土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 72, No. 2, I_1369─I_1374, 2016.

ROMS-NPZDモデルを用いた黒潮域における中規模海洋変動と低次生産の解析
内山 雄介1・鈴江 洋太2・山崎 秀勝31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
2 学生会員 神戸大学大学院 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）
3 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）

黒潮域での中規模海洋変動に対する一次生産の応答を評価するために，領域海洋循環モデルROMSとNPZD型生態系低次生産モデルをカップリングしたROMS-NPZDモデルを用いて，中規模渦解像・サブメソスケール渦許容気候値解析を行った．太平洋沿岸黒潮域（遠州灘沖）での一次生産は黒潮に伴う中規模渦の影
響を強く受けるが，流軸北側の沿岸域では低気圧性中規模渦による局所的な湧昇によって一次生産が活発に起こるのに対して，表層渦運動エネルギーがより強い黒潮流軸周辺では渦輸送によって栄養塩が表層から下方へ輸送され，表層での一次生産が抑制される．黒潮続流域（房総半島沖）の表層では下方への栄養塩渦輸送は見られず，黒潮域と黒潮続流域では低次生産への中規模渦の影響は大きく異なっている．

Key Words : ROMS-NPZD model, Kuroshio, mesoscale eddy, subduction, eddy nutrient flux

1. はじめにそこで本研究では，黒潮域での中規模海洋変動に対する生態系の一次生産の応答を定量的に評価することを目

内湾域や沿岸域は，河川からの栄養塩の流入や沿岸湧的とし，領域海洋循環モデルROMSとNPZD型の生態系低昇などによって栄養塩が海洋表層に供給されるため，表次生産モデルをカップリングしたROMS-NPZDモデルを層付近で活発な一次生産が生じ，富栄養な海域となるこ用い，黒潮・黒潮続流域を含む本州太平洋沿岸を対象ととが多い．それに対して，外洋における一次生産は沿岸した中規模渦解像・サブメソスケール渦許容気候値解析域に比べて一般に極めて低い．例えば，我が国の太平洋を行った．本報では，特に黒潮に伴う中規模渦・サブメ

沿岸を東進する黒潮暖水は栄養塩に乏しい．しかしながソスケール渦による局所的な湧昇による栄養塩の供給と，ら，黒潮は陸棚周辺に強いフロントを形成し，そこでは黒潮フロント域での渦運動に伴う栄養塩のsubductionに温度風平衡に伴う鉛直シアによる鉛直混合，中規模渦に代表される鉛直輸送が一次生産に及ぼす影響を評価した

よる湧昇・沈降，フロントに沿った表層水のsubduction

ので，その結果を報告する．などが生じるため，これらのメカニズムによって表層への栄養塩の供給や，低塩分・高酸素水の下方輸送が起こ

2. 解析モデル

る．その結果，黒潮フロント域は貧栄養な外洋の中でも比較的高い生産性を維持する役割を果たしていると考え(1) 流動モデル

られ，黒潮続流域などは好漁場となっている．

本研究では，黒潮大蛇行等の間欠的な個別イベントでさらに，海洋生態系は大気中の二酸化炭素を吸収・固はなく，平年値としての黒潮と一次生産の関係を解析す定するため，地球温暖化などの気候変動の緩和に大きくるため，流動・生態系モデルともに気候値（climatology）貢献していると考えられている．UNEPによれば，全生解析を行う．流動モデルでは，JCOPE2海洋再解析デー

物が吸収する炭素のうち約55 %はプランクトンなどのタ2)（水平解像度約10 km）の月平均気候値を初期条海洋生物によって吸収されると報告されている1)．その件・境界条件として，領域海洋循環モデルROMSを用いため，沿岸域や内湾域のみならず，外洋における一次生た1-way offlineネスティングにより解像度3 kmのROMS-L1

産を定量的に評価することは，そこに接続する沿岸域の領域へとダウンスケーリングを行う（図-1，表-1）．海水質生態環境だけでなく，ブルーカーボンの生成を通じ上風応力には気象庁GPV-GSMの日平均気候値を，その他て地球環境問題を考える上でも重要な課題である．の海面フラックスにはCOADS05の月平均気候値を与える．

