博 士（ 地 球環 境科 学）西濱 洋介

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ngand adjoint methods（ ナッ ジ ング 法 と随 伴 方程 式 法を 用い た 準地 衡 流モ デ ルへ のTOPEX/POSEIDON高 度 計 デ ー タ の 同 化 に よ る 黒 潮 続 流 域 の 変 動 現 象 解 明 ）学位 論文内容の要旨
要旨
黒潮続流域にはメソスケール現象（中規模渦や蛇行など）と大スケール現象（拡張状態と収縮 状態およ びその間の 遷移）が あり、こ れらはそ れぞれ先 行研究において衛星高度計デー タなどを 用いて研究 されてい る。本研 究で用い たTOPEX/POSEIDON(T/P)
データによると 南方再循 環流は1993年か ら1995年には 拡張状態 、1996年から1997年には収縮状態を 示し ており、 収縮状態 期では再 循環流に 3つの明確 な低気圧 性渦が存在 した。衛 星高度計デ ータは表 層のみの情 報をあた えるもの であり、 海洋内部 の情報を直接得ることはできな い。また 完全なモデ ルを用い るとして も海洋メ ソスケー ル現象の場合、個々の表層 の渦 /蛇行現象 に影響を 与える下 層の完全 な初期場 を得るこ とは不可能 であるた め、表層の 情報を含 む観測デー タをモデ ルに取り 込み下層 場の情報 を得ることができるデー
夕同化 が有効で ある。
本 研 究では2層お よび3層準 地衡流モ デルヘの T/Pデータの ナッジン グ法と随伴 法を用いた同 化によっ て、黒潮続 流域にお けるヌソ スケール 現象と大 スケール変動現象について調べ た。一般 に随伴解は モデルと データの 差を最小 化する方 法であルナッジング解よりも連 続的であ り物理的に 整合性が 高い。ま ずナッジ ング解を 求めたところ、10日ごとの同化 によるモ デル解の修 正幅から みてほぽ 妥当と推 定される 場が形成された。しかし
ナッジ ング解で は（1）上流 側において渦同士の相互作用による西向き移動速度が大きくなる、 （2）表層にできた渦が下層に順圧成分を引き起こし、その順圧性渦がShatskyRiseの 周 辺を海底地 形勾配に そって時 計回りに 回転する ことによ って、同化 の修正幅 が大きくな る欠点が あることが わかった 。随伴法 を用いる とこれら の問題を解消してナッジング解 よりも連 続的な解を 得た。
ま た 同化 解 の 解析 に つ いて は 、表 層と下層 の位相の ずれによ って傾圧不 安定イン デッ クスを定 義し、メ ソスケー ル変動の原 因と考え られる傾 圧不安定 について調べたとこ
ろ 、ShatskyRise西側の 黒潮流速 の大きい 領域におい て傾圧不 安定が顕 著であった。また その領域 における 傾圧不安 定インデッ クスの時 間変化を 調べると 1993年から1996年まで はナッジ ング、随 伴解はと もに減少し ており、 傾圧不安 定による 平均場から擾乱場への エネルギ ー輸送に よって下 流に渦が形 成された ことを示 唆してい ており、この期間では ナッジン グ法が信 頼できる ことがわか った。し かし1996年か ら1997年後半にかけては
ま ったくナ ッジング 解と随伴 解が逆の変 化、すな わち随伴 解では1996年 から1997年前半に かけて急 速に減少 し、1997年前 半から後半 にかけて 急速に増 加した。 1996年から1997年 前半にか けての変 化は平均 場から渦場 にエネル ギーを供 給する傾 圧不安定がなくなった 結果とし て渦活動 が減衰し 平均場が強 められた ものと解 釈できる 。また1997年前半から 後半にか けては強 化された 平均場が傾 圧不安定 を引き起 こしたも のと解釈できる。この 短い期間 中においてはナッジング法の結果がカ学的解析に適していないと判断できる。
す なわち黒 潮続流域 における 大スケール 変動とメ ソスケー ル変動が 傾圧不安定によって互 いに関連 している ことが示 唆された。 また同化 解の解析 において は各層における緯度平 均からの ずれと緯 度平均場 の運動工ネ ルギー、 各層間の ポテンシ ャルエネルギーおよび それらの 間のエネ ルギー輸 送計算をあ わせて行 った。

学位論文 審査の要旨
主査

教授

池田元美

副査教授久保川副査

教授

三寺史夫

副査

助教

水田元太

副査

教授

淡路敏之（京都大学大学院理学厚研究科）

学 ti論文題名
Analyses of Kuroshio Extens
ion variabili
ty exploredthrough assimilation of TOPEX/POSEIDON altimeter
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th nudgi
ngand adjoint methods（ ナッ ジ ン グ 法 と 随 伴方 程 式 法を 用いた 準地 衡流モ デル へのTOPEX/POSEIDON高度 計デ ータ の同 化によ る黒潮続流域の変動現象解明）

