Transcript 海氷生態系モデル

オホーツク海における海氷‐海洋
生態系モデルの基礎的研究
平成１９年２月１２日
工学部システム創成学科
環境エネルギー・システムコース
応用流体工学研究室
60778 川内 雅雄
指導教員 山口一教授
発表の流れ
序論(背景・目的など)
計算モデル
計算設定
計算結果・考察
結論・成果
研究背景 ~オホーツク海~
• 閉じた海
• アムール川からの淡水流入
→表層付近の塩分が薄くなる
• 冬季の北西からの冷たい風
オホーツク海は
水産資源が豊富
北半球でもっとも低緯度の凍る海
季節海氷域
Lapco and Radchenko, Sea of Okhotsk,
Marine Pollution Bulletin Vol.41, 200
研究背景 ~栄養塩の巻き上げ~
海氷生成・成長
海氷生態系
海氷底部・内部にアイスアルジー
(ice algae)という藻類が存在。
冬季でも活発な光合成。
海洋生態系
高濃度の塩分水(ブライン)の排出
→鉛直方向の対流
→深海部の栄養分が表層へ
→表層植物プランクトンが豊富に
→豊かな生態系
(応用流体工学研究室HPより)
研究背景 ~オホーツク海~
• 海氷が生態系の鍵
→地球温暖化による海氷面積の減少が懸念
• サハリンプロジェクトなどの資源開発での
万一の事故による生態系への影響
オホーツク海の生態系を再現し、
そのメカニズムを解明することが必要！！
既往研究(氷海域の生態系モデル)
西(2004)
伴(2007)
• 海氷生態系と海洋生
態系に分けて結合
• 低次生態系を表現
• サロマ湖及びオホー
ツク海の一部
• 西のモデルと海氷
‐海洋連成モデル
を結合
• オホーツク海全域
研究目的・流れ
最終目標：オホーツク海の生態系のメカニズムの解明
伴(2007)のモデル若干改良
＊海洋‐海氷データは外部入力として
生態系モデル部のみを分離する
＊タイムステップを大きくとる
→計算負荷の低減
計算負荷が大きく、
生態系モデルの改良を
行うのが困難
生態系モデル
の改良へ
発表の流れ
序論(背景・目的など)
計算モデル
計算設定
計算結果・考察
結論・成果
モデル(全体図)
一つ目のモデル
海洋モデル
(ＭＥＣモデル)
二つ目のモデル
連成計算
海氷モデル
(ＤＭＤＦモデル
がベース)
海洋‐海氷連成モデル
佐川(2007)
海洋および海氷に関するデータは
外部入力(1日毎または10日毎)として
生態系モデルのみを分離 計算結果
海洋生態系モデル
海氷生態系モデル
海洋生態系モデル
(アイスアルジー・ 連成計算 海氷生態系モデル
(アイスアルジー)
植物プランクトン)
１way方式
海洋‐海氷結合
生態系モデル
生態系間での物質収支を数値モデル化
西(2004)
海氷生態系
光合成
細胞外排出
アイスアルジー
DOM
摂取
移行
捕食
枯死
栄養塩
POM
無機化
排泄
動物プランクトン
排出・死亡
オパール
海氷生態系
海洋生態系
海洋生態系
アイスアルジー
海氷生態系
捕食
海洋生態系
光合成
剥がれ落ちる
アイスアルジー
植物プランクトン
細胞外排出
DOM
摂取
移行
捕食
枯死
栄養塩
POM
無機化
排泄
動物プランクトン
排出・死亡
オパール
生態系モデル
• 変数の数： 海洋生態系(19個)→水粒子と共に移流
海氷生態系(15個)→海氷と共に移流
• 変数の時間変化を表現する方程式
X w
t
u
X w
x
v
X w
y
2
 2X w
 Xw
 AC 

