北半球の中・高緯度地域における大陸性と海洋性と大気循環との関連
概要
気候の大陸性と海洋性は、世界的および地域的な気候変動によっ この論文では、1950年から2015年にかけての北半球の中緯度と高緯度における大陸性と海洋性の指標とその変動を分析します。 Ｃｏｎｒａｄの大陸性指数（ＣＣＩ）とＫｅｒｎｅｒの海洋性指数（ＫＯＩ）を用いて，気候学と大陸性と海洋性の変化を調べた。 北半球のテレコネクションパターンが大陸性／海洋性条件に及ぼす影響も評価した。 CCIによると、大陸性は北東シベリアでより重要であり、北アメリカの太平洋沿岸だけでなく、大西洋の北部の沿岸地域でも低くなっています。 しかし、KOIによると、高い大陸性の領域は、CCIによって識別された領域の南と西に現れる低海洋性の領域と正確には対応していません。 したがって、大陸性の変化の空間パターンは異なっているように見えます。 CCIによると、大陸性の統計的に有意な増加は、北東シベリアでのみ発見されている。 対照的に、北米の西部とアジアの大部分では、大陸性が弱まっています。 KOIによると、気候は北ヨーロッパと北アメリカと東アジアの大部分でますます大陸になっています。 カナダの北極諸島と地中海地域のいくつかの地域で海洋性が増加しています。 大陸性の変化は、主に大気循環の変化の結果として最も寒い月の気温の上昇に関連していた：北大西洋振動（NAO）と東大西洋（EA）パターンの正の相は、ここ数十年 海洋性の傾向は、季節的な海氷の程度の減少とそれに伴う海面温度の上昇と関連している可能性がある。
1. はじめに
大陸性と海洋性は、地域の気候条件を記述する重要なパラメータです。 彼らは、地域の気候が海と陸の相互作用によってどの程度影響されるかを実証している。 他のほとんどの気候指標と同様に、これらのパラメータは動的であり、地球規模の気候変動とその結果として大気循環の変化の両方に関連しています。
大陸性は主に、緯度、海までの距離、大気循環などの様々な気候変数の影響を受けます。 ほとんどの場合、大陸性指数の計算は、年間気温範囲と緯度に基づいています。 より大きい年次気温範囲はより高い熱対照およびより大きいcontinentalityと関連付けられる。
変化する気候条件の下では、大陸性はさまざまな方法で影響を受ける可能性があります。 地球規模の気候変動のために、気温は世界のほとんどの地域で上昇する傾向があります。 ここ数十年で、北半球の中緯度で最も速い温暖化が観察されました。 したがって、北半球の中緯度と高緯度の大陸性変化を含む、異なる気候指標の変化の分析はかなり重要である。 冬の気温が夏の気温よりも大幅に肯定的な傾向を持つ地域では、大陸性指数の対応する値が低下し、その逆もあります。 北半球の中緯度における年間サイクルの振幅の増加は、過去二十年にわたって同定されている：すなわち、冬の気温はわずかに増加したが、夏の変化はよ
しかし、年間気温範囲の変化は地域によって大きく異なるため、気候大陸性の傾向も異なる。 気候の大陸性の地域的調査は20世紀前半に始まった。 Gorczynski、Brunt、Raunioなどは、年間気温範囲に基づいて異なる地域の気候大陸性を説明しました。 Hirschi et al. 1948年から2005年の期間におけるNCEP/NCAR再分析データを用いて世界的な大陸性変化を分析した。 北極と南極では、最も寒い月の気温が大幅に上昇したため、大陸性の大幅な低下が認められました。 しかし、南東ヨーロッパの大陸性指数も増加した。
近年、ギリシャ、トルコ、パキスタンで大陸性と海洋性の地域的特徴が分析されている。 イベリア半島では気候の大陸性が激化していることが判明している。 スロバキアでも大陸性の無視できる増加が観察され、チェコ共和国では有意な変化は見られなかったが、中東と北アフリカでは統計的に有意な大陸性の増加が確認された。 さらに、地域の循環パターン（例えば、、地中海にわたって）大陸性で特定された傾向を決定する上で重要な役割を果たしていません。 むしろ、彼らは北大西洋上の大規模な大気循環の変化を指しています。
