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Mar 06, 2023

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Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20549 (2022) この記事を引用

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81 オルトメトリック

メトリクスの詳細

アラビア/ペルシャ湾の沿岸諸国は、淡水の需要を満たすために不可欠な淡水化技術の世界最大のユーザーです。 淡水化された淡水の生産量は、今後数十年間で急速に増加すると予測されています。 したがって、淡水化活動は、無視できない長期にわたる流域全体の塩分濃度の上昇をもたらし、淡水化への影響だけでなく、漁業への波及効果を伴い、湾岸の海洋生態系に広範な悪影響を及ぼす可能性があるという懸念が提起されている。活動そのもの。 現在の年間の淡水淡水生産量は、湾岸からの年間正味蒸発量の約 2% に相当することがわかりました。 2050 年までの予測ではこの値は 8% となり、今世紀後半には淡水淡水生産量が正味蒸発量の 10% を超える可能性があり、これは正味蒸発量の年々変動に匹敵する量です。 モデルの助けを借りて、私たちはいくつかの気候学的シナリオを検討し、IPCC の SSP5-8.5 最悪のシナリオの下では、世紀末の気温上昇により、淡水化活動によって生じる塩分濃度上昇と同等かそれ以上の塩分濃度上昇が生じる可能性があることがわかりました。 。 同じシナリオは、蒸発量の減少と降水量の増加を示唆しており、これにより緩和効果が得られると考えられます。 最後に、強力な逆転循環により、高塩分水がホルムズ海峡を急速に押し流されることがわかりました。 したがって、最悪のシナリオであっても、流域規模の塩分濃度の上昇が 1 psu を超える可能性は低く、それほど極端ではない仮説の下では、流域全体の規模で環境への影響が無視できるレベルである 0.5 psu をはるかに下回る水準にとどまる可能性が高くなります。

アラビア/ペルシャ湾（以下「湾岸」）の海岸線は 8 か国で共有されており、その多くの国が過去 30 年間に劇的な人口増加と都市化を伴う急速な経済発展を経験しました。 淡水資源が豊富に利用できることは、開発を維持するために必要な条件です。 湾内では、淡水の需要を自然に存在する水路に依存できるのはイランとイラクだけです。 したがって、湾岸南部の国々が淡水化技術を最も早く導入した国々の一つであり、今日では湾岸地域で使用される淡水の大部分をこの技術が供給していることは驚くべきことではありません1。

(a) GEBCO 2021 データセットに基づく湾岸地域の深浅測量。 標高ゼロは水色でマークされ、-30 m の等深線は濃い青でマークされます。 湾岸に影響を与える既存および将来（建設中、承認され、2030 年までに計画されている）の淡水化プラントは、それぞれ円と六角形のマーカーでマークされています。 マーカー面積はプラントの淡水化能力に比例します。 約 10 km より近いプラントは、合計容量を持つ単一のプラントとして表されます。 (b) 各国の既存および将来の淡水化能力。 オマーンは湾岸における淡水化能力が 5150 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) に過ぎず、拡張計画がないため省略されました。 データは2から。 Python 3.10.6 で作成されたマップ: https://www.python.org/。

現在、世界の淡水淡水化生産量の 45% が湾岸に集中しており、この地域には世界最大の淡水化プラント複合施設があります3。 図 1 は、現在 (2022 年 3 月) に稼働しているすべての淡水化プラント (すなわち「既存プラント」) と 2030 年までに稼働が予想されるプラント (「将来のプラント」) の位置とそれに関連する淡水生産能力を示しています。 、承認済みまたは計画中の建設中のプラントを含む）。

淡水化は湾内の生命と健康を維持するための基本である4,5,6,7が、その環境への影響に関して多くの懸念が提起されています8,9,10,11,12,13。 局所的な影響としては、取水口での海洋生物の衝突と同伴、および出口での加熱された高塩分、化学的に汚染された低酸素塩水（淡水化の主な副産物）の排出が挙げられ、海洋植物相に直接悪影響を与える可能性があります。そして動物相。 温度（フラッシュおよび多重効用蒸留プラントの場合）および塩分濃度（すべてのプラントの場合）の上昇における塩水の局所スケールの作用は、ある程度明らかである 3,12,14。 一方で、この現象が盆地全体のスケールで拡大し、気候変動による温暖化や塩分濃度の増加との相乗効果は、その海岸が存在する盆地内の水塊の循環の特性に依存すると考えられる。植物が発生します。

湾は浅い縁海（平均深さ約 30 m）で、蒸発量が降水量や河川の流出量を上回っています15。 狭いホルムズ海峡 (「ホルムズ」) を通ってインド洋につながっているこの湾は、逆河口循環によって特徴付けられており、濃い塩水 (39 ～ 40 psu) がホルムズの深部を通って流出し、より軽い海水が流れ出ます。より新鮮なインド洋表層水 (「IOSW」、36 ～ 37 psu) が浅いレベルで流入する16、17、18。 交換フラックスは、他の同様の半内陸盆地（紅海、地中海など）と比較して比較的弱く、平均して約 0.15 Sv19 です。 湾岸はすでに亜熱帯の海としては極端な環境条件を経験しており、夏には気温が 36 \(^{\circ }\)C に達し、南部の浅瀬では典型的な塩分濃度が 42 psu に達します 15,20。 したがって、淡水化活動が無視できない流域全体の塩分濃度の上昇をもたらし、環境や経済に悪影響を与える可能性がある可能性には、慎重に対処する必要があります。

