陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2022）同位体環境学がえがく世界：2022 年版

弘前の降雪の同位体比変動
谷 田 貝 亜 紀 代

（弘前大学大学院理工学研究科）

1．弘前
青森県弘前市は、日本海側の豪雪地帯に位置する、落ち着いた城下町です。アメダス最大積雪深記録のある酸ヶ湯は、八甲田山系に位置し、弘前の東北東 30 km ほどの距離のところにあります

⼤陸（図 1）。日本海側の豪雪は、西高東低の冬型の気⽇本海⽇本列島圧配置のときに冬季の季節風（シベリアからの冷たく乾いた風）が日本海からの蒸発した水を含み、上空の寒気それが脊梁山脈により強制上昇してもたらされると誰もが聞いています。しかし、実際の気圧配置⾥雪は日々かわります。たとえば新潟では、北西季節風が強い時の山雪と、日本海上空に寒気があるときに平地で雪の多くなる里雪があることは知られています（図 2）。弘前は、3 方を山に囲まれていますので、酸ヶ湯ほどの豪雪にはならないのです

図 2．山雪と里雪の模式図。
（上）強い北西季節風によ図2
山雪と里雪の模式図．（上）強い北西季節風により山地で降雪が多くみられる。（下）日本海上空

山地で降雪が多くみられる．（下）日本海上空の寒気により，の寒気により、平地で降雪が多くみられる。
平地で降雪が多くみられる．

が、どういう気象条件の時にどこから来た水蒸気るときにも、降雪の同位体比の結果は、参考になで降雪がもたらされるかを調べておくと、これかると思います。

ら温暖化時の降水がどのように変化するのかを予
2．降水の同位体比測したり、古文書や古気候の復元に用いる環境資料を解釈したりに役立つと思います。もちろん、水や酸素の安定同位体比は古環境の復元に古く土や水の溶存物質や年輪などの分析結果を解釈すから用いられてきました。南極やグリーンランドの氷河や、海洋底に沈む生物化石に含まれる酸素の同位体比は気候復元の重要な指標になっています。これらは地球全体の気候が温暖であったか寒冷であったかという指標となっています。
一方で、1960 年代から地球上の様々な場所で岩⽊⼭
弘前

降水の同位体比が観測され、地理的な分布も国際酸ヶ湯的なネットワーク等で明らかになりデータの共有もすすんでいます。これら水（酸素・水素）の同位体比と平均的な気象要素や空間的特徴との相関

図 1．青森県周辺の地形。
カラーは標高（スケール参照）。
が発見・整理されて、それらは、温度効果、緯度○：弘前、▲：岩木山（西側）と、八甲田山系効果、高度効果、内陸効果、降水量効果と呼ばれの酸ヶ湯（東側）
図1 ⻘森県周辺の地形．カラーは標⾼（スケール参照）．○：弘前，▲：岩⽊⼭（⻄側）と，⼋甲⽥⼭系の酸ヶ湯（東側）．
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1

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2022）同位体環境学がえがく世界：2022 年版

ありますが、3 年間の冬季に計測をしています。てきました。これらは、重い水、すなわち高い同18162・第 1 冬季

2019 年 12 月〜 2020 年 3 月初めの H に対する比が大きい）ほど先に凝結して降・第 2 冬季

2020 年 12 月〜 2021 年 2 月終わり

り、一方水面から蒸発するときには軽い水分子か・第 3 冬季

2021 年 12 月〜（現在）位体比の水（ O の O に対する比が大きい、 H
1ら蒸発するという原理から説明されています。例

第 2 冬季の途中からは、水蒸気の同位体比の計

えば青森県の複数個所で 2 週間ごとの降水の同位測も行ったのですが、ここでは説明を省略します。

体比変動を計測した研究（Hasegawa et al.
（2014））

第 1 冬季は、暖冬小雪でした。これに対し、第では、八平地と八甲田山の同位体比は、高度効果

2 冬季は、弘前の降水量は平年並みでしたが、日で説明できる（平地が重く、山地である八甲田は本各地で豪雪被害がありました。第 3 冬季の現在軽い）としています。と第 2 冬季は、ラニーニャの状態にあります。まこのような分別には、温度の関数である平衡のた、上記の観測期間には、雨として降った日もあ同位体分別のほかに、動的同位体分別がありまります。溶ける時には同位体比は変わらないので、す。この動的同位体分別は例えば激しい蒸発時にここでは同様に降水として扱って示します。

水面からの分子拡散速度の差により生じるもの

図 3 は、第 1 冬季の酸素同位体比（δ18O）、水で、δ18O と δ 2H の相対的な変動の差となって現素 同 位 体 比（δ 2H）、d-excess を、 図 4 は、 第 2

