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海に渦があると、海面下の層が押し下げられたり持ち上がったりして、近くの二地点でも同じ深さの水温が異なることがあります。暖水渦では暖かい上層が厚くなり、冷水渦では冷たい層が浅いところまで現れるのが典型的です。こうした構造を確かめるには、水温だけでなく塩分と比較対象のプロファイルも必要です。
「暖水」「冷水」は周囲に比べて暖かいか冷たいかを表し、決まった水温で区切るものではありません。
海の中規模渦とは
黒潮やメキシコ湾流などの海流が蛇行し、その一部が切り離されると、海水が中心の周りを回る渦ができることがあります。こうした形成の様子はNOAAの海の渦の解説（英語）でも紹介されています。ここで扱うのは、潮流の速い海峡などに見える小さな渦潮ではなく、外洋に広がる中規模渦です。
海には大きさが100 km程度の渦が広く分布し、日本の東を流れる黒潮続流の周辺は特に渦の活動が活発です。渦が黒潮続流の暖かい海水を本流から離れた場所へ運ぶと、周囲の海洋構造にも影響します。JAMSTECによる中規模渦の解説では、この海域の特徴が説明されています。水の性質の地域差は、黒潮と親潮は海の中までどう違う？で確認できます。
渦の回転方向と、その内部が暖かいか冷たいかは、区別して考えます。回転方向を表す「低気圧性」「高気圧性」は、半球によって次のように変わります。
| 回転の種類 | 北半球 | 南半球 |
|---|---|---|
| 低気圧性（cyclonic） | 反時計回り | 時計回り |
| 高気圧性（anticyclonic） | 時計回り | 反時計回り |
海面高度の分布からはっきり捉えられる渦では、高気圧性の渦は海面が周囲より高く暖水を伴い、低気圧性の渦は海面が低く冷水を伴うことがよくあります。AVISOの衛星高度計による渦の解説（英語）にも、この対応が示されています。
渦の下では海の層が曲がる
同じ密度の水をつないだ面を等密度面と呼びます。深さの異なる海水を比べる場合には、圧縮の影響を考慮するため、基準圧力を明示したポテンシャル密度が等しい面を使うことが一般的です。表層付近で流れが強い典型的な高気圧性の渦では、この面が中心に向かって下がり、低気圧性の渦では中心に向かってドーム状に盛り上がります。Chenほか（2021、英語）の全球解析でも、それぞれの渦に伴う密度躍層の下降と上昇が確認されています。
水温が深さとともに下がり、塩分差によって密度の関係が逆転しない場合、層が押し下げられると暖かい水が深くまで広がります。反対に層が持ち上がると、同じ深さでの水温は低くなります。海の層の基本は、海は深くなるとどう変わる？をご覧ください。
（a）暖水渦、（b）冷水渦。実線はポテンシャル密度が等しい面、破線は共通の圧力pを表します。
層が下がっているからといって、観測した瞬間もそこで水が沈み続けているとは限りません。断面の形から分かるのはその時点の構造であり、湧昇や沈降が進行しているかを調べるには、流れや層の時間変化も必要です。
冷たいのに高気圧性の渦もある
塩分は、水温が密度に及ぼす影響を強めることも打ち消すこともあるため、「暖水渦は高塩分、冷水渦は低塩分」とは一概に言えません。気象庁の暖水渦・冷水渦の解説には、オホーツク海に由来する冷たく低塩分の水を含む高気圧性の渦が紹介されています。水温が低くても、低塩分が密度を小さくする方向に働くため、水温だけから回転方向を推定できない具体例です。
層の上下動と、水の性質の違いを分ける
近くの基準プロファイルに比べて、水温躍層が深いところにあるとします。このとき200 dbarの水温が高くても、水温と塩分の関係そのものは変わらず、層の位置だけがずれている可能性があります。このように、水の性質を変えずに層が鉛直方向へ移動することを、heave（等密度面の上下動）と呼びます。
二つの比べ方を組み合わせると、違いを整理できます。
- 同じ圧力で比べる：両方のプロファイルに有効な値がある圧力で水温と塩分を比べ、その深度付近の違いを調べます。
- ポテンシャル密度が等しい面で比べる：その面の圧力と水温・塩分を比べます。圧力が異なっていても水温・塩分が似ていれば、層の上下動で説明できる可能性があります。同じ密度でも水温・塩分の差が残るなら、性質を保った層の上下動だけでは説明できません。
後者には、目的に合った基準圧力を選び、密度を計算する作業が必要です。たとえば上層をσ₀で比べる場合、TEOS-10のσ₀計算（英語）には絶対塩分と保存水温を使います。保存水温を受け取る計算関数へ、ポテンシャル水温をそのまま入れないようにしてください。