実際、現在の湾岸の高い塩分濃度は、サンゴや棘皮動物の生物多様性の減少 21,22,23,24 と、魚の成熟時のサイズの減少 25 にすでに関連している。 サイズの縮小は、塩分濃度が高くなると浸透圧調節のコストが高くなることに関連しており、成長、生殖、維持に利用できるエネルギーが減少します26。 重要なことは、魚のサイズが減少すると、魚の繁殖力とバイオマス生産量が減少するため、漁業の生産性に影響を与えることになります27。 さらに、供給水の塩分濃度は、淡水化プラントの運転コストの主要な決定要因の 1 つであるため、塩分濃度の大幅な上昇は、淡水化による淡水生産の経済的実行可能性に悪影響を及ぼす可能性があります 28,29。

最近、いくつかのモデリング研究が、湾内の淡水化による盆地全体の空間スケールでの塩分濃度の増加の推定を試みています13,30,31,32,33,34,35,36。 ただし、これらの研究は非常に限られた数のシナリオのみを考慮しており、主に現在の淡水化量による過剰な塩分の定量化に焦点を当てています。 彼らは、淡水化量と気候条件の両方を 21 世紀半ばまで推定している 13 という顕著な例外を除いて、将来起こり得る気候変動の影響や淡水化量の増加の可能性を考慮していません。 これらの研究は不均一性があるため、簡単に比較することができず、結果は互いに大きく異なります。 現在の淡水化能力については、湾岸全体の塩分濃度が 50 psu を超えると予測する分析モデル 36 と、1 psu を超える広範な塩分濃度の増加を報告する大循環モデル 13 を除き、すべての研究で塩分濃度の増加が 0.5 psu 未満であると報告されています。沖合域では3psu以上、沿岸の浅い地域では3psu以上。 これらの研究のどれも、塩分の蓄積を促進または妨げる特定の物理的メカニズムを特定していません。 一部の研究では湾岸の循環のわずかな変化を報告している33,35が、シミュレーションの対象期間が限られているため、淡水化プラントの排水の相対的な寄与と、自然に発生する海水の年々変動の相対的な寄与を解き明かすことはできなかった。塩分。

ボックス モデルの概念図 (モデルの方程式については「方法」を参照)。 インド洋、沿岸、沖合、深層ボックス間の体積フラックス (\(q_{I}\)、\(q_{H}\)、\(q_{OD}\)) は、それらの間の密度差によって決まります。隣接するボックス内の水の塊。 沿岸および沖合のボックスは蒸発し、大気との熱交換を受けます。 フラックス \(q_{H}\) は、ホルムズ海峡を通るインド洋と湾の間の水の交換を定量化します。

より一般的には、既存の文献は、さらなる定量分析の指針となる定性的な全体像を達成するために、脱塩フラックスのサイズを測定するための単純で使用可能なベンチマークを特定することにほとんど注意を払ってきませんでした。 湾岸における淡水淡水化生産量の推定値 (例: 図 1) は経済的および社会学的関連性がありますが、意味のある比較用語と対比しない限り、その絶対値は環境情報をほとんど伝えません。 水中へのあらゆる物質放出に適用される定性的指標は、物質放出 (この場合は脱塩による) と物質除去 (ホルムズ経由の輸送による) に関連するフラッシング時間の比です。 さらに、脱塩と蒸発はどちらも同様の効果があることを観察しました（淡水を引き抜き、海塩の塊を残し、その結果、海の塩分濃度が増加します）。唯一の違いは、前者が人為的プロセスであり、陸上のみで発生するのに対し、後者は陸上のみで発生することです。陸上と海上の両方で起こる自然なプロセスです。 湾の塩分濃度が主に蒸発量とホルムズ海峡を通る淡水の流入とのバランスによって決定されることを考えると 16、正味蒸発量 (つまり、蒸発量から降水量を差し引いたもの) と自然の年々変動の大きさは次のように考えられる。は、淡水化フラックスのサイズの自然な比較項になります。

当社の定量分析は、将来の詳細な予測を試みるものではありません。 むしろ、その目標は、あり得ることとありえないことを区別し、大規模な塩分の蓄積を促進または阻止する主要な物理的プロセスに光を当てることです。 この目的を達成するために、湾の逆転循環を表す単純なモデルに依存します。 これにより、いくつかのシナリオを調査することで、湾の将来の塩分濃度の変化の信頼できる範囲を特定することができます。 特に、気候学的な気温の増加と蒸発量の気候学的な増加または減少の影響を個別にまたは組み合わせて調査します。 さらに、ホルムズ海峡の流れを調整する仮説的なメカニズムに基づいたシナリオも策定します。 各シナリオ内で、今日の量、2030 年の推定値、2050 年の予測を含む、淡水淡水の生産量の大きな間隔を調べます。私たちが考慮する最大量は、1 億 2,000 万 m\(^{3}\) 日です\( ^{-1}\)、これは既知の将来予測を上回りますが、技術的には達成可能です。

