世界的な水の安全保障に大規模に持続的に対処するために真水の供給を増やす

Dec 07, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20262 (2022) この記事を引用

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地球の大部分はすでに重大な淡水不足に直面していますが、増加する世界人口と経済成長を維持し、気候変動に適応するために、より多くの淡水の必要性が増加すると予測されています。 消費ニーズと経済成長に壊滅的な結果をもたらす可能性があるこの課題に対処するための現在のアプローチは、既存の資源の効率的な利用を増やすことに依存しています。 しかし、淡水資源の利用可能性は乱獲と気候変動により急速に減少しており、そのため将来のニーズに持続的に対応できる可能性は低く、当社のソリューションと関連投資を再考する必要があります。 今回我々は、海洋上の湿った空気を捕捉することで淡水を大幅に増加させる可能性を確立することで、既存のアプローチからの大胆な脱却を提案します。 私たちは、適切に設計された構造を使用すれば、陸地に近い海洋上の大気から、世界中の大規模な人口密集地を支えるのに十分な大量の淡水を生成できることを示します。 海洋からの水蒸気は事実上無限に供給されるため、このアプローチは気候変動下でも持続可能であり、現在および将来の水の安全保障の問題に対処する私たちの能力を変えることができます。 このアプローチは、現在および将来の世代に経済的に実行可能な淡水の安全を持続的に提供するメカニズムを確立する上で革新的なものになると想定されています。

地球上の広大な地域で淡水への適切なアクセスが不足している 1,2 ことは、現代において大胆かつ即時の解決策が必要な大きな課題となっています。 主に需要の削減と管理によってこの課題に対処する現在のアプローチは、人口と経済成長がこれらの対策によって生み出された生産能力をすぐに吸収してしまうため、不十分であることが判明しています4、5、6、7。 水のリサイクルと再利用は顕著な成功を収めています8が、利用可能な供給量によって基本的に制約されるため、本質的に拡張性が限られています9,10。 すべての資源が持続可能な能力を超えて利用されているか、気候変動により急速に減少しているため、供給を増やすための効果的な解決策は現時点では限られているか、事実上存在しません。 たとえば、地下水は再生可能料金をはるかに超えて採取されており、淡水が最も必要な地域では地下水面が驚くべき速度で低下しています11。 給水塔として機能する雪塊や氷河は、気候変動によって薄くなったり後退したりしており、春の融雪は以前よりも早く行われています12。 すでに水が限られている地域では、気候変動による降水量の減少、蒸発量の増加、またはその両方によってさらなる水不足が生じており、その状況はさらに深刻になっています13。 遠隔地からの輸送を通じてこの増加するニーズを満たすという選択肢も、水源地域での利用可能な水の減少により、ますます実現可能でなくなりつつあります。 米国南西部は、これらの課題の説得力のある例であり、コロラド川貯水池の水位が過去 10 年間に減少し、2021 年の夏には極めて低いレベルに達し、水資源と電力システムの両方を脅かしています 14,15。 このような連鎖的な影響の例は世界中に数多く存在します16、17、18、19。

淡水の供給を根本的に増やすための潜在的な解決策は、事実上無限の海洋水源を利用することです。 淡水化はそのような技術を提供しますが、重大な環境問題に直面しており、その結果、いくつかの重要な地域で多くの人々のニーズを満たす役割を果たしているにもかかわらず、世界的な水の安全保障の懸念に対処するための拡張可能なソリューションとしては採用されていません。地球上の地域を過小評価することはできません20,21。 脱塩はエネルギーを大量に消費するだけではありません。 また、濃縮塩水やその他の副産物も生成され、廃棄コストがかかり重大な環境問題を引き起こします22,23。 ここで我々は、経済的に実行可能で環境に優しい方法で海洋水源を利用する代替アプローチの実現可能性を確立します。 提案された方法は、任意の多数の人口のニーズを満たすために実装できるという点で拡張可能であり、温暖な気候でより多くの水を利用できるようにするという点で将来の気候シナリオの下で実用的であり、それによって重要なツールを提供することを示します。気候変動に対する回復力を開発します。

私たちが提案するアプローチは、海面直上の大気から水蒸気を捕捉し、湿気を含んだ空気を近くの陸地に輸送し、そこで凝縮して淡水を提供するというものです（図1）。 海洋上の地表近くの環境は湿度が高く、その日次および季節変動は主に海洋表面の温度と上空の空気の温度によって決まります。 前者は海洋からの蒸発能力を決定し、後者は大気の飽和水分保持能力を決定します。 これらの温度の変化、したがって大気中の湿度は、主に太陽放射と風速の変化によって決まります。 この論文の目的は、海洋に近い地球上の水ストレスにさらされている地域では、地表近くの大気柱の水分の利用可能性によって、大量の淡水供給が実行可能になるだけでなく、問題に対処するための拡張可能なアプローチが提供されることを示すことです。水の安全保障の課題。 大気中のこの湿気は海洋水の自然蒸発から生じるため、環境に有害な副生成物は予想されません。 本質的に、私たちのアプローチは、海洋から蒸発した水分が内陸に運ばれ、冷却され、凝縮して降水として地表に降るという水循環の自然な物理プロセスを模倣していますが、水が通過する経路を設計することを提案している点が異なります。蒸発した水分は移動し、凝縮を制御することで水が利用できる場所を制御します。