北半球で極方向に移動すると、陸塊が大きくなるため、帯状循環が強化された期間では大陸性はあまり顕著ではない傾向があります。 これとは対照的に、子午線循環が強化され、大陸北極気団の影響が大きくなると、それはより注目に値するようになります。
大陸性の変化は、自然（植生帯など）と人為的（水資源や農業など）の両方のシステムに影響を与えるため、大陸性の変化の調査は非常に重要です。 さらに、大陸性とその変化を地球規模で分析した研究は比較的少ない。 さらに、大陸性指数値に対する大気循環の影響を分析する研究の欠如が存在する。
したがって、本研究の目的は、広く受け入れられているコンラッドの大陸性指数（CCI）とケルナーの海洋性指数（KOI）の北半球の中-高緯度における空間分布を評価するとともに、これらの指数の二十世紀半ば以降の変化と大気循環との関連を評価することである。
2. メソッド
本研究では、コンラッドによって提案されたCCIを用いて大陸性を評価しました :ここで、(°C)はその年の最も暖かい月の平均気温、(°C)はその年の最も寒い月の平均気温、そして緯度です。
年間の気温の範囲が大きいと、指数値が大きくなり、結果的に大陸性気候が多いことを示しています。 最小の違いは、ほとんどの海洋気候条件で観察することができます。 指数値が-20から20までの範囲の地域は、超大陸、20から50は海洋、50から60は亜大陸、60から80は大陸、80から120は超大陸と記述することができます。
1905年、カーナーは海洋指数を提案した。 この指数は、10月と4月の平均月間気温差と、最も暖かい月と最も寒い月の平均月間気温差の比を表します。 小さい値または負の値は高い大陸性を示し、高い指数値は海洋気候条件を示します。 ケルナーによる海洋指数（KOI）は、以下のように評価された：ここで、および（°C）はそれぞれ月および月の平均月間温度であり、および（°C）は式（1）と同じである。 この指標は、海洋気候では熱水慣性が高いため、春は秋よりも寒く、大陸気候では春は秋と同様の温度を示す傾向があるという仮定に基づいています。 気候の海洋性は指数値とともに増加する。 小さい値または負の値は大陸の気候条件を示し、大きい値は海洋の気候を示します。 KOIの空間分布を視覚化するために、本研究では以下のクラスのインデックスを使用しました：-10=超大陸;-9から0=大陸; 1から10=亜大陸、11から20=海洋、21から50=高海洋。
CCI、特にKOIは、季節的な気温の変化が明確な地域でのみ実現可能です。 私たちは、気温の季節性が高い北半球の緯度30°以上の大陸性と海洋性を分析することを選択しました。
地上の1950年から2015年の間の平均月間気温値は、CRU TS4.00データベースから導出されました。 格子セルサイズは0.5×0.5°であった。 CRU TSは、60°Sと80°Nの間のすべての陸地をカバーする高解像度のグローバルデータセットです。CRU TSデータセットの優先順位は、その完全性であり、土地にわたって データ品質管理には特に注意が払われています。 しかし、データセットは厳密には均質ではなく、気象観測所の疎なネットワークを持つ地域、特に砂漠や山では、より大きな不確実性が見られます。 それにもかかわらず、いくつかの制限にもかかわらず、CRU TSデータベースは気候調査に広く使用されています。
1950年から2015年の間の大陸性/海洋性指数の長期的な傾向は、Senの勾配試験を用いて計算された。 傾向値の統計的有意性は、Ｍａｎｎ−Ｋｅｎｄａｌｌ検定を用いて評価した。 0.05未満の値の変化は統計的に有意であると考えられた。 1981年から2010年までの大陸性/海洋性指数の法線も決定された。
