第五回まとめ 2/2 東岸域では, 北風がエクマン流を通じて湧昇をもたらす. これを沿岸湧昇と呼ぶ. 沿岸湧昇域での, 局所的な大気海洋結合変動現象であるカリフォルニアニーニョ, ニンガルーニーニョなどが発見されている. エクマン流と地衡流の関係の仮説 前回学んだエクマン流が, どう地衡流と関係する

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1 6. 海洋風成循環と海面高度 見延庄士郎 ( 海洋気候物理学研究室 ) 復習課題 を印刷解答の上, 授業冒頭で提出してください. 冒頭のみ提出を受け付けます. 東岸域でのエクマン流 Q. 大洋の東岸域では, 岸に沿う風が吹くと, エクマン流が岸に直交するので, 沿岸湧昇または沈降が生じる. 有名な領域には, カリフォルニア沿岸がある. カリフォルニア沿岸に, 沿岸湧昇をもたらす風は, 北風か南風かを答え, 前のスライドと同様に, 風向き, エクマン流の向き, そして湧昇か沈降かを図に描け. A. 北風である. 北 東 美しい模式図 本日の内容 前回学んだ風応力は, 海洋に循環をもたらす最も主要な要因であり, それによる循環を風成循環という. ただし, 風応力が直接引き起こすエクマン流は, 量的には風成循環のわずかな部分でしかなく, 地衡流成分が主である. 黒潮や親潮も地衡流として流れている. この重要な風成循環がどうして生じるのかを, 今回学ぶ. また関連して, 地球温暖化による海面上昇の基礎を学ぶ. 第五回まとめ 1/2 低気圧が悪天候をもたらす重要なひとつの要因は, エクマン風収束により上昇気流が生じるためである. 風が海を押す力を, 風応力といい, τ = CD w wρa (5.1 再掲 ) 風応力が直接駆動する準定常な流れを, エクマン流といい, 北半球では風下に向かって右手方向に流れる. x 1 τ 1 τ u =, v = f ρ H f ρ H 0 0 (5.3 再掲 ) 赤道で東風が吹けば, エクマン流が極方向に流れ, 赤道で発散が生じるので, それを補うように湧昇が生じる. これを赤道湧昇と呼ぶ. 赤道湧昇は, 気候変動現象のエルニーニョにも重要 3 4

2 第五回まとめ 2/2 東岸域では, 北風がエクマン流を通じて湧昇をもたらす. これを沿岸湧昇と呼ぶ. 沿岸湧昇域での, 局所的な大気海洋結合変動現象であるカリフォルニアニーニョ, ニンガルーニーニョなどが発見されている. エクマン流と地衡流の関係の仮説 前回学んだエクマン流が, どう地衡流と関係するのか? 風 エクマン流 地衡流という因果関係で考えるのがよいだろう. 地衡流は, 圧力場つまり海面高度分布が決まれば決まる. 海面高度は, 流れの収束発散で決まる. エクマン流が収束するなら, 海面が上昇し, 高気圧性循環が, エクマン流が発散するなら, 海面が下がって, 低気圧性循環が生じるのでは? 5 6 簡単なアイディアでの風応力がもたらす地衡流成分の循環 年平均東西風応力 (N/m 2 ) 実際の海面高度と海流分布 左下の図の海面高度の分布から,40N 以南について, 海面高度の概形を等値線で, の点での流速をベクトルで, 右下の図に描け. 流速ベクトルの大きさは, 流速の大きさを表すこと. ただし流速を計算する必要はなく, だいたいの感覚で描くこと. なお, 表面の地衡流と海面高度とは, 地衡流は, 海面が高い方を右に見て流れ, その強さは海面高度の勾配に比例する (fが一定なら) という関係がある. 式で表せば既に学んだ通り次の通り : fu = gh, fv = gh x 2010 年の平均海面高度 風応力が, エクマン流を駆動し, その収束 発散が海面の上がり 下がりを作り, 対応する地衡流が生じると仮定する. エクマン流を矢印で, 海面高度を等値線で, 地衡流を別な矢印で右図に書き込め. 等値線は 10 cm 間隔. 7 9

