博士（理学）西野茂人
学 位 論 文 題 名Studiesonthehybridwind‑thermohalinedrivencirculationin the mid‑depth of theNorth Pacif
ic ocean（北太平洋中層における風成・熱塩循環の研究）

学位論文内容の要旨

北太平洋の水深数百 メートルから約二千メートルまでの中層と呼ぱれる深さにおける海洋循環のメカニズムを シンプルな解析モデルに基づいて考察した。さらに、現実海洋の循環場についてもデー夕 解析を行い、モデルとデータの両面から示される中層循環像にっいて議論した。
中層循環のメカニズ ムに関する研究はRh
inesandYoung(1982)
によってなされ、渦位一様化理論が導かれた。それによると、中層は直接風で駆動されず、海洋中に存在する100km程度の大きさの中規模 渦による密度面の擾乱を通じて表層の風成循環が中層に伝わり、亜熱帯海域中層では高気 圧性の風成循環にともなう渦位一様化領域が形成される。しかし、
こ の 理 論 だ け で は 渦 位 一 様 化 領 域 の 外 の 循 環 を 説 明 す る こと は で き な い 。
中層は表層から風成 循環の影響を受けるのに加えて、海洋全体を通して流れる熱塩循環の 影響 も受 ける ので 、渦 位ー 様化 理論 に従 う 風成 循環 に加 えて 、熱 塩過 程にともなうdiapycnal flowの収束 ・発散により熱塩的な流れが生ずることを考慮し、風成循環と熱塩循環をハイブリッドし たモデルにより中層循環場を求めた。このとき、渦位分布や熱塩的な外カとなるdiapycnalflowの分布を特徴づけるモデルの層厚分布は風成循環で決められ、熱塩循環にともなう層厚のひずみは十分小さいとした。この仮定により、地衡流、静水圧、連続の式のもとに導か れる渦位の移流方程式が線形化され、渦位一様化領域の外の熱塩的な流れを解析的に求め ることができた。
モデ ルに より 北太 平洋 中層 の循 環場 を求 め た結 果、 500m〜600mに 中心 をもつ塩分極小層で特徴づけられる 中層上部では、亜熱帯海域全域に広がった渦位一様化領域内に生ずる高気圧性の風成循環と、その南に熱塩的に駆動される西向きの流れがあらわれた。また、1000m付近に中心をもつ酸素極小層で特徴づけられ る中層下部では、亜熱帯海域北西部に縮小した渦位一様化領 域内の高気圧性循環と、その南に熱塩過程にともなう低気圧性循環がみられた。この中層 下部の低気圧性循環は、中層上部の渦位一様化領域の南縁直下に沿っ て 東 向 き の 流 れ の 極 大 を も ち 、 こ れ よ り 南 側で も比 較的 強い 東向 流が みら れた 。
モデルで得られた循 環パターンの妥当性を検証するために、デー夕解析により現実海洋の循環場を見積もった 。従来、循環場の見積もりには、ある適当な深さで流れがないとして無流面を仮定する地 衡流計算がもちぃられてきたが、中層では流れが小さぃために無流面の違いによって循環 パターンが異なり、特に中層下部おける渦位一様化領域の外の循環パターンを特定するこ とができなかった。このため、力学的に無流面深度を推定し、流れが小さくても信頼のお けるインバース解析をもちいて循環場を求めた。また、求められた
循 環場 を渦 位や 化学 トレーサーの分布と比較す ることにより、その信頼性を確かめた。
インバース解析では 、海洋中に閉じたポックスを設定し、そのボックス内で質量保存と渦位保存が満たされる ように地衡流シアーを第ー推定の地衡流場から最小二乗的にずらし

最適な流速場を得た 。ここで、第ー推定の地衡流場は風応カの分布から見積もられるスベルドラップ流量と地 衡流シアーの積分流量とが等しくなるように地衡流の無流面深度を設定した。
インバース解析の 結果、北太平洋中層の高気圧性循環は、渦位一様化理論で導かれるよ
うに、深さとともに その広がりが小さくなり、循環の中心が北に移動するのがみられた。
そ して 、そ の変化は中層上 部と中層下部の境界付近である水深800m付近で急激にお こる
こ とが わか った。また、水 深800m以深で北に縮小した亜熱帯循環の南には、南極中 層水起源とみられる東向 きの流れがあらわれた。東向きの流れの極大域は、中層上部の渦位がほば―様な領域の南 縁直下に位置していた。このような流れの構造は、海洋中の溶存酸素の 分布 と非 常によい整合性 がみられた。溶存酸素の極小層も水深800m以深で急激に 北に移 動し 、高 気圧性循環の収 縮と対応する。また、水深800m以深の酸素極小域の南に は、東向きの流れがみられる領域で南極起源の高酸素の水塊が西岸から舌状に張り出している。
このようなデータから得られる循環パターンはモデルで求められた循環パターンと一致し、モデルの妥当性が示 された。
中層下部の渦位一 様化領域の外における循環パターンはまだ十分に明らかになっていな
かったが、本研究に よルモデルとデータの両面から、中層上部の渦位一様化領域南縁直下に沿って極大をもつ 東向流がそれより南側にあらわれることが示された。また、この流れは本モデルにより熱 塩的に駆動されることが示された。この流れの東西成分は、モデルにおいて地衡流の関係 から中層下部底面の南北勾配で与えられ、これは東岸から発する等渦位線上で受ける熱塩 的な外カの南北勾配に依存する。熱塩的な外カは等渦位線上の渦位の平方とdiapycnal flowの収束・発散との積であらわされ、中層下部において、中層上部の渦位一様化領域の南 縁境界より南側では、中層下部の渦位もdiapycnalflowの発散も北に向かうにっれて大き くなっているため、両者の積である外カの南北勾配も大きくなるが、南縁境界より北側で は、北に向かうにっれて中層下部の渦位は大きくなるものの、中層下部のdiapycnal flowの発散は小さくなるので、外カの南北勾配は小さくなる。その結果、南縁境界より北側に 比べて南側で中層下部底面の南北勾配がきっくなり、強い流れがみられる。中層下部で熱 塩的に駆動される東向流の極大域が中層上部の渦位一様化領域の南縁直下に沿ってみられ るのは、この縁に沿って熱塩的な外カであるdiapycnalflowの発散が極大となることと関 連している。熱塩過程にともなうdiapycnalflowの収束・発散の分布は本モデルでは風成 循環で決まる層厚分布に依存するので、風成循環が中層の熱塩的な流れの構造を特徴づけ ているとぃえる。

