世界的な海域の全深度現在のプロファイリング

図1：Teledyne RDI ADCPは、深度まで降下する前に、水路図のパッケージに取り付けられています。クレジット：J.レムス（U.ハワイ）。 https://goo.gl/VfvYn1

低ADCPのための30年間の高圧

前書き
海洋学者は、最初の深い漂流浮動小数点の予想外の動き以来、深海でベールを持ち上げるように取り組んできました。直流電流の測定には様々な見方があります。中立的に浮揚しているフロートとそのプロファイリングの子孫は、深い経路を明らかにした。係留時の電流計は時間の変化を示した。自由落下式プローブにより、水面の現在の速度と深さを示す近接した間隔で測定されたプロファイルビューが可能になりました。そして、低下したADCP（LADCP）は、1990年代初め以来、十分に解決され、完全深度の電流プロファイルを提供してきた。

深い流れは、海の中および外の生活のために重要な特性を保存し、運び、再分配します。例えば、深海が海の食物連鎖を供給するためには、酸素と栄養塩のレベルが重要です。しかし、1970年代半ばまで、深い流れが月の暗い側面と謎に匹敵しました。改善された観測から得られた知見に刺激されて、現在、地球規模の気候システムに深い流れがどの程度関与しているかについて強い関心が寄せられています。深海の熱とCO2の変化が特に重要です。

上の季節層の下の深海を観測する方法が確立されている。深い電流を測定するために、世界中の科学者は、コンパクトなADCPを水路パッケージに取り付ける。これらのパッケージは、定期的に海底まで降下して水サンプルを捕獲し、水の特性を測定する。

このレポートでは、地球規模の海域でのLADCP作業のさまざまな調査結果を見ていきます。 LADCPの測定では、最初に赤道地域や熱帯・亜熱帯海域の深海流を調べていました。ディープ・カレント、アンダー・カレント、渦が特徴です。最近では、LADCPsは、亜大陸N.大西洋における循環の逆転を探り、南大洋で広範囲に強い混合を計算するなど、高緯度での科学的研究を支援している。

水路測量
船舶に基づく水路測量は、水質を地表から海底まで測定する。結果は、連続プロファイリングCTDを低下させ、個別の水サンプルを収集することによってもたらされる。これらの「ハイドロ」キャストは、深海、特に2000m以下を観測する際には比類のないものです。同時に、この方法は海洋との大気交換のためのホットスポットを明らかにする。

水路図データは広範囲に使用されています。その範囲には、海洋性状、プロセス、経路が含まれます。炭素成分、栄養素、淡水、熱などの長期的な記録が存在します。これらの記録は、地球温暖化とCO2レベルの上昇という大気の動向に起因する海洋の変化を明らかにする。

図2：上向きおよび下向きのTeledyne RDI ADCP（高圧力定格の場合は黄色）は、水路図パッケージに添付されています。クレジット：T. Wasilewski（IFMハンブルグ）。 https://goo.gl/q7XGKK

速度プロファイリング
水流速度とせん断の垂直プロファイルは、水がどのように動いて混合するかを示します。それらは、水の性質がどのように変化し、分散するかを説明する助けとなる。これらの特性には、熱およびエネルギーならびに生物、栄養素、化学物質、残骸、および汚染物質が含まれる。

深い流れを研究するために、科学者たちは、速度プロファイルが遠くに届くようにしたいが、電流が深さと共にどのように変化するかを精密に観察したい。このデータタイプは、内部波からジェット、渦、低気流までの海面を明らかにしました。この情報は、科学的発見からオフショアリグの操業まで、広く使われています。

ADCPの前に、速度プロファイリングには専門のチームとツールが必要でした。船の時間と回復不能な機器を使用したため、測定値が高価になりました。科学者は、より経済的で、使いやすく、より多くの視聴者に利用可能な方法を模索した。

数年にわたり、この需要を満たすために、一握りの専門家がADCPを適応させました。彼らはLADCPの方法と処理（https://goo.gl/1TGXBn）を考案しました。キー入力は、米国のハワイ大学とラモント・ドハティ地質観測所、ドイツのIFMキールのスタッフが担当しました。