また、大気循環が季節的な温度指標、ひいては気候の大陸性と海洋性の変動に及ぼす影響を分析した。 500hPaの高さフィールドから派生した北半球テレコネクションパターン（NHTPs）は、北半球の低周波大気循環変動の主要なモードです。 データは、天気と気候予測のためのNOAAセンターのウェブサイトから入手できます。 彼らだけでNH外熱帯域内の低周波大気循環変動の3分の2を説明することができるので、私たちは10の利用可能なNhtpのうち8つを選択しました、そして、彼らは一年中活動していて、同じ検索手順を持っています(表1)。
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NHTPsの一つのグループ（NAOとEA）は、北大西洋とヨーロッパの上に顕著です。 その他-SCA、POL、およびEA/WR—はユーラシアの中緯度および高緯度にまたがり、PNA、EP/NP、およびWPは北太平洋および北アメリカを表しています。
月–月NHTP値と月–月NHTP値と月–月NHTP値と月–月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と月-月NHTP値と 相関におけるＮＨＴＰ指数の三ヶ月平均は，ミスマッチを避けるために，そして特定の最も寒い冬／最も暖かい夏の月とのために使用された。 その後、CCIとKOIの両方に対する大気循環の影響の評価を統一するために、同じ手順が適用されました。
NHTPインデックスは、毎月の時間スケールで利用可能です。 しかし、すべてのインデックス値は、その計算手順のために、特定の月を中心とした三ヶ月の期間を表します。
3. 結果と議論
3.1. 気候規範と決定要因
気候学的標準平年期間(1981-2010)では、大陸性気候(CCI値>80)はシベリア北東部にあり、超大陸性気候(CCI値<20)は北アメリカの太平洋沿岸および大西洋北部の沿岸地域に位置していた(図1)。 最も寒い月の表面気温は、ほぼ全研究領域におけるCCI値の最も重要な決定要因を表していました（図2）。 これは、分析された領域のかなりの部分で、冬の温度変動が夏の対応物よりも大きかったという事実によって説明することができる。 一方、最も暖かい月の温度は、地中海盆地の西部でのみCCIの主な要因であった。
北米中央北部およびユーラシア北東部（東シベリア）の高大陸性（CCI）は、主に最も寒い月の非常に低い気温の影響を受けた。 シベリア高気圧（SH）と北アメリカ高気圧（NAH）は、北アジアの大部分と北アメリカの最北端の部分で冬の間に極端な負の表面温度を支持します。 これらは寒さと乾燥した空気で構成される季節的な高圧システムですが、SHはNAHよりもはるかに永続的であり、地元の地形（山の谷）のために、シベリアの北東部で最大の温度反転を開始します。 ヨーロッパの大部分、米国南東部、および北米の太平洋沿岸では、比較的高い最も寒い月の気温が低いCCI値の原因となっているようです。
北極海、北大西洋、地中海、極東の沿岸地域で最も強い海洋（大コイ）が観測されました（図1）。 最も低い鯉は、ユーラシア（特に中央アジアとチベット高原）、カナダの草原、ユーコンの内側の部分で発見されました。 このようなコイの空間的変化は、北極、北大西洋、地中海などでは月のSSTが月のSSTよりも常に高く、さらに月の高緯度の沿岸地域の多くは海氷に覆われているが、月には氷がない。
鯉と最も暖かい（）月と最も寒い（）月の平均気温との関係は弱い（R2<0.15）。 4月と10月の気温は、鯉の変動に大きな影響を与えます(図3)。 4月の気温の変動は（特に大陸の中央部で）主導的な役割を果たしますが、10月の気温は沿岸地域ではより重要です。 積雪がない限り、内陸部の同じ緯度では、月の地表温度は通常月よりも高くなります。
