１－３．季節海氷域での海氷過程のパラメタリゼーションに関する研究

大島慶一郎・深町康・豊田威信・二橋創平

北海道大学低温科学研究所

 

ａ．要約

本研究は、季節海氷域での海氷成長・生産と海氷融解の両方の過程に対して、そのモデル化・パラメタリゼーションをめざしている。今まで蓄積された、オホーツク海での長期係留連続観測および砕氷船による海氷コアサンプリングから、「海氷の成長・発達は、まず第一に開水面でできた薄い海氷（平均約10cm）が互いに重なり合い(Rafting Cycle)、続いてそれらの氷盤（平均約40cm）がridgingによって更に成長する」ことが提案された。このように、海氷の生産は開水面・薄氷域でほとんど行われるので、薄氷域を衛星で検知し熱収支計算を行うことで海氷生産量をマッピングすることを、南極海とオホーツク海で行ってきた。今年度は海氷生産量と中深層水の経年変動の関係を調べ、両者がリンクしていることが示された。海氷生産量を正しくモデルで再現することが、海洋中深層循環の変動をモデル化することに不可欠であることが示唆された。 また、より高分解能のマイクロ波放射計AMSRを用いて、生産量マッピングの高精度化も行った。これらのマッピングにより、局所的に（サブグリッドスケールで）高海氷生産域となる沿岸ポリニヤをパラメタライズするための基礎データを得ることができた。また、同時にこれは海洋及び大気モデルの海氷域での熱塩フラックス条件を与えるデータセットにもなる。海氷融解過程については、簡略化モデルによる海氷密接度と混合層水温の関係を観測値にフィットさせることで得た、海氷・海洋間バルク熱交換係数(Kb）から、従来のKbが摩擦速度（従って風速）に比例する形に対して、Kbが摩擦速度（風速）の2乗・3乗に比例する形の、新たなパラメタリゼーションを提案した。

 

ｂ．研究目的

地球上の海氷域の多くは季節海氷域（冬季のみ海氷がある海域）であり、そこでは海氷面積が大きな年々変動をする。 この海域は 世界の中層水・底層水が作られる海域であるとともに、(断熱材である海氷の有無によって) 大気・海洋間との熱フラックスアノマリーが非常に大きく出る海域でもあり、グローバルな気候変動の鍵となる領域である可能性がある。

今までの海氷のモデル化は、主に北極多年氷域での観測成果に基づいたものとなっている。 多年氷域での海氷の成長・融解過程は、第０近似的には表面で融解・底面で成長するという、鉛直１次元的な考えでよいが、季節海氷域ではこのような考え方が全く当てはまらない。 海氷が融解する過程は、短波放射（日射）がまず海氷の隙間の海洋中に吸収され、その熱が海氷を底面と側面から融解していく過程でほとんどが行われており、融解過程の理解には海氷と海洋を結合した系として扱うことが不可欠である(鉛直１次元的なものでは全くない)。 氷盤の厚くなる（海氷成長）過程も、１次元熱力学で決まるというより、氷盤が重なり合って厚くなる過程の方が重要となることが我々の予備的な研究からも示唆されている。このような季節海氷域特有の海氷過程を適切に表現しうるモデル化やパラメタリゼーションはほとんど行われていないといってよい。

本研究は、典型的な季節海氷域であるオホーツク海を主なモデルサイトとして、現場・衛星観測から海氷生成・海氷融解及び沿岸ポリニヤ過程の実態把握を行い、観測に基づいてそれらの過程のモデル化をめざす。モデル化・パラメタリゼーションはすべての季節海氷域に対して一般化できるものをめざす。

 

ｃ. 研究計画・方法・スケジュール

①海氷データの現場観測（平成14-18年度）

オホーツク海サハリン沖及び北海道沖で係留系（氷厚計・ADCP）による海氷の厚さ・漂流速度の長期連続計測を行う。 毎年2月に砕氷巡視船「そうや」により、海氷サンプリング、氷厚・氷盤の空間分布の観測等を行う。 以上から、海氷過程を知るための海氷の基礎データを得る。

