海氷生産による中深層水形成とその変動－衛星観測から日本南極観測隊観測まで－
大島慶一郎（北大低温科学研究所）
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イントロダクション：海氷生成と中深層水形成
衛星による海氷生産量･熱塩フラックスの見積もり
未知の南極底層水生成域の発見
中深層水の変動と海氷生産量
沿岸ポリニヤでの高精度海氷・海洋観測（衛星トゥルース）

Johnson(2008)

海水の性質から２つの深層水の割合を同定

北大西洋深層水太平洋

ポテンシャル水温
塩分
渦位
溶存酸素
硝酸
リン
シリカ

南極底層水は全海水の30－40％を占める

南極底層水

グローバルな目でみたオホーツク海
2月の海氷分布と平均気温（2001年）

北太平洋の中層水

Nihashi et al.,2009

・風上が北半球の寒極 → 北半球における海氷域の南限

・多量の海氷生産 → 北太平洋で一番重い水ができる場所→ 大気・陸からの熱・物質を北太平洋中層水(200-800m)へ

Temperature

海水は同じ密度面（等密度面）に沿って流動する。
３００－５００ｍ
等密度面上での水温・酸素などの分布を見ると、海水の起源
Itoh et al. (2003)
27.0σθ
や流動の様子がわかる

Isopycnal
Map

OxygenLevitus

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イントロダクション：海氷生成と中深層水形成
衛星による海氷生産量･熱塩フラックスの見積もり
未知の南極底層水生成域の発見
中深層水の変動と海氷生産量
沿岸ポリニヤでの高精度海氷・海洋観測(衛星ﾄｩﾙｰｽ)中層水の新しいモニター観測沿岸ポリニヤ → 海氷生産工場

Prevailing divergent wind

Huge heat loss
< １00 km熱損失

Coastal polynya（thin ice）area

Heat loss
vs.
Ice thickness

LandOcean

中深層水

Brine rejection(Dense water formation)(Morales Maqueda et al., 2004)(after Morales Maqueda et al., 2004)

海氷厚

マイクロ波放射計による薄氷厚アルゴリズム→ 熱収支計算による熱損失 ＝ 海氷生産量

海氷生産量の見積もり（熱収支と衛星データより）

中層(等密度面上）での水温

Ohshima et al.(2003)

・海氷生産量マッピングを最初に行った
高密度陸棚水研究・マイクロ波放射計データ(SSM/I)よりポリニヤ（薄氷域）を検知・
薄氷厚の推定塩分温度

高密度陸棚水生成を捉えた観測・熱収支計算より、大気に奪われた分の熱が海氷生産に使われると仮定する
塩分増加
１ ２
３
１２ ・年間累積海氷生産量として厚さに換算
海氷期
Itoh et al.,2003
Ohshima et al., 2003

(Shcherbina et al., 2003; Science)

昭和基地

南大洋の年間海氷生産量マッピング(気候値: 1992-2001)
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

ロス海生産量 No. 1

Descriptive Physical Oceanography
教科書 by Talley et al.,

生産量No. 2
ケープダンレーMapping of sea ice production (1992-2007)

Chukchi

Laptev

North Water
No.1 prod.

Tamura &Ohshima, 2011

SSM/I 1987-2010 (interannual variations)
AMSR relatively high spatial resolution (12-6 km))
SSM/I
AMSR-EAMSR-2

SSM/I
Ohshima et al.2003

AMSR-E
Nihashi et al.2009

海氷生成・融解に伴う熱塩フラックスのデータセット作成
Sea ice data are derived from AMSR-E data (daily)(%)

Ice concentration

Ice thickness

22 Dec. 2003

Freezing

Melting(m)Ice motion

Melting

20 cm s-1

by NT2 algorithm

by ice thickness algorithm by maximum correlation method(Markus and Cavalieri, 2000)(Nihashi et al., 2009)(Kimura and Wakatsuchi, 2004)

ECMWF: Air temp. Humidity, Wind speed, and SLP (daily)
ISCCP: Cloud (monthly)
HadISST: SST (monthly)
Nihashi, Ohshima and Kimura, J. Climate (2012)

Nihashi, Ohshima & Kimura, J. Climate, 2012

Annual mean net heat flux(W m-2) Annual salt budget
ice formation
absorb negative
latent heat

(Kg m-2)

freezing
salt supply
Ice edge

Transportof sea ice(negative heat)Ice melting
releaselatent heatmelting
freshwater supply

