Detecting regional deep-ocean steric changes remains challenging with sea level budget analyses

技術要約：海面水位収支解析による地域的な深海ステリック変化の検出は依然として困難である

問題提起
2000メートル以深の深海における変化を検出し、定量化することは、観測データの空間的・時間的な網羅性が乏しいため、海洋学および気候学のコミュニティにとって極めて重要な課題となっている。深海の熱吸収は全球平均海面水位上昇に寄与しているが（約0.11 ± 0.10 mm/year）、既存の推定値は大きな不確実性を伴う。有望なアプローチの一つとして、総海面水位（衛星高度計）、海洋質量（衛星重力観測/GRACE-FO）、および表層海洋のステリック変化（Argoフロート）の差を算出する「残差法」がある。この手法の使用が増えている一方で、長期間の直接的な深海観測データに対して厳密な検証が行われたことはない。先行研究では、結果が分かれており、ノイズのために残差法では深層の信号を検出できないとするものもあれば、特定の領域において水理学的トレンドとの一致を主張するものもある。

手法
著者らは、2005年から2022年までの7つの長期水理観測サイトにおける直接観測された深層ステリック海面水位偏差（DSSLa）と比較することで、地域的な深海ステリック変動を検出する残差法の能力を評価した。これらのサイトには、開放海洋ステーション（BATS, HOT）、西境界流領域（RAPIDwest, MOVE3）、および東境界領域（RAPIDeast, RAPIDmarwest, MOVE1）が含まれる。

海面水位収支の枠組みは、総海面水位（$\eta_{total}$）を海洋質量（$\eta_{mass}$）とステリック成分（$\eta_{steric}$）に分解する。深層のステリック偏差（$\eta_{deep}$）は、以下の残差として導出される：
$$\eta_{deep} = \eta_{total} - \eta_{mass} - \eta_{upper\_steric}$$

データソースは以下の通りである：

• 総海面水位： 遅延モードのレベル4衛星高度計データ（CMEMS）。
• 海洋質量： JPL GRACE/FO リリース06.3 マソン（mascon）解。
• 表層海洋ステリック： 5つのグリッド化されたArgo製品（BOA, IAP, GDCSM, JAMSTEC, SIO）のアンサンブル平均。
• 検証データ： BATS, HOT, RAPIDアレイ, MOVEアレイからの直接的な水理観測データ。
• ベンチマーク： 動的に整合しており、局所的に海面水位収支を閉じる「Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO) V4r4」の状態推定値。これを用いて不一致の診断を行った。

本研究では、モンテカルロ・シミュレーションを用いて不確実性と信頼区間を定量化しながら、経年変化（interannual variability）と線形トレンドを分析した。

主な結果

1. 限定的な検出能力： 残差法は、観測された深層ステリック変動の大きさを信頼性を持って再現することに失敗した。全7地点において、残差時系列の標準偏差（8.2–19.3 mm）は、直接観測されたDSSLa（2.7–5.8 mm）よりも大幅に大きく、これは残差がノイズ、計器のドリフト、または収支項の誤差によって支配されていることを示している。
2. 相関の問題： 残差と観測値の間の生の相関は、一部のサイト（例：MOVE3）では中程度から強い相関を示したが、トレンド除去を行うと、この一致の多くが共通の長期トレンドに起因していることが明らかになった。トレンドを除去した後、相関は著しく低下し（例：RAPIDeastでは0.67から0.08へ）、類似の線形トレンドが、無関係なプロセスから生じている可能性を示唆している。
3. トレンドの不一致： ほとんどの場合、残差のトレンドは観測されたDSSLaのトレンドよりも大幅に大きく、その95%信頼区間は重ならなかった。例えば、RAPIDeastでは、残差のトレンドは3.61 ± 0.28 mm/yearであり、観測されたトレンドである0.41 ± 0.08 mm/yearの約8倍であった。
4. 系統的誤差の診断： 本研究は、北大西洋（特にRAPIDeast）における大きな不一致（misclosure）が、以前の他の研究で仮説とされていたArgoの塩分ドリフトによるものではないことを特定した。代わりに、この不一致はGRACE/FOデータにおける非海洋学的な重力信号によって支配されている。
   • 空間解析により、GRACE/FOのデータにおいて、ECCOには存在せず、物理海洋学とも矛盾する、北大西洋における盆地規模の負の質量トレンドが示された。
   • もしこのGRACE/FOの質量トレンドが真実であれば、それは東・西間の圧力勾配の劇的な強化と、大西洋南北逆転循環（AMOC）の下層部における重大なトレンドを意味することになる。しかし、RAPIDの観測およびECCOは、そのようなトレンドを支持していない。
   • ECCOとの比較により、不一致は総海面水位やステリック成分ではなく、質量/OBP（海洋静水圧）項に存在することが確認された。

意義と主張
本論文は、数十年にわたる記録があるにもかかわらず、海面水位収支解析を用いた地域的な深海ステリック変化の検出は依然として困難であると結論付けている。残差アプローチの信号対雑音比（S/N比）は、ほとんどの領域において、堅牢な検出を行うには不十分である。

決定的な点として、著者らは、北大西洋におけるGRACE/FOデータに関する、これまで研究されてこなかった重大な問題を特定した。彼らは、北大西洋で見られる見かけ上の質量減少は、海洋学的な質量変化や単純なデータ処理エラーではなく、固体地球に由来する非海洋学的な重力信号である可能性が高いと主張している。この知見は、北大西洋における海面水位収支の不一致を主にArgoの塩分ドリフトに帰していた従来の解釈に異を唱えるものである。著者らは、この重力信号を引き起こしている固体地球のプロセスが分離され、モデル化されるまでは、北大西洋の海洋学研究においてGRACE/FOデータを使用する際に注意が必要であると警告している。本研究は、残差海面水位収支を解釈する際には、独立した検証（長期的な係留系や動的に整合した状態推定など）の必要性を強調している。