②衛星データのアルゴリズム開発と解析

  マイクロ波放射計SSM/IデータとAVHRRデータから，薄氷域を検知し氷厚を求めるアルゴリズムを開発し、熱収支解析と組み合わせることで海氷生産量の時空間変動を求める（平成14-16年度）。オホーツク海と南極海においては、海氷トゥルース観測も行い、その成果をアルゴリズム開発に反映させる（平成15-16年度）。高分解能のAMSRによる氷厚アルゴリズムを開発し、グローバルに海氷生産量のマッピングを行うことを試みる（平成17-18年度）。

③海氷成長生産過程・海氷融解過程のモデル化・パラメタリゼーション（平成14-18年度）

  現実の観測結果に立脚して、海氷成長生産過程・海氷融解過程のモデル化・パラメタリゼーションを行う。まず簡略化したモデル化からはじめ（平成15-16年度）、より現実的なモデル化へ（平成16-18年度）と進めていく。本部分が本研究課題の核となるものである。

④オホーツク海での海氷・海洋結合モデルの開発 （平成15-17年度）

オホーツク海をモデル海域とした海氷・海洋結合モデルを作成する。

⑤オホーツク海での成果のグローバルモデルへの寄与（平成17-18年度）

 

ｄ. 平成18年度の研究計画

オホーツク海において、氷厚計を備えた係留系による海氷の長期連続モニターと砕氷船による海氷サンプリング観測を継続し、その解析結果を総括して、季節海氷域における海氷成長過程の概念モデルを提案する。高分解能の衛星データより、海氷生産量のグローバルマッピングの高精度化を行い、沿岸ポリニヤをパラメタライズするための基礎データと海氷域での熱塩フラックス条件を与えるデータセットを作成する。以上の海氷成長過程の研究と昨年度まで行ってきた融解過程の研究を、より現実的な海氷・海洋結合モデルに取り入れるための検討を行う。また、上記の海氷の現場・衛星観測データをモデルの検証データとして供する。

 

ｅ．平成18年度研究成果

①オホーツク海南部における海氷のサンプリング解析

　オホーツク海南部での砕氷船「そうや」による海氷観測から、特に成長過程に焦点をあててこの海域の海氷の一般的な特性を詳細に解析した。その結果、下記のことが明らかになった。まず、海氷の結晶構造は粒状氷（全層の約5割）と層状構造（平均層厚12cm）が顕著であることから、氷厚成長過程にとってraftingやridgingのような力学的なプロセスが重要であることが改めて確認された。加えて、氷盤を構成する海氷ブロックの平均厚は約40cmであることから、次のような氷厚発達過程のシナリオが提出された(Toyota et al., 2007)。すなわち、開水面で氷厚約10cmまで成長した海氷が、平坦な海氷が二重に重なる確率的なrafting過程（rafting cycle; Toyota et al., 2004）によって氷厚約40cmまで成長し、それよりも厚い氷はこれらの氷盤が破壊を伴って乗り重なるridging過程によって成長するというように、成長発達過程には2段階が存在することを提唱した（図１）。変移点となる氷厚（約40cm）はビデオ計測から求められた平坦氷の平均氷厚（30～50cm）、それにParmerter(1975)の理論から見積もられるraftingの最大氷厚(22～58cm)とほぼ合致することも傍証となった。更に、海氷上の積雪に海水が浸透して生成されるsnow iceも約10％を占め、氷厚発達に有意に寄与することが確かめられた。

　また、オホーツク海で航空機搭載型Pi-SARと砕氷船による氷厚・表面凹凸計測の同期観測が行われ、これらのデータは互いに良い相関があることが確認された（図2）。これは、氷厚分布はridging過程に関連しているとした我々の解析結果とも合致しており、L-band SARが氷厚推定に有用であることが確認できた。今後、この結果が衛星SARに活用されれば広域の氷厚分布が得られ、今後数値海氷モデルの開発・検証に役立てられることが期待される。

