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1 東海大学 2007 年度 海洋科学研究 Ⅰ Ⅱ エルニーニョ現象に伴う熱帯太平洋の海洋物理特性 指導轡田邦夫 教授 4AOG3208 望月佳友

2 目次 1 目的 2 エルニーニョ現象の定義 南方振動考察 4 エルニーニョ現象に見る熱帯太平洋の海面物理変動 4-1 熱帯太平洋の一年のサイクル ~1983 年のエルニーニョ 4-3 議論 年 ~1983 年エルニーニョイベントを含む一般的なエルニーニョに関する考察 5 今後の研究課題 6 参考文献

3 1 目的海洋科学研究を進めていく上で 太平洋におけるエルニーニョ現象に注目を置き 過去発生した大きなエルニーニョイベントに関する論文を読み その現象の物理特性と現象の比較を学ぶ 近年 環境問題や地球温暖化と関連して太平洋で起こるエルニーニョ現象を耳にする事が多くなった エルニーニョ自体は海洋イベントであるが この発生や及ぼす影響は大気海洋相互作用の効果も相まって我々の住む日本の気候変動にも密接に関係する現象である これからの未来の地球温暖化に対してエルニーニョ現象が地球環境に与える影響は益々大きくなるであろう まずは 現象の原理 過程などを学ぶ事から始めたいと思う 2 エルニーニョ現象の定義 図 2 の細線は エルニーニョ監視海域の月平均海面水温の基準値との差の時間変化を示したもので 正の値は基準値より高いことを示しています 太線は 月々の値を平滑化するため 5 か月移動平均した値を示しています エルニーニョ現象やラニーニャ現象のように時間変化がゆっくりとした現象の監視には 細かい変化のある月々の値よりも平滑化した値の方が適しています 気象庁では エルニーニョ監視海域の海面水温の基準値との差の 5 か月移動平均値が 6 か月以上続けて 以上となった場合をエルニーニョ現象 6 か月以上続けて-0.5 以下となった場合をラニーニャ現象としています この定義に適合するエルニーニョ / ラニーニャ現象の発生期間に赤の ラニーニャ現象の発生期間に青の陰影を施しています 図 1 エルニーニョ監視海域

4 図 2 エルニーニョ監視海域の海面水温の推移 (1996 年 1 月 ~2006 年 12 月 ) 気象庁 HP より抜粋 3-1 南方振動 大気と海洋の変動パターンに関してエルニーニョ現象の関心が高まった特に大気の変化として南方振動 (Southern Oscillation) がエルニーニョとの関連があると認識されて 今では それらをまとめて El Nino/Southern Oscillation ENSO と表現して風の変化が海洋の変化を生じ 熱帯の SST が大気循環に影響を与える過程を大気と海洋間に主観をおいて考えている (Philander,1983) 圧力が太平洋で高いときインド洋のアフリカからオーストラリアまでは低い傾向にある ウォーカーは大きなスケールの気候変動を南方振動と名付けて説明した 過去半世紀に渡る間の研究によって 南東太平洋の高気圧帯と北オーストラリア-インドネシア間の低気圧帯の間にシーソーのような変動が見られることが確認されている 今では地球規模においてもっとも的確な季節内の気候変動の例として知られている つまり熱帯太平洋上において南方振動は雨量 SST 貿易風の強度 を考慮する変動であると考えられ インドの干ばつ 北アメリカの冬の天候 北半球の大気において平均水温の振動に関係する事が最近わかった 1960 年代後半に入ってビャークネスが SO は東 中部太平洋での季節内 SST 変動に密接に関係していると指摘した

