資料１−２

平成 15 年度調査結果概要 追加報告
（海水流動シミュレーション）

沖縄・石西礁湖の保全に向けての海水流動および濁質・熱・サンゴ幼生輸送特性解明のための現地観測と数値解析
灘岡研究室
１．背景，目的
石西礁湖は，琉球列島の南西端の，石垣島と西表島の間に位置する東西約 20km 南北約 15km に及ぶ海域の呼称で，日本最大のサンゴ礁海域である．
一般にサンゴ礁海域は造礁サンゴなどによる高い一次生産を有しており，生物種も豊富であるが，特に石西礁湖
においては非常に高いイシサンゴ類（造礁サンゴの大部分を占める）の種多様性が認められており1)，従ってサンゴ礁生態系を構成するその他の生物の多様性も，高い値を有しているものと想定されている2)．このような石西礁湖におけるサンゴを基盤とした豊かな自然資源は人々に大きな恵みをもたらしている．しかし，近年石西礁湖を始めとする沖縄・琉球列島のサンゴ礁は，オニヒトデによる食害や赤土汚染，高水温によるサンゴの白化などによって生態系の劣化が著しく，その適切な保全のあり方を探ることが重要な課題になっている．
同海域に関しては，1983 年以降，八重山海中公園研究所等によって継続的なサンゴ礁モニタリング調査が精力的に行われているが，サンゴ被度などの生物調査が主で，サンゴ礁環境を知る上で重要となる流動場等の基本的な物理環境については不明な点が多い．そこで本研究では，後述する大規模な総合的現地観測および数値シミュレーションを行い，物質・熱輸送を支配する海水流動場の特性を明らかにするとともに，周辺の陸域から流入する濁質や淡水の動態や，石西礁湖内の水温環境特性，サンゴ幼生の輸送過程を解明することを試みた．
２．方法(1)現地観測概要①観測期間
・2002 年 10 月上旬から 12 月上旬，2003 年５月上旬から７月上旬⇒自記式センサーによる連続観測・2003 年５月 16 日から 19 日（サンゴ幼生の一斉産卵期間）⇒GPS 搭載小型漂流ブイによる表層流動場のラグランジュ的観測
プランクトンネットおよび水中ポンプを用いたサンゴ幼生の多点サンプリング②観測項目
表層流速・水位・波浪・濁度・塩分・水温・雨量・風向風速・日射量に関する連続観測を行った．さらに，サンゴの一斉産卵後の 03 年５月 16 日から 19 日の４日間，GPS 搭載小型漂流ブイを用いた表層流動場のラグランジュ的観測を行い，サンゴ幼生や赤土粒子を想定した表層粒子の追跡を試みた．それと同時に，サンゴ幼生の多点サンプリングによりサンゴ幼生の個体数密度および形状の変化を調べ，サンゴ幼生の輸送過程の解明を試みた．
③観測地点

石垣島

R1r

自記式センサーによる観測地点を図−1 に示す．石

ヨナラ水道

西礁湖内およびその周辺海域 25 地点，上述の５河川の小浜島

西表島

河川内および河口７地点，雨量計を設置した５地点，

後良川

R4r

風向風速計・日射計を設置した黒島の１地点を観測地

Mt

O2
W2
Ma

R5d

R4t

仲間川

④観測方法

R5t

J

W4O4

GPS 搭載小型漂流ブイによる表層流動場観測は，漂1

宮良川

R2R2r
B
新川川

PF

R3r
R3C
宮良湾

K

DIGHL

E
W3O3We新城島

あるいは底面設置することで行った．

R1AO1W1NR5r

自記式センサーによる連続観測は，測器をブイ係留

名蔵湾

竹富島

R4d点とした．

名蔵川

黒島

図−1 観測地点

ウマノハピーN

010km5流ブイのべ 16 個を，スリック（サンゴ卵・幼生の帯状集合体）上などに投入して，追跡した．サンゴ幼生採集はA

石西礁湖内および周辺外洋 18 地点で１日２回，漂流ブイ観測と同時期の４日間行った．また，生きたまま持ち帰Mtるサンプル（「生サンプル」）も６地点で別途採集し，顕JPFBK

