中高緯度の海が偏西風の蛇行を強める

赤道沿いの東太平洋で海面水温が例年より上がるエルニーニョが発生していると、日本では冷夏や暖冬になりやすい。反対に、西太平洋で水温が上がるラニーニャのときは、日本の夏は暑く、冬は寒くなりがちだ。

日本の天候にエルニーニョやラニーニャが関係すること、つまり海水温が天候に影響を与えることは、すでに知られている。ただし、これらはいずれも赤道沿いの熱帯の海の話だ。

一方、最近の日本列島周辺では、温かい海を好むブリが北海道でよくとれて、その原因として「海洋熱波」の影響が指摘されている。海洋熱波とは、いつもと比べて水温の高い海域が出現する現象だ。日本列島が位置する中緯度の海も、地球温暖化の影響か、むかしとは違うようだ。

それでは、こうした中緯度の海水温の変化は、地球規模の大気の流れや天候にどのような影響を与えるのだろうか。それがこれまでわかっていなかった。中緯度の大気の動きは変動が激しく、海が大気に与える微妙な影響が、大気側の変動に隠れてしまっているからだ。

テレコネクションに注目した

九州大学応用力学研究所の森正人助教らの研究グループは、コンピューターによるシミュレーションで、中緯度海洋のこの「微妙な影響」を割り出すことに成功した。その結果、日本を含む中緯度の天候と関係が深い偏西風の蛇行に、微妙というよりむしろ少なからぬ影響を与えていることがわかった。

中緯度の上空では、地球を東西にぐるりと一周するように東向きの風が吹いている。これが偏西風だ。上空1万メートルあたりのとくに風の強い部分をジェット気流という。

偏西風は、極側の冷たい空気と赤道側の暖かい空気の境目を吹いているので、その流れの道筋は地上の寒暖と直結する。たとえば日本の上空を流れる偏西風が南に蛇行すると、日本は北側の冷たい空気に覆われやすくなる。逆に北に蛇行すると、南側の暖かい空気に覆われて気温は高くなりがちだ。

この偏西風の蛇行に、「テレコネクション」とよばれる現象が影響する。「テレ」は「遠くの」、「コネクション」は「関係」を意味し、地球上で遠く離れた地点の気象が連動して変化する現象を指す。たとえば、フィリピン付近の海水温が上がって積乱雲の活動が活発になると、日本では猛暑になりやすいといった関係だ。

森さんらは、「太平洋・北米パターン」（PNAパターン）とよばれるテレコネクションに海がどう影響しているかを調べた。PNAパターンでは、北太平洋上空に、例年より気圧が高い巨大な高圧部、低い低圧部が、交互に弧状に一列に並ぶ。エルニーニョが発生している冬によくみられる。高圧部の周りには時計まわりの、低圧部の周りには反時計まわりの風が吹いている。だから、このパターンが出現すると、ふだん上空を吹いている偏西風などに、このPNAパターンによる風が加わることになる。

PNAパターンの概念図。「高」は例年にくらべて気圧が高く、「低」は低い。「高」「低」の周りの矢印は、PNAパターンにともなう風の向き（保坂直紀著『地球規模の気象学』（講談社）より）

大量のシミュレーションをおこなった

森さんらは、2種類のシミュレーションをおこなった。ひとつは、海の熱が大気に影響し、逆に大気の流れが海に影響を与えてその流れや水温を変化させる計算。大気と海を結びつけたこの「結合モデル」は、実際の大気と海洋を再現している。もう一つは、海は大気に熱を与えるだけで変化しない計算。変化の計算は大気についてだけおこなう「大気だけモデル」だ。

そして、「結合モデル」の結果から「大気だけモデル」の結果を引き算すれば、大気とお互いに影響を与えあう実際の海がテレコネクションに与えている影響を割り出すことができる。

森さんらの研究には、もうひとつ大きな特徴がある。41年分もの長期にわたる計算を実施したうえで、そこに含まれる12月から2月までの41回の冬季を対象にした。しかも、「結合モデル」「大気だけモデル」のそれぞれについて、すこしずつ計算条件を変えた50通りの結果を使ったので、合計すると4100年分もの膨大なデータを分析したことになる。

気象にはもともと、ちょっとした条件の違いで大きく異なる天候を出現させる気まぐれな性質がある。そのため、1回、2回の冬について「結合モデル」「大気だけモデル」の違いがみえたとしても、それぞれが持つ本来の性質の違いなのか判定できない。偶然そうなっただけかもしれないからだ。

たとえていうと、こういうことだ。日本人成人女性と米国人成人女性のどちらが背が高いかを調べたい。無作為に3人ずつ選んで調べ、平均がそれぞれ160センチ、165センチだったとする。これで米国人のほうが背が高いといえるか。それはちょっと無理だ。日本人の3人はたまたま背の低い人が選ばれ、米国人はたまたま背の高い3人だったかもしれない。調べる数が少ないと、「偶然」「たまたま」の可能性を否定できない。

だが、それぞれ1万人ずつだったらどうだろう。その結果、日本人女性と米国人女性の平均がそれぞれ160センチ、165センチだったとしたら、米国人女性のほうが背が高いといえそうだ。たくさんの人を調べたことで「たまたま」ではなくなり、日本人女性と米国人女性の性質の違いがはっきり表れた。実際にどれくらいたくさん調べなければならないかは、統計学で決められている。

海がPNAパターンを強化する

こうして大量の計算結果から得られた森さんらの結論は、「中高緯度の海洋が大気と影響を与えあうことで、海はPNAパターンを強化している」というものだ。より正確にいうと、「PNAパターンが弱まることを防いでいる」のだ。その増強効果は13％にもなるという。

PNAパターンでは、偏西風が吹く中緯度に低圧部がある。その低圧部の周りを反時計まわりに吹く風が、西から東に向かう偏西風の流れに加わる。一般に、まっすぐな流れに周回する流れが重なると、そこには蛇行が生まれる。中高緯度の海洋のはたらきでPNAパターンの強度が維持され、したがって、偏西風蛇行の勢いや南北の振れ幅が強化されることになる。

たとえ偏西風が西から東へまっすぐ吹いていても（中段）、そこにテレコネクションによる周回風が加われば（下段）、その流れは蛇行することになる（上段）（保坂直紀著『地球規模の気象学』（講談社）より）

森さんらは、北大西洋振動（NAO）などのテレコネクションについても調べ、PNAパターンとあわせて論文（https://www.nature.com/articles/s43247-024-01282-1）で報告している。

「中高緯度の海洋が大気の影響を受けて変化することはこれまでにわかっていた。今回の研究で、逆に海の側が大気に影響を与えていることを初めて示すことができた」と森さんは話している。

※九州大学のプレスリリースはこちら（https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/1060）。

文責：サイエンスライター・東京大学特任研究員　保坂直紀