エルニーニョ現象に関係する 海洋表層貯熱量の変動特性
長谷川 拓也
気象研究所 ・日本学術振興会
神戸海洋気象台 2006年12月6日
発表の流れI. 背景 -ENSOに関する過去の研究-
II. 解析結果 -ENSOに関係する表層貯熱量の変動特性-
II-A. 過去50年間の観測データに対する統計学的解析
II-B. 各エルニーニョの観察
II-C. 数値モデル実験結果
II-D. 10年スケール変動(ENSO-like decadal variability)
II-E. 太平洋中緯度の数十年スケール変動
III. まとめ
I.背景 -ENSOに関する過去の研究-
I-1. 海面水温・大気場(20世紀前半~1970年代中盤)
・海面水温や大気の観測データの解析によるエルニーニョの記述 ・海面気圧データ(e.g., Walker 1923) ・海面水温偏差(Davis 1976; Weare et al. 1976)
エルニーニョ現象(ペルー沖のみならず太平洋の広い範囲で連動) ・中部・東部赤道太平洋、北太平洋中緯度
Weare et al. (1976) 北太平洋海面水温偏差の EOF第1モード
1972/73
I-2. 海洋内部・大気海洋結合系 (~1980年代中盤)
・水位データ解析によるエルニーニョの前兆現象の把握 ・太平洋熱帯域島嶼観測水位(=暖水・表層貯熱量;Wyrtki 1975; 1985)
・大気海洋相互作用現象としてのエルニーニョ ・貿易風・海面気圧・表層貯熱量(Bjerknes 1966; 1969; 1972)
・エルニーニョの季節進行(大気および海洋の時間発展の規則性) ・「エルニーニョ・マーチ」(Russmusson and Carpenter 1982)
エルニーニョ開始→エルニーニョ終焉
[西部熱帯太平洋~東部熱帯太平洋] ・海洋内部(暖水・貯熱量)・海面水温・大気場:連動
エルニーニョ現象に関連した海洋内部の変動
B
エルニーニョ時
(1997/11)
A
平年値
(11月)
B-A
平年偏差
海面水温 表層水温(赤道沿い)
400m
0m
warm pool
Nino3-index>0 暖
冷
浅 深
赤道湧昇
東へ
warm pool
東へ
貯熱量(0m-300m鉛直平均水温) 負の貯熱量偏差 正の貯熱量偏差
気象庁データ同化システム(ODAS)
太平洋赤道域の大気と海洋
貿易風 (東風)
対流活発域(積乱雲群)
高い海面水温
表層の暖水
深層の冷水
冷水の湧昇
NOAAのホームページより
warm pool
・ 船舶観測断面図 (Wyrtki and Kilonsky 1984) ・ハワイ・タヒチ間(160W沿い)(海流系など)
数値モデル・同化モデル・Triton/TAOアレイ ・Guilyardi et al. (2003); Kug et al. (2003); Meinen (2000)
EUC)
SEC SEC ECC NEC
土屋 ジェット
土屋 ジェット
5N 10N 20N 17S SEC(南赤道海流) EUC(赤道潜流) ECC(赤道反流) NEC(北赤道海流)
エルニーニョ現象に関連した大気海洋相互作用
貿易風弱まる
表層の暖水が東へ移動
東部海面水温上昇
対流活発域が東へ移動
NOAAのホームページより
エルニーニョ終焉のメカニズムは? 正のフィードバック
I-3. エルニーニョの振動メカニズム仮説(1980年代後半)
「エルニーニョ→ラニーニャ→エルニーニョ・・・」振動(遷移)メカニズムの研究 [背景]:観測事実システムの充実(船舶・衛星・TOGA/TAO)・観測事実の蓄積 : 単純モデルの実用化(Cane and Zebiak model; CZ model; Zebiak and Cane 1986)
・単純モデル・理論的研究による仮説の提唱 ・delayed action oscillator model (遅延振動子理論; Suarez and Schopf 1988)