水の安全性を向上させるために、海面上の水分を捕捉し、隣接する陸地に輸送するための私たちが提案するアプローチの概略図。 海洋上の大気中の水蒸気の形で蒸発した水分フラックスは、右側に概念化されているように、適切に設計された取水口を通じて捕捉され、導管を通じて蒸気相で輸送され、左側に示されているように陸上で凝縮されて新鮮なものを得ることができます。水。 水平風が強くなるため、水分流束は高度とともに緩やかに増加し、垂直捕捉面を設計する機会が得られます。 吸気口は、卓越した風向きと、高度や時間による風向きの変化を考慮して、水分吸入量を最適化するように設計できます。 コンプレッサーを使用すると、吸気口で湿った空気塊を収集する効率を高めることができます。 図に示すように、再生可能エネルギー (風力または太陽光) は、湿った空気の吸気、輸送、および凝縮に電力を供給できます。 取水口の周囲で等方的に十分な外水を確保できるよう、取水口は数キロメートル沖合に設置されると予想しています。 [図は Adob​​e Photoshop を使用して作成されており、縮尺は正確ではありません]。

我々は、海洋上の地表近くの大気柱で利用可能な抽出可能な水分の量を計算することにより、この提案されたアプローチの実行可能性を実証します。 次に、幅 210 m、高さ 100 m の垂直な「捕捉面」は、大型クルーズ船の垂直投影面積にほぼ相当し、約 50 万人の毎日の飲料ニーズを満たすのに十分な量の抽出可能な水分を提供できることを示します。平均して人々。 これらの寸法は任意に選択されており、抽出される水の潜在的な量が重要になる可能性があることを示す方法としてのみここで実装されています。 実際の実装には、一般的な現地の状況に基づいて、ニーズと関連する費用対効果の分析に基づいて、これらの寸法の大幅な変更が含まれると予想されます。 ここでの私たちの目標は、一般的な条件下で提案されたアプローチを通じて十分に大量の水分が得られることを確立することだけであり、それは大規模な人口の水需要を満たすのに十分です。 次に、この能力が気候変動によってどのような影響を受けるかを検討します。 このようなインフラへの投資は何十年にもわたって国民にサービスを提供することになるため、これは重要であり、私たちはその能力が時間の経過とともに低下しないようにすることを目指しています。 そのようなインフラはまだ構築されていないため、既存の稼働中の淡水化プラントと競争できるように、そのような施設を建設および運営するためのコスト構造についてもいくつかの考えを示します。 地球上の重要な地域で深刻な淡水不足に直面しているため、私たちの目標は、ここで提案されている選択肢が主に既存の生産能力を持続的に増強するのに役立つことですが、場合によっては持続不可能な慣行を排除するのに役立つ可能性もあります。

まず、大気柱内で利用可能な水の量を、特定の場所で幅 1 m の高さ h の大気の表面副層の垂直柱を通って流れる積分水蒸気として計算します。 垂直柱を通る変化の非線形性により、図 S1 に示すように、これは個別の水平層を通る水分流束の合計として計算されます。 平均水分フラックス (MF、kg/m2s または同等のリットル/m2s) は、蒸気相中の水の質量が単位垂直面積当たり、単位時間当たり水平に移動する速度であり、平均水平流束の積として計算されます。風 (U)、比湿度 (q)、空気密度 (\(\rho _a\)、1.12 kg/m324 と仮定)。 表面粗さの影響により、風速は地表近くで最も低く、高度が上がるにつれて増加します。 比湿度は水分源となる地表付近で最も高く、高度が上がるにつれて低くなります。 最終的な影響は、風速の上昇が高度による湿度の減少を克服するため、一般に大気中の水分フラックスが高度とともに増加することです (図 S1)。 これは、任意の幅 w (この図では 210 m) に対して水平方向に線形にスケールすることができ、考慮された高さ h に対する水分フラックスの妥当な推定値を提供します。

