博 士 （ 理 学 ） 西 野 茂 人
学 位 論 文 題 名
Studies on the hybrid wind‑thermohaline driven circulation in the mid‑depth of the North Pacific 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Rhines and Young (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100 km 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diapycnal flow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diapycnal flow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diapycnal flow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diapycnal flow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
副 査 副 査 副 査
教授 教授 教授 助教授
金成 菊地 播磨屋 見延
学 位 論 文 題 名
誠一 勝弘 敏生 庄士郎
Studies on the hybrid wind‑thermohaline driven circulation in the mid‑depth of the North Pacific ocean
（ 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diapycnal 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hybrid 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。