低鯉の地域は高CCIの地域と正確には一致しておらず、実際には低鯉の地域は高CCIの地域の南と西に位置しています（図1）。 北極、北大西洋、北太平洋のサイクロン活動と平均風速は月よりも高く、高緯度への熱流束の主な要因の一つであり、これらの地域の沿岸地域の高KOIに寄与している。
3.2. 長期的な傾向
1950年から2015年の期間に、研究領域の大部分で増加した月と月の年間最低気温と最大気温と気温が、1950年から2015年の期間に増加した（図4）。 年間最低気温は0℃以上上昇した。ロシア西部、東シベリア、中央アジアの一部では5°C/10年（図4）、北米の北西部では最大の上昇が見られた（1.0°C/10年以上）。 年間最低気温はシベリアの北東部と北アメリカの東部でのみわずかに低下した。
年間最高気温()の傾向は、1950年から2015年のそれよりも小さかった。 0より上の傾向。25°C/10年は、中央アジアとヨーロッパの大部分、および北アメリカ北部で、シベリアの北東部で観察されました。 北米、アジア、東ヨーロッパの大部分で年間温度振幅とCCIが減少したことに比べて増加率が大きくなった（図5）。 南西ヨーロッパでは、CCIはより多く成長した地域で増加しました。 シベリア北東部と米国東部では，ＣＣＩの増加はの減少との上昇に関連していた。
(a)
(b)
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(b)
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いくつかのテレコネクションパターンも明確な傾向を示した: 過去数十年の特定の段階の有病率—EA（陽性）、EA/WR（陰性）、およびEP/NP（陰性）は、NAOと同じ理由によるものです。
ここ数十年のカスピ海-コーカサス地域および北米の大部分での増加に加えて、ヨーロッパおよびモンゴルの大部分で海洋性が大幅に減少したことは、EA、EA/WR、SCA、POL、PNAの特定の循環パターンの特定の段階が蔓延していることを示している。 しかし、最近の研究では、亜熱帯北西大西洋上の加熱異常と北大西洋上の嵐トラック活動は、カスピ海と西ヨーロッパ地域に最も強い影響を与え、米国大陸から中央アジアに関連する広範な異常を伴うよく組織されたEA/WRのような波パターンを生成することができると主張している。
1950年から2015年までの4月()と10月()までの月間気温の上昇は、北極海に近い地域で最も大きかった(>0.50°C/10年)(図4)。 低緯度では、4月と10月の両方の気温が上昇しましたが、特にアジアと北米では、傾向の空間パターンが非常に異なっていました。 4月の気温傾向は東シベリアと中央アジア東部で最も高かったが、10月の気温はシベリア北部と北東部と中央アジアの一部地域でより顕著に上昇した。 北アメリカの大部分では、月に軽微な負の変化が観察されました。 空間パターンの傾向の違いは、バルト海地域とシベリアとモンゴルの一部の鯉の統計的に有意な変化をもたらした（図5）。 気候は、カナダの北部、極東とアフリカの最も外側の部分、および地中海地域の大部分でより海洋性になりました。
3.3. 大気循環
大気循環は、選択された温度パラメータの空間分布と時間的変化の重要なドライバーです：、、、および。 北半球のテレコネクションパターンと解析された温度パラメータとの相関は、大気循環が季節的な温度差、したがってCCIとKOIの時間的変化に有意な影響を与える領域の同定を可能にする（図6）。 使用されるテレコネクションパターンは回転主成分分析を用いて同定され、理論的には、異なるパターン間の多重共線性と温度指標への影響はないはずである。
