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図1: モデルの検証（1999年の例） 実況： 船舶観測（実線）と係留氷厚計（破線）による氷厚分布 モデル： ΔH=5cmに対応するポアッソン分布（一点鎖線） |
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ＩＩＩ．研究成果の詳細報告
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・清水大輔
北海道大学低温科学研究所
ａ．要約
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本研究では、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。今年度は、両過程に対し、より単純化したモデル化を試み、現象に対する物理的理解を深めることに焦点を絞った。 前年度までに、オホーツク海での係留系及び砕氷船「そうや」での氷厚観測や海氷構造解析などから、海氷の厚くなる過程は熱力学的なものより氷盤どうしの衝突・重なり合い(rafting)による力学過程が本質的であることが示された。これらの観測事実に基づき、開水面で形成された海氷が互いにある割合で乗り重なって氷厚が発達する確率過程的な氷厚発達過程のモデルを考案した。 海氷融解過程に対しては、融解は大気より開水面（海洋混合層）に与えられる熱によってのみ行われるとする簡略化した海氷・海洋結合モデルを提出した。このモデルから、南極海で観測された、海氷密接度(C)と混合層水温（T）の関係(CT-relation)や海氷後退が再現された。さらに、重要な未知パラメーターである海氷海洋間のバルク熱交換係数を推定することが可能である。 オホーツク海の海洋・海氷結合モデルの開発を開始した。今後上で提案された氷厚発達過程・海氷融解過程をこのより現実的なモデルに取り込んでいく予定である。人工衛星のマイクロ波放射計データから薄氷域を検知するアルゴリズムの開発を、南極海及びオホーツク海において、現場のトゥルース観測とともに行った。係留系による氷厚・漂流速度観測・砕氷船「そうや」による現場観測を継続した。これらの衛星・現場データは、海洋・海氷結合モデルに対して比較可能な海氷データセットを与えることにもなる。 |
ｂ．研究目的
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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を決めるキー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・下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季節海氷域に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）による氷厚・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
| マイクロ波放射計データSSM/I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て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により、よい高精度の氷厚アルゴリズムを開発する（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15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を継続する。砕氷船・航空機・衛星から、氷厚分布・氷盤分布の空間時間変化の測定及び海氷のサンプリング等を行う。衛星データから薄氷域を検知するよりよいアルゴリズムを開発し、海氷生産量の時空間変動を求める。これらのデータ・知見に基づき、季節海氷域での海氷成長・融解過程のモデル化を試みる。今年度は、両過程に対し、より単純化したモデル化を試み、現象に対する物理的理解を深めることに焦点を絞る。オホーツク海をモデル海域とした海氷・海洋結合モデルの作成を開始する。 |
ｅ．平成15年度研究成果
①氷厚発達過程モデルの構築
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従来、数値海氷モデルで取り扱われてきた氷厚発達過程は主として氷厚の厚い多年氷を対象としており、季節海氷域に必ずしも適用可能とは限らない。季節海氷域の氷厚発達過程に関しては、そもそも観測も理解も十分ではない状況にある。そこで、従来オホーツク海南部で行われてきた氷厚や海氷サンプルの解析結果をもとに季節海氷域の氷厚発達過程のモデルを考案した。 主な基礎データは、砕氷能力のある巡視船「そうや」を用いてオホーツク海南部で取得した氷厚データおよび海氷サンプルである。氷厚データは、船側に下向きに取り付けたビデオカメラから求めたものと氷厚計の係留観測によって求めたものを用いた。