博士（理学）本田明治
学 位 論 文 題 名

The Influence of the Okhotsk Sea‑Ice Extent on theAtmospheric Circulation（オホーック海の海氷域変動が大気循環場に及ぼす影響）

学位 論 文 内 容の 要 旨

オホーツ ク海の海氷域の変動が大気循 環場に及ばす影響と、オホ ーツク海の海氷の存在に伴う大気場 の応答のカ学的・熱力学的特 性にっいて、データ解析及 び大気大循環モデルを用いた 数値 実験 の 手法 を用 いて 考察 を 行な った 。
は じめ に、 米 国気 象局 （NMC） 作成 の大 気 客観 解析 デー タを 用 いて 、多 氷年と少氷年の大気場の特 徴を比較した。多氷年と少氷 年は気象庁作成のオホーツ ク海海氷グリッドデータ
から 2月 の海 氷面 積を 計 算し 、面 積の 上位 4年 と下 位 4年を 単純 に 選ん だ。 続いて多氷年、少 氷 年 そ れ ぞ れ 4年 間 の 平 均 の 2月 の 大 気場 をNMCデ ータ より 計算 し 、そ の多 氷年 平 均と少氷年平均 の大気場の差（多氷―少氷） に注目して解析を行なった 。まず地上では、多氷ケースは少氷 ケースに比べて、オホーツク 海上では気圧が上昇し低温 化、すなわち寒冷高気圧が形成されやすい 。一方、東側のべーリング海、 ア ラスカ付近では 、逆に気圧の低下と高温化の傾向が顕著で ある。上空の対流圏中層では、 オ ホーツク海の北 東部で高度低下すなわち上 空の トラ フの強 化が見られる。このトラフ 性アノマリーの西側のオホー ツク海上では、顕著 な下 降流 のアノ マリーが見られ、対流圏上 層の収束場と下層の発散場が これに対応している 。こ の下 層の発 散場は地上の高気圧性アノ マリーの存在と矛盾しない。 一方、上空のトラ
フ 性ア ノマ リーの 東側のべーリング海上では 対流圏中層で上昇流のアノマ リーがみられ、下層 の収 束場 と上 層 の発 散場 が対 応し て いる 。
この よう な大気 場の形成についてはさまざ まな要因が考えられるが、オ ホーツク海の海氷が 大気 場に 影響 を 及ば した 結果 とい う 立場 でも 矛盾 なく 説 明で きる 。し か し、 NMCデ ータに 基づ くデ ータ解 析の結果はあくまで大気場 と海氷場の診断関係を示すも ので、これらから大 気ー 海氷 間の因 果関係を特定することはで きない。そこで、大気大循環 モデル(AGCM)を用い て 、 オ ホ ーツ ク海 の海 氷が 大気 場 に及 ばす 影響 を調 べる 数値 実験 を行 なっ た。
用い たAGCMは気 象研／北大スペク卜ルモデ ル(T21L30)である。オホーツ ク海の海氷は観測に 合う よう に12〜 5月ま で多 氷 ケー スと少氷 ケースを月毎に境界条件とし て設定し、その他の 条件 は全 て同じ とし、同じ大気の初期条件 でそれぞれランを行なった。 自然変動の除去と結 果の 統計 的検 定 のた め初 期条 件を 少しずっ 変えて、多氷ランと少氷ラ ンをそれぞれ5例ずつ 計算 した 。
ここ では 統計 的 に有 意な 1、 2月の 平 均場 の、 多氷 ラン と 少氷ランのそ れぞれ平均の差につ いて 議論 する（ 多氷一少氷）。地上では、 オホーツク海付近では多氷ケ ースは少氷ケースに 比べ て気 圧場の 正偏差と気温場の負偏差、 すなわち寒冷高気圧の形成が 顕著に見られ、先― 10―

