Abstract
月降水量と3ヶ月標準化降水量指数（SPI）を用いて、QBOと逆の位相で1953-2011年の東欧平原の降雨と厳しい乾燥度のパターンを明らかにすることができた。 QBOの西進位相と東進位相における5月と6月の降水量と激しい干ばつ頻度の違いは、循環変動によって説明される。 解析の結果、QBOが西向きの5月には、東ヨーロッパ平野の暴風域が強まり、ウクライナとロシアのヨーロッパ地域の中心で激しい干ばつが発生する頻度が減少したことが示された。 QBOが西向きの年の5月と6月の天候は収量にとってより好都合であった。 QBO西進期と東進期の春小麦収量の差は、黒土中央部及び南部地域の冬小麦収量の同差を上回った。 ウクライナとアゾフ海の東側地域は、20世紀末から21世紀初頭の活発な生育期に深刻な旱魃のリスクが高まる最も脆弱な地域である。
1. はじめに
自然現象としての干ばつは、長期間にわたって生態系に影響を与え、環境と人間活動に壊滅的な損害を与える。 形式的には、干ばつは降雨不足による全水分量の一時的な減少を意味し、高気圧の活動も伴っている。 しかし、干ばつは複雑な事象であり、その発生の危険性は気候的要因だけによるものではない。
干ばつの原因、その発生、および正負のフィードバック機構を明らかにするために、干ばつの発生過程を研究している。 影響因子として、気候変動様式と海面水温偏差に関連する大規模な大気機構が特定された。 その結果、エルニーニョ・南方振動、北大西洋振動、北大西洋海面水温、準ビエンナーレ振動が明らかになった。 しかし、全球の大気プロセスの準2乗振動は、気候システムの最高周波数成分に大きく影響する。
準2乗振動は温帯緯度の大気循環に影響を与え、その影響が地表に伝播することが知られている。 赤道域のラジオゾンデ観測所では1953年から平均帯状風成分の定期的な観測が行われている。 振動の周期は約28ヶ月である。 QBOの東進位相の風は、西進位相の風の約2倍の強さである。 地球大気の循環の一部として、熱帯成層圏の赤道帯状風の準周期振動（QBO）は、熱帯の成層圏の経年変動の主要な様式である。 その後、赤道重力波と赤道成層圏帯状風との相互作用によるメカニズムが多くの研究により明らかにされました。 しかし、QBOが気候に影響を与えるメカニズムは明確にはなっていない。
QBO周期のシグナルは成層圏の帯状風や子午面風、気温、ジオポテンシャル高度の変動だけでなく（例．
先行研究では、1953年から1980年代までの期間に、ブリティッシュアイルズ地域、中央ヨーロッパ地域、ベラルーシで、9月と10月の降水量に有意なQBO信号が検出された。 また、ウクライナ東部とロシア隣接地域では、5月の降水量に有意なQBO信号が検出された。 準天頂軌道と 11 年間の太陽周期の組み合わせが降水パターンと作物収量に与える影響の検出については、多くの研究がなされている。 しかし、我々の研究では、同様の関係は見つからなかった。
そのため、我々はQBOのみを考慮した研究に限定した。
穀物作物の収穫量は、主に農法（技術）のレベル、土壌タイプ、および気候によって定義されます。 東ヨーロッパ平野の穀倉地帯は、水資源が少なく、湿度条件が不安定な地域に位置している。 このような状況において、天候や気候の変化が作物収量に及ぼす潜在的な影響を予測することは非常に重要である。 旧ソ連邦のヨーロッパ地域における穀物収量の変動と季節降水量の変動については、準2年周期振動の影響を受けた先行研究がある。
本研究では、先行研究の期間を延長し、急激な気候変動の時期（20世紀末から21世紀初頭）を含めて検討した。 東欧平野南部における春夏の降水量、干ばつ、穀物収量の地域特異性を、全球大気プロセスの準二年生振動の影響下に明らかにした。 また、QBOの西進と東進の循環の違いが降水量や干ばつの違いの原因である可能性を検討した。
