技術報告
海洋情報部研究報告 第 53 号 平成 28 年 3 月 1 日
REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.53 March, 2016

日本沿岸西太平洋海域における同一海域での海中水温・塩分プロファイルの時間的安定性の検証†
渡邉俊一＊１，内田徹＊２

Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurementsin the few-miles-square regions off Japan coast in the western Pacific†
Shun-ichi WATANABE＊１ and Toru UCHIDA＊２

Abstract
Compiling thousands of vertical profiles of temperature and salinity measured during the seafloor geodetic observation, we statistically revealed the temporal stability in the depth of more than１２００ m within a few-miles-squareregion. We also found the spatial variations of temperature and salinity profiles. Specifically, temperature at １２００m depth in the seafloor geodetic site ASZ２（about １００ km southern off the Cape Ashizuri）is systematicallyhigher than the other sites, which is strongly affected by the Kuroshio Current. On the other hand, at the seafloor
geodetic site MYGI（about１００ km eastern off the Miyagi Prefecture）, temporal intrusion of cold water was observed in the winter, reaching to the depth of about８００ m.

１

１回の頻度で XBT（eXpendable BathyThermograph

はじめに２０００年頃から海上保安庁が日本海溝や南海トprofiler）を投下して水温の鉛直プロファイルを，ラフ沿い陸側の海底で実施している GPS―音響測

約１日 に１回 の 頻 度 で CTD（Conductivity Tem-

距結合方式による海底地殻変動観測は，測量船底perature Depth profiler）を 投 入 あ る い は XCTDの音響トランスデューサから海底に設置した音響（eXpendable Conductivity Temperature Depth pro-

ミラートランスポンダまでの距離を音波の往復走filer）を投下して水温及び塩分の鉛直プロファイ時から算出する音響測距を利用し，海底トランスルを，それぞれ取得して音速構造を求めている．

ポンダの位置を測定する海底測地技術である．こトランスポンダ位置を推定する際には，音速測定の技術の重要な要素となる音響測距においては海値を先験情報とした上で，音速を時間の関数とし中音速が重要なパラメータであり，これを適切にて 推 定 し て い る（佐 藤・藤 田，２０１２；齋 藤・佐推定することが高精度測位のために重要である

藤，２００９）．

（例えば，藤田・他，２００４）．そのため，数時間にこの水温・塩分測定について，現在当庁が使用†Received September１
１,２０１５; Accepted November５,２０１５＊１ 技術・国際課 海洋研究室
Ocean Research Laboratory, Technology Planning and International Affairs Division＊２ 海洋調査課 海洋防災調査室 Geodesy and Geophysics Office, Hydrographic Surveys Division− 57 −

Shun-ichi WATANABE and Toru UCHIDA

し て い る XCTD 及 び XBT で は，水 深 が２０００ m

び Table １に示した通りである．観測点はいずれを超えるような海域では海底までの測定が不可能も約１０００―３０００ m の水深の海域であり，水温・であり，こうした海域では CTD による測定が必

塩分測定は，各海域の水深と同程度の半径を持つ要となっている．しかしながら，CTD による測領域内で実施した．

定は甲板上での作業を必要とし，特に大水深海域

本研究で使用したデータは，２００１年から２０１４

では１回あたり２−３時間を要する．測定時は停年までに取得した CTD，XCTD 及び XBT データ船状態となるため，この間に音響測距観測を実施である．各プローブのスペックについて，Table ２しても，有用なデータは得られない．さらに，甲にまとめる．XCTD 及び XBT は測線を航走しな板作業時の安全を確保するために原則として日中がらの音響測距観測中でも使用可能なため効率がの測定に限定されるので，観測計画への制約も大良いが，２０００ m 程 度 ま で の 深 さ し か 測 定 で ききい．こうした理由により，観測の効率化・迅速ず，２０１２年以降に新設された水深３０００ m 級の化の観点から，CTD による測定の頻度を減らす「足摺沖２（ASZ２）」観測点や，それよりも深 いことが求められている．