低ADCP法
深い電流プロファイリングは、船上に設置されたプロファイラの音響範囲を下回ります。下降した水路図パッケージに取り付けられたコンパクトな自蔵式ADCPは水柱を通過します。下降と上昇の間、ADCPは100mまでの範囲の電流プロファイルを測定し続けています。後で、これらの短いセグメント（細かいスケールの垂直解像度）が一緒に縫い合わされ、完全な深さのプロファイルが生成されます。

LADCPデータの慎重な処理には、さまざまな入力が組み込まれています。船上に設置されたADCPからの現在のプロファイルは、重複するLADCPプロファイルの検証に使用されます。船舶のドリフトと荷降ろしされた荷物の姿勢と動きが異なることを修正しました。キャストの底の近くで、海底によって散乱された音響エコーは、ADCPの動きを明らかにする。多くの場合、デュアルADCPが使用され、上下を見ています。

LADCP方法の1つの重要な利点は、船積み時間とランニングコストを追加しないことです。予定されている水圧鋳造中に速度プロファイルが完成する。 LADCPを正常に運用するには、訓練と勤勉さが必要ですが、専門技術者は必要ありません。 ADCPのコンパスは慎重に校正する必要があります。

図3：ADCPプロファイルは、全深度プロファイルを形成するために縫合される。速度（cm / s）。クレジット：M. Visbeck（GEOMAR、2002）。 https://goo.gl/kftcJ3

変化の風
ADCPをハイドロキャストに加えることは、海の変化を引き起こした。詳細な現在のプロファイリングは、より大きなコミュニティに利用可能でした。データ収集は定期的かつ広範に行われていた。また、深部電流についての補足的な情報は、トレーサ測定などの他の研究にも情報を与えた。

LADCPsは、世界海洋循環実験（WOCE、1990-2002）の間に、海上巡航航海で牽引力を得た。 2000年代初期までに、改善されたLADCPのデータ品質は、測定と処理の改善された方法に由来していました。そして過去20年間に、地球規模の海域でのLADCP法の日常的な使用が見られました。

これらの全深度測定の広範なコレクションが利用可能です。そして、多くのクルーズからLADCPセクションを蓄積することは、扉を開けて統計的な説明になりました。要するに、LADCPは、大規模な循環から小規模の混合まで、地球規模の海洋を研究するためのユニークで発展的な視点を提供する。

深刻な下流
深い流れについてもっと知るための重要な動機は、地球の熱塩循環を明らかにすることです。すべての主要な海洋盆地の西端に沿って、狭くて迅速な下流が深さで観察されている。それらは明確な水特性を有し、強い表面電流に逆らって流れる。

南アフリカのLADCPを使用して、英国の科学者は未知の流れを特定した。驚くべきことに水力データでは明白ではない実質的なAgulhas Undercurrentは1200mの深さで赤道方向に流れる。大陸斜面に沿って見つかったこの深い流れは、世界最大の河川の10倍に相当します。その後の研究により、Undercurrentの発見と予期しない水の性質が確認された。

これらの過小気流の多くは、大陸斜面の急な地形を抱きしめています。これらのサイトでは、完全なLADCPプロファイルが特に価値があります。急な斜面では、密度場から計算された深海流の輸送量の見積もりは、データの隙間に起因する可能性があります。 LADCP電流は解決策を提供します。

さらに、LADCPデータは、クロストラック成分だけでなく、2次元速度ベクトルです。この差は、ハイドロセクションが斜めの角度で現場を切断する場合により重要になります。

図4：急勾配の大陸斜面に沿って赤道方向に流れる深い潮流（オレンジ）。単位：深さ（m）、距離（deg）。クレジット：Hall et al。 （2004）https://goo.gl/4QB6xs