微鏡で拡大して幼生の形状を撮影した．

40 cm/s

I(2)数値シミュレーション概要

NCDE

H20L

石西礁湖内における流動場を面的に把握すること，海20N

水流動のメカニズムをより詳細に把握すること，さらに0サンゴ幼生などの粒子の追跡などを目的として，数値シ4010km5

図−2 潮流楕円（M2 分潮）

ミュレーションによる海水流動計算を行った．方法としては，主要４分潮の水位を観測値をもとに北・南・東側境界で与え，２次元の海水流動計算を行い，この海域で卓越する潮流の再現を試みた．水深データは海図を元に作成し，水深２m以下の浅い海域については，礁嶺による地形A効果を正確に再現するために，Paringit・灘岡（2002）3)のO1

Mt

方法により衛星画像から算出した水深を用いた．

JBFK

３．海水流動特性I

最小二乗法を用いた調和解析によって求めた M2 分潮のN

測定なし

EH

塩分-5psu

Lが顕著に現れていることがわかる．潮流の位相に着目する

濁度5ppmN

潮流楕円を図−2 に示す．流速の主軸方向や変動幅が場所によって大きく異なり，複雑な地形により局所的な地形効果

CD

0510kmO4

図−3 出水時の塩分低下量・濁度上昇量と，全体的にほぼ満潮・干潮時に流速最大となる進行波的な特徴をもっており，満潮時に北向き，干潮時に南向きの流れとなっているが，場所によっては，潮流の位相が大きく異なることがわかった．

O2O1

また，潮流成分を除いた平均流成分ついて，北北東風おJよび南風が卓越していたときの平均流速ベクトルを図−6BFに示す．平均流としては，風による流れである吹送流が卓越することがわかる．

AMt

DKI

測定なし
ENL

４．濁質輸送特性

0(1)出水時の濁質輸送特性
石垣島と西表島の両方で大きな降水量があった 02 年 10

塩分-5psu

濁度30ppm510km

図−4 台風通過時の塩分低下量・濁度上昇量

月 19 日前後の時期における，塩分低下量と濁度上昇量を図−3 に示す．出水時の顕著な濁度上昇は小浜島周辺を除くと比較的沿岸域に限られること，また，西表島に比べて，石垣島からの赤土流入の割合が大きいことがわかる．
(2)台風通過時の濁質輸送特性
図−4 は，2003 年の観測期間中に石西礁湖を直撃した台風６号通過時における，塩分低下量および濁度上昇量を示したものである．塩分低下はそれほど顕著ではないが，濁度については石西礁湖全域で非常に大きな上昇がみられる．このことは，このときの濁度上昇は河川から直接流入したものではなく，ほとんどは台風による底質の巻上2

げによるものであることを示している．

外洋：高水温５．水温特性Ma(1)地形効果による水温特性の局所性AJ

礁湖内：低水 温

冷却期の水温を時系列でみると，その傾向はいくつかのグルEIープに分けられた（図−5）．一つめは外洋 O1，O4 地点および

N

C，H，L 地点等で，水温変動は比較的小さい．二つめは A，J，外洋：高水温

O4N 地点等で，これらの地点では数日スケールの水温変動が大きく，全体的に低水温であった．この数日スケールの水温変動は気温の変動と対応しており，このことから，水深が浅く，ある29

いは外洋との海水交換が少ないところでは，気象擾乱に対する

27

低温化応答幅が大きく，平均水温はより低くなることが考えら

25

れる．三つめは，M，E，I 地点等で，約半日周期での水温変動

23がかなり大きく現れていた．これは，この時期に礁湖内と外洋21との間で水温に明確なコントラストがあることから，両者の水19塊をつなぐ水路部では，外部潮汐による周期的な水平移流効果

O4（外洋）℃

N（礁湖内）
石垣気温

3 69
2002年11月が顕著に現れることによる．以上は冷却期における水温特性でMa（水路部）あり，加熱期である 03 年春期には，逆に礁湖内は外洋に比べて1215182124

