海洋大気圏環境学 第 4 章 基礎方程式（その２）— Part 1 担当: 荒井正純 density – p. 1/14 概要 ■ 第 2・3 章の内容 • 密度が一様であることを本質とする海洋（順圧的な海洋）の現象とその力学 • 基礎方程式は浅水方程式 ■ 本章以降（第 4∼6 章）の内容 • 密度成層していることを本質とする海洋（傾圧的な海洋）の現象とその力学 • 基礎方程式は 2 層プリミティブ方程式 density – p. 2/14 内容 第 4 章 基礎方程式（その 2）— Part 1 基本概念 海水の密度 海面における熱収支 熱フラックスの季節変化 水温（密度）成層の季節変化 沿岸における水温・塩分・密度の鉛直構造の例 潮汐混合と潮汐フロント 成層の影響 概要 潮汐フロントの例 潮汐フロントの特徴 潮汐フロントの生物生産的役割 density – p. 3/14 海水の密度 ■ 状態方程式 密度 ρ · · · 水温 T と塩分 S の関数とした，ある経験式で表現 ρ = ρ0 [1 − α(T − T0 ) + β(S − S0 )] 水温 T0 と塩分 S0 の時の密度を ρ0 とした時，この回りでテーラー展開し，１次の項までを採用 · α > 0 · · · 熱膨張係数 水温が高くなると，密度は小さくなる · β · · · 塩分変化に対する密度の変化率 塩分が高いほど，密度は大きくなる · 圧力も密度に影響を与えるが，沿岸海洋では水深が小さいので，その影響は無視 ■ 密度の現わし方 • 単位：kg/m3 • 海水の密度 = 淡水の密度 1000 kg/m3 +∆ 変化 ∆ は下２桁の範囲 → 海洋学ではしばしば，ρ − 1000 で密度を表す • 下 2 桁で表した密度を σt （シグマ・ティーと発音）という．本授業でも，この形の密度を使う． density – p. 4/14 海水の密度（続き），深度 ■ 塩分の単位 Practical Salinity Scale · KCl の水溶液，1 kg の水に KCl を 32.4356 g 溶かしたもの（15◦ C, 1 気圧下）を基準水溶液とする． · この基準水溶液の塩分を 35 と定義 · 対象となる海水の電気伝導度を計測し，基準水溶液の電気伝導度との比から，対象となる海水の塩 分を求める · その定義から塩分は無次元数 · しばしば，psu (practical salinity units) なる単位を付けて表される · 伝統的には，海水 1 kg 中に含まれる固形物質を g 単位で表したもので定義していた · 実際の海洋の塩分は，32 ∼ 37 の範囲 · 値が小さいほど，淡水に近い ■ 深度の単位 · 通常は，m 単位で表す · 圧力を用いて，dbar（デシバール）単位で表すこともある · 1 m の高さの水柱が作る静水圧: 約 104 N/m2 (Pa) = 0.1 bar = 1 dbar · dbar 単位で表した水圧は，そのまま m 単位の深度に換算してよい density – p. 5/14 海面における熱収支 ■ 熱フラックスの定義 単位面積の海面を通して，単位時間当たりに，海洋へ入射する熱量 単位： W/m2 符号：加熱 · · · 正，冷却 · · · 負 ■ 海面を通して，海洋へ入ってくる熱フラックスの収支 Q = QI − (QB + QS + QL ) ■ 熱フラックスの構成要素 ◦ 日射（短波放射） QI ：太陽から海洋へ入射する熱 ◦ 長波放射 QB ：海面からの赤外線の放射により奪われる熱 · 海面水温で決まる ◦ 顕熱フラックス QS ：海面から大気への熱伝導により奪われる熱 · 海面水温と気温との温度差，風速で決まる ◦ 潜熱フラックス QL ：海水の蒸発により奪われる熱 · 海面水温での飽和湿度と大気の湿度との差，風速で決まる density – p. 6/14 熱フラックスの季節変化 ■ 熱フラックスの季節変化 ◦ 日射による加熱と，潜熱による冷却が大きな値を 占め，次に，長波放射による冷却が続く． ◦ 日射：5, 7 月に最大，1, 12 月に最小 ◦ 潜熱フラックス：絶対値は，1 月に最大，6 月に最小 ◦ 合計の収支：4 ∼ 9 月は加熱，10 ∼ 12, 1 ∼ 3 月 は冷却 熱フラックスの月変化．沖縄の西側 (128◦ 15′ E, 27◦ 30′ N) に お け る 例 ．デ ー タ は ，2009 年 の NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis を月平均したもの． density – p. 7/14 水温（密度）成層の季節変化 ■ 夏季（7 月）の水温（密度）構造 ◦ 表層（25 m より浅い表層） · · · 混合層 風の作用による乱流混合 → 水温（密度）が，26.0◦ C で，一様化 ◦ 亜表層（深度 25 ∼ 75 m）· · · 水温躍層（密度躍層） → 水温（密度）が，26.0◦ C から 22.8◦ C まで，急激に変化 ◦ 深度 75 m より下 · · · 緩やかに水温が減少（密度が増加） 水温の鉛直分布の季節変化 中緯度 (128◦ 15′ E, 27◦ 30′ N の沖縄の西側) の海洋の例． 