共同研究・競争的資金等の研究課題

前年度にNatureに論文発表を行ったメキシコ湾流の大気応答に関して, データ解析, 領域大気モデル, 大気大循環モデルを用いた複合的研究を行った. データ解析では, 夏季と冬季に大きく異なる大気応答が生じることを示し, これを仮に夏季モード, 冬季モードと名付けた. 領域大気モデルでは, 力学的なメカニズムを同定する手法を開発し, これを湾流に対する接地境界層応答に適用して, 風の水平収束の大部分が圧力調整メカニズムによることを定量的に明らかにした. この風の収束は, 降水や対流圏上空に及ぶ上昇気流と関連して興味深いものである. また, 大気大循環モデルAFESでの実験から、SSTフロントに沿って現れる降水バンドが、SST勾配に伴う表面風の収束に伴う水蒸気収束とメキシコ湾流からの蒸発によってもたらされ、鉛直風の応答高度は季節変化する対流圏の安定度に伴って季節変動することを明らかにした。 また、大気海洋結合モデルCFESを用いて20年以上の全球高解像度計算を実施し、人工衛星観測で捉えられている海洋フロント域での風応力場の構造や降水量の分布などが、計算結果において再現されていることを確認した。さらに, 環オホーツク圏領域気候モデルを用いて1998年7月に発達したオホーツク海高気圧とそれに伴う下層雲について再現実験を行い、現場観測と比較した。定量的には改善の余地があるが、下層雲ま...

黒潮などの大気への影響を明らかにし，また大気がさらに海洋にフィードバックする可能性を探るために，特に東シナ海の黒潮に着目して研究を行った．データ解析によって，東シナ海の黒潮上で梅雨期に「深い大気加熱モード」が卓越し，日周期の降水変動が生じていることを発見した．数値計算では，東シナ海の存在が日本付近で低気圧の発達を促し，また東シナ海の季節的な昇温が九州の豪雨に重要であることを示した．東シナ海での船舶観測で，冬季に黒潮上での風の弱化を見出し，梅雨期には対流有効位置エネルギーが降水応答に重要であることを示した．一連の成果は,現在国際的に注目されている中緯度大気海洋相互作用研究への重要な貢献である．

黒潮続流域の海面水温偏差の形成に重要な混合層厚偏差の形成メカニズムの調査を進めるとともに、北太平洋における十年規模の気候変動において重要な役割を果たす水温偏差の再出現過程の実態の解析を推進した。また、北太平洋亜寒帯循環表層の塩分躍層について、永年的な躍層に加え、夏季に発達する季節的な躍層を見出した。 水平解像度1/30度の高解像度北太平洋海洋モデルOFES2の1990年から2016年までの過去再現実験の出力を用い，北太平洋の亜熱帯反流域で冬季に活発なサブメソスケールの微細現象循環場の経年から十年規模変動を調べた。一方で、OFES2を用いた水平解像度1/10度の北太平洋海洋モデルに対して低次生態系の動的環境適応（FlexPFT）モデルと従来の低次生態系モデルをそれぞれ結合させ、それぞれシミュレーションを実施した。その結果、動的環境適応モデルは従来のモデルに比べて、特に亜熱帯域におけるクロロフィル濃度極大層をよく再現できることが示された。 2017年に発生した黒潮大蛇行のアンサンブル予測実験を実施し、現実同様、大蛇行の長期化を予測した。黒潮の低流量状態が持続していることが長期化の要因と考えられる。また、黒潮続流の下流域においては海洋中規模渦の活動度の経年・十年規模変動が数年前から予測出来る可能性があることを示唆した。 黒潮のような海盆西岸に形成される強い海流と同様に急峻な水平温度勾配を伴う内海と陸の境界に着目して大気大循環モデルを用いた数値実験を実施し、海岸域に表層風の収束・発散が生じること、その影響の及ぶ高度が夏季と冬季で異なること、などを見出した。また、大気大循環モデルAFESによる高解像度（約50km）アンサンブル過去再現実験を実施し、この実験結果と大気再解析データを組み合わせ、北太平洋域の大気変動の強制応答成分を評価した。

データ同化の成否は、観測データの質・量のみならず、使用する数値モデルの性能にも大きく左右されるため、平成23年度も引き続き、海洋海氷結合モデルOFES(Ocean General Circulation Model for the Earth Simulator)の改良を行った。特に、OFESの基となった海洋大循環モデルMOM3(Modular Ocean Model version3)における短波透過の取扱いの問題点とその影響を定量的に評価した。一方、実験的海氷変動予測システムESPreSSOの開発に当たり、当初は海洋海氷結合モデルOFESを使用する予定であったが、検討した結果、海氷および海洋表層におけるアンサンブルメンバー間のばらつき(スプレッド)を十分大きくするためには、大気海洋海氷結合モデルCFES(Coupled Atmoephere-Ocean Model for the Earth Simulator)を使用する方がより適切であることが判明した。そこで計画をやや変更し、CFESを用いた大気海洋海氷結合アンサンブルデータ同化システムのプロトタイプを構築した。現状では大気の観測データのみを同化可能であるが、数ヶ月間の解析・予報サイクルが安定して動作していることを確認した。平成24年度には、海面水温と海氷密接度・海氷厚の観測データを同化する機能を実装する予定である。ま...

