げ潮時（図-2（b））には湾外での流速湾奥方向へ進入して成層を強化しているのに対し，下げ分布は反転する．湾内では上げ潮下げ潮に関わらず最表

潮時にはこの部分の水温が上昇（塩分は低下）し，混合層において流出が生じているが，これは前日の降雨によが強化されて成層が弱くなっている．これは内部潮汐のる湾奥部の会津川河口からの淡水流出の影響を表してい伝播に伴う混合を示唆しており，特に下げ潮流によってる．一方，湾内では下げ潮時であっても水深20 m程度ま湾口部沖側において強い鉛直混合が生じたものと解釈さでの亜表層において流入域が広く残存しおり，地形的にれる．湾口ライン断面における成層構造にも同様の傾向

潮流の影響が湾奥に到達しにくい構造であることが分かが見られるが，湾口域北部の浅海岩礁海域での水塊混合る．また，湾口ライン断面内流速分布（図-2（c），（d））は比較的弱く，海底地形（図-1）に沿って流出入する内では，ラインに直行する東南東方向（湾内への流入）を部潮汐波が湾口沖側での混合と成層弱化に寄与している

I_448図-4

土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 70，No. 2，2014

田辺湾口部に位置する田辺中島高潮観測塔における2013年夏・秋期に実施された連続観測結果の一例．上から，潮位，水温鉛直分布，水深10 mにおける塩分，海面上10 mの風速ベクトル，有義波高，有義波周期，2級河川流量推定値（日平均値）．

ことが分かる．

3. 観測塔における連続観測季節的な発達が生じている．また，台風接近に伴って風速の強化と南から北への風向変化が生じ，同時に有義波高，有義波周期，河川流量が増加している．成層構造が田辺湾における中長期的な海洋構造変化を把握するた比較的明瞭であった9/4と9/15に最接近した台風に着目す

めに，連続係留観測データの解析を行った．湾軸ライン

ると，水温データから，暴浪による鉛直混合効果は表層と湾口ラインの交点付近に位置する観測塔に水温塩分20 m程度に達しており，9/15は台風に伴う降雨による河計，風向風速計，超音波式波高計，ADCP（1200 kHz）

川出水の影響によって大規模な低塩分化が生じている．などを設置し，2013年8月上旬から約2 ヶ月間にわたって気象・海象データを収集した．連続観測データの詳細に

4. 高解像度数値モデリング

ついては馬場ら（2014）を参照されたい．本稿ではデー曳航観測と連続観測の結果から，季節成層の消長に伴タの一例として，2013/8/10～10/20の各物理量の時間変化

う混合層の発達，3つの台風に伴う鉛直混合の助長とそを図-4に示す．このうち2級河川流量推定値とは，和歌山の後の再成層化，成層期における内部潮汐の影響など，県による過年度の流量公表値と気象庁AMeDAS雨量デー

長・短周期現象と突発的な気象擾乱イベントが重畳してタに対して最小二乗法を適用して流量－雨量関係式を求湾口周辺の水塊構造が形成されていることが示された．

め，観測期間中の実測雨量から推定した河川流量である．

そこで次に，湾口での通過流量の時間変動とその原因を水温の鉛直分布を見ると，8月中に発達した強い温度解析するため，領域海洋循環モデルROMSを用いた3段成層は9月以降徐々に弱まり，9月下旬にはほぼ解消され階のネスティングによる田辺湾モデル（図-5）を構築し，ている．成層期である8月中は潮位変動に対応した温度

2013年夏・秋期の高解像度再解析を実施した．JCOPE2躍層の振動が顕著に見られ，湾口域は内部潮汐の影響を（水平解像度10 km）→ROMS-L1（同2 km）→ROMS-L2受けていることが分かる．9/4，9/15，10/15にそれぞれ台（同600 mの瀬戸内海全域モデル；内山ら，2012，2013）

風17号，18号，26号が来襲し，そのたびに鉛直混合作用をベースにROMS-L3領域（田辺湾モデル）を新たに開を受けて水温が一様化し，台風通過後の潜熱低下や河川発した．L3領域の格子数は256 × 256 × 鉛直32層，水平出水によって再成層化するというプロセスが確認され解像度は120 mであり，L2の2時間平均出力を境界条件る．しかしながら，9月下旬以降は少なくとも水深約25とした．地形データには内閣府中央防災会議によるデーmまで水温がほぼ一様となり，海面冷却に伴う混合層のタ（解像度50m）を与え，海面フラックスは気象庁GPV-

I_449紀伊半島田辺湾湾口部における海水交換特性に関する研究

図-5

ROMSによる3段ネスト領域と水深分布（カラー）．黒枠は外側か ら，ROMS-L1（水 平 解 像 度2km），L2（同600 m：瀬戸内海全域 モ デ ル），L3領 域（同120 m：田辺湾モデル）の境界を示している．

図-6

田辺湾口ライン（図-1黒実線）を通過する体積フラックスの時系列．
（上）
2時間平均値，（下）周波数分解された体積フラックス．下段では， 周期28時間以上のsubtidal成分（黒），18～28時間の日周成分（マゼンタ），8～18時間の半日周成分（シアン），8時間未満の乱流成分（青）に分解した．
表-1

MSMデータを用いたCOAMPS型バルク法により評価し，湾口通過体積フラックスの各周期成分における流量変動のRMS，RMS寄与率，海水交換時間スケール

領域内に河口を有する3本の2級河川流量推定値（図-4）を考慮した．紙面の都合上図示しないが，観測塔における水温の鉛直構造や水位変動等に関するデータとモデル出力とを比較し、モデルの再現性が十分であることを確認している．

