S16.1 The Impact of Space and Timescales on Sampling and Instrumentation

海洋物理現象の時間・空間スケールを第1章でまとめた(図1.2参照)。 このように多くの時間的・空間的変動を持つ運動を研究するためのデータ収集要件は厳しく、多種多様なサンプリング方法が要求される。 第6章で述べたように、ほとんどすべてのスケールの研究で、関心のない空間と時間スケールを除去するための平均化またはフィルタリングが必要である。 しかし、すべての空間とタイムスケールを測定して、完全な平均と統計をとることは不可能である。 したがって、観測海洋学者は、機器またはサンプリングの制限、あるいは異なる周波数や波長の信号による誤差や不確実性の原因を理解しなければならない。

例えば、従来の深層海洋プロファイル(S16.4項)は、海洋循環や特性分布の非常に大きな空間的・時間的スケールを研究するために、調査船から行われ、今も行われている。 これらは、深海を高い精度で測定する唯一の方法であり、ほとんどの化学的測定を行う唯一の方法であることに変わりはない。 深海の観測所では3時間、海洋横断では2ヶ月かかることもあり、解釈には限界がある。 例えば、潮汐、内部波、渦などの研究に個々の大きく離れたプロファイルを使用することはできませんが、これらや他の小規模な運動は個々の観測所の測定に影響を与えます。

2番目の例として、衛星高度計(S16.9.9項)は、海洋表面の各点を1~2週間ごとに通過して、海洋表面の高さを測定します。 海面の高さは、海洋循環、表面波や潮汐、水中の熱や塩分の増減による膨張や収縮、固体地球内の質量分布の不均一性(ジオイドの変動)など、いくつかの要因に依存する。 高度信号は、時間的に変化しないジオイドが支配的である。 したがって、時間依存の高度計測は最も有用であり、大規模循環の変化、エルニーニョなどの気候変動、地球規模の海面上昇に関連する海面高の時間依存性「メソスケール」(数十~数百キロメートル)と大規模時間依存性について重要な情報を提供してきた。

熱膨張のある場合の高度計測の解釈には、衛星が見ることができない表面下の温度と塩分構造についての情報が必要である。 そのため、高度測定に原位置測定が組み合わされる。 異なるデータセットはサンプリング頻度や位置が不一致であるため、この組み合わせはデータ解析に大きな課題をもたらしますが、最近ではデータ同化の利用によって対処されています(6.3.4項)。 高度計の3つ目の例として、衛星がある場所を通過する間に何日もかかるため、例えば潮汐による短い時間スケールは、各衛星通過時にその周期の異なる時刻に測定されることを意味する。 この “エイリアシング “により、誤った長いタイムスケールが生成される(6.5.3節)。 このような短いタイムスケールを適切に扱い、長いタイムスケールからできるだけ取り除くために、衛星軌道周波数の選択とデータの解釈には細心の注意が払われる。

この文章の主眼である、海の上部から下部までの最大規模の循環の観測に戻ると、流れを直接測定する多数の機器を採用することが最善の方法であるように見えるかもしれない。 実際、21世紀初頭には、比較的安価なフロートを用いて水柱内の流速を連続的に観測する計画(アルゴ、S16.5.2節で説明)が開始され、地下の流れ(主に単一の深さ)を追跡して一定間隔で衛星に報告するようになった。 このプログラムにより、海洋内部の観測に革命的な変化がもたらされましたが、その主な理由は、10日間隔で海面に到達するたびに収集される水温と塩分のプロファイルにあり、流速データはあまり利用されていませんでした。 表面漂流機の全地球的な配置は、海表面で同じ目的を達成する(S16.5.1項)。 このような海洋全体のラグランジュ・サンプリング方法は、世界的な衛星通信が始まる以前には不可能であり、すべての深さの海洋を計測することは、まだ法外なコストがかかる。 流速計は、機械式と音響式の両方で、ある地点の流れを数年間直接測定するもので、1950年代以降に開発され、広く配備されるようになった。 流速計が水の速度(速度と方向)に関する情報を与えるのは、機器自体の位置(時間と空間)の近くだけである。経験上、速度の大きな変動は、小さな距離や小さな時間間隔でも起こりうることが分かっている。 このような空間スケールの問題や、流速計の設置に高い費用がかかることから、海洋を広く観測することは不可能であった。 現在、電流計は主に幅数百キロメートル以下の明確に定義された流れで、あるいは特定の対象領域で、その領域のすべての時間スケール(全時間スペクトル)を、時には何年にもわたってサンプリングするために使用されています。 地下流の直接観測は、海洋循環に関する我々の観測知識のごく一部を提供するに過ぎない。 一方、それらが使用されているところでは、例えば、湾流や黒潮のような強く、比較的狭い流れの総輸送量や変動を定量化するなど、貴重な情報を提供している。

海流の直接測定が十分にできない場合、海洋循環を研究する海洋学者は間接法を用いる。 最も古く、現在も非常によく使われているのは、地衡法または力学的方法で、水平圧力分布と水平流を関連付けるものである(7.6節)。 数日以上の時間スケールを持つほとんどの流れ(赤道上を除く)は、圧力の水平変化(勾配)とコリオリ力の釣り合いである地衡流にある。 地衡流は、地球の自転による圧力勾配方向と直交する速度である。 圧力分布は、海面高度に依存し、また、ある緯度・経度における海水密度の鉛直分布にも依存する。 そのため、海洋循環のマッピングには、主に海洋の温度と塩分の分布を測定する方法が用いられてきた。 そして、ある深さ(地表高の関係で地表になることもある)での圧力勾配を仮定して、そこから各深さでの水平圧力勾配を計算し、密度分布を算出するのである。 地衡流を計算する。

一般に分布流速観測がないため、ある深さの圧力勾配を推定するステップは非自明である。 (1990年代に始まった地下フロートの配備は、まずこのような1つの深さでの速度場を提供することが動機となった)。 従来のアプローチは、海洋領域内の質量保存を必要とし、海洋内の特性分布のマッピングに基づいて、任意の深度における速度分布について経験的に推測することでした。 「逆手法」(6.3.4節で紹介されているが、開発されていない)は、質量保存と混合によって影響を受ける特性分布に基づく制約の使用を公式化するものである

いくつかの水の特性も時間の固有のトレーサーである(3.6節と4.7節)。 これらには、生物学的に活性であり、特定の場所でリセットされるトレーサーが含まれる。 例えば、酸素は表層で大気と接触して飽和し、水柱の中でバクテリアによって消費され、ある水塊のおおよその年齢がわかる。 過渡トレーサーに内蔵された放射性崩壊の時計は、環境の物理的・生物的性質に依存しないため、より有望である。 クロロフルオロカーボン(CFC)のような人為起源トレーサーは、人類によって地球システムに注入されたものである。 フロンのように環境中に放出された履歴が分かれば、表層海水が内部海域に移動する際の経路のトレーサーとして有用である

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