海氷サンプルは1996～2003年にかけて採取した約60個があり、結晶構造、塩分、密度、δ18Oの鉛直プロファイルを吟味した。 解析の結果、オホーツク海南部の海氷の氷厚分布はいずれの年も全体としてはほぼポアッソン分布に従うことが示された（図１）。一方、海氷サンプルの解析結果からは、一つの氷盤は何枚もの海氷（平均層厚5～10cm）が積み重なって形成されている様相が明らかになった(Toyota et al., 2004)。また、熱収支解析からはこの海域は低緯度に位置するために海氷成長量は少ないことから、海氷は穏やかな状況で熱力学的に下面結氷して成長するというよりも、比較的薄い氷が風や波の作用を受けて互いに重なり合う過程(rafting）により成長しているというのがこの海域の平均的な姿と考えられる。そこで、rafting過程のシンプルな確率過程モデルを設定して氷厚分布を計算し、観測との比較を行った。 ここで設定したモデルは、開放水面で形成された基本単位（ΔH）の厚さの氷盤がrafting event毎に一定の割合で各々の氷厚のカテゴリーに積み重なって一つ上の氷厚カテゴリーに移行するという確率過程的なモデルである（図２）。現象的には、raftingによって生じた開水面上で新たにΔHの厚さの氷盤が生成し、次のrafting eventでこの氷盤が各氷厚カテゴリーに積み重なって氷厚が全体として増加する、と説明される。このモデルに従えば、氷厚分布はrafting eventの回数（N）と積み重なる領域の割合（P）を変数とする二項分布に従うことが導出される。一般的にNが十分に大きくPが小さい場合には二項分布はNとPに依らないポアッソン分布に漸近する。この特性を利用して実際の氷厚分布が計算されたポアッソン分布にどの程度合致するかを検証することにより、この概念モデルの有効性を調べた。 検証の結果、各年ともΔHを5か10cmに設定すれば計算されるポアッソン分布に良く従うことが分かった。ΔHは海氷サンプルの解析結果から得られた5～10cmの値とほぼ一致し、また、海氷域表面の熱収支から熱力学的に見積もられる海氷の成長量とも比較的良く合致した。 |
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図1: モデルの検証（1999年の例） 実況： 船舶観測（実線）と係留氷厚計（破線）による氷厚分布 モデル： ΔH=5cmに対応するポアッソン分布（一点鎖線） |
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②融解期の海氷・海洋結合モデル
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南極海のような季節海氷域における海氷融解は、アルベドの小さい開水面を通しての短波放射のインプットが重要となる。夏季の南極海の熱収支解析によると、正味熱収支は海氷表面でほぼ０になるのに対し、開水面では～150 W/m2もの値となる(Nihashi and Ohshima, 2001)。すなわち、南極海域の海氷融解過程は、まず短波放射が開水面に吸収され、その熱が海氷を側面と底面から融かしていく過程が重要であり、海氷と海洋を結合した系として考えることが不可欠となる。 海氷融解期の簡略化した海氷・海洋結合モデルを提出した。このモデルでは、海氷の融解は大気より開水面（海洋混合層）に与えられる熱によってのみ行われるとする（図3参照）。また、海氷融解は、海氷融解率=Kb×C×(T-Tf) (Kh：熱交換係数； Tf：結氷温度)として、パラメタライズする。融解期の結合モデルとしては可能な限り簡単化したモデルとなっているが、それでも線形とはならず、非線型の力学系モデルに帰着される。この系では、変数である海氷密接度(C)と混合層水温（T）の関係が初期値には関係なくある線に収束することが示される(CT-relation)。 これは日本南極地域観測隊の昭和基地沖の観測から発見された、CとTの関係(Ohshima et al., 1998)をよく説明し得る(図4参照)。 本モデルでは海氷と混合層との間のバルク熱交換係数Kbが最も重要な未知パラメーター（直接観測が困難という意味で）となるが、逆に、観測から得られるCT-relationにfittingさせることでKbを見積もることもできる。昭和基地沖の観測からも南極ロス海の観測からも、Kb=1.2*10-4 という値が得られた。この値は、McPhee (1992)らが海氷底面下において直接観測して渦相関法から求めた熱交換係数の約２倍である。 融解は、側面からも、またbrash ice化しても起こるので、これらによる融解が底面融解と同程度であると考えると、2倍という値はこれらの観測結果とも矛盾しない。 南極の周極性を勘案し、このモデルを２次元に拡張し、拡散効果と風による移流の効果（力学効果）を組み込むと、現実の海氷後退も説明しえる。 CT-relationから得られたKb=1.2*10-4を使うと、気候値の海氷後退（図５）だけでなく、年々変動までもある程度再現される。このように融解期に限れば、かなり簡略したモデルで海氷後退をモデル化することが可能であることが示唆された。 |