図−5 冷却期の水温特性高水温となる傾向となっていた．

℃
29(2)外洋水塊の波及による水温変化

O228

上で述べたように，外洋側の水温はなだらかに変動して27いたが，イベント的に急上昇している様子が何度かみられ25た．６月 22 日前後の水温時系列をみると，石西礁湖北側外23

洋の O2 地点では全水深帯で水温上昇がみられ，表層水温は約 27℃から約 28℃へと不連続に上昇している（図−6）．それに対して，南側外洋の O3 地点では水温上昇はみられない．

5m10m20m
30m
40m
50m

2624226/20

296/21

6/22

6/23

6/24

6/25

6/26

℃

O32827

この水温上昇は，石西礁湖の北部を流れる黒潮の分枝流に5m10m
20m
30m
40m
50m

2625よるものであると考えられる．

24

このような移流による熱輸送を定量的に把握するために，
熱収支解析から各地点での水平移流熱フラックスを求めた．
その結果６月 22 日あるいは６月 23 日に移流熱フラックス

23
22
6/20

6/21

6/22

6/23

6/24

6/25

6/26

図−6 暖水塊波及時の外洋における水温は約１〜２MJ/m3/day となり，ピークがみられた．このことは，これらの地点において外部からの熱の流入があったことを示しており，ピークの時期とその時のA

Mｔ

移流熱フラックスを地図上に示すと，図−7 のようにJBFなり，暖水塊が北西側外洋から波及している様子がわ

DKかる．また，水温の上昇は石西礁湖内ではなだらかでIあり，暖水塊は石西礁湖内では拡散しながら徐々に波N及していたと考えられる．

L[MJ/m3/day]
2E

16/22に波及6/23に波及
0N

0
510km

６．サンゴ幼生輸送特性
図−7 暖水塊波及時の移流熱フラックス(1)2003 年サンゴ産卵状況（６月 22 日，23 日の内でフラックスが大きい方を暖水塊波及時とした）3

2003 年のサンゴ産卵は，５月 12 日の夜から観察されている．スリック（サンゴ卵・幼生の帯状集合体）が５buoy16buoy2buoy12buoy13buoy3

月 13 日から 17 日まで観察されていることから，産卵は５月 12 日（中潮）の夜から，その後数日間にわたって徐々に産卵していたようである．
(2)サンゴ産卵期におけるラグランジュ的流動特性

buoy14サンゴ産卵期の後半にあたる５月 16 日から 19 日の期

buoy1間における GPS 搭載小型漂流ブイの軌跡を図−8 に示す．

ブイ投入位置200m

石西礁湖内および周辺に投入されたのべ 16 個のブイの

図−8 漂流ブイの軌跡

内，12 個が南側へ流れた．サンゴ産卵期およびブイ追跡

5/16 午後 水面下５ｍ

期間中の風をみると，ブイ追跡期間中は北東風が卓越しており，この北東風による南西方向の吹送流によって，ブY2Y3イが平均的に南側に輸送されたと考えられる．

Y4Y1(3)サンゴ幼生採集採集なし

J

１m3あたりの海水中に存在したサンゴ幼生の数を図−91000〜3000

Dに示す．５月 16 日の分布に比べて，５月 19 日午後の幼生K

I500〜1000

Y7Y5数の分布をみると，外洋側で多く分布していることがわかり，礁湖内から外洋への幼生輸送過程の存在が示唆された．

3000〜FNNL200〜500Y6100〜200Y1150〜10010〜50Y8Y9Y100

次に，生サンプルの幼生画像から，幼生の形状の時空間

55/19 午後 水面下５ｍ変化を調べた．一般にサンゴ幼生は生まれた直後（卵の状態）は球体をしており，発生が進むとプラヌラと呼ばれるY2Y3幼生に成長し，形状も細長くなっていく．つまり，幼生のY4Y1採集なし