海域にある東北大学設置の観測点（渡邉・他，ここで，海中の水温等の時間的な変動幅は深さ２０１５）では，海底近傍までの観測が実施できなに対応しており，深海域では浅部に比べて温度やい．一方の CTD は深部までデータを取得可能で塩分の時間変化が小さくなることに注目する．例

あるが，前節で述べたように効率の面で課題があえば，東北地方太平洋沖の広域で複数の ARGOる．

フロートによって２０１１年に得られた音速観測をこれらのプローブを用いて過去に実施した測定まとめた後藤・他（２０１５）の結果からは，深部ほデータについて，水深 &について１ m ごとの水ど温度及び塩分が安定していることが確認でき

温・塩分プロファイルを作成し，各層の平均値とる．また，Oguri et al.（２０１５）は，大槌沖の水深標準偏差を計算した．得られた平均水温 T 及び約１０００ m の 海 底 で２０１２年８月 か ら２０１３年１０

水温の標準偏差 "#，平均塩分 " 及び塩分の標準月までの連続海況観測を実施しており，温度とし偏 差 "" を 海 域 ご と に Fig．
２に 示 す．Fig．
２で，て２．
９１±０．
１２℃，塩 分 と し て３４．
４１±０．
１１と い

塩分の標準偏差と平均値に不連続性が見られる観う安定した値を得ている．そこで，実際の海底地測点がいくつかあるが，これは測定時のノイズが殻変動観測の実施海域においても音速の時間的安除去しきれていないものである．そのデータを除定性を定量的に評価し，海域の代表プロファイル

くと，水温及び塩分の標準偏差は，水深が増加すを求めてその有効性を確認できれば，特に深部のるにつれて小さくなっていくことがわかる．さら音速について，その代表値を測位解析に用いるこ&"及 び "!
&"を 用に，Fig．
２に は，得 ら れ た #!とが可能となる．これは，長時間の CTD 測定を#!
"!
!"も示している．ここで，いて求めた音速 $!

省略することを妥当化し，観測の効率化につなが!は圧力 を 示 し，音 速 $ は，Del Grosso（１９７４）る．の経験式によって求めている．ちなみに，XCTD

そのため，我々は，各海域における音速プロ及び XBT は圧力を直接測定できないため，Fofon-ファイルについて，過去に取得した水温・塩分off and Millard（１９８３）の式を用いて，水深 &かデータを統計的に処理することでその時間的安定ら圧力 !を求めている．また，水温・塩分のば性について調べた．本稿では，その結果についてらつきが音速に与える影響を知るため，水温のば報告する．

#""#!
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らつきによる音速の変動，%$# #$!
#!
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!$!
，及び水温・塩分の両方のばらつき
#""#!
""""!
!"に よ る 音 速 の 変 動，%$#" #!

２ 水温・塩分データの統計処理
観測点の位置，水深及び観測期間は，Fig．
１及

#!
"!
!"についても各層について求め，Fig．
!$!
２− 58 −

Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western PacificFig．
１． Locations of observation sites.
図１． 観測点の位置．に示した．なお，塩分のばらつきによる音速の変における水温・塩分・音速の平均値と標準偏差

#"
""$""
!"
#"""!"につ い て!$!
動，%$" #$!

#，$#，"，$"，$，%$#，%$#"，お よ び 統 計 処

も 求 め た と こ ろ，水 深８００ m 以 深 に つ い て理に使用したデータ数を，Table３及び Fig．
３に%$#" #%$# "%$" が０．
００１ m/s の範囲で成り立つまとめた．Table３によ る と，水 深１２００ m 以 深

こ と を 確 認 し た．さ ら に，Fig．
２に つ い て，に つ い て は，「宮 城 沖１（MYGI）」を 除 い て，%$#" !%$# の範囲を示す薄い灰色の領域の幅が狭%℃ となっている．水温測定の７割以上は$# ##!

