土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 71, No. 2, I_1219─I_1224, 2015.

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

上平 雄基 1・内山 雄介 2・御手洗 哲司 3・仲田 尚平 4
1正会員	  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白方白根2-4）E-mail: kamidaira.yuki@jaea.go.jp
2正会員	  神戸大学准教授 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）
3沖縄科学技術大学院大学准教授 海洋生態物理学ユニット（〒904-0495 沖縄県国頭郡恩納村字谷茶1919-1）
4沖縄科学技術大学院大学 海洋生態物理学ユニット（〒904-0495 沖縄県国頭郡恩納村字谷茶1919-1）	  沖縄本島を含む琉球諸島周辺海域を対象とした2段ネストJCOPE2-ROMSダウンスケーリング海洋モデルを用いて，本海域特有のサブメソスケール（SMS）乱流の発達とそれに伴う3次元的な物質混合過程を評価するべく，季節変動成分を除去した渦成分に対してeddy heat flux （EHF）解析を行った．EHFに対してHelmholtz分解を適用することで，EHFを黒潮流軸成分と直交成分とに分解し，その3次元構造について検討した．その結果，黒潮流軸に対して東シナ海側では黒潮と陸棚斜面による地形性シアの影響によって低気圧性のSMS渦が表層および水深500 m程度の亜表層に発達すること，反対に沖縄本島側では主に黒潮と琉球海嶺地形による地形性シアの影響によって混合層周辺に高気圧性のSMS渦が発生すること，およびその両者によって黒潮横断方向の渦熱輸送が3次元的に促進されていることを見出した．

Key Words : ROMS, Kuroshio, East China Sea, oceanic turbulent mixing, submesoscale eddies

1. 	  はじめにことが波及効果の定量的評価に対して重要となる．	  最近の研究よって O (10 km) 程度以下のサブメソスケ	  サンゴ礁は，観光業や漁業などを通じて日本だけで年ール現象が海洋表層の平均流，乱流，物質分散などに与約数千億円規模の経済効果をもたらしていると試算されえる影響について理解が深まりつつあるが（例えば，内ている．特に，沖縄本島を含む琉球諸島周辺海域（図-1） 山ら 3）），本海域の海洋構造に対するサブメソスケーには豊かなサンゴ礁生態系が形成されており，世界有数ル乱流の影響については未解明な部分が多い．これに対の生物多様性ホットスポットとして知られ，地球環境保全の観点からもその保護が強く望まれている．西岸境界流である黒潮は，本海域を含む東シナ海の琉球諸島西岸沖約 200 km の陸棚斜面に沿って北東向きに流れている．
既往の研究 1) によると，黒潮流路と琉球諸島間の海域では黒潮反流や中規模渦がしばしば生じ，それに伴う移流効果によって黒潮暖流波及を強く受けることがある．したがって，サンゴ浮遊幼生や栄養塩などの輸送，生態系ネットワークの形成に対して，黒潮の波及効果を正確に把握し，定量化することが重要である．一方で，本海域の陸棚斜面上における黒潮流路変動は，南西部の台湾沖などと比較して小さいことが知られており（例えば Qiuら 2）），琉球島嶼群への黒潮の蛇行による接岸に伴う直接的な波及は起こりにくい．そのため，中規模渦やサブメソスケール渦に伴う水平混合作用を正確に理解する

図-1	  2 段階ネスティング ROMS モデル領域（L1：水平解像度約 3 km，L2：同 1 km）および気象庁 PN ライン．	  	  	  	 I_1219

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図-2	  海表面における無次元相対渦度（ζ / f）の日平均値（2012 年 1 月 7 日）．(a) ROMS-L2，(b) ROMS-L1 による．左図内の黒実線は図-8〜図-11 で用いる検査線を表す．
表-1	  ROMS-L2 琉球諸島海域モデルの計算条件．
計算期間
格子数
水平空間解像度
海上風応力
その他フラックス
海底地形
SST・SSS側方境界条件

2010/12/27 – 2013/7/13
832 × 610（× 鉛直 32 層）
1 km
JMA GPV-MSM（1 時間値）
COADS05（月平均気候値）
SRTM30_PLUS
JCOPE2 再解析値（20 日平均）
ROMS-L1 再解析値（日平均値）