Release plan of the data set (year)
ice production
Southern Ocean SSM/I
available
AMSR
2013
Arctic Ocean
SSM/I
available
AMSR
2013
Sea of Okhotsk SSM/I
2013
AMSR
available

heat/salt flux
available
2014
2015
2014
2014
available

Sea ice production dataset→ Validation data for coupled ice-ocean models
Southern Ocean
Kusahara et al.(2011, Nature-comms.), Kusahara et al.(2010, JGR)
Arctic Ocean
Kawaguchi et al.(2011, JGR)

Surface heat and salt flux dataset incorporating sea-ice growth and melt
→ Boundary condition data for various models
Southern OceanACE CRC ice shelf-ocean coupled model:Galton(2012), Urakawa & Hasumi (2012)
Non-hydrostatic ocean model: Nakayama et al. (preparation)

海氷生産量データセット
海氷結合モデルの検証データ

モデル

観測(SSM/I)
Kusahara, Hasumi and Tamura (2010)

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イントロダクション：海氷生成と中深層水形成
衛星による海氷生産量･熱塩フラックスの見積もり
未知の南極底層水生成域の発見
中深層水の変動と海氷生産量
沿岸ポリニヤでの高精度海氷・海洋観測(衛星ﾄｩﾙｰｽ)中層水の新しいモニター観測

The Darnley polynya on the west side of Prydz Bay isanother potential source of dense water
昭和基地
that is just beginning to be exploredfrom Descriptive Physical Oceanographyウェッデル海

未知の南極底層水？
ケープダンレー

衛星による海氷生産量のマッピング
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

南極底層水の形成域
ロス海
生産量 No. 1

アデリー

生産量
No. 2

CFC-11 Distribution near bottom (Orsi et al., 1999)

Suggestion ofAABW formation
around 60-70E

Weddell

Cape Darnley

AABW
formation
RossAdelie

Slide provided by S. Rintoul?

• Jacobs and Georgi(1977)• Middleton and Humphries(1989)• Mantisi et al. (1991)• Klepikov et al.
(2010, IPY conference)Cape Darnley

Oxygen nearsea bottom

WOCE Atlas

S4DO

DarnleyDarnley Project: CTD Sections & mooring stations

壇 れい

Mooring Observations: Feb. 2008 — Jan. 2009
Hydrographic Obs. : 21 Jan. — 27 Jan. 2009

Line IIIby H/V Umitaka; R/V Hakuho

WildCanyon

Line ILine II
M1
M2

M4

M3

M1-M4: Mooring stations

High ice production area ( >5m/yr)
from AMSR-E

Cape Darnley
PolynyaCTD Sections & mooring stations
Mooring Observations: Feb. 2008 — Jan. 2009
Hydrographic Obs. : 21 Jan. — 27 Jan. 2009by H/V Umitaka; R/V Hakuho

Line III

WildCanyon

Line ILine II
M1
M2

M4

M3

M1-M4: Mooring stations

High ice production area ( >5m/yr)
from AMSR-E

Cape Darnley
PolynyaOff Cape Darnley, East Antarctic

Antarctic Bottom
WaterOxygen

Potential Temp.

Drawn by Kitade and Hirano

峡谷の底(M3)での水温と流速の1年間の時系列 (水深 2659 m)
水温

降下流速度
底近く・その上

海氷生産量
・峡谷では、冷たい重い水の到来に同期して強い降下流
・流れは底近くほど強いM3

Potem. temp. 水温降下流

Thick lines: 20m from bottom
Thin lines: 224m from bottom
Shaded periods: Northward (Downslope) velocity > 30cm/s

約4日周期で0.4m/s程度の降下流: 冷たい重い水と同期→ 傾圧不安定？ 地形性ﾛｽﾋﾞｰ波？
3-day 6-day oscillations occurs associated with dense plumein the Filchner, Weddell Sea (Darelius et al., 2009)

near bottom (26m)away bottom (224m)

DC trans.

新底層水の厚さ500m

nAABW trans.

新底層水の流量
流速・水温を内挿・外挿；-0.4℃以下を新底層水

新底層水の厚さは平均 300m：
170m(6月) → 420m(10月) (予想以上に厚い)流れの幅を20kmと仮定：新底層水の流量 0.52(Sv)M3Potem. temp.