 

②オホーツク海での係留氷厚観測

これまでに北海道沿岸域で行って来た超音波氷厚計の係留観測については、その観測点が陸地から近かったため、人工衛星搭載のマイクロ波放射計と比較するには、陸地の影響を受けてしまうという問題があった。2006-07年冬季の観測では、はじめて陸の影響を受けずに衛星トゥルースができる、より沖合いの海域に氷厚計とADCP（海氷漂流速度計測用）を設置した。沖合い海域では底曳漁が盛んであるため、岸近くの海域に設置していたロープと浮力ブイを使用した係留系ではなく、底曳網によるダメージを受けないような海底マウントを使用した。2007年 3月に無事回収に成功し、連続でかつ高精度の衛星海氷トゥルースデータが得られた。この観測をもって、長期連続して取得してきたオホーツク海での氷厚観測を一旦終えることとなる。

 

③海氷生産量のグローバルマッピングと経年変動

昨年度までは、気候値として南極海の海氷生産量マッピングを行ったが、今年度はその経年変動に注目して解析を行った。主な南極沿岸ポリニヤにおける海氷生産量の経年変動を見ると、ロス海沿岸ポリニヤでの変動が他を比べ格段に大きいことがわかった。特に2000年代の海氷生産は1990年代のそれと比較して25%以上（約100 km３）減少しており（図3）、この減少量は約60Gtの淡水フラックスに相当する。ごく最近、ロス海を起源として、南極底層水が低塩化・低密度化していること、その傾向が特に2000年代以降大きいことが明らかになってきた（Rintoul, 2007）。この原因が、本研究で示されたロス海沿岸ポリニヤでの海氷生産量の減少である可能性がある(Tamura et al., in prep.)。

オホーツク海の北西陸棚ポリニヤも高海氷生産域であり、北太平洋で一番重い水が作られ、これが北太平洋の中層水の沈み込みの源となっている。本年度は、より高分解能であるマイクロ波放射計AMSR-Eデータの薄氷アルゴリズム開発を行い、生産量マッピングの精度を高めた。AMSR-Eは2002年6月から現在まで運用されており、その解像度(36GHzチャンネルで約12km)は、従来のマイクロ波放射計SSM/Iの約倍である。アルゴリズムの開発は、AVHRRデータから見積もられる海氷厚とAMSRの36GHzチャンネルにおける水平・垂直偏波の比(PR)との比較(図4)から行った。この関係から得られたアルゴリズムを用いて、AMSRデータから日毎の薄氷厚データセットを作成し、熱収支計算から海氷生産量のマッピングをおこなった(図5)。本研究によるものは、従来の研究(例えばOhshima et al., 2003)より、沿岸ポリニヤの解像が格段によくなり（特にごく沿岸付近の高海氷生産量域）、より確からしい生産量のマッピングを行うことができた。

オホーツク海においても海氷生産量の年々変動の解析を行い、それが中層水の年々変動とリンクしていることが示唆された。海氷生産量が極大となった2001年で中層水の水温が極小となる。さらにこの50年でみると、オホーツク海及び北西北太平洋の中層は昇温・溶存酸素減少の顕著なトレンドを示している(Nakanowatari et al., 2007)。これは、この50年での海氷生成減少により高密度水の形成量が減少し、オホーツク海さらには北太平洋のヴンティレーションが弱まってきたことを意味する。

以上より、海氷生産量の経年変動は中深層水の変動とリンクしていることが示され、海氷生産量を正しくモデルで再現することが、海洋中深層循環の変動をモデル化することに不可欠であることが示唆された。

f. 5年間の研究成果

オホーツク海での、4年間にわたる砕氷船による海氷コアサンプリング観測から、海氷の成長・発達は、開水面でできた薄い海氷（平均約10cm）が互いに重なり合って厚くなる過程が最も重要であることが示された(Toyota et al., 2004, 2007)。これは、オホーツク海紋別沖での氷厚計とADCP（漂流速度計測用）の係留系長期連続データからも支持され、重なりあった海氷（変形氷）の占める割合は、全海氷体積の約80％にも及ぶことがわかった(Fukamachi et al., 2003, 2006)。以上の知見に基づいて、確率過程による氷厚発達モデル（薄い海氷がある割合で重なり合って厚くなるというモデル）を提出した(Toyota et al., 2004)。このモデルは舷側ビデオ及び氷厚計から得られた氷厚分布をよく説明する。一方、係留系観測などからオホーツク海南部の平均氷厚が約70cmであることも示された（モデルの検証用データ:Fukamachi et al., 2006）。