して著者ら 4)（以下前報と呼称）は，本海域を対象として，領域海洋循環モデル ROMS をベースに 3 次元変分法データ同化を用いた JCOPE2 海洋再解析 5) を初期条件，最外側境界条件とした，2 段階ネスティングによるサブメソスケール渦解像 JCOPE2-ROMS ダウンスケーリング海洋モデリングを行った．1-way offline ネスティングを用いてモデルの水平空間解像度を約 10 km（JCOPE2）à
3 km（ROMS-L1）à 1 km（ROMS-L2）と細密化させることにより，低解像度モデルでは再現することができなかったサブメソスケール渦の発生・発達過程を表現することに成功した．さらに，黒潮流路と琉球諸島西海岸の間の海洋表層では，東シナ海陸棚斜面と琉球海嶺間の狭窄な水路状地形の拘束によって地形性シアが強化されて負のサブメソスケール渦が卓越し，それに伴って黒潮—沖縄本島間で活発な海水交換が生じ，黒潮の波及が促進されている可能性を示した（図-2）．しかしながら，その詳細なメカニズムや，海洋表層下を含む 3 次元的な海洋構造については十分に解析されていなかった．	  そこで本研究では，前報で開発した 2 段ネスト海洋モデルを用いて，サブメソスケール乱流の発達とそれに伴う 3 次元的な物質混合が本海域の海洋環境に及ぼす影響を定量的に評価することを最終的な目的として，主にeddy heat flux（EHF）を用いた詳細な乱流統計解析を行う．
特に，EHF ベクトルに Helmholtz 分解を適用することにより，黒潮流路方向成分（ベクトル回転成分）と直交成分（ベクトル発散成分）を分離し，黒潮波及効果の鉛直

図-3	  気象庁 PN ラインにおける水温塩分観測値から求めた地衡流量（マゼンタ），JCOPE2（赤），ROMS-L1（緑），ROMS-L2（青）による通過流量の季節平均気候値．

断面内構造について精緻な評価を行う．

2. 	  解析モデル	  前報 4) と同様に，日本南西の東シナ海および北太平洋の一部を内包する中解像度モデル ROMS-L1（水平解像度 3 km）では，水平解像度 1/12o（約 10 km）の JCOPE2
再解析データ 5)（1 日平均値）を時空間内挿して初期条件・最外側境界条件とし，琉球諸島周辺海域を対象とした高解像度モデル ROMS-L2（水平解像度 1 km）では，ROMS-L1 出力の日平均値を時空間内挿して境界条件として与え，1-way offline nesting によって順次ダウンスケーリングを行う．表-1 に ROMS-L2（琉球諸島海域モデル）の計算条件を示す．ダウンスケーリングモデルの再現性については，前報 4) において表層運動エネルギー時間変動，気象庁 PN ライン（図-1 黒線）鉛直断面内平均密度
分布，平均海表面流速，海面高度偏差の分散などについて詳細な評価を行い，いずれも観測値との良好な一致を

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図-4	  ROMS-L2 による海洋表層（水深 2 m）における EHF 各成分（ベクトル表示）．カラーは温位分散（𝑇′! ）の空間分布．灰コ
ンターは 0.5 m/s を超える平均流速の分布（間隔：0.5 m/s．おおよそ黒潮主流域に対応）．

図-5	  ROMS-L2 による水深 400 m における EHF 各成分（ベクトル表示）．カラーは温位分散（𝑇′! ）の空間分布．白抜き部分は海底地形．

確認している．本報では， PN ラインにおける鉛直断面EHF）と定義し，黒潮系暖水塊の沖縄本島西海岸への波通過流量（季節平均気候値）を比較した結果を紹介する及促進効果を評価した．EHF は次式のように表される（図-3）．観測流量は，各季節に対する水温塩分観測値（例えば，Marchesiello ら 6））．