深い流れ
英国の科学者は、LADCPステーションがUndercurrentのオフショアに役立つことも発見しました。主なアグラスの流れの速度信号は、深い深さまで存続します。剪断せずに深い流れは、水路区画から計算された流れで明らかではない。結果として、伝統的な方法は、深い流れによって輸送される水量を過小評価する可能性がある。この問題に対処するには、LADCPデータを早期に使用するのが一般的でした。

インド洋のさらに北側には、南西モンスーンの発達に伴い、目に見える海洋の変化が見られます。強い表面電流のよく知られた逆転がソマリア流で起こる。反対方向の電流の積み重ねられたジェットが深さに見られる。さらに、激しい旋回自転車が1カ月間にわたってソマリアから遠ざかります。大旋風と呼ばれ、旋回は幅500kmに達します。それは3ヶ月間存続し、スピンアップしたときに消えます。

Great Whirlの印象的な特徴は、3000mまでの深い範囲です。米国科学者は、WOCE中に3ヶ月間の2回の訪問でLADCPデータを収集した。偉大な渦の流れの深さは200mから2500mに増加しました。これらの流れが深く流れるため、Great Whirlで移動する水の量はHatteras沖の湾流の流れに一致します。偉大な渦の深い範囲は、以下の深海循環における逆転の1つの提案された説明である。これらもLADCPで観察された。

データブレンド
海洋学者は、LADCP情報を水圧鋳造中に観察された水の特性と併合する新しい方法を模索した。海流は水の性質を伝達する。閉じた地域では、水質の交換は大量保全などの保全法を満たさなければならない。逆モデリングと呼ばれる分析手法は、これらの法律の対象となる異なるデータタイプをブレンドします。

海岸から離れて、ゆっくりと変化する流れは、大部分が水路データによって記述することができます。しかし、その解釈は、深い動きについての主観的選択のために不確かなものになる可能性がある。逆モデルに追加すると、LADCPデータは欠けている深い電流に対する可能な解を制限します。

図5：LADCPのデータは、大渦の深い範囲を示しています。大渦は、ソマリアからの大きな渦巻きです。単位：深さ（m）、距離（deg）。クレジット：T. Chereskin（Scripps Inst。Oceanography）https://goo.gl/WsmhuV

長期セクション
20年の間、ドイツの研究者は53°Nでカナダからの境界電流を監視しています。科学者たちは、3〜5回の係留で定義された持続区間にわたって、13回のクルーズ中に12〜15のLADCPステーションを繰り返した。その結果、150のLADCPステーションからのデータは、ラブラドール海からの転覆寄与を説明するために係留を補足した。強い流れがさまざまなレベルで見られました。特に、LADCPデータは、深海底の近くで高速炉心を示した。その海域は北欧海域を起源としていた。

フルデプスのLADCPプロファイルは垂直方向に十分に解像され、係留アレイよりも細かい水平方向の間隔を持つことができます。 LADCPの位置の柔軟性により、境界電流の内側と外側のエッジをより明確に定義することができます。したがって、科学者は係留されたデータからより正確な輸送量を計算することができます。 53°Nでは、境界電流は120 km幅であり、安定した空間構造を有していた。南方に輸出される深水の量は、毎秒3000万立方メートルで、湾岸を供給するためのフロリダ海峡の輸送とほぼ同じでした。

図6：グリーンランドからの二重Teledyne RDI ADCP（黄色）を使用した水路図。クレジット：C. Nobre（WHOI）。 https://goo.gl/HJLq5m

海洋全体のセクション
進行中の複数年にわたる国際研究イニシアチブは、「サブポラルN.アトランティック・プログラム（OSNAP）における転覆」と題されています。北大西洋の緯度で大西洋の幅を越えて働くOSNAPには、この地域の先行プログラムを持つ多くの研究者がいます。彼らの共同の焦点は、地球規模の気候システムの一部として、海洋全体の熱と淡水の輸送です。

最近の報告では、2014年および2016年に観測された複合海洋全域の水路断面の2つの交差点が記載されています。このセクションは、強い境界電流を示すいくつかの海盆にまたがります。深い速度場の結果は、密度場からの電流をLADCPデータからの深い基準速度と併合した。

