博 士（ 地 球環 境科学 ）乾朋子

学 位 論 文 題名
A Numerical Investigation of Effects of Westerlies Variabilityon the Circulation of Subducted Water（偏 西風 の変 動が 沈み 込ん だ海 水循 環に 及ぼす影響に関する数値的研究）

学位論文内容の要旨
高緯度から低緯度への海洋循環は、気候変動を考える上で重要な役割を担っていると考えられる．なぜなら、高緯度の大気場の変動がsubduction（沈み込み）によって海洋表層から内部へと伝わり、最終的には低緯度の海洋の温度構造を変化させ、大気への熱放出量が変化すると予想されるからである．その大気→海洋表層→海洋内部という流れのうち、中高緯度大気場である偏西風と海面水温が共に10年スケ←ルで変動していることが、観測からは示されている．しかし、そのメカニズム及び海洋内部への伝播は明らかではない．本研究では、10年スケールの偏西風の変動として経路と強度の変化に着目
し 、 海 洋 大 循 環 モ デ ル を 用 い て そ の 変 動 に 対 す る 海 洋 の 応 答 を調 べ た ．
経路の 変化 とし てEkman pumpingが zeroにな るzero wind stressCurlline (ZWCL)の 位置の 変化 に着 目し た． ZWCLをSverdrup流 で決まる循環境界線に対して東西に傾くと、その二本の線に囲まれた亜熱帯循環系にはupwellingの領域が、亜寒帯循環系にはdownwellingの領域ができる．その領域が原因で、亜熱帯循環系ではL）poolregi
onが狭く、2） v
enti
latedregionが深く、3）沈み込む水の密度が多様化する、ことを示した．
次に、偏西風の強化、ここでは風によるstressの強化と、それによって熱を奪う冷却の強化の双方に着目した． 10年スケールで変動させる前に、突然風応カを変化させ15年間その値に保ち、海洋の応答を調べた・
風応カを強化すると、偏西風帯で混合層が深くなり、より低渦位の水が密度面に沿って南西方向ヘ沈み込むため、直接偏西風の変動がない低緯度側でも変動が見られる．この時に、thermoclineでは従来のモデルでも予測されるように、風応カを強化すると等密度面が下がる．これに対し、thermoclineより浅いsu
bsur
faceでは風応カを強化すると、より低渦位の水が沈み込むことで密度面があがる．それが南西部へと沈み込んでいくので、
結 果と して 低温 化す る． これは 従来 のモ デノ ソでは予測されなかったことである．
これに対し冷却を強化すると、表層で温度が下がることによって、強化前よりも密度の大きい水が沈み込むことになる．風はこの場合変化していないので、風応力強化の場合と違い、thermocl
ineの変動はほとんどなく、密度の大きな水が亜熱帯循環系のventilatedregion
全体に広がり、結果として低温化する．この低温化は、風を強化した場合と違い、北 東 側 を 中 心 に ventilated regionに 存 在 し て い る こ と が わ か っ た ．
水塊形成上興味深い、亜寒帯から亜熱帯への水の輸送をトレ←サーを用いて可視化した．風を強化した場合は、エクマン輸送による亜寒帯から亜熱帯への輸送が増大する，さらに亜熱帯循環系に流入してからは、亜熱帯北西部ので混合層が風応力強化により深くなり、ある密度の水の量が増大する．この両方の過程によって、亜熱帯循環系のve
nt
il
at
ed
reg
ionでは濃度が増大し、同時にトレーサーの分布域も広がる，冷却を強化した場合は、輸送はほとんど変化せずに密度面の露出緯度が南下するので、最も多く輸送される水の密度が増大する．さらに風、冷却双方を強化した場合は、輸送される水の濃度、密度が共に増大し、風を強化した場合と冷却を強化した場合の双方の線形和で表せることが示された．
最後に偏西風帯の風を周期的に変動させた場合に、海洋の応答の周期依存性を調べた．
subductionの時 間ス ケールより短い5年スケールの変動(EN)を与えても低緯度側では顕 著な 変動 はみ られ ず、 subductionの 時間 スケ ール程度の10年スケールの変動(DC)を与えると、突然偏西風を変化させた場合と同様、亜熱帯循環系の南西部に顕著な変動領域ができることがわかった．風が強化（弱化）することに．よって、突然強化した場合と同様、therm
ocli
neは深く（浅く）なり、subsurf
aceは浅く（深く）なる．これによって交差領域で作られた低（高）渦位の水、すをわち層厚が大きな（小さな）水が南西方向ヘ伝わることによって、低（高）温化する．この低温化がDCの場合は顕著であることに対し、ENの場合は、南西方向ヘ伝わる間に風の符号が逆になり、亜熱帯循環系南西部全域で、十分な応答がみられない．さらに、混合層の深さの応答をみると、等密度面 の露 出と 混合 層フ ロン トと の交 差領 域付 近で DCの場合は変動が大きく、ENの場合は変動が小さい，すなわち、subductionの時間スケールより短い風の変動では、低渦位（高渦位）の水の生成の変動が、DCの場合は十分に応答し、ENの場合はそうではない．
海 洋の 応答 、風 の応 答と いう ニつ の時 間ス ケー ルから、ENとDCの場合の亜熱帯循環系南西部での応答の違いが説明された．
以上のように、数値モデルを用いて、直接偏西風が変動している領域より低緯度側ヘI 一の変動の伝わるメカニズム、およびその周波数依存性が、力学的にも、水塊形成の立場からも解釈できた．