から気候値を求め，それらを用いて等圧面の傾斜を算出

F =（𝜌! 𝐶! 𝑢 ! 𝑇′，  𝜌! 𝐶! 𝑣′𝑇′）して推算した地衡流により評価した．したがって，モデ(1)

ル計算結果は非地衡流成分を含むため観測地衡流量より

ここに，ρ0：基準密度（1027.5 kg/m3），Cp：比熱容量も全体的にやや大きな値を示しているが，夏に増加，秋（4000 J/kg/℃），T：温位，(u, v)：水平流速，上付きバに減少するなどの季節変動特性をよく捉えており，オーーはアンサンブル平均操作（時間平均操作），プライム

ダー的にも矛盾はなく，観測結果と良好に一致しているを付した変数は季節変動成分を除去した渦成分を表す．といえる．なお，データ同化を含むけれども低解像度で本研究ではさらに，EHF ベクトルに対して Helmholtz 分ある JCOPE2 よりも，データ同化は行っていないが高解解を適用する（例えば，Aoki ら 7））．k を鉛直単位ベク像度である ROMS-L2 の方が観測値に近い値を示していトル，ψ を流れ関数，φ を速度ポテンシャルとすれば，る．これは，ROMS-L2 では流下方向慣性力がサブメソスケール混合によって散逸し，適切な流量調整が行われていることを示唆するものと考えられる．

F = k × ψ +∇ φ = rEHF + dEHF

(2)となる．右辺第一項は EHF ベクトル回転成分（rEHF と呼称），第二項は EHF ベクトル発散成分（dEHF と呼称）である．（2）式の発散をとれば，直ちに以下の Poisson

3. 	  eddy heat flux による乱流混合評価	 方程式が得られる．

∇ 2φ =∇・F	  本海域で発達するサブメソスケール渦の有する強い混合作用による黒潮系暖水塊の波及促進効果を定量的に見積もるために，熱をトレーサーとして水平乱流混合を評価することを試みる．前報では，海洋表層での水平乱流混合について，季節変動成分を除去した高周波成分を渦成分と定義し, 各変量を Reynolds 分解して流速と水温の相関項を求め, この乱流（渦）成分による Reynolds 拡散フラックスを渦熱輸送フラックス（eddy heat flux，以下(3)境界条件を∇φ・n = 0 として（3）を解けば，各成分を数値的に求めることができる．ただし，n は水平境界に直交する単位ベクトルである．	  図-4 から図-7 に ROMS-L2，ROMS-L1 による，水深 2m および 400 m における EHF 各成分（ベクトル表示）と温位分散（カラー）を示す．ROMS-L2 と比較すると，中解像度モデルの ROMS-L1 では温位分散および EHF のI_1221

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図-6	  図-4 と同じ．ただし，ROMS-L1 による結果．

図-7	  図-5 と同じ．ただし，ROMS-L1 による結果．

方向および琉球諸島方向へ輸送されていることを表している．沖縄本島から黒潮流軸を横断するように南南西方向に検査線を定義し（図-2 (a) 黒線），その鉛直断面における混合層内で鉛直積分された dEHF を調べた（図8）．dEHF 絶対値は黒潮流軸（黒太線）に対して西側よりも東側で高い値を示すことから，海洋表層混合層内で発達する負のサブメソスケール渦によって黒潮から島嶼
図-8	  検査線（図-2 (a) 黒線）鉛直断面の混合層内で鉛直積分した dEHF の検査線横断方向成分の空間分布．南東方向（沖縄本島方向）への熱輸送を正とした．橙線：
ROMS-L2，緑線：ROMS-L1，黒太線：ROMS-L2 での平均的な流軸の位置，横軸：沖縄本島からの距離（km）．

群方向へ向かう強い熱輸送が励起されている様子がうかがえる．また，サブメソスケール解像度モデルである
ROMS-L2 では，流軸の東西両側で ROMS-L1 よりも大きな dEHF 値を示しており，高解像度化に伴って黒潮波及効果が増大することが分かる．また，ROMS-L2 によるいずれの成分も過小評価していることが分かる．EHF
回転成分である rEHF は温位分散のコンターに沿う方向の輸送成分を表しており，表層では主に黒潮主流方向への熱輸送が卓越していることが示されている．また，沖水深 400m の dEHF（図-5 (c)）からは，表層（図-4 (c)）
で見られる黒潮から琉球諸島方向への強い熱輸送は不明
瞭となるが，東シナ海方向への熱輸送が存在することが確認される．以上のことから，EHF 各成分にはモデル