この論文の目的は、東ヨーロッパ平野の季節降水量の変動、春夏の大気の干ばつの頻度、穀物収量に準ビエンナーレ振動が及ぼす可能性の検討と、QBO両フェーズにおける温帯域サイクロン・高気圧の活動を研究することである。
2 データと方法
東ヨーロッパ平野の干ばつ感受性領域（北緯54度以南）に位置するウクライナとロシア連邦のヨーロッパ地域（EPR、ウラル山脈から西のロシア領域）の主要穀倉地帯が本研究の焦点である（図1）。 半砂漠、乾燥典型的ステップ、南部典型的森林ステップ、湿地森林、落葉樹林である。
QBO両フェーズにおける降水量の変動を調べるために、全球月次データセットCRU TS 3.21 (http://badc.nerc.ac.uk/) から0.5°×0.5°の較正済み月次降水量データを取得した。 大気中の干ばつ度を解析するために、国立大気研究センターの全球月次データセット(http://rda.ucar.edu/)から1°の較正解像度の標準化降水量指数(SPI)データを入手した。 Thomの研究によると、ガンマ分布は観測された降水量の時系列に適合する。 この累積確率の観測降水量を平均値ゼロの標準正規分布に変換し、正則格子の各ノードにおけるSPI値を算出した。 負の値は中央値より少ない降水量と乾燥期を示す。0から-0.99は軽度の乾燥、-1から-1.49は中程度の乾燥、-1.5から-1.99は重度の乾燥、-2以下は極度の乾燥である。 McKeeらは、もともと3ヶ月から48ヶ月までの様々な時間スケールでSPIを計算している。 本研究では、3ヶ月のSPI時系列を利用した。 5 月と 6 月の深刻な干ばつは、収量に大きな損失を与える可能性があるため、本研究の焦点となっている。 各グリッドセルにおける干ばつ頻度は、干ばつが発生した年数の総年数に対する比率として計算された。
1953年から2011年までのQBO位相は、4月から6月の30hPa赤道風向によって定義した（ベルリン自由大学https://climatedataguide.ucar.edu/のデータセット）。 風速はQBOの西進位相では正、東進位相では負になる。 その結果、1953年から2011年までの西進位相は28年、東進位相は31年であることがわかった。 SPI,降水量,作物収量データをこれらの準振動の位相に従って分類した。
植生期の降水量は植物のフェノロジーに重要な役割を果たすことがよく知られており、生産性の最も重要な要因である。 東欧平原南部では、春小麦や春大麦などの春作物が生育初期には大気中の旱魃の影響を受けやすく、成熟期には旱魃に強くなる。 旧ソ連の農法は、前世紀の1980年代に大きく改善された。 本研究では、農業統計(http://agroua.net/statistics/, http://www.gks.ru/)によるウクライナとロシアの地域平均の冬小麦、春小麦、春大麦の年間収量を調べた。
合成渦の位置の解析には、等圧線レベル1000hPaの地電位高度(空間分解能2.5度)のNCEP/NCAR再解析日データを使用した。 本研究では、最大外縁閉領域の内側にある領域の面積を、 synoptic vortexの大きさの特徴として考慮した。 サイクロン・反気流中心の定義は、その位置が最小格子値が局在する格子セルと一致しないことである（詳細は以下を参照）。
本研究では、小麦と大麦の生育（植生）期初の東欧平野におけるQBO位相が正反対の時期における厳しい干ばつ頻度パターン、降水パターン、および synoptic eddyパターンの比較を試み、有意な差異を明らかにすることを試みる。 -降水量の差と収量の差の統計的有意性の判定には、群別独立標本検定（0.95 確率水準）を適用した。 干ばつ頻度に関するQBO位相の差の統計的有意性は、二項名目変数に最もよく適用されるフィッシャーの正確検定を用いた。 結果と考察
