６． 海氷・海洋アルベドフィードバック：北極海氷激減のメカニズム?
気候変動に伴う北極海の海氷域の変化
・夏季の海氷面積が2000年代以降激減 [e.g. Comiso et al., 2008]
・海氷厚の減少 [e.g. Rothrock et al., 2008]
・多年氷の減少（季節海氷域化） [Comiso, 2012]

近年の北極海の海氷激減には、様々な要因が関係してると考えられている（流出量の増加、融解期の長期化、熱流入の増加など）

2012
2000s
1980s
9月の海氷域
近年の季節海氷域化に関連して、海氷－海洋アルベドフィードバックが働くようになったかも

http://www.ijis.iarc.uaf.edu/jp/seaice/extent.htm

潜水艦及びICESatによる北極海の海氷厚
Kwok and Rothrock (2009)

北極海の海氷の年齢の変化 （多年氷が減り一年氷が増加）

５+年氷
4年氷
3年氷
２年氷
1年氷

Stroeve et al. (2012)

海氷－海洋アルベドフィードバックとは？
・季節海氷域(南極海やオホーツク海)において、一旦海氷密接度が低下すると開水面から日射が吸収されることで融解が促進され、さらに密接度が減少する正のフィードバック☀

Decrease of sea ice concentration (Increase of open water fraction)

Enhanced solar heating at the upper ocean
Low albedo(~0.07)

Lateral melting
Bottom melting

Accelerated ice melting
High albedo(~0.7)

Sea iceOcean北極海では・フィードバックが働く前提条件が満たされているか？
・フィードバックを誘発するトリガーとして何があるか？
海氷が激減している太平洋セクターに着目して解析を行う

熱収支解析

Fw,i = (1 –αw,i) S + Lnw,i + Fsw,i + Few,i + Fci
Net heat fluxShortwave
radiation

Longwaveradiation

Sensibleheat flux

Latentheat flux

Conductive
heat flux

・熱収支解析は海氷域 （海氷密接度 ≥ 30%）で1日毎・25km×25km のポーラー
ステレオグリッド上で行った・海水温は夏季（4－9月）は–1.0 oC、冬季（10－3月）は –1.8 oC とした。
本研究では海氷域の熱収支を、開水面および海氷表面それぞれに計算した※海氷表面のアルベドはmelt onset dateからの時間経過から推定した

(1 –Cn): Open water fraction
Fwn: Net heat flux at the water surface
Sg: Unit grid cell area (≈ 25km x 25km)
Se: Ice extent (= Σn (Sg))

・Heat input through the melt pond
𝑸𝑸𝑸𝑸 = (𝚺𝚺𝒏𝒏[𝒇𝒇𝒇𝒇𝒏𝒏 𝑪𝑪𝒏𝒏 𝑭𝑭𝒘𝒘𝒏𝒏 𝑺𝑺𝒈𝒈])/𝑺𝑺𝑺𝑺・Heat required for the ice melt

𝑸𝑸𝑸𝑸 = (𝝆𝝆𝒊𝒊 𝑳𝑳𝒇𝒇 𝒉𝒉𝒊𝒊 𝒅𝒅𝒅𝒅𝒂𝒂/𝒅𝒅𝒅𝒅)/𝑺𝑺𝑺𝑺

ρi: Density of ice (= 920 kg m-3)
Lf: Latent heat for fusion of ice (= 0.276MJ kg-1)
hi: Mean ice thickness (assumed to a constant value of 1m)
dSa/dt: Decrease rate of net ice area (ice export is removed)

Heat Input (MJ/m2)

1979-2012

𝑸𝑸𝑸𝑸
𝑸𝑸𝑸𝑸

𝑸𝑸𝑸𝑸
𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨May
Jun
JulAugHeat Input (MJ/m2)

Heat Input (x102 MJ/m2)

𝑸𝑸𝑸𝑸 = (𝚺𝚺𝒏𝒏[(𝟏𝟏 – 𝑪𝑪𝒏𝒏 ) 𝑭𝑭𝒘𝒘𝒏𝒏 𝑺𝑺𝒈𝒈])/𝑺𝑺𝑺𝑺

Heat for the Ice Melt (MJ/m2)