の NMCの 結 果と 比 較 し ても 極 め て はっ き り し た応答 である 。また 、多氷 ケースと 少氷ケ ース の差に 見られ る顕著 な偏差 場はオ ホーツ ク海付近 にとど まらず、気圧場、気温場ともに偏西 風の下 流方向 にあた るべー リング 海、ア ラスカ、 北米方 面まで統計的にも有意な正偏差、負 偏差の パター ンが渦 列とし て伝播 してい るように 見える 。この地上付近に見られるオホーツ ク海の 海氷の 多少に伴う下流方向への渦列の伝播は、対流圏中上層にもはっきり見られる。
中 層 の 高 度場 の 偏 差場 は地上 に比ペ 1／4波長 位相が 西側に 傾いて おり、 トラフ性 のアノ マ
リ ーの西 側に下 降流、 東側に 上昇流 のアノ マリーが 存在し 、これらは上層と下層の収束発散場 に 対 応 して い る 。 先に 述 ぺ た NMCデ ー タ に よる偏 差場を 改めて 見直す と、弱い ながら も下 流 方 向 への 渦 列 が 伝播 す る 傾 向が 見 ら れ 、そ のカ学的 構造も 同様で ある。 すなわ ちNMC
デ ー タ に 見ら れ る 結果 はオホ ーツク 海の海 氷の多 少に伴 う影響が 下流方 向に及 んでい るもの と考え られる 。また 、これ は数値 実験の 結果の妥 当性を 示すものであり、以下は数値実験の 結 果 を 基に 、 海 氷 の多 少 に 伴 うこ の 大 気 場の 応 答 の カ学 的 ・ 熱 力学 的特性 を調ぺ る。
このオホ ーツク 海付近 から下 流方向 に及ぶ アノマ リーの 渦列は、渦度と熱のバランスを調べ た結果 、オホ ーツク 海付近 から励 起され た停滞性 ロスビ ー波の伝播として評価出来ることが 分かっ た。相 対渦度移流項、惑星渦度移流項、発散項を見積もった結果、対おゼ函の中上層で は基本 場の西 風によ る相対 渦度移 流が卓 越し、一 方下層 では西風が弱いため擾乱の南北風に よる惑 星渦度 の移流 が卓越 し、そ れぞれ 収束発散 に伴う 渦度生成項によってバランスする
こ とが定 量的に 評価さ れた。 また、 この収 束発散場 に対応 する2次 的な鉛 直循環 場に伴う断熱 加熱・ 冷却は 擾乱の 南北風 に伴う 温度移 流によっ て、更 に下層では主に顕熱・潜熱フラッ
ク スによ る非断 熱加熱 項が加 わって バラン スしてい ること も同様に評価された。これらの渦度 ・ 熱 バ ラン ス の 関 係は 傾 圧 大 気中 の 停 滞 性ロ ス ビ ー 波応 答 を 矛 盾な く説明 してい る。
以上より 、全体 として 停滞性 ロスビ ー波の 構造が 維持さ れていることは理解されたが、続い てこの 停滞性 波動の 伝播特 性（起 源、方 向、量） を理解 するため、波の活動度フラックスを 評価し てみた 。多氷 と少氷 の差を 摂動場 とみなし て活動 度フラックスを評価した結果、波の 活 動 度 はま ず オ ホー ツク海 付近で 上向き に励起 されて 下流方向 に伝わ ってい る様子 がみら れた。 すなわ ちこれ はオホ ーツク 海付近 を起源と した停 滞性ロスビー波の伝播を表す。顕熱 ・潜熱 フラッ クスの 差（多 氷―少 氷）の 分布から 、海氷 分布の多少に伴うオホーツク海付近 の冷熱 源分布 のアノ マリー によっ て波の 活動度が 励起さ れていることも分かった。また、
ア ラスカ 付近か らも波 の活動 度が上 向きに 励起され ており 、この停滞波の伝播を再強化してい るが、 これは オホー ツク海 の海氷 分布の 多少に伴 いアラ スカ付近の風系が変化し、新たに冷 源が形 成され た結果 を反映 したも のであ る。
数値実験 の結果 、オホ ーツク 海の海 氷の存 在の有 無は、 オホーツク海付近のみならず、下流 方向の 大気循 環場の波動パター．ンにも影響を及ぽしていることが分かった。多氷ケースと少 氷ケー スに対 する大 気場の 応答の 差は、 渦度・熱 バラン ス、波の活動度フラックスを用いた 解析か ら、オ ホーツ ク海付 近に形 成され た冷熱源 分布の アノマリーによって励起された停滞 性 ロ ス ビー 波 の 伝 播と し て 定 量的 に 評 価 出来 ることも 示され た。ま たNMCデー タを用 い
た 解析か らも同 様の傾 向が見 られ、 実際の 大気場に も海氷 の影響がはっきりと現れていること を示唆 するもの である と同時に 、数値実 験の結 果の妥当 性を示 すもので もある 。

