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Title 沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測

Author(s) 小賀, 百樹; 金成, 誠一

Citation 北海道大学地球物理学研究報告, 50, 15-32

Issue Date 1988-02-25

DOI 10.14943/gbhu.50.15

Doc URL http://hdl.handle.net/2115/14188

Type bulletin (article)

File Information 50_p15-32.pdf

Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP

北海道大学地球物理学研究報告

Geophysical Bulletin of Hokkaido University， Sapporo， Japan No.50，February.1988，P.15-32.

沿岸域における季節水温躍層の

周期的変動と微細水温分布の観測

小 賀 百 樹 * ・ 金成誠

北海道大学理学部地球物理学教室

(昭和田年7月28日受理)

Observations of Periodic Motions of the Seasonal Thermocline

and Vertical Fine Structures of the Temperature

in a Coastal Zone.

Momoki KOGA * and Sei-ichi KANARI

Department of Geophysics， Faculty of Science， Hokkaido University

( Received July 28， 1987)

Variations of the seasonal thermocline in the coastal zone of 50 m depth， 6 km off Y oichi

coast in Ishikari Bay were observed with a meteo-oceanographic spar-buoy system for two

months from July to September， 1984. The spar-buoy system consists of meteorological

sensors at the head of the spar (3.25 m above the sea surface) and a ll-Iayer thermister chain

(depth between 20 m and 40 m) attached to the lower end of the immersed spar. An energitic

spectral peak of the thermocline oscillation occurs at the diurnal frequency which correlates

the diurnal surface tide. Thermocline oscillations of near inertial period (17.4 hours) also

sometimes occur， which are well correlated to the passage of storms. Concentrated observa-

tions of the fine vertical structures of temperature， three times a day， were also made for two

days near the buoy station with CTD and XTGP (Expendable temperature gradient profiler)

in relation to the principal oscillation of the thermocline. An additional data by a thermister

chain of a short sampling interval (1 minute) for three days in September， 1983 were also

analyzed. The results show the detailed features of the turbulence of the upper mixed layer

and the thermocline struture in relation to the principal oscillation of the thermocline. The

additional data also show that the frequency spectra of the isothermal displacement at high

frequencies near the Vaisala frequency obey apporximate -3 power law， which is somewhat

a diffen~'1t spectral law from that of the canonical Garrett-Munk spectrum

* 現所属琉球大学理学部海洋学教室

* Present affiliation : Department of Oceanography， Ryukyu University

16 小賀百樹・金成誠一

1.はじめに

沿岸域の海洋混合層と季節水温躍層の変動過程を明らかにすることを目的とし，石狩湾西部海

域の余市沿岸(Fig.1)において，係留系を中心として， CTD， XTGP (Expendable Temperature

Gradient Profiler) を適宜使用した海洋観測を行った. Fig.2は同海域 (Fig.1， st. Aの近傍)

における水温鉛直分布の季節変{じを示す.資料は北海道中央水産験場の春・秋を中心とする定期

海洋観測(北海道， 1983) により得られた.海表面は春から夏にかけ徐々に加熱され7月までは

水温の鉛直勾配は増大していく. 8月は測定例がなく不明であるが 9月には秋季の大気側から

の海面冷却の効果により徐々に表面混合層が形成され，時には混合層内にゆるやかな水温逆転が

存在する.当海域では水深が浅いこともあり， 10月になると混合層はほほ、海底に到達し，一様な

水温鉛直分布となる.

本観測は， 1984年の混合層の形成が見られる夏期から秋季にかけて， Fig.1の st.Bにおいて行

われた. 日平均化した混合層の変動過程の解析については，大気側との熱収支を考慮したモデル

を含め，すでに金成・小賀(1985) に報告した. しかしながら，当海域では他の沿岸域でも比較

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Fig. 1. Location of observations off Y oichi coast in Ishikari Bay. St. A indicated by x is the position of a thermister chain mooring in 1983. St. B indicated by (Ql is the position of a spar-buoy system moor-ing in 1984. Solid triangle and circle indicate the positions of Hokkaido Chyuo Fisheries Experimental Station and Oshoro Tidal Station， respectively.

Bottom contours are given in meters. The 200-m isobath corr巴spondsto the

line of the northern shelf break.

