G.K. Vallis (2012) Climate and the Oceans / 気候と海洋

  • Geoffrey K. VALLIS, 2012: Climate and the Oceans (Princeton Primers in Climate). Princeton NJ USA: Princeton Univ. Press, 231 pp. ISBN 978-0-091-15028-4 (pbk.)

この本を含むPrinceton Primers in Climateというシリーズは、気候についての大学の教科書(textbook)に進む前の入門書という位置づけらしい。これまでに炭素循環、この本とほぼ同時に雪氷圏の本が出ている。

地球の気候を物理的観点から見る本なので、わたしの気候システム論の教材 と重なるところが多い。ただし、わたしの場合は大気に重点があるが、この本は海洋に重点がある。とくに海洋の深層循環のしくみについては、温度と塩分による密度差に加えて何が大事だと言ってよいかわたしにはこれまでよくわからなかったが、この本の第4章の議論に従えばよさそうだ。

第1章は、気候システムの基本を、0次元・定常のエネルギー収支に注目して述べる。わたしの教材と基本的に同じ。基本的温室効果の説明まで。

第2章は海洋についての事実の概観(物理的しくみにはまだ深入りしない)。まず大地形と海水の組成。次に、海洋表層の海流の形。それから海洋の鉛直構造(混合層、水温躍層、深層)、南北鉛直循環、(中規模)渦。

第3章で海洋(大気も基本的に同じ)の運動を理解するための力学的概念。地球の自転の効果はコリオリの力としてきくのだが、その説明をまず遠心力から始めている。次に圧力による力を説明する。鉛直方向の運動方程式は重力と圧力による力のつりあいで近似できる。水平方向の運動方程式は(赤道上を除く大規模運動については)圧力による力とコリオリの力のつりあいで近似できる。ただし海面付近は摩擦がきくので「Ekman層」という構造を考える必要がある。

第4章では第2章で説明した循環のしくみを第3章で説明した概念を使って述べる。海洋表層の循環は風にひきずられているようだが、Ekman層に伴う水の移動、海面の盛り上がりとそれに伴う水平の圧力差、それとコリオリの力がつりあう定常的な流れの形成という段階を経ている。深層に及ぶ南北鉛直循環をつくる第1のしくみは、温度と塩分で決まる密度の大きい部分が沈むことである。しかしこの循環が持続するためにはなんらかの原因で海洋内部に鉛直混合がなければならない。第2に、南半球の中高緯度には陸に出会わずに東西にひとまわりできるところがあり、ここでのEkman層に伴う水の移動から始まる因果連鎖は表層の循環でつりあうことができず、南北非対称な南北鉛直循環をつくる。

第5章は気候の中での海洋のおもな働き。まず海はエネルギーをたくわえることによって気温の変化を小さくする。とくに季節変化については表面から深さ約100メートルまでの混合層が働く。次に海はエネルギーを運ぶ。表層の循環と、南北鉛直循環の第1のしくみによるものは、低緯度から高緯度にエネルギーを運ぶ。南北鉛直循環の第2のしくみのものは南半球から北半球にエネルギーを運ぶ。

第6章は、英語ではclimate variationだが日本語では「天候の変動」というのが適当な数週間から数年までの時間スケールの変動について。中緯度については北大西洋振動(NAO)と呼ばれるものをとりあげる。これは基本的に大気の現象で、海面水温も変動するが大気に対して受け身である。その持続性に関しては海洋の働きもあると考えられるが研究途上の課題だ。熱帯についてはエルニーニョ・南方振動(ENSO)をとりあげる。これは大気海洋相互作用が重要な現象で、とくに海洋の赤道域特有の運動がかかわっている。

第7章は、温室効果気体の増加による地球温暖化について。海はエネルギーをたくわえることによって温暖化を遅らせる。海水の熱膨張と陸上の氷の融解によって海水位が上昇する。温暖化に伴って南北鉛直循環が変化する(極端な場合には止まる)可能性があるが予測できるかどうかは研究途上の課題だ。なお海は、大気中の二酸化炭素濃度の変化にもかかわるし、海水の酸性化という問題もあるが、この本では具体的に扱わないとことわっている。