私たちのモデルでは、湾岸を 3 つのボックスに理想化して分割しています (図 2)。1 つは海岸線から 30 m の等深線までの海域を表す沿岸のボックスです。 沖合のものは、表面から等深線 - 30 m を超えて深さ - 30 m までの海域用です。 深いもの、水深-30 m未満の沖合水域（図1は-30 mの等深線を示しています37）。 モデルは、ボックスを均質で相互接続されたものとして扱います。 沿岸ボックスは、サラワ湾やアブダビのラグーンなどの超塩分濃度の高い沿岸地域の寄与も総計的に説明していますが、それらを明示的に解決するわけではありません。 深層および沖合のボックスは、インド洋表層水を表す貯留層と連絡しています。 体積流束は、隣接するボックス内の海水の密度差によって決まります。 熱と蒸発の流束は表面で規定されています。 このモデリング技術は、大西洋の転倒循環に関する Stommel の独創的な研究 38 を踏襲しており、大気のフィードバックを含めた熱塩逆転循環の探索的研究のための優れたアプローチとして確立されています 39,40,41,42。 ボックス モデルのアプローチにより、淡水化プラントへの塩水の投入を、蒸発と同様に淡水の取水として扱うことができます。 したがって、モデルに関連する唯一のパラメーターは、単位時間内に生成される脱塩水の総量です。 これにより、モデルの結果は、使用されている特定の脱塩技術、特に各プラントの特定の塩水/淡水比から独立したものになります。 詳細およびモデル方程式については、以下の「方法」を参照してください。

湾岸水域からの蒸発は 3 月から 4 月に最小値に達し、11 月にゆっくりと最大値に達します43、44。 1979 年から 2021 年までの湾岸全体の月平均正味蒸発フラックスを図 3 に示します (ERA5 再解析のデータ 45)。 平均すると、正味蒸発量は年間最小値で 5 億 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) をわずかに超え、年間最大値ではほぼ 15 億 m\(^{ 3}\) 日\(^{-1}\)。 1979 年から 2021 年の期間にわたる 1 日あたりの平均正味蒸発量は、10 億 m\(^{3}\) 日\(^{-1}\) です。 この量は、ホルムズ海峡 (\(1105\pm 270\) 百万 m\(^{3}\) 日\(^{-1}\)19 を通過する体積流束の測定から得られた推定値と一致します。 、1996 年 12 月から 1998 年 3 月までのデータ）。 正味蒸発量の季節サイクルは、大幅な年ごとの変動を示しています (図 3)。 特に秋から冬にかけて、月平均値から数億 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) の変動が頻繁に観察されます。 サイクルの段階は、冬の降水量によって部分的にしか決まりません（平均して 12 月と 1 月に最大に達し、降水量は 2 億 5,000 万 m\(^{3}\) 日\(^{-1} \))、主に風と海と空気の温度差の影響を受けます。一般に冬の終わりには海は空気より冷たく、秋には空気より暖かい（したがって蒸発しやすい）15、 16.

湾岸全体の月平均純蒸発量 (蒸発量から降水量を引いたもの) フラックス。 太い赤い線は、1979 年から 2021 年の期間にわたる平均です。 細い灰色の線は個々の年を表します (濃い色は古い年に対応します)。 左軸は 1 日あたりのフラックスを数百万立方メートルで報告し、右軸は同じフラックスをスベルドラップで報告します (1 Sv = 1 秒あたり 100 万立方メートル)。 ERA5再解析のデータ。

湾岸の年平均正味蒸発量 (青の実線、左軸) と年平均風速 (オレンジの実線、右軸)。 破線は、データへの最小二乗線形近似を示します。 挿入図は、傾向 (線形近似の傾き) と、ゼロ傾向の帰無仮説に関する関連する p 値を報告します。 蒸発と風の時系列のピアソンの相関係数と、相関がないという帰無仮説に対するその p 値も報告されます。 ERA5再分析からのデータ45。

図 4 は、湾岸の年間平均正味蒸発量と風速を示しています。 正味蒸発量は、平均値付近で ±10% の年ごとの変動を示します。 風は弱いものの、顕著な下降傾向を示しています (\(p<0.05\))。 正味の蒸発傾向は統計的に有意ではありません。 2 つの量には有意な相関関係 (\(r=0.41,\,p<0.01\)) があり、風速の変化が湾岸の蒸発に強い影響を与えることが確認されています 46,47。 (降水量を省略すると、風と蒸発量のみの相関関係は \(r=0.57,\,p=0.0001\) まで増加します。蒸発量だけでも有意な傾向は示されません)。

湾岸における脱塩水生産量の現在の推定値は 2,260 万 m\(^{3}\) 日\(^{-1}\)2 で、これは 1979 年の平均日次正味蒸発量の 2.3% に相当します。 –2021年。 既知の将来のプラント (図 1) をすべて含めると、淡水化能力は 3,950 万 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) に増加します。これは、平均正味蒸発束の 4% に相当します。 。 これは、2030 年頃までに淡水化フラックスのかなり正確な評価になるはずです。2050 年までに、淡水化能力は 8,000 万 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) に達すると予測されています13。 したがって、21 世紀後半には、淡水化フラックスが蒸発フラックスの 10% に達し、おそらくそれを超える可能性があるという可能性は、もっともらしい仮説として考慮されるべきです。