れ ま す。 こ の 指 標 と し て、 天 水 線（δ 2H＝8 ×

冬季の酸素同位体比、水素同位体比、d-excess を182δ O+10）からのずれを表す d-excess（δ H-8 ×表しています。

18δ O）という値が用いられます。気象分野でも水

まず、全体的な特徴として、δ18O と δ 2H は似安定同位体比が用いられるようになり、解説もさたような変動傾向をしていると言えます。また、れているので（芳村ほか 2009）、詳しく知りたいそれぞれの値の中でも同位体比が高い（水が重い）場合は読まれると良いと思います。

時と低い（水が軽い）時があり、1 週間から 10

興味深いのは、冬季日本海の激しい蒸発をうけ日の間に次第に重くなるように見える時期がある

た水、すなわち日本海側の降雪は、d-excess が高ことです。

いことが知られており（例えば芳村・一柳、2009）、この両者の関係（動的同位体分別の指標）であ

弘前の降雪には、非常に特徴的な d-excess を持る d-excess は、従来から言われているように、つものと、気流系によってはそうでないものが混日本海からの激しい蒸発を受けたと考えられる高ざっていると考えられることです。そこで水蒸気い値を示しています。また、芳村・一柳（2009）は、輸送経路の違い、つまり水分子の通った履歴や混中部地方・東北地方における降水・地表水の同位合過程の結果である日々の降雪水の同位体比変動体比季節変化の報告（早稲田・中井、1983）を再や、年々の違いをみることは面白いし、前述のよ考察し、北西季節風時に d-excess ＞ 20、南岸低うに、他の資料と比較することや、過去や将来を気圧通過時は d-excess = 20 との概念モデルを表知るにも役立つと思って、この研究を行いました。

していますが、ここでの d-excess の幅は 5 〜 40 と大変大きく、北西風の強い時の多かった第 2 冬季

3．大気循環と水循環の結果としての弘前の降水

では、d-excess が 40 を超えるときもありました。

〜 2 冬季の結果から〜

それぞれの日の大気循環や水蒸気輸送過程との弘前での降雪のサンプリングは、大学の屋上に関係をすべて示すことは紙面の都合上難しいのポリバケツを設置して、日本時間の 12 時にバケで、第 2 冬季の豪雪災害のあった日との対応と、ツを交換することで行いました。週末は計測せず

第 1 冬季のだんだん重くなる時の例と、第 2 冬季

金曜日から月曜日の降水をまとめて計測した時もの極端に軽い降水の日について簡単に紹介します。
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・2021/2/23‒25

第1冬季δ18O (‰)

北海道岩見沢で豪雪。d-excess、同位体比とも次第に高くなる。
以上から、いずれも d-excess が高く、強い北δ2H (‰)

西季節風で日本海から激しい蒸発による降雪が弘前でももたらされたことが推察されます。同位体

次第に重くなる比が高い原因、高くなる原因については今後の詳細な解析が期待されます。
5．重い日とだんだん重くなる時

図 ３．弘 前における第 1 冬季（2019 年 12 月～ 2020 年
図３弘前における第1冬季（2019年12⽉〜2020年3⽉）の降⽔の酸素同位体⽐，⽔素同位体⽐，d‐excess．
3 月）の降水の酸素同位体比、水素同位体比、d-excess。

第 1 冬季には、3 回、だんだん同位体比が高くなる現象がありました。このうち 2020 年 2/9 か3

ら 2/13 への循環場の変化を図 5 に示します。

第2冬季

2/9 は大陸から低温・乾燥した空気が弘前に流

δ2H (‰)

δ18O (‰)

入していました。これは西高東低の冬型の時です。
一方、2/13 には、南西からの湿った空気が弘前上空に来ています。この変化があった時、水が極端に軽い⽇重くなっていく（δ18O 上昇）と共に、d-excess は減少しました。これは、冬型（同位体比低く、d‐excessが⾼い

図 4．弘 前における第 2 冬季（2020 年 12 月～ 2021 年2 月）の降水の酸素同位体比、水素同位体比、
図4 弘前における第2冬季（2020年12⽉〜2021年2⽉）の降⽔の
d-excess
酸素同位体⽐，⽔素同位体⽐，d‐excess

4．豪雪災害のあった日

4

第 2 冬季に日本で豪雪災害が発生した主な期間と弘前の降雪同位体比の特徴を記します。
・2020/12/14‒12/21
日本海側断続的豪雪。d-excess は高く、同位体比も高い。
・2021/1/7‒1/11
秋田で強風、広範囲で大荒れ。d-excess 高く、同位体比も高い
・2021/2/17
上越市高田で豪雪。d-excess 高い。
2/15‒16 は同位体比が低かったが 2/17 は高くなった。

図 5．ヨ ーロッパ中期予報センター（ECMWF）作成の大気再解析データによる 850hPa 高度面の比
図5 ヨーロッパ中期予報センター（ECMWF）作成の⼤気再解析データに
湿、風向・風速
よる850hPa⾼度⾯のの⽐湿，⾵向・⾵速84

