大気の状態は、どのような時間スケールでみても、厳密に定常ではなく、 時間とともに変化・変動する。 (ここでは「変化」と「変動」を区別しないでつかう。)
人は、大気の状態の変動を、時間スケール別に区別して認識する。 現実の大気の状態の変動は、時間スケールのちがう変動がかさなりあっている。
天候の年々変動を「気候の変動」にふくめるかどうかは、 専門家のあいだでも統一されていない。 わたし(増田)は、「気候」は数十年(典型的には30年)の統計で表現できるような現象だというたちばから、 30年よりも長い時間スケールでの変化を「気候の変化」といい、 それより短いものは、ひとつの気候状態の中での天候の(年々)変動という。
第1回 [気候、気象、気候システムについての序論] のページに書いたことも参照してほしい。
ここから、約1年よりも長い時間スケールの、 気候システム (大気・海洋などの部分が、 相互にエネルギーや(水の)質量や力を交換しているシステム) の変動を考える。
気候システムの変動には、システム外からの強制作用への応答であるものがある。
強制作用としては、つぎのものがあげられる。
百年ぐらいまでの時間スケールの気候の変化を考えるときには、 大気中の二酸化炭素濃度はシステムの外からの強制ととらえる考えかたが有効である。 もっと長い時間スケールを考えるときには、 気温をはじめとする気候システムの変数と二酸化炭素濃度との関係を 双方向で考える必要がある。 そのばあいは、気候システムと、炭素循環をふくむ「生物地球化学サイクル」とをあわせた 「地球(表層)システム」を考えたほうがよい。
気候システムへの強制作用には、自然起源のものと人間活動起源のものがある。 今後百年ぐらいを考えるならば、自然起源として太陽変動と火山起源エーロゾル、 人間活動起源として二酸化炭素などの温室効果気体と人間活動起源エーロゾルがあげられる。 このうち太陽変動と火山噴火は予測困難である。 人間活動起源の強制作用も正確な予測は困難だが、 政策によって(不完全ながら)制御できるのぞみがある。
人間活動起源の温室効果気体の増加を原因とする気候の変化については、 「地球温暖化」として、おもに別の科目であつかっている。
気候システムは、システム外からの強制作用がなくても 自発的に変動をおこしうるシステムだと考えられている。 このような変動を「内部変動」ということがある。 強制作用があっても、内部変動はおこりうる。 気候システムは非線形性があるので、強制作用に対する応答 と 内部変動 と の相互作用もあるはずだが、 多くの場合、近似として、応答と内部変動とが単純にたしざんでかさねあわさっているとみなせるだろう。
(佐藤 2019 13.1節「短周期の変動」)
天候年々変動のうち、わりあいよくわかっている現象として、ENSO ([注] 塩素ではない) とよばれるものがある。これは、熱帯太平洋の海洋と大気の相互作用で説明されている。 その影響は大気中では全球におよぶ。
熱帯太平洋では、現在の気候の多数年の平均状態として、 西太平洋のほうが東太平洋のほうが海面水温が高い。 これに対応して、大気中でも、西太平洋のほうが東太平洋よりも、 積雲対流が活発であり雨が多い。
大気循環の時間平均として、(南北鉛直循環であるハドレー循環とかさなって) 西太平洋で上昇し東太平洋で下降する循環があり、(つぎにのべるWalkerにちなんで) ウォーカー循環とよばれている。
これに年々変動がある。 1920年代にイギリス領インドの気象庁長官だった Walker が、 (インドの夏のモンスーンの雨の年々変動の原因をさぐる過程で) 西太平洋と東太平洋の海面気圧の年々変動に負の相関があることに気づき、 Southern Oscillation となづけた。
【Southern Oscillation の定量的指標として、 西太平洋の代表としてオーストラリア北部の Darwin、東太平洋の代表として Tahiti 島をとり、 両者の気圧の差にもとづいた「Southern Oscillation Index」が計算されている。】
他方、ペルーの海岸で、エルニーニョとよばれる現象が知られていた。 もともと、毎年クリスマスのころにおこる沿岸の海流の特徴をさしていたらしいが、 そのあたりの海面水温が例年より高い状態をさすように意味がかわっていった。
1960年代に、ノルウェー出身でアメリカにいた Jacob Bjerknes (ヤコブ・ビヤークネス)が、 エルニーニョ (ペルー沖の海面水温が高いこと) とSouthern Oscillationとが 一連の現象であることを指摘した。
ENSOは振動現象だといえるが、周期は2年から6年ぐらいのあいだで変動する。 振幅もまちまちである。
ここまでの概略をしめす図
1982-83年の強いエルニーニョをきっかけに研究が進んだ。 赤道では (大気や海洋の水平運動に対する) コリオリの力がゼロになるが、 赤道付近の大気の大規模な (南北 千km以上のスケールの) 運動には、 コリオリの力が南北でちがうことを重要な要因とした、いくつかの波動モードがある。 ENSO は、海洋、大気それぞれの大規模な赤道波動と、 海洋の湧昇 (上昇流のこと。温度の低い水が上がってくるので海面水温を下げる働きをもつ。 また植物プランクトンにとっての栄養塩をもたらすので魚をふくむ生態系にも影響がある)と、 大気中の積雲対流がむすびついた現象である。