・赤道域を暖水(水温躍層の押し下げ・正の貯熱量偏差)が東進 ・赤道湧昇の弱化→中部赤道域・東部赤道域の海面水温上昇→エルニーニョ開始 ・貿易風の弱化・風応力シェアーの変化→赤道ロスビー波(cold Rossby)の励起 ・cold Rossby波の西向き伝播(南北5度-7度)→西部赤道域に到達 ・沿岸Kelvin波として赤道域へ伝播 ・赤道域を冷水(水温躍層の押し上げ・負の貯熱量偏差)が東進 ・赤道湧昇の強化:エルニーニョの終焉・ラニーニャ開始
海洋モデル領域
大気モデル領域
Schopf and Suorez (1988) 単純結合モデル(CZ model); 海洋モデル:熱帯太平洋のみ
delayed action oscillator modelの概略
Suorez and Schopf, 1988
Cold Kelvin
Cold Rossby
西風偏差
Nino 3 SST 西岸境界
δ
η
赤道
d T / dt = a* T - b* T(t-η-δ) - ε* T^3 T : Nino 3 (東部赤道太平洋) の SST 偏差
ε: 減衰係数, a(>0), b(<0)定数
η 5N
5S
Cold Rossby
反射
遅延時間
波動(貯熱量)伝播・反射が重要
I-4. delayed action oscillator modelからの発展 (1990年代後半~)
・西部熱帯太平洋に強調 ・western Pacific oscillator model (Weisberg and Wang 1997)
どのモデルが最も現実的であるかは議論中
・熱帯太平洋全体での南北熱輸送を強調 ・recharge-discharge oscillator model (Jin 1996; Jin 1997a;b)
・warm poolの東西移動・東岸での波動反射を強調 ・advective-reflective oscillator model (Picaut et al. 1997)
・複数のメカニズムが同時に共存できることを提案 ・unified oscillator model (Wang 2001)
観測による検証
western Pacific oscillator modelの概略
Cold Kelvin
東風偏差
西風偏差
Nino 3 SST 西岸境界
δ 赤道
η
北太平洋熱帯域(赤道外;10N-20N付近)の信号に注目
西岸での反射は必要としない
大気場を通じて赤道波を励起
15N
Cold Rossby
recharge-discharge oscillator modelの概略
西風偏差
Nino 3 SST 西岸境界
赤道
波動伝播は特に必要なし
スベルドラップ輸送(赤道域と赤道外の暖水量・貯熱量の交換)
5N
(低気圧性大気場) →極向きスベルドラップ輸送
(低気圧性大気場) →極向きスベルドラップ輸送 赤道域全体では貯熱量減少
5S
“discharge”
delayed action oscillator model
western Pacific oscillator
model
unified oscillator model
西部太平洋の風強制の寄与
西岸境界での赤道波の反射
南北輸送
recharge-discharge oscillator model
advective-reflective oscillator model
東岸境界での赤道波の反射
・warm poolの移流
unified oscillator modelの概略
I-5. 観測された貯熱量の研究(新たな知見・モデルの検証)(1990年代~)
・伝播特性(delayed action oscillator model) ・Kessler (1990), Zhang and Levitus (1996; 1997), Hasegawa and Hanawa (2003)
・赤道域全体の貯熱量変動 (recharge-discharge oscillator を支持) ・Meinen and McPhaden (2000;2001), Kessler (2002), Hasegawa and Hanawa (2003), Meinen (2005); Hasegawa et al. (2006)