5 図 3 ジャカルタの一年平均大気圧の南方振動に対する相関関係 図 4 イースター島とダーウィンの気圧差によって与えられる南方振動

6 図 5 海面気圧の月平均分布 3-2 考察図 1 では月平均での海面気圧の場が与えられている この図からは南方振動気圧の測点になっている東部太平洋のイースター島では高気圧帯 オーストラリア北西部に位置するダーウィン付近では低気圧帯である事がわかる この 2 つの気圧から単純に差を求めて変動を見た図が図 2 である この図からは月平均場としては高い値を持つイースター島と低い値を持つダーウィンで差を取った場合に月平均差を細い線が示しているが 値が正負にめざましく変動している様子がわかる これを 12 ヶ月移動平均したものが図中の太線になるのだが その変動は 2~3 年の周期を持って正負に振動している これは現象として 南方振動の測点 例えばダーウィンに関して言えば 一端 高気圧傾向が高まると数年のスケールを持ってその場の状態が続くという事を示している これに関してはエルニーニョの物理現象が数年周期を持っているという事に関係し ENSOとして大気と海洋を互いに関連がある物として考えるのに都合の良い事を示す 図 3 では 1 年平均の大気圧場に対してジャカルタとの相関を取った図である 元々 ジャカルタは低気圧帯に属するので ジャカルタ周辺との相関は高い 一方 イースター島付近の高気圧帯との相関は負になっている 相関が負であるという事はジャカルタの変動に対して逆位相を取るので ジャカルタの気圧が上昇傾向にあると イースター島付近は下降傾向にあり ジャカルタで気圧が下降傾向になると 今度は上昇傾向にある事がわかる このように 太平洋では東西の気圧変化がシーソーのような関係を持っている事が確認できた

7 4. エルニーニョ現象に見る熱帯太平洋の海面物理変動 今章では Oceanographic events during ElNino (Cane,1983) で引用されている 年のエルニーニョ現象から今学期学んだ事をまとまた内容である 各段落タイトルは 引用文献の各セクションタイトルに準ずる 4-1 熱帯太平洋の一年のサイクル太平洋の赤道に沿った SST は西で暖かく東で冷たい ( 図 4) 海洋の表面水は風の移動によってよく混合される 赤道太平洋に沿った混合層は普通 西で 150 m 程の深さを持ち 南アメリカ沿岸で消えるまで東に行くにつれ段々浅くなる 海面の高さも西で高く 赤道に沿って流れを西向きに駆動させる貿易風は西側に暖水を余るほど供給して 一層西での海面が高い状態を強化させる 図 4 のAは世界の海洋の中でも大きな暖水のたまり場を示している 日付変更線の西部域で起こる通年変化は比較的小さい 熱帯太平洋の多くの変化は南アメリカ沿岸の 140 W 3 N ~15 S で起こる この地域は熱帯の平均よりも表面水が冷たく ペルー海流によって南から運ばれてくる冷たい水の流入に関係している そこへの大半の流れは 貿易風によって西方に駆動された南赤道海流を通って西に存在する この地域を通って流れる水は大気によって強く熱され それが西太平洋に到達する前に温度は数 上昇する 沿岸湧昇と赤道湧昇はこの地域の冷たい水の源である 南アメリカ沿岸に沿う風は南向きでコリオリの効果によって表面の流れを沖に転向させる そして 沿岸から離れた海水は下から供給される海水に置き換わる 同じように赤道付近で吹く東風はコリオリ力によって両半球で海水の流れを極方向に変えるので 赤道勇昇を引き起こし 赤道で表面流は発散する 2 つの湧昇の形成に伴う上昇の運動は熱帯では混合層直下の表面付近で躍層をもたらす 熱帯の躍層ははっきりしていて 50 m 以内で大きくて 10 の変化がある それゆえに 躍層深度の違いは表面混合層に輸送された水の温度に劇的な違いをもたらすことになる 北風が減少し始めると 普段冷たい東部赤道太平洋は暖かくなる 熱帯領域外の緯度の SST 変動の通年サイクルは第一に太陽放射の季節変化に対する熱力学の反応によって成り立っている つまり春と夏を通じて温度は上昇する 太陽が赤道方向に後退するにつれて 秋に最小に達し海洋表面の正味の熱バランスは負になる これは熱帯太平洋の SST のサイクルには当てはまらない 東部熱帯太平洋は一年を通じて熱され 温度変化は熱力学というよりもむしろ海洋力学の結果である 表面熱フラックスの変動は原因というよりは SST 変化に対する反応である 現在の計算は東部赤道太平洋の SST に対する実際の力学の影響による量的評価を示すものではないが どの構造が重要であるかを示す情報としては十分である 南東貿易風が和らぎ 結果としてペルー海流と南赤道海流を通る流れが減速する 表面が熱される割合は減少しないので 表面水は暖かくなる 風が弱まることが赤道沿岸湧昇を減らし それは冷たい海水の源を減らす これらの地域の要因は離れたところの影響を助長する 西の海水は常に温かく 東方向への