θ-S図では水温と塩分の組み合わせを比べられますが、曲線が似ているだけでは同じ水塊やその移動を捉えたとは判断できず、各点の深さも別に確認する必要があります。また、暖かく高塩分の水と、冷たく低塩分の水が、似たポテンシャル密度になる場合もあります。水塊の起源を推定するときの注意点は、水塊とは？水温・塩分とT-S図で考えるで説明しています。
Argoによる観測例：ペルー・チリ沖の渦の中心深度
Chaigneauほか（2011、英語）は、東部南太平洋のArgoプロファイルと衛星高度計のデータを組み合わせ、渦の平均的な構造を調べました。低気圧性の渦の中心は深さ約150 m、高気圧性の渦の中心は約400 mにありました。研究で用いた基準分布と比べると、中心付近の水温と塩分は、低気圧性の渦ではともに低く、高気圧性の渦ではともに高くなっていました。
これらは多数のプロファイルと渦を重ね合わせた平均的な構造です。この海域では、海面の分布だけでは捉えられない水温・塩分の差が、渦の種類によって異なる深さに現れています。
海面下で流れが強くなる高気圧性の渦には、中心より上の等密度面が持ち上がり、その下では押し下げられる、レンズ状の構造もあります。Zhangほか（2017、英語）で扱われているこの構造は、すべての層が一方向に下がる模式図には当てはまらず、海面では特徴が目立たない場合もあります。
渦の周辺でArgoプロファイルを比較するには
水温・塩分の違いを渦と結び付けるには、回転する流れがあることも確かめる必要があります。対象海域の研究や、同時期の海面高度・流速の解析結果を外部資料として用意し、渦と考えられる領域の範囲と、その判断に使ったデータの日付・判定方法を確認します。
その位置情報をもとに、推定された中心の近く、縁に近い場所、外側のプロファイルを比べます。観測日が近いものを選び、周囲のプロファイルを比較の基準にします。大きな前線をまたぐ比較をできるだけ避けることで、広い海域にわたる水温・塩分の違いを、渦による違いと取り違えにくくなります。前線をまたぐ比較の注意点は、海洋前線とは？で確認できます。
各プロファイルのUTC日時、位置、WMO ID、サイクル番号を確認し、共通する圧力範囲で水温躍層の位置、塩分の極大・極小、差が続く深さを調べます。欠損値は欠損のまま扱い、一部の測定値だけに現れる特徴を海の現象と解釈する前に、元のArgoデータの品質管理フラグも確認してください。
標準的なArgoフロートは約10日のサイクルの大部分を約1000 mの漂流深度で過ごし、約2000 mまで下がってから、上昇しながら水温・塩分を測定します。ただし、設定はミッションによって異なり、基本的な動きは国際Argo計画のフロート解説（英語）で確認できます。次のプロファイルを取得するまでの間にフロートも渦も動くため、測定値の差には場所の違いと時間変化の両方が含まれます。フロートが渦の中心を一度も通らないこともあります。また、浮上位置が輪のように並んでいても、それだけで渦の表層の流れや速さは確定できません。
OceanGraphで鉛直構造を確かめる
OceanGraphでは、水温・塩分のプロファイルを比較して、渦の周辺で見られる違いを調べられます。
- 海域と期間を絞ります。外部資料の渦の位置をもとに地図の範囲を選びます。海域とUTC日付の指定方法はSearch and Bookmarkガイド（英語）にあります。
- 水温と塩分を確認します。地図のマーカーを一つずつ選び、ポテンシャル水温と絶対塩分のプロファイルを日時・位置とともに確認します。複数のプロファイルを重ねて表示するには、対象のプロファイルJSONをダウンロードし、パソコンのAnalysis Lab：Vertical Profiles（英語）へアップロードします。
- θ-S図を開きます。マーカーを選ぶと対応する曲線が強調され、密度は背景のσ₀等値線を目安に読み取れます。Trajectoryがオフの場合、Analyze → Generate θ-Sには現在の検索結果全体が使われ、上限は500プロファイルです。
- 繰り返し得られたプロファイルを、観測位置と併せて確認します。時系列鉛直断面で層の深さの変化を見つけたら、渦の時間変化と解釈する前に、各サイクルの日時と位置を確認します。Trajectoryでは、元の検索期間外を含め、選んだフロートの利用可能な全サイクルが読み込まれます。
表示の詳しい説明は、θ-S Diagramガイド（英語）とTrajectory and Time-Series Vertical Sectionガイド（英語）にあります。OceanGraphからダウンロードできるJSONは処理済みの値を含み、元のQC配列は含まないため、品質を調べる際はData Filtering Policy（英語）を確認し、対応する元のArgo NetCDFも取得してください。
流れを生む力は海流はなぜ生まれる？で解説しています。水温と塩分の関係そのものに違いが見られる場合は、水塊の性質と解釈も参照してください。
