博士 （地 球環 境 科学）青木邦弘
学位論文題名
Study on extratropical Rossby waves
inahigh r
esolution oc
ean GCh/I simulation（高解像度海洋大循環モデルシミュレーションにおける中緯度ロスビー波に関する研究）

学 位論文内容の 要旨

この論文では、口スビー波に対する背景流および小スケール底地形の影響を明らかにし、口スビー波
理 論を再考する。基本的な海洋口スピー波理論では、平坦な底地形かつ背景流を無視し、惑星ロを唯一の 復元カとして口スピー波を記述している（古典理論）。この場合、波は順圧モードと傾圧モードに分離 できる。順圧モードの口スピー波（以降、順圧口スビー波）は、鉛直一様な構造で、大洋を一週間程度 で伝播する。傾圧モードにおける卓越モードの波（以降、傾圧口スビー波）は、主水温跳層を境に振幅 が反転した構造で、大洋を数年から数十年で伝播する。
ところが、近年の人工衛星海面高度計観測により、傾圧口スピー波が古典理論で予想される長波よりも 速く伝播しており、その傾向は高緯度ほど顕著であるという報告が多数なされている。このことを受け 、新たに背景場の傾圧流を含めた理論、さらに小スケール底地形によるBottompressuredecoupling(BPD)の理論が提示された。 実際にはこれらの効果が相補的に位相速度を速めていると予想されるが、確 証を得るには至っていない。そこで、本研究では、内部構造を詳細に解析できる高解像度海洋モデル
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 出 力 結 果 を 解 析 し 、 口 ス ビ ー 波 に 対 す る こ れ ら の 影 響に つい て論 考し た。
まず、特に明瞭な波が見られる32
゜Sに注目すると、モデル内の口スピー波の位相速度は、過去の観測 結果同様に古典理論の予想よりも大きいことが確認された。次にその鉛直構造を調べたところ、この波 は、底層における振幅が殆んど0となるB
PDの構造を示し ていたが、BPDの解よりも強い上層捕捉傾向を 持っていた。B
PDにさらに傾 圧流効果を加味すると、理論解の上層捕捉傾向は増し、モデル内の波に極め て近い構造を持つことが分かった。したがって、モデル内の傾圧口スビー波は傾圧流と小スケール底地 形の両効果を受けていると示唆された。
しかし、傾圧流とBPDを考慮 して求めた長波の位相速度は、モデル内の波よりも過大評価であった。
こ の相違は、波の分散性が無視されていたためであり、有限波数を考慮して理論解を求めると位相速度は モデル内の波に一致した。このようなモデル内の波と理論解の位相速度の関係は他の緯度でも確かめら れ、位相速度の南北分布は、傾圧流とBPDさらに分散性を考慮することで十分に表現できることが示さ れた。したがって、過去の観測研究で報告されている位相速度の古典理論の予想からの増幅は、傾圧流 効果とBPD効果に起因するも のと考えられる。
また、傾圧口スピー波に対する傾圧流効果とBPD効果の相対的な寄与は場所に依存することが分かった 。BPD効果は南北太平洋共に 高い寄与を示しており、無視することのできない効果である。一方、傾圧流 効果の寄与は南太平洋では相対的に小さいが、北太平洋の30゜N以北において局所的に増大し、BPD効果 と同程度の大きさを持っていた。興味深いことに、当該緯度帯は、北太平洋亜熱帯モード水の形成域に 位 置 し て お り 、 モ ー ド 水 が 傾 圧 流 効 果 を 強 め て い るこ と が 示 唆 さ れ た 。
以 上よ り、 シミ ュレ ーシ ョン にお ける 口ス ピー 波は BPDの構造を持ち、 さらにBPDは口スピー波にと って重要な効果であることが明らかとなった。しかし、これまで扱ってきた小スケール底地形の効果を 意味するBPDが、実際に海洋 モデルの底地形の影響で引き起こされているかは不明である。そこで、
波 と小スケール底地形の相互作用を記述する理論モデルを用いて、BPD構造が海洋モデルの底地形の小ス− 1375ー