研究者らは、LADCPのデータは、狭い境界電流および不足電流で特に価値があることに留意しました。これらの機能を正確に測定するには、高い水平解像度が必要です。彼らは過小評価され、衛星ベースのオプションによって未解決の傾向があります。事実、この報告書は、この極小ジャイア周りの深い潮流の混在輸送について、この不一致を定量化した。

図7：2016年のサブポーラーN.アトランティックにおける南北電流の海洋全体のセクション。電流：北（赤）、南（青）。単位：深さ（m）、距離（km）。クレジット：Holliday et al。 （2018）https://goo.gl/3YAE8X

海洋における混合の見積もり
科学者たちはまた、内部波を見るためにLADCPプロファイルを利用しました。具体的には、内部波破壊の影響を数値化したかったのです。

この努力を動機付けることは、海洋での混合に関するより多くのデータに対する欲求でした。混合は、海洋の熱プロファイルを維持する重要な要因であると理論化されていた。しかし、海洋での混合の研究は、いくつかの専門チームとツールに限られていました。これらの結果は、地球規模の海洋を表すために推定することはできませんでした。

1990年代後半に、科学者たちは、LADCPプロファイルからのせん断を、海洋での混合の統計的記述の入力としてテストしました。この方法は、同時のCTDプロファイルからの相補データと速度せん断とをブレンドした。より広範な地域にわたる混合を計算するために、WOCEからのLADCPプロファイルの地理的分布が魅力的でした。特に、LADCPデータは、専門家が測定しなかったミキシングのために予期されるホットスポットで利用可能でした。

南大洋が主要な標的でした。国際的なチームは、LADCPベースの方法を使用して、ドレイクパッセージの近くで広範囲にわたる強力な混合の結果を報告しました。大規模な地形では数千キロメートルにわたって高率が見られました。このことは、混合が大南半球の大規模な逆転循環に不可欠な要素であることを示唆している。

このような混合研究でのLADCPデータの使用は、最近の論文では「爆発的」でさえ、牽引力を得ています。例えば、あるグループの科学者は、混合を定量化するための代替アプローチを提案した。彼らには、赤道海域、東太平洋ライズ、ルソン海峡、南太平洋、およびドレイクパッセージの5つの多様なダイナミックレジームからのLADCPデータが含まれていました。

低ADCP：圧迫下
ベロシティプロファイリングは、海流が深度とともにどのように変化するかを細かく見ることができます。この方法は、専門チームとツールから始まりました。その後、小型のADCPを海底に降下させた。数年間にわたり、専門家間の協調的努力がLADCPの方法と処理を考案し改良した。

Lowered ADCPは、海洋研究コミュニティによって世界中で使用されている標準的技術として普及しています。彼らは、内部波からジェット、渦、低気流への深い流れでベールを持ち上げるためにそれを使用しました。そして、30年の集まりの後、完全な深さのLADCP速度プロファイルは地球規模の海にまたがります。それらは幅広い問題に適用されています：地域からグローバルに、そして数日から数十年にわたります。

データクレジット
図3：M. Visbeck（2002）下降した音響ドップラー電流プロファイラを使用した深度速度プロファイリング：ボトムトラックおよび逆解。 DOI 10.1175 / 1520-0426（2002）019 <0794：DVPULA> 2.0.CO; 2

図4 MM Hall、TM Joyce、RS Pickart、WM Smethie Jr.、DJ Torres（2004）、北大西洋で52°Wにわたる地帯循環。 https://doi.org/10.1029/2003JC002103

図5：LM BealとKA Donohue（2013）、The Great Whirl：季節変動と経年変化の観察https://doi.org/10.1029/2012JC008198

図7：NP Holliday、S. Bacon、SA Cunningham、SF Gary、J. Karstensen、BA King、F. Li、EL Mcdonagh（2018）、2014年と2016年の夏の亜極北大西洋転覆と旋回流https://doi.org/10.1029/2018JC013841