気象と物質循環構造が近年変化する湖沼・沿岸域の貧酸素化機構の解像

阐明近年来气候和物质循环结构发生变化的湖泊、沼泽和沿海地区的缺氧机制

• 批准号: 21H01435
• 负责人: 入江 政安
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01435/
• 关键词: 貧酸素水塊; 気候変動; 栄養塩; 数値シミュレーション; データ同化; 4次元変分法; 二重数; 溶存酸素; 流動水質モデル; 貧酸素化; 琵琶湖; 大阪湾; 酸素生産消費機構; 植物プランクトン; 諏訪湖

本年度は4次元変分データ同化シミュレーションによって得られた水質モデルのパラメータ推定値を用いることにより，水質モデルのパラメータ設定に起因する再現予測性能の低下を極力排除した上で，将来気候が貧酸素水塊の象徴に及ぼす影響を評価した．RCP8.5に基づく将来の気候変動による水温上昇は，春から夏季にかけて貧酸素水塊の早期拡大を引き起こし，6月の月間累計体積は現況に比べて63%増加することが示された．また，現況と比べて鉛直方向への発達ペースが速く，その要因は一次生産の増加，および水温上昇に伴う無機化によるDO消費量の増加であると考えられた．また，将来気候では湾奥中層における貧酸素水塊の急激な拡大や，盛夏の体積の縮小が起き，貧酸素水塊の面積より体積，つまり水柱全体の空間分布によって評価する重要性が示唆された．また，室内実験により植物プランクトンの減少速度とその間の酸素消費量を推定することで，水質シミュレーションの再現性向上を図った．実験値を活用した3次元流動水質シミュレーションでは，酸素窒素比（結果的に炭素窒素比）が大きい程，また呼吸速度が小さい程，過飽和状態を再現できた．溶存酸素濃度の急激な日変動を再現するに当たっては，呼吸速度よりも炭素窒素比を変更した方が容易に再現性を得やすいことを示した．さらに，湖沼モデルの精度向上を図った．浅水湖沼における底層貧酸素化を招く水温成層構造の数値再現性を向上させるため，底面を非断熱とする湖沼モデルを構築しているが，非断熱モデルは断熱モデルと比べて，底面の孤立した冷水塊をより再現可能とし，結果として，モデル改良が貧酸素水塊の再現性向上に寄与した．また，日成層は一時的な溶存酸素濃度低下を招き，それが継続することによって貧酸素化し，逆に風応力により容易に底層溶存酸素濃度が回復することを示した．

今年，我们将利用四维变分数据同化模拟得到的水质模型参数估计值，尽可能消除因水质模型参数设置造成的再现预测性能恶化，预测未来气候是否会发生变化。评估了缺氧水对肿块象征意义的影响。研究表明，基于RCP8.5的未来气候变化导致的水温升高，将导致春季到夏季缺氧水团提前扩张，6月份月累计水量将比目前增加63%。此外，垂直发展的速度比目前的情况更快，这被认为是由于初级生产的增加以及由于水温上升引起的矿化而导致的溶解氧消耗的增加。另外，在未来的气候下，海湾中层的缺氧水团将迅速膨胀，盛夏时的体积将缩小，这表明根据体积来评估缺氧水团的重要性，即，整个水柱的空间分布，而不是其面积。此外，我们试图通过实验室实验估算浮游植物的下降速度和这段时间内消耗的氧气量，以提高水质模拟的再现性。在使用实验值的三维流动水质模拟中，氧氮比（以及碳氮比）越高、呼吸速率越低，越能再现过饱和状态。在再现溶解氧浓度的每日快速波动时，我们发现通过改变碳氮比比改变呼吸速率更容易获得再现性。此外，我们尝试提高湖泊模型的准确性。为了提高浅水湖泊和沼泽中引起底部缺氧的水温分层结构的数值再现性，我们构建了非隔热底面的湖泊模型，模型改进使得冷水团的再现性更好。结果，模型的改进有助于提高贫氧水团的再现性。此外，研究表明，地层溶解氧浓度会暂时降低，如果这种情况持续下去，就会发生脱氧，相反，底层溶解氧浓度很容易在风应力的作用下恢复。

项目成果

MODEL ANALYSIS CONSIDERING BOTTOM HEAT TRANSFER ON WEAK THERMAL STRATIFICATION IN LAKE SUWA

考虑诹访湖弱热分层底部传热的模型分析

• DOI: 10.2208/jscejhe.77.2_i_1081
• 发表时间: 2021
• 作者: 奥田雅貴; 入江政安; 中谷祐介; 宮原裕一; 豊田政史
• 通讯作者: 豊田政史

EXPERIMENTS ON PHYTOPLANKTON-RELATED OXYGEN CONSUMPTION AND SIMULATION OF DIURNAL OXYGEN VARIATION IN ESTUARINE SURFACE LAYER

河口表层浮游植物耗氧量实验及氧日变化模拟

• DOI: 10.2208/kaigan.78.2_i_787
• 发表时间: 2022
• 作者: 大江 里奈; 永野 隆紀; 入江 政安; 霜鳥 孝一
• 通讯作者: 霜鳥 孝一

Influence of boundary conditions on modeling water temperature and quality in a shallow stratified lake (Lake Suwa, Japan)

边界条件对浅层分层湖泊（日本诹访湖）水温和水质建模的影响

• DOI: 10.3850/iahr-39wc2521711920221509
• 发表时间: 2022
• 作者: Masayasu Irie; Masaki Okuda; Yuichi Miyabara; Yusuke Nakatani; Masashi Toyota
• 通讯作者: Masashi Toyota

ESTIMATION OF HYPOXIA VOLUME IN OSAKA BAY BY EXPERIMENT OF SEDIMENT OXYGEN CONSUMPTION WITH AIRTIGHT CORES AND DATA ASSMILATION

气密芯沉积物耗氧量实验与数据同化估算大阪湾缺氧量

• DOI: 10.2208/kaigan.77.2_i_853
• 发表时间: 2021
• 作者: 入江政安;永野隆紀;霜鳥孝一
• 通讯作者: 霜鳥孝一

Numerical Simulation To Analyze The Effect Of Diurnal Stratification On Bottom Hypoxia Development And Recovery In Lake Kasumigaura, Japan

数值模拟分析日层结对日本霞浦湖底层缺氧发展和恢复的影响

• DOI: 10.3850/iahr-39wc2521711920221012
• 发表时间: 2022
• 作者: Yueyi Wang; Masayasu Irie; Yusuke Nakatani; Ayato Kohzu; Takao Ouchi; Miyuki Yuzawa
• 通讯作者: Miyuki Yuzawa