8 移流は東での暖かくなることを導くだろう 通常の年の期間にはガラパゴスの赤道の東に沿って流れる強い東向きの流れは温暖化が起こるときの冬と早春の間だけだという事に注目する事がある 多くの研究はこれらの変化は秋と冬に赤道に沿って東風が特に西部 中部太平洋の東風が弱まる事に対する海洋の反応である事を暗示する この反応に加えられた要素は 躍層の深化 特に表面に湧昇する海水は沿岸と赤道に沿っているので以前よりも暖かい ~1983 年のエルニーニョ典型的なエルニーニョの前兆となる風の変動が秋に起こるが 年のイベントは春頃に見られた 日付変更線付近で突発的な西風が吹き この地域での風の大きな変異を考慮したがそれらの意義はまだ正確に理解できなかった 次に 5 月になると SST の変動が目立ち始めた図 1C 参照 ( その範囲は小さく SST の変動はわずかであった ) 7 月になると 風の変動が十分に強くなった しかし 普通のエルニーニョイベントの前兆は何も現れなかった 東風が特に強かったのではない SST が異常に東で低く西で高いという傾向もない 海面水位は西太平洋で高くない 躍層も普通より深くない 夏の初め 東太平洋で SST が気候学的平均よりわずかに上昇したが 年々変動の変化幅から見れば通常の範囲内だった 8 月になると このエリアの温暖化が相当な物になり ( 図 1C 参照 ) 風は大いに変則してと言うのは赤道太平洋の多くで東風に変わって西風が支配した 普通のエルニーニョパターンと逆に 中緯度海洋の温暖化は南アメリカ沿岸の大きな変動に時間のズレはなかった その年の最初 西部太平洋の海面変位は普通の過程を通り 3 月 ~4 月にピークを迎えその後減少する 典型的な年では秋に 2 度目のピークを迎えるが 1982 年は年間を通じて下がり続けた図 6 参照水位の減少は特に 7 月の終わりに鋭かった海面水位はラバウリで 12cm 減少しホニアラでは 18cm 減少した中部太平洋 ( 図 6 ファニング島 ) ( キリバス共和国に属する ) では 海面水位は 7 月までは普通に近かったがそれから急激に上昇し始めた 7 月から 9 月までクリスマス島では 25 cm 増加した 普通の年では 12 月まで徐々に上がって合計しても 10cmの変化である ガラパゴスから東に 8000 kmのサンタクルス島では水位は 8 月に上昇し始め沿岸の観測点ペルーのカヤオでは 9 月の後半や 10 月水位が上昇し始めた 表面下の影響は しいて言えば普通では無かった 1981 年 11 月と 12 月では赤道 85 W での躍層の中央 (20 温線 ) は 40mに集中した その年のあと それは深さにして 2 倍になった 同じような躍層の低下が 160 W まで外の太平

9 洋の東半分中至る所で観察された 7 月から 10 月まで 0 E,110W での 100m 深度で温度が 8 増加する間に SST は 2 上がった SST の東部太平洋のこの大きな暖水の蓄積は赤道に沿って圧力勾配を反転させるのには十分であった 結果として 東向きに流れる赤道潜流が 8 月の間に消え始め 1983 年 1 月まで現れることはなかった これらの変化はケルビン波が中部 西部太平洋の風の変化によって励起され南アメリカ沿岸へ赤道に沿って東進するケルビン波の行程と それが進むにつれて海面が上昇するという考えに一致する このシナリオは標準的なエルニーニョだったのだが 1982 年の SST 変化のパターンは異なっていて イベントの時期も違っていた為 通年サイクルとも違う結果になった ケルビン波の通過に伴って西から東に表面流が変わる これがこの地域に暖水を運ぶ と同時に躍層の抑止に赤道に沿って上がってくる水が以前よりも温かい事を意味した エルニーニョは通常の沿岸の温暖化と同時に起こり 暖かい表面海水を輸送する平均場と相まって躍層を減少させる 図 4 SST の時間経度断面 ( 上 ) 気候平均 ( 中 ) エルニーニョの偏差を併せた図 ( 下 ) 1981~1983 年までの偏差