すぎて判別が困難であることから，ほぼすべてのXBT によるものであり，その変動幅が，XBT の水深について %$# $%$" であることが確認され公称精度（Table ２）を下回っていることから，る．このことから，音速の経時変動は，主として測定精度の範囲内で収束していると言える．この水温からの影響であると考えられる．

結果は，Oguri et al.（２０１５）で得られた結果と，量的にも整合している．さらに，%$#" #$ m/s と３ 特定の水深における水温・塩分の比較いう結果も得られた．この結果から，ほぼすべて

次に，深海における水温・塩分の安定性についの海域で，１２００ m 以深の音速は時間的に１ m/sてより具体的に調べるため，代表的な深さとしの精度で，ほとんど変化しないことが明らかにて，各海域での水深８００ m，１２００ m 及び１６００ mなった．

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Shun-ichi WATANABE and Toru UCHIDA
Table １． Positions of observation sites and observation periods.
表１． 観測点の位置およびデータ取得期間．

Table ２． Specifications of CTD sensor and probes of XBT and XCTD used in this study.
表２． 測定に使用したプローブとそのスペック（カタログ値）．

− 60 −

Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western Pacific

Fig．
２． Mean profiles of temperature, salinity, velocity and standard deviations of temperature and salinity at eachsite. Gray areas in the profiles of temperature and salinity indicate the range of the standard deviations.
"!
!"!$!
#""#!
#!
"!
!"andDark gray and light gray areas in the velocity profiles indicate %$# #$!
""""!
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#""#!
%$#" #$!
#!
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!"，respectively. Because the light gray areas are very narrow, it
might disappear depending on the print condition.

− 61 −

Shun-ichi WATANABE and Toru UCHIDA"の
図２． 水温・塩分・音速の平均プロファイルと標準偏差．水温・塩分プロファイル中の灰色の領域は，$#
#$!
""!$!
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##
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範囲を示す．音速プロファイル中の濃い灰色は #の範囲を，薄い灰色#""""!
!"!$!
#""#!
#!
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!"の範囲を，それぞれ示す．後者は，非常に狭い領域との領域は %$#" #$!
なっており，縮尺によっては識別が困難なものもある．

− 62 −

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Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western Pacific
Table ３． Mean values and standard deviations of temperature, salinity, and sound velocity at（a）８００ m，（b）１２００ m, and（c）１６００ m depths.
表３． 水深（a）８００ m，（b）１２００ m，及び（c）１
６００ m における温度・塩分・音速の平均値及び標準偏差．

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Fig．
３． Mean values of（a）temperature,（b）salinity,and （c） velocity at ８００ m（red）,１２００m（purple）, and １６００ m depth（blue）at eachsite. Error bars indicate the range of thestandard deviations.
図３． 各 観 測 点 に お け る（a）水 温，（b）塩 分，（c）音速の平均値．赤，紫，青のプロッ ト
は そ れ ぞ れ 水 深８００ m，１２００ m，１６００m
地点の値を示す．一部の観測点は，水深が１２００ m ないしは１６００ m 以下であり，存在しない水深のデータは表示していない．エ!の範囲を示す．
ラーバーは !!

− 70 −Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western Pacific

水深８００ m の深層域における水温と塩分の絶対値については，Fig．
３から明らかなように，海域ごとに異なっている．特に「足摺沖２（ASZ２）」
では，他の海域と比べて水温が有意に高く，塩分は低い値を示す．この傾向は「土佐沖２（TOS２）」や「室戸沖２（MRT２）」においても見られる．これら３海域で得られた高水温は，黒潮の影響によると言える．また，低塩分についても，黒潮流域の水深８００ m 程度で観測されている塩分極小層（e.g. Nakano et al.,２００７）を見ているものと考え
ら れ る．さ ら に，「足 摺 沖２（ASZ２）」と，そ の北西 側 に あ る「日 向 灘２（HYG２）」を 比 較 す ると，高水温の領域は１２００ m でも有意であることがわかる．この こ と か ら，「足 摺 沖２（ASZ２）」において黒潮の影響は水深１０００ m 以上の深さにまで達していると言える．
一方，釜石沖から福島沖にかけての東北沖の海域では，西日本沖の観測点と比較して，８００ mにおける水温が低くなっている．これは高水温の黒潮の影響を受けないためと考えられる．
さらに，この黒潮の影響の有無は，音速プロファイルに特徴的な変化を生じさせる．Fig．
４には，音速プロファイルの傾斜 dV/dz がゼロとなる水深をプロットした．その際，ノイズの影響を軽減するため，dV/dz を計算する際は，６０ m のFig．
４． Depth for dV/dz to be zero at each site. The
profile of dV/dz is smoothed by ６０-m movingaverage. Error bars indicate the range of６０ m.
図４． 音速プロファイルの変化率（dV/dz）がゼロとなる水深．dV/dz は，６０ m の移動平均を取って平滑化しており，その移動平均の範囲をエラーバーとして示している．

