本日の内容• 今回と次回とで，エルニーニョのメカニズムを，大気海洋の相互作用の結果生じるフィードバックの観点から学ぶ．
• エルニーニョのメカニズムでは３か月程度までの短期間に生じるフィードバックと，数年の長期間で生じるフィードバックが重要であり，今回は前者について扱う．
• これらのフィードバックがエルニーニョを非常に強力な気候変動現象とするとともに，その予測を可能とさせている．

8. エル・ニーニョの（短時間）フィードバック
見延 庄士郎（海洋気候物理学研究室）

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なぜエルニーニョは変動が大きいのか？
• この問題を考えるのに，まずなぜ気候は，ある状態に維持されている のか？
つまり変動を ，小さくしよう とするのか

準備：フィードバックと平衡状態• を議論しよう．

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平衡状態

負のフィードバック，正のフィードバック• フィードバックとは，結果（出力）が原因（入力）に影響することをいう．
• 結果が原因を強めるように働くのを，正のフィードバック，• 結果が原因を弱めるように働くのを，負のフィードバックという．
正のフィードバック

負のフィードバック

正のフィードバック負のフィードバック

どちらも変位がゼロなら，静止（平衡）状態のままでいることができる．

重力

重力平衡状態とは，システムに外からまたは内部で働く力や作用が 釣り合い，その結果，システムの特徴が時間的に変化しない 状態である．

• du/dt+bu=0で，b>0なら 負のフィードバック，b<0なら正 のフィードバックである．（ちょっと引っかけです）

平衡状態の安定・不安定について考えると，正のフィードバックの平衡状態は一般に 不安定 で，負のフィードバックの平衡状態は一般に 安定 である．
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正のフィードバックと複数平衡状態

6負のフィードバックと振動• 正のフィードバックは，それだけだと，変動がどんどん成長してやがては 無限大 になってしまう．したがって，– 微小振幅 では 正 のフィードバック，– 大振幅 では 負のフィードバックという組み合わせ，• であることが必要．
• この場合，二つ（以上の）平衡状態 が生じる．
• この場合の振動現象は，このフォードバック以外の力や作用が働いて，平衡点の間を遷移 することが一般的．

• 負のフィードバックは，それだけでは振幅ゼロに落ち着いて，それ以降は変化しなくなる．
• しかし，現実には，システムに内在する ランダムな運動や，外力が働いて変動することが一般的である．
• この時，負のフィードバックが大きいなら，振動の振幅は 小さ く，負のフィードバックが小さいなら，振動の振幅は 大き くなる．

重力平衡状態である平衡点に印を付けてください．(1分)79平均降水量とSST
熱帯太平洋に働く
大気海洋間のフィードバック:
通常の状態

熱帯海洋の中で，最も熱いのは，熱帯 太平 洋．

平均表面温度最も東西の温度勾配が大きいのは，熱帯 太平 洋．

エルニーニョは熱帯太平洋で生じ，熱帯大西洋やインド洋にはこれほど大きな変動はない．何が熱帯太平洋を特別にしているのかを，フィードバックの観点から調べよう．
強い降水＝熱放出
平均降水量10

熱帯太平洋の平均的な状態

暖水プール

冷舌

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水温の東西鉛直断面m/s∗ １６度～２２度くらいの等温線が密であり，そこでは鉛直方向に急に水温が変化している．これを 水温躍層 という．
∗ 水温躍層は，西で深く東で浅い．これは西向きに吹く 貿易 風によって，軽い暖水が西側に押しつけられている ためである．

特徴：西で暖かく，東で冷たい表面水温．
⇒西部赤道太平洋で活発な降水活動と 大気 加熱．
⇒そこに生じる（上昇or下降 気流）⇒太平洋上からそこに吹き込む西向きの風（ 貿易 風）1213

赤道域でのエクマン流

第５回スライド
再掲

通常の状態• 太平洋の赤道域では，東風（西向きの風）である，貿易風が卓越している．この場合のエクマン流（）を描きこもう．風応力をで示している．
北赤道

東• またエクマン流の収束・発散を補うように，鉛直流が生じる．湧昇流ならで，沈降流ならで描きこもう．
• またエクマン流の収束・発散を補うように，湧昇 流が生じる．これを 赤道湧昇 といい，それによる栄養分輸送が赤道域での高い生物生産を支えている．
14• エルニーニョに関して，最も有名な模式図．
NOAA, PMEL

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赤道大気・海洋のフィードバック
通常

西部の暖水プールと東部の冷舌

西部での積雲対流

ビヤークネス・フィードバック
がエル・ニーニョに果たす役割
西向きの風

このフィードバックを，ビヤークネス･フィードバック と呼ぶ．

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Nino3.4との相関係数
Nino34と2m気温との相関係数

第５回スライド再掲

第一回の図再掲

エクマン流はエルニーニョにも重要

Nino34と降水との相関係数

1997/98年エルニーニョ

Sea-Surface Temperature
海洋表面水温

1998/99年ラニーニャ

Sea-Surface Temperature Anomaly
海洋表面水温偏差

Nino34と10m東向き風速との相関係数
Nino34と赤道直下での水温との（同時）相関係数

赤道に沿って温度変化が大きいのは，エクマン流がもたらす 赤道湧昇 の変化による
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表面水温

