東京大学産学連携プロポーザル

海表面の流れや海上の風情報は、大気と海洋の相互作用を理解する上で欠かせない要素である。近年ではリモートセンシング技術の発達により、気象衛星を用いて全地球規模の海表面流や海上風を推定できる。しかし、気象衛星による観測は1日最大2回という時間解像度のため、環境の細かい時間変化を捉えられない可能性がある。さらに、沿岸域では陸地の影響で衛星による推定が困難である。 滑空するミズナギドリやアホウドリの飛行をバイオロギングによって測定したところ、海鳥の位置情報から、海表面流や海上風を推定することができた。このデータによって、従来の気象衛星による観測の空白を補間できるようになる。これまでの研究で、動物を用いた海洋観測で得られたデータを大気・海洋モデルに入力するとモデルの予測精度が向上することが知られている。

海洋や空中といった三次元空間を自由に動き回る野生動物は、直接観察が難しいために、その行動や生活史、あるいは周辺環境について多くの謎が残されている。小型の記録装置を動物に搭載し、動物自身にデータをとってこさせるバイオロギング手法によって、想定していない意外な発見も含め、数多くの発見がもたらされた。 　1.深度・速度・加速度・地磁気・緯度経度・温度・高度といったパラメータの時系列記録により、動物の水中や空中の3次元行動を秒単位で把握できるようになり、個々の生態解明のみならず、種間比較研究が可能となった。 　2.静止画や動画を記録できる動物搭載型小型カメラの開発により、動物目線で周辺環境や他個体との相互作用を研究できるようになった。 　3.塩分記録計や採血装置の開発により、動物の生理行動情報を生息環境下で測定できるようになった。

我が国では、環境の保全上「健全な水循環」の確保が、環境政策の基本の一つとして謳われており、その実現にむけての様々な取り組みがなされている。さらに、地球規模の気候変動が水循環や流域環境に与える悪影響がますます懸念されるなか、特に影響の大きい東アジア諸国を含めて、持続可能な水利用システムの確保にむけた、緩和策や適応策の検討も急務の課題となっている。これらの問題の解決において、水循環や流域環境（物質循環、生態系）の状態を、できるだけ精確かつ簡便に評価することは、もっとも基本的な課題の一つであろう。これらの客観的な情報は、水資源や水環境の管理、利用、保全に関わる主体間での合意形成や、対策の立案、また、施策効果の評価のうえでの重要な判断材料となるからである。 新しい状況への対応や、複雑な流域システムの把握のため、従来から流域環境の評価に用いられてきた全リン、全窒素、BOD、CODといった水質指標や、各種の生物指標などに加えて先端的な技術を利用した、より詳細かつ効果的な流域環境評価手法の開拓が求められている。 以上のような背景をふまえ、本研究室では、先端的な安定同位体精密分析技術を駆使した、新しい流域環境評価手法の構築を提案した。環境中に存在する元素（炭素、窒素、酸素など）の安定同位体比には、水や物質の起源や、生態系の状態に関する情報が記録されている。そこで、我々は、流域圏の様々な構成要素がもつ各種安定同位体比を、先端的な技術を駆使して体系的に調べ、そこに刻み込まれた情報を解析するとともに、得られた知見の総合化を行った。

日本では、水産物需要の減少、漁業者の高齢化などによって、生産規模が縮小しつつある。一方で、世界では、水産物需要は急増しており、特に養殖生産量は急速に伸びている。 この研究室では、省人化、省コスト化によって、効率的な海洋食料生産システムの開発を行ってきた。高波浪対策、水温調節、赤潮対策等に使用できる浮沈式生簀や可変深度型生簀、定置網漁業の自動揚網システムなどの水槽実験技術や運動解析技術を開発してきた。併せて、自動給餌システムや無線映像伝送装置による管理システムなどを開発してきた。これらのシステムをマグロ、ギンザケ、ブリなどの養殖海域に適用し、その効果を実証してきた。

海洋における養殖、再生可能エネルギー利用、海底資源利用などでは、環境と調和した開発が求められる。 この研究室では、海洋構造物や生物の成長特性に関するファクターを組み込んだ流れ場・生態系結合数値モデルの開発や、生物を用いた水槽実験技術の開発を行った。これらの技術によって、良好な環境を維持しつつ、養殖や再生可能エネルギーの生産規模を最適化したシステムを構築することができる。

地球環境保全や環境修復に対する関心は大きくなっている。沿岸や湖水域における環境変化は生活に密着しているので、影響が大きい。 この研究室では、富栄養化や温暖化に伴って湖沼や沿岸域の水質や底質が悪化する現象の解明に取り組んできた。東京湾、カスピ海、琵琶湖、霞ヶ浦、池田湖、諏訪湖の物質循環に関する流れ場－生態系結合数値モデルを構築し、シミュレーションにより溶存酸素濃度の低下などの様々な現象を解析している。