・西部熱帯域の変動 (western Pacific oscillatorを支持) ・Kessler (1990), Wang et al. (1999)、 Hasegawa and Hanawa (2003)
・複数のメカニズムが同時に共存できる (unified oscillator model) ・Hasegawa and Hanawa (2003)
OHC(貯熱量;水温躍層;暖水量)の変動は徐々に解明
各仮説:貯熱量の重要性 しかし、1990年代以前:データセットが準備されていなかった
II. 解析結果 -ENSOに関係する表層貯熱量の変動特性-
海面水温や大気場の解析: 海洋内部の変動の様子が不明
大気・海面水温と関係する
海洋表層貯熱量 (OHC)
気 候 変 動 の 解 明
大気海洋相互作用(エルニーニ現象など)
(upper Ocean Heat Content)
II-A. 統計学的手法の適用
ENSOメカニズムの理解のため様々な仮説が提唱
[ENSO] ・delayed action oscillator model (Schopf and Suorez, 1988) - OHC偏差を伴った赤道波の伝播 ・recharge-discharge oscillator model (Jin, 1997) - 赤道域の暖水量(OHC)の流入・流出(南北熱輸送) ・western Pacific oscillator model (Weisberg and Wang, 1997) - 西部熱帯太平洋(赤道域より高緯度)のOHC変動を重視
[仮説]
・気候変動の理解 ・仮説の検証 →OHCの解析が重要
Kessler (1990), Zhang and Levitus (1996) Wang et al. (1999) Meinen and McPhaden (2000; 2001)
・期間が短い(約20年) ・年平均偏差 ・赤道域に限定
ENSOに関する観測されたOHCの研究
<目的> ・太平洋において長期観測されたOHCを解析 ・OHCと海面水温、大気場の関係 ・卓越周期の抽出・周期帯毎に変動を記述 ・観測に基づく新しい知見・仮説の検証
・研究例が少ない ・OHC変動の詳細不明
・JEDAC/SIO提供の表層水温データセット(White 1995) から計算 期間:1955年1月-1999年12月、領域:太平洋(30˚S‐60˚N) 格子: 2˚(緯度)×5˚(経度)、鉛直11層: 0m, 20m,,,,300m, 400m 観測データ(MBT, XBT, CTD, TAOアレイなど)を最適内挿法で格子化
・OHC: 海面から水深 300 m までの鉛直平均水温と定義
・ノイズ除去や平滑化
OHCデータ
1963年に観測された赤道上の表層水温の経度‐深度断面図 (Colin et al. 1971)
300m
水温躍層
(西) (東)
OHC 水温躍層
海面水温
深
熱帯海洋(2層構造)
OHC⇒熱的変化(水温変化) ⇒力学的変化(水温躍層深度変化)
海面水温
OHC OHC
OHCの概略図
・SST:ER-SST (Smith and Reynolds 2003) ・海面風応力, 海面気圧(SLP):NCEP/NCAR再解析データ (Kalnay et al. 1996)
・Nino-3 index:NCEP/CPC提供
・期間:1955‐1999年 ・領域:太平洋(30S-60N). 格子間隔:2(lat)x5(lon)deg
・すべて季節偏差(1961-1990年気候値)(1-3月を冬、4-6月を春、7-9月を夏、10-11月を秋) ・5ヶ月移動平均(MJOなどの季節内変動を除去するため)
海面水温・大気場などのデータ
C1: 東部熱帯太平洋 C2: 西部熱帯太平洋 C3: 中部赤道域・中緯度帯
C3:10年~数十年周期
C2:3~6年周期 C1: 3~6年周
期
100˚E 150˚E 160˚W 110˚W
20˚S
20˚N
40˚N
60˚N
C3:10年~数十年周期
クラスター数3の時のOHC偏差の分類結果
(クラスター解析・スペクトル解析結果)
赤道
結果 OHCの卓越時間スケール検出
エルニーニョの卓越周期と一致
97/ 98 86/
87 82/83 72/
73