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| 図3:海氷・海洋結合モデルの概略図 | 図4:CT-relation.シンボルは南極昭和基地沖で観察されたもの。 実線はKb=1.2*10-4とした時モデルから得られるもの |
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| 図5:南半球東経15-45度での、海氷密接度の子午面分布。(a)SSM/Iにより観測されたもの（気候値）。(b)モデル結果（気候値でフォーシングしたもの） |
③氷厚計観測
| 氷厚計の設置は、2004年1月初めにオホーツク海紋別沖の沿岸域で行なわれた。今回は、氷厚計とADCP（海氷漂流速度が計測できる）が対の係留系を、陸岸からの距離が異なる2点で同時に設置した。従来は1点のみでの観測だったので、今回の観測により、海氷の厚さと漂流速度に対する陸岸の効果やスモールスケールの変動を評価することが期待される。 氷厚計の結果からは、raftingなどの力学過程によって形成されるdeformed iceが卓越するという結果が得られた。 |
④オホーツク海南部の氷盤分布の特徴
| 季節海氷域には大小様々な大きさの氷盤が存在する。同じ密接度であっても氷盤の大きさが異なる場合、海水に接している面積が異なるため、特に海氷の融解過程を考える上で有意な差が生じる。従って融解期の季節海氷域を数値モデルで再現する際には氷盤分布の特性を理解することが重要となる。季節海氷域の氷盤分布の特徴を明らかにするために、オホーツク海南部を対象としてLandsat衛星、航空機および船舶の同期観測を行い、1m～数kmという幅の広い大きさの氷盤分布の特徴を調べた。解析の結果、１）氷盤分布は基本的には自己相似性が認められ、大きさ数10mを境に氷盤分布の特徴が変化して異なるフラクタル次元を持つこと、２）氷盤の形状にも自己相似性が見られることなどが明らかになった。 |
⑤人工衛星による海氷生産量の見積もり
| 前述の①からも示唆されるように、季節海氷域では海氷生産のほとんどは薄氷域や開水面域で行われると考えられる。人工衛星のマイクロ波放射計データ（SSM/I）から薄氷域を抽出しその氷厚を求めるアルゴリズムのバージョンアップを行った。さらに熱収支計算を組み合わせることで海氷生産量を見積もることも可能となる。海氷生産の時空間変動（特に海氷生産のほとんどが行われる沿岸ポリニヤでの）を把握できれば、モデルとの比較・検証のためのデータを供することにもなる。なお、平成15年9-10月にオーストラリアの砕氷船による国際共同南極航海に参加し、現場での海氷の表面温度・厚さ・熱フラックスの測定を行い、AVHRR及びSSM/Iデータに対するトゥルースデータを取得した。 |
⑥オホーツク海の海洋・海氷結合モデルの開発
| オホーツク海の海洋・海氷結合モデルの開発を開始した。海洋モデルには、POM (Princeton Ocean Model)のコードを用い、すでにオホーツク海の主な海洋循環・海洋構造をよく再現しているモデルを用いた。海氷モデルは、第一歩としてはHibler(1979)型のもの（池田元美氏より提供）を用いた。海氷の部分とそれを海洋と結合させる部分では、本研究で提案される氷厚発達過程・海氷融解過程のモデル化の成果を、今後取り入れていく予定である。 |
ｆ. 考察
| 今回提唱した、氷厚発達過程の確率過程モデルは開放水面で形成された海氷が互いに乗り重なって氷厚が発達するという点でLange et al. (1989)が提唱した「pancake cycle」の考え方と共通している。従って、季節海氷域に広く適用される可能性もある。今後、オホーツク海を対象とした数値海氷モデルに適用して有効性を検証してゆく予定である。 |
ｇ. 引用文献（成果の発表にあるものを除く）
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Hibler, W.D.III, 1979: A dynamic thermodynamic sea ice model, J. Phys.Oceanogr., 9, 815-846.
Lange, M.A., S.F. Ackley, P. Wadhams, G.S. Dieckmann, and H. Eicken, 1989: Development of sea ice in the Weddell Sea, Ann. Glaciol., 12, 92-96.
McPhee, M. G., 1992: Turbulent heat flux in the upper ocean under sea ice, Journal of Geophysical Research,, 97, 5365-5379.
Nihashi, S. and K. I. Ohshima, 2001: Relationship between ice decay and solar heating through open water in the Antarctic sea-ice zone, Journal of Geophysical Research, 106, 16767-16782.