-30 m 等深線の沿岸の表面積は湾の総面積の 58% であることに留意すると有益です。 したがって、現在、淡水化によって沿岸地域から採取される真水の量は、正味蒸発によって採取される量のおよそ 4% に相当し、この量は将来の能力を含めると (2030 年までに) 約 7% に増加すると予想されます。 その後、21 世紀後半には、淡水の取水量が沿岸の蒸発フラックスの 15% を超える可能性があります。 要約すると、今日の淡水化フラックスは、正味蒸発量の月次変動に比べれば小さく見えますが（図 3）、21 世紀後半には、現在の正味蒸発量の年々変動（図 4）と同等になる可能性があります。 IPCC 第 6 回評価報告書 (AR6)48 で議論されているシナリオは、風速の継続的な下降傾向を示しています (表 1)。極端なシナリオでは、SSP5-8.5 は図 4 で観察されたものと一致し、持続可能性シナリオではその速度は緩やかです。 SSP1-2.6。 風力の低下は蒸発量の減少につながる可能性があり、予測される（非常に不確実ではあるものの）降水量の増加により、正味蒸発量がさらに減少する可能性があります。 これらの効果は淡水化フラックスのバランスをとりますが、ボックス モデル (下記) は、気候変動による塩分濃度への最大の影響は、予測される気温の上昇によるものである可能性があることを明らかにしています。

− 30 m 等深線の沿岸の水量は約 19,000 億 m\(^{3}\) で、湾の総体積の 24% に相当します37。 現在の能力では、1 年間の淡水化による淡水の総取水量は沿岸水量の約 0.4% であり、取水量が 1 億 2,000 万 m\(^{3}\) 日 \(^{-1}\) に増加すると、 2%を超えることになります。 したがって、淡水化は、現状では 250 年から、ここで考慮される淡水生産の最高値 (1 億 2,000 万 m\(^{3}\) 日\(^{-1) に達した場合には 50 年未満の範囲のタイムスケールと関連しています}\)、これは 2050 年の現在の予測を上回っています13)。 この時間スケールは、ホルムズ海峡を通じた水交換の典型的な時間スケールと比較される必要があります。 フラッシング時間は、水域の体積とその交換フラックスの大きさの比として定義されます。 湾の体積は 79,000 億 m\(^{3}\) で、ホルムズ 19 を通じてインド洋と約 0.15 シーベルトの熱交換をします (1 シーベルト = 100 万 m\(^{3}\)s\(^{ -1}\))。 これにより、湾全体のフラッシングにかかる​​時間は約 1.7 年と推定されます。 関連する量は滞留時間です。これは、所定の初期位置から始まった水塊が水域を出るまでに必要な平均時間として定義されます。 我々は湾岸での滞留時間（例えばフロートによる）を直接測定したことを知らないため、モデル化の結果を参照します49。 UAEの海岸線に面した浅瀬では、滞留時間は2年未満と推定されている。 この期間は、クウェート湾から始まる水荷物の場合に限り 3 年に延長されます。 バーレーン湾の水でさえ、2年半以内にホルムズに到達すると推定されている。 等深線 -30 m の沖合から始まる水塊の場合、滞留時間が 1 か月より短い可能性があるホルムズのすぐ近くの出発点を除き、滞留時間は 3 か月から 1 年の範囲であると推定されます。

これらの定性的結果は、湾岸全体の塩分バランスに対する脱塩フラックスの影響は、現在の状況では検出できない可能性があるが、将来のいくつかのシナリオでは測定可能になる可能性があることを示唆しています。

淡水化フラックスの関数としての、ベースライン実行 (淡水化なしの現在の気候) に対する年平均変化。 パネルは、沿岸 (a)、沖合 (b)、深層 (c) のボックス内の塩分濃度の変化を示しています。 深いボックス内の温度変化をパネル (d) に示します。 パネル (e) と (f) は、それぞれ、沿岸からディープボックスへの流出とホルムズを通過する流出の変化を示しています。 灰色の縦線は、現在の淡水化フラックス (連続)、2030 年までに予想される淡水化フラックス (破線)、および AGEDI が予測する 2050 年の淡水化フラックス (点線) を示しています。

ベースライン モデルの実行は、脱塩を行わずに現在の状態を再現することを目的としています (詳細、パラメーター、検証については「方法」を参照)。 ホルムズ川流出のダイナミクスと気候変動関連現象に関する仮説に基づいて、8 つのシナリオが作成されました。 次に、ベースライン実行に対する主要な量の変化が、脱塩フラックスの関数として定量化されます (図 5)。

「デフォルト」シナリオは、現在の気候が一定であることを前提としています。 淡水化フラックスが 120 m\(^{3}\) day\(^{-1}\) に達すると、沿岸ボックスと深層ボックスの塩分濃度は、それぞれ 0.4 psu と 0.2 psu 増加します。 これに伴い、オフショアボックス内の塩分濃度が低下します。 これは、ホルムズを通じた流出 \(q_{H}\) (深い箱からの流出、図 2 を参照) の 7% 増加によって説明されます。これは、地表では同量のより淡水の流入によって匹敵します。インド洋からオフショアボックスへ。