海洋には気象の総観規模現象とよく似た中規模現象があるが，気象の再解析デー
タと異なり，海洋にはそれを記述するものがほとんど存在しない。その第一の理由はデータが決定的に少ないことである。もし海洋の再解析データを作ることが可能にな
れぼ現実に起きつっある海洋中規模現象をカ学的に記述し，海の天気予報とも言える予報業務を展開することも夢ではない。しかし，海洋のデー夕，特に亜表層以深のデータが少ない状況においては，いわゆるnudging法でデータを内挿・外挿すること・は 難 し く ， ど う して も よ り 高 度 な 手 法を 用 い る こ と が 求め ら れ る 。
中規模現象の活発な海域である黒潮続流域には，中規模現象（中規模渦や黒潮蛇行など）と大規模場（黒潮南方再循環の拡張状態と収縮状態およびその間の遷移に代表される）がある。これらは初期の先行研究においては観測船や係留による観測，近年は衛 星デ ータ など を用い て研 究されてきた。本研究で用いたTOPEX/POSEIDON(T/P)データによると，南方再循環は1993年から1995年には拡張状態，1996年から1997年には収縮状態を示しており，収縮状態期ではShatsky Riseと呼ばれる海底地形 付 近 で ， 黒 潮 続 流 が 2つ 流 れ に 分 岐 し て い る こ と が わ か っ た 。
衛星高度計デ二夕は表層のカ学場を与えるものであり，主温度躍層以深（中層と下層）の情報を直接得ることはできない。また完全なモデルを用いるとしても，完全な初期条 件はない ので，中規 模現象で ある個別 の渦や蛇 行の構造 ，さらに 中層・下層まで現実 の場を再 現することは不可能である。そこで衛星データをモデルに取り込み，中下 層 場を 再 構 築す る デ ー夕 同 化を 試 み た。 デ ー夕同化 手法とし て2層およ び3層準地衡 流 モ， デ ル ヘの T/Pデータ のnudgmg法とadjomt法 を用い，そ こで得ら れた黒潮 続
流域 に おけ る 中 規模 現 象 と大 規 模場 の カ 学に つ いて調べ た。まず nudgmg解を求め た
ところ， 10日ごとの 同化による モデル解 の修正幅 から見て ，ほとん どの期間で妥当な場が形成 された。 しかしモデ ル領域の 上流側に おいて， 渦同士の 相互作用 による西向き移動速 度が大き くなる場合 に，同化 の修正幅 が大きく なる欠点 があるこ とがわかった。
一般的に ，adj0む1t法を 用いると， モデルと データの 差を最小 化し，さ らに時間方向にも連 続な解を 求めること が可能で ある。本 研究で開 発した方 法は次の とおりである。まず 数年に渡 る長期間の データを 10日ずっず らした30日 長の期間 に分割し，それぞれの30日 期間につしゝて，初期条件を制御変数として解を最適化する。さらに10日差で隣り合 う同化期 間の間で， 解の連続 性を上げ るための 繰り返し 計算を行 った。この方法 を 用い る こ とに よ っ て， nudgmg解 よ り も連 続であ り物理的 に整合性 が高い解 を得た 。 海洋 デ ー 夕同 化手法 としては 最も有望で あるadj血lt法 を開発し ，中規模 現象の代表で ある黒潮 続流域に応 用するこ とによっ て，使用 可能なレ ベルにま で到達したことは高 く評価さ れる。
さ ら にデ ー 夕同 化 解 のカ 学 解析 を 行 って ， 従来 の知見と 比較・検 討した。 個別の渦を追跡 すること

大規模場 と中規模 現象の間 のエネル ギー変換 ，さらに 傾圧不安定の指標と なる表層 と下層間の 渦位相の ずれを調 べた。そ の結果， 黒潮が日 本を離岸した直 後 より も ， ShatskyRise周 辺 の領 域 に おい て 傾圧 不 安 定が 顕 著 であ っ た。 また黒潮南方 再循環の ような大規 模場の変 化に伴っ て，黒潮 続流が長 いほど傾 圧不安定が強く，大 規模場が 中規模現象 の活動度 を決めて いること を見出し た。ただ し中規模場からのフ イードバ ックとして は，傾圧 不安定に よって黒 潮続流が 弱められ る傾向にある。これ は既存の 知見を現実 の海洋場 で確認し たことで あり，堅 実な成果 として評価できる。
以 上 によ り ，申 請 者 は， 中 規模 現 象 が活 発 な黒 潮続流域 のカ学解 明と海洋 予報技術の向上 に新たな 手段を提起 したもの であり， 海洋物理 学とその 発展であ る海洋デー
夕同化研 究にっい て貢献する ところ大 なるもの がある。
よ っ て， 申 請者 は 博 士（ 地 球環 境 科 学） の 学位 を受ける のに充分 な資格を 有するものと判 定した。