ケール成分によって 生じ得るか検証を行った。
これまでの結果と 対応づけるため、32゜S
周辺 の底地形に注目し、地形が東西および南北に変化する場合 についてそれぞれ解析を行った。 当該海域におけるロスピー波は、東西に500km、南北に1000kmの波長を持っていた。そ こで、波より十分小さい100km以下スケールの底地形を空間スペクトルより抽出し、その影響を調べた。 その結果、東西地形効果が働くと、口スピー波は底層において傾圧モードの20%まで振 幅が減衰し、十分BPDの構造になり得ることが分かった。一方 、南北地形効果の場合は、口スピー波の 底層の振幅は著しく0に近く、東西地形よりも影響が大きいこ とが分かった。南北地形変化の影響が卓越するのは、口ス ピ一波の東西波長が南北波長に比べて小さいことが要因と考えられる。この結果は、シミュレーションで 見られたBPD構造が実際に小 スケール底地形で生じていることを示しており、また、先の理論解における BPDの仮定が妥当であること の裏付けとなっている。
小スケール底地形 が働くと、最終的に口スピー波は上層捕捉波と下層捕捉 波に分離される。もし、大洋を一週間程度で伝 播する順圧口スピー波が底地形の影響を強く受けるとす れば、海洋の順圧応答はこれまで考えられてい たものと異なることになり、海洋応答理論の再考が必要 となる。そこで、順圧口ス
ビー波によってもた らされると考えられてきた年変動スケールにおけるスベ ルドラップ平衡の成立とその時空間スケールで の流れの鉛直構造を、海嶺等の大規模地形が存在しない 北太平洋東部において調べた。その結果、地衡 流量と海上風フオーシングから見積もられるスベルドラ ップ流量には、年変動の位相および振幅に十分 な一致が見られ、スベルドラップ平衡が成立することが 示めされた。また、スベルドラップ平衡の成立 する領域における南北流速の東西平均値は鉛直にほぽ一 様に分布しており、流速場の年変動は順圧的で あることが分かった。
この結果は、順圧 口スピー波が小スケール底地形の影響を殆んど受けずに 存在していることを示唆する。すなわち、順圧 口スピー波の大洋横断の時間スケールにおb
ゝては小スケール底地形の効果は無視できる程度に過ぎない 。このことから、小スケール底地形は傾圧口スピー波に のみ影響し、上層捕捉波を生成するものと考え られる。
以上を総括すると 、本研究の結果は、傾圧口スピー波に対しては、傾圧流 や小スケール底地形の影響が重要であり、現実 海洋における口スピー波の理論的記述にはこれらの効果 を含む必要のあることを指摘する。本研究で示 された拡張理論を基に考えると、口スピー波は励起され た時点では、順圧モードと傾圧モードに近いが 、小スケール底地形の影響を受けて傾圧モードの波は上 層捕捉波になる。上層捕捉波はモード水の形成 域などの特殊な海域を通過する際に傾圧流効果を受け、 上層捕捉傾向が強まり、また位相速度も増加す る。順圧モードの波は小スケール底地形の影響を受けず に海洋の順圧応答を導くものと考えられる。ま た、本研究結果は、海洋モデルの改善にも示唆を与える 。小スケール底地形に起因
す るB
PDは、傾圧口スピー波よりも十分小さい数10kmスケールの 地形効果が重要であることから、口スピー波の応答機構を より正確に再現するには、それに相応な解像度を有する 必要があると考えられる。

