海氷がつくる海洋大循環とその変動北海道大学低温科学研究所

大島 慶一郎

シンポジウム「激変する地球環境の現状と未来像」

大気と海洋の地球規模鉛直循環

下からの加熱

大気の場合
極

赤道

高密度水の沈み込み

海洋の場合

海洋子午面循環 : 熱塩循環 (百-千年スケール)
深層水・中層水形成

海氷生成（塩分排出）
蒸発－降水

北大西洋深層水
高塩分水が移流し冷却

海氷生成
IW
IW

蒸発大

海洋のコンベアベルト
IW

南極底層水
海氷生成 → 塩分排出

Modified from NOAA
and NASA website

月

海洋子午面循環はどう閉じる？

沈降

湧昇
深層水形成

鉛直乱流拡散東京大学日比谷研究室のHPの図を加筆

沿岸ポリニヤ ＝ 海氷生産工場

熱損失

沿岸ポリニヤ → 海氷生産工場

Heat loss
vs.
Ice thickness

海氷厚
海氷がたくさんできるほど、塩分が排出され、重い水ができる

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

・マイクロ波放射計(AMSR)により薄氷厚検出(アルゴリズム)
・熱収支計算←氷厚データ+大気データ・奪われる熱はすべて海氷生産に使われると仮定
海氷生産量を全球で毎日見積もることができる
マイクロ波放射計(AMSR-E)

合成開口レーダー(ALOS PALSAR)
(m)

定着氷
薄氷

定着氷
空間分解能: 6.25km
南極大陸(ケープダンレーポリニヤ, 東南極)

2007年7月31日

海氷生産量の全球マッピング(by AMSR)

Nihashi &Ohshima,revised to JC

Iwamoto, Ohshima,& Tamura (2014)

南極海: 高海氷生産→底層水生成北極海: 低海氷生産
ｵﾎｰﾂｸ海: 北半球で最大8北大西洋深層水

Johnson(2008)

海水の性質から２つの深層水の割合を同定

底層での割合南極底層水ポテンシャル水温
塩分
渦位
溶存酸素
硝酸リン
シリカ

Johnson(2008)
海水の性質から２つの深層水の割合を同定

北大西洋深層水の割合

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

南極底層水の割合

3大底層水生成域に加え東南極にも底層水の生成域があるのでは？

Weddell?

Amery

底層水生成域
RossAdelie

底層のフロン(CFC-11)濃度(Orsi et al., 1999)

Slide provided by S. Rintoul• Jacobs and Georgi(1977)• Middleton and Humphries(1989)• Mantisi et al. (1991)• Golovin et al. (2011)

No.2
昭和基地

Cape Darnley
ケープダンレー

海氷生産量のマッピング(1992-2001)
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

Ross Sea

No. side
1 of Prydz Bay
The Darnley polynya on the west
is another potential source of dense water thatis just beginning to be explored.
from Descriptive Physical Oceanography (Talley)

Mertz
メルツ

No. 3

ダンレープロジェクト: 白鳳・海鷹 → 日本南極観測のテーマ
係留観測: 2008年2月 — 2009年1月
水温・塩分・採水観測 : 2009年1月
Line III
白鳳丸と海鷹丸による観測

WildCanyon

Line ILine II

M4

M1
M2

M3

M1-M4: 係留点

ケープダンレーポリニヤ
高海氷生産海域（衛星より） ( >5m/年)

ケープダンレー沖：日本のIPYの集中観測海域

高酸素水

低温水
南極底層水

酸素

水温

係留系で捉えた，南極底層水の流出 (峡谷での1年間の時系列)

水温
水深2650m

青が海底より約20m，赤が海底より約225m

降下流

海氷生産量
・冷たい重い水の到来に同期して降下流
・流れは底近くほど強い
・全底層水の約10%がここから潜り込む
Ohshima et al. (2013)M3Potem. temp. 水温降下流

太線: 海底から20m, 細線: 海底から224m
シェード線： 降下流が0.3 m/s 以上

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？
底層水生成の際の特徴： 地球流体力学の興味深いテーマ