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3. 海洋表層における水平構造(1) 黒潮域・黒潮続流域の乱流構造
西岸境界流である黒潮は，流路周辺に中規模渦やサブメソスケール渦を伴いながら太平洋沿岸域を東進する．
遠州灘沖における物質分散は，黒潮と海岸線の間に間欠的に出現する中規模渦の影響を強く受けることが報告されている8)．また，北太平洋中緯度海域（米国西海岸沖）では，中規模変動の強度を示す表層渦運動エネルギー（EKE）が高い領域で表層での一次生産が抑制される事例が報告されている9)．そこでまず，モデルによる冬季，夏季の典型的な表層無次元相対渦度（鉛直成分，日平均

図-1 ROMS-L1 計算領域（黒枠）と水深分布（カラー）．

値）を図-2に示す．冬季には微細なサブメソスケール渦表-1 ROMS-L1モデル計算条件
格子数
水平空間解像度
海上風応力
海面フラックス
海底地形
境界条件
緩和用 SSTが多いのに対し，夏季は中規模渦が卓越するものの，大局的にはいずれの季節も蛇行する黒潮流路に対して北に784 × 864（× 鉛直 32 層）
3 km
JMA GPV−GSM（日平均気候値）
COADS（NOAA, 月平均気候値）
JEGG500 + SRTM30
JCOPE2 再解析値（月平均気候値）
Pathfinder-AVHRR（月平均気候値）

正，南に負の渦度がほぼ軸対称に分布している．また，
サブメソスケール渦は黒潮に伴う密度フロントが存在する黒潮流軸直上ではなく，流軸から南北方向に約1度離れた位置に多く発達しているが，流軸と地形に挟まれた海域での渦のサイズは外洋の渦と比較すると大きい．
季節変動成分（周期90日以上）を除去した年平均のさらに，黒潮流路の再現性を向上させるためにTS Nudg-

表層EKEを見ると，黒潮・黒潮続流の流路周辺に高いing（γ = 1/20 day-1；詳細は内山ら3,4）を参照）を適用する．

EKEが分布している（図-3 (a)）．また，遠州灘沖を拡大

なお，同一グリッドで同様の設定を用いたsynoptic計算

すると，黒潮流軸と海岸線の間には御前崎（CO）の約結果から，対象海域の3次元海洋構造を良好に再現可能

100 km南に周囲より水位が低く，反時計回りの低気圧であることを確認済みである4)．計算開始後1年間はス性冷水渦が，また潮岬（CS）の東側には周囲より水位がピンアップ期間とし，2年目を解析対象期間とする．

高く，時計回りの高気圧性暖水渦が形成されている（図(2) 生態系モデル
Fashamら5)による窒素ベースの低次生産NPZDモデルを-3 (b)）．御前崎沖に形成される低気圧性中規模渦による局所的な湧昇は，表層への栄養塩供給を促進し，一次生産に大きな影響を与えているものと推察される．

用い，北太平洋海域向けに各種パラメータの調整を行った．本NPZDモデルでは，栄養塩（N：硝酸塩NO3-，アンモニウム塩NH4+），植物プランクトン（P），動物プラ(2) 表層Chl.a濃度分布
次に，ROMS-NPZDモデルの精度検証の一例として，ンクトン（Z），デトライタス（D）の5要素を考慮する． 衛星データ（MODIS/Aqua）と本モデルによる表層Chl.a濃度分布を比較する（図-4）．用いたNPZDモデルは，
Gruberら6)を参考に，初期・境界条件にはWorld Ocean
Atlas 2015（WOA）によるNO3-3次元分布の季節平均気候

同種の様々な生態系モデルの中でもかなり簡素なモデル

値（深層は年平均気候値），MODIS/Aquaによる海表面であるが，表層でのChl.a濃度分布の再現性は比較的良好

Chl.a月平均気候値に対してMorel & Berthos7)による鉛直分であると考えられる．例えば，太平洋沿岸域でのChl.a分

布モデルを適用して得られる3次元分布，Chl.aに比例さ布パターンや，全体的な濃度の値などについて，観測値せた動物プランクトン濃度分布を与え，初期デトライタから大きく逸脱していない．しかしながら，モデルによス，アンモニウム塩はゼロとした気候値計算を行う．なるChl.aは，浅海域や内湾，瀬戸内海や黄海などの閉鎖性

お，低解像度のWOAでは沿岸域でのNO3-分布を表現できの強い海域を中心に過小評価傾向にある．この原因は，ないため，水深500 m以浅の海域に対しては水深500mで揚子江，鴨緑江，アムール川，国内一級河川などからののNO3-鉛直分布を線形内挿したものを初期分布として与流入に代表される陸域起源の栄養塩供給を考慮していなえた．初期条件に含まれる不確実性は1年間のスピンアいためである．反対に，黒潮続流の北部から北海道東岸ップ期間中に解消され，2年目の本計算では各生態系変沖などの高緯度域ではモデルのChl.aは過大評価気味であ数は初期条件によらずに内因的な物質収支にしたがってるが，これは北太平洋亜寒帯循環の影響範囲における鉄変動することを確認している．

