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『海洋学の教科書』はこんな方におすすめ！

『海洋学の教科書』から抜粋して3つご紹介

『海洋学の教科書』からいくつか抜粋してご紹介します。大学の教養から基礎専門程度の読者を想定し、あらゆる海洋現象の基礎となる海水部分の基本的な物理過程を中心に解説しました。コラムでは、津波や海難など、さまざまなマリンハザードが引き起こす災害や影響について、事例やシミュレーションをもとに解説します。

ENSO

東部の海面水温が平常時よりも高い状態をエルニーニョ、低い状態をラニーニャと呼びます。海面水温の変化とそれに伴う海洋・大気構造の変化をもたらす現象であることが分かったため、20世紀後半から大規模な観測が開始されました。

気象庁は、北緯5度から南緯5度、西経150度から西経90度の範囲をエルニーニョ監視海域と位置づけています。この領域の海面水温と基準値との差の5ヶ月移動平均値が、6ヶ月以上続けて＋0.5 ℃以上となった場合がエルニーニョ現象、－0.5 ℃以下となった場合がラニーニャ現象と定義されています。

エルニーニョ現象発生時は貿易風が平常時よりも弱くなったり、西風バーストと呼ばれる強い西風が吹いて西部への表層海水輸送が弱くなったり、東に輸送されたりします。これに伴って東部の湧昇が弱まって海面水温が高くなり、水温躍層の東西傾斜は緩やかになります。また大気の上昇域が東へ移動し、太平洋高気圧が通常よりも東に分布して、日本付近に外縁が位置することで台風の通り道になったり、日本が冷夏となったりする傾向があります。
ラニーニャ現象発生時は、貿易風が平常時よりも強くなることで、暖水がより西部に、より厚く蓄積されます。東部では湧昇が強くなって海面水温が低くなり、水温躍層の東西傾斜が大きくなります。大気の上昇域も西側の狭い範囲に偏り、積乱雲の形成が活発化します。

東南アジアと南太平洋との気圧の間にはシーソーのような関係性があり、これを南方振動と呼びます。タヒチの気圧からダーウィンの気圧を引いた気圧差が、南方振動指数（SOI）です。ダーウィンの気圧が相対的に高くなると、SOIは負の値をとります。この場合はエルニーニョ現象時と同じように、西風が吹く、あるいは貿易風が弱くなる傾向があります。実際、SOIが負の時にエルニーニョ現象が、正の時にラニーニャ現象が発生しています。両者が完全に一致するわけではありませんが、エルニーニョ現象と南方振動とを一つの事象としてENSOと呼びます。離れた場所も大気や海水はつながっているため、それぞれで起こる現象が互いに影響を及ぼし合い相関関係が見られることを遠隔相関といいます。

潮位変動

潮位変動にはさまざまな周期成分が含まれており、それらを分潮と呼びます。それぞれの分潮を正弦波で表すと、潮位の時間変動は分潮の重ね合わせとして式で表せます。式に関わる要素の中で、分潮の遅角と分潮の振幅は、その場所で分潮毎に異なる定数です。これらを調和定数と呼び、これが分かれば各分潮の時間変動が求められます。これらは地形が変わらなければほとんど変化しないため、長期間の実測潮位を調和解析することで求められます。つまり、過去だけでなく、未来の天文潮位の時間変化についても高い精度で予測できるのです。

分潮には、おおよそ半日周期の半日周潮、1日周期の日周潮のほか、倍潮、複合潮、長周期潮があり、合計で約60種類の分潮があります。影響の大きな4つの分潮を四大分潮と呼び、これらの合成により潮位変動は概ね説明できます。一般に最も影響が大きいのは、半日周潮の主太陰半日周潮(周期12.42時間)です。

潮位の日内変化において、潮位が極大になった状態を満潮、又は高潮と呼び、潮位が極小になった状態を干潮、又は低潮と呼びます。潮位変動が一日二周期であることを一日二回潮、一日一周期であることを一日一回潮と呼びます。同日の二回の満潮・干潮の高さが異なることを日潮不等と呼びます。日潮不等は月が南北回帰線に近い赤緯最大の時に大きく、赤道に近くて赤緯が小さい時に小さくなります。高潮と低潮との差を潮差と呼びます。
潮位差は、異なる地点間の潮位の差を意味します。満潮から干潮に潮位が降下する間を下げ潮、干潮から満潮に潮位が上昇する間を上げ潮と呼びます。満潮や干潮になるタイミングも、実際には月の子午線通過から時間差があります。月の子午線通過から満潮までの時間差を高潮間隔、干潮までの時間差を低潮間隔と呼び、これらを総称して月潮間隔と呼びます。