主要な人口集中地に最も近い海上の 14 か所の調査地の位置が、水ストレスの地図上に示されています (中央)。 平均海抜 10 ～ 110 m の大気柱を通る水分流束の変化も各場所で示されています。 等高線プロットと折れ線グラフは、それぞれ高さの関数としての毎日の水分フラックスの変化と利用可能な水蒸気の月次分布を示しています。 それぞれの場所について、水蒸気流束 (100 万 kg/m2/日) の月平均 (赤) が、縦棒 (青) を介して日次水蒸気流束 (1000 kg/m2/日) に重ねられます。 水分フラックス (千 kg/m2day) および積算水分フラックス (百万 kg/m2day) の時空間変動。 プロットは、ERA5 データから得られた 30 年間 (1990 年から 2019 年) の平均を表しています。 [Python スクリプトを使用して作成され、Microsoft Publisher 365 V2207 で合成された図]。

捕捉できる大気中の水分の量が適切なインフラベースのソリューションに十分であるかどうかを調べるために、世界中のさまざまな場所で歴史的に利用可能な水分フラックスの量を調べます。 1990 年から 2019 年までの 30 年間にわたる ERA5 データを使用します。これは、サイズ 0.25° × 0.25° のモデル グリッドで利用できます。 図 S1 に示すように、海岸環境上に完全に存在するが陸塊に最も近いグリッド ポイントを使用して、高度の関数として水分フラックスの体積を計算します (水分フラックスの計算の詳細については、「方法」セクションを参照してください)。 湿った空気を取り込むように設計されたインフラは、海面や波の変動から保護するために必ず海面から一定の高さに設置されるものと想定しています。 したがって、地表から最初の 10 メートルを無視し、1 日あたりの水蒸気流量を高度の関数として計算します。 図 2 に示すように、選択した 14 か所の高さ 100 m (海抜 10 m ～ 110 m) の大気サブレイヤーを通じた日次および月次変動を示します。気候変動を表すために選択されたこれらの場所は、世界中の水ストレス地域の海に近い人口密集地。 予想どおり、それらは北半球と南半球の両方の亜熱帯地域にあり、最大の乾燥地域と半乾燥地域が存在します。 サイトの場所は表 S1 で確認できます。 選択した都市付近の平均比湿度は 9 ～ 20 g/m\(^3\) の範囲であり、年間平均気温は 14 °C ～ 30 °C の範囲です。 選択された場所の多くは、気温が中程度から高く、湿度レベルが中から高です。

図 2 は、30 年間の ERA-5 データを使用した、鉛直方向の水分フラックスと、大気の高さ 100 m の表面副層の月平均積分水分フラックスを示しています。 一般に、日単位の時間スケールでは、前述の説明と一致して、水分フラックスはすべての場所で高度に応じてわずかに増加します。 予想されるとおり、月平均は夏の間より高く、湿気を捕捉するのに最適な機会となっており、北半球の 30 年間の平均は 0.60 ～ 145 万リットル/立方メートル/日の範囲にあります。 一般に、夏の 4 か月間 (6 月から 9 月) は、北半球の年間合計水分量の 40% から 55% を供給できます。 これらの場所の中で、最大のピークは、モンスーンの影響により、インドのチェンナイ近くのベンガル湾で観察されました。 また、イタリアのローマ近くのティレニア海では、冬季に最小積算水分フラックスが 30 万リットル/立方メートル/日という低さで観測されました。 重要な点は、太陽放射、温度、その他の気象条件の変化により、捕捉可能な潜在的な水の量が季節変動するということです。 人間の水需要も最も高まる暖かい時期に、水の利用可能性は最大になります。

これらの場所にわたる水分流束には空間的および時間的な変動の範囲があるにもかかわらず、すべての場所にわたる年間の潜在的な水生産量が同じ桁であることに注目します。 水生産量の季節変動は心配する必要はありません。 水分流束の季節変動は図 2 で明らかですが、季節を通じて水分流束の供給が最低でも、かなりの人口を維持するのに十分な水を生産できる可能性があります。 貯水池によって生み出される貯蔵容量は、季節性を抑え、安定した使用量を提供する効果的な方法となります。 この発見は、水ストレスが高い沿岸地域では、海洋大気環境に近い環境から水分を捕捉することで問題に対処できる可能性がより高いことを示しています。 平均消費量が 1 人あたり 300 リットル/日25 の場合、幅 210 m、高さ 100 m の単一の施設による水の生産量は、平均約50万人。 また、これらの沿岸地域の既存住民の飲料ニーズ全体が、適切に設計されたいくつかの構造物によって満たされることがわかります (表 1)。 年間水生産量は、最低で約 370 億リットルから最高で 780 億リットル以上に及び、施設数が 10 未満の沿岸近くの人口密集地のニーズを満たすのに十分ですが、パキスタンのカラチは例外です。その非常に大きな人口。 生産された水は、農業や産業のニーズを満たすなど、飲料用以外の用途にも使用できることに注意してください。 当社は、利用可能な水の潜在的な量について有意義な解釈を提供するためにのみ、飲料水を使用します。 また、この水を既存の水源と組み合わせて使用​​すれば、はるかに多くの人口への淡水の供給を増やすことができると私たちは推測しています。

