海洋動的サーモスタット

海洋動的サーモスタットは、平均放射強制力の変化が太平洋の海面水温の勾配とウォーカー循環の強さに影響を与える物理的メカニズムです。放射強制力の増加 (温暖化) は、冷たい水塊の湧昇によって温度変化が弱まる東部太平洋よりも西部太平洋でより効果的です。これにより、東西温度勾配が増加し、ウォーカー循環が強化されます。放射強制力の減少 (冷却) は逆の効果をもたらします。

このプロセスは、日射量や気候変動と相関する太平洋の温度勾配の変動を説明するために利用されてきた。また、エルニーニョ現象と火山噴火の相関関係の仮説や、20世紀に発生した温度勾配の変化にも関係している可能性がある。海洋の動的サーモスタットが人為的な地球温暖化に対する太平洋の反応を制御しているかどうかは、競合するプロセスが作用しているため不明である。潜在的には、初期の温暖化中にラニーニャのような気候傾向を引き起こし、その後他のプロセスによって上書きされる可能性がある。

赤道太平洋は、地球全体の大気循環に対する相対的な影響という点で、地球の重要な地域です。特徴的な東西温度勾配は、大気循環であるウォーカー循環と結びついており[ 1 ^]、さらに大気と海洋の力学によって制御されています。^[2]西太平洋には、地球上で最も暖かい海面水温(SST) が見られる、いわゆる「温水プール」があります。逆に、東太平洋では、「冷舌」と呼ばれる領域は、同じ緯度にあるにもかかわらず、冷水が湧き上がるため、常に温水プールよりも低温です。この 2 つの間の温度勾配は、今度は、 SST 勾配に強く反応する大気循環であるウォーカー循環を引き起こします^{[3] 。 [4]}

気候の重要な要素の1つは、気候変動モードであるエルニーニョ・南方振動（ENSO）です。正の（エルニーニョ）フェーズの間、中央および東部太平洋の海水は通常より暖かく、一方、寒冷な（ラニーニャ）フェーズの間、海水は通常より冷たくなります。これらのSSTの変化と相まって、東部太平洋と西部太平洋の間の気圧差が変化。ENSOとウォーカー循環の変動は、森林火災、干ばつ、洪水、熱帯低気圧活動などの自然災害を含む世界中の天候に影響を及ぼします。 ^[5]大気循環は、海洋による熱の吸収、熱帯収束帯（ITCZ）の強さと位置、熱帯降雨量、インドモンスーンの強さを調整します。^[6]

1996年5月にすでに孫と劉は、海風、海面、海流の相互作用が西太平洋の水温を制限する可能性があるという仮説を発表していた。^[7]その研究の一環として、彼らは平衡温度の上昇が東太平洋と西太平洋の間の温度勾配の増加を引き起こすことを発見した。^[8]

海洋の動的サーモスタット機構は、1996 年に Clementらが赤道海の海洋大気結合モデルで発表した論文で説明されている。西太平洋では SST は蓄熱と熱流束によってのみ左右されるが、東太平洋では水平および垂直の移流も役割を果たす。したがって、強制された加熱源は主に西太平洋を温め、東風を強くして東太平洋の湧昇を促進し、水温を下げる。これは加熱から予想されるパターンとは逆のパターンである。赤道に沿って湧昇した冷たい水は赤道から離れて広がり、盆地全体の温暖化を低下させる。^[9]西太平洋と東太平洋の間の温度勾配がこのように増加し、貿易風が強まり、湧昇がさらに増加する。これは最終的にラニーニャに似た気候状態をもたらす。^[2]この機構は季節性があり、湧昇は北半球の春に最も効果が低く、北半球の秋に最も効果が高いため、主に秋に作用する。^[10]垂直温度構造により、ENSOの変動はサーモスタット機構による冷却時にはより規則的になり、温暖化時には減衰します。^[11]

クレメントら1996のモデルは温度異常のみを考慮しており、エネルギー収支全体は考慮していない。しばらくすると、温暖化は湧昇水源地域とサーモクラインに広がり、最終的にサーモスタットを弱めるだろう。^[9]このモデルの主な欠陥は、湧昇水の温度が時間の経過とともに変化しないと仮定していることである。^[2]