学位論文審査の要旨
主査

教授

金成誠一

副査
副査
副査

教授

菊地勝弘

教授

播磨屋敏生

助教授

見延庄士郎

学 位 論 文 題 名Studiesonthehybridwind‑thermohalinedrivencirculationin the mid‑depth of theN
orthPaci
ficocean（ 北 太 平 洋 中 層 に お け る 風 成・ 熱 塩 循環 の 研 究）
海洋 中 層 の循 環 は 、地 球 温暖 化 ガ スの 収支及び輸 送経路を 明らかに する 上 で も 極 め て 重 要 な 領 域 で あ る 。 特 に 、 全 球 上 の 海 洋 の 大き な 割 合を しめ る 太平 洋 の 循環 像 を確 定 す るこ と は 地球環境の 立場から も極めて 重要で あ る。 北 太 平洋 中 層の 亜 熱 帯循 環 域 に関しては 、渦位一 様化理論 でその 循 環像 が あ る程 度 明ら か に なっ て い るが、この 循環域の 外側、特 に低
緯 度 側 に つ い て は 、 明 確 な 理論 が 無 く、 観 測に 基 づ く循 環 像も 確 定 さ
れ て いな か っ た。 申 請者 は 、 渦位 一 様 化領域の外 側に焦点 をあて、 この領 域 で は 、 風 成 循 環 を 維 持 す る 成 層 の 密 度 面 を 横 切 る diapycn
al flowの収束 ・ 発 散が 循 環 を規 定 す ると の 考 えに 立 っ て、 新 た に hybri
d wind− thermo‑haline modelを 提 起 し た 。 こ の モ デ ル の 結 果 は 、 渦 位 一様 化 領 域の 南 側 にや や 北向 き 成 分を も つ東 向 流 が形 成 さ れ、酸素極 小層の分 布から定 性的に 予 想さ れ て いた よ うな 高 気 圧性 循 環 とは異なっ たもので あること を明ら か にし た 。 更に 、 申請 者 は 、過 去 に 蓄積された 海洋観測 データに 基づ
い て 、 hybrid modelの 妥 当 性 の 検 証 を 行 っ た 。 従 来 、 デー タ に 基づ く 循 環像 は 地 衡 流 平 衡 を 仮 定 し た lnversionの 手 法 が 用 い ら れ る が 、 こ の 方 法 では 、 無流 面 の 設定 に 任意 性 が あり 、 無 流面の位置 に循環が 左右され ると
い う 欠 点 が あ っ た 。 申 請 者 は、 こ の 無流 面 の決 定 で 、地 衡 流の 積 分 流
量 が Sverdrup流 量 と バ ラ ン ス す る と い う 拘 束 条 件 を 用 い て 任 意 性 を 排
除 す る 方 法 を 採 用 し 、 こ れ を inversion 手法 に 組 み込 ん で 循環 を 算 出す る
こ と に 成功 し た 。そ の 結 果は 、 hybrid modelの 示 した 循 環 パタ ー ン がinver‑sionに 基 づ く 循 環 と 矛 盾 し な い こ と を 示 す と と も に 、 低緯 度 域 の中 層 循 環像 が こ こ に 初 め て 確 定 さ れ たこ と をも 意 味す るも の であ る 。
これ を 要 する に 、 著者 は 北太 平 洋 の中 層循環に関 する新た なモデル を
提 起 し、 循 環 に関 す る新 知 見 を得 た も のであり、 地球物理 学の進歩 に貢献 す る とこ ろ 大 なる も の があ る 。
よ っ て 審 査 員 一 同 は 、 申 請 者 が 北 海 道 大 学 博 士 （ 理 学 ）の 学 位 を受 け るに 十 分 な資 格 が ある も の と認 定 し た。