2
2

x

y

w
X w
z

X w 
 

K
 z  C z   B  X w 



生物化学変化項
移流拡散方程式(海洋‐海氷物理モデルより)
変数の変動要素
海氷生態系
海洋生態系
• 生物化学過程変化
• ２次元の移流拡散
(←海氷計算より)
• カップリングに伴う海洋
生態系からの物質収支
• 生物化学過程変化
• ３次元の移流拡散
(←海洋計算より)
• カップリングに伴う海氷生
態系からの物質収支
• 非溶存物の沈降
発表の流れ
序論(背景・目的など)
計算モデル
計算設定
計算結果・考察
結論・成果
計算条件
• 計算対象領域
-オホーツク海全域
-境界は全て閉境界
• 計算格子
-3次元直行格子
-水平方向:25kmメッシュ
70ｘ89
-鉛直方向:24層(非均等)
• 計算期間
-11/1～7/1(海氷存在時期)
オホーツク海水深データ[m]
入力データ
• 地形データ：ETOPO5 5分メッシュ水深データ(前スライド)
• 海況：WOA2001 水温・塩分データ(月平均)
-10月と11月の月平均データの平均を計算初期値に使用
• 生態系：WOA2001 生態系データ(季節平均、秋季)
-クロロフィル、動物プランクトン、窒素、リン、珪素を計算初期値に使用
• 気象データ：NCEP/NCAR 大気再解析データ(月別気候値)
-開水域の海水面および海氷表層の境界条件として使用
• 海氷・海洋データ：佐川(2007)の海氷・海洋連成物理モデルの計算結果
-非結合型生態系モデルのみ
発表の流れ
序論(背景・目的など)
計算モデル
計算設定
計算結果・考察
結論・成果
春季ブルーム
春季にオホーツク海において海氷の後退に伴って表層の
植物プランクトンが急激に増える現象のこと。
冬季：鉛直混合による深部から表層への栄養塩の巻き上げ
春季：深部からの鉛直混合が弱くなり、表層付近に栄養塩が大量に存在
これが計算結果上で
春季ブルーム
再現出来ているかを
検証する。
角田(2007)より
リモートセンシングによる表層クロロフィルデータ
結果・考察対象領域
境界は全て閉境界。
その影響を少なくする
ためオホーツク海中心
部に絞る。
対象とした領域(赤四角部)
東経149度～150度
北緯53度～54度
海洋‐海氷計算(混合層1)
氷海域の生態系には
鉛直方向の混合が大
きな役割
2.00E-06
4.00E-06
6.00E-06
8.00E-06
0.00E+00
1.00E-05
1
1
3
3
5
5
7
7
9
11
13
2/19の鉛直
流速分布
15
17
19
←Kmix=18
grid number
grid number
0.00E+00
鉛直方向の流速が最大となる鉛
直層が、その日で鉛直方向の混
合が一番起きている層番号
9
11
13
2.00E-06
4.00E-06
6.00E-06
8.00E-06
5/20の鉛直
流速分布
17
19
21
23
23
深さ[m]
↑Kmix=2
15
21
1.00E-05
各層における鉛直方向流速[m/s]の分布、2/19(左)・5/20(右)
5
25
62.5
112.5
175
275
450
650
850
1050
1250
1450
海洋‐海氷計算(混合層2)
4/10~20において
Kmixが900m以上上昇
depth
1.E-05
0 0m
W3mix
Kmix
4 40 m
687.5 m
grid number
Wave(k)(m/s2)
1.E-05
2 15 m
8.E-06
8
137.5
m
6.E-06
225.5
m
10
350 m
12
4.E-06
14
550 m
16
750 m
2.E-06
950 m
18
0.E+00
11/1
1150
20 m
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
海洋‐海氷計算(混合層3)
ポテンシャル密度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
25
26
27
28
2月
5月
初期値
0
2.5
10
20
32.5
51.25
75
100
125
156.25
200
250
312.5
400
500
600
700
800
900
depth[m]
grid number
24
海洋‐海氷計算(混合層4)
depth
1.E-05
0 0m
Kmix
冬季：鉛直混合は主に深部
2 15 m
Wave(k=1)
4 40 m
1.E-05
Wave(k=2)
687.5 m
春季：鉛直混合は主に表層部(深部からの鉛直
Wave(k=3)
8137.5 m
8.E-06
225.5 m
Wave(k=4)
10
対流は弱まる)
grid number
Wave(k)(m/s2)
1.E-05
6.E-06
350 m
12
4/10~20以降において
14
550 m
第2,3層の鉛直方向の対
16
750 m
流が増加
2.E-06
現実(氷海域の挙動)をよく表している
4.E-06
18
950 m
0.E+00
11/1
1150
20 m
12/21
2/9
3/31
5/20
日付[month/day]
表層付近の鉛直混合(Wave(1,2,3,4))の時間変化
生態系計算(春季ブルーム)
比較する実測データはリモートセンシングのデータ
比較するのはクロロフィル濃度
→計算結果は海洋生態系の表層植物プランクトンなので、それをクロロフィル
‐植物プランクトン比の60で割ったもの
4
クロロフィル濃度[mg/m3]
•
•
3.5
3
2.5
計算結果
青丸を赤丸に近づけたい
2
→植物プランクトンに関する
1.5
パラメータ調整を行う
1
実測値
0.5
0
11/1
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
パラメータ調整(狙い)
植物プランクトンの生物化学過程の式
B(PHYw)(植物プランクトン中の炭素量)
＝ (Photosynthesis=光合成)
－ (Respiration=呼吸)
－ (Grazing=動物プランクトンによる捕食)
－ (Extarcellular excretion=細胞外排出)
－ (Mortality=枯死)
光合成量を増やす、呼吸量・被捕食量・
枯死量を減らせば植物プランクトンの量
が増加するはず。
パラメータ調整
•
•
•
•
•
光合成係数：２倍
枯死係数：１／２倍
被捕食圧：１／２倍
光合成温度依存係数：２倍
呼吸温度依存係数：２倍
各々、独立または組み合わせてパラメータ調整を行い、
計算を行った。
パラメータ調整(計算結果)
4
リモートセンシングによる実測値