ホルムズ川の流出は、少なくとも部分的に水力的に制御されている可能性が示唆されている19。つまり、流量が下流の密度勾配だけではなく、海峡の地形によっても決定される状態にある50。 湾の水圧制御は確認されていないが、ホルムズからの流出が一定に保たれ、したがって脱塩活動による塩分濃度や密度の変化の影響を受けない「固定流出」シナリオを定式化することは興味深い。 このシナリオでは、沿岸ボックス内の塩分濃度はデフォルト シナリオより 1.6 倍増加し、深いボックス内の塩分濃度はデフォルト シナリオより 2 倍増加します。 インド洋からの流入量は一定であるため、沖合ボックスの塩分濃度は変化しません。

湾岸の将来の気候シナリオにおける最近の地域的な海洋循環モデリングの取り組みでは、湾岸中央部の深層水密度の増加に伴う深部流出のわずかな減少が報告されています51。 この研究は、密度と体積流量の間のこの予期せぬ逆関係を引き起こすもっともらしいメカニズムを特定しようとするものではありません。 それにもかかわらず、我々は、脱塩フラックスの増加に伴ってホルムズ流出が減少するように規定される「流出減少」シナリオを策定することを決定しました。これは、120 m の淡水フラックスの現在の値に対して最大 15% 減少します\(^{3} \) 日 \(^{-1}\)。 当然のことですが、このシナリオは、沿岸および深いボックスで塩分濃度の最も速い増加をもたらし、脱塩範囲の最高端でのベースライン実行に対して 1 psu の塩分増加を超えます。 これは、オフショアボックスの塩分濃度が増加する唯一のシナリオでもあります。

次の 2 つのシナリオ、「低蒸発」と「高蒸発」ではベースライン パラメーターが使用されますが、年平均正味蒸発はそれぞれ 5% 減少および増加します。 正味蒸発量の 5% 減少は、図 4 の傾向を今世紀末まで推定することに相当し、IPCC の SSP5-8.5 CMIP6 予測と一致しています (表 1)。 どちらの場合も、モデルはデフォルトのシナリオと同様の脱塩に対する反応を示しますが、蒸発が少ない場合は脱塩の影響を緩和する方向にオフセットされ、蒸発が多い場合は逆の方向にオフセットされます。

大幅な排出削減を伴わない IPCC の予測も、湾岸上の強い大気加熱を示唆しています。 したがって、5 \(^{\circ }\)C ずつ増加する年間平均気温を除いて、ベースライン パラメーターを使用する「高温」シナリオがあります。 高い気温は沿岸および沖合のボックスから深部のボックスに伝わり、4 \(^{\circ }\)C 以上温暖化します。 これにより、メキシコ湾の深部の水域とIOSWとの間の密度差が減少し、海峡を通る流出量が減少します。 その後、デフォルトのシナリオよりも塩分が沿岸および深いボックス内に蓄積しやすくなり、ベースライン実行に対して 0.9 psu 増加に達する可能性があります。

高温シナリオは、「低蒸発、高温」シナリオと「高蒸発、高温」シナリオでさらに修正され、温度上昇に伴う年間平均正味蒸発量の (それぞれ) 5% の減少と増加が伴います。 これら 2 つのシナリオの結果は、高温の結果にまたがります。 以前と同様に、正味蒸発量が減少すると脱塩の影響が緩和され、増加すると脱塩の影響が強化されます。

ベースラインの実行とすべてのシナリオの実行では、体積フラックスは沖合から沿岸のボックス、沿岸から深部のボックス、さらにインド洋の貯水池から沖合のボックスに移動します。深い箱に入れてインド洋の貯水池に戻します。 つまり、ボックス間の密度差は常に図 2 の矢印の方向に流れを押します。これは決してモデルによって強制されたものではなく、密度差が大きい場合には逆方向の流束が許容されることになります。口述された。

アラビア湾/ペルシャ湾周辺の多くの国にとって、淡水化はかけがえのない淡水源で​​す。 この地域では、淡水化が他の地域では達成できないレベルまで拡大しました。 今日、湾の水を汲む植物からの淡水生産量は、正味蒸発流束によって湾から除去される淡水の 2% を超えています。 今世紀後半には、この量は正味蒸発量の 10% を超えて増加する可能性があります。 これらは、淡水化活動の持続可能性について正当な疑問を引き起こす驚異的なレベルです。

この論文では、湾、特にその浅い地域（等深度 -30 m の沿岸）における塩分濃度の蓄積の可能性に焦点を当てます。 私たちは、すでに文献で広範な注目を集めているテーマである大規模な淡水化プラントの近くで、短期的に何が起こるかについては議論しませんが、長期的な流域全体への影響を、8 つのシナリオを組み合わせて検討します。地域の気候の将来の進化と湾岸の逆転循環の動的な性質に関する特定の仮説を備えた広範囲の淡水化フラックス。 この目的のために、私たちは本格的な大循環モデルの使用を避けました。 冒頭で概説したこれまでの研究では、対照的な結果が得られ、報告されている塩分濃度の増加（または塩分濃度の欠如）を引き起こした原因と影響の機構的連鎖の解明にはほとんど進展がなかった。 ここでは、湾の逆転循環を表現するために特別に開発されたボックス モデルを使用します。 これにより、可能な限り現実的にとるべきものの境界を特定し、特定の結果を生み出す外部条件と内部イベントの連鎖を特定することができます。