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学位論文審査の要旨
主査

教授

久 保川

厚

副査

教授

池 田元 美副査

教授

三 寺史 夫

副査

助教

水 田元 太副査

教授

見 延庄 士 郎（大 学院理学研 究院）

学位論文題名
Stu
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tionoceanG
CMsimulation（高 解 像 度海 洋 大循 環 モデ ルシミュ レーショ ンにおける
中緯 度 ロ スビ ー 波に 関 す る研 究 ）口ス ピ ー波 は 大 規模 ・ 長 周期 の 大気 海洋 変動を理 解する上 で最も基礎 的な波動 である が、現実 の海洋中 の口スピー 波の伝播 特性が定 量的に示 されたのは、人工衛星によ る 海面 高 度の 観 測 が可 能 とな っ て から の こ とで あ る。 CheltonandScMax（1996冫
は、 そのよう な観測に より、傾圧 口スビー 波と思わ れる西方 に伝播する海面高度アノマり を見出し 、さらに 、その中緯 度におけ る伝播速 度は底が 平らな静止海洋を仮定した理 論（古典理論）の予想よりも顕著に速いことを示した。この西方伝播シグナルの伝播速 度に関し て、背景 傾圧流に伴 う南北渦 位分布の 変化によ る口スビー波の西方伝播
速 度 の増 大皿 uwrorthetal．，1997等） と、底が 凸凹して いること により下 層での圧力 変 動が 上 層の も の と分 離 する （ Bottompressuredecouphng） こ と による 速度増大
口 ameuXandMcW・ iuiams，2001） の 理論 が 提 出さ れ た 。し か し、 海 洋デ ータの不 足によ り、それ らのどち らが効いて いるのか 、もしく は、それ らで本当に説明できるのかは 明らかで はなかっ た。
申請 者 は、 こ の 問題 に 決 着を っ ける べく 、鉛直構 造まで分 かる地球シ ミュレー タで計 算された 高解像度 海洋モデル シミュレ ーション デー夕（ 0FESデー夕）を解析し、そ れ と、 両 効果 を 含 む理 論 との 比 較 を行 った。ま ず、南太 平洋南緯32度 での0FESデータ のコンポ ジット解 析から、こ のモデル の中の西 方伝播シ グナルが現実の海洋における ものと同様に古典理論の予想よりも顕著に速いこと（長波速度の約1．5倍）を確認し、 次に、そ の鉛直構 造は上記の 両効果を含む理論（拡張理i鋤と高い類似性を示し、伝播 速度｜ま有限波数の効果を含めることにより定量的に説明できることを示した。さら に、 両 半 球太 平 洋の 緯 度 25度 か ら40度ま で の 位相 速度と 理論の比 較を行い、 これらの緯 度帯では 、どの緯 度でも古 典理論よ りも速く 、かつ、有 限波数の 効果を含めれば、こ の拡張理 論で定量 的に説明 できるこ とを示し た。また、 大半の緯 度では伝播速度の増 大にはBottompressuredecoupling効 果がより 重要であ るが、モ ード水らしき構造が 見られる 領域では 、背景傾 圧流の効 果も同程 度に重要と なるとい うことを示した。
次に、 申請者は 、OFESデータ に見られ たBottompressuredecouplingが、実際に、モデル 内の小ス ケールの 海底地形 によって 引き起こ されている かどうか を明らかにする ため に 、 小ス ケ ール の底 地形によ る流れと 大規模な 波の相互 作用を、1次 元地形を仮定す る地形上 口スビ一 波の理論 (BobrovichandReznik，1999)に基づ いて調べた。
モ デル の 南 緯32度 近傍 の 小ス ケ ー ルの 底 地形 の 影 響を、 南北一様 と東西一様 な場合を仮定 して、相 互作用項 を理論的 に計算し 、このモ デルで解像 される小 スケールの底地形は Bottompressuredecouplingを引き起 こすのに 十分であ るという 結諭を得た。
最 後 に 、申 請 者 は、 海 洋の 順 圧 応答 に 小ス ケ ー ルの底 地形が影 響するか否 かを明確にす るために 、季節変動成分を用い、スベルドラップ流とモデルの南北流量および、そ の鉛 直 構 造を 比 較し た。 その東方 に大規模 な底地形 が存在し ない領域で は、1ケ月平均の スベルド ラップ流 量とモデ ルの南北 流量はよ く一致し、 東岸近く の傾圧変動を除けば 、東西平 均された 南北流は ほぽl頓圧 的であっ た。このこ とは、1ケ 月以内の現象 であ る 大規模 な順圧応答 、すなわち 、大規模な 順圧口スピ ー波に対し ては、Bottompressuredecouplingは効か ないこと を意味す る。
こ の 研 究は 、 海 洋変 動 を考 え る 上に お いて 最 も 基礎と なる口ス ピー波の伝 播速度が理論 的予想と 一致しな いという 問題を中 心に調べ 、さらに、 それに伴 って生じた疑問に答 えていっ たもので ある。特 に、線形 理論にBottompressuredecouplingと背景傾圧流 効果の両 方を含め ることに より、鉛 直構造と 位相速度が ともに説 明できることを示し たことは 、シミュ レーショ ンモデル 内の波動 の解析では あるもの の、海洋学上の重要 な結果で あると考 えられる 。
審査委 員一同は ，これら の成果を 高く評価 し，また 研究者とし て誠実か つ熱心であり，大 学院博士 課程にお ける研鑽 や修得単 位なども あわせ，申 請者が博 士（地球環境科学）の学位を 受けるのに充分な資格を有 するものと判定した。