[論文レビュー] Sea-Ice Distribution and Mixed-Layer Depths in Fram Strait

Sahil Agarwal, M. Grae Worster|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Arctic and Antarctic ice dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、フレームストラットにおける海氷拡大と混合層深さのダイナミクスを説明する単純な熱・質量移動モデルを開発した。氷縁の位置は主に氷流および海洋流速によって制御され、アンターティナー海氷ウェッジ構造が混合層の性質を支配している。モデルは、氷の前進と後退における季節的非対称性を明らかにし、北アトランティック海水の塩分減少と温暖化を介して、寒冷期のアトランティック・メルジオナル・オーバーライト・シーケンス（AMOC）の不安定化を予測している。

ABSTRACT

In an effort to understand the dynamics of the Arctic sea-ice edge, we present a simple model of heat and mass transfer in the Fram Strait that reveals some fundamental mechanisms controlling sea-ice extent in the marginal seas and the depth and properties of the Arctic mixed layer. We identify and study key mechanisms relating to the sea-ice wedge described by Untersteiner, a boundary-layer structure near the ice edge, demonstrating how ice thickness and extent depend on ice-export rates, atmospheric forcing and the properties of incoming warm and salty Atlantic water in the West Spitsbergen Current. Our time-dependent results demonstrate a seasonal asymmetry between the rates of ice advance and retreat and explain the significant variations in the Southerly extent of sea ice across the Fram Strait, with a long ice tongue corresponding with the East Greenland Current. Our simple model indicates that thinning of the Arctic sea-ice cover will lead to warming and freshening of the North Atlantic, which would give a de-stabilizing feedback to the Arctic ice cover, leading to a slowdown of the Atlantic Meridional Overturning Circulation.

研究の動機と目的

• 北極-大西洋間海洋循環の主要な通過路であるフレームストラットにおける北極海氷拡大を制御するメカニズムを理解すること。
• 氷流および海洋流速、大西洋水の性質、大気圧力が共同で海氷縁の位置をどのように決定するかを調査すること。
• アンターティナー海氷ウェッジの形成と性質をモデル化し、それが混合層深さおよび構造に与える影響を明らかにすること。
• 薄くなった海氷が、増加する氷輸出と関連してアトランティック・メルジオナル・オーバーライト・シーケンス（AMOC）の不安定化に与えるフィードバックを評価すること。
• 完全な数値統合を伴わずに、限界氷域における氷-海洋相互作用を研究するための単純で解析的に取り扱いやすいフレームワークを提供すること。

提案手法

• 海氷と下層海洋間のエネルギー交換を模擬する一次元的・時間に依存する熱・質量移動モデルを構築した。
• モデルには、氷流および海洋流速、大気温度、および温く塩分の高い大西洋水（ウエスト・スピッツベルゲン海流）の性質が組み込まれた。
• アンターティナー海氷ウェッジの概念を用いて、氷-海洋界面における境界層構造を記述し、熱フラックスのバランスが氷の融解と混合層深さを決定することを考慮した。
• 時間に依存する解と定常状態の解を解くことで、さまざまな外乱条件下における氷縁の位置と混合層の進化を特定した。
• 氷厚、海洋水温、塩分、風により駆動される流速といった主要パラメータを体系的に変化させ、それらが与える影響を評価した。
• 気候学的観測と比較してモデルを検証した。その結果、南下方向に約600 kmにわたるシミュレートされた氷舌が得られ、観測結果と整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 氷流および海洋流速は、フレームストラットにおける海氷縁の季節的変動と空間的拡大をどのように制御するか？
• RQ2 アンターティナー海氷ウェッジは、限界氷域における混合層深さと性質を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 なぜフレームストラット地域では、氷の前進と後退の速度に季節的非対称性が生じるのか？
• RQ4 特に多年氷の喪失を伴う北極海氷の薄化は、アトランティック・メルジオナル・オーバーライト・シーケンス（AMOC）の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 単純な解析的モデルが、フレームストラットにおける観測された氷舌長さと混合層ダイナミクスをどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• モデルは、観測された気候学的拡大と一致する南に約600 km延びる氷舌を再現した。
• 海氷縁の位置は主に氷流および海洋流速によって制御され、大気圧力の影響は二次的である。
• 非線形な熱フラックスおよび氷輸出のフィードバックにより、氷の前進は遅く、後退は速いという季節的非対称性がモデルで捉えられた。
• モデルは、海氷の薄化が北アトランティック海に淡水および熱フラックスを増加させ、結果としてAMOCの不安定化を引き起こす可能性があることを示した。
• アンターティナー海氷ウェッジ構造が、氷の覆い自体よりも混合層深さおよび性質をより顕著に支配しており、海洋熱損失の主要な制御要因として機能している。
• モデルは、初年氷の輸出では観測値よりも短い氷舌が得られることを示した。これは、多年氷のダイナミクスまたは解明されていない渦が、観測された拡大を強化している可能性を示唆している。