係留点

M3

圧倒的に塩分が高い

Cape Darnley

Amery Ice Shelf

アザラシデータによる海の底層での塩分
Ohshima, Fukamachi, Williams et al. (Nature Geoscience., 2013)

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？

西向きの南極沿岸流
新生氷からなるストリーク構造100km
卓越する沖出し風

座礁氷山舌

合成開口レーダ (JAXAの PALSAR)

氷山舌によるフィルター効果

ケープダンレー沖で南極底層水が形成される模式図
Ohshima et al. (2013)

Cape Darnley
Bottom Water
南極大陸から張り出す氷山舌の下流に，多量に海氷が生産される海域（沿岸ポリニヤ）が作られる。
この高海氷生産によって重い水が作られ，その重い水が海の峡谷に沿って沈み込み，周りの水と混合しながら南極底層水となって，南極海さらには全世界の海洋深層に拡がっていく。

Nihashi & Ohshima(in preparation)

第4の南極底層水生成域
全南極の約10%
No. 2
Cape Darnley
定着氷下流にさらなる底層水の生成域？

底層水生成域
定着氷と海氷生産量のマッピング
by AMSR-E (6.25 km)
No. 6
Vincennes
Kitade et al.,2104

No. 1
No. 5
Nihashi & Ohshima, revised

No. 3 Mertz

2003-2009 ( 3-10月)

メルツポリニヤ
メルツ氷河の崩壊↓
ポリニヤ域の減少↓
海氷生産 減少(Tamura et al.,2012)↓底層水 減少 (Aoki et al, 2013)

Ice production (km3)2011 ( 3-9月)

Nihashi &Ohshima,revised

海氷生産は40%減
3-10月生産量3位から5位へ

3-8月
メルツ氷河崩壊アデリーランド底層水

水温

低塩化の原因・棚氷の融解加速・降水（雪）－蒸発の増大
・ポリニヤでの海氷生産減
2012
崩壊後

2000s 1990s

2010 メルツ崩壊

低塩化崩壊前塩分

Aoki et al., 20131970

南極大陸は氷の大陸：
地球上の氷の約90％は南極氷床

南極の氷床融解「限界点、越えてしまった」
南極の氷が全部溶けたら…
地球全体の海面が約７０メートル上昇

ＮＡＳＡ
2014.5.13

南極大陸の一部で、温暖化する海の影響により氷床の融解に歯止めがきかなくなり、将来の大幅な海面上昇が避けられそうにないとする研究結果を米航空宇宙局（ＮＡＳＡ）などの研究チームが１２日、発表した。
ＮＡＳＡの研究者は「南極の氷が将来崩壊せずにすむ限界点を越えてしまった」と警告。ＩＰＣＣが昨年、世界の平均海面が今世紀末に最大８２センチ上昇するとの報告書をまとめたが「上方修正が必要」と指摘している。

・Antarctic ice-sheet loss driven by basal melting of ice shelves, Pritchard, 2012, Nature.
・Twenty-first-century warming of a large Antarctic ice-shelf cavity bya redirected coastal current
Hellmer, 2012, Nature.
・Oceans melt Antarctica's ice from below free ,Tollefson, 2013, Nature.
・Ice-Shelf Melting Around Antarctica, Rignot, 2013, Science.
・Rapid sea-level rise along the Antarctic margins in response to increased glacial discharge.
Rye, 2014, Nature Geoscience.

氷床の速度などから推定(衛星ALOS等による)重力の変化から推定From GRACE

融解融解(Rignot et al. 2008)(Chen et al., 2008)

4000m以下の熱量変化 (2000s-1990s)

南極底層水の割合大の海域ほど昇温化

Purkey & Johnson(2010)

南極底層水の昇温化・低塩化・低密度化→ 底層水生成の減少 ?

Purkey and Johnson(2012)→ 海洋熱塩循環の弱化 ??
→ 全球の気候のダイナミックな変化 ???