提案されたアプローチの実現可能性を説明するために使用された 14 の選択された場所を超えるために、私たちは世界の海岸沿いの陸地に隣接する海洋上に 200 km の帯を描きました。 同様の方法で、幅 210 m、高さ 100 m の大気表面下層からの年間潜在水生産量を比較しました。 大陸に沿った 30 年間の平均から、水の生産量がより多くなるゾーンを図 3 に示します。アジア、ヨーロッパ、北米の大部分では、年間約 100 億リットルの水の生産量が得られます。 南アメリカ北部、南アフリカ東部、オーストラリア北東部では、年間 600 億リットルを超える水の生産量が得られます。 これらの結果は、水ストレスがかかる地域の海岸に近い海を越えて淡水を得る大きな可能性があることを示しているため、重要である。 重要なニーズを満たしたり増強したりするために、水を内陸までかなりの距離を輸送することもできます。 結果として、そのようなインフラは人口密集地の近くに配置する必要はなく、その配置は他の意味のある社会的目的を通じて決定することができます。

世界中の 200 km の輪郭を描かれた沿岸近くの地域に沿った水産出量の空間的変動。 色は、年間の潜在的な水生産量を 10 億 kg 単位で表します。出力は、高さ 100 m、幅 210 m の仮想取水量を表します。 [Python スクリプトを使用して作成され、Microsoft Publisher 365 V2207 で合成された図]。

過去のデータに基づいてここで確立された実現可能性が将来の気候変動に対して有効であることを確認するために、図 4 に示す 2 つの気候変動シナリオの下で水分フラックスの傾向を調べます。シナリオ SSP126 を検討します。楽観的なシナリオと、文献における温暖化シナリオの範囲の上限を表すシナリオ SSP585 です。 SSP126 シナリオと SSP585 シナリオの両方で、すべての場所で 2100 年までの年間平均積分水分フラックスが減少していないことがわかります。 SSP585 シナリオでは、どこでも増加しますが、SSP126 シナリオでは、ドーハとアブダビ近くのペルシャ湾とメッカ近くの紅海では横ばいのままです。 この分析に基づいて、我々は、大気からの水生成量は減少する可能性は低く、実現される気候変動に応じて、将来の水分フラックスの軌道はおそらく SSP126 シナリオと SSP585 シナリオで得られた軌道の中間にあると結論付けています。

CESM2 WACCM モデル出力から得られた 14 の選択されたサイトにおける統合水分フラックスの予測。 積算水分フラックス値は、海抜 10 m から 110 m までの大気柱の幅 1 m あたり、1 日あたり 100 万 kg で表されます。 ピンクの線は、ERA5 データを使用した 1990 年から 2019 年までの年間平均積分水分フラックスの過去の推定値を示します。 青線は 2020 年から 2100 年までの SSP585 シナリオの積分水分フラックス、緑線は 2020 年から 2100 年までの SSP126 シナリオの積分水分フラックスの予測です。後者の 2 つは、CESM2-WACCM 地球循環モデル ( GCM）データ。 2 つのデータセットの空間解像度が一致していないため、一部の場所では急速な変化が見られます。 [Python スクリプトを使用して作成され、Microsoft Publisher 365 V2207 で合成された図]。

2020 年から 2059 年および 2060 年から 2099 年に対応する 2 つの期間の平均積分水分フラックスの変化率を決定し、選択した 14 サイトすべての SSP126 シナリオと SSP585 シナリオの両方について 1990 年から 2019 年の平均と比較します (図に示すように)。補足資料の図 S2)。 平均して、SSP585 シナリオでは、統合水分束は 2020 年から 2059 年および 2060 年から 2099 年の間にそれぞれ約 4% および 16% 増加します。 最大の割合の増加は南アフリカのダーバン近くの西インド洋で発生し、最小の割合の増加はメッカ近くの紅海で発生します。 私たちは、統合された水分束が気候の変化にどのように反応するかをさらに調査するために、地表近くの比湿度と風速の対応する増加率を分析しました。 SSP585 シナリオでは、選択された場所の地表近くの比湿度の平均増加は、2020 年から 2059 年および 2060 年から 2099 年の間に 9% と 25% です。 すべての場所で比湿度の一貫した増加パターンが観察されました。 地球温暖化により海面温度や大気温度が上昇すると、大気中の水蒸気が増加し、湿度が増加します。 実際、大気が暖まると、クラウジウス・クラペイロン方程式に従って飽和蒸気圧が増加します。 海洋上では、大気中の湿気が増加します。 一方、平均表面風速の変化率は逆の傾向を示しています。 平均すると、SSP126 シナリオでは 2020 年から 2059 年と 2060 年から 2099 年の間に風速が約 5% 減少し、SSP585 シナリオでは 2020 年から 2059 年と 2060 年から 2099 年にそれぞれ 5% と 7% 減少します。 地表近くの湿度レベルの予想される増加と予想される風場の減少は、統合水分束の予想される変化が熱力学によって支配され、風によって引き起こされるものではないことを示唆しています。 この発見は、海洋蒸発による水収量が将来の気候下でも持続可能なアプローチであるという我々の評価に貢献する。

