Tropical instability waves (TIWs) are equatorial mesoscale eddies observed both inthe Pacific and Atlantic Oceans as cusp-shaped frontal waves propagating westwardduring the second half of the year. It is known that TIWs are produced due both to abarotropic shear of an equatorial current system and to a meridional gradient of densityand sea surface temperature (SST) through a baroclinic instability. Because TIWs arean important mechanism for distributing heat in the meridional direction, a detailedunderstanding of TIWs is necessary. However, little is known about the impact of TIWson large-scale phenomena such as atmospheric circulation and global climate change. Inthis study, the climatic impact of TIWs in the tropical Pacific Ocean is investigatedusing a coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM) MIROC. Inparticular, the following three questions are addressed in this study:

・ How significant is the feedback of the TIW-induced atmospheric disturbances tooceanic TIWs?

・ How do atmospheric perturbations associated with TIWs modify the atmosphericmean circulation and induce a secondary impact?

・ How do TIWs ENSO modify characteristics?

The oceanic part of the high-resolution version MIROC reasonably reproduces TIWfeatures such as temporal and spatial scale, seasonality, energetics, and heat balance. Acomparison of energetics among three resolution atmospheric models coupled with thesame high-resolution oceanic model confirmed that a high-resolution atmospheric modelwhich is capable to represent the atmospheric responses to TIW-induced sea surfacetemperature (SST) perturbations simulates a negative feedback to oceanic TIWs. Suchnegative feedback is not identified in a low-resolution version atmospheric modelbecause of the absence of atmospheric responses. However, the negative feedback effectestimated quantitatively is negligibly small compared with the other energy sourcesfrom barotropic and baroclinic instability.

Sensitivity experiments were conducted to address the second question using anuncoupled atmospheric GCM with and without TIW-induced SST perturbations. Theirresults revealed the significant southward shift of the Hadley cell and the IntertropicalConvergence Zone (ITCZ) induced by the poleward eddy fluxes of heat and moistureassociated with TIWs. As an additional experiment, sensitivity of the upper ocean to themodified mean wind stress is examined using uncoupled medium-resolution oceanicGCM. Because the mean surface wind converging on the ITCZ is closely related to theequatorial current system, southward shift of mean wind stress curl causes theslowdown of the North Equatorial Counter Current (NECC). As a result, it is suggestedthat TIWs have a significant impact on oceanic mean field not only through the directheat transport by oceanic eddies, but also through the atmospheric heat and moistureconvergence which weakens the shear between the South Equatorial Current (SEC) andthe NECC.

The last question was examined by performing a 100-year integration of thelow-resolution MIROC in which the effect of the TIW-induced thermal heating isparameterized. We found that TIW-induced thermal heating has a vital role inincreasing ENSO asymmetry due to activated (suppressed) TIW-induced negativefeedback during La Nina (El Nino), besides it acts as a negative feedback to ElNino/Southern Oscillation (ENSO) anomalies. Furthermore, the period of ENSO islongthened because the phase speed of the equatorial Rossby wave is reduced throughthe improvement in background stratification around the off-equatorial thermocline. Inaddition, TIW's damping effect near the surface results in suppressing a SST mode ofENSO which is known to have higher frequency. These results are consistent with theobserved long-term modulation of ENSO and TIWs (the latter is presumed frombackground state changes) during the 1970's, and have possibility to contribute to theunderstanding of them.

These findings revealed that TIWs interact not only with the oceanic local meanstate but also with the remote tropical climate. Moreover, the methodologies conductedin this study are applicable to many other tropical frontal waves and contribute toinvestigate their multi-scale interactions.