91/92 76/
77
(東部熱帯太平洋)
(西部熱帯太平洋)
エルニーニョ発生期間
C1, C2における領域平均OHC偏差の時系列
エルニーニョピーク時におけるOHC偏差合成図(℃) エルニーニョピーク時における海面水温偏差合成図(℃)
55/56
63/64 65/66
68/69
94/95
熱帯域OHC変動・ENSOとの関係 (3年から6年周期を抽出)
complex EOF 第1モード(寄与率60%) 周期はおよそ3.5年(℃)
86/87 91/92 94 97/98 82/83
反時計回りの伝播
A
B
C
D
0 年
0.5年
1.0年
1.5年 東進
西進 (年)
反時計回りの伝播:ENSOに関係
西部熱帯太平洋における OHC 偏差の強化
西部熱帯太平洋(WTP)
東部赤道太平洋
エルニーニョ発生期間と一致
ENSOに関係したOHC伝播特性
南太平洋では伝播せず
負相関:大 相関:小
(OHC偏差:強化)
<大気>⇒<海洋>
西部熱帯太平洋(WTP)
OHCの時間変化率と風応力カール(WSC)の相関係数
負のWSC(高気圧性循環) ↓
Ekman downwelling ↓
水温躍層深度(深) ↓
OHC偏差:増加
西部赤道外熱帯太平洋の大気海洋変動特性
WTP: ・OHC・SST:相関大 ・OHC正⇒SST正⇒SLP負⇒WSC正
WTPの東側: ・OHC・SST:相関小
SLP
WSC SST
SLP SST
WSC
WTP(10-20N,135-180E) WTPより東側(10-20N,180-100W)
<海洋>⇒<大気> WTP WTP:海・大気→連動(大気海洋相互作用の可能性) WTPの東側:海・大気→連動せず
SST
SST
ラグ(季節) ラグ(季節)
OHC偏差とSST,SLP,WSC偏差の相関解析結果
ENSOに関係する 反時計回りの伝播
単純な波動伝播ではない 大気海洋相互作用を含む伝播 振幅の強化などが見られる
赤道上の東進:delayed action oscillator modelを支持 赤道外の伝播&西部熱帯太平洋の大気変動:western Pacific oscillator modelを支持
伝播以外の特性についても調べる
Teq: OHC (4S-4N, 140E-90W)
Nino-3 域
‐赤道域全体のOHC変動‐
Teq Nino-3 index
標準偏差で規格化
Teq Nino-3 index
Teq ⇒ Nino-3 indexより2季節(ENSO周期の約4分の1)先行
円に近い軌跡 →周期の1/4 の位相差
エルニーニョ期間(正のNino-3 index) ⇒Teq:減少傾向 ラニーニャ期間(負のNino-3 index) ⇒Teq:増加傾向
Teq(横)と 2季節後のNino-3 index(縦)の散布図 (両者とも規格化)
Teq(2季節先行)
Nin
o-3
inde
x
先行するTeqの振幅(大) ↓ Nino-3 indexの振幅(大) <エルニーニョとラニーニャ で応答が異なる>
先行するTeqの大きさと、その後に 発生するエルニーニョの規模が対応
McPhaden et al. (2006 GRL):MJOとTeqを考慮してエルニーニョ予測
82/83 86/87 91/92
97/98
Nino-3 index
東西平均したOHCの時間変化率(℃/季節)の時系列
赤道
5˚S
5˚N
20˚N
20˚S
赤道域(5˚S-5˚N) ⇒減少傾向
ラニーニャ期間:エルニーニョ期間と逆符号
OHCの交換⇒北太平洋で明瞭
北太平洋赤道外 ⇒増加傾向
南太平洋赤道外 ⇒赤道域と同傾向 ⇒信号は弱い
(年)
赤道域外を含めた変動
Summary for ENSO
# 伝播特性 1. 北太平洋熱帯域で反時計周りの伝播
→ delayed action oscillator modelで期待される緯度帯 (7˚S、7˚N)よりも 高緯度(15˚N)を西進
2. 西部熱帯太平洋でOHC偏差が強化・大気海洋相互作用
→ 西部熱帯太平洋の重要性・赤道域に影響 → western Pacific oscillator modelを支持