・Heat input into the upper ocean through the open water fraction

R=0.92 (Trend removed)

2000年以降に顕著な増加トレンド

海氷発散 ( 5月中旬－6月上旬 ) vs. 海氷融解 ( 6月中旬－8月上旬 )・融解初期の海氷発散は、1－2ヶ月後の海氷融解と（北極海全体とも）良い対応関係を示す※2000年以降は海氷発散にも有意な正のトレンドが見られる

海氷－海洋アルベドフィードバックがより効きやすくなったことが近年の海氷激減にも影響していることを示唆する

R=0.79 (0.56@detrended)簡略化モデル によるフィードバック効果の定量化
・簡略化モデルを使用して海氷後退の2次元的（Y軸－時間方向）な変化を再現し、海氷－海洋アルベドフィードバックがどの程度影響しているかを明らかにする。

※Ohshima and Nihashi (2005) で使用されたモデルを基に、多年氷を導入することで北極海の海氷変動を再現した。
C

1−C

CMY

Ohshima and Nihashi (2005)

Modified for theArctic Ocean

CFY簡略化モデルの概要(1) 開水面から吸収された熱量は海水温の上昇
および海氷融解に使用される

CMY

CFY

(2) 海氷密接度（C）は1年氷の融解のみによって減少、多年氷の融解は無視する(3) 海氷融解は海水温の結氷点（－1.83℃）からの差によって決定する(1) および (2) より、

𝒅𝒅𝒅𝒅
𝑪𝑪
𝒅𝒅𝒅𝒅
= 𝑭𝑭𝒘𝒘 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 +𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘 𝑯𝑯
𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝒅𝒅𝒅𝒅𝑪𝑪𝑭𝑭𝑭𝑭
𝒅𝒅𝒅𝒅(2) および (3) より、

𝒅𝒅𝒅𝒅= 𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘 𝑲𝑲𝒃𝒃 𝑪𝑪𝑭𝑭𝑭𝑭 (𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝒇𝒇 )─𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝒅𝒅𝒅𝒅(4) および (5) より、

𝒅𝒅𝒅𝒅
𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏
𝑯𝑯= 𝑭𝑭𝒘𝒘― 𝑲𝑲𝒃𝒃 𝑪𝑪 (𝑻𝑻 − 𝑻𝑻𝒇𝒇 )𝒅𝒅𝒅𝒅𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘

𝟒𝟒(𝟓𝟓)(𝟔𝟔)

・モデルに漂流速度の効果を導入する

𝒅𝒅𝑪𝑪
𝝏𝝏𝑪𝑪𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝒇𝒇
𝝏𝝏𝟐𝟐𝑪𝑪= −𝒂𝒂𝟎𝟎 𝑪𝑪𝒇𝒇𝒇𝒇+ 𝑨𝑨𝑯𝑯− 𝑼𝑼+ 𝝍𝝍𝑪𝑪𝒅𝒅𝒅𝒅
𝝏𝝏𝒚𝒚𝒉𝒉𝒊𝒊
𝝏𝝏𝒚𝒚𝟐𝟐
Meltingof ice

Advectionof ice

Ice motion in May

Horizontal
Ice resistancediffusion of ice (internal stress)(𝟕𝟕)

・平均氷厚を1m、初期の海氷密接度を99％、表面混合層の厚さを15mとした。
・バルク熱交換係数 𝐾𝐾𝑏𝑏 を 1.2×10-4 m s-1 とした。

・𝐶𝐶𝑀𝑀𝑀𝑀 の初期値および熱フラックス𝐹𝐹𝑤𝑤 を衛星観測データに基づいて与えた。
Initial Multi-year ice

Net heat input at the water surface

モデル
観測(%)

Date(W m-2)

気候値（2000－2012年）におけるモデル実験
・簡略化モデルに熱フラックス、漂流速度および多年氷分布を与えることにより、海氷後退を再現することに成功した。
→海氷－海洋アルベドフィードバックが北極海の海氷後退の季節変動に影響している
Observation
2000-2012