大気よりはるかに大きな熱容量と物質溶解度をもつ水は、地球環境を構成する最も重要な要素である。特に、地球に存在する水の97%を占める海水と海水を運ぶことで熱や物質の分布を決める海流は、気候や環境に支配的な影響を与えている。こうした重要性と海への知的探求心により、この研究室では海洋大循環の研究を進めている。 未知の領域である深層については、深層循環の全体像をとらえるために流速の長期測定が重要であり、深海に１～２年設置する係留系に測器をつけて流速や水温・塩分の連続測定を行っている。ひとつの測器からはその点でのデータしか得られないため、空間的な広がりを知るには多くの測器を設置する必要がある。そのため、高性能な流速計や水温・塩分計が安価で手にはいることが望まれるが、現在の機器は高価なものとなっている。

海洋プラスチックごみの大部分は大河川から大雨の時期に集中的に海に流れ出す。東シナ海の大河川から放出されたプラごみは、その後海流によって対馬海峡の狭い領域に空間的、時間的に集約されると考えられるため、集積帯の位置と時間がわかれば効率よくごみを洋上で回収できるはずである。そこで、し、対馬海峡におけるゴミの集積帯を空間的、時間的に特定する。東シナ海周辺国の各河川から放出した粒子のうちどれくらいが対馬や日本海沿岸のビーチに漂着したかを求め、実際のビーチでの調査結果のデータと連立方程式をたて、これを解くことで各河川から出たゴミの量を推定する。この結果から対馬海峡にて漂流プラごみを効率よく洋上回収できれば、日本海沿岸域での漂着プラごみの量を減らすことができ、ビーチの清掃にかかる費用を大きく削減できることになる。

地下の温度構造は、地震・火山活動、地殻変動などの諸現象の解明や、石油・ガス、メタンハイドレート、地熱などの資源開発において、欠かせない情報である。地下深部の温度は直接測定できないため、地表面で観測される熱流量（地下から流出する熱の量）に基づいて推定することが必要である。 この研究室では、主に海域における熱流量測定を行っており、水深7,000mに至る深海底で熱流量を測定する機器や、得られたデータを解析する手法の開発研究を進めてきた。さらに、その測定結果や他の地球物理データを用いて、日本列島などのプレート沈み込み帯の地下温度構造を推定している。  

地球温暖化が進行し、全地球規模の環境劣化が懸念される中、食料となる海洋生物資源 (水産資源) の安定的な確保は極めて重要な課題の一つとなっている。最近の研究によると、海洋生物資源の変動は海水温や海流といった海洋の物理環境の変動と密接に関係することが明らかになっており、海洋物理環境の変動メカニズムの解明と将来予測の実現は、資源管理を適切に行い、漁業の生産性を上げるための喫緊の課題となっている。近年、コンピュータ技術が急速に進展し、人工衛星や自動観測ブイ等の観測機器の発達により、現時点では物理環境のみに限定されるものの、2カ月程度先までの海洋環境を天気予報のようにスーパーコンピュータを用いて予測することが可能である。そして、次のステップとして、プランクトンや魚類も含めた海洋生態系の変動予測の実現に期待が集まっている。この研究室では、海洋生態系の変動機構の解明と将来予測の実現に向けて、人工衛星の海面水温・高度データをシミュレーションモデルに融合した海洋大循環モデルをベースとし、これに食物連鎖や魚類の回遊・生残といった海洋生態系のプロセスを組み込んだ高精度の「3次元海洋データ同化生態系モデル」を世界で初めて開発し、各種の研究課題に取り組んでいる。下記に代表的なものを列挙する。 (1) 全球規模の気候変動が海洋生態系に及ぼす影響の予測 地球温暖化に代表される全球規模の気候変動によって数10年～100年後の海洋生態系がどのように変化し、海洋生物資源の分布や生物量がどのように変化するかといった影響予測の研究を実施している。図1は、モデルで推定した日本周辺海域の植物プランクトンの分布で、人工衛星による観測値を良く再現していることが分かる。 (2)　日本近海の多獲性魚類の資源加入量の変動メカニズムの解明と予測 例えば、日本近海で漁獲されるマアジは主に東シナ海南部で発生していることが知られており、このモデルを適用してマアジの卵・仔稚魚の輸送過程を追跡したところ、仔稚魚の生残は東シナ海域の海流と水温に密接に関係し、近年の資源加入量の変動は、仔稚魚の輸送経路上の水温変動と高い相関関係にあることが分かった。図2は、九州西方沖～日本海で漁獲された当該年生まれのマアジの尾数とモデルによる推定結果の比較である。モデルは年ごとの変動を良く再現していることが分かる。 (3) 有害生物・物質の拡散・輸送予測 このモデルは、近年日本海の定置網漁業等に甚大な被害をもたらしているエチゼンクラゲの発生海域と発生時期の推定、並びに黄海・東シナ海沿岸域から日本沿岸域への来遊予測や流出原油等の有害汚染物質の拡散・輸送予測にも利用されている。