折り返しの先に詳しい目次をつけておく。

Contents
Preface vii[-x]
1. Basics of Climate 1
– The planet earth
– Radiative balance
– – Solar radiation received
– – Distribution of incoming solar radiation
– – A simple radiation model
– – A simple climate model
– – Greenhouse effect
– – A simple mathematical model of the greenhouse effect
– – – A leaky blanket
– – What is the important greenhouse effect?
2. The Oceans: A Descriptive Overview 22
– Some physical characteristics of the oceans
– – The ocean basins
– – Composition
– Ocean structure and circulation
– – The horizontal structure and the ocean currents
– – The Antarctic Circumpolar Current
– – The overturning circulation and the vertical structure
– – – The mixed layer
– – – The thermocline and the abyss
– Global ocean circulation and ocean eddies
– – The global circulation and the “conveyer belt”
– – Ocean eddies
3. A Brief Introduction to Dynamics 41
– Centrifugal force
– The Coriolis force
– – Magnitude of the Coriolis force
– – Differential rotation and the Earth’s sphericity
– The pressure force
– Hydrostatic balance
– Geostrophic balance
– Ekman layers
– Appendix A: Derivation of centrifugal and Coriolis forces
– – The centrifugal force
– – – Acceleration in a circular motion
– – – Forces in the rotating frame of reference
– – Coriolis force
– – – Coriolis force for a body moving zonally
– – – Coriolis force for a body moving meridionally
– Appendix B: Flow in an Ekman layer
4. The Ocean Circulation 75
– What makes the ocean circulate?
– The wind-driven circulation and the great gyres
– – The Ekman and wind-induced geostrophic flows
– – Sea-surface slope and the geostrophic current
– Western intensification
– – Torques and interior flow
– – Westward drift
– The overturning circulation
– – The buoyancy or Archimedean force
– – The overturning circulation maintained by mixing
– – The overturning circulation maintained by wind
– – Putting it all together
– [Ocean circulation in a nutshell]
– – [The ocean gyres]
– – [The overturning circulation]
– – [The other main currents]
– Appendix A: Mathematics of interior flow in gyres
5. The Ocean’s Overall Role in Climate 105
– The moderating influence of the ocean
– – The lag in the seasons
– – The general damping of climate variability by the ocean
– – – Mathematical treatment of damping
– Ocean heat transport
– – How much?
– – What mechanisms?
– – – The wind-driven gyres
– – – The meridional overturning circulation
– – What are the effects?
– – The Gulf Stream and the climate of Britain and Ireland
– Appendix A: The mathematics of the relationship between heating and temperature
6. Climate Variability from Weeks to Years 128
– Climate and weather
– Climate variability in midlatitudes
– – Weekly variability and the weather
– – Monthly to seasonal variability
– – Ocean influence on climate variability
– El Niño and the Southern Oscillation
– – What is El Niño
– – The mechanism of El Niño
– – – The mean state of the atmosphere and the ocean
– – – Variability and El Niño
– – Consequences and impacts of El Niño
– – – Local effects of El Niño
– – – Distant effects
– [El Niño in a nutshell]
– – [What causes El Niño events?]
– – [What are some consequences of El Niño?}
7. Global Warming and the Ocean 156
– Global warming itself
– – The observed global temperature record
– – Satellite measurements
– Global warming in context: The past millennium
– Fossil fuels and greenhouse gases
– Possible causes of global warming
– – The likely culprit
– – Red herrings and straw men
– Has the ocean warmed?
– – Implications for global warming
– – More effects of and on the ocean
– The slowing of global warming
– Circulation changes and a thermohaline shutdown
– Sea-level rise
– Loss of sea ice
– Global warming — Some possible remarks
– [Global warming in a nutshell]
– – [Causes and evidence]
– – [Projections]
– – [Other effects on and of the ocean]
– Appendix A: Mathematics of the two-box model
Notes 205
Further Reading 211
– Mainly the atmosphere
– Mainly the ocean
– Climate
Glossary 215
References 223
Index 229[-231]

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