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Fig.2. Seasonal change of the temperature

profile near St. A off the Y oichi coast Numbers at the top of each t巴mperatureprofiles indicate the months of observa-tion. (From Hokkaido， 1983).

沿岸域における李節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測 17

的多く見られるように (例えば， Matsuyama， 1985)， 水温躍層には半日ないし 1日周期程度の

卓越した変動が重畳しているが， それらの特性についてはふれられなかった.本報告では， それ

らの変動特性について述べるとともに，係留観測と平行して行われた CTD及びXTGPによる水

温の微細鉛直分布の測定結果についても述べる.また， 1984年の観測に先立って行われた 1983年

9月の予備観測の結果についてもふれる.予備観測 (Fig.1，st. A)ではサーミスタ・チェーンの

みを係留し，気象要素の測定は行わなかったが， 水温データのサンプル時間間隔は 1分 (1984年

の観測では 30分) と短<. ごく短周期の水温変動を調べるにはつごうがよい.

II. 測定気象要素と水温変動の特性

Fig.3はスパー・ブイ (spar buoy)係留システムにより得られた測定結果である.観測は Fig.

1， st. Bにおいて， 1984年 7月20日から 9月20日まで行われた. 30分おきの測定値がブイ・シ

ステムに内蔵されたデータ・ロガーに記録される. ブイ・システムと係留方法の詳細は， 金成・

小賀(1985) に述べたので省略する.気象要素の測定はスパー・ブイ先端(海面上3.25m)に取

り付けられたセンサ一群によってなされる.Fig. 3 (a)， (b)， (c)， (d)， (e)にはそれぞ、れ，風速，風向，

日射，大気圧，気温の時間変化を示す. スパー・ブイ下端にはサーミスタ・チェーンがつるされ，

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Fig.3. Time series of the meteorological and oceanographical data obtained by the spar.buoy system at St. B from July 20 to September 20 in 1984. Curves in (f) are selected time series of water temperature at 1 m， 20 m，

30 m， 40 m depth， respectively. The data were obtained at intervals of 30 minutes. The time series (g) is the tidal elevation observed at Oshoro Tidal Station.

誠一百樹・金成小賀18

水深 20mから 40mまで2mおきに 11点で水温が測定される.Fig. 3 (f)には温度の高い順にそれ

サーミスタ・チェーンによる水深 20m， 水面下 lm(こセットした水温センサによる水温、ぞれ，

Fig. 3 (g)には忍路検潮所 (Fig.lの黒丸印)における潮30 m， 40 mにおける水温の変化を示す.

位の時間変化をあわせて示す.

1.測定気象要素の特性

日射及び気温には明瞭な日変化が見られる.気圧及ぴ風速の変化には，約 2ヶ月の係留期間中

に何回かの前線や低気圧の通過がうかがえる.

Fig.4はスパーブイ・システムによる測定値の日平均(図中の実線)及び参考のために最寄りの

(図中の破線は小樽気象台，点線は余市気象観測所)において測定された対応諸量の日平気象台

図(a)は風速の日平均値である.海上のブイにおける測定値と陸均値をプロットしたものである.

上の気象台の測定値の絶対値を比較することは両者の平均の定義のちがいもありあまり意味がな

図(f)図(c)気圧， (d)気温にもよい対応がある.両者の変動の傾向にはよい対応が見られる.

降水量(1日の合計)， (g)相対湿度については，

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ブイの測定資料はないが参考のために気象台資料

前線や低気圧の通過をよくあらわしを示しておいた.(f)の降水量は(b)の日平均日射とあわせて，

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(g)

Fig.4. Time series of diurnal mean of observed data in 1984. Data incIud. ing precipitation and relative humidity at Yoichi Meteorological Station and Otaru Meteorological Station are also shown with dotted and dashed Iines， respectively.

沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測 19

Fig.5は，北海道中央水産試験場により 1日l回測定された試験場 (Fig.1の黒三角印)での気

象資料及び、試験場前で、の表面水温資料を示す. これらの値は先の Fig.4とよく対応している.

