北海道の雪氷 No.35（2016）
Copyright © 2016 公益社団法人日本雪氷学会北海道支部
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極 端 な 北 極 海 の 海 氷 減 少 に 対 す る 大 気 応 答
Atmospheric response to extreme sea ice decrease in the Arctic
山 崎 孝 治 （ 北 海 道 大 学 ）， 中 村 哲 （ 北 海 道 大 学 ）， 本 田 明 治 （ 新 潟 大 学 ）， 浮 田 甚 郎 （ 新 潟 大 学 ）
Koji Yamazaki, Tetsu Nakamura, Meiji Honda, and Jinro Ukita
１ ． は じ め に
地 球 温 暖 化 に 伴 い ， 近 年 ， 北 極 域 の 気 温 は 全 球 平 均 の ２ 倍 の ス ピ ー ド で 昇 温 し ， 北 極 域 の 海 氷 面 積 は 急 激 に 減 少 し て い る ． こ の 海 氷 の 変 化 は 気 候 シ ス テ ム に お い て 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る ． 近 年 の 北 極 振 動 の 負 傾 向 と そ れ に 伴 う 中 緯 度 の 寒 波 は 自 然 変 動 も あ る が 北 極 海 氷 の 減 少 に よ り も た ら さ れ た こ と が ， 近 年 の 研 究 か ら 明 ら か に な っ て き た 1),2)．ま た ，観 測 の 解 析 や モ デ ル 実 験 に よ っ て ，海 氷 減 少 が 負 の 北 極 振 動 を も た ら す 過 程 で は ， 特 に 真 冬 か ら 晩 冬 に か け て は ， 成 層 圏 を 通 し た プ ロ セ ス が 重 要 で あ る こ と が 認 識 さ れ つ つ あ る 3),4),5)．海 氷 減 少 が 対 流 圏 の プ ラ ネ タ リ ー 波 を 増 幅 さ せ ，そ れ が 成 層 圏 の 極 渦 を 弱 め ， さ ら に 成 層 圏 か ら 対 流 圏 へ 影 響 し て 対 流 圏 の 北 極 振 動 を 負 へ シ フ ト さ せ る と い う 筋 書 き で あ る ．一 方 で 海 氷 − 北 極 振 動 の 関 係 は 非 線 形 で あ り ，さ ら に 北 極 の 海 氷 が 減 少 す る と 北 極 振 動 は 正 に な る と い う 研 究 も あ る 6)．
こ こ で は 北 極 の 海 氷 を こ れ ま で 観 測 さ れ た 程 度 か ら 海 氷 が す べ て 融 解 す る 極 端 な ケ ー ス ま で 段 階 的 に 海 氷 を 変 化 さ せ て 大 気 の 応 答 を 見 る ． 海 氷 だ け を 変 化 さ せ る の で 温 暖 化 の 未 来 予 測 で は な い が ， 海 氷 か ら 大 気 へ の 影 響 の プ ロ セ ス を 理 解 す る た め の 思 考 実 験 と し て 行 う ． な お 当 研 究 の 図 は 文 献 7)か ら 一 部 引 用 し て い る ．
２ ． モ デ ル と 実 験 方 法
本 研 究 で 使 用 し た 大 気 大 循 環 モ デ ル は AFES version 4.1（T79L56, モ デ ル 最 上 層 60 km） で あ り ， 著 者 ら の 以 前 の 研 究 で 使 用 し た も の 2),5)と 同 じ で あ る ．
本 モ デ ル で の 海 氷 は 各 格 子 点 で 「 あ り 」 か 「 な し 」 の ど ち ら か で あ る ． た だ し ， 海 氷 の 厚 さ は 最 大 50 cm で 観 測 さ れ る 海 氷 密 接 度 に 比 例 す る よ う に 与 え る ． そ の た め ， 密 接 度 に 応 じ た 乱 流 熱 フ ラ ッ ク ス が 大 気 に 与 え ら れ る こ と に な る ．
CNTL run で は 海 氷 密 接 度 や 海 面 水 温 を 昔 の 海 氷 が 多 か っ た 時 期 （1979-1983 年 の 5年 平 均 ）の 月 平 均 値 を 与 え る ．AICE runは 北 極 海 氷 の み 最 近 の 少 な い 値（2005-2009 年 の 5年 平 均 ） を 与 え る ． さ ら に Im30 (Im40) runで は 北 極 の 海 氷 の 厚 さ を 30(40) cm 減 少 さ せ る ． Im50 runで は 50 cm減 少 さ せ る の で 真 冬 で も 北 極 海 に は 海 氷 が 全 く な い ． 積 分 は 各 々 の ラ ン を 150年 行 い ， 結 果 を 解 析 し た ．
３ ． 実 験 結 果
図 １ は そ れ ぞ れ の ラ ン に お け る 冬 平 均 （12-2 月 ） 乱 流 熱 フ ラ ッ ク ス 偏 差 （CNTL と の 差 ： 上 ） と 500 hPa高 度 （ 下 ） で あ る ．
AICE〜Im40 で は 北 大 西 洋 お よ び 北 極 海 沿 岸 で 熱 フ ラ ッ ク ス に よ る 大 気 加 熱 が 大 き い ．Im50 で は 北 極 海 全 域 で 大 気 加 熱 が 大 き い ．500 hPa の 大 気 場 は CNTL か ら Im50 へ 順 に 北 極 域 が 暖 ま る の で 北 極 域 で の 高 度 が 高 く な る ．
