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研究目的
創価大学工学研究科環境共生工学専攻と横浜国立大学大学院環境情報研究院は、1995年より現在に至る17年間、相模湾沿岸の定点において海洋観測を実施してきた。太陽光放射の要素の1つである光合成有効放射（PAR）は、植物プランクトンの光合成のエネルギー源となるが、一方で紫外線放射（UVR）は水中内の生物のDNA損傷や一次生産の減少を引き起こす要因となっている。これらの光放射は水中内に含まれている光吸収物質によって吸収され、躍層の形成状態による光吸収物質の分布によって、光の透過深度は制限される。温帯沿岸域においては、水中内の物質の挙動や躍層の形成過程は季節的に変動し、その結果、光の透過深度も季節的に変化することがわかっている。また、光を吸収する複数の要因が複合的に関係することで光の透過深度は決定される。
本研究では、相模湾において、17年以上にわたって蓄積されたデータを解析することで、光と光減衰の要因である光吸収物質および深度方向の環境要因データの中長期変動を明らかにすることを目的としている。相模湾沿岸域における光と光吸収物質や環境要因の中長期変動の傾向を明らかにすることで、沿岸域における地球温暖化やエルニーニョ等の気象現象との関連性を理解できる可能性がある。また、水中内の光透過は植物プランクトン生産を通して生態系の生物生産に関与しており、相模湾沿岸域おける生物生産変化の理解につながる。
成果
2012年5月より月2回にわたって、中野純司教授に経時データ解析の理論から応用まで、また、実際にフリーソフトRを用いての経時データ解析の手法等をご教授して頂いた。経時データ解析では特に混合効果分散分析モデル、成長曲線モデルの解析手法を学び、これらの解析手法を用いて各観測項目の季節性の確認、モデル化の検討を行っている。
相模湾沿岸域での月例海洋調査における観測項目としては、光放射量、水温、塩分、クロロフィルa濃度（Chl. a濃度）、懸濁態有機炭素（POC）、有色溶存態有機物（CDOM）、動物プランクトン生物量を測定している。光放射量は、5種類の波長域において、水深80 mまで1秒間隔で測定し、得られた光放射量の深度プロファイルから光減衰の指標となる減衰係数（Kd）の値および光透過深度を各波長域で算出した。Chl. a濃度とPOC、そしてCDOMは、1995年から1996年までの期間は0, 10, 20, 30, 50, 75 mの計6深度、1997年から2005年までの期間は0, 10, 20, 30, 40, 60 mの計6深度、2006年以降は0, 10, 20, 30, 40, 60, 100 mの計7深度から採水し、測定を行っている。動物プランクトン生物量は水深0-50 mの範囲における単位体積当たりの平均値として算出している。現段階で、各測定項目の月変動、中長期傾向、各測定項目間の関係性の解析を終えた。その解析結果を2012年7月に滋賀県で開催された先進陸水海洋学会（ASLO）にて口頭発表、10月にスコットランドにて開催されたOcean Optics XXI Conferenceにてポスター発表、2013年3月に東京で開催された日本海洋学会春季大会にてポスター発表を行った。今後は、混合効果分散分析モデルを利用し、光透過率および光吸収物質の季節性の確認を行い、それらの結果をもとに、光透過率のモデル化を順次進めていき、相模湾沿岸域における海洋環境の変化の理解に努めていきたい。
以下に、発表した研究業績とそれらの要旨を記した。
1. Nozaki, S., V. S. Kuwahara, J. Nakano, S. Taguchi, T. Kikuchi and T. Toda, 2012.
Time-series variability of ultraviolet radiation penetration in the temperate coastal waters of Sagami Bay, Japan.
-2012 ASLO Aquatic Sciences Meeting, Lake Biwa, Shiga, Japan, 8-13 July 2012, Abstracts: 26.
Ultraviolet Radiation (UVR) and Photosynthetically Available Radiation (PAR) penetrate the air-water interface where the attenuation of light into the water column is controlled by absorption and scattering. In order to analyze the temporal variability of the penetration of UVR and PAR, spectral analysis which detects the frequency contained within a time-series was applied to the 16 year data set of UVR and PAR penetration in the coastal waters of Sagami Bay. The 12 month cycle was provided for the penetration of UVR, and the 12 and 6 month cycles were provided for the penetration of PAR. The monthly variations of the 10% penetration depth of UVR at 320 nm followed a sinusoidal pattern, and showed maximum median in August (3.1 m) and minimum median in February (12.1 m). The monthly variation of the 1% penetration depth of PAR followed a bimodal distribution, and showed maximum of median in April (34.1 m) and October (37.6 m), and minimum median in January (66.6 m). Results from the spectral analysis coincide with those from the monthly variations.
2. Nozaki, S., V. S. Kuwahara, J. Nakano, S. Taguchi, T. Kikuchi and T. Toda, 2012.
Seasonal variability of UVR penetration and bio-optical factors during a 16 year time-series in the coastal waters of Japan.
-Ocean Optics XXI Conference, Scotland, 8-12 October 2012, Abstracts: 118.
The medium- to long-term time-series of the penetration of ultraviolet radiation (UVR), photosynthetically available radiation (PAR) and bio-optical properties in the coastal waters of Sagami Bay were analyzed for 16 years (1995-2011). The observations repeated monthly over several years allow the description of temporal variability in the bio-optical environment, and potential discovery of regular and recurrent cycles and recurrent patterns. Median of bio-optical parameters displayed distinct seasonal patterns of high particulate concentrations (Chl-a and POC) during the spring followed by increases in dissolved matter (CDOM and DOC) coupled with strong stratification patterns during the summer months. The monthly variability of Chl-a showed peak of the median in March, June and October, and the monthly variability of CDOM showed maximum median values in August. The monthly variability of the 10% penetration depth of UV-B at 320 nm (biologically effective depth) showed minimum and maximum median values in August (3.1 m) and February (12.1 m), respectively. The monthly variability of the 1% penetration depth of PAR (euphotic layer) showed two seasons of minimum values in April (34.1 m) and October (37.6 m), and maximum median penetration in January (66.6 m). Spectral analysis results suggest consistent frequency in seasonal variability with no significant inter-annual or long-term deviation from the mean. The results of the cumulative sums method suggested that time series may have different patterns at every wavelength, and show an 8-12 year decreasing trend followed by an increasing trend. Time-series analysis suggests UVR and PAR penetration are strictly coupled to interchanging bio-optical factors governed by water column stratification.
3. Nozaki, S., V. S. Kuwahara, J. Nakano, S. Taguchi, T. Kikuchi and T. Toda, 2013.
Temporal trend variability of light penetration and bio-optical factors in the coastal waters of Sagami Bay.
-2013年度日本海洋学会春季大会（東京海洋大学）、2013年3月、講演要旨集: 214
和文タイトル：相模湾沿岸域における光透過率と生物光学的要素の時系列変動
相模湾では1995年より現在に至るまで光透過率や生物光学的要素、環境要因の観測が行われている。本研究では、光学的環境および生態系構造を把握するために、過去16年間にわたって蓄積された時系列データを解析し、光透過率と生物光学的要素の季節変動および中長期傾向の関係性を明らかにすることを目的とした。生物光学的要素の季節性は16年間で似たような傾向性を示し、再現性のあるものであった。クロロフィルa濃度は16年間で2度、増減の傾向性が変化し、有色溶存態有機物は約8年間減少した後、増加する傾向性を示した。季節周期および中長期傾向において光透過率と生物光学的要素の変動パターンは類似の傾向性を示すことが確認された。
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