2.水温変動の特性

Fig. 3 (f)の水温変化については，中層及び下層において，日周期程度の変動があることがうかが

える. しかし， その周期性は日射や気温の変化ほどはっきりしたものではない. ここではまず，

水温変動が内部潮汐によるものかどうかを調べるために， 水温変化(f)と忍路における実測潮位(g)

との関係についてスペクトル計算を行った.計算は 7月21日から台風 10号くずれの強い低気圧

が通過する前の 8月19日まで(30日間， データ数 1440個)の記録について，自由度 14で、行った.

Fig. 6 (a)はノ守ワースペクトルの計算結果である.潮位については，日周期(D.P)，半日周期

(SD. P) にピークが見られるが， 日周期の方が強い.水温変化については，下層の水温変動の振

幅が大きく，等水温深度 (isothermaldepth)の時系列としては十分な長さの記録が得られなかっ

たので，水温値の時系列のままで，水温変動がもっとも顕著で、ある水深 40m 層の水温記録につい

てスペクトルを求めた.水温変動で、は， 日周期に卓越したピークが見られるのみである.

潮位変動と水温変動のクロススペクトルによる 2乗コヒーレンス及び佐相をそれぞれ Fig.6

(b)， (c)に示す. 日周期 (D.P)のところにコヒーレンスのピークが見られるが相聞は必ずしも高い

とは言えない. 逆に，慣性周期(1.P， 17.4時間)や半日周期 (SD.P)については， 水温変化の

パワー値は小さかったが，コヒーレンスには大きくはないがピークが見られる.また，周波数0.021

CPH (cycle per hour) (周期 48時間)付近にもコヒーレンスのピークが見られる. 周波数 0.021

CPH付近の変動については，今回の 1iJ!lJ点で、の水位や水温の資料からは何とも言えないが，沿岸

の地形に捕捉された長周期波が可能性のあるものとしてあげられよう. 潮位変動に対する水温変

動の位相は，周期 0.021CPHでは 42。遅れ， 日周期では 50。進み，慣性周期では 40"，半日周期で

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Fig. 5. Time series of meteorological data and water temperature data observed at Hokkaido Chyuo Fisheries Experimental Station (solid trian-gle in Fig. 1) in the corresponding period of the spar-buoy mooring. The data were obtained once a day.

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Fig.6. (a) Power spectra of tidal elevation and water temperature (40-m

layer). Time series from July 21 to August 19， 1984 (30 days， number of

data l440) are used for the spectral analysis with 14 degrees of freedom.

(b) Squared coherence between the two time series. (c) Phase. Positive

phase value means that the temperature change precedes the change of

tidal elevation. Vertical arrows with D.P， I.P， and SD.P indicate the

frequencies of diurnal tide， inertial osscilation， and semidiurnal tide，

respectively.

は49。遅れている.

内部汐潮による水温躍潮位変化に対応した中層及び、下層の水温変化は，上に見られたように，

潮位変化と水温変化の相聞は必ずしかしながら，層の上下運動に伴う水温変化を示唆している.

また↑貫性周期にも小さいながら相聞のピークが見られることから，しも十分高いとは言えない.

気象{憂乱等により生じた↑貫性振動に起因す内部潮汐による水温変動を基本的背景としながらも，

る水温変動の存在も考えられる.ちなみに， Fig.7は，中層ないし下層に見られる水温変動の個々

の時間変化と気象擾乱の関係をしらべたもの

である.測定気象要素から推定される前線ないし低気圧(以下，

する)の通過時を図中の上方の三角印 SIから S6に示した.特に S4は台風崩れの強い低気圧の通

あわせてストームと呼ぶことに

の周期(変動の峰から峰あるいは谷から谷の時間)

過に対応している.先のスペクトル計算を行った期間では， S" S2' S3のストームが通過してい

る.各 S2から S6の通過時には水温変動の周期性が失われ，その後，半日周期ないし慣性周期程度

の変動が見られる SIにおいては周期性は残っているが，やはり同様の日周期より短い変動が見

られる.

21 沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測

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Fig.7. Periods of the water temperature change and their relation to the

passage of storms from July 20 to September 12， 1984. The individual

peroids (trough-to-trough or crest-to-crest) of the water temperature

change were evaluated in the time series of the thermister chain data.

Triangles on the top indicate the passage of storms (SI， S2 and so on).