私たちの主な発見は、湾の塩分濃度がホルムズ海峡を通る深いオーバーフローに決定的に関係しているということです。 湾岸の地理を考慮すると、これは驚くべき結論ではないかもしれませんが、この関連性を明確に述べ、その結果を調査した他の研究を私たちは知りません。 淡水化による直接的な-30 m等深線の沿岸における塩分濃度の増加は、我々が検討した淡水淡水生産量の最高値であっても0.4 psuを超えないと推定されており、これは2050年の予測をはるかに上回っている。 1 日の淡水化フラックスの増加は 0.1psu 未満であり、実際には検出できない量です。 脱塩による 1 psu を超える塩分濃度の増加は、ホルムズ川の塩分勾配が増加するにつれてホルムズ流出が減少するという仮説の下でのみ達成される可能性があります。 著者らは、湾岸におけるそのような逆関係の存在を裏付ける可能性のある証拠（理論的または観察的）について何も知りません。 モデルによって予測される塩分の増加が限られているということは、湾のフラッシュ時間 (蒸発または脱塩強制に対する反応の主な時間スケール) がわずか 1.7 年であるという事実と一致しています。 したがって、現在の状況では、湾岸は正味蒸発量の年々変動に匹敵する時間スケールで強制力に反応している。 したがって、蒸発の年々変動（総純蒸発量の約 10％）に匹敵する強さの脱塩による定常的な強制力が、観察された年々の塩分濃度変動に匹敵する塩分濃度の増加を引き起こすことは驚くべきことではありません18。 さらに、塩分濃度の着実な増加（例えば、脱塩による）は、ホルムズ海峡を通過する流量の増加につながり、フラッシング時間が短縮されます。 この負のフィードバックは、塩分濃度に対する脱塩の影響をさらに制限します。

2 番目に重要な要因は、気候変動による大気の温暖化です。 密度による活発な湾の反転循環は、換気された沿岸水を急速に盆地の最深部まで運び、そこでホルムズ海峡を通って湾から排出されます16,52。 このモデルは、SSP5-8.5シナリオで発生する極端な加熱でさえ、湾の浅い領域での濃水の形成を相殺するには十分ではなく、そのシナリオでも湾の最深部に沈み込むことを示している。 このプロセスは、地域的な大気の加熱傾向を湾岸深海に急速に伝え、湾岸深海が現在の状況よりも大幅に軽くなる状況をもたらします。 これにより、ホルムズ全域の密度勾配が減少し、したがって深層流出量が減少します。 したがって、大気の加熱により塩分の蓄積が促進されます。 ただし、正味蒸発量の 5% 増加を伴う場合でも、このモデルでは、最高レベルの脱塩であっても、この蓄積は 1 psu 以内に抑えられます。 これらのシナリオの結果を解釈する際には、ある程度の注意が必要です。ボックス モデルでは、湾の深部の層構造の記述が非常に大まかであり、固定体積の 2 つの均質な水塊 (「深部」と「沖合」) で近似されているためです。 " ボックス)、上下に積み重ねます。 私たちの発見の定量的な詳細は、現実的な海洋循環モデルで検証されます。 しかし、私たちのモデルと入手可能な観測結果 16 の両方は、転倒循環が浅い沿岸地域 (「海岸」ボックス) で発生するプロセスによって引き起こされることを示唆しており、垂直方向の均一性の仮説は合理的であると思われます。 したがって、私たちは、より現実的なモデルは、たとえ気候変動シナリオであっても、定性的に現在のモデルと同じダイナミクスを示すと確信しています。

上記の議論は IPCC の SSP5-8.5 気候シナリオに基づいていることを強調しなければなりませんが、このシナリオは非常に悲観的であり、実際に何が起こるかを反映している可能性は低いです53。 したがって、私たちの気候変動シナリオでは、湾岸の将来の塩分濃度の最も可能性の高い値ではなく、上限を特定しています。 さらに、私たちのシナリオではIOSWは温暖化しないと想定されており、ホルムズを通る密度勾配の減少が誇張されています。 最後に、このような極端なシナリオに対して IPCC は、湾岸の風速が低下し、おそらく降水量が増加すると予測しており (表 1)、これにより正味蒸発量の減少が生じ、これにより地球温暖化がいくらか緩和されるだろう。 「蒸発が少なく、温度が高い」というシナリオのような、塩分濃度に対する熱の影響。

私たちの推定値の不確実性の原因として考えられるのは、いわゆる生成水によるものです。 これは石油やガス井から炭化水素と一緒に汲み出された塩水です。 それはその場で分離され、その後井戸に再注入されるか、精製されて海に放出されます。 私たちは、湾岸の生産水やその塩分に関する公表されたデータを知りません。 しかし、地球全体で海洋に流入する年間生産水流量は約 7 億 m\(^3\) であると推定されています 54。 これは、1 日あたり約 200 万 m\(^3\) の地球全体の排出量に相当し、非常に大規模な淡水化プラント 1 つ分に相当します。 したがって、我々は、油井からの生成水が湾岸の塩分濃度に及ぼす影響は、淡水化プラントの全体的な影響に比べればわずかな寄与であると仮定していますが、この仮説を確固たる根拠に置くためにはさらに多くのデータが必要です。