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図 1 上：冬 平 均（ 1 2 - 2 月 ）の そ れ ぞ れ の ラ ン の 乱 流 熱 フ ラ ッ ク ス 偏 差（ C N T L と の 差 ）． 正 の 値 （ 大 気 を 暖 め る 方 向 ） は 赤 で 示 す ． 下 ： 冬 平 均 の そ れ ぞ れ の ラ ン の 5 0 0 h P a 高 度 ． 文 献7 ) の F i g u r e S 1 を 一 部 改 変 ．
図 2 そ れ ぞ れ の ラ ン の 1 5 0 年 平 均 の 冬 （ 1 2 - 2月 ） の C N T L r u n と の 差 ． 上 ） 3 0 0 h P a 高 度 ， 等 値 線 間 隔 は 左 か ら 右 へ （ A I C E , I m 3 0 , I m 4 0 , I m 5 0 ） 5 m , 5 m , 7 . 5 m , 1 0 m ． 下 ） 8 5 0 h P a 気 温 ． 等 値 線 は 左 か ら 右 へ 0 . 5 K , 0 . 5 K , 0 . 7 5 K , 1 K ． い ず れ も 正 の 値 は 赤 い ， 負 の 値 は 青 い 線 で 示 す ． 影 は 有 意 水 準 9 5 % , 9 9 % で 有 意 な 所 を 示 す ． 文 献 7 ) の F i g u r e 1を 引 用 ．
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CNTLか ら の 偏 差 と し て 300 hPa高 度 偏 差 と 850 hPaの 気 温 偏 差 を 図 ２ に 示 す ． 北 極 域 の 下 層 気 温 偏 差 お よ び 高 度 偏 差 は AICEか ら Im50へ ゆ く に 従 っ て（ 海 氷 が 減 少 す る に 従 っ て ）， 北 極 域 の 昇 温 は 大 き く 広 く な り ， 北 極 域 の 正 の 高 度 場 偏 差 も 大 き く 広 く な る ． 一 方 ， 中 緯 度 ， 特 に 極 東 で ， 高 度 偏 差 が 負 に な り ， 北 極 振 動 は 海 氷 が 減 少 す る と ど ん ど ん 負 に な っ て ゆ く ． 極 東 の 気 温 は 海 氷 減 少 が 進 む ほ ど 負 偏 差 に な る ．
成 層 圏 と の 関 係 を 見 る た め に ，60°Nに お け る 東 西 平 均 西 風 偏 差 の 時 間 ・ 高 度 断 面 図 を 図 ３ に 示 す ．AICE で は １ 月 に プ ラ ネ タ リ ー 波 が 成 層 圏 へ 伝 播 し （ 図 略 ）， 上 部 成 層 圏 の 西 風 を 減 速 さ せ ， そ れ が 徐 々 に 下 降 し ， １ 月 下 旬 か ら ２ 月 に か け て 対 流 圏 で 西 風 減 速 （ す な わ ち 負 の 北 極 振 動 ） を 引 き 起 こ す ．Im30 や Im40 で も 時 期 は 異 な る が 成 層 圏 へ の 伝 播 が 見 ら れ る が ， 対 流 圏 は 成 層 圏 と は 独 立 に 負 の 北 極 振 動 に な っ て い る よ う で あ る ．Im50に な る と 対 流 圏 で は 負 の 北 極 振 動 ， 成 層 圏 で は 正 の 北 極 振 動 と な り ， 成 層 圏 は 対 流 圏 の 負 の 北 極 振 動 の 要 因 に な っ て い な い ． 成 層 圏 ・ 対 流 圏 リ ン ク は 見 ら れ な い ．
図 3 6 0 ° N に お け る 東 西 平 均 西 風 偏 差 （ 北 極 振 動 の プ ロ キ シ ） の 時 間 ・ 高 度 断 面 図 ． 1 1 月 か ら3 月 ま で を 示 す ．赤 い 線 は 正 偏 差 ，青 は 負 偏 差 を 示 す ．影 は9 5 % , 9 9 % で 偏 差 が 有 意 な 所 ． 文 献 7 ) の 一 部 を 改 変 ．
Im50の 結 果 は ， 北 極 海 氷 減 少 が 対 流 圏 の 北 極 振 動 を 負 に し て 極 東 で 寒 波 を も た ら す プ ロ セ ス と し て 成 層 圏 経 由 だ け で は な く ， 対 流 圏 の み の 過 程 が あ り ， そ の 過 程 が 北 極 の 海 氷 が 減 少 す れ ば す る ほ ど 強 ま る こ と を 示 唆 し て い る ．
次 に 対 流 圏 で の 波 の 活 動 度 と 残 差 平 均 子 午 面 循 環 を 調 べ た （ 図 略 ）．AICEか ら Im50 へ と 40-70°N の 対 流 圏 で 波 の 鉛 直 伝 播 が 強 ま り （ 物 理 的 に は 極 向 き の 渦 熱 輸 送 が 強 ま る こ と と 同 等 ）， 高 緯 度 対 流 圏 中 上 層 の 西 風 を 減 速 し て い る ． こ の た め ， 中 緯 度 で 上 昇 し 高 緯 度 で 下 降 す る 残 差 平 均 子 午 面 循 環 が 強 化 さ れ ， 海 氷 が 海 面 に 変 わ る こ と に よ る 直 接 的 な 北 極 域 の 乱 流 加 熱 に 加 え て ，循 環 に よ る 力 学 的 加 熱（ ＝ 極 向 き 熱 輸 送 の 収 束 ） が 北 極 温 暖 化 を 増 幅 さ せ て い る こ と が わ か っ た ． 逆 に 中 緯 度 で は 循 環 偏 差 は 上 昇 流 で あ り 力 学 的 加 熱 は 弱 い な が ら も 寒 冷 化 に 働 い て い る ． な お ， こ の プ ロ セ ス に 関 与 す る 波 は ど の 実 験 で も 主 に プ ラ ネ タ リ ー 波（ 波 数 1と2）で あ り ，総 観 規 模 擾 乱 の 役 割 は 小 さ か っ た ．
