博士（理学）伊藤進一
学´位論文題名Interdecadal self− sustained oscillations
1nOCeanthern10halineClrCulation．
（海洋熱塩循環における数十年周期の自励振動）
学 位 論 文 内 容 の 要旨

近年 、大気や 海洋の長 期間に渡 るデータが 得られる ようにな り、大気 海洋系に 数十年と いう長い 時間スケ ールをも った変動が あること が発見さ れ、注目 されてい る。これら の変動を 引き起こ す原因の ひとっとし て、高緯 度で生じ る海洋の 自励振動 が考えら れ て い る 。 こ の 自 励 振 動 は 、 海 表 面 に お け る 熱 塩 の 境 界 条 件 を m奴 cdboundaヴcondmo僞 と 呼ば れ る方 法 で 与え た とき に 、 海洋 大 循 環モ デ ルを用 いた数値 実験において 見出され ることが わかって いる。しか レ、これ らの振動 は非常に 複雑な構 造を伴って おり、そ のメカニ ズムは明 らかにされ ていない 。また、 各々のモ デルによ って、振動 の形態も 違ってお り、統一 的な解釈が できるの かどうか も定かで はなく、 さらには、 何 故 m故 cdboundaづ conditio懲のと きにだけ 起こるのか も明らか にはされ ていない。 一方、長 期にわた って得ら れる海洋デ ータは海 表面温度 だけなの で、複雑 な構造を持 った自励 振動が、 現実に存 在するかど うかも明 らかにさ れていな い。そこ で本研
究で は、海洋 自励振動 のメカニ ズムを明確 にするこ と、そし て海洋自 励振動が 現実の海洋 に存在で きるかど うかを明 らかにする ことを目 的とし、 理論解析 、数値実 験、デー夕解析と幅広い方向から海洋自励振動を考察した。
まず、二 種類の簡 単な解析 モデルを用いて、自励振動が起こる必要十分条件を求め、その 条件が海 表面での 熱塩の境 界条件にど のように 依存する かを調べ た。用い た解析モデ ルのーっ は、上層 と下層を 表すニつの 箱で構成 される鉛 直一次元 モデルで あり、亜寒 帯を代表 するもの である。 もうーつの モデルは 、前述の モデルの 上層の側 方に亜熱帯 上層を代 表するも うーつの 箱を加え、 子午面循 環の効果 を取り入 れたモデ ルである。これらの解析モデルを、restoriコng，m
故cd，餓cbou
ndaづConditionsという三つの境界条 件のもと で解析し た。rest而ngboundaづ conditio恥のもとで は、温度 ，塩分の 両―194―方 の海 表面 フラ ック スが 、海 表面 での 値と 境界 条件として与えた平衡値との差に比例し た形 で与 えら れる 。従 って 、温 度， 塩分 の両 方に平衡値へ引き戻そうとする負のフイードバックが働くことになる。この負のフィードバックは温度に関しては、海表面温 度が 大気 の温 度に 馴染 むと いう 現象 を考 えれ ば理解できるし、理論的な裏付けもある 。し かレ なが ら、 塩分 につ いて はそ れを 支持 する理論がないばかりでなく、非現実的 なメ カニ ズム が働 くこ とが 考え られ る。 例え ば、海表面塩分が平衡塩分より高くなる と、 負の フィ ード バッ クが 働き 、降 水が 強制 的に引き起こされ、塩分が低くなる。
こ のよ うに 非現 実的 な機 構が 働く こと を避 ける ーつの方法として、海表面で降水と蒸発の差を直接与える境界条件が使われるようになった。これがmixed boundary condi―tionsである。mixed boundarycon
ditionsは、rest
oringboundarycon
ditionsに比べれば、現 実の 大気 海洋 系に よく 対応 して いる が、 欠点 もある。例えば、海表面温度が大気の温 度よ りも 高く なり 海洋 が大 気に 熱を 放出 した ときには、大気の温度も上がるはずであ り、 平衡 温度 が一 定であるmixed boundary conditionsの場合よりも温度にかかるフイ ード バッ クが 弱い はず であ る。 フィ ード バッ クが弱い極端な場合として、海表面の熱 フラ ック ス自 体を 与え るfree boundary conditionsを考えた。現実の大気海洋系はmixed boundary conditionsとfree boundary conditionsの間にあり、しかもmixedboun−
dary conditionsに 近い状態であると考えられる。従って、このニつの境界条件のもとで の自 励振 動の 振る 舞い を調 べる こと によ って 、現実の大気海洋系で自励振動が存在可 能で ある かど うか 推測 でき る。 解析 の結 果、 どの境界条件のもとでも、ある条件を満たせば自励振動が存在可能であることが示された。restorin
g boun（laヴconditio
nsのときには、海表面での熱と塩の交換係数が違うことが必要条件となることがわかった。
従 って 、r鵠t面 ngboundaびConditionsを用 いた 数値実験で自励振動が起きないのは、
境 界条 件そ のも のが 原因 では なく 、熱 と塩 の交 換係数を同じにとっているためである
可 能性 が示 され た。 I血【edboundaづConditionsのときには、鉛直一次元モデルでは、蒸 発過 剰の とき だけ 振動 可能 であ り、 降水 過剰 のときに振動するには、もう一方の解析 モデ ルで 取り 入れ た亜 熱帯 の効 果が 必要 であ ること が示 され た。 また 、蝕 cboun―daづconditionsのと きに は、 自励 振動 が存 在可 能であるが、そのための必要十分条件は かな り厳 しい こと が示 され た。 現実 の大 気海 洋系は 、m故cdboundaづ 00nditionsと血 eboundaづ conditonsの 間にあ り、 しか も前 者に より 近い 状態 にあ るの で、 これ らの 理論 的解 析の 結果 から 、海 洋自 励振 動は 自然 界に存在する可能性が十分にあることが示された。