湾岸海域はすでに塩分濃度の季節的および年々変動が大きいという特徴がある15,18。したがって、私たちの最悪のシナリオ（つまり、「流出の減少」）によって予測される予想される1 psuの塩分増加は、湾岸の海洋に重大な影響を与える可能性は低いです。人生。 実際、現在湾岸に生息する動植物はインド洋西部の生物相の一部を表しており 55、極端な温度と塩分、および年内および年間の大きな変動に耐えるようにすでに適応しています 56,57。 明らかに、極端な気候変動シナリオであっても湾岸全体の塩分濃度が憂慮すべきレベルに上昇することはないという我々の声明は、それらのシナリオが湾岸の生物地球化学や生態系に影響を及ぼさないという主張として解釈されるべきではない。 例えば、すでに現在の状況において、季節的に湾岸の最深部58、時には浅い海岸のサンゴ礁で低酸素が発生しているという証拠が増えている59。 このモデルが示唆する湾岸の最深部の温暖化も懸念を引き起こしている。 さらに、塩水の排出に伴う塩分の増加の影響は、サンゴ 60、海草 61、62、63、魚類 64 について他の場所で報告されているが、湾岸の種に関する経験的データは依然としてほぼ完全に不足しているが、高塩分はサンゴや棘皮動物の多様性の減少と関連している(ヒトデ、ウニおよびその近縁種）湾の21、22、23、24。 実際、塩分は湾岸の生物多様性の構造に重要な役割を果たしている可能性があり、いくつかの対照的な影響がさまざまな生物間ですでに報告されています。 例えば、魚類では、塩分濃度の上昇と塩分濃度の変動が、湾岸地域の個体群の小人症を決定する潜在的な原因の1つとして特定されており、浸透圧調節コストの潜在的な増加と、それに伴う成長に利用できるエネルギーの減少が、最終的には個体群の繁殖力、補充量、寿命の減少につながる可能性があることを示唆している。 -期間の持続性25． 一方、イシサンゴやイソギンチャクでは、湾岸の高い塩分濃度は耐熱性の向上と白化感受性の低下に関係しており、高塩分に対する浸透圧適応と熱ストレスに対する耐性との間に潜在的に重要な関連性があることが示唆されている65,66,67。 したがって、現在の条件と将来のモデル化シナリオの両方で、高塩分、高温、およびそれらの大きな変動の相互作用が、湾岸のさまざまな海洋生態系を形成する独特の生理学的適応にどのように影響を与えるか、どのように影響を与えるかを完全に解明するには、さらなる研究が緊急に必要である。 。

要約すると、-30等深度の沿岸の塩分濃度が今世紀末までに1 psuを超えて大幅に増加するには、まだ知られていない物理的プロセスの作用が必要であることがわかりました。 それどころか、気温が SSP5-8.5 IPCC シナリオほど上昇しない限り、塩分の増加は 0.5 psu 以内に収まると予想するのが合理的であり、これは季節変動および年々変動に匹敵する値です。 この抑制された塩分の増加が海洋生物に直接影響を与える可能性は低いが、物理的要因と生態学的反応が絡み合ったネットワークにおいて寄与する役割を果たしている可能性があり、顕著な脆弱性を適切に特定し、有意義な緩和戦略を提案するにはその理解が必要である。

私たちのボックス モデルは、湾岸海域を 3 つの理想的な均質なボックスに分割します (図 2): 沿岸、海岸線と等深度 - 30 m の間の海域を表し、沖合、等深度 - 30 m の沖合の海域を表します (図 2)。深さ - 30 m まで、深度は水深 - 30 m 未満の沖合海域を表します。 湾には動的に異なる 2 つの領域が存在します。春から秋にかけて活発な中規模の渦が支配する深い領域と、潮汐と密度による流れが支配する浅い領域です。 − 30 m 等深線は 2 つの領域間の適切な分離しきい値であると考えられるため、ボックスを定義するためにこれを選択しました。 密度の違いにより、3 つのボックス間の体積流束が生じます。 沖合の深いボックスはインド洋表層水 (IOSW) にも接しており、簡略化するために、温度と塩分が一定の無限の貯水池としてモデル化されています。 沖合および沿岸のボックスの温度は、季節サイクルに従って気温まで緩和します70。 蒸発および降水フラックスは、図 3 に示す季節サイクルの平均、振幅、および位相に一致するように規定されます。沿岸ボックスでは、淡水化フラックスも規定され、制御パラメーターとして使用されます。 モデルの方程式は次のとおりです。

ここで、\(T_{I}\)、\(T_{O}\)、\(T_{D}\)、\(S_{I}\)、\(S_{O}\)、\(S_{ D}\) は時間の関数であり、それぞれ沿岸、沖合、深層ボックスの温度と塩分を表します。 H はヘビサイド ステップ関数です (その値は正の引数の場合は 1、そうでない場合は 0)。 体積流束 \(q_{I}\)、\(q_{OD}\)、\(q_{H}\) は次のように定義されます。