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2022）同位体環境学がえがく世界：2022 年版

d-excess 高い）がゆるみ移動性の低気圧による降急発達した爆弾低気圧の西側で、圏界面が折れ曲水（同位体比高く、d-excess 低い）に変わっていがったもの（tropopause folding）でした。成層

く際の、南西からの水蒸気の混合の結果と推察さ圏由来の乾燥した空気が 700hPa 付近まで下りてれます。このときの模式図を図 6 に示します。

きており、これが弘前上空に移動したのです。

1/10‒1/14 の変化でも、次第に西から湿った空ただし成層圏の空気は乾燥していますので、そ気が流入したのですが、この事例では、同位体比れが豪雨豪雪の源とは考えにくいです。図 4 をよは高くなっていくものの、d-excess の変動は小さ

く見るとこの降水事例（2/16）の前日と翌日のいものでした。

d-excess は高いのですが、このイベント（2/16

第 2 冬季の同位体比の変化（図 4）では、重く正午に回収した雪）の d-excess は前後に比べてなっていく時に d-excess が高くなっていくよう少し低くなっていて、日本海の激しい蒸発によるにも見えます。この解釈は別の機会に報告をした水蒸気とは異なる起源でありそうです。低気圧がいと考えています。

進行するときに日本の東側の太平洋からの蒸発とその凝結熱により、低気圧が急発達することがあ6．特に軽い日ります。その水蒸気による降水が軽い水の起源で第 2 冬季の 2/16、すなわち 2/15 の日本時間正はないかと考えています。

午から 2/16 の日本時間正午に降った雪は、最も7．今後の展開

低 い 同 位 体 比（ 軽 い 水 ） で し た。 こ の 事 例 で2/16 正午に弘前上空 850hPa にあった空気塊は、降雪をもたらす水蒸気輸送源について示唆を与一日前（降雪サンプリング開始時刻）2/15 12JST

える水の同位体分析が出来ましたが、降雪はあくには朝鮮半島の付け根付近〜中国東北にあり、非まで蒸発や混合、そして凝結過程を経た履歴が重常に乾燥し、同位体比の低いものでした（詳しくなっています。そのため、水蒸気の同位体比の計は上野ほか（2021））。この空気塊は、2/15‒16 に測も行うことにし、水蒸気同位体比の連続観測も第 3 冬季に行っているところです。また今回書いていませんが、水同位体過程を組み込んだ数値モ

上空の南⻄からの⽔蒸気輸送（供給）デルもあわせて実行して、比較検討を行っています。モデルは同位体比の相対的変動をよく表現できていますが、d-excess の絶対値はまだ表現が難図６
北⻄季節⾵にしいようです（非常に高い d-excess を表現してい南⻄からの⽔蒸気輸送ません）。弘前での降雪・水蒸気の同位体比の計が混合する模式図

測値は、モデルの開発にも役立つと考えています。

下層の⽔蒸気気圧配置によって雪雲の進⾏⽅向は異なる

文献
Hasegawa H, Akata N, Kawabata H. Sato
T , Chikuchi Y, Hisamatsu S (2014)
Characteristics of hydrogen and oxygen
stable isotope ratios in precipitation collected

中上層
⽔蒸気

in a snowfall region, Aomori Prefecture,Japan, Geochemical Journal 48: 9‒18.

図 ６．北 西季節風に南西からの水蒸気輸送が混合する
模式図

https://doi.org/10.2343/geochemj.2.0279
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陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2022）同位体環境学がえがく世界：2022 年版

著者情報

上 野 優， 谷 田 貝 亜 紀 代， 芳 村 圭（2021）2020／2021 年の弘前市における降水の安定同位体

谷田貝亜紀代（弘前大学大学院理比の特徴について，令和 3 年度日本気象学会工学研究科教授）1996 年筑波大学大学院地球科学研究科修了、博

東北支部気象研究会予稿集 P27‒28士（理学）。専門は気候・気象学。

https://www.metsoc.jp/tohoku/workshop/

2002.3〜2011.2 総合地球環境学研究所助教。中国、インド、トルコ

abstract_2021.pdf

な ど の 学 際 調 査 に 携 わ る 傍 ら、芳村圭，一柳錦平（2009）東アジアにおける降水2016 年からアジアの日降水量グ

d-excess 季節変動に関する再考察，水文・水リッドデータ（APHRODITE）を作成公開し、データは資源学会誌，22，pp262‒276.

世界的に用いられる。
2016 年に弘前大学に着任（准教授）、2018 年より現職。

芳村圭，一柳錦平，杉本敦子（編）（2009）「気象学における水安定同位体比の利用」気象研究
ノート 第 220 号，日本気象学会，128pp.

早稲田周，中井信之（1983）「中部日本・東北日本における天然水の同位体組成」地球化学，
17，83‒91.

86（2022 年 3 月 31 日掲載）