太平洋十年規模振動

太平洋十年規模振動（PDO）は、中緯度太平洋盆地を中心とした、海洋と大気の気候変動の頑健で周期的なパターンです。PDOは、北緯20度以北の太平洋における表層水温の上昇または下降として観測されます。過去1世紀にわたり、この気候パターンの振幅は、数年から数十年という期間で不規則に変動してきました。

1925年、1947年、1977年頃に、海面水温の変動（つまり、海域内の冷たい表層水と暖かい表層水の変化）の極性が逆転した証拠がある。最後の2回の逆転は、北太平洋におけるサケの生産体制の劇的な変化と一致していた。この気候パターンは、アラスカからカリフォルニアまでの沿岸海域および大陸地表の気温にも影響を与える。

「温暖」または「正」の位相では、西太平洋は冷たくなり、東太平洋の一部は温暖化します。「寒冷」または「負」の位相では、その逆のパターンが発生します。太平洋十年周期振動は、1997年にサケの生産パターンの結果を研究していた際にこれに気づいたスティーブン・R・ヘアによって名付けられました。 ^{[ 1 ]}

太平洋十年規模振動指数は、北太平洋（北緯20度以北）の月平均海面水温偏差（SST -A）から世界平均海面水温を除いた、主要な経験的直交関数（EOF）です。このPDO指数は、標準化された主成分時系列です。^{[ 2 ]} PDOの「シグナル」は、バハ・カリフォルニア地域の年輪年代学によって1661年まで遡って再構築されています。^{[ 3 ]}

いくつかの研究では、PDO指数は熱帯強制と熱帯外プロセスの重ね合わせとして再構築できることが示されています。 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}したがって、エルニーニョ・南方振動（ENSO）とは異なり、PDOは海洋変動の単一の物理的モードではなく、異なる動的起源を持ついくつかのプロセスの合計です。

年々の時間スケールでは、PDO指数はアリューシャン低気圧におけるランダム変動とENSO誘発変動の合計として再構築されるが、十年スケールではENSOテレコネクション、確率的大気強制力、北太平洋海洋循環の変化がほぼ同程度に寄与する。さらに、海面水温異常は再出現メカニズムにより冬から冬にかけてある程度持続する。

ENSOテレコネクション、大気ブリッジ^{[ 8 ]}

ENSO は「大気橋」を介して赤道太平洋から数千キロメートル離れた地球規模の循環パターンに影響を与える可能性があります。エルニーニョ現象の間、異常に暖かい海面水温の上で深層対流と対流圏への熱伝達が強化され、この ENSO に関連する熱帯の強制力によって、極方向と東方向に伝播し、その後極から熱帯に屈折して戻ってくるロスビー波が生成されます。惑星波は北太平洋と南太平洋の両方の特定の場所で形成され、2〜6 週間以内に遠隔相関パターンが確立されます。^{[ 9 ]} ENSO によって引き起こされるパターンは、北太平洋上の表面温度、湿度、風、雲の分布を変化させ、表面の熱、運動量、淡水フラックスを変化させ、それによって海面水温、塩分、混合層深度 (MLD) の異常を引き起こします。

大気橋は北半球の冬に効果を発揮し、アリューシャン低気圧の深まりによって中央太平洋上でより強く冷たい北西風が吹き、北米西海岸沿いに暖かく湿った南風が吹きます。これに伴う表面熱フラックスの変化、そして程度は低いもののエクマン輸送によって、中央太平洋では負の海面水温異常と混合層深度の増加が生じ、ハワイからベーリング海にかけての海が温暖化します。

SSTの再出現^{[ 10 ]}

北太平洋における再出現メカニズム。

混合層の深さの季節変動。

中緯度海面水温異常パ​​ターンは、冬から冬にかけて繰り返される傾向があるが、その間の夏には繰り返されない。このプロセスは、強い混合層の季節サイクルによって起こる。北太平洋上の混合層の深さは、夏よりも冬の方が深く、通常100～200mである。そのため、冬に形成され混合層の底まで広がる海面水温異常は、晩春に再形成される浅い夏の混合層の下に隔離され、海面熱流束から効果的に遮断される。^{[ 11 ]}