次に、大 循環モデ ルを用い た数値実 験を行い、 mixedbou
ndaryconditionsのもとで周期 28年と い う海 洋 自 励振 動 を 得た 。 この 自 励 振動 は 、亜 寒帯 にその中 心を持ち 、成層が 卓越する 状態と鉛 直対流混 合が卓越す る状態が 繰り返し 現れるこ とによっ て起きてい た。この 振動の三 次元的な 解析および 種々の数 値実験に よって、 東岸で維 持されてい る鉛直対 流、非常 に強い塩 分フロント 、亜熱帯 との熱塩 交換、海 表面での 熱と塩の交換 係数の違 い(mixedboundaryconditions)、亜寒 帯循環という五つの要素が自励振動に とって重 要である ことが示 された。
次に、 大循環モ デルで現 れた自励 振動を解析 モデルに よって導 かれた理 論で説明 できるか どうか検 討した。 まず、大 循環モデル の環境条 件は、子 午面循環 の効果を 取り入れた解 析モデル から導か れた自励振動条件を満たしていた。その環境条件を用いて、解析 モ デ ルで 振 動を 再 現 し、 大 循環 モ デ ルの 振 動 と比 較 レた 結果、温 度一塩分 平面上での 振動の軌 跡が似て いること が示された 。これら の結果か ら、大循 環モデル に現れた自 励振動は 、簡単な 解析モデ ルで基本的 に説明で きること が示され 、自励振 動が起こる ためには 亜熱帯と 亜寒帯の 熱塩交換が 重要であ ることが 明らかに された。 亜熱帯と亜 寒帯の熱 塩交換が 自励振動 に取って必 要である という結 果は、数 値実験に よる
casestudyの結果と も一致し ていた。
このよ うに高緯 度で成層 と鉛直対 流を繰り返 す自励振 動に対応 するよう な現象と して、ラ ブラドル 深層水の 形成量の 変動をあげ 、他の研 究者らの 解析結果 をもとに 検討した 。 ま た、 ア ラス カ 湾 にあ る St.Pとい う 観 測点 の デー タ を用い て、デ一 夕解析を行い、 自励振動 が現実の 海洋に存 在するかど うか検討 した。そ の結果、 密度の鉛 直構
造の時 間変動に 対する主 成分分析 によって、 十年より 長い時間 スケール を持った 変動を表す モードが 得られた 。このモ ードは、亜 表層で成 層が強く なったり 、弱くな ったりをする変動 を表しており 、自励振動に 対応している 可能性が示された。
現在ま でに得ら れている 観測デー タだけから では、海 洋の自励 振動の存 在の是非 を明らか にするこ とはでき ないが、 本研究の結 果から、 数十年の 周期を持 つ海洋自 身が引き起 こす自励 振動が、 現実の海 洋にも存在 する可能 性が十分 にあるこ とが示唆 される。

