海洋のフロントは、異なる2つの水塊（水温、塩分）の境界に形成されます。その大半は、密度の水平的な変化で特徴付けることができます。即ち、重たい水と軽い水の境界であるといえます。
ところで、皆さんがお風呂を沸かすとき、冷たく重たい水は下の層に、熱くて軽い水は上に集まるはずです。上下に混ぜなければ、つま先を入れたとき「熱くて入れたもんじゃないや」と思うのですが、足を下まで入れて底の方が冷たいので、驚いた経験があるかもしれません。
このように、私たちが普段認識できるスケールでは重たい水は大概軽い水の下に存在しています。しかし少しスケールを大きくとってみると、重たい水と軽い水は隣り合わせで存在できるのです。お風呂が十分大きければ、ある地点では暖かくて別の場所では冷たいということが定常状態で起こりうるわけです。
不思議なバランス
軽い水を重たい水の上に押し広げるのを妨げている力は地球の自転によって生まれます。その見かけの力のことをコリオリ力と呼んでいます。コリオリ力は北半球で動いている物体の直角右方向に働きます。一方、海面付近で軽い水を重い水の上に押し広げようとする力は、軽い水から重い水のほうに働きます。コリオリ力と軽い水が重い水の上に押し広げる力がバランスするために、フロント域では軽い水を右に見ながら流れるジェット流が存在します。このバランスのことを地衡流バランスと呼びます。スケールの大きな流れはこのバランスが大体成り立ちますが、スケールを小さくとってみてみると、このバランスは必ずしも成り立っているとはいえません。
特徴的な鉛直流
たとえば黒潮続流は、亜熱帯循環の北端にあたり、暖かく高塩分な海水と冷たく低塩分な海水との間にある前線流です。前線域は水平的な流れの勾配（シア）や、傾圧流に伴う鉛直的なシアの存在によって非常に不安定であるため、流れ自身が蛇行する性質を持っています。また、南北に拡大した蛇行は、それぞれ冷水渦や暖水渦を形成します。暖水渦や冷水渦はそれらのエッジ部分で常にフロントが存在するため、海洋フロントは渦の動態を支配する重要な要素であると言えます。
強い流れと大小の渦、それに伴う 鉛直的な循環で特徴付けられる海洋フロントは、水塊の形成、サブ ダクション、湧昇流に伴う高い低次生産、水温障壁作用による浮魚 の集積が発生する為、非常に重要 な海域です。 そこで発生する鉛直流は比較的大きいものの実測するには小さ過ぎ、また水平流からのみの推定では誤差が大きくなります。このため、従来から準地衡流モデル（ω方程式）を用いて鉛直流の推定 が行われてきました。
流れを地衡流とそれ以外の流れにわけ、地衡流による移流のみを考慮した場合、鉛直流を楕円型方程式を解くことで推定できます。このような鉛直流を推定する一連の準地衡流モデルをω方程式とよびます。ω方程式は当初、大気のフロントについて開発されました。大気前線での鉛直流は直接降雨、降雪との関連があり気象予報という観点から、鉛直流を推定することが非常に重要であったからです。 このようなω方程式にはさまざまなものがあります。
まず代表的なものは、Quasi-Geostrophic モデルでこのモデルはロスビー数が1よりもかなり小さい場合（地球の自転が重要である場合）にのみ有効です。モデル中では、地衡流による移流を考慮しています。
次に開発されたのはSemi-Geostrophic Modelです。このモデルは比較的ロスビー数が大きい領域でもある程度フロントのセカンダリフローを記述できるモデルです。このモデルでは、準地衡流成分による移流も考慮されているためフロントの収束による密度の空間的勾配の増加を比較的早く再現できます。また、Geostrophic Coordinate と呼ばれる、地衡流速度にそった座標を用いることでQuasi-Geostrophic Modelとまったく同型の方程式に変形でき、方程式を解くのを非常に簡単にできるのが特徴です。しかしながら、Geostrophic Coordinateでは流速が早い部分で空間解像度が必然的に落ちる事になります。
このほかにもさまざまなバランス方程式がありますが、そのどれもが静水圧近似をとっています。
海洋が非常に深いのは事実です。陸域の平均標高より、平均水深のほうが大きいのです。ちなみに平均水深は約4kmにおよびます。でもちょっとまってください、4kmなら車で飛ばせばものの5分でつきます。ですが太平洋を横断する距離となればそうはいきません。海洋の縦横比は1対1000で、断然に水平的な距離のほうが大きいのです。この縦横の比によって水平的な流れと鉛直的な流れの大きさを比べたらやっぱりその比は1000対1で水平流のほうが断然に大きくなります。くわえて、海洋の表層は光が降り注ぎ暖められますが深層は冷たく暗黒の世界です。密度が非常に異なるので上下の対流は非常に限られてきます。にもかかわらず、世界の海洋は鉛直的な流れによってさまざまに変化しています。たとえばペルー沖の湧昇流はエルニーニョ現象と深くかかわっています。このように、海洋においても大気と同様に、鉛直流は物理的に非常に重要なのです。さらに、海洋の一般的な縦方向の栄養塩の分布は、表層で少なく下層で多い傾向があります。これは下層で分解者が表層から落ちてきた生物の死骸などを栄養塩に分解するためです。したがって鉛直的な流れによって栄養塩が表層へ供給され、表層の生物生産を向上させることがあります。
Biological and Physical Impacts of Ageostrophic Frontal Circulation driven by Confluent Flows and Vertical Mixing
Subduction, upwelling, and phytoplankton blooms are commonly observed features at oceanic fronts. This study isolates the role of vertical mixing for enhanced production and water mass subduction near fronts, considering the time-developing problem with a Semi-Geostrophic circulation model coupled to a planktonic ecosystem model. Our model results show that vertical mixing in the surface boundary layer strongly modifies the time evolution of the front and of its associated biology.
Ageostrophic flows caused by the combined effects of confluence and vertical mixing enhance primary production on the less dense side and increase water mass subduction on the dense side of the front. Confluence alone results in the intensification of the front by the same advective response, while the phytoplankton bloom on the less dense side does not arise without vertical mixing. Vertical mixing alone slumps the front near the surface and provides weak subduction on the dense side and uplift of the isopycnals at the center of the front. We find that it is possible to sustain an isolated phytoplankton patch above the domed isopycnals at the center of the front with the nutrients supplied by the secondary circulations arising due to vertical mixing. These results suggest that the phytoplankton bloom and patches found on the less dense side of fronts in many field observations are likely caused by fine scale along-isopycnal upwelling of nutrients forced by adiabatic confluence in the meander trough of fronts and further pumping and entrainment of nutrients by the secondary circulation due to vertical mixing. Isolated patches observed at the center of the front in many frontal surveys could be caused by secondary flows due to vertical mixing.