翌年の秋/初冬に混合層が再び深くなると、異常が再び表面に影響を与える可能性がある。このプロセスは、AlexanderとDeser ^{[ 11 ]}によって「再出現メカニズム」と名付けられ、北太平洋の大部分で観測されているが、冬の混合層がより深く季節サイクルが大きい西部でより効果的である。

確率的大気強制力^{[ 12 ]}

長期的な海面水温の変動は、海洋混合層に統合され赤方偏移するランダムな大気強制によって引き起こされる可能性がある。確率的気候モデルのパラダイムは Frankignoul と Hasselmann によって提案された^{[ 13 ]。}このモデルでは、嵐の通過によって表される確率的強制が、表面エネルギーフラックスとエクマン流を介して海洋混合層の温度を変化させ、異常に暖かい (寒い) 海面水温上の大気への熱損失の増加 (減少) により、乱流エネルギーと長波放射フラックスを介してシステムが減衰する。線形負のフィードバックの単純なケースでは、モデルは分離可能な常微分方程式として記述できる。 ${\displaystyle {\operatorname {d} y \over \operatorname {d} t}=v(t)-\lambda y}$

ここで、vはランダムな大気強制力、λは減衰率（正で一定）、yは応答である。

yの分散スペクトルは次のとおりです。 ${\displaystyle {G(w)={\frac {F}{w^{2}+\lambda ^{2}}}}}$

ここで、F は白色ノイズ強制の分散、w は周波数であり、この方程式の意味するところは、短い時間スケール (w>>λ) では海洋温度の分散が周期の二乗とともに増加する一方、長い時間スケール (w<<λ、約 150 か月) では減衰プロセスが支配的になり、海面温度異常を制限するため、スペクトルが白色になるということです。

このように、大気中のホワイトノイズは、スペクトルピークを伴わないものの、はるかに長い時間スケールで海面水温異常を引き起こす。モデリング研究によると、このプロセスは10年スケールでの太平洋十年規模振動（PDO）の変動の最大3分の1に寄与している。

海洋力学

北太平洋で観測される十年規模の変動には、いくつかの動的な海洋メカニズムとSST-大気フィードバックが寄与している可能性がある。SST変動は黒潮親潮延長（KOE）域でより強く、KOE軸と強度の変化に関連しており、^{[ 7 ]}十年規模以上のSST変動を生み出すが、約10年のスペクトルピークの観測値の大きさはなく、SST-大気フィードバックも関係している。遠隔再出現は黒潮延長などの強い海流域で発生し、日本近辺で発生した異常は、次の冬に中央太平洋で再出現する可能性がある。

移流共鳴

SaravananとMcWilliams ^{[ 14 ]}は、空間的にコヒーレントな大気強制パターンと移流海洋との相互作用は、非局所的な移流効果が局所的な海面温度減衰よりも優勢な場合に、特定の時間スケールで周期性を示すことを実証した。この「移流共鳴」メカニズムは、異常なエクマン移流と表面熱フラックスに関連した、北東太平洋における十年規模のSST変動を生み出す可能性がある。^{[ 15 ]}

北太平洋の海洋循環

動的循環の調整は、北太平洋で十年規模の海面水温ピークを生成するために不可欠であり、このプロセスは、中央および東太平洋の風の異常によって強制される西向きに伝播する海洋ロスビー波を介して発生します。大規模な風応力によって強制される長大非分散ロスビー波の準地衡方程式は、線形偏微分方程式として記述できます。^{[ 16 ]}${\displaystyle {\partial h \over \partial t}-c{\partial h \over \partial x}={\frac {-\nabla \times {\vec {\tau }}}{\rho _{0}f_{0}}}$

ここで、h は上層の厚さの異常、τ は風応力、c は緯度に依存するロスビー波の速度、ρ ₀は海水の密度、f ₀は基準緯度におけるコリオリパラメータです。応答時間スケールは、ロスビー波の速度、風の強制の位置、および海盆の幅によって決まります。黒潮続流の緯度では、c は 2.5  cm s ⁻¹であり、ロスビー波が (中央)東太平洋で発生した場合、動的環流調整時間スケールは約 (5)10 年です。