学 位 論 文 審 査の 要旨
主査

教授

竹 内謙介

副査

教授

菊 地勝弘

副査

助教 授

副査

教授

速藤辰 雄
山 崎孝治（大学院地球環境科学研究科）

学 位 論 文 題 名

The I
nfluenceoftheOkhotskSea‑
IceEx
tentonthe
Atmospheric Circulation（オホーツク海の海氷域変動が大気循環場に及ぼす影響）

海氷は大気や海洋の循環の影響を極めて受けやすい―方、大気と海洋の熱交換を著しく低減する等、気候に与える影響も非常に大きく、近年、気候変動における役割が注目されている。
しかし、大気循環が海氷域の変動に影響を与えていることを示唆する研究は幾っかあるものの、海氷から 大気への影響 については因 果関係を明確 した研究は無かった。
本論文が対象としたオホーツク海は、海氷が広範囲に出現する海洋としては世界中で最も低緯度にあり、海氷域の経年変動が大きい。冬季にはシベリヤからの強い寒気が南下に伴って多量 の 熱 が 海 洋 か ら 大 気 に 輸 送 さ れ る 為 、 海 氷 域 変 動 の 影 響 が 大 き い と 考 え ら れ る。
本論文では先ず、海氷域面積の経年変動と大気大循環の関係を調ぺた。海氷が最も発達する
2月 にっ き 、 最近 20年で の海氷域 面積の 上位4年と下 位4年 をとり、 その時 の大気循 環のコンポジットを作成し比較した。その結果、地上気圧においては多氷年にはアリューシャン低気圧が発達するのに対して、少氷年には中央部が弱まり、東西に分裂するような傾向が見られた。
また 上空500h
p面高度 分布では 、多氷 年には北 極からオ ホーツクにかけてのトラフが発達するのに対し、少氷年にはその発達が弱く、アラスカ付近のトラフがやや発達することが示された。一方、シベリア域には顕著な差が見られなかった。
これらを多氷年と少氷年の差で見ると、地上ではオホーツク海、べーリング海、カナダ中部に高 、低気圧が交互に現れるような偏差が見られ、500hp
面ではそれがやや西に位相がずている。 またこれ に伴っ て、オホ ーツク海域だけでなく、アラスカでも7度Cに達する気温の変動が示された。これらの変動はオホーツク海の海氷の多寡に伴う海面熱フラックスの変動を起源とする停滞ロスビー波の偏西風下流方向への伝播として説明することが可能であり、海氷域変動が大気循環場に影響を与えている可能性を示唆している。
しかし、データ解析だけでは因果関係の特定は不可能である。その為、本研究では大気大循環モデルによる数値実験をおこなった。オホーツク海に通常年、多氷年、少氷年のそれぞれの海氷分布を与え、そのほかの条件；ま同一にし、数値積分を行った。データ解析と同様、2月の大気循環場を調べたところ、多氷年、少氷年にそれぞれデータ解析で示されたのと同様な偏差が生じることが示された。このことは数値モデルが現実を良く再現していることを示すと共に、
デー タ解析で 示され た大気循 環場の変動の原因がオホーツクにおける海氷分布であることを示している。
本研究では、さらに数値モデルの結果を詳細に解析し、偏差の東方への伝播が定在ロスビー波によるものであること、またその循環の変動に伴うアラスカ沖での二次的な熱フラックス変
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動による影響もあること等を解明した。
以上の様に本研究；まデータ解析と数値モデルを併用することにより、海氷が大気循環に影響を与えることを初めて明確に示したこと、その影響が海氷域付近だけでなく、数千キロも離れた場所にも現れること、そのメカニズムを明らかにしたこと等、価値の高い知見を得たものであり、気候変動研究に対する貢献も大なるものがある。
よっ て著者 は、北海 道大学博 士（理 学）の学 位を授 与される資格があるものと認める。

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