Fig.1の st.Bでの 1985年夏期の流速観同沿岸海域における近慣性内部波の存在については，

同海域は Fig.1に見られる水深 200mが陸棚の端

陸棚端で気象擾乱等にそこを境として沖合では急激に深くなっている.同報告では，

より励起された近慣性内部波が st.Bで測定され得ることを，

(1987) に報告した.測資料をもとに，金成ら

にあたり，

内部波伝播のレイ・トレーシング・

モデルにより示した.著者らは，今回の報告の 1984年の水温観測に加えて， 1985年(一部は金成

これらの資料を総合して、

気象擾乱と水温・流速の変動の関係について今後明らかにしていく必要があると考えている.

ら(1987)に報告)， 1986年に同海域で流速計の係留観測を行っており、

水温微細鉛直分布• l

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Table 1に示した日程で CTD及び XTGPによる水温鉛直分布の観測l係留系設置に平行して，

主たる観測期間中の係留系(サーミスタ・チェーン)による水温変化を Fig.8(a)に示を行った.

図中にの時間変化を示した.図(b)には図(a)の資料をもとに等水温深度 (isothermaldepth) す.

図(c)は各深さで川の水温勾配の変化を8月15・16日の集中観測時の観測時刻を太い縦線で示した.

成層の程度を知る際の目安となる.示したものであり，

誠一百樹・金成小賀

CTD言己主表1.

22

CTD， XTGP observations at St.B in 1984. Each RUN takes about 20 minutes.

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Table 1. 8月15・16日の集中観測

時，及び9月20日における CTD測定の結果を

Fig.9に 8月 1日，

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Temperature Bridge Model 602) による 2m000000

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8/16. 6:20 12:25 18:05

8403 8404 9405 8406 8407 8408

おきの測定である.残りの CTDデータは AD

変換値に基づき水深 0.5mおきの値をプロット

8月15・16日の水温分布では水深 20m した.

そ付近まで水温が比較的一様な混合層があり，

O O 8/20. 10:05 8409 しかし，先のサーの下に水温躍層が見られる.

ミスタ・チェーンの測定結果からも推察できる

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Fig.8. Concentrated observations of th巴 t巴mperature，salinity profiles by

CTD and XTGP， on August 15-16. (a) Overall temperature change

during the observations obtained by means of the moored thermister

chain. (b) The corresponding depth of the isotherm (deg. C) versus time.

Times of six runs of CTD， XTGP measurement (Table 1) are indicated by

thick vertical lines. (c) Isopleth巴sof the vertical temperature gradient

obtained. Unit in deg. C/m.

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沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測

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Fig.9. Temperature， salinity and density profiles by CTD in the concent. rated observations in 1984.

ストームの通過等の気これらの水温鉛直分布に見られる混合層の厚きや躍層の状態は，ように，

9 象条件のちがいや日周期程度の変動に大きく影響されていることに注意しなければならない.

混合層は底近くまで成長している.月20日の分布は水温，塩分とも底近くまで一様であり，

XTGPによる微細水温分布2.

Fig.10 (a)はシXTGPの測定システムの概略については Kanariand Koga (1985)に述べた.

ステムのブロック・ダイヤグラム， (b)はフ。ロープの形状を示す.使用プローブは市販の XBTプ

ロープに抵抗板を付け落下速度を小さくするよう工夫しである.本観測では落下速度は 23.3

cm/sである.Fig. 11は8月 15・16日の集中観測時の XTGPによる測定結果の例である.図の T，

DT/DZはそれぞれ測定された水温及び

これらの測定により以下に述べる海洋の乱れ

に関する諸量が求められる.

Osborn and Cox (1972)は微細水温変化の大きさの目安となる量として，

は後に述べる手続きにより計算されたものである.

次式で定義される

Cxを用いた.Cox数，

Cx= C dT' j dZ)2jC dTj dZ)2. .. ......... ..... ......... ......... .... ......... '" ........... ........ω

ただし，1'及び、 T'はそれぞれ平均水温及び水温の平均からのずれを表わす.(dT'/dz)2は一定の

さらに，鉛直渦拡散係数K三は Cxを用い次のように深さ範囲での dT'/dzの2乗平均を表わす.

24

XTGP

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(a)

小賀 百樹・金成誠一

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(b)

Fig.l0. XTGP (eXpendable Temperature Gradient Profiler). (a) Block diagram of data collection. Both the temperatur巴 Tand differentiated temperature (temperature gradient in high frequency range) dT'/ dZ are simultaneously recorded. (b) XTGP temperature probe (XBT probe with drag plates).