その後の研究では、温暖化の構造が異なる多くの気候モデルで海洋の動的サーモスタット機構が検証され^[12]、また気候の寒冷化に応じて逆の反応（SST勾配の低下）が発生することも確認されています。^{[13]完全結合モデルでは、}日射量の減少とともに大気循環が強まる傾向があり、太陽活動の低下に対するサーモスタットの反応が打ち消されることがあります。^[14] Liu、Lu、Xie 2015 は、海洋の動的サーモスタットがインド洋でも機能できると提案し^[15]、この概念は赤道太平洋だけでなくインド太平洋全体にまで拡張されました。^[16]

西太平洋から水がオーストラリアとアジアの間の海峡を通ってインド洋に流れ込む現象は、インドネシア通過流として知られています。^[17] Rodgers et al. 1999は、海洋の動的サーモスタットに関連するより強い貿易風がインド洋と太平洋の海面差を拡大し、通過流が増加して太平洋がさらに冷却される可能性があると仮定しました。 ^[18] An et al. 2022は、インド洋での同様の効果により、二酸化炭素が除去された後にインド洋ダイポールモードに変化が生じる可能性があると仮定しました。^[19]

海洋の動的サーモスタットは、次のことを説明するのに使用されています。

• 海洋同位体ステージ3におけるグリーンランドの寒冷化は、太平洋のエルニーニョのような気候変動と関連しているという観察。 ^[20]
• 太陽変動が激しい時期にENSO変動が減少する。^[21]
• 20世紀末の寒冷な10年規模太平洋振動への移行。 ^[22]

海洋の動的サーモスタット機構は、火山噴火とENSOの変化を結び付けるために利用されてきた。^[23] 火山噴火は、入射する太陽放射を反射するエアロゾルと二酸化硫黄を成層圏に注入することで、地球を冷却することができる。古気候記録では、火山噴火の後にエルニーニョ現象が起こることが多いと示唆されているが、これが既知の歴史的噴火に当てはまるかどうかは疑問であり^[5]、気候モデリングの結果はあいまいである。^[13]一部の気候モデルでは、海洋の動的サーモスタットプロセスが火山噴火後のエルニーニョ現象の発生を引き起こし、他のモデルでは、追加の大気プロセスが太平洋のSST勾配に対する海洋の動的サーモスタットの効果を上書きする。^[24]

海洋の動的サーモスタットプロセスは、ドルトン極小期^[26]などの日射量の変化^[25]や太陽周期^[27]と相関する東太平洋のSSTの変動を説明できるかもしれない。秋と夏の日射量が増加した初期および中期完新世の間、また西暦900年から1300年の間の中世気候異常の間、東太平洋のバハカリフォルニア沖のSSTは通常よりも寒かった。この間、北アメリカ南西部は深刻な大干ばつに見舞われたが、これも太平洋のSSTのラニーニャのような傾向と関連している可能性がある。逆に、日射量の少ない期間^{[28] [29]}と小氷期にはSSTは上昇した。この地域はカリフォルニア海流内にあり、東太平洋^[30]の影響を受け、湧昇水の温度を制御している。^{[31]これは、追加の}有孔虫種の分析によってさらに裏付けられた。^[32]中世の気候異常とローマ温暖期^[33] （西暦50～400年）の間にペルー沖の海水で生産性が増加したのは、世界中の気候がより温暖だった時期であり^[34] 、サーモスタットによるサーモクライン浅化と栄養豊富な水の湧昇増加によって起こった可能性がある。^[33]しかし、赤道太平洋の気候と日射量の変化を結びつける追加のメカニズムが提案されている。^[35]

人為的な地球温暖化によって引き起こされる赤道太平洋のSSTの変化は、地域的および地球規模の気候パターンに影響を与えるため、気候予測における重要な問題です。^[36]海洋の動的サーモスタットメカニズムにより、東太平洋の人為的な温暖化が西太平洋に比べて減少し、SST勾配とウォーカー循環が強化されると予想されています。これは、ウォーカー循環の弱体化^[1]と、地球温暖化による西太平洋のより効果的な蒸発冷却によって相殺されます。この異なる効果間の補償により、ウォーカー循環とSST勾配の最終的な結果を予測することが困難になります。^[37] CMIP5モデルでは、通常、これは支配的な効果ではありません。^[38]

海洋の動的サーモスタットは、20世紀の太平洋の矛盾した変化を説明するために持ち出されてきた。具体的には、SST勾配が同時に増加しているように見えるが、特に北半球の夏にはウォーカー循環が弱まっているように見える。これらの観察結果はすべて、SST勾配とウォーカー循環の強さを説明するために使用される測定基準の特定の選択、および測定の問題とバイアスのために不確実である。^[37]しかし、海洋の動的サーモスタットのメカニズムは、地球温暖化中にSST勾配が増加した理由^[12]と、湧昇が最も強い季節である秋と冬にウォーカー循環が強くなる理由を説明できる可能性がある。^[37]一方、大西洋の温暖化、より一般的には海洋間の温度勾配の変化が役割を果たしている可能性がある。^[39]