潮位変動には、およそ2周期の潮差の月内変動が見られます。潮差が大きい状態を大潮、小さい状態を小潮と呼びます。新月と満月の時期には満潮はより高く、干潮がより低くなり、潮差が大きくなります。半月の時期は潮差が小さくなります。満月や新月から大潮までの日数を潮令と呼びます。潮位は、平均的に夏季に高く、冬季に低い季節変動があります。日本では一般的に、夏～秋にかけて満潮が高くなる傾向があります。
潮位は、検潮井戸に検潮儀を設置して計測します。検潮儀には、超音波式、フロート式、水圧式などさまざまな種類があります。検潮井戸は海に隣接して設置されており、導管を通じて海水が導入され、何らかの観測基準面を設定して潮位を計測します。

気象庁や海上保安庁は、各検潮所で計測された潮位を用いて平均値と調和常数を求め、日本のさまざまな地点・海域の1年間の予測潮位を求めて、気象庁は潮位表を、海上保安庁は潮汐表を刊行しています。潮位表では潮位表基準面を基準としています。潮汐表では最低水面が基準面です。潮位の基準は、いずれもその海域の平均潮位から四大分潮の振幅の和だけ下がった高さです。振幅は、平均海面からの満潮や干潮の高さです。平均海面は海面変動がない状態の海面で、長期間の潮位計測値を平均することで得られます。絶対的な基準として、日本では東京湾平均海面が使用されています。検潮井戸の縁には球分体と呼ばれる水準点が設けられており、ここでの標高を測量により求めることで、東京湾平均海面を基準とする潮位に換算することができます。

海洋波浪の定義

海面の波動運動は、定点においては海面の昇降運動の時間変化として捉えられます。また波動の深度－空間断面により空間分布のスナップショットを捉え、複数時間を重ね合わせることで、波動の伝播を表現することができます。海面の波動運動にはさまざまな現象が関係し、それらの駆動力も現象の時空間規模もさまざまです。エネルギーが大きいのは、12時間や24時間周期に見られる潮位変動と、重力波と呼ばれる波動です。

重力波は風で引き起こされ、海面を見た時に海洋波浪、海洋波、海の波として認識する波動です。波動を表現する要素が一定な規則波は正弦波で表現できますが、海洋波浪は数秒～数分周期の広い周期帯にエネルギーが分布しており、さまざまな周期成分が重ね合わされた不規則波です。海洋波浪をスペクトル解析して得られる個々の周波数成分を調和波、調和成分波などと呼びます。これは潮汐における分潮にあたります。海洋波浪の周期の主成分はその時々で異なりますが、不規則現象を捉えるためにスペクトル解析を行います。

不規則波に対して波の要素を定量化するには、一波を定義する必要があります。波高の極大～極大を一波と定義する方法をピーク・ツー・ピーク法と呼びます。一般的に用いられるのはゼロ・アップ・クロス法で、まず水位変動の平均値を求め、平均を同じ方向から横切る点で一波を区切ります。

ゼロ・アップ・クロス法で各波の波高を求め、大きい方から1/3個を取り出した波を有義波といい、波浪情報ではこれを用いています。有義波はゼロ・アップ・クロス法よりも高波高、長周期になり、経験的に目視観測と一致します。目視観測では、大きな波の陰に隠れた小さな波は見えないことや、大きな波に着目しがちになることから、単純平均よりも大きな値を取りがちです。有義波高は平均値ですので、不規則波にはこれを上回る波高が出現します。

一波を定義せず、不規則波の波高の時間変動をスペクトル解析して、最もエネルギーが高くなるスペクトル・ピークを用いて波浪を定義する方法もあります。有義波周波数に比べ、スペクトル・ピーク周波数は低くなります。

『海洋学の教科書』内容紹介まとめ

海の中で海水はどのように振る舞い、どのような流れが起こっているのか？海水とはどんな物質で、その物理的特性とはどういうものか？潮汐、海流、波浪の仕組みとその種類は？海水の物理課程の基礎を一冊でやさしく学びます。コラムでは、海に関わる災害について解説しました。

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