大気海洋系内の熱フローの理解に立脚した地球温暖化の加速・減速の要因解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03726
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 谷本 陽一 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (00291568)
• 研究分担者: 富田 裕之 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任助教 (10435844) ; 細田 滋毅 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(海洋観測研究センター), グループリーダー (60399582) ; 時長 宏樹 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (80421890) ; 野中 正見 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(アプリケーションラボ), グループリーダー (90358771) ; 植原 量行 東海大学, 海洋学部, 教授 (90371939)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 海洋熱吸収 / 地球温暖化の加速・減速 / 大気海洋相互作用

研究実績の概要

海洋熱吸収の10年規模変動成分と、海洋中規模渦が海洋熱吸収に果たす役割に焦点を当てた研究を実施した。過去の海洋プロファイリングフロート（以下、フロート）観測に基づく水温・塩分データセットの解析から、海洋の表層および亜表層の貯熱量が2008年から2015年の期間では北太平洋全体で減少し、2016年から2018年の期間では増加することが分かった。また、渦解像大循環海洋モデルの経年変動シミュレーション出力を解析した結果、北太平洋中央部において、海洋表層下へ取り込まれた熱が海洋中規模渦の影響で南北方向に広く拡張することが示された。以上から、海洋亜表層に至る熱吸収の存在が示唆され、この海洋熱吸収に海洋中規模渦が影響を与える可能性が見出された。
さらに、海面熱フラックスを用いて海面における大気と海洋の熱交換に関して調べた。その結果、北太平洋の広範囲において10年規模の海面熱フラックスの変動が海面水温変化によって説明できることがわかった。くわえて、精度の高い海面熱フラックスデータの作成にむけて、人工衛星観測に基づく全球海面熱フラックス変動の不確定性に関する研究も実施した。
今年度末には、昨年度から準備を進めていたフロートによる現場観測を開始した。研究目的に適合する仕様を有するフロートを３基購入し、海洋中規模渦に捕捉されやすいようにフロートの制御パラメータを変更した。その後に、黒潮続流域南方海域において、気象庁の協力を得て、海洋中規模渦の一種である冷水渦の領域に３基のフロートを凌風丸から投入した。投入した３基のフロートはそれぞれ11回の浮上を本年度中に行い、合計３３個の水温プロファイルおよび同数の塩分プロファイルを取得した。投入時に凌風丸によって実施された船舶観測CTDデータと比較することによって、３基のフロートが正常に水温・塩分データを取得している点を確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

歴史的水温データや渦解像海洋大循環モデル実験出力の解析から、北太平洋において海洋亜表層に至る10年規模の海洋熱吸収の存在が示唆する結果を得た。さらに、10年規模の海洋熱吸収の変動には、海面熱フラックスや海洋中規模渦が影響する可能性も示された。温暖化予測実験で使用される現行型の大気海洋結合モデルでは、モデルの水平解像度の粗さから海洋中規模渦を適切に表現できない。以上の結果は、海洋プロファイリングフロートを用いた高密度な現場観測によって海洋中規模渦が海洋熱吸収に果たす役割を解明することの必要性を示している。
上記の解析を行うとともに、海洋プロファイリングフロートによる現場観測に向けた準備を完了させた。フロート投入領域を海洋熱吸収が活発である黒潮続流南方海域と定めて、この領域で頻繁に発生する海洋中規模渦の１種である冷水渦に対してフロート観測を本年度末から実施した。海洋プロファイリングフロート観測の実施のために、気象庁の協力を得て、３基の海洋プロファイリングフロートを凌風丸から投入し、冷水渦に対する渦周回観測を開始した。冷水渦に対する周回観測は、確認できる範囲では世界初である。さらに、渦周回観測では、良好な観測データが取得されている点が船舶搭載CTD観測との比較によって確認された。くわえて、大気と海洋の熱交換を評価する上で重要な海面熱フラックスデータに関しても解析や精度の検証を進めた。
以上の進捗から、研究は概ね順調に遂行できていると判断した。

今後の研究の推進方策

黒潮続流南方海域に投入した海洋プロファイリングフロートによる冷水渦に対する渦周回観測を可能な限り長期にわたって継続するために、フロート稼働状況とデータ品質の監視を本格化させる。渦周回観測から得られた水温・塩分プロファイルに品質管理を施した後に解析用のデータセットを作成し、海面から海洋混合層への熱フローや、海洋混合層から亜表層へのサブダクションに伴う熱フローに関係する水温時間変化を定量的に見積もる。
上記の現場観測データを用いた解析に加えて、渦解像海洋大循環モデル実験出力を用いて、北太平洋の広い範囲における10年規模の海洋熱吸収に対する海洋中規模渦の役割を調査する。また、海洋中規模渦を分解できない水平格子間隔を有する歴史的水温データから得られた海洋熱吸収やそれと関連する海水温変化と、渦周回観測データから得られた結果を比較して、既存の歴史データの持つ“熱バイアス”を評価する。
熱フローの構成要因の１つである海面熱フラックスが10年規模の大気海洋変動に与える影響について調べるために、最新の高解像度大気海洋結合モデル実験出力や人工衛星観測に基づく海面熱フラックスデータを用いて、海面熱フラックスが10年規模の大気用相互作用現象に果たす役割を調べる。
上記の方針について研究分担者らとともに議論を行うための研究集会を開催する。このようにして、大気から海洋亜表層に至る熱フローの実態解明のための研究活動を推進する。