海洋蒸発の発生源領域を評価するために、選択した各場所での水分束の供給に寄与する風上の取水量と 2 次元フットプリントを計算しました。 採取量と設置面積は、風速、風向、大気の安定性によって変化します26。 水分束の 90% の寄与に相当する風上への取り込みの空間範囲は、サイト全体で主に 20 ～ 40 km の範囲であり、図 S3 および S4 に示されているのと同じオーダーの大きさを示しています。 風上へのフェッチは、水分流束の関数として非線形に増加します。 磁束の寄与が 50% ～ 70% の場合、風上フェッチ統計は、選択したすべてのサイトで 20 km 未満になります (図 S4)。 設置面積は 500 km2 をはるかに下回っています (図 S5)。 カタールのドーハとアラブ首長国連邦のアブダビに近いペルシャ湾では、より大きな風上フェッチと磁束フットプリント領域が発生します。 これらの発見は、水蒸気捕捉の空間スケールが地域の水収支のスケールと比較して小さいことを示しています。 この分析は、水生成量に寄与する海洋の面積は比較的小さく、地域的および地球規模の循環という観点から大気中の水分利用可能性に影響を与えないことを示しています。

年間約 \(5.21\times 10^{17}\) リットルの水が地表 (海洋表面、内陸水域、土壌、植物を含む) から蒸発します27。 14 か所すべてで、提案された設計システムによって年間に抽出される水蒸気の総量は約 \(7.8\times 10^{11}\) リットルとなり、これは地球全体で蒸発した水の総量の約 0.0015 % に相当します。 さらに、ほとんどの降水現象は、降水場所からかなり離れた広大な地域から引き込まれた水分の結果であることに注目します。 たとえば、大気中の河川、モンスーン系、および中規模の対流系はすべて、ここで提案されている水分捕捉システムの取込みに関連する発生源領域よりも数桁大きい発生源領域を持ち、垂直方向に大きい境界層柱全体の水分に依存しています。ここで想定されている構造物の高さと比較すると、桁違いです。 この議論は、提案されている水分捕捉アプローチが大気循環と風下降水パターンに影響を与えないという結論をさらに裏付けています。

沿岸地域、特に地球上の水ストレス地域周辺の海上の大気柱には十分な水分が存在し、今後も十分な水分が存在することが確認されたので、私たちは次に、そのようなインフラの建設の経済的実現可能性の問題に取り組みます。 そのような構造物は存在しないため、そのようなインフラストラクチャを構築するのにいくらかかるかではなく、どのようなコストモデルによって構築と運用が可能になるかを尋ねます。 言い換えれば、水の限界費用が増加しないと仮定すると、コスト構造の上限は現在の技術と競争できると特徴付けることができるでしょうか? 大気蒸気の収集と凝縮のための施設の建設コストは 6 億米ドルであると想定されており、これは大型クルーズ船や石油掘削装置の建設に匹敵します。 さらに、この設備は現在の金利 3.75% で 30 年間にわたって償却されると仮定します。 また、現在の運営コストは 1 日あたり 175,000 ドルで、インフレ率は過去 20 年間の米国の平均である 2.06% であると想定しています。 このような施設から 50 万人が恩恵を受けると仮定すると、建設にかかる年間コストは受益者 1 人あたり 67 ドル、施設の建設と運営にかかる年間コストは受益者 1 人あたり 241 ドルになります (補足資料の表 S2 および関連する Excel ファイルを参照)計算の詳細については、オンライン補足資料を参照してください)。 水の量の観点から見ると、水 1000 リットルあたりの年間コストは 2.20 ドルとなり、これは海水淡水化プラントの生産コストに匹敵します。 しかし、数十年に渡る技術改良を経た後でも、海水淡水化プラントは廃棄物処理に伴う環境への影響を及ぼします。 脱塩プロセスでは、投入物よりもかなり暖かく塩分の多い残留物が生成されます。 この残留物は海に放出され、そこで塩分濃度が上昇し、海洋生態系に有害になります28,29。 対照的に、海洋上で自然に蒸発する水蒸気を捕捉し、輸送し、凝縮して液体の水を生成する、ここで概要を説明したプロセスは、副生成物の生成という点で環境に重大な影響を及ぼさないと考えています。