学 位 論文 審 査 の 要旨
主査
副査
副査
副査

教授

竹内謙介

教授

若土正暁教授久保川助教授日比谷厚紀之

学 位 論 文 題 名Interdecadal Self‑Sustained Oscillationsin Ocean Thermohaline Circulation.
（海洋熱塩循環における数十年周期の自励振動）

海洋は風応カとともに、熱や塩分の海面からの入出によって駆動されている。前者
はかなり理解が進んでいるのに対し、密度による駆動についてはまだ多くの課題が残り、特に、熱と塩分の違いによって起きる現象については、解明されているものは非常に少ない。この問題に関して、近年話題になっているのが数十年スケールの海洋自励振動である。本研究はこの自励振動のメカニズム、条件を明らかにすることを目的としている。
海洋数値モデルの海面での境界条件として、モデルの海面水温、塩分の値が実測値に近づく様な負帰還として表現される事が多い。しかし、熱の入カに対しては負帰還が働くが、塩分に関しては海面塩分が増加しても降水が増加するような事はなく負帰還は働かない。塩分に関して負帰還型の境界条件を用いることは物理過程を歪めている可能性がある。その為、熱には負帰還型、塩分フラックスは固定して与える混合型と呼ばれる境界条件が最近数年試みられるようになった。
ところが、このような混合型海面境界条件を使用した数値モデルの高緯度域で、十年から数十年の時間スケールの自励振動を起こすものがあることが報告されるようになり、数例に上っている。一方、デー夕解析から気候にやはりその位の時間スケールの変動があることが次第に明らかになってきて、研究者の関心を集めている。海洋の自 励 振 動 も 有 カ な メ カ ニ ズ ム の 候 補 と し て注 目 を 集 め て きて い る 。
しかし、これまで数値モデルで示されてきた自励振動は、個々の機構も明快に解明‑ 197−

されておらず、どうして混合型の境界条件でのみ自励振動がおきるか等、統一的な理解にはほど遠い状況であった。その為、実際の海洋でその様な現象が起こり得るのかについての議論は困難であった。
本研 究で は先 ず、 高緯度 海洋 の上 層と下 層を 表す 2
Boxモデル の振 る舞 いを 、負帰還型、混合型および熱、塩分とも負帰還を伴わない自由型の海面境界条件の元で調べている。この解析により、どの境界条件の元でも自励振動は可能であるが、混合型の場合、蒸発が過剰で有ることが条件となり、数値モデルで示された、降水が過剰な高緯度域での振動を説明出来ないことが示された。そこで中、低緯度との海水交換を
表 現 す る た め に 第 3の B、 oxを っ け 加 え た モ デ ル の 振 る 舞 い が 解 析 さ れ た 。
この 結果 、次 の事が明らかになった。1)
混合型の境界条件では降水過剰な場合、成層と 混合 を繰 り返す数十年周期の振動が起こり得る。2)負帰還型では熱と塩分の時定 数 が 異 ナ ょ っ た 場 合 の み 振動 が 可 能 。 3)自 由 型 で は 振動 は 起こ りに くい。
次に、数値モデルとの対応をより詳しく調べるため、数値モデルによって自励振動を再現している。これまでのモデルに比べ、比較的単純な地形や塩分フラックス分布を用い、より一般的な特性を指向している点に特徴がある。このモデルでは高緯度域に海洋 上層 に成 層が発達する時期と、混合が卓越する時期が交互に現れる周期約28年の自 励振 動が 再現 されて いる 。こ の数値 モデ ルとB
oxモデルの比較や、さらに追加され て行 われ た条 件を変 えた 数値 モデル によ る実験により、Boxモデルが数値モ
デル で 起 き て い る 自励 振 動 の 本 質 を 抽 出し たも のであ るこ とが示 され た。
最後に、これらで示された自励振動が実際の海洋で起きている可能性があるかが観測データの解析により調べられた。海面以外の観測は長い期間に亘ものが少なく、確定的な結諭を出すには至らなかったが、北大西洋と北太平洋で自励振動と関連する可能性がある現象が示された。
以上本研究は、これまで数値モデルに現れていた自励振動の本質を単純なモデルでエレガントに示したもので、統一的な理解を可能にした点で高い価値が認められる。
また、自励振動の条件が明確になり、実際の海洋でも起こり得ることが示されたことも重要な成果である。さらに、中、低緯度との海水交換が自励振動に必須であることを示したこと等、この分野の研究にとっての貢献は小さくない。審査員一同は本研究の価値と申請者の高い研究能カを評価し、申請者が博士の学位を受けるのに十分な資格を有するものと認定した。

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