見積っている.

Kz = ( 2 ::!: 1 ) D . Cx.……………………ー………………………・………….....・H ・...(2)

ただし，Dは熱拡散率である.またその後，これらの量を用いて，エネルギー逸散率 εの評価も

Weinstock (1978) らにより試みられている.

今回の XTGPにより dT/dz， dT'/ dzの鉛直分布が測定できるが，測定値にはノイズが見ら

れ，特に高周波側で顕著で、あった.ここでは， ノイズ、が比較的ノトさくなる低周波側の成分のみを

扱うことにした.鉛直波数 kと周波数/はプロープの落下速度 wを介して，k=f/wの関係にあ

り，波数 hで50cycle/m以下の成分のみを扱った.具体的には水深 2mの範囲ごとに測定された

水温勾配値の波数のパワースベクトルを求め，波数 50cycle/m以下のパワー成分についてのみ和

を計算し，(dT'/dz)2とした.一方，d1'/dzは各範囲の上端と下端の水温差より求めた.

Dillon and Caldwell (1980)， Oakey (1982)等の従来の研究によれば¥ Cx，Kz，ε等を適切

に求めるには，少くとも 120cycle/m (長さのスケールで 8mm)程度まで波数分解能が必要とさ

25 沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測

(d)

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Fig.11. Example of profiles measured by XTGP. (a) Temperature profile T. (b) Profile of temperature gradient， dT'/ dz. (c) Vertically average profile of temperature gradient. The profile of dT/ dz is shown with circles. The rms averaged temperture gradient profileyI(dT'/ dzγis shown with triangles. (d) Profile of the estimated Cox number

T

HI人、".8403

8404

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2.5 ...L 2.0

ム1.5

0.01

dT/dZ (d・9ノm)

Fig.12. Root坦回nsquare of temperature gradient in high frequen.

cy range 、(ヨア/dz )2 versus dT/ dz

高波数まで考慮した ε値とDillon (1982)などの研究により，一方で，しかしながら，れている.

数 10cycle/mないし数 cycle/mの波数領域の水温変化には強い相聞があることが指摘されてい

る.今回の計算{直は高周波成分を除いたことにより，従来値より 1桁程小さい値となったが，

(dT'/dz)2， KムCx，ε等には相対値ながら本来のそれらの変化傾向が見られる.ちなみに， Fig

誠一

12 ~;I:/(万古予と dT/dz の関係を示すが，大すじの傾向としてパ万古予の大きいところはd仰の小さい混合層内に見られ，パ万混同乱れの強さの程度を強〈反映しているように思

百樹・金成小賀26

思われる.

今回は測器のノイズの問題があり ，Kz， Cx，ε等の量が比較的容易に測定できる平均的な水温

さらに外力としての海での風のストレス等とどういや密度の鉛直分布とどういう関係にあるか，

沿岸域の問題としては，先述の日周期から半日周さらに，う関係にあるかは言及できなかった.

期の顕著な水温変動がここでの微細な乱れスケールの現象ないしはごく短周期の内部波の現象と

どのように関係するか興味深い.Fig.8(c)はサーミスタ・チェーン記録より求めた水温鉛直勾配の

ひいては成層の強さは日周期から半日周期の顕著な水温変動

5erial observat旧ndata

(ロ日3.8123 (14: 10) o 8125 (9: 50) t. 8126 ( 9: 30)

Thermister chain data

(0∞(J>('"

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時間変化を示す.水温の鉛直勾配，

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，，『4

25

Fig.14. (a) Temperature profiles at and near St. A in 1983. Serial observation data near St. A were obtained by Hokka. ido ChyQo Fisheries Experimental Sta.

tion. (b) Sigma t versus T， estimated

from T， S data of the serial observation.

20 15

T (deg. C.)

Fig.13. Time series of meteorological data in 1983. Circles show diurnal mean of meteorological data at Otaru Meteoro.

logical Station. Meteorological data and water temperature data at Hokkaido ChyQo Fisheries Experimental Station

are shown by triangles. The period of water temperature observation by the

thermister chain mooring is shown by a horizontal segment in the bottom of the figure.

沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測 27

(躍層の上昇・下降)に伴い変動する.変動は高さにより微妙な位相のずれをもち，勾配の大きい

ところ，小さいところは図で見てパッチ状に散在している.これらの特性は短周期の内部波の崩

れ等による乱れの生成過程に強〈関連すると思われる.次の章では，データのサンプル時間間隔

の短い 1983年のサーミスタ・チェーンの資料により，水温躍層における短周期(周期 3時聞から

10分程度まで)の水温変動の特性について検討する.

IV.サーミスタ・チェーン記録に見ら

れる短周期水温変動の特性

ここで使用するデータは 1983年 8月30日から 9月3日にかけて， Fig. 1， st. Aにおいて，水深

24 mから 44mまで (2mおき 11層)の深さに設置されたサーミスタ・チェーンによって得られ

た.データのサンプル時間間隔は 1分である.当観測では気象要素の測定は行われなかったので，

参考のために同時期の小樽気象台における風速，気圧，降水，気温の資料及び北海道中央水産試

験場前での風速，気温，水温の資料を Fig.13に示す.観測に先立つ 8月29日には低気圧の通過

(a) 1珂?・ lalsmla191119lZE11913

室内 Ti由 ---¥ ー------- /"一~~ぷ町、J \~ \~ ¥:.....7C

工 1、~

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(b) !:j ~ Water temperature

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(d) q e、d

、、d，P，J :::

Fig. 15. (a) Tidal elevation at Oshoro Tidal Station in 1983. (b) Water temperature by the moored thermister chain， between the depth 24 m and 44 m (11 layers). (c) Isothermal d巴pthevaluated

from the chain data. (d) Isoplethes of the vertical temperature

gradient evaluated.

誠一百樹・金成小賀28

が見られ，観測期はその後の水温降下から水温回復期にあたる.Fig. 14 (a)にはサーミスタ・チェー

ンによる水j昆プロフィルとともに 8月23日から 26日にかけて st.Aの近傍で11"われた北海道中

S資料から求めた水央水産試験場の定期観測による水温鉛直分布を示す. (b)には定期観測のT，

温Tと密度的の関係を示す.

日周期から半日周期程度の変動の特性1.

(。 M t加。9~ !rs>匂r旬宝pen旧。d

d. Cre51-to' cre51 pe-riod

Diu~

Fig. 15 (a)は測定期間中の忍路における潮位

マ三o c')

の変化， (b)はサーミスタ・チェーンによる水温

~i / Q ^ 0Inerlial P

v Semi-diurnal p.

(明』コ

OZ)ロO一広凶仏

記録を示す. (c)， (d)はそれぞれ水温記録をもと

に求めた等水温深度の変化及び水温鉛直勾配の

変化を示す.(b)の水温記録には 1984年の水温記

録 (Fig.3 (f))に見られたように日周期から半日

、，」しかし，周期程度の顕著な水温変動がある.

8/29 8/3ぱ) 8/31 9/1 9/2

o F

こでも図(a)の潮位との相聞は必ずしもよくな

TIME (days) い.Fig.16は第II章の Fig.7と同様な方法で，

Fig. 16. Periods of the water temperature

change eva!uated in the thermister chain data and their relation to the passage of a storm， in the late summer， 1983. Def-initions are jhe same as thos巴 inFig. 7.

気象擾乱と個々の水温変動の周期との関係を示

測定開始時はストームの通過したものである.

ほぽ慣性周期の変動が見られ，

後半では日周期に近い変動に選移している.

直後にあたり，

Fig. 17 (a)は 9月1日から 9月3日にかけて

サーモクラインにおける慣性周期ないの水温変動を等水温深度の変化として示したものである.

し日周期の主要な変動は，変動波形の前方斜面が急て1背の斜面がゆるやかな非対称な波形となっ

Cairns (1967)が述べたように，徐々に浅くなる岸に向かう内部波の波形の非これは，ている.

このような沿岸域の内部波の非対称な形状は，対称(前のめり型)に対応するものであろう.

Serebryanyy (1985)等の多くの観測例で見られる.Matsuyama and Teramoto (1985)，

短周期水温変動の特性2.

Fig. 15 (b)， (c)によると慣性周期程度の水温変動に重畳して，数時間の周期から 1時間に満たな

ここで、は水温回復期の 9月1日から 3日いこく短周期までの水温変動が存在することがわかる.

