博士 （地 球 環境 科学 ）豊田威信
学位論文題 名
A study on growth processes of sealCeinthe SOuthernreg10noftheokhotSkSea ， eValuated f ・ romheatbudgetandSealCeSampleanalySiS （熱収支と 海氷サンプルの解析によるオホーツク 海 南 部 の 海 氷 の 成 長 過 程 に 関 す る 研 究 ）
学位論文内容の要旨
オホーソク海南部は冬期海氷に覆われる南限の海域として知られている。このため、こ れまでにも多くの研究者の関心を集めてきたものの、海氷域内部での組織的な観測がなかっ たため、これまでの研究は主として沿岸域の海氷特性に限られていた。従って、この海域に はどのような海氷があってどのように成長するのか、未知の部分が多かった。また、この海 域は極東における冬期の主な低気圧経路のーつに位置しており、大気循環とぃう立場からも 興味ある海域である。これまでにも、海氷域が大気循環場に与える影響について、主に数値 実験により指摘されてきたものの観測データがなかったため、実際にどの程度大気に影響を 及ぼしているのか、よく分かっていなかった。更に、近年、この海域は北太平洋中層水の起 源としての可能性が指摘されており、実際にこの海域においてどの程度海氷が生成され得る の か を 知 る こ と は 海 洋 循 環 と ぃ う 観 点 か ら も 興 味 の あ る 問 題 で あ る 。
このようにこれまでは季節海氷域は、海氷データも気象データも不足しているため、未 知の部分が多かったが、2 年程前から、オホーツク海南西部において砕氷船「そうや」を用 いた観測プロジェクトが始まり、海氷域内の現場データを取得することが可能になった。本 研究では、1996 、1997 年の観測をもとに、氷况の定量解析、得られた気象データに基づぃ た熱収支解析、および海氷サンプルの解析を通してこの海域に置ける海氷の特性を、主と して成長過程に焦点をあてて調べた。まず、熟収支の計算に必要となる海氷のアルベドの解 析を行い、続いて得られたアルベド、それに気象観測値を用いて海氷域の熱収支を見積もっ た。次に、海氷サンプルの解析結果を示し、熟収支の結果が海氷の成長過程にどのように影 響を与えているかを考察した。その中で、薄い海氷サンプルで特徴的な構造が見い出せたの で、室内実験によってその性質についてさらに詳しく調べた。
アルベドは上向き及び下向きの短波放射計を船首部分に取付けて観測を行い、数kiii の スケールを対象とした解析を行った。ビデオ解析により定量的に見積もった海氷密接度と比 較した結果、両者に高い相関が見られた。また、太陽天頂角と有意な相関が見られ、氷厚と も弱いながら有意な相関が見られた。太陽天頂角と海氷密接度を変数にした重回帰式から、
日計のアルベドは
0.629土0 ．030 と見積もられ、従来極域の沿岸定着氷上で観測されたアル
ベドfO．75）より も幾分小 さな値 を示すこ とが分か った。 この原因 は海氷 上の雪粒 子の性 質 に負 う と ころ が 大 きい と 考 え られ る 。 海氷 域 内 部で は 海 水の 影 響を受 けやす いこと、 低緯 度で あ る ため太 陽放射 量が多い こと、 などによ り雪粒 子が成長 しやすい 環境を 考慮すれ ば、
この領域の海氷が特有のアルベドをもつ可能性が示唆される。
こ こ で見 積 も られ た 海 氷 アル ベ ド 、そ れ に 現場 の 気 象観 測 値 をもと に、海氷 熟力学モ デ ルを 用 い て熟収 支の計 算を行っ た。計 算に当た っては 、氷厚頻 度分布を もとに 各氷厚の 占有 面積 率 を 算定 し 、 氷厚 別 に 求 めら れ た各 熱フラッ クス値 を加重平 均した 。その結 果、1）平 均海 氷 成 長率は0．5 cm/dayと見積 もられる こと、2）大 気に輸送 される 乱流熱フ ラソク スは 15〜30II:/7122と見 積もら れ、海氷 が存在 すること によりほ ぼ半減 されるこ と、3）乱流熱フ ラックス の半分 以上は開 水面と ニラスの 薄い海 氷域が担 っている こと、 が分かった。1）につ いて は 、 夜間は 成長す るものの 、短波 放射によ る日中 融解の寄 与が大き い点が 特徴であ る。