縄本島西側沿岸付近では，強い南西方向の熱輸送が見ら解像度による明瞭な違いが現れ，特に dEHF には強い水れる．この熱輸送は，本海域を対象とした先行研究 1) に深依存性があることが分かる．

よる観測結果，数値シミュレーション結果でも確認されているように，黒潮反流の影響によるものであると考えられる．また，水深 400 m の亜表層では rEHF と EHF の分布がよく対応していることから，この水深では rEHFが乱流による熱輸送の主要な成分であることがわかる．	  一方，発散成分 dEHF ベクトルは水温の分散のコンターに対して概ね直交している．表層での輸送方向は黒潮主流域を境に反転しており，黒潮系暖水が東シナ海陸棚

4.	  沖縄本島−東シナ海検査断面内の鉛直構造	 	  次に，沖縄本島検査（図-2 (a) 黒線）断面内の鉛直構造を比較し，EHF の水深依存性をより詳細に評価する．
ROMS-L2 による断面内の水温・流動構造（図-9）を見ると，平均流速分布から，黒潮は陸棚斜面に寄りかかかるような断面構造を形成し，水深 500 m 付近まで比較的I_1222

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図-9	  ROMS-L2 による検査線（図-2 (a) 黒線）断面における (a) 平均水温，(b) 水温分散，(c) EKE, (d) 水平レイノルズ応力（𝑢′𝑣′）の分布．コンターは平均流速の検査線直交成分であり，黒潮流路位置を表す．白線は平均混合層深さ，横軸は沖縄本島からの距離 （km）．

図-10	  図-9 と同じ．ただし，ROMS-L1 による結果．

図-11	  検査断面内における無次元相対渦度 (∇! ×𝒖/𝑓) の日平均値（2012/1/7）．(a) ROMS-L2，(b) ROMS-L1 による．

流速が大きく，表層下の深くまで黒潮の影響が及んでい黒潮と琉球諸島の間では，表層付近の広範な領域と，陸る．平均水温（図-9 (a)）からは，黒潮流路構造に対応棚斜面周辺の水深 400 m 付近までの亜表層での熱輸送がする温度風平衡によって傾斜水温躍層が形成され，沖縄卓越することが分かる．また，渦運動エネルギー（EKE，本島から東シナ海に向かって躍層水深および混合層深さ

図-9 (c)）分布を見ると，混合層内部の値が大きく，特は浅くなり，成層強度が強くなることが分かる．水温分に表層では発達するサブメソスケール渦によって陸棚縁散（図-9 (b)）は混合層底部から表層にかけて全体的にから沖縄本島近傍まで広く EKE が大きくなっている．

高く，黒潮流路から陸棚斜面に沿って沖縄本島方向の亜混合層以深では水温分散分布と対応して陸棚斜面近傍で表層へ向かって発達する「舌状構造」が形成されている． 高い値を示している．水平レイノルズ応力（図-9 (d)）
	  これらの結果と dEHF の水平分布（図-4，図-5）から， は黒潮流路の両側で大きく，特に流路西側の陸棚縁近傍

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で発達し，沖縄本島付近で再度上昇している．水温分散性シアの影響による高気圧性のサブメソスケール渦が発の舌状構造が見られた陸棚斜面近傍では EKE，レイノ生し，これらが黒潮由来の暖水の黒潮横断方向への輸送ルズ応力がともに特に大きく，斜面地形による地形性シを促進していることが分かった．これらの結果は，本海アの関与が強く示唆される．また，無次元渦度鉛直成分域の海洋環境や，琉球諸島への黒潮系暖水の波及メカニの断面内分布（図-11 (a)）からも，表層付近では沖縄本ズムに関して重要な知見を与えるものである．