学位論文審査の要旨
主査

教授

竹内 謙 介．

副査

教授

久保 川

副査

助 教授

安 田 ．一 郎

副査

助 教授

謝副査

教 、授

花 輪 公雄 （ 東北 大学理 学研究科）

厚尚平

学 位 論 文 題 名ANumericalInvestigationofEffectsofWesterliesVariabilityon the Circulation of Subducted Water（偏西風の変動が沈み込んだ海水循環に及ぼす影響に関する数値的研究）

最近 、大気 や海洋に 10年程度 の時間ス ケール の変動が 卓越し ているこ とが多く の研究 に よっ て 明 らか に さ れ てき た 。 また 、 数 年の 時 間 スケ ー ル を持 っ て いる ENSO
(EINinoandSouthernOscillation)の頻度 等が、10年 程度の 時間スケ ールで 変化して いる 事 が解 っ て 来た 。 こ の 様な 時 間 変動 の メ カニ ズ 厶 、ENSOと の関連等 について は明らか になっ ていない 。しか し、時間スケールから、海洋がかなりの役割を果たしていること は当然 考えられ る。そ のーつの 可能性と して、 subductionの役割が注目される。
特に 、北太 平洋にお ける偏 西風にも 10年の時 間スケー ルの変動 がある ことが解 ってきたが 、この 海域はsubductionが起 きてい る場所で もあり、 その意味からも重要性が示唆 さ れる 。 こ の研 究 は そ のsubductionの 実態や 偏西風の 変動に 対するsubductionの反応 とその 海洋構造 変動に おける役 割を数値 実験に よって明 らかに したもの である 。
こ の 研 究 の 主 な 成 果 の 内 、 特 に 注 目 さ れ る の が 以 下 の 4点 で あ る 。
1． 風 応 カの curlの 正 負 の境 界 が 傾い て い るこ と に よる 効 果 を明 ら か に した 。 ．
2．偏西 風の強化 には、 応カが増 大するこ とと、 海洋から 大気への熱流量が増大する
こと の ニつ の効 果 があ るが 、 それそれの効果 を分離した。
3．偏西 風に伴う 風応カ が強化す るときの 海洋の 応答が、 これまで予想されたものとは 全く異な ることを 明らか にした。
4.偏 西 風 の 変 動 の 時 間 ス ケ ― ル が 10年 程 度 で あ る か 数 年 程度 (ENSOス ケ ール ）で あ る か に よ っ て 海 洋 の 応答 が 異な る こと を 明ら かに し た。
先す 第ーの 点である が、通 常、風応 カのcurlの 正負の境 界が亜 熱帯循環 と亜寒 帯循
環の 境界で もあると 扱われ ているが 、実際curlの境界が 経度線 から傾い ているた めー― 952―

致は しな い。 この 研究 ではこの事に注目 し、この不一致がsub duc
tionを強め、沈み込んだ 海 水 が特 性を保 持し たま まよ り遠く まで 到達 でき ること を示 した 。
第2
点 であ るが 、一 般に 風が強くなると、それに伴ってより多くの 運動量が大気から海洋に輸送されるが、それだけでなく、海洋と大気の間の潜熱や顕熱の輸送も増加する。
実際の観測ではこの効果を分離することは出来ないが、 この研究では風応カだけ、あるいは海面の熱条件だけを変化させた数値モデルにより、 それそれの効果を分離する事が出来、また両者が同時に働く場合はそれそれの効果の重 ね合わせとしてほぼ理解できることを示した。
そ れに よる と、 冷却 が強 化さ れる 場合 には 、海 面水温が低下する 影響がsubductionによって広い範囲から亜熱帯循環の亜表層に侵入する。 この過程は比較的単純で、いわゆる L
PSモデ ルと 呼ば れる 理 論か ら予 想さ れる 結果 と言 って 艮い 。し かし 、風 応カの強化の場合には、それそれの等密度面上で見た場合、あ る特定の点から亜熱帯に侵入することが見いだされた。そして、この点は混合層フロン トとその等密度面が交差する点に相当することを示した。その結果、水温躍層に相当する等密度面は深くなるのに対し、亜表層の等密度面は浅くなる事が示された。これらは従 采の理論からは推測できなかったことである。また、混合層の変動が、広い範囲に渡る 海洋内部の構造の変動に寄与していることが示された点も注目に値する。これが第3点である。
第4
点 とし て、 偏西 風の 変動に対する海洋の応答の時間スケール依 存性が示された。
1〇 辱の 周期 で偏 西風 が変 動する場合は、上記のメカニズムにより比 較的大きな変動が亜熱 帯循 環系 亜表 層部 に見られたのに対 し、3ヰの周期の変動に対し ては変動が著しく小さ くな るこ とが 示さ れた。これはsubduction
による海水の循環の 時間スケ―ルと混合層 の変 動の 時間 スケ ール の両 者に 比較 し、 10年 という時間はほぼ 同等あるいはより長い 時間 スケ ール であ るのに対し、3鐸の周期では追随出来ないこと によることが示された。
本研究の成果は、様々な周期における偏西風の変動に 対する海洋の応答とその機構につい て貴 重な 示唆 を与 えるもので、特に 1〇年スケールの気候変動の 研究の進展への大きな貢献として高く評価される。
以上の結果は、申請者が研究者として研究活動を行う ために必要な高度な研究能カと学カを有していることを示している。よって審査員ー同は申請者が博士（地球環境科学）の学位を受けるのに十分な資格を有するものと判定した 。

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