Model
Basic runModel
No ice-motion run

Model
No multi-year ice run

2004年および2012年の再現実験
・漂流速度のみの変更によって、極端な年の海氷後退を再現することができた。
→海氷－海洋アルベドフィードバックが北極海における海氷後退の経年変動もコントロールしていることが示唆される
Observation
2004

Model
2004 runObservation
SSM/I20122012年

Model2012 run

海氷後退の時間スケールについて
簡略化モデルより

𝒅𝒅𝒅𝒅= 𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘 𝑲𝑲𝒃𝒃 𝑪𝑪𝑭𝑭𝑭𝑭 (𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝒇𝒇 )─𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝒅𝒅𝒅𝒅
𝒅𝒅𝒅𝒅𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏= 𝑭𝑭𝒘𝒘
𝑯𝑯― 𝑲𝑲𝒃𝒃 𝑪𝑪 (𝑻𝑻 − 𝑻𝑻𝒇𝒇 )𝒅𝒅𝒅𝒅
𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘式（5）および（6）をまとめると𝒅𝒅(𝟏𝟏 − 𝑪𝑪)
𝑭𝑭𝒘𝒘
𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘 𝑯𝑯 𝒅𝒅 𝑻𝑻 − 𝑻𝑻𝒇𝒇
𝒄𝒄𝒘𝒘 𝝆𝝆𝒘𝒘 𝑲𝑲𝒃𝒃 𝑪𝑪𝑴𝑴𝑴𝑴=−
𝟏𝟏 − 𝑪𝑪 −𝑻𝑻 − 𝑻𝑻𝒇𝒇
𝒅𝒅𝒅𝒅
𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝒅𝒅𝒅𝒅
𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝐹𝐹𝑤𝑤 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 を仮定すると

𝟏𝟏 − 𝑪𝑪 = 𝜷𝜷 𝒆𝒆

𝑭𝑭( 𝒘𝒘 ) 𝒕𝒕
𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊+ 𝜸𝜸 𝒕𝒕

海氷後退の時間スケールは𝑳𝑳𝒇𝒇 𝝆𝝆𝒊𝒊 𝒉𝒉𝒊𝒊
𝑭𝑭𝒘𝒘

(𝟓𝟓)

(𝟔𝟔)
(𝟕𝟕)

(𝟖𝟖)

であり、初夏（𝑭𝑭𝒘𝒘 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐖𝐖 𝐦𝐦−𝟐𝟐）の場合29日となる。

→この結果は海氷発散が融解に影響するラグタイムとも整合的である

まとめ○北極海の海氷激減の要因の一つとして海氷－海洋アルベドフィードバックに着目。
○海氷が激減している北極海太平洋セクターでは、開水面から入る熱（主に日射）が海氷融解の主要な熱源であることが熱収支解析によって示された。
→北極海でも海氷－海洋アルベドフィードバックが働きうることを意味する。
○融解初期の海氷発散は1－2ヶ月のラグで海氷融解量と有意な相関を示す。
また初夏の海氷発散、開水面から入る熱量、および海氷融解量には2000年以降に顕著な増加トレンドが見られる。
→海氷発散が強まったことによる、アルベドフィードバックを通じた海氷融解の促進が近年の海氷激減の一因であることが示唆される。
○簡略化モデルを使用して北極海の海氷後退を再現した。モデル実験の結果からも海氷漂流速度が海氷後退の季節・経年変動に重要な役割を持つことが示された。

まとめmid-May to early-June(a) 1979-1999(b) 2000-2012−0.03−0.03%%day
day−1−1−0.03 % day−1
0.00 % day−1

0.09 % day−1− −0.01
0.01 %%day
day−1−1−1 −10.17
day0.17%%
day0.01
0.01%% day
day−1−1

0.01 % day−1

Div = 0.14 % day−1

Div = 0.07 % day−1
CFY = 45%
CMY = 54%

CFY = 69%
CMY = 30%

End of August

Qp = 36

Qw = 152

Qp = 57

Qm = 269

Qm = 116
Adv = 23

Qw = 236

Adv = 38