Surface mixing and dispersion of radioactive tracer due to submesoscale eddies off the northeastern Pacific coast of Japan

東北・北関東太平洋沿岸域における準中規模渦による表層の放射性核種の混合

上平 雄基   ; 川村 英之  ; 小林 卓也 ; 内山 雄介*

Kamidaira, Yuki; Kawamura, Hideyuki; Kobayashi, Takuya; Uchiyama, Yusuke*

本研究では、米国で開発された領域海洋モデリングシステムROMSを用いて、2段階のネスティングにより福島県沖合を対象として、水平解像度を1キロメートルまで高解像度化することが可能なダウンスケーリングシステムを構築し、準中規模渦に伴う沿岸海洋力学過程を解析するとともに、それらが福島第一原子力発電所起源の放射性セシウムの輸送に与える影響を評価した。ダウンスケーリングに必要となる水温・塩分等の海洋物理場の初期・境界条件データには、気象庁気象研究所で開発された海洋データ同化システムMOVEで計算されたデータを使用した。表層渦運動エネルギーと密度の分散の空間分布には明確な対応が見られ、福島県沖合では傾圧不安定による渦生成が引き起こされることが分かった。また、原子力機構が開発した海水中物質移行予測モデルSEA-GEARNを用いて、福島第一原子力発電所から海洋中に放出された放射性核種の移行計算を実施した。その結果、放射性セシウム濃度は、沿岸では準中規模渦と陸棚波によって支配されるのに対して、沖合では中規模渦によって支配されていることが示唆された。さらに、福島県沖合では傾圧不安定によって引き起こされる乱流が、放射性セシウムの輸送に大きな影響を及ぼしていることが示された。

A multiple nesting technique enables us to examine submesoscale eddies and their effects on surface mixing and associated material transport (e.g., Kamidaira et al., 2016). In this study, downscaling simulations for the coastal margin off Fukushima are conducted by using ROMS with a horizontal resolution of 1 km. The oceanic initial and boundary conditions are given by an oceanic data assimilation system MOVE developed at Meteorological Research Institute (MRI), Japan Meteorological Agency (JMA). Energy conversion analysis exhibits that surface eddy potential energy to eddy kinetic energy (EKE) conversion through baroclinic instability is substantial in vorticity generation in this area. A further simulation is performed on oceanic dispersion of a radioactive tracer released from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant to investigate eddy-induced mixing using an offline, oceanic tracer dispersion model SEA-GEARN developed at Japan Atomic Energy Agency (JAEA) (Kobayashi et al., 2007). A spatial moment analysis with respect to the center of gravity of the concentration reveals that tracer dispersion occurs with two distinct regimes leading to anisotropic transport in the zonal and meridional directions. The first regime lasting for about 5-8 days after the tracer release are mainly caused by coastally-trapped alongshore jet and submesoscale eddy-mixing. The subsequent regime occurs after the tracer is sufficiently dispersed offshore where mesoscale eddies play more dominant roles. Moreover, time series of zonal and meridional tracer variances fluctuate with enstrophy, area averaged density anomaly and EKE. These results clearly illustrate that fluctuating submesoscale and mesoscale eddy field induced by baroclinic insatiability evidently affects the tracer dispersion off Fukushima.