종합연구대학원대학 복합과학연구과 극역과학전공 연구팀은 최근 진행하는 북극해의 온난화(해빙감소) 및 유라시아대륙의 이상한파가 멕시코만류의 유로(유축)의 변화에 따라 일어난다는 것을 기상데이터의 해석 및 수치모델에 의해 해명하였다.
최근 일어나는 북극의 온난화는 겨울에 가장 현저하며, 해빙면적에도 그 영향이 나타난다. 특히 북극해 바렌츠해의 해빙감소는 뚜렷하며 지금까지 일본을 포함하는 중위도영역에서 발생하는 한파와의 관계성을 지적하고 있다. 한편 중위도의 따뜻한 겨울 및 추운 겨울은 엘리뇨, 라니냐 등 저위도에서의 영향과 북극진동 등 고위도의 영향으로도 설명된다. 그럼에도 불구하고 중위도의 해류변동이 미치는 대기로의 영향도 부정할 수 없으며, 더욱 광범위하게 논의를 할 필요가 있다. 그래서 본 연구에서는 북대서양 열운송의 대동맥인 멕시코만류에 주목하여, 만류의 수온분포 변화가 극지역의 온난화(해빙감소)와 대륙의 한파형성에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다.
바렌츠해의 입구에 해당하는 베어 아일랜드의 12월 기온데이터를 이용하여 평년보다 따뜻한 겨울 9년분과 추운 겨울 8년분의 합성해석을 수행하면 따뜻한 겨울은 북극의 그린란드에 기압이 낮은 상태(저기압편차), 유라시아대륙 연안에 기압이 높은 상태(고기압 편차)가 뚜렷하며, 북대서양에서 북극해로 따뜻한 공기를 동반하는 남풍이 생기기 쉬운 기압배치가 된다는 것을 알게 되었다. 그 때문에 북극해상은 예년보다도 따뜻한 반면에 대륙은 따뜻한 공기가 운반되지 않아 예년보다 추운 겨울이 될 것이다. 또한 강수량의 합성해석에서는 따뜻한 겨울보다 북극해에서의 강수량 증가, 대륙에서의 강수량 감소가 나타나 북극으로 침입하는 저기압 활동의 증가를 지적한 과거의 연구와도 모순되지 않는 결과이다. 주목할 만한 것은 이 강수량의 변화가 북대서양 지역에서 발생한다는 점으로, 이것은 해당 해역에서의 무언가가 대기에 영향을 주었을 가능성을 시사한다.
그래서 북미 동쪽 해안의 표면수온 분포에 주목하였다. 해면수온의 합성해석에 따르면 따뜻한 겨울은 북미 동쪽 해안에서 동쪽 1,500km 근해까지 표면수온이 1.5도 높아졌다. 이것은 따뜻한 겨울이 추운 겨울과 비교하여 멕시코 만류의 유축이 북상하고, 따뜻한 수역이 북측까지 연장되었기 때문이다. 이 유축의 북상에는 만류 상의 대류활동(강수형성에 의한 상공의 가열분포)을 변화시켜, 그 결과 생기는 상공의 편서풍의 사행이 북대서양, 북극해, 유라시아대륙 상 일련의 변동을 가져왔다.
상기 메커니즘을 확인하기 위하여 대기선형 경압모델로 멕시코만류 상의 대류활동(열원분포)을 변화시킨 수치실험을 수행한 결과 북대서양과 유라시아대륙 연안에서의 고기압 강화, 유럽을 중심으로 한 한기의 형성 등 관측사실을 지지하는 결과를 얻었다. 또한 재현된 바렌츠해 부근의 기압배치는 기온상승, 해빙감소의 효과가 있는 남풍을 가져온다. 따라서 선행연구에서 지적된 바렌츠해의 해수감소에 따른 대륙한랭화 프로세스를 증폭하는 역할이 멕시코만류의 변동에도 있다는 것을 시사한다. 즉, 멕시코만류의 변동은 대륙의 한랭화에 직접적으로 기여하는 것만이 아닌, 바렌츠해상의 열원분포 변화를 통해 간접적으로도 영향을 미치고 있다.
