熱帯太平洋における季節内スケールの 赤道波動特性の解析

熱帯太平洋における季節内スケールの赤道波動特性の解析

5AOOM007 　萩原 右理指導　 轡田　邦夫　教授

全球の海面水温の平均場

0°

40°S

40°N

大気海洋相互作用が活発

数年毎にエルニーニョ現象が発生

地球規模の気候変動に深く関与

エルニーニョ現象

西部の水温が高く東部の水温は低い東風が卓越している

西部の高水温域が東部まで広がる西風が卓越する

通常期 エルニーニョ期

季節内スケールで東西方向へ伝搬する赤道捕捉波がエルニーニョ現象の発生時期に特徴的に検出される(McPhaden, 1999; Kutsuwada and McPhaden, 2002)

エルニーニョ現象の発生要因 ( 過去の研究 )

60~75 日を中心とした季節内変動に赤道ケルビン波のエネルギーピークが存在し、大気側の季節内変動に伴う西風バーストによって励起された季節内変動の赤道ケルビン波がエルニーニョ現象の発生に大きく関与しているとの指摘もある(Kessler et al.,1995; McPhaden et al.,1998; McPhaden.,1999)

Schopf and Suarez(1988) によって赤道ロスビー波、赤道ケルビン波の挙動が数年規模で発生するエルニーニョ現象を説明するという遅延振動子理論が提唱されると共に、多方面から検証されている(White and Tai.,1992; Boulanger and Menkes.,1995; Boulanger and Fu.,1996) 。

White and Tai(1992) は赤道ロスビー波の太平洋西岸での反射が赤道ケルビン波の発生に重要であることを示している

季節内スケール(20-100 日周期帯の変動 )

赤道捕捉波の東西への伝搬

赤道捕捉波の種類Matsuno(1966)

短周期

長周期

短波長短波長 長波長

エルニーニョ現象

季節内スケール (20-100 日 )

赤道上 (0°) を東方伝搬する赤道ケルビン波

外赤道域 (5°N,5°S) を西方伝搬する赤道ロスビー波

波動の鉛直モード

順圧成分 傾圧成分第一モード

第二モード

・・・第 N モード

海底

海面

水平流速成分

波動の位相速度は鉛直モードの種類によって異なる

赤道ロスビー波の南北モード

5°N

0°

5°S

赤道ケルビン波

赤道ロスビー波

赤道ロスビー波

南北第一モード

Matsuno(1966)

5N と 5S の東西流速成分：同位相5N と 5S の南北流速成分：逆位相

5N と 5S の南北流速成分：同位相

5N と 5S の東西流速成分：逆位相

南北第二モード

波動の位相速度は南北モードの種類によって異なる

赤道捕捉波の特定

周期・東西波長・位相速度

鉛直モードの種類

南北モードの種類

使用データ

TAO/TRITON 係留ブイデータ　　 ( 係留ブイによる現場観測 )　東西 130°E~95°W - 10°~15° 間隔 南北 8°N~ 8°S - 1°~ 3° 間隔 水深 1m~ 500m - 約 12 層 時間間隔 : 1 日

TOPEX/Poseidon 衛星海面高度データ　　 ( 人工衛星のマイクロ波高度計による海面高度の測定 ) 空間解像度 : 全球 1° x 1° 時間間隔 : 約 10 日 (9.9156)

渦解像海洋大循環モデル (OFES) によるデータ　空間解像度 　　　　　水平 : 全球 0.1° x 0.1° 　→　本研究では 0.5° x 0.5° で間引きされたものを使用 鉛直 : 海面から海底まで 54 層 時間間隔 : 3 日

赤道捕捉波に関する過去の研究

Cravatte et al(2003)赤道ケルビン波 (TAO/TRITON ブイデータ・ TOPEX/Poseidon 海面高度データ・数値モデル結果 )

柳井 (2003)赤道ロスビー波 (TAO/TRITON ブイデータ・ TOPEX/Poseidon 海面高度データ )

70-75 日周期　・・・　鉛直第一モード120 日周期　・・・　鉛直第二モード

120,190 日周期　・・・　南北第一モード・鉛直第一モード

赤道ロスビー波の解析

柳井 (2003) による赤道ロスビー波の解析についての問題点

TOPEX/Poseidon 衛星海面高度データ　　　・サンプリング間隔が 10 日　　　・海面のみの情報詳細な時空間変動は捕らえられない可能性

TAO/TRITON ブイデータ　　　・東西の空間解像度：約 15°( 約 1500km)季節内スケールの赤道ロスビー波 ( 東西波長 3000km以下 )は解像できない

赤道ロスビー波の解析

m=1(5N,5S)

m=5

短周期

長周期

短波長短波長 長波長

柳井 (2003) で解析された100 日以上の周期帯の赤道ロスビー波

従来の観測データでは解析困難と判断される短周期・短波長域の赤道ロスビー波

本研究の目的

従来の観測データでは解析困難と判断される短周期・短波長域の赤道ロスビー波について鉛直モード・南北モードを含め詳細に調べる時空間的に高解像度且つ海面から海底までの情報を得られるＯＦＥＳデータを使用