それらは、図 2 の矢印の方向が正であると見なされます。密度には状態の線形方程式を使用します \(\rho _{i}=\rho _{ref}(1-\alpha T_{i} +\beta T_{i})\) は \(i\in \{I,D,IOSW\}\) です。 \(q_{I}\) と \(q_{H}\) の式の選択は、湾岸の体積フラックスが海底密度の差によって引き起こされるという観測証拠によって裏付けられています16。 \(q_{OD}\) の式は体積保存によって決定されます。 上で説明した 8 つのシナリオのうち 2 つでは、ホルムズ海峡を通過する流束 \(q_{H}\) は外部から課せられ、海峡を横切る密度の差には依存しません。 「固定流出」シナリオでは、磁束は一定に保たれます: \(q_{H}=0.152\) Sv。 「流出量が減少する」シナリオでは、フラックスは、\(q_{H}=0.152(1-1.25\cdot 10^{-3}D)\) に従って、淡水化フラックスとともに直線的に減少します。 正味蒸発量 \(E_{net}\) と基準大気温度 \(T^{*}\) は、次のように定義される時間の関数です。

ここで、Y は 1 年の長さで、\(\phi _{net}\) は 10 月中旬に最大蒸発量となるように選択され、\(\phi ^{*}\) は中旬に最大気温になるように選択されます。 7月。 上記のすべての式に現れる他の定数は、その値およびサポートする参考文献とともに表 2 に定義されています。 表 2 のパラメータ値を使用して実行されたベースライン モデルは、初期過渡現象の後、沿岸、沖合、ディープ ボックスでそれぞれ 41.8 psu、37.7 psu、39.5 psu の年平均塩分を生成します。 沿岸と深層ボックスの両方で、年間 0.8 psu の変動が見られます。 オフショアボックス内の塩分濃度は 0.4 psu 変動します。 沿岸ボックス内の密度は、1028.2 kg m\(^{-1}\) (8 月に到達) から 1030.7 kg m\(^{-1}\) (2 月に到達) の範囲です。 オフショアボックス内の密度は1025.1 kg m\(^{-1}\)(8月)から1027.4 kg m\(^{-1}\)(2月)の範囲です。 深いボックス内の密度は、1027.3 kg m\(^{-1}\)(10 月)から 1028.3 kg m\(^{-1}\)(4 月)の範囲です。 ホルムズ海峡を通るシミュレートされた流れ \(q_{H}\) の年間平均は 0.152 Sv で、季節変動は \(\pm 0.048\) Sv です。 モデルの簡略化された性質、および垂直層別の粗い表現にも関わらず、これらの値は観測値と一貫しています 15,16 (特に、Swift & Bower の図 7a ～ d、8 を参照)。 このモデルは、沿岸からボックス深部まで 0.025 Sv (7 月) から 0.11 Sv (1 月) の範囲にわたる流れ \(q_{I}\) を生成します。これは、Al-Shehhi らの OGCM シミュレーションと非常によく一致しています。 .52 (図 10 を参照)。 「デフォルト」を除く各シナリオは、「結果」セクションで指定されているように、表 2 のパラメータの一部を変更します。 各シナリオでは、脱塩流束は \(0-120\cdot 10^{6}\) m\(^{3}\) day\(^{-1}\) の範囲で変化します。 各脱塩レベルで、定常的な年間サイクルが得られるまでシミュレーションが実行されます。 ベースライン実行からの年平均の変化を図 5 に示します。

ボックス モデル ソフトウェアは、https://doi.org/10.5281/zenodo.6519835 で公開されています。 ERA5 再解析データは、Copernicus データ リポジトリ (https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview) から公開されています。 図 1 に示す脱塩能力データは、DesalData https://www.desaldata.com の所有物です。 これらのデータの入手には制限が適用されますが、これらのデータは現在の研究のためにライセンスに基づいて使用されているため、一般公開されていません。 ただし、データは、合理的な要求に応じて、DesalData の許可を得て、著者から入手できます。

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このプロジェクトは、ニューヨーク大学アブダビ研究所の下でタムキーンから資金提供を受け、水研究センター (ダゴスティーノ、バート) に CG007 賞、アラビア気候変動・環境科学センター (パパレラ、バート) に CG009 賞、および安定性、不安定性、乱流センター (Paparella)。 この資金援助に感謝いたします。

ニューヨーク大学アブダビ科学部、アブダビ、アラブ首長国連邦

フランチェスコ・パパレラ & ジョン・A・バート

アラビアン気候環境科学センター、ニューヨーク大学アブダビ、アブダビ、アラブ首長国連邦

フランチェスコ・パパレラ & ジョン・A・バート

ニューヨーク大学アブダビ水研究センター、アブダビ、アラブ首長国連邦

ダニエレ・ダゴスティーノ & ジョン・A・バート

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FP、JAB: 研究デザイン。 FP：モデリング。 FP、DD：データ収集、データ分析。 すべての著者: 結果の議論、執筆、編集。

フランチェスコ・パパレラへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Paparella, F.、D'Agostino, D. & A. Burt, J. アラビア/ペルシャ湾の淡水化による長期的な流域規模の塩分濃度の影響。 Sci Rep 12、20549 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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受信日: 2022 年 5 月 1 日

受理日: 2022 年 11 月 25 日

公開日: 2022 年 11 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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