Marine Heatwave-Induced Stratification Promoted Subsurface Heat Storage and Supported the Rapid Intensification of Tropical Cyclone Winston

技術要約：海洋熱波に起因する成層化と熱帯低気圧ウィンストン（Winston）の急速強化

問題提起
海洋熱波（MHW）が熱帯低気圧（TC）の強度を調節する要因であることはますます認識されるようになっているが、上層海洋のプレコンディショニング（前駆条件）が急速強化（RI）へと結びつく具体的なメカニズムについては、依然として完全には理解されていない。先行研究では、MHWが海面温度（SST）の上昇や海洋から大気へのエネルギー輸送の増大を引き起こすことで、TCの強度を高められることが確立されているが、熱の垂直分布、具体的には成層化が嵐の通過時における表層下の熱貯蔵およびその後のアクセシビリティ（利用可能性）にどのように影響するかという点については、さらなる調査が必要である。本研究は、極端なMHWの発生中に発生した南西太平洋における歴史的なカテゴリー5のイベントである、熱帯低気圧ウィンストン（2016年）の急速強化を促進した海洋・大気の結合プロセスに関する理解の空白を埋めるものである。

手法
本研究は、観測データ、再解析プロダクト、および高解像度海洋モデルを組み合わせたマルチソース診断アプローチを用い、TCウィンストンの前後における海洋状態を再構築する。

• データソース: MHW検出には日次最適補間海面温度（OISST）を、表面熱フラックスおよび風場（パラメトリック・リアナリシス法を用いてTCコアの風で補正したもの）にはERA5大気再解析を、そして表層下の温度および塩分プロファイルにはGLORYS2V4全球海洋再解析を利用する。
• モデリング: 日次再解析では捉えきれない亜日次の上層海洋変動（日変化、鉛直混合、およびエントレインメント）を解像するために、GLORYS2V4のプロファイルで初期化され、ERA5の1時間ごとの大気強制力で強制された海岸・地域海洋共同体（CROCO）モデルを使用する。
• 分析フレームワーク:
  • MHW検出: Hobday et al. (2016) の枠組みを用い、SSTが90パーセンタイルを5日間以上連続して超えた期間を特定する。
  • 熱収支: 混合層熱収支（MLHB）を計算し、温度変化を表面フラックス、水平アドベクション、および残留混合項に分割する。
  • 成層化: ブルント・ワイサラ振動数（$N^2$）を算出し、鉛直方向の安定性を定量化する。
  • 熱貯蔵量: 混合層における海洋熱含量（OHC）アノマリー（$OHC'_{MLD}$）、上層100mにおけるアノマリー（$OHC'_{100}$）、および26°C等温面までのアノマリー（$OHC'_{D26}$ または TCHP）を算出する。
  • 持続性指標: 海面冷却に対する熱貯蔵庫の耐性を評価するため、等価冷却タイムスケール（$t_{eq}$）を導出する。
  • トラックに基づく診断: RIフェーズにおける熱構造、熱含量の減少、および結合された海洋・大気間のエネルギー交換（運動エネルギー、乱流フラックス、鉛直風シアー）の沿線解析を行う。

主な結果

1. MHWによるプレコンディショニングと成層化: 2016年のMHW期間中（1月下旬〜2月中旬）、持続的な放射強制力（主に強化された短波放射による）と弱い表面風（< 5 m/s）によって、浅い混合層（約13〜17 m）と著しく強化された上層海洋の成層化が生じた。上層50mにおけるブルント・ワイサラ振動数は、MHW前の条件と比較して約68%増加した。
2. 表層下の熱貯蔵: 混合層熱収支の分析により、表面からの熱入力は相当量であったものの、混合層内の観測された温度変化は小さかったことが明らかになった。代わりに、熱のかなりの部分が混合層の下方に再分配されていた。その結果、アノマリーとしての熱貯蔵は上部水温躍層（30〜60 m）まで及んだ。26°C等温面までの積分熱含量（$OHC'_{D26}$）は約170 MJ m⁻²に達し、混合層内に限定されたアノマリーを大幅に上回った。等価冷却タイムスケールは2日未満から8〜10日へと増加し、垂直方向に構造化された持続的な熱貯蔵庫の存在を示した。
3. 嵐によるアクセスと枯渇: TCウィンストンの急速強化の間、嵐による混合がこの蓄積された熱にアクセスした。冷却が表面に限定されるという予想に反して、最も強力な熱含量の減少は混合層内ではなく、表層下の貯蔵庫（300〜600 mの深さ）で発生した。混合層自体はわずかに深くなったが、最も顕著な熱的変化と分率的な枯渇は、より深い貯蔵庫（$H_{300}$、$H_{600}$）およびTCHPにおいて観察され、これらは第3のRIフェーズまでにほぼ完全に枯渇した。
4. 結合エネルギー交換: 急速強化は、高い表層下の熱の利用可能性、弱い鉛直風シアー（VWS）、および強化された海洋から大気への乱流熱フラックスの同時発生と一致していた。大幅な海洋からの熱損失にもかかわらず、高い乱流フラックスが維持されたことは、深い混合に伴う典型的な冷却を緩和する、アノマリーな高温の表層下水の引き込み（エントレインメント）と整合している。この強化は、この結合された応答によって駆動される運動エネルギー成長の、エピソード的なバーストによって特徴付けられた。

主な貢献

• メカニズムの洞察: 本研究は、MHWがTCの強化に寄与する仕組みが、単なるSSTの上昇を超えたものであることを示している。MHWによる成層化が、混合層の下にエネルギーを蓄える垂直構造化された熱貯蔵庫を作り出すという重要な役割を強調している。
• 表層下のダイナミクス: 海洋の応答において、エネルギー的に重要なプロセスが表面層の下に集中しているという証拠を提示している。表面層の熱だけでなく、表層下の熱の動員こそが、RI中の海面・大気間のエネルギー伝達を維持する主要な原動力であった。
• 診断フレームワーク: 再解析データと高解像度モデリングを活用することで、インシチュ（現地観測）データが乏しい南西太平洋のようなデータ制約地域においても、表層下のプロセスを推論できる、結合された海洋・大気の診断フレームメントを確立した。

意義と主張
本論文は、TCウィンの急速強化が、特定の海洋プレコンディショニング状態によって支えられたと主張している。それは、熱を閉じ込め、上部水温躍層への熱の蓄積を促進する、浅く強く成層化された混合層である。本研究は、MHWがTCの強度に影響を与えるのは、単に上層海洋の熱貯蔵量の大きさを増すだけでなく、熱の垂直分布とそのアクセシビリティを変容させるためであると結論付けている。この知見は、SSTのみに依存することは、MHW環境下におけるTCの強化の可能性を過小評価することにつながる可能性があることを示唆している。すなわち、決定的なエネルギー貯蔵庫はしばしば表面の下に存在する。本研究は、温暖化が進む中で、複合的なMHW–TCの極端現象をより良く理解し予測するために、上層海洋の熱構造と成層化を監視することの必要性を強調している。