光合成係数(水温依存)2倍
クロロフィル濃度[mg/m3]
3.5
3
光合成係数(水温依存)2倍かつ
呼吸係数(水温依存)1/2倍
2.5
このあと減少して
ブルーミングとな
る可能性がある。
2
1.5
1
呼吸係数(水温依存)1/2倍
0.5
0
11/1
元の計算結果
12/21
2/9
3/31
5/20
日付[month/day]
パラメータ調整後の計算結果の比較
栄養塩(ケイ酸)比較
800
元の計算結果
光合成係数(水温依存)2倍
ケイ酸濃度[mgSi/m3]
700
春季ブルーム
の発生
600
500
400
300
光合成係数2倍
200
100
0
11/1
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
パラメータ調整計算(まとめ)
• 感度が高いものは光合成量。
• 温度依存係数以外の係数を調整すると春季より前に栄養塩枯渇をする。
• 温度依存係数の調整により冬季の間に栄養塩枯渇となるのは避けられ
たが、明確な春季ブルームの再現には至ってない。
• 海洋‐海氷計算において、水温などで春季が十分に表現され
ていない。→入力データの改善。
• 生態系モデル自体が西(2004)のサロマ湖用のものであり、
オホーツク海の環境には適していない。→変数の変更、追加
などが必要。
発表の流れ
序論(背景・目的など)
計算モデル
計算設定
計算結果・考察
結論・成果
結論・成果
• 伴(2007)のモデルを改良、生態系部の分離
を行い、計算負荷の軽減を達成した。
• 海氷‐海洋計算部位においては、春季ブルー
ムの発生要因の一つである混合層の存在が
再現出来た。
• 春季ブルームのおおまかな再現が出来た。
また、明確なる春季ブルームの再現に向けた
モデル改善の有益な情報となりうるパラメー
タの感度などが得られた。
fin.
御静聴どうもありがとうございました。
海氷厚さ分布の変移(４月)
混合層平均
1.E-05
0
W3mix
Kmix
Wave(all)
2
4
6
8.E-06
8
6.E-06
10
12
4.E-06
14
16
2.E-06
18
0.E+00
11/1
20
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
grid number
Wave(k)(m/s2)
1.E-05
混合層(水温比較)
対象領域内での一点における水深方向の水温分布の移り変わり
水温[℃]
-5
0
5
1
10
15
-5
0
水温[℃]
5
1
3
4
5
7
7
9
10
11
13
13
15
16
17
２／１９
５／２０
10
15
混合層(塩分比較)
対象領域内での一点における水深方向の塩分分布の移り変わり
塩分[‰]
30
31
32
33
塩分[‰]
34
35
30
1
1
3
3
5
5
7
7
9
9
11
11
13
13
15
15
17
17
２／１９
31
32
５／２０
33
34
35
混合層(密度比較)
対象領域内での一点における水深方向の密度分布の移り変わり
24.5
ポテンシャル密度
25.5
26.5
ポテンシャル密度
27.5
24.5
4
grid number
grid number
1
7
10
13
16
２／１９
25.5
1
4
7
10
13
16
５／２０
26.5
27.5
結合型と非結合型モデル
海氷-海洋連成計算結合型
生態系モデル(dt=60[s])
データ入力60[s]毎
海氷-海洋連成計算非結合型生態
系モデル(dt=60[s])
データ入力1[day]and10[day]毎
海氷-海洋連成計算非結合型生態
系モデル(dt=600[s])
データ入力1[day]and10[day]毎
＊全て表層植物プランクトンの計算開始より5ヶ月経過後の4/1のデータ。
表示スケールは全て20~160[mgC/m3]。
生態系モデルの改良は計算負荷の
少ない非結合型(dt=600[s])を用い
大きな違いは見られない。
ることが出来る。
生態系モデル
海氷生態系
アイスアルジーを
一次生産者として
数値モデル化
海洋生態系
剥がれ落ちたアイスア
ルジー・植物プランクト
ンを一次生産者として
数値モデル化
海氷・海洋間の物質交換を数値モデル化し、
結合→海洋・海氷生態系モデルに
パラメータ調整(計算結果１)
4
元の計算結果
光合成２倍
枯死１／２倍
捕食圧１／２倍
沈降速度１／２倍
リモートセンシング
3.5
クロロフィル濃度[mg/m 3 ]
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
11/1
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
パラメータ調整(計算結果1栄養)
800
元の計算結果
光合成２倍
枯死１／２倍
捕食１／２
沈降速度１／２倍
700
ケイ酸濃度[mgSi/m3]
600
500
400
300
200
100
0
2001/11/1
2001/12/21
2002/2/9
2002/3/31
日付[month/day]
2002/5/20
パラメータ調整(計算結果2)
8
元の計算結果
7
光合成２倍、枯死１／２倍
光合成２倍、捕食圧１／２倍
枯死１／２倍、捕食１／２倍
クロロフィル濃度[mg/m 3 ]
6
光合成２倍、枯死１／２倍、
捕食１／２倍
リモートセンシング
5
2 区間移動平均 (リモートセ
ンシング)
4
3
2
1
0
11/1
12/21
2/9
3/31
日付[day/month]
5/20
パラメータ調整(計算結果2栄養)
800
元の計算結果
光合成２倍、枯死１／２倍
光合成２倍、捕食圧１／２倍
枯死１／２倍、捕食１／２倍
光合成２倍、枯死１／２倍、捕食１／２倍
700
ケイ酸濃度[mgSi/m3]
600
500
400
300
200
100
0
11/1
12/21
2/9
日付[month/day]
3/31
5/20
パラメータ調整(計算結果栄養)
800
通常
光合成２倍(t依存）
呼吸１／２倍（ｔ依存）
光合成２倍呼吸１／２倍（ｔ依存）
700
ケイ酸濃度[mgSi/m3]
600
500
400
300
200
100
0
11/1
12/21
2/9
3/31
日付[month/day]
5/20
海洋計算モデル
MEC (Marine Environment Committee)モデルを利用
＊静水圧近似(流体の圧力は静水圧のみ)で計算
＊ブシネスク近似：静水圧計算以外では海水の密度は一定値ρw
運動支配方程式：NS方程式と連続の式
Du
 fv 
Dt
Dv
0  g 
u
x
w
  fu 
Dt