周期T（h）

流量RMS（m3/s）

RMS寄与率 海水交換時間（％）
スケール（日）subtidalT > 2888444.074.70

日周期20< T ≤ 2822010.9718.89

半日周期

6 < T ≤ 20838

41.77

4.96

乱流

T<6643.1964.92

5. 海水交換特性（1）湾口通過体積フラックス
L3モデルの結果を用いて田辺湾湾口における海水交換特性について解析する．ここでは，湾口ライン（図-1黒実線）直交方向の流速成分を断面積分することにより湾口通過体積フラックス（流量）を求め，さらにそれを周波数分解して各成分の寄与を評価する（図-6）．本解析では，周期28時間以上をsubtidal成分とし，それ以下の短周期成分を日周，半日周，周期8時間以下の乱流成分に分けることで，計4成分に分解した．図-6下から，振幅が明

図-7 （左）湾口通過体積フラックス（マゼンタ）と田辺湾沖合における北向き表層流速（青）の無次元パワースペクト
ル，（右）両者のコヒーレンス．

らかに大きいのはsubtidal成分および半日周成分であることが分かる．それらの寄与を定量的に評価するために，subtidal成分，すなわち長周期の流量変動が同程度に影響各成分による流量変動のRMS（標準偏差）を求めた（表することが明らかとなった．

-1）．subtidal成分と半日周成分による流量RMSは800 m3/s

（2）湾口フラックスと沖合（湾外）流動との関係を超えるが，これらは全体の変動レベルの40％以上にも湾口通過体積フラックスと様々な変量との相関を取っ及ぶ．湾口ライン内側の田辺湾の容積を流量RMSで除すて比較したところ，湾外の沖合海域における南北流速とことにより求められる海水交換時間スケールは，subtidalの相関が極めて高いことが判明した．両者の無次元パ成分，半日周成分ともに5日弱である．一方，日周成分

ワースペクトル密度を求めると（図-7），半日周期に強の寄与は半日周成分の1/4程度にとどまっており，日周潮いピーク，日周期に弱いピークが見られ，低周波成分のや慣性振動（本海域の慣性周期は約21.5 h）の寄与は限パワーが全体的に高くなっている．両者の相関を二乗コ定的であるとともに，半日周以下の乱流成分の寄与は極ヒーレンスによって評価すると，スペクトルピークに対めて小さい．したがって，田辺湾の海水交換には半日周応して半日周期近傍で0.8以上の相関が見られ，同時に成分，すなわち半日周期の潮流および内部潮汐の寄与と,周期2～3日のsubtidalバンドにも0.78程度の相関が見られI_450

土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 70，No. 2，2014

辺湾の海水交換が内部潮汐の伝播に代表される短周期現象と，台風等の気象イベントを含む長周期現象の両者によって特徴付けられることを示した．さらに，湾口での海水交換特性をより定量的に評価するために3段ネストによる高解像度海洋モデリングを行った．湾口部での海水交換に対しては，半日周期の潮流と内部潮汐による短周 期 変 動 成 分 に 加 え，2～3日 の 周 期 帯 を 中 心 と す る
subtidal長周期成分の影響が大きく，両者は同程度の寄図-8

流出イベント時（2013/8/15）における（左）田辺湾を含む周辺海域の海洋表層無次元相対渦度（カラー），（右）田辺湾口周辺における東向き体積輸送量（カラー）．ベクトルはいずれも表層流速である．右図は左図中のL3領域を含む正方形ボックス内の拡大図である．

与率を有することが示された（表-1）．特にsubtidal流量変動に対しては湾外におけるメソスケール渦に伴う広域循環流が重要な役割を果たしており，主にその向き（相対渦度の正負）によって沖合水塊の湾内への流入・流出が助長されていた．つまり，田辺湾における海水交換特性，ひいてはその湾内水質環境は，100 kmオーダーの広域の外洋影響を強く受けて形成されていることが示唆された．
謝辞：本研究は京都大学防災研究所一般共同研究（24G05，26G-05），科学研究費基盤研究C（24560622）の援助を受けた．

図-9

図-8と同じ． ただし， 流入イベント時（2013/8/30）のスナップショット．

る．つまり，2～3日周期で変動する沖合南北流速によってsubtidal流量変動が引き起こされているものと理解できる．
沖合流動と湾口フラックスの関係の例として，最も強い流出が生じた8/15（図-8）および最も強い流入が生じた8/29（図-9）における沖合を含む広域の平面流動構造を調べた．8/15の流出イベント時には，紀伊水道南西部で時計回り（負）のメソスケール渦が存在するが，紀伊半島沿岸ではこれに逆行する強い北上流が発達し（図-8左），田辺湾湾口部において湾内の海水が連行されて負の東向き体積輸送，すなわち流出が卓越するという構造になっている（図-8右）．一方，8/29の流入イベント時には，紀伊水道南西部において弱い反時計周り（正）の渦が，紀伊半島側沿岸域には負の渦度が生じ，紀伊半島西岸に沿って強い南下流が発達しており，沖合水塊の湾内への直接的な流入を助長している様子が見て取れる．つまり，田辺湾の長周期の海水交換と湾内環境は，紀伊水道と黒潮域に挟まれた海域に発達するメソスケール環流の影響を受けて形成される，沿岸域における北上流・南下流に強く支配されているものと理解される．

6. おわりに本研究では，調査船を用いた短期曳航観測と，田辺中島高潮観測塔を用いた約2 ヶ月間の連続観測を行い，田参考文献

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