Remote sensing of environment and disaster laboratory

Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Japan

Global investigation of relationship between algal blooms and maritime
traffic

海洋交通と藻類ブルームの関係に関する世界的調査

photo苏 浚惟/Dominic Soh
竹内 渉/Wataru TAKEUCHI
東京大学生産技術研究所/Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
Abstract: Maritime trade and globalization have resulted in increased ship emissions of pollutants, which can affect air quality and the environment. This study investigates
the relationship between algal blooms and maritime traffic, focusing on the effects of iron and nitrogen emissions from ships. It also explores the impact of ballast waterdischarge and hull-fouling on the introduction of invasive phytoplankton. Algal blooms, characterized by a rapid surge in phytoplankton concentration, can have harmful
effects on marine life, human health, and socioeconomics. The study aims to aid development of effective methods for detecting and predicting algal blooms, considering thelimitations of current prediction models and data availability. Therefore, it will explore the potential of marine traffic data as a new feature for future machine learning-basedpredictive models.
要旨: 海上貿易とグローバリゼーションにより、船舶からの汚染物質の排出量が増加し、大気品質と環境に影響を与えることがあります。本研究では、船舶からの鉄および窒素の排出効果に焦点を当て、藻類の発生と海上交通の関係を調査します。また、船舶のバラスト水排出と船底の汚損が侵略的な植物プラン
クトンの導入に与える影響も探究します。藻類の発生は、藻類濃度の急激な増加を特徴とし、海洋生物や人間の健康、社会経済に有害な影響を与える可能性があります。本研究は、効果的な藻類の検出と予測方法の開発に貢献することを目指し、現在の予測モデルとデータの利用可能性の制約を考慮します。したがって、将来の機械学習ベースの予測モデルにおける新たな特徴としての海上交通データの可能性を探求します。

1. Introduction 導入

Ships have been found to increase thesolubility of iron in aerosols fromships by up to 80-fold (Ito, 2013),
responsible for approximately 15% ofthese emissions, with increasing
importance in coastal regions(Corbett et al. 1999), (Eyring et al.
2010) (Chen et al. 2017), increasechances of invasive species ofphytoplankton
proliferating
invulnerable regions (Ruiz et al., 1997;
Carlton, 1999).
船舶は、船からのエアロゾル中の鉄の可溶性を80倍まで増加させることが確認されています（Ito、2013年）。これにより、これらの排出物の約15%が船舶によるものであり、沿岸地域での重要性が増しています（Corbett et al.、1999年）（Eyring et al.、2010年）（Chen et al.、2017年）。また、侵入的な藻類の種が脆弱な地域で増殖する可能性を高めます（Ruiz etal.、1997年；Carlton、1999年）
。
(a)

(a)

3. Results & Discussion 結果と考察(b)Norwegian sea(c)Gulf of california

Figure 1 (clockwise from left) (a): Visual of a ship’s smokestackburning, emitting iron, nitrogen, and various pollutants. (b):Mechanism of ballast water transport and discharge. (c):Mechanism of nitrogen fertilisation from ships into the ocean,increasing phytoplankton growth.

(b)Figure 2a: Satellite view of a large algal bloom event.
Figure 2b: Visual of fishes that were victim of a severe algal bloom event.

Globally,
theaquacultureindustryhassufferedapproximately
US$8billion
annually in damages due to mass
fish mortality, catch bans, andthe costs to public health.
世界的に見て、養殖業界は年間約80億ドルの損害を被っており、大量の魚の死亡、漁獲禁止、および公衆衛生への費用が主な要因です。

2. Methodology 研究方法

Daily bloom data 1x1km resolution

Monthly ship density 1x1km
resolution

Annual bloom data 1x1km
resolution

Annual ship density 1x1km
resolution

Bloom frequency 2011 - 2020

Andaman sea

AFigureglobal
plot of correlation slopes between annual
4: Global linear least squares regression between trends of annual average monthly ship hours per
1° and phytoplankton bloom frequency at a 1° × 1° grid scale (Slope at 10^2 scale). Areas of interest are
average monthly
shiphoursand(addphytoplankton
bloom
marked out in green
dottedbounding boxes.
labels to boxes)
A global plot of correlation slopes between annual average monthly ship hours andfrequencyis produced4), at4),aat1°
resolution.
phytoplankton bloom
frequency is (figureproduced (figurea 1°× ×1°
1° resolution.
Red
areas denotepositivedenoteslopes, wherepositive
bloom frequency
increases whenmore ships
passRedareasslopes,
wherebloom
through the area, and blue areas denote negative slopes, where bloom frequency
decreases when increases
more ships passwhen
through thearea. ships pass through thefrequency
more
年平均の月別船舶運航時間と藻類ブルームの頻度の相関傾斜の地球規模のプロ
area,and blue areas denote×negative
slopes, whereットを作成しました（図4）。解像度は1°1°です。赤い領域は正の傾斜を示し、船舶が通過する領域ではブルームの頻度が増加します。青い領域は負のbloom
frequency decreases when more ships pass
傾斜を示し、船舶が通過する領域ではブルームの頻度が減少します。
through the area.
The global plot reveals several areas of interest, marked
out by green dotted bounding boxes. From the left,
clockwise, is the Gulf of California and the Mexican West
Coast, the Norwegian Sea, followed by the Andaman Sea.
These areas were selected after filtering based on Rsquared
value
>
0.7,
which
denoteshighamountsofFigure 5 (Top row): Global linear least squares regression between trends of annual average monthly ship
hours and phytoplankton bloom frequency at Areas of interest (from left to right) Norwegian Sea,
variance
explained by
the regression model (appendix 1).
Andaman Sea, Gulf of California.
Figure 5 (bottom row): Global linear least squares regression between trends of SST and phytoplankton
bloom frequency at Areas of interest (from left to right) Norwegian Sea, Andaman Sea, Gulf of California.