Ohshima, K. I., K. Yoshida, H. Shimoda, M. Wakatsuchi, T. Endoh, and M. Fukuchi, 1998: Relationship between the upper ocean and sea ice during the Antarctic melting season. Journal of Geophysical Research, 103, 7601-7616. |
ｈ．成果の発表
論文発表（計10編）：
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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, doi: 10.1029/2003JC002090. (in press)
Fukamachi, Y., G. Mizuta, K. I. Ohshima, L. D. Talley, S. C. Riser, and M. Wakatsuchi: Transport and modification processes of dense shelf water revealed by long-term mooring data off the east coast of Sakhalin in the Sea of Okhotsk, Journal of Geophysical Research, 109, doi: 10.1029/2003JC001906. (in press)
Ohshima, K. I., D. Simizu, M. Itoh, G. Mizuta, Y. Fukamachi, S. C. Riser, and M. Wakatsuchi, 2004: Sverdrup balance and the cyclonic gyre in the Sea of Okhotsk. Journal of Physical Oceanography, 34, 513-525.
Mizuta, G., K. I. Ohshima, Y. Fukamachi, M. Itoh, M. Wakatsuchi, 2004: Winter mixed layer and its yearly veriability under sea ice in the southwestern part of the Sea of Okhotsk, Continental Shelf Research, 24, 643-657.
Ohshima, K. I., T. Watanabe, and S. Nihashi, 2003: Surface heat budget of the Sea of Okhotsk during 1987-2001 and the role of sea ice on it, J. Meteor. Soc. Japan, 81, 653-677.
Fukamachi, Y., G. Mizuta, K. I. Ohshima, H. Melling, D. Fissel and M. Wakatsuchi, 2003: 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.
Kusahara, K., K.I. Ohshima, and K. Katsumata, 2003: Two layer model of wind-driven circulation in the Antarctic Ocean, Polar Meteorol. Glaciol., 17, 36-47.
Itoh, M., K.I. Ohshima, and M. Wakatsuchi, 2003: Distribution and formation of Okhotsk Sea Intermediate Water: An analysis of isopycnal climatology data, Journal of Geophysical Research, 108, 3258, doi: 10.1029/2002JC001590.
大島 慶一郎，2003，「南大洋域の観測の重要性」，2002年春季日本気象学会シンポジウム・21世紀の極域科学―今なぜ南極観測なのか，天気，50，604-609.
大島 慶一郎，2003，「東樺太海流と海氷」，2002年秋季日本気象学会シンポジウム・環オホーツク研究の新しい視点，天気，50，503-508. |
口頭発表（計6件）：
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田村 岳史，大島 慶一郎，二橋 創平，平沢 尚彦，2004年: 南極沿岸ポリニヤでの、AVHRRとSSM/Iによる氷厚・熱フラックス・海氷生産量の推定，2004年度日本海洋学会春季大会，筑波大学.
深町 康，水田 元太，大島 慶一郎，若土 正曉，2003年: オホーツク海北海道沿岸域における海氷の厚さと漂流速度の係留観測 II，2003年度日本海洋学会秋季大会，長崎大学.
猪上 淳，豊田 威信，舘山 一孝，高辻 慎也，向井 裕二，中山 雅茂，下田 春人，西尾 文彦，直木 和弘，鈴木 英一，杉本 綾，2003年: オホーツク海氷上のエアロゾル観測，2003年度日本気象学会秋季大会，宮城県民会館.
豊田 威信，高辻 慎也，舘山 一孝，中山 雅茂，直木 和弘，大島 慶一郎，2003年: オホーツク海南部における厚い海氷・積雪の現場観測～2003年2月の観測から～，第26回極域気水圏シンポジウム，国立極地研究所.
豊田 威信，河村 俊行，大島 慶一郎，下田 春人，若土 正曉，2003年: オホーツク海南部の氷厚発達過程について，第26回極域気水圏シンポジウム，国立極地研究所.
豊田 威信，高辻 慎也，舘山 一孝，中山 雅茂，直木 和弘，大島 慶一郎，2004年: オホーツク海南部の比較的厚い海氷の構造特性について，2004年度日本海洋学会春季大会，筑波大学. |