3 年平均表面流速 太洋の西に強い流れ 黒潮 ( メキシコ ) 湾流 大洋の西部に極向きに向かう強い海流 : 西岸境界流 [cm/s] 西岸境界流は内部領域流の補償流 2010 年の平均海面高度 等値線は 10 cm 間隔. 亜熱帯循環において, 西岸境界付近以外の海洋内部領域では, 南北流は全体に赤道向き. 西岸境界流は, その補償流として, 極向きに流れる. 内部領域の南北流の流量は, これまで学んだ枠組みで求めることができる. 海流の可視化アニメーション : 簡単な仮説でダメだったのは... コリオリパラメータの緯度変化とスウェルドラップ流 コリオリパラメータの緯度変化, が海面高度分布に及ぼす影響を無視したため df β > 0 第 4 回スライド14で登場 d したがってコリオリ パラメータは南で小さく北で大きい

4 コリオリの微分 =β コリオリ パラメータの 微分を慣例として β で表 す df d dθ d β = = 2Ω sinθ = 2Ω sinθ d d d dθ ここで =a θ を用いると,1 2 行の計算の後に次式を得る β f = 2Ωsinθ 2Ω cos θ a = (6.1) θ a スウェルドラップ流 風応力を考慮した定常 1.5 層モデルで, 風応力の回転成分が南北流速 ( したがって流量も ) と海面高度の東西勾配とを, 決定することを示そう. クロス微分 ( 2/ x 1/ ) の結果に3を代入して, =/ を使うと ( 草稿用紙に数行の式展開が必要 ), β 1 x vh ρ x τ τ = (6.2) したがって, 南北流は風の回転成分 x u fv = g h + τ / ( ρ H ) =curl( ) ( 風応力カールという ) で決まる. この流れを, スウェルドラップ流という. t v + fu = g h + τ / ( ρ H ) t h + H ( u + v ) = 0 t x x 風応力のカールは東西風応力が支配的 風応力に関しては, 東西成分 >> 南北成分, かつ, 南北スケール << 東西スケールなので, 風応力カールは次のように近似できる x x τ τ τ (6.3) x したがって, ある緯度でのスウェルドラップ流量の東西積分は x2 1 x2 x vh dx dx x1 x1 0 τ (6.4) ρ β であり,9 枚目のスライドから北太平洋の亜熱帯循環では, τ x / > 0 であるので, スウェルドラップ流は南向きである. 南北流はほとんど地衡流なので ( エクマン流は小さい ), 海面高度の東西微分は (6.1) と 1, そして (6.2) より h x f f x v = g ' ρg ' H β τ となるので, 海面高度は西に向かって高くなる. (6.5) 海面高度構造の力学的解釈 なぜこうなるかというと, エクマン流の水平収束で海面水位を高くする傾向が, ロスビー波で西に伝播するためである. 西に動くコンベヤーベルトにいたるところで荷物を載せれば, 積み重なって西で高くなることと同じ. 海面高度 ロスビー波伝播 スウェルドラップ流 貿易風 偏西風 エクマン流 16 17

5 黒潮 亜熱帯循環の海洋内部領域では, 地衡流は南に流れる. この内部領域の南下流量は, 大洋の西岸付近で, 北に戻る. この流れが北太平洋では, 黒潮である. また亜熱帯循環の海洋内部領域では, 南下流に伴って, 海面高度が西向きに高くなる. 一方, 西岸境界では, 西向きに海面高度が低くなる. 18 黒潮流量を風応力カールから求めよう 120W 1 120W A. x vh dx dx ρβ 140 E τ 140E = = Q. 風応力カールのよい近似である, 東西風応力の南北微分が最も強いのは 30N 付近 ( 図より緯度 11 度で 0.1 N/m 2 の変化 ), そこでは,β= m - 1 s -1, 緯度一度あたりの距離は 110 km, 経度一度あたりの距離は 95 km, 太平洋の内部領域の東西範囲が 140 E~120 W として, 黒潮流量を求めよう. 19 風応力から求めた流量を観測と比較 正しい理解に基づく風応力がもたらす地衡流成分の循環 年平均東西風応力 (N/m 2 ) 東経 137 度線を横切る冬季 夏季の黒潮の流量の経年変化 (1972 年冬季 ~2016 年冬季 ) 夏季と冬季の気象庁海洋気象観測船の観測に基づく深さ約 1250mを基準とした地衡流量を計算し 本州南方における東向き流量からその南側の西向き流量 ( 黒潮反流 ) を再循環する量として差し引いた正味の東向きの値を黒潮の流量としています 細線は観測値 太線はその3 年移動平均を表します 2009 年夏季 ( 図中 'x') は 気象庁海洋気象観測船以外のデータも利用しています 詳細については 2009 年夏季の東経 137 度線の解析 をご覧ください 年 11 月 10 日アクセス 20 風応力が, エクマン流を駆動し, その収束 発散とコリオリ力の緯度変化の効果が ( ロスビー波の存在が ) 海面の上がり 下がりを作り, 対応する地衡流が生じると仮定する. エクマン流を矢印で, 海面高度を等値線で, 地衡流を別な矢印で右図に書き込め. 21