본 연구의 성과는 북극의 해빙감소 및 일본을 포함한 동아시아지역에 형성되는 한파의 예측 향상에 공헌한다고 생각된다. 특히 수개월 전 멕시코만류의 수온분포를 지표로 하여 겨울의 중위도 한파예측에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 다른 연구에 앞서 멕시코만류의 수온변화에 착안하였지만, 쿠로시오(黒潮)에 초점을 맞춘 연구도 앞으로 중요하다고 생각된다.
해빙감소에 따른 대륙의 한랭화는 지구온난화에서 과도적인 현상이라고 생각하고 있으며, 앞으로는 겨울 중위도에서도 온난화가 재개될 것으로 예측된다. 그러나 본 연구에서는 중위도 해양의 중요성을 지적하고 있으며, 보다 정밀한 장래 예측을 수행하기 위해서는 중위도 해양을 구동하는 해양대순환과 대기-해양 상호작용 분야의 연구발전이 요구된다.
(그림 1) (a) 바렌츠해의 해빙면적(%), (b) 12월의 베어 아일랜드 기온의 평년에 대한 차의 시계열
(그림 2) (a) 베어 아일랜드의 따뜻한 해에 출연하는 기압편차(선)과 기온편차(색), (b) 멕시코만류의 수온분포변화에 의해 발생하는 대기응답
(그림 3) 멕시코만류의 북상으로 일본에 한파가 도달하기까지의 개념도
[원문보기]
［プレスリリース］メキシコ湾流の流路変化がもたらす北極海の海氷減少とユーラシア大陸の異常寒波
総合研究大学院大学・複合科学研究科・極域科学専攻の佐藤和敏氏らの研究チームは、近年進行する北極海の温暖化（海氷減少）およびユーラシア大陸の異常寒波が、メキシコ湾流の流路（流軸）の変化によって引き起こされていることを、気象データの解析及び数値モデルにより解明しました。
冬季北極海の温暖化と同時に引き起こされる大陸の寒冷化は、最近では社会的にも影響が増大しつつある現象です。これまでは、海氷の減少に起因する中緯度気候への影響が調べられてきましたが、その海氷減少の原因をも考慮した、より広域のメカニズムは未解明でした。そこで今回は、北極海に流れ込む暖流の源流であるメキシコ湾流に着目しました。近年メキシコ湾流の流路は北にずれる年が多く、冬季湾流上の対流活動の変化を通じて偏西風の蛇行に影響を与えます。その結果、本来ユーラシア大陸上に流れ込んでいた北大西洋上の暖かい空気は、南風として北極海に入り込みやすくなるため、北極海上を暖めるだけではなく、海氷をより北へ押し流すことでその面積を縮小させます。
一方、大陸には例年よりも熱が運び込まれなくなるため寒い冬となります。したがって、地球温暖化が進行しているにもかかわらず近年欧州や東アジア域で厳冬年が頻発しているのは、湾流の変動が原因の一つと言え、このメカニズムは中高緯度気候予測に資する極めて重要な知見と言えます。
本研究成果は、2014年8月15日（現地時間）発行の英国の科学雑誌「Environmental Research Letters」に掲載されます。
研究の背景
近年生じている北極の温暖化は冬季に最も顕著で、海氷面積にもその影響が現れています（図1a）。特に、北極海のバレンツ海の海氷減少は著しく、これまで日本を含む中緯度領域で生じている寒波との関係性が指摘されています（※1）。一方、中緯度の暖冬・寒冬は、エルニーニョ・ラニーニャなどの低緯度からの影響や、北極振動などの高緯度の影響でも説明されています。しかしながら、中緯度の海流変動が及ぼす大気への影響も否定できず、さらに広範囲の議論を行う必要があります。そこで、本研究では北大西洋の熱輸送の大動脈であるメキシコ湾流に着目し、湾流の水温分布変化が極域の温暖化（海氷減少）や大陸上の寒波形成にどのような影響を与えているのかを調べました。