ここ で は 取り扱 わなか った海洋 熱フラ ックスの 寄与も 考慮すれ ば海氷成 長量は 実質的に 少な く、 こ の 海域 は 海 氷の 熟 力 学 的成 長 の限 界に近い と考え られる。2）の 結果は 、氷厚が 比較 的薄 い オ ホーツ ク海南 部におい ては、 北極域と は異な って海氷 域は大気 にとっ て熟源と して 働く こ と を示し ている 。すなわ ち、シ ベリア方 面から 吹き出さ れた寒気 は海氷 域上で徐 々に 変質 を 受 けて い る こと が 示 唆 され る 。3）の結 果から 、極域と 同様、こ の海域 でも大気 との 熟交換において薄い海氷域は重要な役割を担っていることが示された。
次 に 、実 際に 現場で採 取した海 氷の構 造を調べ ること により、 成長過 程につい ての考察 を 行 っ た 。1996年 に14個 の サ ン プ ル 、1997年 に35個 の サ ンプ ル を 比較 的 広 い 範囲 で 採 取し て厚片／薄片解析、塩分分析、密度測定を行った結果、以下のことが分かった。1）first ‑ vear 1CCヽyoung iccにお け るgra.nula.r／columnarの比率 は1996年の サンプル で100/0（呪）、
1997年のサンプルで50/42(瞬）と、共にgra.nula.r iceが卓越していること、2）first.‑vea.rヽ young iccの 多く は 層 構 造を 示 し 、平 均 層 厚は1996年 の サン プ ル で5．8cm、1997年 の サン プルで9．4 cmと見積もられたこと、3）海氷塩分は氷厚と良い相関があり、first・vea.riぐcは 3〜 4pcr"zil、Voung iceは3〜5、paiicskc iccは6〜10pern2Hの 値を示し たこと 、4） 海氷 密度は全体平均で864土35エ．．r/／川3と見積もられ、極域の一年氷よりもむしろ多年氷に近い値 を示 す こ と、5） 全層 に わ た ってCt軸が ほぼ鉛直 な氷厚 約1ぐmのニ ラスが 発見され たこと 。 1）．2） の結果か ら、この 海域で は海氷の カ学的 な成長過程が熱力学的な成長よりも卓越して いる こ と が示さ れ、熟 力学的な 成長は 少ないと 見積も られた熱 収支の結 果と合 致する。 これ らの結果 は、南 極域の海 氷に似 た特徴で あり、 特に2）の結果から南極域と同様、raft．ing過 程の重要性が示唆される。3）の観測値は極域の海氷に比べて3p（．、rlnil程低く、日中の表面 融解 に よ るHushing過 程の 影 響 が示 唆 さ れる 。4）の 結 果 も海 氷 内の 融解によ る空隙率 増加 の寄 与 が 示唆さ れる。 このよう に、こ の海域で は厳冬 期におい ても融解 過程が 海氷の備 造に 影響 を 与 えて い る 点が 、 こ の 海域 の 海氷 のーつの 特徴と 思われる 。5） につい ては、こ れま で報 告 例 のな い 構 造で あ っ た ので 、 室 内実 験 に より 、 そ の性 質 を更に 詳し〈 調べてみ た。
室内実験においては、温度条件（―10．−15．ー．20 C）および海水塩分（8．17．25．34pr川‖fハ をパ ラ メ ータ と し て、 海 氷 表 面に 形 成 され るC1軸 が 鉛 直な 層 が どの程 度の厚さ まで成長 し 得る の か を調 べ た 。そ の 結 果 、1） 成 長し得る 層の厚 さは温度 条件より も海水 塩分に対 する 依存 性 が 高い こ と 、2） 観 測 され た 約1ぐmの厚さ まで発 達するた めには 、低塩分 水が必要 で ある こ と 、が分 かった 。熱収支 解析の 結果から 、この 海域にお いては、 日中融 解により 表面 付近 に 低 塩分水 が形成 され得る ことが 示唆され る。従 って、こ の低塩分 水がニ ラスの構 造に