上記のように、海氷の生産は開水面・薄氷域でほとんど行われる。そこで、薄氷域を衛星で検知し、熱収支計算を行うことで海氷生産量を求めることを行った。そのためにまず、南極海での氷厚トゥルースデータからAVHRRにより海氷厚を見積もる方法を確立し(Tamura et al., 2006)、そのAVHRR氷厚との比較から衛星マイクロ波放射計データ(SSM/I)から氷厚を検知するアルゴリズムを開発した(Tamura et al., 2007) 。この氷厚データと熱収支計算により、南極海とオホーツク海において海氷生産量のマッピングを行った(Ohshima et al., 2003, 2005)。南極海でのマッピングの例（図６:Tamura et al., in prep.）からわかるように、海氷生産のほとんどは沿岸ポリニヤで行なわれることが定量的に示され、局所的に（サブグリッドスケールで）高海氷生産域となる沿岸ポリニヤをパラメタライズするための基礎データを得ることができた。また、同時にこれは海洋及び大気モデルの海氷域での熱塩フラックス条件を与えるデータセットにも使える。図６からは、Ross海に次いでDarnley岬沖での海氷生産量が大きいことがわかり、南極底層水の第4のソースである可能性も指摘された(日本のIPY観測にて、調査予定)。

 

 

海氷融解過程に関しては、南極海の現場・衛星観測に基づいて研究を行った。季節海氷域での海氷融解は、ほとんどが大気より開水面を通して海洋混合層に入った熱によってなされるので、海氷・海洋間の熱交換が重要な過程となる。本研究では、簡略化した海氷・海洋結合モデルを提出し、このモデルから得られる海氷密接度と混合層水温の関係を観測値にfitさせることで海氷・海洋間バルク熱交換係数(Kb)を求める手法を開発した(Ohshima and Nihashi, 2005)。この手法を南極海の様々な海域で適用し(Nihashi et al., 2005)、平均してKb＝1.2×10-4 (m s-1)という値を得た。さらに、従来のKbが摩擦速度（従って風速）に比例する形に対して、Kbが摩擦速度（風速）の2乗・3乗に比例する形の、新たなパラメタリゼーションを提案した。これは物理的には、大気から開水面を通して海洋混合層へ入る熱が混合層内で混合されるプロセスも含めたパラメタリゼーションになっていると解釈できる。

 

g. 参考文献

Parmerter, R. R.: A model of simple rafting in sea ice, Journal of Geophysical Research, 80, 1948-1952, 1975.

Rintoul, S. R.: Rapid freshening of Antarctic　Bottom Water formed in the Indian and Pacific oceans. Geophysical Research Letters, 34, L06606, doi:10.1029/2006GL028550, 2007.

 

h. 研究成果の発表

学会誌等（計17編）

 

Fukamachi, Y., G. Mizuta, K. I. Ohshima, H. Melling, D. Fissel, and M. Wakatsuchi: Variability of sea-ice draft off Hokkaido in the Sea of Okhotsk revealed by a moored ice-profiling sonar in winter of 1999, Geophysical Research Letters, 30, doi: 10.1029/2002GL016197, 2003.

Fukamachi, Y, G. Mizuta, K. I. Ohshima, T. Toyota, N. Kimura, and M. Wakatsuchi: Sea-ice thickness in the southwestern Sea of Okhotsk revealed by a moored ice-profiling sonar, Journal of Geophysical Research, 111, doi:10.1029/2005JC003327, 2006.