制限に起因する基礎生産性低下10)がモデル内で考慮されI_1370

図-2 海表面における無次元相対渦度（ζ / f）の日平均値空間分布．（a）冬季（1/1），（b）夏季（7/30）．

図-4表層 Chl.a 濃度分布（μg L-1）．（a）人工衛星データ（MODIS/Aqua），（b）ROMS-NPZD モデル計算結果による．いずれも年平均気候値．

異なっている．低気圧性渦が形成される黒潮流路（SSH勾配が大きい強流域）北側の沿岸域では（図-3 (b)），
渦に伴う局所的な湧昇による表層への栄養塩の供給によって活発な一次生産が惹起され，高濃度のChl.aが表層に分布している．反対に，EKEが高い黒潮流路周辺では（図-3 (a)），Chl.a濃度はむしろ著しく低下している．
ところが，同じくEKEが高い黒潮続流域（房総半島沖）
では，黒潮流軸付近の表層Chl.aはあまり低下しない傾向にあり，同じ黒潮の影響海域でも遠州灘沖と房総半島沖
では一次生産の応答に有意な差があることが分かる．
図-3 （a） 季節変動成分を除去した海洋表層渦運動エネ
ルギーEKE（m2 s-2），（b）海面高度（SSH，カラー：m）および表層流速ベクトル（m s-1）．いずれ
も年平均気候値．（a） のマゼンタ枠は（b）の領域を示しており，黄線はそれぞれ図-5〜10 で用いる東経 138 度（黒潮域），145 度（黒潮続流域）に沿った検査線を示す．

4. 黒潮域・黒潮続流域における鉛直構造(1) Chl.a，NO3-の鉛直分布
黒潮域（遠州灘沖），続流域（房総半島沖）での一次生産応答特性の発生機構を考察するために，海面下の鉛ていないことなどに起因する．これらの問題は，沿岸域直構造を精査する．黒潮と黒潮続流を横断するように東への陸水影響を考慮し，鉄収支を含むより複雑な物質循

経138度，145度上に検査線を設定し（図-3 (a)黄線），環モデルの導入で解決されると考えており，今後の検討

黒潮流軸上および南北に1度（約110 km）ずつ離れた2課題としたい．本研究では平均流や渦運動に伴う栄養塩地点の計3点の検査点を設け，Chl.aおよびNO3-濃度分布輸送とそれに対する生態系の応答をできるだけシンプルを求めた（図-5，図-6）．ただし，黒潮流軸位置は黒潮な枠組みに基づいて考察することを志向することとする． の主流部が位置する水深50 mにおいて主流速の年平均黒潮周辺海域での生態系の応答を検討するために御前値が最大となる場所と定義している．黒潮域，続流域と崎沖の遠州灘（以降，黒潮域と呼称する）に着目すると， もに，流軸より北に1度離れた地点では中深層以下に分表層Chl.aは黒潮流軸を境界として沿岸域と外洋で大きく布する栄養塩の表層方向への供給が盛んに起こっており，

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図-5 黒潮域（遠州灘沖）：東経 138 度ライン（図-3 (a) 左黄線）上の各検査点における（左）NO3-濃度（mmolN mg-1），（右）Chl.a 濃度（μg L-1）の Hovmöller 図．縦軸：水深，横軸：時間．上から，黒潮流軸から北へ 1 度，流軸直上，南へ 1度離れた地点での結果．各パネルの白線は各検査点における KPP モデルから推定される混合層深さである．

図-6 図-5 と同じ．ただし，黒潮続流域（房総半島沖）：東経 145 度ライン（図-3 (a) 右黄線）での結果．

その結果として表層から亜表層のChl.aが増大している．

響を受けて続流域でのChl.aは平均的に黒潮域よりも高く

また，平均NO3-濃度の上限値が出現する水深には両海域なり，また，同期間ではChl.a変動と連動して顕著な栄養に共通して明確な季節変動があり，混合層の消長と連動塩上昇が間欠的に生じている．この傾向は南側検査点でして寒冷期には深く（黒潮域では水深約100 m，続流域も見られるが，その程度は流軸上よりもかなり弱い．