この研究を通じて、私たちは海洋表面上の水分を捕捉することが、世界の多くの水ストレス地域にとって実現可能な解決策であることを証明しました。 提案された構造物の推定水生産量は、亜熱帯の大規模な人口密集地の淡水需要を軽減する可能性があります。 水生産量の平均と範囲は、既存および将来の気候下での水の安全保障に対処するための提案されたアプローチの実現可能性を確立します。 この提案されたコンセプトは、沿岸水域にアクセスできる地域、または遠く内陸の場所に輸送される地域での年間の淡水生産の代替または補完として使用でき、それによって生態系と環境を維持しながら水不足の緩和に役立ちます。 飲料水の生産に大気湿度を利用するという提案された概念は、放射冷却による陸上での水の生産30,31,32,33,34,35,36,37,38、蒸気による能動冷却を含む以前の表現とは著しく異なることに留意する。圧縮冷凍サイクル39,40,41,42,43,44,45,46,47,48または熱電冷却49,50,51,52,53および乾燥剤方式40,54,55,56,57,58,59,60、 61、62、63、64、65。 これらの代替ソリューションは、大気中で利用できる陸上の水蒸気流束の量が大規模な海洋源に比べて大幅に少ないため、水不足の懸念に大幅に対処するには拡張性がありません。 可能であれば、海洋の小さな島も私たちが提案する施設の設置場所として機能する可能性があり、湿度と風力場が主に陸地ではなく周囲の水域によって決定されるという条件で、コストの削減につながる可能性があります。 提案されたソリューションは拡張性があり、環境コストは無視でき、温暖な気候条件下で容量が増加します。 私たちの水収量の推定は、周囲の風によって運ばれるすべての水分が抽出できるという仮定に基づいています。 サクション/コンプレッサーを使用すれば、吸入と輸送のプロセスにおける効率の低下を克服できると考えています。 また、捕捉された水分は太陽エネルギーによってすでに蒸発しており、効率的な凝縮プロセスを達成するために効率的なアプローチを展開できるため、この取り組みのエネルギーコストはそれほど負担にならないと考えています。

観測された測定範囲と一致しているため、海洋上で \(0.25^{\circ } \times 0.25^{\circ } \) の分解能を持つ ERA-5 の日次データを使用しました 66,67。 風速については標高 10 m、気温、露点温度、瞬間蒸気束、表面顕熱束、摩擦速度、および表面気圧については標高 2 m における 1990 年から 2019 年の地表データを使用します。 ERA-5 の符号規則によれば、垂直下向き磁束は正です。 比湿度に関するデータは、単一レベルの ERA-5 データからは容易に入手できないため、湿潤熱力学の公式 68 を使用して、露点温度と表面気圧から 2 m の日比湿度を推定しました。 クラウジウス・クラペイロン方程式の露点温度から計算された飽和蒸気圧は、式 1 に示すように実際の蒸気圧を表します。 (1)69． 式 1 に示すように、実際の蒸気圧と比湿度の依存性から 2 m の比湿度を取得します。 (2)69．

ここで、e は温度 T における実際の蒸気圧です。 \(L_v\) は蒸発潜熱です。 \(T_d\) は露点温度です。 \(R_v\) は水蒸気の比気体定数 (461.5 J/kg/K) です。 q は 2 m での比湿度です。 \(P_a\) は 2 m での地表気圧です。 気候変動シナリオにおける水分フラックスの推定には、水平解像度 1\(^{\circ } \times \)1\(^{\circ }) のアンサンブル メンバー r1i1p1 を含む CESM2-WACCM GCM モデルのデータを使用しました。 \) CMIP6 から。 CESM2 が選ばれたのは、ENSO とマッデン・ジュリアン振動によるテレコネクションの表現が改善され、短波雲強制バイアスが減少し、気候感度が向上したためです。 また、CESM2 は、観測された地球規模の土地炭素蓄積傾向とよりよく一致しています70。 WACCM が選択されたのは、このデータセットに水分フラックスの計算に必要な変数が含まれているためです。 SSP126 (SSP1 と RCP2.6 を組み合わせたもの) および SSP585 (SSP5 と RCP8.5 を組み合わせたもの) は、将来の水分フラックスと潜在的な淡水収量を計算するための気候変動シナリオとして選択されています。 SSP126 は楽観的な地球温暖化と最小限の緩和課題の両方を表しているのに対し、SSP585 は同じ悲観的なシナリオを表しています71。

水分流束は、単位時間当たり単位垂直面積を通過する水蒸気として定義されます。 平均風によって輸送されるフラックスは平均水分フラックスに寄与し、渦によって輸送されるフラックスは水分フラックスの乱流成分に寄与します。 平均水平風は主に湿度の移流輸送を支配するため、平均移流水分フラックスを考慮し、乱流成分を無視しました。 水分束は、式 1 に示すように、空気密度 (\(\rho \))、比湿度 (q)、および風速 (u) の積の平均として得られます。 (3)。 100m の垂直柱を高さ 10m のストリップに分割し、各ストリップ (i) の水分フラックス (\(m_i\)) を合計して、式 1 に示すように層の高さの平均積分水分フラックス (IMF) を求めました。 (4)。 気候モデルの解像度内で水平方向の変動を捕捉するデータがないため、単位幅に対して計算された水分フラックスは、より小さい幅に対して単純にスケーリングできると仮定します。