6 海洋循環変化と海面上昇 山岳氷河融解 Global Sea Level Rise 氷床 ( 南極 グリーンランド ) 融解 海面上昇 海水温度上昇 熱膨張 将来の海面上昇 陸上の氷の融解と海水温上昇が同程度に寄与 CLIVAR パンフレット 研究焦点 年と 年の差は RCP8.5 で 63 cm. 確率分布の上位 5% で与えられる不確実性上限は 82 cm. 2017/10/24 の静岡新聞によると 2017 年の台風 21 号で高潮被害が広まったのは 黒潮大蛇行で cm 水位が高くなっていたため たった cm! 領域海面高度変動のダイナミクス 25 26

7 2007 OECD report Economic damages are evaluated 今世紀末の海面上昇 最新より一つ古い IPCC 第四次評価報告書 IPCC 第五次評価報告書の概要 第一作業部会 ( 自然科学的根拠 )-, 環境省 (2014/12) (2018/11/10 アクセス ) RCP8.5 シナリオでの, 多数モデル平均で得られた 年の海洋の循環変化と昇温とによる海面高度が 年からどれだけ高くなったかの差. 陸氷の融解の効果は入っていない 日本の東で比較的高い海面上昇 海の熱吸収と黒潮続流の北上による (Terada & Minobe 2018) ただし沿岸までは来ないのは, 沿岸に沿って伝播する波である沿岸ケルビン波が高緯度の比較的低い海面高度を南に伝える 盾 ( シールド ) 効果のため (Liu Minobe et al. 2016). 一方 ニューヨーク付近で海面上昇が高いのは その北のラブラドル海の強い海面上昇がケルビン波で伝播するため (Minobe et al. 2017) とはいえ日本沿岸も全球平均程度には上昇する. 31

8 全球海洋平均よりも個々の地点の不確実性は必ず大きくなる 最新の推定では日本沿岸も中央推定値は全球平均と同程度, しかし不確実性上限は全球平均の 82 cm よりも 10-20cm も大きい,94~102 cm(t 君修論 2019 年 2 月予定 ). 不確実性が大きくなるのは, 海面上昇の全球平均からのズレの成分が個々の場所にはあって, それが必ず不確実性 ( 標準偏差のようなもの ) を大きくするため. 第 6 回のまとめ 1/2 2Ω コリオリパラメータの南北微分は β = cos θ a 海洋循環で, 風が直接駆動するエクマン流自体はわずか. β 効果があるために, 海洋内部領域では, 風応力の回転成分が, スウェルドラップ流を作り出し, β 1 x vh ρ x τ τ = 北半球の亜熱帯循環では, その北側の偏西風と南側の貿易風とによって, 風応力の回転成分は負, スウェルドラップ流は南向き 風応力の回転成分はまた, 海面高度の東西微分を決め, 亜熱帯循環では海面高度は西に向って高くなる. 33 第 6 回のまとめ 2/ 年と 年の差は RCP8.5 で 63 cm. 確率分布の上位 5% で与えられる不確実性上限は 82 cm. 全球平均の海面上昇の半分づつはと海水温上昇による. 陸上の氷の融解 日本の東方では全球平均よりも大きい海面上昇が, に予想されている. ただし主要四島沿岸の水位上昇は平均程度である. これは, 高緯度の低水位を伝える沿岸ケルビン波による. 一方, 日本の主要四島の海面上昇の上位 5% 推定値は, 全球平均よりも大きくなり, 現在実行中の研究では 94~102 cm と推定されている. 34

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