大気循環は、40°から60°の間の緯度の変動に最も大きな影響を与えました（図6）。 ＮＡＯはユーラシア中緯度と高緯度の大部分と統計的に有意な正の相関を示した。 したがって、ユーラシア北部では、冬の間にCCIが減少する傾向があり、NAOの正の相が優勢であり、naoの負の相の間にその逆もある（図6）。 NAO、またはその半球の対応する北極振動（AO）は、シベリア高（SH）の形状と強度、したがって陸表面の冬の温度に大きな影響を与えます。 PNAおよびWPパターンは北アメリカの北部で同じような効果をもたらします。 他のNHTPsは、地域的な影響のみを持っているように見えます : ヨーロッパのEA、ユーラシア西部のSCA、シベリアの一部のPOL、東部北極とシベリアのEP/NP。 NAO（AO）とEAの正の位相は、冬の季節に赤道から極への温度勾配が大きくなることを意味し、これは大陸の内部に海洋気団を遠くにもたらす強い帯状風と関連している。 夏には、NAOはまた、特にユーラシアと北大西洋上の北半球の大陸全体の表面温度異常の分布を決定する上で重要な役割を果たしているようです。
NhtpとCCIの間の相関は、CCIには寄与しません（図2）。 さらに、選択されたＮｈｔｐのほとんど全ては、単に地域的効果を有する。 最も重要なものは、ヨーロッパと極東のためのEA、ヨーロッパと南シベリアのためのPOL、東欧とウラル地域のためのEA/WR、および主に北米とユーラシアの一部の 冬の最も重要な循環モードと夏のNAOとPNAは、北半球の非常に離散的で局所的な土地表面積でのみ有意な相関を有するように見える（図6）。
KOIの場合、NHTPsとandの相関によると、最も重要なパターンは、ユーラシア地域ではSCA、EA/WR、POL、EA、北米地域ではPNA、グリーンランドとカナダ北東部ではNAO、ユーラシアと北米ではEP/NPとWPであると思われる（図6）。 鯉に影響を与える最も重要な要因は、その式を参照して、異なるフェーズの間に同じ地域で月と月の温度に反対の影響を与えるパターンかもしれません。 これは、ユーラシアと北アメリカの内陸地域（低鯉地域）、および高緯度および中緯度の沿岸地域（高鯉地域）で特に重要です。 このようなNHTPパターンは、シベリアとウラル地域ではNAOとSCA、東欧、コーカサス、トルコではEA/WR、中央ヨーロッパと中国東部ではEA、北米東部ではEP/NP、北東シベリアと大平原ではWPである（図6）。
、、、およびテレコネクションインデックスの関係を記述する八つの決定係数の合計は、、、およびしたがってCCIおよびKOI値に対する選択された北半球のテレコネクションパターンの累積効果の尺度として使用された（図7）。 この影響は、ユーラシアでは北緯40度から60度の間、北米では北緯50度から70度の間の緯度延長を持っています（図7）。 このような空間的効果は、ユーラシアのシベリア高気圧の西への延長と北アメリカの冬の北極高気圧と一致する。 これらの領域は、NAO相の徴候、ならびにPOL、EA、およびPNA相に敏感であるようである。 累積効果はかなり離散的であり、その結果、EAＳＳＢＹ波トレインを表すＮＨＴＰパターンに依存する：Ｅ ａ、ＥＡ／ＷＲ、ＥＰ／ＮＰ、ＷＰ、およびＰＯＬ。 CCIが主に偶発的であることを考えると、NAOはユーラシアおよび北米のNAOおよびPNAにおける時間的変動の主な原因であると思われる。 KOIの場合、NHTPsの累積的な温度への影響は、カナダ東部とシベリアの北東部（and）で強く、西シベリア、ウラル地方、カザフスタン北部（のみ）では少し弱いようです。 したがって、ここでの累積効果の主な貢献者はEP/NPとWPであり、他のテレコネクションパターンは特定の季節にのみ累積効果に寄与します（図7）。
大規模な大気循環パターンと振動は、北半球の多くの地域の大陸性（CCI）と海洋性（KOI）に影響を与えます。 特定の期間中の段階におけるそれらの非対称性は、CCIおよびKOIの傾向に影響を与える可能性がある。 例えば、NAOは1990年代初頭にピークを迎え、二十世紀の最後の三十年にその肯定的な段階の優位性を示しました。 これは、特に今年の寒い季節に、行動の中心の位置の大きさとシフトの変化と一致しました: アゾレス諸島の高さ、シベリアの高さ、北アメリカの高さ、アイスランドの低さ、アリューシャンの低さ。 これは、CCIとKOIの動向によっても確認されています(図5)。