ここで、\( \overline{ q_iU_i} = \overline{ q_i}\overline{U_i} + \overline{q_i^{'} U_i^{'}}\) となります。 ここで、\(\overline{ q_i}\overline{U_i}\) と \(\overline{q_i^{'}U_i^{'}}\) は、運動水分束の平均乱流成分です。 \(m_i\) は、大気の表面副層にある \(i^{th}\) 層の水蒸気流束 (kg 水/m2s) です。 \(\rho _a\) は、1.12 kg として指定される空気密度です。 /m3、\(q_i\) は比湿度、\(U_i\) は帯状風 (u) と子午線風 (v) 成分から \(U_i=\sqrt{u^2_i+) として得られる水平風です。 v^2_i}\); w は、仮想の水蒸気回収システムの取入口の幅です。 年間潜在水収量 (APWY) は、式 1 に見られるように、単純に単位幅あたりの積分水分フラックス (IMF)、水蒸気収集システムの幅 (w)、および年間の秒数の積です。 (5)。

高さ \(z_{j+1}\) と \(z_j\) の間の各ストリップの水分フラックスを計算するために、風速と比湿度プロファイルは、Monin-Obukhov の類似性理論から導かれたフラックス プロファイルの関係から取得されます 24,72式に示すように。 (6) および (7) は、水平方向の均一性と沈下がゼロであることを前提としています。

水平均一性と沈下ゼロの仮定は大きな水域上の大気に対して有効であるため、海洋水域上の大気中の水分フラックスは類似関係に従うことになります。 ここで、\(u_*\) は摩擦速度、\(d_o\) は変位高さ (0.001 m)、\(\Psi _h\)、\(\Psi _v\)、\(\Psi _m\) は次のようになります。大気層の安定性に応じて変化する、熱、水蒸気、運動量のフラックス プロファイル関数。\(a_v\) または \(a_h\) は、水蒸気の場合、中性条件下での渦拡散率と渦粘性の比です。と heat はそれぞれ、k はフォン カルマン定数です。 大気層の安定性は、式(1)に示すように、オブホフの安定性長さ L24 から得られます。 (8)。 オブホフ長は安定した大気成層では正、不安定な大気成層では負となり、中性成層の限界ではほぼ無限になります。

ここで、L はメートル単位の安定長、E は瞬間蒸発流束 (kg/m2s)、H は顕熱流束 (J/m2s)、\(T_a\) は標高 2 m における大気温度です。 選択したグリッドごとに、1990 年から 2019 年までの 1 日あたりの平均水分フラックスを計算します。 領域は、歴史的および将来の気候期間の世界の海洋水域からポリゴン シェープファイルを使用して抽出されました。 過去の水分フラックス解析では、1990 年から 2019 年までの連続 30 年間の出力から水分フラックスの平均代表年時系列を生成します。グリッドを空間的に平均することで、選択したゾーンの代表的な日次水分フラックス時系列が得られます。 さらに、選択した地域ごとに過去および将来の気候期間の空間平均積分水分フラックスを計算し、世界中の選択した地域の水分フラックスを比較します。 次に、日次フィールドの平均を月次および年平均値に算出しました。 比湿度と風速は、今後数十年間の変化率を分析するために、選択した CMIP6 モデルから日単位の解像度で取得されました。

取水口によって捕捉される磁束に寄与する海洋表面積は磁束フットプリントと呼ばれ、その風上方向の最大範囲が海洋上での磁束の取り込みとなります。 取水量と設置面積は両方とも動的に変化し、吸気構造の高さ、大気の安定性、風向きに応じて増加します。 我々は、最大範囲に相当する取水構造の上部 (標高 110 m) に関連する取水量と磁束フットプリントを推定しました。 この情報は、設置面積内の陸地面積が蒸発流束を減少させないようにするために、取水口構造を見つけるために最も近い海岸からどのくらいの距離に行く必要があるかを見積もるのに役立ちます。

ここでは、Kljun et al.26 によって開発された 2 次元フットプリント予測モデルのパラメータ化を使用して、フットプリント気候を計算します。このモデルでは、風の帯状成分と子午線成分、表面粗さ、大気の安定性の影響が考慮されています。 クルジュンら。 は、後向きラグランジアン確率的粒子分散モデルに基づいてパラメータ化を確立しました26。 このパラメータ化は、惑星境界層全体にわたる広範囲の安定性条件と測定高度に対して有効です。 海洋表面上の大気では、表面粗さの長さは非常に小さくなります。 このような環境における大気の熱安定性は、気温の変化によって大きく影響されます。 磁束フットプリント モデルは、積分期間全体にわたる定常性 (日次分解能) と流れの水平均一性を想定しており、任意の時点における風上および横風方向の 2 次元の磁束フットプリントの範囲を提供します。