これまでの研究から、東ヨーロッパ平野の干ばつは以下の地球大気循環パターン下で起こることがわかった。（i）大西洋低気圧の寒冷前線の背後に形成された北極気団が東ヨーロッパ平野西部と中央部に張り出す。 高気圧の領域が形成され、北極高気圧と暖候季の南高気圧をつなぐ。 このような条件下で起こる大規模な干ばつは、ロシアのヨーロッパ地域の南部に多く現れます。 ii）北極気団が大西洋地域や西ヨーロッパに侵入すると、アゾレス高気圧の支脈が形成され、西シベリアの南まで東進しています。 (iii)アゾレス高気圧の分枝が破壊された後に残る複数の高気圧や欧州ロシア東部の高気圧によってEPRやウクライナで干ばつが発生することがある。
SPIデータによる東欧平原南部での1953年から2011年のQBO位相両期における大気中の干ばつ頻度の平均を図2に示す。 1953-2011年の期間において5月と6月の干ばつ頻度が最も高かったのは、QBO位相が西向きの北カスピ海地域（5月に最大6%、6月に最大10%），プレウラル南部（5月に最大10%、6月に最大12%）であった。 ボルガ地方の草原（5月に最大6%、6月に最大10%）、ウクライナ西部（5月に最大8%）、ウクライナ東部（5月に最大6%、6月に最大8%）（図2（a）および図2（b））。 東ヨーロッパ平野南部では、QBO が東進しているときの方が、西進しているときよりも厳しい干ばつの平均頻度が高かった（図 2(c)、(d))。 5月の干ばつは、ウクライナ中央部で12％、アゾフ海で14％、カスピ海北西部で14％と、東ヨーロッパ平野の南部全域で再現性が高い（図2(c)）。 6 月の東進局面で最も干ばつが多かったのは、ウクライナ東部 （最大 10％）と黒海とカスピ海の間の領域（最大 10％）であった（図 2(d)）。 QBO東進位相のヴォルガ地方とプレウラル地方南部の干ばつ頻度は5月に6％（図2（c））、6月に3％（図2（d））を超えなかった。
図3（a）、（b）に示すように、QBO西進位相ではウクライナとロシア欧州部南部の降水量が5、6月に多く観測された。 5月の降水量の西進・東進位相の顕著な差は、ウクライナ中部（27％～59％）、ロシア中央黒土地域西部（27％～37％）、ドン下流域（33％～58％）に局在している。 両局面における6月の降水量の差は、カスピ海の北側の狭い範囲でのみ有意であった。 図3(c)は、QBOが西向きの場合、東向きの場合よりも5月の深刻な干ばつの頻度が低く、東ヨーロッパ平野の南側で観測されたことを示している（小さな地域を除く）。 ウクライナ中部（100 年間に 13～16 回の干ばつ）とカスピ海北部（100 年間に 13～20 回の干ばつ）では、5 月の厳しい干ばつの発生頻度に大きな差が見られた。 6 月も同様で、ウクライナ北部（100 年間に 9 回から 12 回の干ばつ）、黒 地中部西部（100 年間に 9 回の干ばつ）、ロストフ州、クラス ノダール地方（100 年間に 9 回の干ばつ）で少なく、ボルガ地方で 多い（100 年間に 11 回の干ばつ）ことが解析から明らかになっ ている。 しかし、中央黒土地域の西部とウクライナ北部では、有意な差があるのは小さな地域だけであった。
有意な差のある領域は比較的コンパクトであるにもかかわらず、広大な地域にわたる差の符号の空間的一貫性は、降水と干ばつの両方に対するQBO位相の影響を強く示していることに注意すべきである。
東欧平原における厳しい干ばつの線形傾向の多方向係数は、両方のQBO位相において、気候変動の激しい1991-2011年に特定されている（図4（a）、4（b）、4（c）、および4（d））。 干ばつ回数増加率は、QBO東進相で最も高く、5月にはウクライナ（西部地域を除く）で最も大きな負の傾向が見られ（図4（c））、6月にはウクライナ中央部、アゾフ海の東側、ボルガ地方で同様の傾向が確認された（図4（d））。 QBO西進相の負の傾向は、ウクライナ北部で5月のみ明らかになった（図4（a））。