移動平均をとっている．Fig．
４から明らかなように，東北沖の海域では音速プロファイルの傾斜が（ASZ２）」等において，等水深における高水温がゼロになるのは３００−４００ m であるのに対し，銚確認された（Fig．
３a）が，T−S ダイアグラム上で子沖以南の海域では８００ m となっている．黒潮は南海トラフ沿いの他の海域と大きな差が生じての影響を強く受けていると考えられる「足摺沖２いない．このことは，相模湾以西の海域の水塊と（ASZ２）」，「土 佐 沖２（TOS２）」及 び「室 戸 沖２しては，いずれも黒潮水塊が支配的であることを（MRT２）」では，さらに深くなっていることもわ示唆する．
一方，地理的に両者の間にある福島沖から房総かる．

沖にかけての海域では，浅いところで黒潮流域
４ 水温・塩分の空間変化的，中間的な水深で東北沖的な分布を示してい海域ごとの水温・塩分構造の違いについて確認

る．さらに，これらの海域について，北東の観測するため，得られた平均水温・塩分プロファイル

点ほど東北沖的な分布を示しており，これらの海を用いて T−S ダイアグラムを作成した（Fig．
５）．

域では黒潮による暖水塊と東北沖からの冷水塊がその結果，宮城沖以北の海域と相模湾以西の海域混合していると考えられる．

で 明 瞭 な 差 が 見 ら れ た．前 節 で は「足 摺 沖２− 71 −

Shun-ichi WATANABE and Toru UCHIDA

Fig．
５． T−S diagram of the mean profile at each site. Solid circles indicate the values at１２００ m depth.
図５． 各観測点における T−S ダイアグラム．円のプロットは，水深１２００ m 地点の値を示す．

５ 水温・塩分の時間変化

すると，これは，２０１３年１月末の観測データが最後に，データ数が多く，かつ比較的水深の大原因であることがわかった．Fig．
８に，２０１３年１きな観測点である「宮城沖１（MYGI）」と「熊野月３１日取得の XCTD データと，比較のため，そ灘３（KUM３）」について，観測月ごとの平均プの前日と数日後のプロファイルとして２０１３年１ロファイルを作成し，比較した．結果を Fig．
６及

月３０日，２０１３年２月４日取得の XCTD データ，

び Fig．
７に示す．データの数に月ごとのばらつき及び違う年の同時期のプロファイルとして２０１５があるものの，各月の傾向が見て取れる．特に年１月２５日のデータを示す．なお，２０１３年１月「熊野灘３（KUM３）」は，浅い部分では顕著な季

３１日８時から１９時までに３回の XBT 投下及び１節変動を示すものの，各月内でのばらつきは小さ回の XCTD 投下を実施しているが，そのいずれく，８００ m 以深では季節による変動が見られなでも同様な温度プロファイルが取得されているのい．対照 的 に，「宮 城 沖１（MYGI）」で は１―２月で，このプロファイルはプローブ等の異常ではなや１１月は特に 月 内 で も ば ら つ き が 大 き く，まい．これらの測定結果から，２０１３年１月３１日にた，プロファイルの形状も月ごとに大きく異なっは浅いところに暖水塊，深いところに冷水塊が存ている．特に１月の結果については，水深８００ m在していたと解釈できる．この原因としては，冬まで σT，σS が大きくなっている．データを精査

季の親潮の南下による冷水塊の侵入がありうる．

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Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western PacificFig．
６． Monthly mean profiles of temperature, salinity, velocity and standard deviations of temperature and salinity at
MYGI and KUM３．Legends are the same as Fig．
２．No data has been obtained at KUM３in March and April.