熱帯太平洋の大気海洋系は、高い海面水温(SST)や熱帯収束帯(ITCZ)における活発な降水活動および、エルニーニョ・南方振動(ENSO)のように大規模な変動を通じて全球の気候に大きな影響をもつ。近年の衛星観測などにより、熱帯東部太平洋には熱帯不安定波(TIW)と呼ばれる季節内スケールで西進する海洋中の波動が存在することが明らかになってきたが、その空間スケールは1000km程度で従来の気候モデルでは再現できず、TIWが大規模な気候平均場やENSOとどのように相互作用しているかはよく分かっていない。

申請者は、気候システム研究センターで開発されてきた気候モデルMIROCの高解像度計算でTIWがよく再現できることに着目し、計算結果の詳細な解析に加えて自らがMIROCを用いたさまざまな数値実験を行い、気候システムにおけるTIWの役割を複数の観点から調べた。

第1章において、TIWに関するこれまでの観測的・数値的研究のレビューが行われた。TIWの空間構造、季節性、提案されている生成メカニズム、大気境界層に対する影響を広範に述べた後に、TIWが励起する境界層の大気擾乱が大気海洋の大循環およびTIW自身にどうフィードバックするか、TIWはENSOにどう影響するか、という疑問を取り上げている。提起された疑問点は各々、以降の3つの章で詳しく論じられる。

第2章において、解像度の異なる大気モデル(格子間隔約250,100,50km)を同一の高解像度海洋モデルと結合した3通りのMIROCの気候計算の結果が解析された。どの計算でもTIWが再現されていることを確認した後、エネルギー収支解析を用いてTIWの生成には順圧・傾圧不安定がともに重要であることが示された。さらに、3つのモデル結果の比較から、TIWに対する大気境界層の応答が海面熱フラックスと風応力を介してTIWを弱めるように働くこと、大気平均場の南北構造がTIWの生成に重要であることが論じられる。前者は、大気境界層の応答を表現できない低解像度モデルでは効率的に働かない一方、ITCZの南北構造がシャープに表現できる高解像度計算では海流の強い南北シアがより現実的になり、エネルギー変換を通じてTIWを強めるように作用する。後者の過程が卓越するために、高解像度モデルにおけるTIWが最も顕著であるという解釈が提示された。

第3章では、TIWに対する大気境界層の応答が大気海洋大循環に与える影響に注目して、MIROCの大気あるいは海洋部分だけを用いた数値実験が行われた。大気境界層における風と気温・水蒸気の応答の位相関係から、TIWの空間スケールで大気中の渦による赤道向きの熱・水蒸気輸送が生じ、それがITCZおよびハドレー循環を南へ移動させる効果をもつことが指摘され、さらにその結果変化する風応力場が北赤道反流を弱めることで、TIWに対し負の効果をもつことが明らかにされた。これは、ハドレー循環や海盆規模の海流といった大規模場と、TIWのメソスケールの場の間にスケール間相互作用があることを意味するもので、はっきり指摘されたのははじめてである。

引き続き第4章において、TIWがENSOにどう作用するかという疑問が低解像度のMIROCを用いた長期積分で調べられた。TIWによる熱輸送の効果を等密度面渦拡散としてパラメタ化してモデルに組み込み、パラメタ化あり/なしの場合でENSOの符号非対称性や周期などの特性がどのように異なるかに着目した解析結果が示された。TIWはエルニーニョ時に不活発、ラニーニャ時に活発となり、ともにENSOを抑制するように働くが、ラニーニャ時の方がその効果が強く、結果として観測に見られるような強いエルニーニョと弱いラニーニャという符号非対称を生じることが海洋混合層の熱収支から明らかにされた。さらに、TIWはENSOの原型として系に内在する2つのモードのうち、長周期で振幅の大きな温度躍層モードの出現を促すという結果も示され、観測される1O年規模のENSO特性の変化との関連が論じられた。TIWのENSOに対する影響を現実的な気候モデルで調べた例はほとんどなく、これらめ結果には新奇性が認められる。

以上のように、本研究はTIWの気候との関わりをTIWの生成メカニズム、大循環場との相互作用、ENSOへの影響といった複数の側面についてそれぞれ明らかにし、複雑な多重スケール相互作用の実態解明に大きく寄与するものである。用いるモデルへの依存性、現実との対応など、今後明らかにすべき点もあるが、熱帯気候におけるTIWの役割をこのように総合的に調べた意義は大きく、今後の気候研究および気候モデリング研究に重要な貢献を為したと考えられる。

なお、本論文に関連する結果として木本昌秀氏との共著論文が2編あるが、論文提出者が主体となって計算及び解析をおこなったものであり、提出者の寄与が十分であると判断される。これらは主論文には含まれておらず、補遺として添付されている。

以上の理由により、博士(理学)の学位を授与できると認める。