クロスラミネート構造の堆積↓
密度流の存在の証↓底層水の形成

NielsenBasin

海底コアによる底層水形成の 遍歴
千年スケールでのケープダンレー底層水形成のオンオフ
Harris et al. (2000)

海氷生産量の全球マッピング(by AMSR)

Nihashi &Ohshima,
submitted to JC

Iwamoto, Ohshima,& Tamura (2014)

南極海:
高海氷生産
南極海→底層水生成
海氷の動き発散（外向）北極海:
低海氷生産ポリニヤ活動
大ｵﾎｰﾂｸ海:
北半球で最大高海氷生産28

ポリニヤでの年間海氷生産量（海氷厚さに換算 m/年）

南極海

北極海

オホーツク海29

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

水温

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・酸素な同じ密度の面
どの分布を見ると、海水の起源
Itoh et al. (2003)
中野渡氏作成27.0σθ
や流動の様子がわかる
酸素

Levitus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・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
・年間累積海氷生産量として厚さに換算

フロンの断面図
高密度陸棚水の形成→中層水へ
オホーツク海
高海氷生産

北太平洋

Yamamoto et al. (2004)

オホーツク海は北太平洋の心臓である！

オホーツク海のポリニヤにおける海氷生産量の長期変動
Kashiwase et al. 2014

(105m3)マイクロ波放射計より大気データからの推定
この35年で海氷生産量は約12%減少
トレンド
高密度水のパス26.9 σθOhshima
et al. 2014

中層水の50年昇温トレンド
水温27.0σθ面：300-500m

Nakanowatari et al.(2007)

風上気温:+2.0°/50年
海氷面積： -20% /30年

オホーツク海の海氷面積

オホーツク海の中層水の50年間の変化
重い水の潜り込みは減っている！

オホーツク風上の気温偏差

溶存酸素

オホーツク海からの鉄の輸送
高海氷生産

109.5
98.5
87.5
76.5
65.554.5
43.5
32.5
21.5
10.50500
1000
1500

オホーツク海0200

400600800 1000 1200 1400

Distances (km)潮流&ブラインポンプ
Nakatsuka,
Nakatsuka,
etetal.al.
(2004)(2004)Iron
鉄

オホーツク － 東経155線での鉄の断面図
44Dissolved Fe

4240

37.5

3532.5

30

2520

15

11.5

5.55
4.5

1000
120゜E
60゜N

130゜E

140゜E

150゜E

160゜E

170゜E

180゜

42000

3.5120゜E
60゜N

50゜N

KNOT
BussolStrait

3000

40゜N

30゜N

4000

20゜N

5000

10゜N

オホーツク海0゜゜

0500

1000

Bussol strait
Bussolstrait

Depth (m)Depth (m)

01500

140゜E

150゜E

160゜E

170゜E180゜

32.5

ｵﾎｰﾂｸ

250゜N

KNOT
StraitBussolWestern North Pacific1.540゜N

2000

2500

3000

Distance (km)Nishioka et al., 2013

130゜E

3500

30゜N
4000

14500

5000

5500

0.5
020゜N

10゜N

゜
0゜

巨大魚付林：アムールオホーツクシステム

アムール川

鉄 海氷生成による重い水生成
中層への潜り込み

鉄鉄 生物生産に不可欠

温暖化

西部北太平洋の高い生物生産を支えている
Nishioka et al.(2007)

海氷生産量減少中層循環の弱化
生物生産への影響?
Nakanowatari et al.(2007)

中層鉄仮説

Website: http://wwwod.lowtem.hokudai.ac.jp/polar-seaflux/
ice海氷生産量
production
Southern Ocean
利用可能
南大洋 SSM/I
AMSR
2015
Arctic Ocean
利用可能
北極海 SSM/I
AMSR
2014
Sea ofOkhotsk SSM/I
2014
オホーツク海AMSR
利用可能

heat/saltflux
熱塩フラックス
利用可能
2015
2016
2016
2015
利用可能

海氷生産量データセット→ 海氷・海洋結合モデルの検証データ
南大洋
Kusahara et al.(2010a, 2010b, 2011), Williams et al.(2010, 2011)
Cougnon et al. (2013), Graham, et al. (2013)
北極海オホーツク海Kawaguchi et al.(2011)
Nakanowatari et al. (in press)

海氷域での熱塩フラックスデータセット→ 様々なモデルの境界条件
南大洋
Galton-Fenzi et al. (2012), Urakawa & Hasumi (2012), Nakayama et al. (2014)

ご清聴有難うございました