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図６． 宮城沖１，熊野灘３における，月別の水温・塩分・音速の平均プロファイルと標準偏差．凡例は Fig．
２と同じ．なお，熊野灘３については，３月及び４月のデータは取得されていない．

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Fig．
７． Monthly mean profiles of temperature at（a）MYGI and（b）KUM３．
図７．
（a）宮城沖１，（b）熊野灘３における，水温の月別平均プロファイル．

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親潮は，１月から２月にかけて急激に南下するる．ここで示した侵入イベントは，親潮水塊の境（吉田，１９９２；気象庁 WEB サイト）．その際，密界の移動，あるいは親潮のフロントに生じた，よ

度 の 大 き い 冷 水 塊 が 暖 水 塊 の 下 に 潜 り 込 み，り小規模な冷水塊の通過によって表現されると考Fig．
８のようなプロファイルが得られると考えらえられるため，顕著な水温勾配が観測海域内に生れる．ここで示した事例では，１月３０日から３１じうることを意味する．現在の海底地殻変動観測日にかけて冷水塊が侵入したことが示唆される．の解析スキームでは音速の空間勾配を仮定していさらに，２月５日になると低水温層が見られなくないが，こうした具体的な事例を集めることは，なることから，この冷水塊侵入のイベントは１週今後の解析スキームの開発に資するであろう．

間程度という短期的な現象であることがわかる．
この事例は，水深８００ m においても，水温に顕６ 結論
本研究では，これまでに蓄積された海底地殻変著な時間変化が生じることを示す有力な証拠であ

動観測時の水温・塩分プロファイルデータを統計る．
加えて，こうしたイベントの有無を知ること的に処理することで，比較的狭い範囲での水温・は，海底地殻変動観測においても極めて重要であ

塩分構造の安定性を評価した．その結果，水深がFig．
８． Profiles of（a）observed temperature and（b）velocity obtained from XCTD profiler at MYGI in the end ofJanuary and the beginning of February，２０１３ and ２０１５．
図８． 宮城沖１で，２０１
３年と２０１
５年の１月末から２月初めに実施した XCTD 実測値から得られた（a）水温，（b）音速プロファイル．

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Shun-ichi WATANABE and Toru UCHIDA

２℃
１２００ m を超えると水温の時間変化は !!で０．

謝辞となることがわかった．この値は測定プローブの本研究で使用したデータは，歴代の航法測地公称精度と同程度の大きさであることから，測定室・海 洋 防 災 調 査 室 員 及 び 測 量 船「昭 洋」「拓精度の範囲で収束していると見なせる．さらに，洋」「明洋」「海洋」乗組員により取得されたもの

黒潮流域と東北沖のプロファイルについて，大きである．データ整理にあたっては，海洋防災調査な違いがあること，さらにそれが空間的に漸次的室の横田裕輔博士，糸井洋人氏の協力を受けた．に変化することが確認された．これは各海域を代また，匿名の査読者には本論文の改善に資する有表する水塊が混合していく様子を表している．個

益なコメントをいただいた．記して感謝する．

別の海域での季節変化としては，宮城県沖の海域
文で，１月に冷水塊が暖水塊の下に侵入してくる様子が捉えられた．この冷水塊は，時に８００ m の献

Del Grosso, V. A.（１９７４）New Equation for theSpeed of Sound in Natural Water（with Com-

水深にも影響を与えることもわかった．
本研究の結果から，海底地殻変動観測におけるparison to other Equations）, The Journal of

海中音速構造の測定は，少なくとも８００ m 以浅

the Acoustical Society of America, ５６, No.４,については確実に実施する必要があると結論づけ

１０８４―１０９１.

られる．１２００ m 以深については，音速の経時変

Fofonoff, N. P. and R. C. Millard Jr.（１９８３）Algo-化が１ m/s 程度以内であり，この程度の擾乱はrithms for computation of fundamental proper-

現在の解析結果に有意な影響を与えることはない

ties of seawater, UNESCO technical papers in

ことが渡邉（２０１６）によって示されたことも踏まmarine science,４４.