にかけての等水温深度の詳細な変化を先の Fig.17 (a)に示すとともに， (b)には(a)の記録のごく矩

の設計によるバターワース型周期成分のみを示した.ハイパスフィルタ一作業には斎藤 (1978)

ハイパスフィルターを使用した.なお低周波側のカットオフ周波数は 0.3CPH (周期約 3.3時間)

今回使用のサーミスタ・チェーンの水温センサの応答時間は約 1分であり 10CPH程度

9月1日15時ころ)

までは十分応答性がある.

ごく短周期の変動には，各層で位相のずれがほとんどない変動(例えば，

とした.

沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測

(a) 1983. 9/1 9/2 9/3

寸守、a

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ト仏ー(T')

比~口 (T')

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(b) I ~i門n_n ::3c:.c:. .~ _ 1¥)o"J " 1¥. It j. 20.C

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18 17.5

17

I2m ""'w \J"TVV'VIY.，.，・、;v戸可引、..，Y'W'~附WVIV""Y'\円、叫 16.5 "'"ん、AA.此.A，，..Nvo.f¥lfl..，， 山lAoA.rL.r'I.""，，， Ir-. .州 M 16

Fig.17. (a) Isoth巴rmaldepths as a function of time in early Septem-ber， 1983 evaluated from the thermister chain data. (b) High-frequency fluctuations of isothermal， high-pass filtered with a lower cutoff frequency 0.3 CPH.

29

と各層で位相が少しずつずれている変動(例えば， 9月2日2時ころ)が混在している. Serebry-

anyy (1985)は沿岸域の観測で半日周期の内部潮汐により水温躍層が上昇する位相(波形の前方

斜面)でごく短周期の内部波が顕著で、ある例を報告している.本観測では記録長も短<.水温躍

層の主要な変動の位相と短周期内部波の分布にはそれほど明瞭な関係はない.ただ， 9月1日15

時ごろの各層の位相のずれのない短周期の変動を例外的なものと見なせば，フィルター後の Fig.

17 (b)に見られる変動の振幅の大きいところは主要変動の谷から前方斜面にかけた位相で見られ

る{頃向にある.

Fig. 18 (a)， (b)はFig.17 (b)の 16.5"Cの等水温深度の変動に対する各等水温深度のクロススペク

トルを求めたものである. (a)は二乗コヒーレンス， (b)はフェイズを示す.後に示すパワースペク

トル (Fig.19)でピークの見られる周波数 0.9CPH及びその高調波にあたる1.8CPH付近でコ

ヒーレンスも大きい.周波数 0.9CPHのピークが何を意味するかはよくわからないが，位相は

16.5"Cの等水温深度の変動に対して上方にいくにつれ少しずつ遅れている.

Fig.19はFig.17 (b)の等水温深度の時系列のパワースペクトルを示す.ここでは，解析周波数の

制限があり明瞭で、ないが， 2 CPHより低周波数側では内部波に関する GMスベクトル(Garrett

and Munk， 1975)の周波数 fに関する f-2型のスペクトル勾配の存在がうかがえる.しかしなが

誠一百樹・金成小賀

(a) Squared coherence

19.5

18.5

17.5

17

16.5

19

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30

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18.5

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FREQUENCY (CPH)

0.5

Fig. 19. Power spectra of time series of isotherm displacement shown in Fig. 17 (b). The scale on the ordinate axis is given for 19.50C spectrum. Scales for other spectra are given in successive shifts by a factor of lO-1/2 from previous one.

Fig. 18. (a) Squared coherence relative to the 16.5"C isothermal fluctuation. (b) Phase. Solid and dashed lines indicate positive and negative phase differences with the intervals of 20 degrees relative to 16.5"C isothermal， respectively.

ら，それより高周波側ではいずれの等水温深度についても f-3型がよくあてはまる.Fig. 14 (b)を参

9月1日から 3日における平均的水温勾配より求めたパイサラ周波数は 10CPH程度であ照し，

GMスペクトルは，本来ノ〈イサラ周波数より低周波数のスペクトル領域についてモデル化さる.