42 (CDW)

58 (DSW)

top↓
bottomold↓newポリニヤでの塩フラックス
S0ρ0SF
SW
CDW
DSW
Sbρb

●DSWの潜り込む流量の推定●係留によるnAABW流量 0.52SvとDSWとCDWの混合比 (58:42)より→ 0.30 Sv (Wild Canyonのみ)●海氷生産による塩フラックスによりsummer SW がwinter DSWとなる→ 0.70 Sv (上限値)0.3-0.7 Sv: 全南極の5.4 Svの～10%Cape Darnley

Amery Ice Shelf

Salinity of bottom water from instrumented seals
Collaborated with Drs. Williams, Roquet, Field, Hindell

SEaOS: Number of profiles:Southern Ocean

SODB: 10513
Argo: 19463
海氷域

SEaOS: 22230→ 150000Courtesy L. Boehme

ゾウアザラシ（Elphant seals）の場合：
最大2000m まで潜る底の餌を取りに行くので高密度陸棚水・底層水が観測できる

大きな海氷生産量はなぜ？

なぜ巨大なポリニヤができるか？

Westward coastal current
Streaks ofnew ice

100km
Offshoreward windIceberg
tongue合成開口レーダ

氷山舌によるフィルター効果

Sea ice production (color shading) and iceberg tongue (black)
during 2003-2010 (AMSR period)

今回の観測でわかったこと• やっぱり、ケープダンレー沖では、底層水がガッツリできていた！
• 峡谷では、冷たい重い水の到来に同期して強い降下流4-5日周期で間歇的・0.5m/sの降下流 (downslope current)• 新底層水の厚さは平均300m： 170m(6月) → 420m(10月)(予想以上に厚い)• 係留系観測と海氷生産からの見積もりによると、表層から底層への水の潜り込むj量は 0.3-0.7 (Sv)
全南極からの潜り込み量の10%• 東にある氷山舌によるフィルター効果が高海氷生産を生む

高速非静水圧モデル(Matsumura & Hasumi)による数値simulation
中山修士論文Pathway of AABW from the simulation forced by polynya salt flux
Integrated tracer concentration DW: Polynya →Depression → Canyon
Wild Canyon

High ice production(forcing) area
M3Depression
Tracerconcentration
Volumeflux ofdense water which crosses 400m-depth
Northwardcontours
flux
Maximum 1.50 Sv
Annual0.60 Sv
Ice prod. 0.3-.7 Sv
All Antarc. 5.4 Sv

M3

M3(Orsi et al, 2002)

Reproduction of arrival of dense water and periodic downslope current

observed θmodeled θ
observed vmodeled v

Comparison between
observation and modelat M3

Cape Darnley Project (Cruises)
IPYYear

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

CruiseHakuho- Umitakamaru
maru
MooredRegion(Shirase) (Umitaka- Hakuhomaru)
maru

Shirase(Polynya)

Polynya
Slope

Slopeor
CanyonAqua AMSR-E

present

GCOM-W1 AMSR238

数値シミュレーション：ポリニヤ（水色枠内）での高海氷生産による南極底層水形成
鉛直積分したトレーサー濃度の平均値 窪地から流出、谷に沿って沈み込む

海氷生産量の多い海域

JARE52

JARE53
窪地
JARE51

Mooring array off Cape Darnley
Deploy: Feb. 2011 (JARE52) → Recover: Feb. 2013 (JARE54)

Polynyamooring(JARE53)

Antarctic Bottom
Water

OxygenPotential Temp.

JARE51 → JARE54: 未知の南極底層水を探る

Summary for Cape Darnley Bottom Water
In addition to three well-recognized AABW sources, a fourth variety ofAABW has been identified east of the Weddell Sea. However, neither its
production, nor Dense Shelf Water (DSW) source, has been observed.
Here we show that enhanced sea-ice production in the Cape Darnley Polynya(65−69°E) is the missing source of this AABW.
Moored instruments observed overflows of new AABW cascading down
offshore canyons, with its DSW source identified by instrumented seals.
That this AABW is produced mainly from sea-ice production without theassistance of an ice shelf and/or large storage volume, challenges thetraditional paradigm.
We estimate that 0.3−0.7 Sv ( 106 m3 s-1) of DSW is transformed into AABW,
accounting for 6−13% of the circumpolar total.
Cape Darnley Bottom Water should now be incorporated into the assessmentof the global overturning circulation and its variability.

