1.北太平洋亜寒帯循環の構造と変動の解明 
(5)亜寒帯循環変動の同化モデルによる研究
 
淡路敏之(京都大学大学院理学研究科)
石川洋一(京都大学大学院理学研究科)
根田昌典(京都大学大学院理学研究科)


 本研究は、現場観測データと海面高度計データをアジョイント法海洋大循環データ同化システムに複合同化することによって全太平洋4次元統合データセットを作成し、その解析から、北太平洋の気候学的年平均構造とその季節変動過程、および亜表層以深へのサブダクション過程の特徴とメカニズムを理解し、北太平洋におけるshallow overturning構造と亜寒帯循環の変動構造を推定することを目標としている。そのために、北太平洋shallow overturningの構造評価に重要となる亜寒帯域及び亜熱帯北部域での海面混合層から亜表層以深へのサブダクション過程をより忠実に再現する海面混合層・渦輸送パラメタリゼーションスキームを備えた海洋大循環モデルを用いた全球1度格子の4次元変分法データ同化モデルを完成して、WOD98の水温・塩分の気候学的monthly data と高度計データにbest fitする統合データセットを作成した。この気候学的季節変動場に関する解析値データセットの作成にあたっては、データを同化しなかった流速場も含め全ての物理変数の初期値と運動を駆動する海面境界条件(熱・水フラックス、風応力)を制御変数とし、予報モデルによる前方時間積分とアジョイント方程式による後方時間積分を繰り返すことによって、最適解、すなわち、モデルの力学を満足し、かつ解析値(またはモデル予報値)と観測結果との誤差が最小になるまで、これらの制御変数の修正を行った。その結果、解析値データセットの品質は、予報モデルのみによって得られるシミュレーション結果のそれに比べて精度は2倍以上向上し、それに伴い、北太平洋中層循環の指標である北太平洋中層水の分布の再現性も、図1に示されるように、観測結果とほぼ同様な緯度まで中層水(34.2psu)が分布する結果が得られるまで高まった。
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図1:日付変更線に沿った塩分の鉛直断面図
(a)観測結果, (b)シミュレーション結果(非同化), (c)同化結果

これは、同化をしないシミュレーション結果では、34.2psuの低塩分水の拡がりが黒潮続流域までに限られるのと対照的である。このようなデータ同化結果とシミュレーション結果の相違は、26.8σθ面上での34.2psuの分布と流速ベクトル分布にも顕著に表れている(図2)。すなわち、同化をしないシミュレーションでの中層水の亜熱帯域への拡がり(図2a)は東部海域に限られるのに対して、図2(b)の同化結果では西部海域からも低塩水が補給されて広範囲に分布している。図2(b)に示された流速分布を考えあわせると、同化結果での亜熱帯中層の低塩分水は、西部海域では西部亜寒帯循環から、東部海域では黒潮続流によって運ばれた西部亜寒帯循環水と東部アラスカ循環から供給されており、You et al.(1999)のデータ解析結果(図3)とほぼ一致する。
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図2:σθ 26.8面上での塩分分布
(a)シミュレーション結果(非同化), (b)同化結果
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図3:亜寒帯域から亜熱帯中層への低塩水の供給(You et al., 1999による)

詳細に調べた結果、このような改善は、低塩水を亜熱帯域に供給する親潮の南下がシミュレーションでは観測結果に比べて弱く亜寒帯前線域程度までにとどまるが、データ同化による初期値化によって現実の緯度まで親潮の南下が強化されたためであることがわかった。以上のような低塩水の分布の再現は、観測値に近づくようモデル内で人工的な熱塩操作を行うナッジ法によっても得られるが、その場合には力学バランスは保証されず、従って、研究目的である北太平洋亜寒帯循環の季節変動過程および亜表層以深へのサブダクション過程のメカニズムを特定できない(要するに水塊分析に使用できない)。一方、アジョイント法によって得られた結果は力学を満足しており、かつ以上の結果に加えて、物理パフォーマンスの評価基準である黒潮や親潮の流量およびその季節変動とも観測結果とほぼ一致していることから、全太平洋の循環場に関する力学的に整合性のとれた統合データセットの作成に成功したと考えられる。
 そこで得られた解析値データセットを用いて北太平洋のoverturningを求め、図4に示した。同化をしない場合の(つまりシミュレーションのみの場合の)北太平洋のoverturning(図4a)は2500m深まで達しており、shallow overturningとはいえないが、同化結果(図4b)では1000m以浅と改善され、その空間構造および季節変動とも従来の断片的な観測結果と同一センスであることがわかった(図省略)。同化後(前)の北太平洋overturningの強さは、18°Nでは約12Sv (13.5Sv)、40°Nでは4.8Sv (5.5Sv)で、同化によって減少する傾向にある。北大西洋では逆センスにあることから、レビタスの水温・塩分構造とフィットする地衡流場を作成するよう制御変数を修正したためであると思われる。なお、WOCE データを用いてRoemich et al.(2001)が最近行った北太平洋800m以浅の極向き熱輸送量(おおよそ18°N線)を評価したところ約0.4PWで、彼らの結果よりも約0.3PW少ない結果となった。詳細に調べた結果、彼らの測線上での水温分布は同化結果と観測結果ではほぼ一致しており、結局、熱輸送量の相違は、本データ同化ではNCEPの風応力を使っているのに対し彼らはECMWFのデータを使用していること、そのため相対的に高温な表層水を北に運ぶエクマン輸送量が彼らの方が1Sv以上大きいことに加えて、本データ同化モデルでは渦分解モデルではないため、渦輸送効果が含まれていないことから生じていることがわかった。
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図4:太平洋および大西洋のoverturning
(a)シミュレーション結果(太平洋) (b)同化結果(太平洋) (c)シミュレーション結果(大西洋) (d)同化結果(大西洋)

 今後は、北太平洋のshallow overturning構造と亜寒帯循環の変動構造を推定する各種の解析を続行するとともに、HydroBaseを使った高精度のデータ同化実験を行い、アジョイント法の大きな利点である順・逆方向解析によるサブダクション域の特定等の解析を行う。図5に現在実行中である日付変更線に存在する中層水の逆方向解析の途中結果を示す。ロスビー波による等密度面の振動を伴いながら、低塩水が移流によって起源域であるオホーツク海にtrace backしてゆく兆しが伺える。

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図5:日付変更線に存在する中層水の逆方向解析の途中結果(時間的に遡ることに注意)