10 図 5 左 トラック諸島における海面変位 上図はエルニーニョ年別の変位の推移 下図 点線は非エルニーニョ年の通年変位 連続線はエルニーニョ年を合成した変位 右 カヤオにおける変位 図 6 太平洋の各測点における 1982 年の海面水位変動

11 4-3 議論 1982~3 年のイベントは先例がないわけではなかった 1963 年のとても弱いイベントは似たような特徴を持っていたし 1930 年 41 年のとてもおおきなイベントも同じようなパターンを持っていた いずれにせよ 過去のイベントの推論は私たちの現象に対する理解を深める上で不完全であり 1982 年のような振る舞いをするイベントに対して予報をする事は不可能であった 我々は 暖かい西熱帯太平洋の比較的小さい範囲の SST 変化がエルニーニョイベントに先行して見られる観察であると考えてそれが中部太平洋への進行を誘起するのであると考えている イベントを通して 表面風の変化は説明してきたような方法で SST の変化を引き起こし これらの SST の変動が大気に反応し完全に ENSO サイクルが役割を終えるまで 更なる風の変化が引き起こされる 年のイベントは記録された現象の中でもっともよく観察されたものであり その解析は海洋物理と大気海洋相互作用の私たちの理解を発展させるのに有益である事を今一度検証すべきである このイベントには付加的な価値がある つまり私たちは実験によって現象を操作できないので 自然界に我々の為になる事をさせるという点で価値がある 更なる研究は我々にエルニーニョの原因に対する洞察を深め これらの気候上重要なイベントを予測する能力につながるかもしれません 年 ~1983 年エルニーニョイベントを含む一般的なエルニーニョに関する考察今回は論文に紹介されている図を中心にして この年のエルニーニョ現象の規模を考えてみる 図 4 に関して 3 つの図が上げられている 一番上の図は 8 S における赤道太平洋の平均 SST 分布を表した図である これを見る限り 赤道太平洋では普通 東部で SST が低く 西部で SST が高いという特徴が表れている しかし 春から夏にかけては 東部に舌状の暖かい SST が張り出している構造が見て取れる それが 8 月 ~1 月までには次第に その張り出しが収まって西部に戻っている事から この変化は季節的な変化によるものと思われる 1 年の間に 西部では大きい季節変化が見られる間に 東部ではほとんど SST 分布に変化が現れるような状況は起こっていない 真ん中図は過去に起こったエルニーニョの年を取り出し エルニーニョが発生した年を中央に置き平均して作られており その前後 1 年を併せて SST 分布の偏差をとったものである この図はその下にある 1981 年 ~1983 年の論文で議論されている年の偏差図と対応して考えてみる まず 最初に気づくのはエルニーニョが発生すると図 4 上で見られるような季節変化を完全に無視した変化が東部熱帯太平洋で起こるという事である 真ん中図での偏差の中心は東部 140 W 付近にまで見られている またこの図から過去のエルニーニョの平均として その発生時期と終息時期が見て取れる おおよそ 4 月頃から偏差が正になり出し 7 月から翌年 1 月までエルニーニョによる海面水温の上昇が見られるが 1 年経たない内に つまり翌年 4 月になるまでには収束を迎えている