v
y
  2u  2u
 A M 

2
2
x

x
y

1 p
  2v  2v
 A M  2 
2
y
y
 x
1 p
w
1 p
w
z
  
v 

K
 z  M z 



静水圧近似
 z

  
u 

K


M
 z

z



0
連続の式
NS方程式
海洋計算モデル
水温(T)と塩分(S)の支配方程式：移流拡散方程式
DT
  2T  2T
 AC 

2
2
Dt
y
 x
  
T 

K


C
 z
z 


  2S  2S
 AC 

2
2
Dt
y
 x
  
S 

K
 z  C z 



DS
計算格子：鉛直方向にz座標を設定、3次元直交格子
変数：スタッガードグリッドに配置
海氷計算モデル
海氷の相互干渉力：DMDF (Distributed Mass / Discrete Floe) モデル
海氷を氷盤の集合体とし、計算格子ごとに配列
海氷の運動方程式

d Vi
dt

1
Mi

 

Ai a  Ai w  M i g    M i f k  V i  Fi



風、海からの応力
海面傾斜力
コリオリ力


相互干渉力
海氷計算モデル
新氷形成
水温が結氷温度以下
→氷厚と密接度が設定した最小値である氷形成
氷の成長・融解
大気‐海洋‐海氷間の熱フラックス
→氷厚(鉛直方向)、密接度(水平方向)の変化を
それぞれ計算
ブルーミング
オホーツク海内部では
春季ブルーム及び
秋季ブルーム
オホーツク海外部では
夏季ブルーム
斉藤ら(1996)