Nakanowatari T., K. I. Ohshima, M. Wakatsuchi, 2007: Warming and oxygen decrease of intermediate water in the northwestern North Pacific, originating from the Sea of Okhotsk, 1955-2004. Geophysical Research Letters, 34, L04602, doi:10.1029/2006GL028243, 2007.

Nihashi, S., K. I. Ohshima, M. O. Jeffries, and T. Kawamura: Sea-ice melting processes inferred from ice-upper ocean relationships in the Ross Sea, Antarctica. Journal of Geophysical Research, 110, C02002, doi:10.1029/2003JC002235, 2005.

Ohshima, K. I., T. Watanabe, and S. Nihashi: Surface heat budget of the Sea of Okhotsk during 1987-2001 and the role of sea ice on it, Journal of Meteorological Society of Japan, 81, 653-677, 2003.

Ohshima, K. I., D. Simizu, M. Itoh, G. Mizuta, Y. Fukamachi, S. C. Riser, and M. Wakatsuchi: Sverdrup balance and the cyclonic gyre in the Sea of Okhotsk, Journal of Physical Oceanography, 34, 513-525, 2004.

Ohshima, K. I., S. Riser, and M. Wakatsuchi: Mixed layer evolution in the Sea of Okhotsk observed with profiling floats and its relation to sea ice formation, Geophysical Research Letters, 32, L06607, doi:10.1029/2004GL021823, 2005.

Ohshima, K. I., and S. Nihashi: A simplified ice-ocean coupled model for the Antarctic ice melt season, Journal of Physical Oceanography, 35, 188-201, 2005.

Ohshima, K. I., T. Tamura, and S. Nihashi: Detection of coastal polynyas and ice production in the Antarctic and Okhotsk Seas from SSM/I. Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2005, Seoul, Korea, 2005.

Ohshima, K. I., S. Nihashi, E. Hashiya, and T. Watanabe: Interannual variability of sea ice area in the Sea of Okhotsk: Importance of surface heat flux in fall, Journal of Meteorological Society of Japan, 84, 907-919, 2006.

Ono, J., K. I. Ohshima, G. Mizuta, Y. Fukamachi, and M. Wakatsuchi: Amplification of diurnal tides over Kashevarov Bank in the Sea of Okhotsk and its impact on water mixing and sea ice, Deep Sea Research, 53, 409-424, 2006. 

Simizu, D., and K. I. Ohshima: A model simulation on the circulation in the Sea of Okhotsk and the East Sakhalin Current, Journal of Geophysical Research, 111, C05016, doi:10.1029 /2005JC002980, 2006.

Tamura, T., K. I. Ohshima, H. Enomoto, K. Tateyama, A. Muto, S. Ushio, and R. A. Massom: Estimation of thin sea-ice thickness from NOAA AVHRR data in a polynya off the Wilkes Land coast, East Antarctica, Annals of Glaciology, 44 , 269-274, 2006.

Tamura, T, K. I. Ohshima, T. Markus, D. J. Cavalieri, S. Nihashi, and N. Hirasawa: Estimation of thin ice thickness and detection of fast ice from SSM/I data in the Antarctic Ocean. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. (in press) 2007.

Toyota, T., T. Kawamura, K. I. Ohshima, H. Shimoda, and M. Wakatsuchi: Thickness distribution, texture and stratigraphy and a simple probabilistic model for dynamical thickening of sea ice in the southern Sea of Okhotsk, Journal of Geophysical Research, 109, C06001, doi: 10.1029/2003JC002090, 2004.

Toyota, T., S. Takatsuji, and M. Nakayama: Characteristics of sea ice floe size distribution in the seasonal ice zone, Geophysical Research Letters, 33, L02616, doi:10.1029/2005GL024556, 2006.

Toyota, T., S. Takatsuji, K. Tateyama, K. Naoki, and K. I. Ohshima: Properties of sea ice and overlying snow in the southern Sea of Okhotsk, Journal of Oceanography, 63, 393-411, 2007.