では約200 m），温暖期には浅く（同じく20 m，50 m程

シンプルな本NPZDモデルでは，一次生産はNO3-供給度）なっている．Chl.aの極大値は，寒冷期では混合層上量にほぼ規定されるため，中深層からの上向き栄養塩フ部の表層全体で生じているのに対して，温暖期では混合ラックスが表層・亜表層におけるChl.a分布の形成に直接層下端周辺の亜表層で生じている．また，温暖期に比べ的に関与していると考えられる．特に，両海域では黒潮て寒冷期により深くまで高濃度のChl.aが分布している．

流路変動や，中規模渦・サブメソスケール渦が活発に生流軸上，南側検査点と南下するにつれて中深層からのじるため，その影響を受けるChl.a，NO3-濃度は数日周期

栄養塩供給は小さくなり，それに伴ってChl.a濃度も低下で変動している．そこで以下では，季節変動（周期90する．南側2点での季節変動傾向は北側検査点と基本的日）より短周期の変動を渦成分と定義し，渦に伴う栄養には同様であるが，4月，5月を中心に春季ブルーム

塩フラックスによる表層への栄養塩供給過程に関する解（大増殖）に対応するChl.aの季節的な増加が発現してお析を行う．なお，図-2に見られた渦サイズの季節変化なり，その程度は黒潮続流域のほうが顕著である．その影

どによる影響については別の機会に紹介したい．

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図-7 東経 138 度ライン（左），東経 145 度ライン（右）における（a）カラー：渦運動エネルギーEKE (m2 s-2) ，白コンター：
平均流速 (m s-1) の断面直行成分（流下方向を正），（b）カラー：NO3−濃度 (mmolN mg-1)，黒コンター：ポテンシャル密度 (kg m-3)，各パネルのマゼンタ線は KPP モデルによって推定された混合層深さを示している．いずれも年平均気候値．

図-8 東経 138 度（左），東経 145 度（右）ラインにおける鉛直 NO3-フラックス渦成分（μmolN mg-1 m s-1．鉛直上向き正）．

図-9 図-8 と同じ．ただし，鉛直 NO3-フラックス季節変動（残差）成分（μmolN mg-1 m s-1．鉛直上向き正）．

図-10 図-8 と同じ．ただし，水平 NO3-フラックス渦成分（μmolN mg-1 m s-1．沖合・南方向正）．

(2) 栄養塩輸送に対する渦の影響
黒潮域，続流域に設定した各検査線断面内の鉛直構造

NO3-輸送に対する渦の影響を定量的に評価するために，周波数フィルタを用いて各変量をReynolds分解し，NO3濃度と流速uの渦成分同士の相関項を求め，それらを年を比較すると（図-7），黒潮流軸はそれぞれ北緯33度，平均し，鉛直NO3-フラックスの渦成分を求めた（図-8）．

35.5度あたりに位置しており，黒潮流軸に対応して高い

東経138度ラインでは，北緯33.5度，水深500 m以浅に強EKEが分布している．また，ポテンシャル密度と栄養塩い負（鉛直下向き）のNO3-フラックスが見られ，黒潮の（NO3-）の等値線は，黒潮流軸に対応して沖側で沈み込主流部に沿うようにsubductionが卓越することが明示さんでいる．特にNO3-の黒潮域，続流域ともに南側での沈れている．また，負値の北側上部の混合層直下に正値がみ込みは顕著であり，NO3-が下方へ輸送されて濃度低下分布していることから，流軸北部亜表層のNO3-が混合層していることが示唆される．また，このようなNO3-の黒底部に上昇し，それがturnoverして南側下層へと輸送さ

潮域での沈み込みは解像度2度のWOAデータには見られれ，流軸から南側の表層NO3-が急減しているものと理解ないことから，黒潮やその流路変動，それらに伴う渦運される．東経145度ラインでも定性的には同様の傾向が動の影響を受けて局所的に形成された分布形と言える．

見られるが，全体的に値は小さく，流軸北側の水深400

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m以浅の亜表層に正値が広く分布し，負値は正値の下部者：山崎秀勝）および科学研究費補助金（15H00977，に相当する流軸南側の水深400 m以深に分布している．

15H04049，代表：内山雄介）の援助を受けた．

なお，鉛直NO3-フラックス季節変動（渦成分との残差）
成分は両海域ともに渦成分より1桁以上小さく，NO3-の参考文献

鉛直輸送には渦成分の寄与が圧倒的に大きい（図-9）．

1)