4. 結論
この論文は、1950年から2015年の期間における中-高北半球の緯度における大陸性および海洋性の変動を調査した。 この目的のためにＣｏｎｒａｄ大陸性指数（ＣＣＩ）とＫｅｒｎｅｒ海洋性指数（ＫＯＩ）を用いた。 これらの指標の変動に及ぼす大気循環の影響も分析した。
気候の大陸性と海洋性の空間パターンは、海洋との距離、地形、大気循環に左右される。 最も寒い月（）の表面気温の年間変動は、研究領域の大部分で夏の間の温度変動よりも大きい。 したがって、年間気温振幅とCCI値の大きさを決定する最も重要な要因は次のとおりです。 最も暖かい月の温度（）は、ヨーロッパと北アフリカの西部でのみCCIの主要な要因です。 月（）と月（）の表面気温の差の時間的変化は、年間気温振幅の変化よりも大きく、KOIの時間的ダイナミクスに大きな影響を与えます。 大陸の中央部の鯉は4月の気温とよりよく相関していますが、沿岸地域では鯉は10月の気温変動と密接に関連しています。
1950年以来、北半球の多くの地域で、、、の正かつ統計的に有意な傾向が記録された。 ＣＣＩ傾向の方向と大きさは、の比と傾向によって決定された。 気候の大陸性は、傾向値と傾向値の差が正である地域では減少しており、その逆もあります。 例えば、シベリアと東アジアの大部分の極端な大陸条件の原因となるシベリア高気圧の強度の劇的な低下は、1980年代から観察されており、主にNAO/AOとEAパターンの支配的な正の相の影響を受けていた。 その一方で、ユーラシア大陸の大部分と北アメリカ北部では、この時期に大きな変化が起こった。 KOIによると、気候の大陸性はバルト海地域と東シベリア、モンゴル、大平原の一部で増加しているが、海洋性の統計的に有意な増加は主にカナダ北部で見 CCIによると、カナダと米国の西部、そして中央アジアと東アジアの一部で大陸性が減少しています。 要約すると、より大きな地域での統計的に有意なCCIの傾向は大陸性の減少を示し、統計的に有意なKOIの傾向は1950年から2015年までの海洋性の減少を示し これは、研究期間中、冬と春にはより大きな温度上昇が認められたという事実によって説明することができる。 北大西洋および東北極周辺地域および米国南東部におけるCCIの統計的に有意な減少、および内モンゴルおよび地中海におけるCCIの増加は、半永久的（NAOなど）および季節的（シベリア高地など）の両方の行動センターの位置および大きさの変化の結果であると思われる。
El Kenawy et al. 大陸性の空間的変動性の変化は、特に東部大西洋パターン（地中海、中東、アフリカ北部）の変動性の大西洋モードと密接に結びついていると主張している。 北大西洋振動に関する同様の知見は、カナダ東部からヨーロッパを経由して中央北極に延びる大きな領域の初期の点でも検出された。 逆に、大陸性の高い空間的変動性だけでなく、特定の領域におけるその勾配の変化（例えば、 グリーンランド）は、大規模な循環パターンだけでなく、局所的な影響にも起因する可能性があります。
しかし、CCI（KOI）の減少（増加）のすべての領域が、特定のテレコネクションパターンの有病率によって説明できるわけではありません。 北アメリカとシベリアの最も北東部の高緯度地域は、海面温度の上昇による季節的な海氷の後退（後に凍結時間）の影響を最も受けた可能性が高い。
今後大陸性が変化する可能性が非常に高く、その変化は次の数十年で増幅される可能性があります。 したがって、気候予測は、潜在的な大陸性/海洋性の変化を評価し、自然および人為的システムへの関連する影響を評価するために重要です。
データの可用性
利益相反
著者らは、この論文の出版に関して利益相反はないと宣言しています。
謝辞
この研究は、ヴィリニュス大学地球科学研究所によって支援されました。