海洋熱波

現象の定義：ホブデイの枠組み

海洋熱波とは何か？

2016年以前には、海洋熱波の統一された科学的定義はありませんでした。事象は、様々な研究者によって異なる指標を用いて定性的に記述されていました。Hobday et al. [1]は、大気中の熱波の定義に類似した厳密な閾値ベースの定義を提案することでこれを解決しました。MHWは、SSTが気候学的ベースラインの90パーセンタイル（標準的な30年間の参照期間で計算）を少なくとも5日間連続して超える期間と定義されます。2日未満の間隔で隔てられた隣接する事象は連続していると見なされます。この定義は気候学 relative であり、特定の場所の生物がこれまで経験してきたことと比較して異常な暖かさを捉えます。これは、亜極地の北大西洋における「高温」が熱帯では目立たないことを認識しています。90パーセンタイルの閾値は意図的なものです。それは季節変動の通常のばらつきを除外しつつ、真に生態学的に重要な事象を捉えます。

カテゴリーI–IV：強度分類

Hobday et al. [2]は2018年に最初の定義を拡張し、ハリケーンのカテゴリーを模範とした4段階の強度分類システムを導入しました。これにより、一般への情報伝達と歴史的な比較が容易になりました。カテゴリーI（中程度）の事象は90パーセンタイルの閾値を超えるものの、その閾値と気候学的平均との差の2倍には達しません。カテゴリーII（強い）の事象はこの異常値の2倍、カテゴリーIII（深刻）は3倍、そしてカテゴリーIV（極端）は4倍以上です。2011年に西オーストラリア沖で発生し、大規模なサンゴ白化とシャークベイの海草藻場の22%を死滅させたニンガルーMHWはカテゴリーIIIに分類されました。2023年の北東大西洋MHWの一部はカテゴリーIVに達しました。これはその海域では前例のない分類でした。

画期的な海洋熱波事象

太平洋のブロブ (2013年–2015年)

ブロブは2013年後半にアラスカ湾で形成されました。異常な高気圧のブロックが風による混合と表面の熱損失を減少させ、太陽放射が厚くなる混合層に蓄積されることを許しました。2014年春までには、その暖かい異常はアリューシャン列島からバハカリフォルニアまで広がり、アメリカ本土を上回る面積を覆っていました。生態学的影響は連鎖的でした。神経毒であるドーモイ酸を生成する偽ニッチア属の珪藻ブルームはカリフォルニアからアラスカまで広がり、貝類、海鳥、海洋哺乳類を汚染しました。太平洋イワシとカタクチイワシの個体群は、暖かく生産性の低い水と病気の二重の圧力の下で崩壊しました。母親が餌を見つけられなかったため、数百頭の栄養失調のカリフォルニアアシカの赤ちゃんが浜辺に打ち上げられました。ストラウブら[5]は、数十年間にわたって生育していた北東太平洋の一部での昆布の局所的な絶滅を含む、多種多様な海藻の死亡応答を記録しました。その後、ブロブは2015年から16年にかけて発生したエルニーニョと合流し、世界的な熱ストレスを悪化させました。

2023年–24年の世界海洋熱異常

2023年4月以降、世界平均海面水温は衛星高度計の記録からほぼ毎日外れ始め、1982年から2011年の平均より+0.9°C高い異常値に達しました。これは、単一の海域では異常だったでしょうが、地球規模で同期していました。原因としては、発生中のエルニーニョ、2022年のフンガ・トンガ噴火後のエアロゾル負荷の減少（一時的に地表の反射を抑制しました）、そしてすでに大西洋の海面水温を上昇させるとモデル化されていたサハラ砂漠の砂塵の減少が含まれていました。熱帯礁への影響は観測史上前例がなく、NOAAコーラルリーフウォッチは2024年2月に第四次世界サンゴ白化現象を宣言し、グレートバリアリーフ（2016年以来5回目）、カリブ海、紅海、インド洋、太平洋全域で白化が記録されました。Oliver et al. [3]は、MHW日数の増加という長期的な傾向を文書化していましたが、2023年にはその傾向が単一の加速された事象として凝縮されました。

海洋熱波を駆動するメカニズム

MHWは通常、風による混合の減少（これは通常、より冷たい海底の水を表面に運びます）、雲量の抑制（表面に到達する太陽放射を増加させます）、およびブロックする高気圧システムなどの異常な大気循環パターンの組み合わせによって発達します。熱帯では、MHWはENSOフェーズ、マッデン・ジュリアン振動、および地域的な循環異常と頻繁に関連しています。中緯度地域では、ジェット気流の蛇行が持続的な高気圧ブロックを生み出し、数週間から数か月にわたって暖かい海面状態を維持することができます。海洋と大気のフィードバックはMHWを強化することができます。暖かい海面水温は大気対流と蒸発冷却を抑制し、一度確立された異常を維持するのに役立ちます。

気候変動が熱波を増幅

Frölicher et al. [4]は、CMIP5気候モデルシミュレーションの大きなアンサンブルを使用して、地球温暖化がMHW統計をどのように変化させるかを予測しました。その結果は驚くべきものでした。産業革命以前のベースラインと比較して、RCP8.5シナリオの下では、平均的な世界のMHWは2100年までに112日間続き、2100万km²を覆うでしょう。2°Cの温暖化では、MHWの日数は世界的に産業革命以前のベースラインと比較して41倍に増加します。Oliver et al. [3]は歴史的な傾向を確認しました. 1925年から2016年の間にMHWの頻度は約54%増加し、平均継続期間は17%増加しました。重要なのは、海洋が温暖化しているため、90パーセンタイルの閾値自体も上昇していることですが、観測されたSSTはさらに速く上昇しており、これは閾値を超えるイベントの頻度が非線形に加速することを意味します。