12 これに対し 現象の規模が大きかった年の図 ( 図 4 下 ) では その開始と終息を見ると 開始は 6 月頃と少し遅れてはいたが 偏差が急激に成長し 10 月から 1 月と現象が最も大きかった時期に 140 W 付近で偏差が 4 の海域が表れている この年の特徴として エルニーニョ現象と考えられる正偏差の傾向が現れ始めた 6 月から 最大偏差が表れる月までの時間が短かった事が伺える また終息時期を見極めようとしたが 現象が大きいせいか 前後 3 カ年の図だけでは現象の終息の偏差が捉えられていない この 1982~1983 年の現象は実質 1 年以上続いていたようである この様な変動が起きていても やはり SST 分布から西部太平洋における影響は現れている様子は見えない そして 太平洋においての SST 変動は完全に東部側が現象の起点になっている事が この図は指摘している 今回は単純に掲載されている図を考えているが 真ん中図と下図は同じ偏差を扱ってはいるが 輪郭の取り方に違いがあるので今後 自分で実際偏差図を書くなりして比較する必要がありそうである 図 5 からは熱帯サイクルやエルニーニョに伴う各測点における海面水位に関しての図である 図 5 ではトラック諸島 (152 E, 7 N) とカヤオ (79 W,12 S) の二つの測点の海面水位を比較している 経度から太平洋の西部と東部と考えればよいだろう 論文でも述べられていたように通年イクルでは トラック諸島の海面水位は季節的な変化を示し 春先に水位の高振幅を迎えた後 夏までに下がり秋にかけてまた水位が高くなる変化をする これに対し エルニーニョの年は通年サイクルを外れて一年を通じ 水位の減少が見られ通年で上昇の最大が 7cm 程度に対し 現象値は最大で-20 cm にも及んでいる 東部に位置するカヤオでは通常の水位が減少する変化に対してエルニーニョの年には水位が上昇している その水位は最大 10 m である 水位変動時期は東部と西部で同じ 4 月に起こっているのは興味深い 先に見た SST 偏差分布からはエルニーニョの発生の開始時期は東部太平洋である事がわかった が 海面水位変動を見ると その西部における減少傾向と東部における上昇傾向の時期が同じであるという結果がわかる 図 6 は 1982 年 ~1983 年の太平洋の各測点における海面水位を時系列で見たものである これは図 5 のエルニーニョが発生した時の海面水位変動と関連して 太平洋の西部に位置するラバウリでは水位の減少が見られ ファニング島から東部の測点では水位が上昇する事がこの図から判明する この海面変位を見れば 海面高の状況は時間と共に西から東へと進行する現象である事がわかる このような時系列があれば 太平洋の中では西部で減少 東部で上昇する傾向があるので どの観測点から上昇から減少に転移するのかがわかるのではないかと考えられる

13 5 今後の研究課題海洋科学研究 Ⅰでは エルニーニョの特性 インド洋の物理特性の知識を得るだけに留まり 具体的な解析や研究を進めていく上での核となるテーマについて見いだすことが出来なかった 更には 今回まとめたエルニーニョ現象から その変動の仕方などは詳しく理解する事ができたが 海面変動の原理となるケルビン波 ロスビー波の特性など現象の数式解析などを扱う機会が少なかったので 今後に一抹の不安がある 研究テーマに関しては今 講読している regional oceanography において 東部インド洋の水塊構造に関して その海域が支配する水成分の分類について詳しく書かれている箇所があり そこから自分のテーマに採用できるものがあれば幸いであると思っている 具体的には 水質構造を分類してインド洋の太平洋海水の割合等を調べて それがエルニーニョの年に現象の影響が見られるような変化が起こっているのかという点を調べることである 論文の中では T-S ダイアグラムを使っているようだった 現在 自分が持っている CTD データを使って 3 年分 ある期間の解析はできると思うのだが 当然数年間の解析を行い 比較をする事が必要になってくるだろう 今後は 論文の講読を終わらせるのと平行して プログラムを組み 実際の水塊構造を見ていきたいと思う

14 6 参考文献 Cane,M.A. (1983) : Oceanographic events during El Nino, Nature, volume 222,Number4629 Philander S.G.H (1983) : El Nino Southern Oscillation phenomena,nature,vol.302 気象庁 HP

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