アンサンブル手法を用いて全球大気海洋結合モデルに大気観測データを同化するシステムを構築し，2ヶ月間の実験的な再解析を実施した．海面水温と降水のラグ相関関係など，大気海洋相互作用の影響をより適切に反映できるようになっただけでなく，大気大循環モデルに基づいたシステムには見られなかった熱帯太平洋における海盆規模の相関構造が見出された． また，アンサンブル平均およびスプレッドの時間発展に関する基礎的な方程式を導出し，結果の解釈を行う上で基盤となる興味深い知見が得られた．

中緯度海洋が大気の様々な現象に影響を与えていることを，数値計算とデータ解析を組み合わせ，北西太平洋上の梅雨明け，台風の経路と強度，ヨーロッパ・ブロッキングとそれに伴う異常低温，などについて発見した．高度十mでの海上表面風について，全球の主要な中緯度海流域で気圧調整メカニズムが働いていることを見出し，また時間平均場の海上表面風のメカニズムを同定する診断方法を開発して気圧調整メカニズムともう一つの重要なメカニズムである鉛直混合メカニズムが共存していることを初めて定量的に示した．また黒潮続流にjet-trappedロスビー波が生じていることを初めて観測から示し，その日本沿岸水位への影響を見出した．

短期変動予測への応用に資するため、全球大気海洋結合モデル CFES へ海面水温の観測データのみを簡便な手法（ナッジ法）を用いて同化する試験的な季節予測システムについて、前年度同様に、毎月1日から6ヶ月間・12メンバーでの予測実験を準リアルタイムで継続した。 また、大気大循環モデル AFES において、黒海やカスピ海など、全球を対象とした数値モデルでは三次元的に計算することが困難な内海に関して、非一様な水深分布を入力可能なように改良し、より現実的な水温変動が再現できることを確認した。さらに、内海に高温偏差が存在する場合、内海と周辺の陸域との熱的コントラストに起因して、風上側で発散偏差・風下側で収束偏差が生じ、海岸線に沿った発散域で少雨偏差・収束域で多雨偏差が生じ得ること、これらに伴い、内海周辺での降水分布も改善することを見出した。 AFES と局所アンサンブル変換カルマンフィルタ (LETKF) を用いたアンサンブルデータ同化システム ALEDAS2 に、一つ一つの観測データに対する予報感度を診断できる EFSO と呼ばれる手法を導入し、実験結果をまとめた共著論文が、アメリカ気象学会が出版する Weather and Forecasting 誌に受理・オンライン公開された。この論文では、北極域・中緯度域・熱帯域のいずれの緯度帯においても2-3日先までの予報に対する影響を正しく推定できること、特に北極域の観測データは北米の6-7日先の予報を改善しうることを示した。

海洋変動の原因を理解するために重要なエクマン・パンピングは，赤道ではその値が発散するために，赤道域の現象には利用されてこなかった．本研究ではこの困難を解決するために，エクマン・パンピングを外力として用いるエクマン・パンピング駆動モデルおよびそのアジョイント後方積分版を，世界で初めて提案し，作成した．さらに，エクマン・パンピング駆動モデルを用いた数値実験を行い，その結果，赤道の上層海洋変動については，インド洋が太平洋よりも赤道外の寄与が大きいこと，インド洋ダイポールモード現象については規模が大きなイベントには赤道外のエクマン・パンピングが重要であること，などの知見を得た．

冬季の季節海氷域の形成、および夏季のオホーツク海高気圧とそれに伴う下層雲の発生という、オホーツク海・北極圏における特徴的な季節性に関わる大気海洋（海氷）相互作用について探求した。夏季のオホーツク海では下層雲－海面水温フィードバックにより、海面水温が低く維持されることが明らかとなった。また、冬季のオホーツク海に特徴的なのは、その海氷変動が北極海・東シベリア海における先行する夏の海氷変動と連動している、ということである。気圧偏差の年平均で定義した北極振動（Annual AO）という新しい視点から、北極域・オホーツク海域における、海域・季節を越えてリンクするフィードバックシステムの解明を進めた。

モンスーンに伴い太平洋とアジア大陸との海陸熱コントラストがもたらす「東西の熱的せめぎ合い」の気候系への影響に関する研究を予定通り達成できた．特に，日本北方に停滞性ブロッキング高気圧を形成し，冬季モンスーンの異常な強化をもたらす対流圏循環異常が，惑星規模波動の秋から冬への季節的な増幅の異常な強化の現れで，北極上空の成層圏を寧ろ寒冷化させて成層圏オゾン減少にも寄与し得ることを見出した．一方，梅雨期に夏季モンスーンに伴って熱帯からの気流が流れると，東シナ海の黒潮沿いに積乱雲が組織化されることや，盛夏期にかけての急速な東シナ海北部の温暖化に伴って梅雨末期に集中豪雨が最も起こり易くなる事が見出された．