# 赤道域におけるOHCとSSTとの関係 1. Teq が Nino-3 index に対して 、周期の1/4 先行
→ recharge-discharge oscillator modelのideaと一致
2. OHC偏差の赤道域と赤道外の「交換」は南北太平洋で非対称
ENSOに関係するOHC変動特性のまとめ
unified oscillator model ( (複数メカニズムの共存)
Hasegawa and Hanawa (2003 JPO) Hasegawa and Hanawa (JO投稿中)
観 測:OHC偏差
大気場叏変化
赤道
10˚S 太平洋西岸 (ユーラシア大陸)
太平洋東岸 (アメリカ大陸)
10˚N
20˚N
赤道域
赤道外
負のOHC偏差
負のOHC偏差
OHC 放出
OHC 放出
delayed oscillator
western Pacific oscillator
recharge oscillator
正のOHC偏差 正のOHC偏差 負のOHC偏差 負のOHC偏差 正のOHC偏差
エルニーニョ
負のOHC偏差
負のOHC偏差
ラニーニャ
強 化
西部熱帯太平洋
OHC 放出
OHC 放出
OHC 放出
OHC 放出
負のOHC偏差
delayed oscillator
正のOHC偏差 負のOHC偏差
熱帯太平洋
観測結果と仮説の比較
# 各メカニズムの定量的な評価 どのイベントでどのメカニズムがどの程度卓越するのか?
# エルニーニョの長周期変調との関連 熱帯域長周期変動(10年スケール変動)とENSOの間に見られる関連
# 貯熱量変動のメカニズム 東西輸送・南北輸送・赤道海流系との関連(定量的な評価)
# 短周期変動・塩分場などの効果 様々な現象を含めた統合的な理解
今後の展望
複数のメカニズムが共存可能:unified oscillator model的振る舞い
塩分場(バリアレイヤー)
・ 塩分の重要性:バリアレイヤーの形成(Lukas and Lindstrom 1991) ・全球の熱帯域・亜熱帯域に分布(Sprintall and Tomchak 1992; Sato et al. 2004:2006)
・太平洋赤道域のバリアレイヤー(Ando and McPhaden 1997) ・大気場・降水量・海面水温とバリアレイヤーの変動が関連
・バリアレイヤーがエルニーニョへ影響する可能性 ・海面水温の高温化を導く可能性(Masson et al. 2004; Vialard and Delecluse 1998)
・気象研究所海洋データ同化システム(MOVE/MRI.COM) ・塩分場を良く再現するモデル(世界最高の塩分再現能力)
・予報モデルへも現実的な塩分変動を取り入れる →エルニーニョ予報精度向上へ ・塩分場の詳しい変動は不明(データが少ない) →船舶観測・Argoデータ・衛星(海面塩分)・データ同化
貯熱量とともに海洋内部の変動:エルニーニョに果たす役割を担う可能性
季節内(20-70日周期)変動・インド洋・太平洋高緯度からの影響
・Madden-Jullian Oscillation (MJO) (Madden and Julian 1971; 1994) ・インド洋→太平洋西部・中部(西風バーストを伴う;エルニーニョのトリガー?) (Kessler and Kleeman 2000; Kessler 2001; McPhaden 2004)
・Tropical Wave Instability (TIW;熱帯不安定波) (Legeckis 1977) ・東部赤道太平洋で卓越(エルニーニョによって影響;エルニーニョへも影響?大気とも関係) (e.g., Chelton 2000; Yu et al. 2003)
・北極振動(Arctic Oscillation; AO) (Thompson and Wallace 1998) ・アリューシャン低気圧の南下→熱帯域大気場の変化→MJOの変調→エルニーニョ発生 (Nakamura et al. 2006)
太平洋外からも様々な影響がENSOに及ぶ可能性 (定量的な評価はいまだ行われていない)
太平洋熱帯域・季節から経年スケール変動以外のエルニーニョ発生要因