【ここでは ENSO のしくみに深入りできないが、いくつかの主要な要素をあげておく。 熱帯の大部分の大気下層では東風がふいているが、赤道上は西風・東風どちらもありうる。 [大気の力学]のところで簡単にのべたように、 大気・海洋での摩擦力はかならずしも速度の反対むきではなく、地球の自転の影響をうける。 海上で東風がふくと表面付近の海水は赤道から離れる方向にはこばれる。西風がふくと赤道むきにはこばれる。 (このしくみを「エクマン輸送」 (Ekman transport) という。) 赤道上で東風がふくと、海の表面付近は水平発散、鉛直収束となり、上昇流 (「湧昇」という) が生じる。 熱帯の海洋内部の水は表面よりも温度が低いので、湧昇がおこると海面水温が低くなる。 熱帯のうちで赤道直下で相対的に雲がすくない理由のひとつは、この海面水温の低さである。 (もうひとつは大気中で赤道直下では f = 0 なので渦と積雲対流の強めあう構造ができにくいことである。) 西風がふくと湧昇がおきず、海面水温が高くなり、積雲対流がおきやすくなる。 この西風・東風、湧昇、海面水温、積雲対流、さらに海洋や大気の大規模な波動がくみあわさって、ENSOはおきている。】
ENSOの中で、エルニーニョ状態は、中央・東太平洋の海面水温がふだんより高い状態だが、 平常の状態で西太平洋のほうが水温が高いので、 エルニーニョ状態は、むしろ、東西のコントラストが弱くなった状態、 ウォーカー循環が弱くなった状態なのだ。
↓ 1998年1月の海面水温 (強いエルニーニョ状態の例) の1991-2020年平均からの偏差
(気象庁 http://ds.data.jma.go.jp/tcc/tcc/products/elnino/ocean/sst-ano-global_tcc.html によって作図)
↓ 1998年1月の海面水温
(気象庁 http://ds.data.jma.go.jp/tcc/tcc/products/elnino/ocean/sst-global_tcc.html によって作図)
ENSOの中でエルニーニョの反対側の状態 (中央・東太平洋の海面水温が平常より低い、東西のコントラストが平常より強い)を 「ラニーニャ (La Niña)」とよぶようになった (これは学者による造語であり、ラテンアメリカで伝統的にそうよばれたわけではない)。
そして、エルニーニョ状態、ラニーニャ状態、それぞれのきっかけは 西太平洋でつくられ東にうごいていくことがわかってきた。 この移動は、大気の状態が赤道で対称に近い4-5月や10-11月におこりやすい。 移動が東太平洋までいかず中央太平洋でとまってしまうこともある (このような状況を「エルニーニョもどき」とよぶ人もいる。)。
エルニーニョ状態のとき、ペルー付近では雨が多いが、 カリフォルニア、北東ブラジルをはじめとする南北アメリカの多くのところで、 ふだんより雨が少なく、かんばつになりやすい。 インド中部をはじめとするアジアの夏のモンスーンの雨は、かならずというわけではないが、少ない傾向がある。 日本は、かならずというわけではないが、冷夏、暖冬になりやすい。 (どちらかといえばラニーニャ状態のとき 暑い夏、寒い冬になりやすいことのほうが明確。)
2000年代になって、熱帯インド洋にも、 その西側と東側の海面水温のシーソー現象があることがわかり、 「インド洋ダイポールモード」とよばれている。 (インドにいた Walker が認識した Southern Oscillation のうちには、 今の学者のいう ENSO だけでなく インド洋ダイポールモードもふくまれているだろう。)
ENSOは、気候システムが強制作用をうけなくてもおこる 内部変動だと考えられている。 強制作用による気候変化である地球温暖化は、ENSOにいくらかの影響をおよぼすだろうが、 因果関係は単純でない。 これまでの予測型のシミュレーションの結果のまとめによれば、温暖化すると、 ENSOの振幅が大きくなる (エルニーニョ状態もラニーニャ状態もそれぞれ強まる) ようだ。
太平洋の海面水温や気圧には、十年より長い時間スケールの変動もみられ、 「太平洋十年規模振動 (Pacific Decadal Oscillation, PDO)」とよばれることがある。 その空間パタンは ENSO に似たところがあるが、 ENSOの海面水温偏差が熱帯にかぎられるのに対して、 PDOの偏差はむしろ温帯で大きい。 明確な周期現象ではないが、偏差の時系列の山から山までの周期は60年くらいのようだ。
大西洋にも十年より長い時間スケールの変動があり、 Atlantic Multidecadal Oscillation とよばれることがある。 (太平洋の変動の名まえに multi がついていないのはたまたまで、どちらも周期は十年より長い。)
原因はよくわかっていないが、海洋・大気結合システムの内部変動だと考えられている。 地球温暖化にはこのような十年規模変動がかさなっている。 そこで、予想される地球温暖化の時間スケール百年の傾向は明確なのだが、 時間スケール十年での変化量の予測はむずかしい。 (温室効果気体濃度の将来シナリオをあたえた予測型シミュレーションでは それぞれに十年規模変動がおきているが、 どの十年間にどこの海面水温の温暖化が強まるかはシミュレーション間で一致しない。 似た設定のシミュレーションの結果を平均すると、十年規模変動はうちけしあって、 温暖化傾向が残る。しかし、現実世界はひとつしかないので、 観測値の時系列は十年規模変動がまざったままである。)
北極付近の気圧が平常より高く、北半球中緯度の気圧が平常より低い状態と、 その反対の状態とのあいだのシーソー型の現象。 おもに北半球の冬にあらわれる年々変動。 振動的ではあるが、明確な周期はない。 強制作用なしでおこりうる大気の内部変動だと考えられている。
![[佐藤 (2019) 173ページ 図13-3 エルニーニョ現象の模式図]](../zu/sato2019_zu13_3.png){kind=link}