QBO西進相の年の平均したロシア欧州部での春小麦収量の増加は、同じ時期に観測した東欧平原での降水量の増加や厳しい乾燥の頻度の低減と一致する。 春小麦の収量は、EPR の西部地域（ブリャンスク州 35.5%、ベルゴロド州 25.9%、ロストフ州 26.8%、ボルゴグラード州 23.9%、ボロネジ州 23.3% ）で最大の増加が見られ、北東方向へ減少した（図 5(a)）。 QBO 両フェーズにおける冬小麦の収量のパターンは、春小麦の収量と比較して、降雨や厳しい干ばつのパターンとの整合性が低い（図 3、5（b））。 この効果は、秋の生育期における植生の重要な気象条件と冬小麦の作柄の重要な気象条件が解析されていないことによって説明できる。 QBO が西向きの年は、東向きの年に比べて冬小麦の収量が最も多く、ウリヤノフスク州（21.3%）、タタルスタン共和国（21.8%）、ルハンスク州（21.4%）で明らかになっ ている。 両期間における冬小麦収量の有意差は、ルハンスク州でのみ検出された。 この結果は、QBOフェーズにおける冬小麦及び春小麦の収量の変動に関する既往研究と一致している。 なお、各地域でのQBO信号の持続性は、調査期間によって決定された。
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
1958-2011年の期間におけるQBO西進相の降水量と春小麦収量の増加域と旱魃頻度の減少域の比較結果は一致している（図3、5（c））。 QBO 西進期に大麦の収量が大きく増加したのは、バシコルトスタン共和国（30%）、ロストフ州（28.3%）、リャザン州（26.8%）、カルムキア共和国（26.9%）、ルハンスク州（27.6%）である（図5（C））。
1953～2011年の期間において、ロシアのヨーロッパ地域におけるQBO西進位相の両小麦種の収量は、中央黒土地域（3～10％）および南部地域（5～12％）の東進位相の同収量を上回った（図5(d))。 春小麦のより多くの違いは、東ヨーロッパ平野での5月の活発な生育期の降雨不足と干ばつに対する感度と関連していた。
期間1953-2011の5月に東ヨーロッパ平野の南部でQBO西向き位相で湿度が上昇したことは、反対のQBO位相での低気圧活動の違いによって説明できる(図6)。 この地域の主な低気圧はウクライナの北緯50度付近に局在しており、5月にはどちらの位相でも東経35度付近で北西にずれていることがわかる。 しかし、QBOが西向きのときに暴風域が強まり、サイクロン頻度が最も高いのはウクライナの西から東、ポルタヴァ-ハリコフ地方（図6(a)の領域I）であることがわかった。 さらに、暴風域の強 化・拡大により、EPR 南部ロストフ州とクラスノダール州のサイクロン中心 の密度が増加した（図 6(a)の II 領域）。 降雨はサイクロン通過に伴うもので、QBO西進局面で東欧ロシア南部の湿度上昇を引き起こした。 なお、6月のサイクロンの発生頻度には有意な差は見られなかった（図示していない）。
(a)
(b)
(a)
(b)
加湿の増加と減少を説明するために、高気圧活動の平均特性（コンポジット）を用いて大気循環の変動を解析した。 QBO西進位相の5月から6月にかけて、ボロネジ州、ロストフ州、ヴォルゴグラード州、アストラハン州、カルムイキア共和国で含水量の減少が見られた。 水分量の増加は、北コーカサス地方とプレウラル地方南部で発生した。 5月の乾燥度の低下は、高気圧の頻度の低下（図7(a)の領域M1）とサイクロン再来頻度の上昇（図6(a)）に関連している。 一方、北コーカサスでは西進位相の高気圧の頻度が高い（図7(a)のM2領域）。