5°N における水温の鉛直断面図 (95~04 年の平均 )

5°N における水温の標準偏差の鉛直断面図 (95~04 年 )

波動の検出

水温躍層を境に成層状態

境界面を波動が伝搬

水温躍層の深さが分かれば波動を検出できる

赤道域では水温躍層の中心付近に 20°C が存在

20°C の深度を水温躍層の深度と定義

50

100

150

2005N125W

TAO/TRITONOFES

20C

Dep

th (

m)

1995-2004

100

101

102

103

104

105

106

101102103

OFES 20C Depth during Jan 95-Dec 04

140W125W110WLowerUpper

Sp

ec

tra

l D

en

sit

y(m2 )

Period(days)

季節内スケール

30-40 日周期帯で卓越

20-100 日周期帯のバンドパスフィルタを通し季節内スケールの変動を抽出

季節内スケール (20-100 日 ) の 20°C等温線深度の時間 -経度断面

TAO/TRITON ブイデータ ＯＦＥＳデータ

東部で 30-40 日周期帯が卓越

東西波長： 1000~1500 km位相速度： 0.3~0.5 m/sec

上層

上層と下層の境界面

季節内スケール (20-100 日 ) を抽出した各深度の密度の時系列に対してある瞬間の前後 90 日間 ( 計 181 日間 ) の標準偏差を連続的に算出

半年間持続した鉛直構造の時間推移を調べることができる

鉛直モードの特定

下層

密度：低

密度：高

境界面を波動が伝搬

密度の時間変化が大

上下層よりも標準偏差が大境界面が存在

海底

海面5N - 155W

El Nino El NinoLa Nina

0 – 300 m

100~150m

1000~1500m

境界面 ( 水平流速成分の鉛直構造でいえば節 ) が 2つ存在

鉛直第一モードだけでは説明できない鉛直構造

鉛直第二モードの卓越

300 - 2000 m

5°N

赤道

南北モードの特定

半年間持続した 水平流速成分の南北構造の時間推移を調べることができる

季節内スケール (20-100 日 ) を抽出した東西・南北流速成分の時系列に対してある瞬間の前後 90 日間 ( 計 181 日間 ) の 5°N と 5°S の相関係数を連続的に算出

5°S

125W

東西流速成分

南北流速成分

正の相関　＞　同位相で変動

負の相関　＞　逆位相で変動

5°N と 5°S の東西流速成分：同位相南北流速成分：逆位相

南北第一モード

Matsuno(1966)

南北第一モードの空間構造 (Matsuno,1966)

m=1(5N,5S)

m=5

卓越周期 : 30-40 日

東西波長 : 1000-1500km

鉛直第二モード

南北第一モード

ＯＦＥＳデータ(5°N 上 20°C等温線深度の時間 -経度断面 )

赤道ロスビー波位相速度の理論値 : 0.35~0.45 m/sec

データより得た位相速度 : 0.3~0.5 m/sec

理論的な位相速度と一致

南北第一モード・鉛直第二モードの赤道ロスビー波

まとめと今後の展望

従来の観測データでは解析困難と判断される短周期・短波長域の赤道ロスビー波について数値モデル (OFES) の結果を用いて解析を行った

OFES データより算出された 20°C等温線深度の時間経度断面図から5°N を位相速度 0.3~0.5(m/sec) で西方伝搬する波動が検出された ( 季節内スケール )

南北第一モード・鉛直第二モードで西方伝搬する赤道ロスビー波

今まで明らかになっていなかった季節内スケールの赤道ロスビー波について本研究で特定し、明らかとなった。

また、ラニーニャ期間にその伝搬性が顕著にみられ、逆に、エルニーニョ期にはみえなくなるという特徴的な傾向を得た。検出された波動はエルニーニョ現象に深く関与していると考えられるが、本研究では、そういった現象が生じる要因までは調べることができなかったため、今後の研究に期待される。

柳井 (2003) では 120,190 日周期帯の赤道ロスビー波についての解析を行い南北第一モード・鉛直第一モードで伝搬しているとの解釈を行ったが、観測データのみの解析であり、空間構造は詳細に調べられていない。よって、 120,190 日周期帯の波動に関しても、 OFES データを用いた解析が必要である。

まとめと今後の展望

Cravatte(2003) と柳井 (2003) の結果をあわせると赤道ケルビン波 70-75 日 ・・・ 鉛直第一モード 　 120 日 ・・・ 鉛直第二モード赤道ロスビー波120 日 ,190 日 ・・・ 鉛直第一モード　　　 30-40 日 ・・・ 鉛直第二モード相互関係に注目した解析が重要。