影響を与えた可能性が高い。融解の影響を受けているとぃう点で、これもこの海氷域のーつ の特徴と考えられる。
以上のように、本研究において、いくっかこの海域の海氷の特徴を見い出すことができ
た。世界的に見ても季節海氷域における観測デ一夕は、熱収支観測も海氷サンプル解析も一
部南極域を除いて不十分な現況であるため、本研究の成果は季節海氷域の海氷特性の理解に
役立てられるものと思われる。今後は、更に海氷サンプル解析から海氷構造を調べることに
より、海氷成長過程の特性を解明することが期待される。
学位論文審査の要旨 主査
副査 副査 副査 副査 副査
教授 教授 教授 教授 助教授 教授
若土正曉 池田元美 山崎孝治 竹内謙介 大島慶一郎
山内 恭（総合研究大学数物科学研究科）
学位論文題名
A study on growth processes of sea ice in the southern region of the Okhotsk Sea ，evaluated from heat budget and sea ice sample analysis
（ 熱 収 支 と 海 氷 サ ン プ ル の 解 析 に よ る オ ホ ー ツ ク 海 南 部 の 海 氷 の 成 長 過 程 に 関 す る 研 究 ）
高 緯 度 海 域 に 広 く 分 布 す る 海 氷 が 、 世 界 の 気 候 に 大 き な 役 割 を 果 た し て い る 事 は よ く 知 ら れ て い る 。 な か で も 、 オ ホ ー ツ ク 海は 地球 上で 最も 低緯 度に 位置 す る海 氷域 であ り、
地 球 温 暖 化 の 影 響 が 顕 著 に 現 れ る 場 所 と し て 、 近 年 、 特 に 注 目 さ れ て い る 。 ま た 、 そ の 海 氷 域 が 北 太 平 洋 中 層 水 の 起 源 水 域 で あ り 、 二 酸 化 炭 素 の 吸 収 域 と し て 等 、 物 質 循 環 の 見 地 か ら も 重 要 で あ る 可 能 性 が 指 摘 さ れ て い る 。
レ か し 、 オ ホ ー ツ ク 海 は こ れ ま で 観 測が 少な く、 何故 その よう な低 緯 度で 海氷 が形 成・
発 達 で き る の か 等 、 基 本 的 な 問 題 が 未 解 決 で あ る 。 本 研 究 は 、1996年 以 来 砕 氷 船 そ う や を 用 い て オ ホ ー ツ ク 海 南 西 部 で 実 施 し て い る 、 厳 冬 期 の 海 氷 域 現 場 観 測 に 自 ら 参 加 し て 得 た デ 一 夕 の 中 で 、 特 に こ の 海 域 の 海 氷 の 成 長 過 程 に 焦 点 を 当 て て 解 析 し た も の で あ る 。 季 節 海 氷 域 で の 本 格 的 な 現 場 観 測 は 本 研 究 が 最 初 で あ り 、 オ ホ ー ツ ク 海 南 部 の 、 極 域 と は 異 な る 海 氷 の 特 性 の い く っ か が 明 ら か に な っ た 。 そ の 中 で も 特 に 注 目 さ れ る の は 以 下 の4点 で あ る 。
（1） 海 氷 の ア ル ベ ド を 現 場 で の 観 測 か ら 評 価 し た 。
（2） 熱 収 支 の 解 析 か ら 、 南 部 海 域 に お け る 海 氷 の 一 日 当 た り の 正 味 成 長 量 は 非 常 に 少 な い 事 を 指 摘 し た 。
（3） 海 氷 サ ン プ ル の 解 析 か ら 、 こ の 海 域 で の 海 氷 成 長 過 程 に 関 し て は 熱 力 学 的 成 長 よ り カ 学 的 成 長 の 寄 与 の 方 が 大 き い 事 を 示 レ た 。