この FFP モデルを Python コードのループ関数として使用し、ERA-5 データセットを使用して、選択した 14 のサイトごとに 30 年間 (1990 年から 2019 年) にわたる毎日のフラックス フットプリント気候を推定しました。 次に、毎日のフットプリント気候学の出力を使用して、風上への採取とフットプリントの面積の平均月次統計が計算されました。 2 次元の磁束フットプリントの取得を推定する際、磁束寄与の特定のパーセントまでのソース領域を描写する一連の等高線​​ (r) を定義します。 取水口の捕捉面で観測された水分束の 50%、70%、および 90% の寄与に相当する風上への取り込みを推定します。 寄与率はその点を超えるとゆっくりと低下するため、研究では水分流束の寄与率の 90% を上限として使用します。 フェッチは取水口の捕捉面からの距離であるため、寄与率が増加するにつれて増加します。 我々は、ワイブル確率密度関数に従った「フェッチローズ」図73をグラフィックツールとして使用し、90%のフラックス寄与に対するフェッチが通常どのように分散され、選択されたサイトに配向されるかを簡潔に示しました。 これは、取水口で観察される水分流束に寄与する距離と方向を表します。 また、磁束フットプリントの面積の季節変動も取得し、一般的な磁束の 90% に寄与する動的発生源領域の統計を示します。

風上へのフェッチと磁束フットプリントを調査するために、この研究では、取水構造の上部での平均風速、境界層の高さ、モナン・オブホフの長さ、横方向の速度変動の標準偏差、摩擦速度、風向き、および風速などの気象データが必要でした。測定高さ。この場合、捕捉面の最大高さです。 風向は、74 で述べたように、風データの帯状成分と子午線成分を使用して計算されています。 北風は 0\(^{\circ }\) という慣例を採用します。 横速度変動の標準偏差の日次値は、ERA-5 の風子午線成分 (v) の 1 時間ごとのデータを使用して計算されました。 ERA-5の境界層高さデータを使用しました。 これは、対流と安定した境界層条件に適したバルク リチャードソン数法から計算されます。 式(8)は、大気安定構造の状態を表すモニン・オブホフ長を計算するために使用されます。 海面上の大気を扱っているため、変位高さ d の値をゼロに保ちました。 測定高さは (z − d) として計算されます。ここで、z = 110 m は、取水口の捕捉面の上部の標高です。 Kljun et al.26 による 2 次元磁束フットプリント モデルへの入力データを使用すると、入力としてフットプリントの特定の割合に対するデカルト座標系 (x および y) の等高線が提供されます。 Douglas-Peucker アルゴリズムに基づく画像処理ライブラリである Sci-kit を使用して、x と y の輪郭点から作成された楕円モデルの長軸と短軸を取得しました。 長軸は、水蒸気収集システムの設置された取水口からの風上方向の取水距離を表します。 フットプリントの輪郭点で囲まれた領域は、sci-kit ドキュメントから取得されたフットプリント領域です。

この研究で提示された分析を行うために、単一レベルの ERA-5 時間データが使用されました。 データは http://bit.ly/3ENBxbT で公開されています。

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リファレンスをダウンロードする

この研究は、イリノイ大学土木環境工学科のラベル教授、大気科学科の大学奨学生プログラムによって支援され、NSF Grant EAR-1331906 によって部分的に支援されました。 著者らは、再解析データセットを自由にアクセスできるようにした欧州中期天気予報センター (ECMWF) に感謝の意を表します。 著者らはまた、世界の陸地境界と海洋地域のシェープファイル データにアクセスできるようにした ESRI チームに感謝します。 著者らは、フラックスフットプリント解析と「フェッチローズ」図の概念化に関して、現在米国エネルギー省ローレンスバークレー国立研究所（LBNL）の博士研究員であるレイラ・ヘルナンデス・ロドリゲス博士に感謝の意を表します。

米国イリノイ州シャンペーン、イリノイ大学アーバナシャンペーン校土木環境工学科

アフィーファ・ラーマン & プラヴィーン・クマール

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校大気科学部、シャンペーン、イリノイ州、米国

プラヴィーン・クマール & フランシーナ・ドミンゲス

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校プレーリー研究所、シャンペーン、イリノイ州、米国

プラヴィーン・クマール

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ここで紹介するアプローチは PK によって考案され、PK と FDAR によって確立された研究方向は PK と FDAR と相談して分析を実施し、PK は FD と相談して共同で原稿を執筆しました。

プラヴィーン・クマール氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

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受信日: 2022 年 4 月 4 日

受理日: 2022 年 11 月 14 日

公開日: 2022 年 12 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24314-2

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