Multidecadal variability of the ENSO early-winter teleconnection to the North Atlantic in CMIP6 models: robustness and mechanisms

技術要約：CMIP6モデルにおけるENSOの初冬における北大西洋へのテレコネクションの数十年規模変動

問題提起
エルニーニョ・南方振動（ENSO）は、初冬（11月–12月）の北大西洋の大気循環に対して重要な影響を及ぼし、主に東大西洋パターン（EAP）へと投影される。業務用の季節予測システムは一般にこのテレコネクションの空間パターンを捉えているが、近年の観測分析では、ENSO-EAP間の結合強度が非定常であり、大幅な数十年規模の変動を示すことが指摘されている。例えば、このテレコネクションは、異なるエポック（時代）において、北極振動（NAO）と相関する時期とEAPと相関する時期の間でシフトすることが観察されている。しかし、観測記録を用いたこのような非定常性の評価は、計器観測期間の短さに制約されている。観測記録のサブ期間に含まれるサンプルサイズが小さいことは、観察されたテレコネクションの変化が、真の力学的メカニズムによって駆動されているのか、あるいは単なるサンプリングの変動によるアーティファクト（偽の信号）であるのかを統計的に区別することを困難にしている。さらに、これらの変化を太平洋十年規模振動（PDO）や大西洋多年代変動（AMV）といった低周波気候モードに関連付けることも、観測記録がこれらのモードのわずか1〜2周期分しかカバーしていない場合には困難である。

手法
サンプルサイズの制約を克服し、テレコネクションの定常性をロバストに評価するために、本研究では10個のCMIP6モデルによる長期のプレインダストリアル（前工業化）コントロール（piControl）実験を利用する。これらは、固定された人為的強制力（1850年レベル）および規定された自然強制力を伴う700年以上のシミュレーションであり、統計的な劣化を伴わずにデータを異なる数十年規模のサブ期間に分割することを可能にする大規模なサンプルサイズを提供している。

分析には以下の手法の枠組みを用いる：

1. 指標の定義： Niño 3.4指数（N34）はENSOの変動を特徴付ける。東大西洋指数（EA）は、ERA5再解析のパターンに整合させた北大西洋の平均海面気圧（MSLP）アノマリーの経験的直交関数（EOF）分析を通じて導出される。
2. 非定常性の評価： EAとN34の21年移動相関を計算する。これらの相関の変動がサンプリングの不確実性から予想される範囲を超えているかどうかを判断するために、線形確率モデルアプローチ（Rieke et al., 2021）を採用する。これには、相関変動の帰無分布を作成するために、定常的なテレコネクションの5,000回の実現生成が含まれる。
3. 期間の分類： 正のEA-N34相関が統計的に有意な期間を「POSCORR」とラベル付けし、相関が弱い期間を「WEAKCORR」とラベル付けする。
4. メカニズムの診断： POSCORR期間とWEAKCORR期間の間で、合成クリマトロジーおよびENSO回帰パターンを比較する。分析対象となる主要な変数は、MSLP、200 hPaジオポテンシャル高度（Z200）、200 hPa風（u200）、対流のプロキシとしての外向き長波放射（OLR）、および海面水温（SST）である。ロスビー波の定常的な伝播を診断するために、波活動フラックス（WAF）が用いられる。

主な結果

1. 有意な数十年規模の変動： 分析の結果、CMIP6モデルにおいてENSO-EAPテレコネクションは大幅な数十年規模の変動を示すことが明らかになった。決定的なことに、確率モデルとの比較により、10モデル中5つのモデルにおいて、21年移動相関の変動はサンプリングの不確実性から予想されるものよりも有意に大きいことが示された。これは、このテレコネクションがランダムなノイズではなく、力学的なメカニズムによって駆動される非定常なものであるという仮説を支持している。
2. モデルのバイアス： モデルはENSO-EAPテレコネクションの空間パターン（イギリス諸島の西側の負のMSLPアノマリー）を概ね捉えているものの、ERA5再解析と比較してテレコネクションの強度を著しく過小評価している。この過小評価は、GCMおよび季節予測システムにおける既知のバイアスと一致している。
3. 力学的メカニズム： 本研究では、この変動を駆動している可能性のある3つの主要なメカニズムを特定した：
   • 熱帯インド洋の対流： POSCORR期間では、熱帯インド洋におけるENSO関連の対流ダイポール（強化されたOLRアノマリー）がより強くなる。これが上層の発散を強め、より強力なソースとして機能し、特にインド洋／東アジア地域から北太平洋へのロスビー波活動フラックスを強化する。
   • 北太平洋ジェット気流の状態： POSCORR期間は、北太平洋ジェット気流（u200）のクリマトロジカルなシフト（極側への変位と東方への伸長）を伴う。この構成は、熱帯から北太平洋を経て北米、次いで北大西洋へと、波のエネルギーをより効率的に伝播させることを容易にする。
   • 太平洋十年規模振動（PDO）のフェーズ： POSCORR期間とWEAKCORR期間のSSTクリマトロジーの違いは、それぞれPDOの負のフェーズと正のフェーズに類似している。本研究では、ENSO-EAPテレコネクションは、負のPDOフェーズ（北太平洋における強い外側熱帯海面水温勾配に関連）に類似する期間に強く、正のPDO様フェーズの期間には弱くなることを見出した。
4. 波の伝播： Z200回帰パターンの差は、インド洋の対流ダイポールと一致する東アジアおよび北太平洋上の波状構造を示している。これは、インド洋経路の変化が北太平洋におけるジェット気流とストームトラックの応答を調整し、それが次いで北大西洋におけるテレコネクションを形成する渦・平均流フィードバックに影響を与えることを示唆している。

意義と主張
本論文の主要な貢献は、観測研究におけるサンプルサイズの制限を克服し、ENSO-EAPテレコネクションの非定常性を評価するための堅牢な枠組みを提供することにあると主張している。このテレコネクションの数十年規模の変動が、サンプリングノイズではなく力学的なメカニズムによって駆動されていることを示すことで、本研究は、シフトするテレコネクションパターンの観測結果を検証している。

著者らは、特定されたメカニズム（具体的には、インド洋対流経路の変調、北太平洋ジェット気流の背景状態、およびPDOのフェーズ）が、この変動の妥当な駆動要因であると断言している。これらの知見は、北大西洋およびヨーロッパにおける季節変動と予測可能性の理解を深めるものである。本研究は、モデルのバイアスは存在するものの、異なるモデル間でのシグナルの整合性と、これまでの観測およびモデリング研究（例：インド洋およびPDOの役割に関する研究）との一致性は、意味のある非定常性の仮説を支持していると結論付けている。著者らは、結果がサンプリングの変動に対してはロバストであるが、異なるバイアスを持つモデルを統合するとマルチモデル平均におけるシグナルが弱まる可能性があることを指摘しており、これらのメカニズムをさらに孤立させるための標的を絞った感度実験の必要性を示唆している。