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イントロダクション：海氷生成と中深層水形成
衛星による海氷生産量･熱塩フラックスの見積もり
未知の南極底層水生成域の発見
中深層水の変動と海氷生産量
沿岸ポリニヤでの高精度海氷・海洋観測(衛星ﾄｩﾙｰｽ)中層水の新しいモニター観測昭和基地
ウェッデル海

第4の南極底層水ケープダンレー

衛星による海氷生産量のマッピング
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

南極底層水の形成域
ロス海
生産量 No. 1

アデリーランド
メルツポリニヤ

生産量 No. 3

生産量No. 2

Sea ice production 2000-2009

2000-2009

Calving ofMertz Glacier Tongue (MGT)↓
Decreasd sea ice production↓
Decreased AABW ?

Calving of MGT in Feb. 2010 !

2010

2010

2011

2011

Tamura and Williams, et al., 2012,
Nature Communications

Temperature

Adelie Land
Bottom Water
Cause of Freshening

・Enhanced melting ofIce Shelf
・Increase of P-E(Precipitation-Evaporation2012
after calving

2000s 1990s

2010 MGT calving
before calving

Freshening
Salinity

Aoki et al., in preparation

1970

・Deduced sea ice prod.
in the polynya

Increase/Decreased rate of Ice Shelf, Ice Sheet
From GRACE

Melting
Melting(Rignot et al. 2008)(Chen et al., 2008)

オホーツク海からの熱塩循環：最も弱化が顕著 !?
→ 海氷生産量の弱化が原因？
水温

溶存酸素

中層水の50年昇温トレンド

27.0σ θ 面：300-500m

Nakanowatari et al.(2007)オホーツク海の中層水の50年間の変化

26.9σ θ 面でのポテンシャル温度

19301980

19902006

海氷生産量の長期変動 •気象要素とSSM/Iデータから推定,

柏瀬修論(105m3)
SSM/Iによる海氷生産量
重回帰による推定値

推定した海氷生産量は35年間で約12%の減少トレンドを示した
秋季の風上気温の上昇で83%は説明できる

[ (1990-2009) - (1930-1980) ]水柱全体の塩分変化を淡水フラックス(m)に換算

塩分変化の断面図(1990-2009)－(1930-1980)
2期間の塩分の差
500mまでで平均
ΔS＝0.05 psu

平均すると0.52mの淡水化

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イントロダクション：海氷生成と中深層水形成
衛星による海氷生産量･熱塩フラックスの見積もり
未知の南極底層水生成域の発見
中深層水の変動と海氷生産量
沿岸ポリニヤでの高精度海氷・海洋観測(衛星ﾄｩﾙｰｽ)中層水の新しいモニター観測Global mapping of ice production→ Heat and salt flux data set

Cooperation with
Univ. Alaska (Dr.Eicken)

JARE
Syowa St.
Cape Darnley

Okhotsk Sea

Chukchi Sea

Mertz
Sakhalin
Cooperation with UTAS ?
Validation by Ice Profiling Sonar (IPS) & ADCP moorings:
We are (will be) making mooring observations in several polynyas in
the world to make the ice thickness and production algorithm globally.

沿岸ポリニヤでの氷厚計(Ice Profiling Sonar), ADCP, CT計の設置
Mar. 18, 2003

2002年12月～2003年5月
Fukamachi et al., 20090m

Draft values exaggerated ~20 times

20 m

5 km

Ice Draft and Water Properties (at 24-m depth)

Salinity
Potential Temperature
T relative to Tf

1. Salinity increase during thin-ice periods till March
2. Temperature very close to freezing point (Tf)⇓Brine rejection in polynya
Fukamachi et al., 2009

Validation of thin-ice thickness based on satellite data
Nihashi et al. (2009)

AVHRR thinice thickness

AMSR-E thin-icethickness

IPS ice thickness⇓AVHRR thin-ice thickness+AMSR-E data⇓
Thin-ice thickness

Mapping of sea ice production (1992-2007)

ChukchiTamura &Ohshima, in press

Barrow Arctic Science
Consortium (BASC)

世界一cost performance がよい係留観測
小型ボートと手動クレーンでの観測

砂をつめる

重さは次に調整するので持ち上がる程度の重さにしておく

重さを調節する

２００９年８月は１系あたり１００ｋｇｘ３を使用した。多めの袋に大雑把に積めた後、ばね秤を使って調節した。

世界最良のcost performanceの係留観測
世界最悪のcost performanceの係留観測

日本南極観測隊
砕氷船しらせ4ヶ月の航海

塩分
水温
海氷厚さ

Hakuho2008 - Umitaka2009
海氷生産量1000m▲

JARE 51▲

座礁氷山