風の白色強制力が帯状に均一であれば、h の分散が周期とともに増加し、10 年規模および 10 年規模のピークなしに低周波数で一定の振幅に達する赤色スペクトルが生成されるはずです。しかし、低周波数の大気循環は固定された空間パターンによって支配される傾向があるため、風の強制力は帯状に均一ではありません。風の強制力が帯状に正弦波状であれば、強制された盆地規模のロスビー波の共鳴により、10 年規模のピークが発生します。

西太平洋におけるh異常の伝播はKOE軸と強度を変化させ^{[ 7 ]}、異常な地衡熱輸送によりSSTに影響を与える。最近の研究^{[ 7 ] [ 17 ]}は、アリューシャン低気圧によって励起されたロスビー波がKOE軸の変化を通じて北太平洋からKOEへPDO信号を伝播し、NPOに関連するロスビー波がKOE強度の変化を通じて北太平洋環流振動信号を伝播することを示唆している。

気温と降水量

PDO DJFM温度パターン。

PDO（太平洋十年規模振動）の12月～3月期の降水パターン。

PDOの空間パターンと影響はENSOイベントに関連するものと類似している。正の位相では、冬のアリューシャン低気圧が深まり南に移動し、暖かく湿った空気が北米西海岸沿いに移流し、太平洋岸北西部からアラスカにかけては気温が平年より高くなるが、メキシコと米国南東部では平年より低くなる。^{[ 18 ]}

アラスカ沿岸山脈、メキシコ、米国南西部では冬の降水量が例年より多いが、カナダ、東シベリア、オーストラリアでは減少している^{[ 18 ] [ 19 ]} 。McCabeら^{[ 20 ]} は、PDOとAMOが米国の数十年にわたる干ばつのパターンに強く影響し、PDOが正のAMOと関連している場合、どちらの場合も米国北部の大部分で干ばつの頻度が上昇し、負のPDOの時期には米国南西部で干ばつの頻度が上昇することを示した。 アジアモンスーンも影響を受け、負の時期にはインド亜大陸で降雨量の増加と夏の気温の低下が観測される。^{[ 21 ]}

PDOの観測された月別値（1900年～2019年9月、点）と10年平均値。

再構築されたPDO指数（993年～1996年）。

PDO指数は、北米西部とアジアの樹木の年輪やその他の水文学的に敏感な指標を使用して再構築されています。 ^{[ 3 ] [ 22 ] [ 23 ]}

マクドナルドとケース^{[ 24 ]}は、カリフォルニアとアルバータの年輪を用いて993年まで遡ってPDOを再構築した。この指数は50～70年の周期性を示すが、1800年以降にのみ強い変動モードとなり、中世（993～1300年）には持続的な負の位相が発生し、これは熱帯太平洋で再構築されたラニーニャ現象^{[ 25 ]}や米国南西部の数世紀にわたる干ばつ^{[ 26 ]と一致する。}

再構築と観測データの両方において、いくつかのレジームシフトが明らかになっている。20世紀には、SST、SLP、陸上降水量、海洋雲量の同時変化に関連したレジームシフトが1924/1925年、1945/1946年、1976/1977年に発生した。^{[ 27 ]}