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- 106 - ４ ． ま と め
近 年 の 北 極 域 の 海 氷 減 少 に よ り 北 極 域 は 昇 温 し て い る が 成 層 圏 結 合 を 介 し て 冬 の 北 極 振 動 が 負 位 相 に な り 東 ア ジ ア な ど で は 寒 冬 に な る こ と が 著 者 ら の 研 究 等 で 示 さ れ た ． こ こ で は AFES 大 気 大 循 環 モ デ ル を 用 い て ， 海 氷 減 少 が 現 実 的 な も の か ら 北 極 海 の 海 氷 が す べ て な く な る よ う な 極 端 な 仮 想 条 件 に 対 す る 大 気 応 答 を ， 海 氷 の み を 段 階 的 に 減 少 さ せ た 実 験 に よ り 調 べ た ． 海 氷 を 減 少 し て ゆ く と 対 流 圏 の 北 極 振 動 は 負 に な り 北 極 域 の 昇 温 も 大 き く 広 が る 一 方 ， 東 ア ジ ア の 寒 冷 化 も 強 ま り 極 向 き の 熱 輸 送 も 増 大 す る ． た だ し 海 氷 が 全 く な く な る と 成 層 圏 で は 正 の 北 極 振 動 と な り ， 対 流 圏 と は 独 立 し て 成 層 圏 − 対 流 圏 結 合 は 見 ら れ な く な る ． 海 氷 − 中 緯 度 気 候 リ ン ク に は 対 流 圏 に 閉 じ た プ ロ セ ス と 成 層 圏 経 由 の プ ロ セ ス の ２ つ が あ る こ と が わ か っ た ．
謝 辞
数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は JAMSTECの Earth Simulator 3 で 行 っ た ． 当 研 究 はGreen Network of Excellence (GRENE) Program Arctic Climate Change Project とthe Arctic Challenge for Sustainability (ArCS) の 助 成 を 受 け た ．
【 参 考 ・ 引 用 文 献 】
1) Honda，M., J. Inoue, S. Yamane, 2009: Influence of low Arctic sea-ice minima on anomalously cold Eurasian winters, Geophys. Res. Lett., 36, L08707.
2) Nakamura, T., K. Yamazaki, K., K. Iwamoto, M. Honda, Y. Miyoshi, Y. Ogawa, J.
Ukita, 2015: A negative phase shift of the winter AO/NAO due to the recent Arctic sea-ice reduction in late autumn. J. Geophys. Res., 120, 3209-3227.
3) King, M. P., M. Hell, and N. Keenlyside, 2015: Investigation of the atmospheric mechanisms related to the autumn sea ice and winter circulation link in the Northern Hemisphere. Clim. Dyn., 46, 1185-1195.
4) Kim, B. M., S. W. Son, S. K. Min, J. H. Jeong, S. J. Kim, Z. Zhang, T. Shim, and J. H.
Yoon, 2014: Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea-ice loss, Nature Communications, 5, 4646.
5) Nakamura, T., K. Yamazaki, K., K. Iwamoto, M. Honda, Y. Miyoshi, Y. Ogawa, Y.
Tomikawa, and J. Ukita, 2016: The stratospheric pathway for Arctic impacts on mid-latitude climate, Geophys. Res. Lett., 43, 3494-3501.
6) Petoukhov, V., and V. A. Semenov, 2010: A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents, J. Geophys. Res., 115, D21111.
7) Nakamura, T., K. Yamazaki, M. Honda, J. Ukita, R. Jaiser, D. Handorf, and K.
Dethloff, 2016: On the atmospheric response experiment to a Blue Arctic Ocean.
(submitted to Geophys. Res. Lett.)