また，両検査線断面内の水平NO3-フラックス渦成分を見ると（図-10），subductionが生じる領域でともに正値（南方向）を取ることから，黒潮域では沿岸湧昇や低気圧性渦によって表層に供給された栄養塩は黒潮フロントに沿って速やかに沖合下方に輸送され，流軸および南側海域表層での一次生産が強く抑制されていると解釈される．一方，続流域でのsubductionと南方向輸送は黒潮底部付近の水深500 m以深の中深層で活発に生じており，北太平洋中層水に栄養塩を供給している．続流域表層に存在するNO3-の下方への輸送は相対的に小さため，一次生産の抑制効果も黒潮域より小さくなると考えられる．

6. おわりに本研究では，ROMS-NPZDモデルを用いて黒潮域（遠州灘沖），黒潮続流域（房総半島沖）での中規模海洋変動が低次生産に及ぼす影響について評価した．黒潮−海岸間に形成される低気圧性の中規模渦に伴う局所的な湧昇によって，遠州灘沿岸域では続流域北部よりも高い一次生産が維持されていることを示した．両海域ではともに黒潮に伴う中規模渦活動が活発であるにも関わらず，一次生産への影響は大きく異なっていた．渦による栄養塩輸送を定量的に評価した結果，黒潮フロントに沿って下方に栄養塩が輸送されることで黒潮流軸および南側海域表層での一次生産に影響を与えていることが明らかとなった．
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

Nellemann, C., Corcoran, E., Duarte, C. M., Valdés, L., De Young, C.,
Fonseca, L., and Grimsditch, G. (Eds), Blue Carbon. A Rapid Response
Assessment, United Nations Environment Programme, GRIDArendal, Birkeland Trykkeri AS, Norway, 78 p., 2009.
2) Miyazawa, Y. and coauthors: Water mass variability in the western
north Pacific detected in 15-year eddy resolving ocean reanalysis, J.
Oceanogr., Vol. 65, pp. 737 -75, 2009.
3) 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.
4) 内山雄介，神吉亮佑，高野祥子，山崎秀勝，宮澤泰正：
海面高度計およびArgoデータに基づく3次元密度推定値を同化させた海洋流動モデルの再現精度について，土木学会論文集B3（海洋開発）, Vol. 71, No. 2, pp. I_365-I_370, 2015.
5) Fasham, M. J. R., H. W. Ducklow, and S. M. McKelvie: A nitrogenbased model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer, J. Mar.
Res., Vol. 48, pp. 591–639, 1990.
6) Gruber, N. and coauthors: Eddy-resolving simulation of plankton
ecosystem dynamics in the California Current System, Deep-Sea Res.
I , Vol. 53, pp. 1483–1516, 2006.
7) Morel, A. and J.F. Berthon: Surface pigments, algal biomass profiles, and potential production of the euphotic
layer: Relationships reinvestigated in view of remotesensing applications, Limnol. Oceanogr., Vol. 34, pp.
1545-1562, 1989.
8) 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.
9) Gruber, N., Z. Lachkar, H. Frenzel, P. Marchesiello, M. Munnich, J. C.
McWilliams, T. Nagai, and G.-K. Plattner: Eddy-induced reduction of
biological production in eastern boundary upwelling systems, Nature Geoscience, Vol. 4, pp. 787-792, 2011.
10) Moore, C. W. and coauthors: Processes and patterns of oceanic
nutrient limitation, Nature Geoscience, Vol. 6, pp. 701-710, 2013.
(2016. 3. 16 受付)

BIOGEOCHEMICAL RESPONSES TO MESOSCALE OCEANIC VARIABILITY
IN THE KUROSHIO REGION ANALYZED WITH A ROMS-NPZD MODEL
Yusuke UCHIYAMA, Yota SUZUE and Hidekatsu YAMAZAKI
The Kuroshio is one of the most energetic western boundary currents accompanied by vigorous
eddy activity both at meso- and submesoscales which significantly affect biogeochemical productivity in the upper ocean. We examine such processes with a climatological ocean modeling based on
ROMS coupled with an NPZD model for the Kuroshio region off Japan. Cyclonic mesoscale eddies
develop in the coastal area of Enshu Nada, leading to upward nutrient supply to euphotic zone withpromoting active primary production. In contrast, Chl.a is much less prominent around the Kuroshio path where the higher EKE is distributed. The downward eddy-induced vertical nutrient flux
occurs at depth beneath the Kuroshio path and the reduction of nutrient consequently takes place.
Therefore, a substantial amount of nutrient is removed from the near-surface layer by eddy-driven
downward nutrient transport, resulting in suppressing the primary production there.

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