えると，現状の観測精度では，深海までの CTD

藤田雅之・佐藤まりこ・矢吹哲一朗（２００４）海底による水温・塩分プロファイル測定を統計値の使

地殻変動観測における局位置解析ソフトウェ用で代替することで，観測の効率化を図ることはアの開発，海洋情報部技報，２２，５０―５６．

可能である．

後 藤 慎 平・土 屋 利 雄・日 吉 善 久・水 谷 孝 一

一方で，新たに観測を開始した海域，例えば東（２０１５）海洋観測フロートによって観測され北大学の設置した日本海溝近傍の観測点（渡邉・た大規模海底地震の震源近傍における音速プ他，２０１５）での観測については，本研究で得られロファイルの変化，海洋音響学会誌，４２（３），た深部音速構造の安定性が確証されたわけではな

１０６―１１７．

い．そのため，既存の観測点から遠く離れた海域

気象庁，親潮の面積の時系列，http : //www.data.

で観測を実施する際は，深部までの水温・塩分プ

jma.go.jp/gmd/kaiyou/data/db/kaikyo/oy-

ロファイルを季節ごとに取得した上で統計的に処

ashio/oyashio_area.html, Accessed July ２０１５.

理をし，音速構造の安定性を個別に評価する必要

Nakano, T., I. Kaneko, T. Soga, H. Tsujino, T.

がある．さらに，今後音速の傾斜構造等を考慮しYasuda, H Ishizaki and M. Kamachi（２００７）た新たな解析スキームを開発する際には，より小Mid-depth freshening in the North Pacific sub-

さな空間スケールでの音速変化を考慮する必要が

tropical gyre observed along the JMA repeat

ある．そのために，数 km 四方の海域中に生じうand WOCE hydrographic sections, Geophys.

る傾斜の大きさを見積もることも必要であり，例

Res. Lett., ３４, L２３６０８, doi:１０.１０２９/２００７GL

えば今回宮城沖で得られたような水塊の侵入過程

０３１４３３など，局所的な水温勾配を生じうる現象にも注目

Oguri, K., Y. Furushima, T. Toyofuku, T. Kasaya,
M. Wakita, S. Watanabe, K. Fujikura and H. Ki-していくべきであろう．

tazato（２０１５）Long-term monitoring of bottom− 80 −

Stable structures of temperature and salinity validated by the repeated measurements in the few-miles-square regions off Japan coast in the western Pacificenvironments of the continental slope off Ot-

会要旨集，１７７―１７８．

suchi Bay, northeastern Japan, Journal of

渡邉俊一（２０１６）海底局位置決定における海中音

Oceanography,７１,１―１６, doi:１０．
１００７/s １０８７２速構造の影響と初期値依存性についての考―０１５―０３３０―４察，海洋情報部研究報告，５３，８２―８９．

齋藤宏彰・佐藤まりこ（２００９）海底地殻変動観測
要における海中音速測定頻度の局位置への影響

旨について，海洋情報部研究報告，４５，２３―３３．

海底地殻変動観測の実施の際にこれまで取得し佐藤まりこ・藤田雅之（２０１２）GPS/音響測距結てきた水温・塩分プロファイルについて統計的に合方式による海底地殻変動観測技術の進展，取りまとめた．その結果，１
２００ m 以深の深海域

海洋情報部研究報告，４８，２６―４０．

で，水温・塩分が時間的に安定している様子が，吉田隆（１９９２）親潮水の分布の平均的な季節変数 km 四方という空間的に非常に狭い海域において確認された．また，黒潮域と東北沖のプロファ

動，海と空，６８（２），７９―８８．
渡邉俊一・石川直史・横田裕輔・田代俊治・木戸元之（２０１５）GPS−A 観測で得られた東日本

イルの違いについても特徴を見出し，宮城県沖での短期的な冷水塊の侵入の様子も捉えられた．の海底地殻変動，日本測地学会第１２４回講演− 81 −