研究成果
バレンツ海の入り口に相当するベアーアイランドの12月の気温データを用い、平年より暖かい冬の９年分（暖冬年）と寒い冬の８年分（寒冬年）の合成解析（※2、図1b）を行うと、暖冬年は北極のグリーンランドに気圧の低い状態（低気圧偏差）、ユーラシア大陸沿岸に気圧の高い状態（高気圧偏差）が顕著で、北大西洋から北極海へ暖かい空気を伴う南風が生じやすい気圧配置になっていることがわかりました（図2a）。そのため、北極海上は例年よりも暖かくなる一方、大陸には暖かい空気が運びこまれず例年より寒い冬となりました。また、降水量の合成解析では、暖冬年は北極海での降水量の増加、大陸での降水量の減少が見られ、北極へ侵入する低気圧活動の増加を指摘した過去の研究とも矛盾しない結果です（図3）。注目に値するのは、この降水量の変化が北大西洋域から生じているという点で、これは当該海域での何かが大気に影響を与えている可能性を示唆します。
そこで北米東岸の表面水温分布に着目しました。海面水温の合成解析によると、暖冬年は北米東岸から東方1,500km沖まで表面水温が1.5℃高くなっていました（図4）。これは、暖冬年が寒冬年と比べてメキシコ湾流の流軸が北上し、暖かい水域が北側まで張り出したためです。この流軸の北上は、湾流上の対流活動（降水形成による上空の加熱分布）を変化させ、その結果生じる上空の偏西風の蛇行が北大西洋・北極海・ユーラシア大陸上の一連の変動をもたらしていました。
上記のメカニズムを確認するため、大気線形傾圧モデル（※3）でメキシコ湾流上の対流活動（熱源分布）を変化させた数値実験を行ったところ、北大西洋とユーラシア大陸沿岸での高気圧の強化、欧州を中心とした寒気の形成など観測事実（図2b）を支持する結果を得ました。また、再現されたバレンツ海付近の気圧配置は気温上昇・海氷減少の効果がある南風をもたらすため、先行研究で指摘されてきたバレンツ海の海氷減少に伴う大陸寒冷化プロセスを増幅する役割がメキシコ湾流の変動にはあることが示唆されます。すなわち、メキシコ湾流の変動は大陸の寒冷化に直接的に寄与しているだけでなく、バレンツ海上の熱源分布の変化を通じて間接的にも影響を与えていることになります。
今後の展望
本研究の成果は、北極の海氷減少や日本を含む東アジア域に形成される寒波の予測向上に貢献すると考えられます。特に、数ヶ月前のメキシコ湾流の水温分布を指標にし、冬季の中緯度の寒波予測に応用することが期待されます。本研究では、他の研究に先駆けてメキシコ湾流の水温変化に着目しましたが、黒潮など他の海流に焦点を当てた研究も今後重要となると思われます。
海氷減少に伴う大陸の寒冷化は地球温暖化における過渡的現象であると考えられており、今後は冬季中緯度でも温暖化が再開すると予測されています。しかし、本研究では中緯度海洋の重要性を指摘しており（図5）、より精緻な将来予測を行うには中緯度海洋を駆動する海洋大循環と大気−海洋相互作用分野の研究発展が望まれます。
※2：暖冬年と寒冬年の合成解析
合成解析では、ベアーアイランド（図1b）の気温時系列から暖かい年９年分（暖冬年）と寒い年８年分（寒冬年）を抽出し、暖冬年から寒冬年を引いた差を調べた。
※3：大気線形傾圧モデル（LBM）
大気線形傾圧モデルは、熱源変化に伴う大気への影響を調べる数値モデルで、異常気象発生時に気象庁でも用いられる（Watanabe and Kimoto 2000）。主に熱帯からの影響について議論されるが、今回は北大西洋域からの影響について議論した。
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