前ウラ山脈南部の5月の高気圧頻度はいずれのQBO位相でもほぼ同じだが、高気圧のサイズが大きく、広い範囲で干ばつを助長する条件にさらされた。 また、カスピ海の北側（図6(b)の領域Ⅲ）では、高気圧が大きく動きにくいため、サイクロンが効果的に遮られる。
図8に示すように、6月の高気圧の活動には、逆の位相で同様のパターンが見られる（西進の場合：J1領域での高気圧の頻度の減少（図8（a））、J2領域での高気圧の頻度の増加（図8（a））、J3領域でのより大きな低気圧（図8（c）））。 ウクライナ東部の東進相で高気圧が最大化しても、高気 圧の発生頻度が低いため、東ヨーロッパ平原南部の乾燥度 の上昇はほとんど見られない（図 8(b)、(d)）。
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
1953-2011年の期間においてQBOが西向きの年は東向きの年に比べて東ヨーロッパ平野での降水量が多く、厳しい大気中の旱魃の頻度が少なかったため、春小麦の収量が多くなっていることがわかった。 観測された効果は、QBO位相の循環の違いによって説明される。 したがって、中央黒土地域とロシア欧州部の草原地帯で春小麦の使用を西向きの位相で優先することは、農業リスクを低減することができる。 この場合、準天頂軌道振動は信頼できる予測因子の一つとして利用できるかもしれない。 しかし、この話題は作物収量に影響を与える他のドライバーを含むさらなる研究を必要とする。 結論
東ヨーロッパ平野南部の5-6月の降水量、大気乾燥、作物収量に有意なQBOシグナルが、活発な気候変動期を含む1953-2011年の期間に検出された。 QBO位相の降水量と干ばつ頻度の有意な差の最大領域は5月に確認された。 東ヨーロッパ平野南部では、西進する QBO 位相では東進する QBO 位相に比べ、5 月と 6 月（カスピ海北部を除く）の降水量が多く、干ばつ頻度が少ないことが確認され た。 5月の降水量の西進/東進位相の顕著な差は、ウクライナ中部、ロシア中央黒土地域西部、ドン下流域に局在した。 6 月は、東ヨーロッパ平原南部の降水量パターンがあまり一様でないことが明らかになった。 5 月の深刻な干ばつは、ウクライナ中部とカスピ海の北側で顕著な差が見られた。 同時に、1991年から2011年の活発な気候変動の期間中、東ヨーロッパ平野における深刻な干ばつの傾向は、両方のQBOフェーズにおいて空間的に非一様であった。 ウクライナ（主に中央部）とアゾフ海の東側の地域で5月と6月に干ばつが増加する傾向が東進QBOフェーズで最も大きく現れた。 QBOの西進位相では、ウクライナのみ同符号の傾向が見られた。
1953-2011年における5月と6月の降水量と干ばつ頻度のQBO位相の違いは、QBOの西進と東進における循環パターンの違いにより説明される。 5月の東ヨーロッパ平野の暴風域は西進相で強まり、ウクライナとロシア中央部の湿度が低下した。 1953年から2011年のQBO西進位相の年の5月と6月の天候は、収量にとってより有利であった。 東欧平野南部の冬小麦、春小麦、春大麦の1953～2011年のQBO西進位相の平均収量は、東進位相の同収量を上回った。 ロシアのヨーロッパ地域の春小麦の収量は、1953～2011 年の QBO 西進相で、中央黒土地域（3～10％）及び南部地域（5～12％）の東進相の同収量を上回った。 春小麦でより高い差が見られたのは，東ヨーロッパ平野における生育期の降雨不足と干ばつに対する感度と関連していた。
Conflict of Interests
著者は，この論文の発表に関して利害関係がないことを宣言する。
Acknowledgement
本研究は、ロシア科学アカデミーが受け入れたプログラム「気候変動に伴うロシア南部の乾燥地の砂漠化」の財政支援を受けて実施されたものである。