気候モデルは通常、エルニーニョのような変化、つまり海面水温勾配の減少を描きます。多くのモデルでは、海面水温勾配が最初に増加し（「速い応答」）、その後勾配が弱まる（「遅い応答」）という時間依存のパターンがあります^[2]。特に、温室効果ガス濃度が急激に増加した場合ですが、これに限りません。^[40]これは、温暖化の進行に伴う海洋の動的サーモスタットの強度の低下^[12]と、表面温暖化から数十年遅れて発生する湧昇水の温暖化^[4]を反映している可能性があります。これは「海洋トンネル」として知られています。^[41]一方、気候モデルはサーモスタット効果の強さを過小評価している可能性があります。^[42]

• アンとイム（2014）によると、海洋力学モデルでは、二酸化炭素濃度が2倍になると最初は太平洋東部の冷たい海舌が冷却されるが、二酸化炭素濃度がさらに上昇すると最終的には冷却が止まり、冷たい海舌が縮小する。^{[43] [44]}彼らのモデルは、10年以上の地球温暖化の後に発生する傾向があるサーモクライン温度の変化を考慮していません。^[45]
• Luo et al. 2017によると、海洋の動的サーモスタットは、まず貿易風の弱まりと海洋の成層化の増加によって湧昇帯への冷水の供給が減少し、^[46]次により暖かい亜熱帯水がそこに到達することによって、最終的には圧倒されます。^[47]彼らのモデルでは、移行には約10年かかります。^[48]
• ヒード、フェドロフ、バールズ（2020）によると、熱帯地方の外側の気候温暖化が内側の気候温暖化よりも大きいため、最終的には湧昇域に到達する水が温まり^[49]、それを運ぶ海流が弱まる[ ^50] 。これにより、温室効果ガス濃度が急激に上昇した場合は約20年後、温室効果ガス濃度の増加が遅い場合は約50～100年後にサーモスタット効果が打ち消される。^[51]
• 海洋深層水がさらに温暖化すると、成層化の減少により運動量が表層に集中しなくなり、湧昇が減少するため、海洋の動的サーモスタットの強度は低下すると予想される。^[12]
• HeedeとFedorov（2021）によると、一部の気候モデルでは、サーモスタットのメカニズムが他のメカニズムよりも優先され、亜熱帯と中央太平洋の寒冷化を引き起こします。^[52]最終的には、ほとんどのモデルが赤道温暖化パターンに収束します。^[53]
• 周らは、二酸化炭素除去シナリオでは、サーモスタットが降水量の変化を増幅することを発見した。^[54]
• Zheng et al. 2024は、地球温暖化によるSSTの季節性の変化をサーモスタット効果に起因するものとした。^[55]

「海洋動的サーモスタット」という用語は、少し異なる文脈でも使用されています。

• 弱まるウォーカー循環と赤道底流との相互作用^[a]。^[1]具体的には、太平洋の東風が弱まると底流の制動が減り、底流が加速します。このプロセスは、底流の東向きの反流の減少よりも優位です。^[57]したがって、ウォーカー循環が弱まると底流の流れが増し、東太平洋の湧昇が増加して冷却されます。^[58] 結合した一般循環モデルは、底流と SST 勾配のこの応答を正しく表現しないことがよくあります。前者は、これらのモデルで SST 勾配が広く過小評価されている原因である可能性があります。^[59]
• より強い風は熱帯のSSTの蒸発冷却を促進する。^[60]
• Heede、Fedorov、Burls 2020によると、温室効果ガス濃度の急激な増加に応じて、平均気候風が弱まると、インド洋は太平洋よりも温暖化する。これにより、太平洋上の東風が強くなり、太平洋の温暖化がさらに弱まる傾向がある。^[61]ただし、海洋の動的サーモスタットとは異なり、この冷却効果は中央東部太平洋に集中しているのに対し、南米の温暖化によって引き起こされる西風は東部太平洋を温暖化させる。^[62]

• Ying, Jun (2020). 海洋大気結合モデルによる地球温暖化下での熱帯太平洋温暖化パターンの不確実性の原因。Springer Theses（論文）。doi : 10.1007/ 978-981-32-9844-6。ISBN 978-981-32-9843-9. ISSN  2190-5053.