• 1750年：PDOは異常に強い振動を示す。^{[ 3 ]}
• 1924/1925: PDOは「温暖」フェーズに移行した。^{[ 27 ]}
• 1945/1946: PDOは「寒冷」フェーズに変化し、この体制転換のパターンは亜寒帯および亜熱帯前線で最大振幅を示す1970年代のエピソードと似ているが、日本付近でより大きな特徴を示し、1970年代の転換はアメリカ西海岸付近でより強かった。^{[ 27 ] [ 28 ]}
• 1976/1977: PDOは「温暖」段階に移行した。^{[ 29 ]}
• 1988/1989: アリューシャン低気圧の弱化とそれに伴う海面水温の変化が観測された^{[ 30 ]。}他のレジームシフトとは対照的に、この変化は熱帯プロセスではなく、北太平洋と北大西洋における同時発生的な温帯振動に関連しているようである^{[ 31 ] 。}
• 1997/1998: 1970年代の変動後に見られた一般的な異常とは対照的に、1997/1998年以降、北太平洋では海面水温と海洋生態系にいくつかの変化が見られました。PDOが冷たい「アンチョビ」フェーズに戻るにつれて、米国西海岸沿いのSSTが低下し、サケ、カタクチイワシ、イワシの個体数に大きな変化が見られました。 ^{[ 32 ]}しかし、SST変化の空間パターンは異なり、中央および西太平洋では南北方向のSSTシーソーが発生し、PDO構造ではなく北太平洋環流振動の大きな変化に似ていました。このパターンは、1989年以降の北太平洋SST変動の大部分を支配しました。^{[ 33 ]}
• 2014年にPDO（太平洋十年規模振動）が寒冷期から温暖期へと転換したことは、長引くエルニーニョ現象に漠然と似ており、2014年に地球全体で記録的な地表温度上昇の一因となった。

NOAA地球システム研究所は公式のENSO予測と、線形逆モデリング（LIM）法[34][35]を用いた実験的統計予測を作成し、PDO^{を予測しています}。LIMは、PDOが線形決定論的​​成分とランダムな変動によって表される非線形成分に分離できると仮定しています。

LIM PDOの予測可能性の大部分は、中緯度プロセスではなくENSOとグローバルトレンドから生じるため、約4つの季節に限定されます。この予測は、最適なSST構造が6～10か月後にENSO成熟期に進化し、その後大気ブリッジを介して北太平洋のSSTに影響を与えるという季節^的フットプリントメカニズム[ ^{36 ]と一致しています。}

^{10年規模のPDO変動を予測するスキルは、外部強制[ 37 ]}と内部発生^{[ 38 ]}太平洋変動の影響を考慮することによって得られる可能性がある。

• 太平洋十年規模振動（IPO）は、これと似た現象だが、より広範囲に及ぶ。南半球（南緯50度から北緯50度）も対象としている。
• ENSOはPDOの変動を主導する傾向がある。
• IPOの変動はENSO活動の位置と強度を変化させる。南太平洋収束帯はエルニーニョ現象時には北東へ、ラニーニャ現象時には南西へと移動する。同様の動きは、それぞれ正のIPO位相と負のIPO位相でも起こる。（Folland et al., 2002）
• 中国における数十年規模の気温変動は、北大西洋振動（NAO）および北太平洋振動（NPO）の変動と密接に関連している。
• 1960年代には、北大西洋振動（NAO）と北太平洋振動（NPO）の振幅が増大し、年々の変動パターンは3 ～ 4年から8 ～ 15年に変化した。
• 海面上昇は、広範囲の水域が温まって膨張したり、冷えて収縮したりすることによって影響を受ける。
• 1968年のチリの大干​​ばつは、 1965年から1976年にかけてのラニーニャ現象と太平洋十年周期振動の寒冷期が重なった時期と一致していたことが分かっている。^{[ 39 ]}

• カリフォルニア電流
• ハドレーセル
• 海洋熱量
• 太平洋・北米間の遠隔接続パターン
• 北太平洋振動
• 北大西洋振動
• 大西洋多十年周期振動（AMO）
• エルニーニョ南方振動(ENSO)
• 太平洋子午線モード（PMM）

• M. Newman; M. Alexander; TR Ault; KM Cobb; C. Deser; E. Di Lorenzo; NJ Mantua; AJ Miller; S. Minobe; H. Nakamura; N. Schneider; DJ Vimont; AS Phillips; JD Scott; CA Smith (2016). "太平洋十年規模振動の再検討". Journal of Climate . 29 (12): 4399–4427 . Bibcode : 2004AdAtS..21..425L . doi : 10.1175/JCLI-D-15-0508.1 . S2CID 4824093 . 
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