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