第１回スライド再掲
1998年1月 (エル・ニーニョ）

97年１月

降水量と風

1997/98
エルニーニョの水温躍層

2000年1月 (ラ・ニーニャ）

97年11月見延 (2008, 地球と生命の進化学）

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98年3月

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エルニーニョとラニーニャ

赤道大気・海洋のフィードバック
通常

西部の暖水プールと東部の冷舌

エルニーニョ
エルニーニョ

通常

西部での積雲対流

西向きの風

Q．エルニーニョでは，ビヤークネス・フィードバックによる関係が強まるか弱まるかを答えよ．
A. 弱まる

ラニーニャ（ｴﾙﾆｰﾆｮの反対）

ビヤークネス・フィードバックが二つの状態，つまり エルニーニョ とその逆の ラニーニャ をもたらす
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モデル化で扱う変数
ビヤークネス・フィードバッ
クを式で表してみよう：赤道太平洋で東西平均した東向き風応力西表面

hW ：赤道西太平洋での水温躍層深度

ΤΕ：赤道東太平洋での表面水温

東hE ：赤道東太平洋での水温躍層深度

深い

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ビヤークネス・フィードバック

比例係数を一つ求めてみよう

以下でa, b, c, r は比例係数（定数）である．

• 東太平洋の海面水温が上昇すると，太平洋上では西風偏差になる．（前回の大気応答）• 西風偏差は，温度躍層の勾配を変える．
• 躍層深度の東西平均は変わらないとする．
• 東太平洋の躍層が深くなると，水温が上昇しようとする（hEがdTE/dtに影響する）一方，温度偏差を減衰させる効果も考える．
• Q. (1)-(4)からTEのみの式(1変数1式)を導き，フィードバックが正負いずれであるかを述べよ．

τ x = aTE

(1)hE − hw = bτ x(2)hE + hw = 0(3)Q．風応力がある場合の運動方程式(2.5a)を，1.5層モデルについて書くと下のように書ける．

ut − fv = − g ' hx + τ x / ( ρ0 H )dTE / dt = chE − rTE (4)hE = bτ x / 2(2)(3)から(1)を代入して= abTE / 2

これを(4)に代入して，5分，正解は式で数行で導けるが，試行錯誤を入れるとその２・３倍は式をEE書く必要があるだろう abc
dT / dt = − r T
 2

フィードバックが正になるのは，abc/2>r ，大小関係が逆なら負26(2.5a ')

赤道における準定常を仮定して時間変化項を無視し，太平洋の東西幅(L)で風応力と躍層の東西勾配は一定として，一x
つ前のスライドの(2)式， hE − hw = b τ ，の比例係数bを求めよ．風応力は赤道上で一様とする．
A. 準定常で時間微分はゼロ，また赤道では f がゼロなので，左辺はゼロ．上式の微分を太平洋で評価すると
h −hτxg' E W =正解は式で３行で導けるL
ρ0 H
整理してが，試行錯誤を入れるとL
その２・３倍は式を書く必L τxhE − hW =∴ b = 要があるだろう
g ' ρ0 H
ρ g 'H027

地球温暖化に伴うフィードバックの変化

フィードバックで考えるエルニーニョ• ビヤークネス・フィードバック自体は 正 のフィードバック．
• しかし，一般に気候システムでは気候状態を維持しようとする負のフィードバックが卓越する．よって正味のフィードバックは，正のビヤークネス・フィードバック＋他の負のフィードバックで，これが正になるか負になるかは未解決．
• 全体として正のフィードバックなら，エルニーニョとラニーニャは二つの 平衡 状態としての性質を持つ．
• 全体として負のフィードバックなら，ビヤークネス・フィードバックが負のフィードバックを 弱 めるために，エルニーニョの振幅は大きいものとなる．

28• 温暖化によって 冷舌 が周辺よりも暖まり，水温変動が降水変動をもたらす効果が大きくなり，ビヤークネスフィードバックが 強くなって，巨大エルニーニョが生じやすくなる．
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第８回のまとめ次の疑問：なぜエル・ニーニョは数年毎に発生するのか？

• フィードバックとは，結果（出力) が 原因（入力）に影響することをいう．
• 結果が原因を強めるように働くのを，正 のフィードバックという．
• 微小振幅で正のフィードバックが働く場合は，大 振幅
では 負 のフィードバックが働き，二つ以上の 平衡 状態が生じ得る．
• 一定の外力でも，負のフィードバックが 弱 いと，大きい振幅が生じる．
• 熱帯太平洋は，西部の暖かい表面海水の 暖水プール とそこでの強い降水・大気加熱，東部の冷たい表面水温の冷舌 ，そして東から西へ吹き込む 貿易風 で特徴付けられる．
• 上記の特徴が強め合うフィードバックを，ビヤークネス･フィードバックという．

• フィードバック・ループ：– 積雲対流⇒西向き風⇒西部の暖水プールと東部の冷舌• このフィードバック・ループだけなら，行ったきりになりそうだ（ 正 のフィードバックの場合）．
• ビヤークネス・フィードバックに要する時間は３ヶ月程度であり，これだけでは数年に一度エルニーニョが発生することは説明できない．
• 海洋中に保存される情報が数年毎の発生に役立っているに違いない⇒次回）．
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第８回のまとめ

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2/2• ビヤークネス・フィードバックは，正のフィードバックである．
• ビヤークネス・フィードバックを構成する，因果関係の連鎖は，エル・ニーニョでは 弱まり，一方ラ・ニーニャでは 強ま る．
• 地球温暖化によって，エルニーニョで大きな水温偏差が生じる冷舌が周囲よりも急速に 温暖化するために，巨大 エルニーニョが生じる頻度が ２ 倍に増加することが懸念されている．

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