島側での負の渦度が卓越すること，陸棚斜面近傍の表層および亜表層では，水深 500m 付近まで正の渦度が発達

謝辞：本研究は科学研究費基盤研究C（24560622）の援することが確認される．

助を受けた．	  一方，ROMS-L1 の結果（図-10，図-11 (b)）を見ると，平均流速，平均水温構造は ROMS-L2 の結果に類似した参考文献	 

断面構造が形成されているが，水温分散，EKE，水平レ

1)

イノルズ応力，渦度はいずれも L2 と比べて過小評価している．特に L2 において顕著であった陸棚斜面上に発達する舌状構造や，それに対応する正の渦度は不明瞭と2)なる．以上の解析結果から，黒潮流軸の西側（東シナ海側）では黒潮と陸棚斜面による地形性シアの影響によって低気圧性のサブメソスケール渦が，黒潮の東側（沖縄3)本島側）では黒潮と琉球海嶺地形および島嶼群による地形性シアの影響により高気圧性のサブメソスケール渦が発達して維持され，表層および亜表層における 3 次元的

4)な熱輸送を促進していることが明らかとなった．
5)

5.	  おわりに	 	  本研究では，琉球諸島周辺海域を対象にしたサブメソスケール渦解像海洋モデルを用いて，主に eddy heat flux6)を用いた詳細な乱流統計解析を行った．その結果，水平解像度 1 km の高解像度モデル ROMS-L2 では，黒潮流軸7)の西側においては黒潮と陸棚斜面による地形性シアの影
響による低気圧性のサブメソスケール渦が，黒潮の東側てにおいては黒潮と琉球海嶺の地形と島嶼群による地形

灘岡和夫，鈴木庸壱，西本拓馬，田村 仁，宮澤泰正，安田仁奈：広域沿岸生態系ネットワーク解明にむけての琉球列島周辺の海水流動と浮遊幼生輸送解析，海岸工学論
文集，Vol. 53，pp. 1151-1155，2006.
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Res., Vol. 95 (C10), pp.18191-18204, 1990.
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, I_456-I_460，2013．
内山雄介，上平雄基，御手洗哲司，坂上太一郎：琉球諸島周辺海域におけるサブメソスケール乱流混合による黒潮波及効果に関する研究，海岸工学論文集，
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Miyazawa, Y. and Coauthors: Water Mass Variability in the Western
North Pacific Detected in 15-Year Eddy Resolving Ocean Reanalysis, J.
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Structure and Dynamics of the California Current System, J. Phys.
Oceanogr., Vol. 33, pp. 753–783, 2003.
Aoki, K., S. Minobe, Y. Tanimoto and Y. Sasai: Southward Eddy Heat
Transport Occurring along Southern Flanks of the Kuroshio Extension
and the Gulf Stream in a 1/10°Global Ocean General Circulation
Model, J. Phys. Oceanogr., Vol. 43, pp. 1899-1910, 2013.	 (2015. 3. 18 受付)

AN EDDY HEAT FLUX ANALYSIS ON ENHANCEMENT OFSUBMESOSCALE MIXING AROUND THE RYUKYU ISLANDS
Yuki KAMIDAIRA, Yusuke UCHIYAMA, Satoshi MITARAI and Shohei NAKADA
A synoptic, regional downscaling experiment of the Kuroshio off the Ryukyu Islands, Japan, forced by
the JCOPE2 and GPV-MSM with a horizontal resolution of 1 km exhibits the evident predominance ofsubmesoscale anticyclonic eddies over cyclones in the narrow strip between the Kuroshio and the islands(Uchiyama et al., 2013). In order to investigate submesoscale dynamics and associated lateral mixingaround the Ryukyu Islands, we conduct an eddy heat flux (EHF) analysis on eddying currents. We specifically focus on the divergent component of the EHF (dEHF) that is responsible for the eddy heat transportnormal to the Kuroshio. We show that the rotational EHF (rEHF) vectors follow the temperature variancecontours while the dEHF properly measures the contribution of the normal component. The diagnostic
EHF analysis suggests that these lateral eddy heat transport occurring asymmetrically relative to the Kuroshio axis is associated with submesoscale eddies due to the topographic shear.

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