れたものであり，パイサラ周波数においてするどいカットオフをもっ.従って，パイサラ周波数

近辺では十分よいスペクトル表現を与えない可能性がある.今回見られた f-3型のスペクトルは，

Serebryanyy (1985)， Levine et al. (1985)等の観測例に広〈見Brekhovskikh et al. (1975)，

られる.f-3型のスペクトル勾配は多くの場合パイサラ周波数よりやや低周波数の領域を含めて存

在する.

土述のパイサラ周波数付近のスペクトル構造については，微細なステップ状の密度成層場があ

Phil-

Levine and lrish

る場合には，短周期の内部波や乱流がなくとも f-2型のスペクトル構造を持ち得ることが，

その後類似の議論がGarrettand Munk (1971)， lips (1971) により示され，

沿岸域における季節水温躍層の周期的変動と微細水温分布の観測 31

(1981)らによってなされている 特にスベクトルの傾きについては，ステップ構造の明瞭さの程

度に依存し，今回見られた f-3型のスベクトルもこのような考え方で説明され得る余地が残され

ている.ただ，パイサラ周波数より高周波の領域では内部波としての特性が失われることを考え

れは¥乱流場の特性を考慮、した議論が必要となろう.また，高周波領域では，スペクトル形状は

ドップラー・シフトの影響を強〈受けていることも考えられ，スベクトル構造は単純に議論でき

ないと思われる.このような事情からか，従来の観測結果の解析ではここで吟味した高周波領域

のスペクトル形状については積極的な議論が少なかったように思われる.

v.まとめと今後の課題

本報告では，主として沿岸域に係留されたサーミスタ・チェーンの観測資料を用い， 日周期程

度より短い周期について，季節水温躍層の変動特性を調べた.その結果はおよそ次のようにまと

められる.

(l)水温躍層には，平均的に見れば日周期程度の周期の卓越した変動が存在する.また，ストー

ムの通過に対応して，慣性周期(17.4時間)程度の変動も励起きれる.これらの水温躍層の変動

特性は，流速観測資料や気象資料と照しあわせ，今後さらに吟味する必要がある.

(2)上述の日周期から半日周期程度の水温躍層の主要な変動は，岸に向かう少し前のめり形状を

もった内部波の様相を示しており，これらの変動には周期が数時間から数分に至るごく短周期の

変動が重畳している.今回の CTD，XTGPの観測ではごく短周期の内部波や乱れの特性が水温躍

層の主要な変動の位相とどのような関係にあるかは十分明らかにはできなかった.しかしながら，

沿岸城において内部波の崩れや乱れによるエネルギー消散を考える際には，これらの位相関係に

注目することが必要となろう.

(3)周期 30分から 6分(パイサラ周波数程度)の短周期の等水温深度変位 (isothermaldisplace-

ment)のスペクトルは，周波数fに関して f-3型であった.これは従来の GMスペクトルの f-2型

とは異なる.f-3型のスベクトルについては，微細な水温ステップ構造の存在効果などさまざまな

成因が考えられている.具体的に成因を明らかにするには，躍層内での水温，塩分，流速の連続

観測に水温の微細鉛直分布の観測lを効果的にむすびつける必要があろう.

謝辞本研究を遂行するにあたり，係留系の設置に協力していただいた小樽市漁業協同組合並

びに同漁協忍路漁区の方々，また，係留系の設置・回収作業及び集中観測を手伝っていただいた

北海道大学理学部海洋物理学講座の竹内謙介氏並びに院生・学部 4年生諸氏に心からお礼申し上

げる.同理学部忍路臨海実験所の信田和郎氏には観測期間中いろいろお世話になった.論文中の

北海道中央水産試験場の測定による資料に関しては，同試験場の茄子川郁夫氏，鹿y-一良氏にお

世話になった.忍、路検潮場の潮位資料は建設省国土地理院より提供していただいた.陸上の小樽，

余市の気象資料は札幌管区気象台よりいただいた.XTGP観測資料の解析に際しては，北海道大

学理学部海底地震観測施設の AD変換器を使わせていただいた.その際，同施設の岩崎貴哉氏に

32 小賀百樹・金成誠一

お世話になった.また同氏からはバターワース・フィルター使用に関しても助言をいただいた.

本研究の一部は文部省科学研究補助金(課題番号58460044)によった.あわせてお礼申し上げる.

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