形が細長くなるほど，受精後の期間が長く経っていると考Jえることができる．撮影した画像上で，幼生の周長と面積

3000〜Fを測定し，周長と面積から次式によって幼生形状の指標（細KI長さの指標）となるような無次元数 F を算出した．

500〜1000

Y7Y5100〜200Y11Y10200〜500Y6L
N

1000〜3000

DN

2（周長）
−1F＝（面積）× 4π

10km200m

50〜10010〜50Y8Y90510km200m

式からわかるように，完全な円形の場合，F＝0 となり，形図−9 １立方メートルあたりのサンゴ幼生の個体数状が細長くなるほど F の値は大きくなる．この F の値の分布を図−10 に示す．16 日から 18 日にかけて幼生が細長くなっていき，成長する様子が示唆された．また，礁湖北側外洋では常に成長した幼生が多く存在していたことなどが示唆される．
７．数値シミュレーションによる海水流動計算

5/175/185/165/190.5

まず，計算結果の妥当性の検証として，水位と流速の時示す．ここでの実測値のデータは，調和解析によって潮汐の主要４分潮成分を取り出したものを用いている．水位については，かなり正確に実測値を再現できているといえる．
流速については，場所によっては位相がずれていたりして40.25

F

系列について，実測値と計算値を比較したものを図−11 に0.00510km

図−10 サンゴ幼生の形状（表層での値）

いるが，大まかな傾向としては水位再現できているといえる．

m S t .J

meas10.50-0.5-15/16 0:00

次に，各観測地点における流速の u-v プロットを図−12 に示す．観測値と比較して，地形

calc

m

5/16 12:00

5/17 0:00

5/17 12:00

5/18 0:00

5/17 0:00

5/17 12:00

5/18 0:00

流速効果による局所性の大きな潮m/s S t . M
0.8

流の特徴を概ね再現できてい

0.4

measU
measV
calcU
calcV

0ることがわかる．

-0.4
-0.8
5/16 0:00

８．結論と今後の課題

m/s

5/16 12:00
St.I

0.5
0.25

本研究では，石西礁湖の適切

measU
measV
calcU
calcV

0-0.25な保全策を立てる上で基本的-0.5
5/16 0:00

な情報を得ることを目的とし

0.4

m/s
0.2て，総合的現地観測および海水

0-0.2

流動シミュレーションを行っ

5/16 12:00

5/17 0:00

5/17 12:00

5/18 0:00

St.F
measU
measV
calcU
calcV

-0.4
5/16 0:00

5/16 12:00

5/17 0:00

5/17 12:00

m/s S t . E
0.3
0.2
measU
0.1
measV
0
calcU
-0.1
calcV
-0.2
-0.3
5/16 0:00
5/16 12:00

5/17 0:00

5/17 12:00

5/18 0:00

5/18 0:00

た．その結果，海水流動特性お図−11 計算結果と観測値との比較

よび周辺の陸域から流入する（流速については，計算値：水深平均流速，実測値：表層流速）

濁質や淡水の動態，石西礁湖内の水温環境特性，サンゴ幼生の輸送特性の概要を明らかにすることができた．

Mt

J

今後の課題としては，以下にJB

F

I

N

K

50 cm/s

E

H

西礁湖海底被覆状態の経年C

DIK

・衛星画像データを用いた石B

FC

D

示す項目が挙げられる．

変化の評価

AA
Mt

N25L

25H50 cm/s

E25L255050NN

0510km0510km・衛星画像データならびにGISデータを用いた周辺陸域

図−12 表層流速（実測値，左）と水深平均流速（計算値，右）の u-v プロット

環境の変遷の評価と将来シナリオ予測・石西礁湖を対象とした３次元海水流動モデルならびに物質・熱輸送モデルの開発と応用
・石西礁湖海域における水深データの高精度マッピングとその検証
・サンゴ幼生供給過程から見た石西礁湖内重点保護海域の同定
・広域的なサンゴ幼生輸送過程解明に基づくサンゴ幼生供給源としての石西礁湖の役割の把握
・幼生採取調査と遺伝子解析に基づくオニヒトデの広域的供給過程の解明■参考文献
1)西平守孝・J.E.N.Veron（1995），「日本の造礁サンゴ類」，pp.30，海游舎．
2)御前洋・入江正巳（1980），「第１回石西礁湖調査，竹富島周辺域」．海中公園情報，49，pp.15-18．
3)Enrico Paringit・灘岡和夫（2002），「多バンド・リモートセンシングに基づくサンゴ礁マッピングへの逆解析手法への応用」．海岸工学論文集，
49，pp.1191-1195．

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