ダイバーへの生態学的影響

サンゴの白化と骨格の壊死

サンゴの白化は、海水温が上昇（通常、数週間以上夏季最高気温より1〜2°C高い）すると発生します。これにより、サンゴとその細胞内藻類（Symbiodiniaceae）の共生関係が崩壊します。白化したサンゴは藻類を排出し、主要なエネルギー源を失い、熱異常が持続すれば死に至ります。Hughes et al. [6]は、2016年のグレートバリアリーフでの白化が北部地域の浅いサンゴの約50%を死滅させたことを記録しました。これは、この礁の記録史上前例のない大量死イベントでした。彼らの分析によると、白化現象は現在、1990年代よりも約1°C低い温度で発生しており、その理由は、サンゴが以前のイベントからの回復が完了する前にさらされているためです。MHWは、ゆっくりと上昇するベースラインに加えて急性熱ストレスをもたらすことで、ほとんどの白化イベントの直接的な引き金となります。

ケルプの森と海草藻場

ケルプの森は、地球上で最も生産性が高く生物多様性に富んだ生態系の一つであり、温度に非常に敏感です。冷温帯のケルプの森におけるほとんどのマクロ藻類種は、上限温度耐性が18〜22°Cであり、MHWの温度はこれらの閾値を数度超えることがあります。Straub et al. [5]は、MHWに対する海藻の反応スペクトル—抵抗から部分的な死亡、局所的な絶滅まで—をレビューし、西オーストラリア（2011年）、南カリフォルニア（2014-15年）、タスマニア（継続中）での地域的なケルプの森の崩壊を記録しました。サンゴ礁魚の重要な稚魚生育地を提供する海草藻場は、2011年のニンガルーMHW中にシャークベイで大量死し、イベント前の面積には回復していません。これらの基盤となる生息地の喪失は、食物網全体に連鎖的に影響を及ぼし、ジンベエザメ、マンタレイ、ウミガメなどの大型海洋生物に影響を与え、ダイバーを温帯および亜熱帯の目的地に引き付けています。

遠洋生態系の混乱

MHWは上層海洋を成層化させ、栄養塩の湧昇を抑制し、食物網の基盤である植物プランクトンの生産性を低下させます。動物プランクトンのバイオマスが減少し、その結果、小型の群れをなす魚の餌の可用性が低下し、さらに大型の捕食者の餌が減少します。生産性の高い外洋のダイビングサイト—ガラパゴス、アゾレス諸島、ココス島、モルディブの外環礁—では、MHWの状態は、ジンベエザメやオニイトマキエイから、イルカやカジキを引き寄せるベイトボールの魚群まで、あらゆるものの減少を示します。遠洋のメガファウナは、持続的なMHWの間、その分布を極方向またはより深く冷たい水域へと移動させ、確立されたホットスポットでのダイビング遭遇率を直接低下させます。

• ジンベエザメ：生産性の高い湧昇域に集まるが、MHW中は崩壊する。
• オニイトマキエイ：動物プランクトン群を追跡するが、生産性の低下がその空間分布を変化させる。
• マンボウ（オーシャンサンフィッシュ）：深海での摂食後、体温調節のために暖かい表層水域に上昇するが、MHWは彼らの垂直移動パターンを妨害する。
• 群れる遠洋魚（マグロ、アジ、カンパチ）：薄い酸素に富んだ熱的耐性のある層に圧縮され、温かい海中水域の上に壮観な表層集積を形成することもあるが、これはその下のストレスを受けた生態系を示している。

MHWの予測：ダイブ旅行計画のためのツール

NOAA Coral Reef Watchは、全球で5km分解能のDegree Heating Weeks（DHW）製品をほぼリアルタイムで公開しています。DHWは、12週間の期間にわたる累積的な熱異常を統合します。1つのDHWは、海面水温が気候学的月間最大平均を1°C超える1週間に相当します。白化は通常4 DHWで始まり、広範囲での死亡は8 DHW以上で予想されます。オーストラリア気象局とCSIROは、オーストラリア地域向けのMHW追跡製品を発行しています。NOAAと欧州中期予報センター（ECMWF）からの季節SST見通しは、通常よりも高いSSTの1〜6か月の確率的予測を提供し、旅行計画の事前警告となります。

予測：待ち受けるより高温の海洋

その軌跡は明確です。Oliver et al. [3]は、1.5°Cの温暖化が達成された場合（パリ協定の目標）、MHWの頻度は産業革命以前の約5倍になり、2°Cでは41倍、3.5°Cでは90倍になると示しました。実際には、高排出シナリオの下では、今世紀後半にはほとんどの熱帯サンゴ礁地域の海面が、年間を通して「MHW」状態になることを意味します。その時点で、Hobday [1]の閾値ベースの定義は逆説的になります。つまり、イベント自体が海洋熱波であるベースラインに対して、異常に暖かいとは言えなくなるのです。Frölicher et al. [4]はこれを「恒常的な海洋熱波」状態と呼びました。

2100年までに、高排出シナリオの下では、世界の海洋は20世紀後半のベースラインに対して「恒常的な海洋熱波」状態になるだろう。今日私たちが極端と呼ぶものが常態となるのだ。

— Frölicher, Fischer & Gruber, Nature, 2018 [4]