2009 年の 1 月（冬季）と 7 月（夏季）の 比較． データは，気象庁「海洋気象観測船による 海洋・海上気象観測資料」による． ■ 冬季（1 月）の水温（密度）構造 風による乱流混合に加えて， 潜熱等による海面での強い冷却 深いところまで鉛直対流が起こり，流体がよく混合 → 水温が，深度 170 m まで，21◦ C と一様化 混合層の厚さが夏季と比べてかなり厚い density – p. 8/14 沿岸における水温・塩分・密度の鉛直構造の例 若狭湾で計測した水温・塩分・密度の深さ分 布．破線（実線）は 2004 年 6 月 17(22) 日 に計測したもの． （出典：熊木ら, 2005） 冬季以外の季節の，沿岸海洋の典型的な水温 （密度）の鉛直構造を示す． 以下では，破線に着目． ■ 沿岸海洋の成層構造 ◦ 表層 · · · 混合層 風の作用により乱流混合 → 密度（水温）は一様化 ◦ 亜表層 · · · 密度（水温）躍層 密度（水温）は深くなるに従い， 急激に増加（減少） → 安定な成層 ◦ 底層 · · · 密度（水温）の増加（減少）は 緩やか → 安定な成層 density – p. 9/14 成層の影響 成層，特に，躍層の存在により，流体の鉛直運動が妨げられる 植物プランクトンは光合成のため，太陽光が強い海面付近（有光層）に集まる 植物プランクトンの栄養源となる栄養塩は，有光層では消費されてしまうため，表層で低濃度，底層 で高濃度となる． 成層により，栄養塩の底層から表層への供給が妨げられる → 植物プランクトンの生育が妨げられる 栄養塩に富む底層の海水を海面へ輸送しうる機構が存在すれば，栄養塩が表層へ供給され，植物プラ ンクトンの増殖，ひいては，動物プランクトンの増殖に適した環境が形成される．その結果，生物生 産性の高い海域が形成される． 従って，海洋学では，底層の海水を海面へ輸送しうる機構として，流体の鉛直運動が関与する現象に 興味がもたれる． 鉛直運動を伴う現象の例 · 潮汐混合 · 内部波 · 沿岸湧昇 このような現象を記述するには，密度成層を考慮した流体の方程式が必要 density – p. 10/14 潮汐混合と潮汐フロント（概要） ■ 潮汐混合 潮流が非常に速い海域では，鉛直混合が強く起こるため，成層が破壊されて，水温（密度）は一様 となる． ■ 潮汐フロント • 幅の狭い海峡部では速い潮流のため，潮汐混合が起こるが，海峡部から離れたところでは潮流が 弱くなるため，成層が維持される． • 水温が一様な海域と成層している海域の境界には，潮汐フロントと呼ばれるフロントが形成さ れる． • フロントでは，異なる性質を持つ海水が接しているため，海面付近で，水温の水平勾配が非常に 大きくなる． ■ 潮汐フロントの役割 底層からの栄養塩の供給のため，植物プランクトンが多数，有光層である表層に存在 → 生物生産性の高い海域 density – p. 11/14 潮汐フロントの例 豊後水道と伊予灘の境目にある，狭い海峡（幅 13.5 km）である，速吸瀬戸（はやすいのせと）付近 潮流は，大潮時で，2.5 ∼ 3 m/s の速さ． 夏季に潮汐フロントが形成． 図は，Takeoka et al. (1993). 測点 L1-1, L1-2, · · · , L1-10, H は，以下に示すデータの観測点． density – p. 12/14 潮汐フロントの特徴 1991 年 7 月 3 日の観測例 (Takeoka et al., 1993)． 伊予灘の四国沿岸に沿った測線 L1 上で，水温，クロロフィル a 濃度の鉛直分布を計測． ※ クロロフィル a 濃度 （mg/m3 単位）→ 植 物プランクトンの濃 度の指標． クロロフィル a は生 きている植物プラン クトンに含まれ，光 合成に関与する緑色 色素の一種． △ 水温の鉛直断面． △ クロロフィル a 濃度の鉛直断面． • 速吸瀬戸付近の測点 L1-9, L1-10, H では，水温，クロロフィル a 濃度とも，よく鉛直混合． • 測点 L1-3 ∼ L1-6 の範囲では，成層が発達．水温 18 ∼ 21◦ の等温線は深度 10 m に密集，水温躍層を 形成． • 水温躍層は，測点 H へ向かうに従い緩やかに上昇し，測点 L1-7 付近で，その中の 19.5 ∼ 21◦ の等温線 が海面に露出 → 測点 L1-7 付近は，水温の水平勾配が非常に大きく，潮汐フロントを形成 • 測点 L1-7 付近では，表層でクロロフィル a 濃度が非常に高い． density – p. 13/14 潮汐フロントの生物生産的役割 速吸瀬戸 · · · 高い生物生産性 「関アジ」， 「関サバ」のブランド魚の生育地 速い潮流により身が締まる 餌となるプランクトンが豊富である 左は，2006 年 9 月 28 日付 中国新聞掲載の記事 density – p. 14/14
© Copyright 2024 ExpyDoc