Ship density 2011 - 2020

Norwegian Sea
Mechanism in arctic regions could be: decreasing ice cover, leading to increase inshipping. Increased shipping means more unregulated ballast water discharge(Klein 2010; Smayda, 2007; Laget, 2017), sewage discharge, and emissions. A
number of studies have indicated that cruise ships are also significant pollution
sources (Butt, 2007). It is estimated that a cruise ship generates between 1 and 3.5
kg of solid waste per passenger and 50 tons of sewage per day (Sweeting andWayne, 2003, Herz, 2002).
Andaman Sea
Studies also show that blooms that occurred in myanmar are not very sensitive totemp. (Su-Myat, Kazuhiko Koike, 2013) Very close to coasts, but fertiliser is not areason. Nitrogen trend is < 1 kg/ha per year, phosphorous is also < 1kg/ha per year
(Data from world in numbers). Other factors such as shipping could be a reason.

Annual bloom frequency 1° × 1°
resolution

Figure 3a. Algal bloom frequency
processing

Annual ship density 1° × 1°resolution

Figure 3b. Ship density processing

Bloom frequency vs ship density
1° × 1° resolution

Figure 3c. Global bloom frequency
vs ship density linear least squares
regression

For further details, contact: Dominic Soh, E-mail: dominic-doel-soh-jun-wei@g.ecc.u-tokyo.ac.jp

Gulf of California and Mexican East Coast
Negative correlation observed between shipping and bloom frequency. Dai, et al,2023 showed that SST gradient, a proxy for the magnitude of oceanic mesoscalecurrents, is strongly correlated to the downtrend in algal bloom frequency. It ishighly possible that this reason was the prevailing factor in bloom frequency in thisregion. In this particular case, we can conclude that shipping was not a factor in
determining the downtrend in bloom frequency, i.e. it is not likely to be a causal
factor for decreasing bloom frequency.

Conclusion
Bloom frequency, algal bloom events are caused by multiple factors coming
together, not always in an additive fashion and can be highly complex.
Algal blooms are affected by shipping asymmetrically around the globe, but theresults show promise in the feasibility of using ship density data for future ML
prediction models.

ノルウェー海
北極地域におけるメカニズムは次のようなものです：氷の減少により船舶の増加が起こります。船舶の増加は、規制されていないバラスト水の排出（Klein、2010年；Smayda、2007年；Laget、2017年）、下水の排出、および排出物を増加させます。多くの研究は、クルーズ船も重要な汚染源であることを示しています（Butt、2007年）。クルーズ船は、乗客1人当たり1〜3.5 kgの固体廃棄物と1日あたり50トンの下水を生成すると推定されています（SweetingとWayne、2003年；Herz、2002年）。
アンダマン海研究によれば、ミャンマーで発生したブルームは温度に対して非常に敏感ではないことが示されています（Su-Myat、Kazuhiko
Koike、2013年）。海岸に非常に近いですが、肥料は原因ではありません。窒素の傾向は年間1kg/ha未満であり、リンも年間1kg/ha未満です（World in Numbersのデータに基づく）。船舶などの他の要因が原因である可能性もあります。
カリフォルニア湾とメキシコ東海岸
船舶とブルームの頻度との間には負の相関が観察されました。
Daiら（2023年）は、海洋中規模流の大きさを示すSST勾配が、藻類ブルームの頻度の低下傾向と強く相関していることを示しています。この地域におけるブルームの頻度の低下傾向の決定要因としては、この理由が主要な要素であった可能性が非常に高いです。この特定のケースでは、船舶がブルームの頻度の低下傾向を決定する要因ではなかったと結論付けることができます。つまり、ブルームの頻度の低下の原因としては考えにくいです。
結論
ブルームの頻度、藻類ブルームの発生は複数の要素が組み合わさって引き起こされ、必ずしも加算的な形ではなく、非常に複雑なものです。
船舶は世界中で非対称に藻類ブルームに影響を与えますが、結果は船舶密度データを将来の機械学習予測モデルに利用する可能性を示しています。

2023/6/9
IIS Open House 2023