研究成果

• [国際共同研究] ハワイ大学/アメリカ航空宇宙局（NASA）(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ハワイ大学/アメリカ航空宇宙局（NASA）
• [雑誌論文] Mechanisms of Long‐Term Variability and Recent Trend of Salinity Along 137°E (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogata Tomomichi、Nonaka Masami
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Oceans 巻: 125 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2019JC015290
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the Emergence of the Atlantic Multidecadal SST Signal: A Key Role of the Mixed Layer Depth Variability Driven by North Atlantic Oscillation (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Ayako、Tatebe Hiroaki、Nonaka Masami
  • 雑誌名: Journal of Climate 巻: 33 ページ: 3511～3531
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-19-0283.1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrological cycle changes under global warming and their effects on multiscale climate variability (2020)
  • 著者名/発表者名: Ma Jian、Zhou Lei、Foltz Gregory R.、Qu Xia、Ying Jun、Tokinaga Hiroki、Mechoso Carlos R.、Li Jinbao、Gu Xingyu
  • 雑誌名: Annals of the New York Academy of Sciences 巻: 1472 ページ: 21～48
  • DOI: 10.1111/nyas.14335
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multidecadal modulations of key metrics of global climate change (2020)
  • 著者名/発表者名: Johnson Nathaniel C.、Amaya Dillon J.、Ding Qinghua、Kosaka Yu、Tokinaga Hiroki、Xie Shang-Ping
  • 雑誌名: Global and Planetary Change 巻: 188 ページ: 103149～103149
  • DOI: 10.1016/j.gloplacha.2020.103149
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ENSO Influence on the Atlantic Nino, Revisited: Multi-Year versus Single-Year ENSO Events (2019)
  • 著者名/発表者名: Tokinaga Hiroki、Richter Ingo、Kosaka Yu
  • 雑誌名: Journal of Climate 巻: 32 ページ: 4585～4600
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-18-0683.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Systematic Scatterometer Wind Errors Near Coastal Mountains (2019)
  • 著者名/発表者名: Kilpatrick Thomas、Xie Shang‐Ping、Tokinaga Hiroki、Long David、Hutchings Nolan
  • 雑誌名: Earth and Space Science 巻: 6 ページ: 1900～1914
  • DOI: 10.1029/2019EA000757
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An introduction to J-OFURO3, a third-generation Japanese ocean flux data set using remote-sensing observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomita Hiroyuki、Hihara Tsutomu、Kako Shin’ichiro、Kubota Masahisa、Kutsuwada Kunio
  • 雑誌名: Journal of Oceanography 巻: 75 ページ: 171～194
  • DOI: 10.1007/s10872-018-0493-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Air-Sea Fluxes With a Focus on Heat and Momentum (2019)
  • 著者名/発表者名: Cronin Meghan F.,Gentemann C. L.,Edson J.,Ueki I.,Bourassa M.,Brown S.,Clayson C. A.,Fairall C. W.,Farrar J. T.,Gille S. T.,Gulev S.,Josey S. A.,Kato S.,Katsumata M.,Kent E.,Krug M.,Minnett P. J.,Parfitt R.,Pinker R. T.,Stackhouse P. W.,Swart S.,Tomita H.,Vandemark D.,Weller A. R.,Yoneyama K.,Yu L.,Zhang D.
  • 雑誌名: Frontiers in Marine Science 巻: 6 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fmars.2019.00430
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of using multiple-satellite sensors on the accuracy of daily-mean sea surface wind data (2019)
  • 著者名/発表者名: Koizumi Ayumi、Kubota Masahisa、Kutsuwada Kunio、Hihara Tsutomu、Tomita Hiroyuki
  • 雑誌名: International Journal of Remote Sensing 巻: 41 ページ: 5770～5784
  • DOI: 10.1080/01431161.2019.1706113
  • 査読あり
• [学会発表] Rapid water parcel transport across the Kuroshio Extension in the lower thermocline from dissolved oxygen measurements by Seaglider and BGC Argo floats (2020)
  • 著者名/発表者名: Hosoda S., Inoue R., Nonaka M., Sasaki H., Sasai Y., and Hirano M.
  • 学会等名: 2020 Ocean Science Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Wind-driven and intrinsic interannual-to-decadal variability in eddy activity in the Kuroshio Extension (2019)
  • 著者名/発表者名: Nonaka, M., H. Sasaki, B. Taguchi, and N. Schneider
  • 学会等名: 27th IUGG General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] MOAA GPVを用いた等密度層の貯熱量の時空間変動について (2019)
  • 著者名/発表者名: 植原量行・谷本陽一・細田滋樹・野中正見・時永宏樹・富田裕之
  • 学会等名: 2019年度日本海洋学会秋季大会
• [学会発表] J-OFURO3, a Third-Generation Japanese Ocean Flux Data Set Using Remote-Sensing Observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomita Hiroyuki, Hihara Tsutomu, Kako Shin'ichiro, Kubota Masahisa, and Kutsuwada Kunio
  • 学会等名: OceanObs’19 (Honolulu)
  • 国際学会
• [学会発表] 全球海面熱フラックスの評価: 海面熱フラックスのパラドックス (2019)
  • 著者名/発表者名: 富田裕之,轡田邦夫, 久保田雅久, 日原勉
  • 学会等名: 日本海洋学会 2019年度秋季大会（富山)
• [図書] The Atlantic zonal mode: dynamics, thermodynamics, and teleconnections (2020)
  • 著者名/発表者名: Richter Ingo and Tokinaga Hiroki
  • 総ページ数: 36
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 9780128181560