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Characteristics and mechanism of deep mesoscale variability in the Northwest Pacific Basin

宮本, 雅俊 東京大学 DOI:10.15083/0002001890

2021.10.04

概要

1．はじめに
海洋の中規模変動は全球で普遍的に存在し、数百kmの空間スケール、数週間から数カ月の時間スケールを持つ(Robinson, 1983)。中規模変動の特徴やメカニズムは1970–80年代に北西大西洋を中心に係留観測やフロート観測によって盛んに調べられ、海底地形が比較的平坦な場所では、順圧ロスビー波や傾圧第一ロスビー波であると考えられた(Mc Williams and Flierl, 1976; Imawaki, 1985)。しかしながら、当時は1回あたりの係留期間が短く、系と系の間隔が広いものも多かったため、中規模変動の特徴を詳細に調べることは困難であった。また、高解像度海洋大循環モデルや詳細な海底地形データもなく、広範囲における中規模変動の位相・エネルギー伝播を明らかにすることも困難であった。

1992年秋から衛星による海面高度の全球高精度観測が始まり、海洋表層で卓越する中規模変動は傾圧第一ロスビー波の位相速度で西進し(Chelton and Schlax, 1996)、気候に影響を与えるほど多量の熱や溶存物質を輸送することが明らかとなった(Roemmich and Gilson, 2001など)。一方、深層の中規模変動は衛星によって観測することができず、未解明な点が多く残されている。近年、北大西洋北部で行われたフロート観測により、深層の熱や物質輸送に関しても中規模変動が重要な役割を果たすことが指摘されている(Bower et al., 2009; 2011)。

以上の背景を踏まえ、本研究では、北西太平洋海盆の深層において、惑星ベータ効果だけでなく海底地形や成層の効果を考慮し、様々な周期の中規模変動の特徴と位相・エネルギー伝播メカニズムを明らかにする。そのために、R点（30°N,147°E;図1）において先行研究と比べて水平・鉛直方向ともに高解像度の係留観測を実施した。R点は北西太平洋海盆の海底地形が比較的平坦な海域にあり、ここでは1978–85年に係留観測が繰り返し行われている(Imawaki, 1985など)。

2．R点での過去の係留観測と海洋大循環モデルの解析に基づく北西太平洋海盆の深層流の中規模変動
高解像度係留観測の予備的解析として、R点付近で1978–85年に行われた9回の係留観測結果を解析した。東西に98km離れたRI(30°02’N,146°08’E)とRB点(30°00’N,147°08’E;図2)における深さ5,000mでの長期間（それぞれ989、2,463日間）の流速データを用いた。この2点におけるパワースペクトル密度は45–70日周期に大きなピークを示した。また、2点間のコヒーレンスが最も高かった47日周期での位相差から、東西波長は240km、西向き位相速度は6.0cms-1と見積もられた。海洋大循環モデルの出力データにおいても同様の中規模変動が再現されており、54日周期に変動のピークがあった。モデルにおいて54日周期の変動はR点の北500kmの黒潮続流域で最大で、R点の北100kmにおいても極大を示した（図3）。この極大域でR点とのコヒーレンスも高く、位相差から見積もられた東西と南北波数は、-2.9×10-5と0.1×10-5(m-1)であった。分散関係と変動の鉛直構造により成層を考慮した地形性ロスビー波であると考えられ、そのエネルギーはR点の北の黒潮続流域で発生し、南に伝播してきたものと考えられた。

3．高解像度係留観測に基づく2つの異なる周期を持つ深層流の中規模変動
2014年5月に新青丸KS-14-7次航海で9系の係留系を東西・南北幅がいずれも100kmの3×3のひし形状に設置した（図4）。5系（図4の丸印）には3,000、4,000、5,000、6,000mの4深度に、残りの4系（図4の三角印）には4,000と6,000mの2深度に超音波式流速計を設置した。2015年10月に新青丸KS-15-14次航海で5系（図4の丸印）を、2017年6月に白鳳丸KH-16-3次航海で2系（M3とM8）を回収した。残りの2系（M2とM7）は切離装置の反応がなく、回収できなかった。得られた7系の流速データを過去の係留観測データと高解像度海洋大循環モデルの出力データとともに解析した。

高解像度係留観測で回収できた7系において得られた流速データは様々な周期の中規模変動を示した（図5）。スペクトル解析を行った結果、東西流速は174日周期、南北流速は58日周期が卓越し、それらの周期で係留系間のコヒーレンスも高かった。58日周期の変動が卓越する方向は、位相の伝播方向（西南西方向）に直交しており、平面波であると考えられた（図6左）。係留系間の位相差からその波長は300kmと見積もられた。これらの特徴は、1978–85年にR点付近の2点で得られた流速データと海洋大循環モデルの解析結果とよく一致しており、地形性ロスビー波であると考えられた。

174日周期の変動においても、卓越する変動方向は、位相の伝播方向（北西方向）に直交しており、平面波であると考えられた（図6右）。位相差から見積もられた波長は290kmであり、分散関係や変動の鉛直構造から地形性ロスビー波であると考えられた。中規模変動と海底地形の関係性を調べるため、R点だけでなく黒潮続流域(Greene et al., 2012)や152°E(Schmitz et al., 1987)で得られた過去の係留観測データと海洋大循環モデルの出力データを解析した。174日周期で卓越する変動方向は、f/Hコンターと平行になる傾向を示した。また、174日周期の地形性ロスビー波の群速度を時間積分するレイトレーシングをR点から逆向きに行った結果、エネルギーもf/Hコンターに沿いつつ、シャツキーライズ（図1）の東側斜面からR点に伝播することが明らかとなった。

4．まとめ
2014–16年にR点において高解像度係留観測を実施し、得られた流速データを過去の係留観測結果と海洋大循環モデルの出力データとともに解析した。R点では、2カ月周期の南北流速変動が卓越し、西南西へ波長300kmで位相伝播していた。この中規模変動は、R点の北の黒潮続流域から変動方向を様々に変えつつエネルギー伝播してきた地形性ロスビー波であると考えられた（図7）。またR点では、半年周期の東西流速変動が卓越し、北西へ波長290kmで位相伝播していた。半年周期の中規模変動も地形性ロスビー波であると考えられ、変動方向はf/Hコンターに沿う傾向にあった。また、地形性ロスビー波のエネルギーもf/Hコンターに沿いつつ、北東側のシャツキーライズからR点に伝播することが明らかとなった（図7）。

今後、黒潮続流域やその北方海域における深層流の中規模変動の特徴や伝播メカニズムを成層の違いを考慮しつつ明らかにし、深層流の中規模変動による熱や物質輸送量とそのメカニズムを解明できることが期待される。

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参考文献

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