Global redistribution of heat, salt and materials induced by sea-ice processes

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H05707
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 大島 慶一郎 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (30185251)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 深町 康 北海道大学, 北極域研究センター, 教授 (20250508) ; 西岡 純 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (90371533) ; 二橋 創平 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (50396321) ; 三谷 曜子 京都大学, 野生動物研究センター, 教授 (40538279) ; 羽角 博康 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (40311641) ; 田村 岳史 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (40451413) ; 真壁 竜介 国立極地研究所, 先端研究推進系, 助教 (40469599)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Keywords: 海氷生産 / 海氷融解 / マイクロ波放射計 / 沿岸ポリニヤ / バイオロギング / 春季ブルーム / フラジルアイス / 淡水輸送

Outline of Annual Research Achievements

本研究の最終目的である長期海氷生産量データの作成には、衛星マイクロ波放射計による薄氷厚及び海氷生産量の推定アルゴリズムの検証を現場データに基づいて行うことが最優先事項と考えた。本年度は、南極で第2位の海氷生産量を持ち、南極底層水生成域であることが発見されたケープダンレーポリニヤにおいて取得した係留系データを検証に用いた。解析では、ADCP（超音波流速プロファイラー）の後方散乱強度の詳細な分析を行い、海中内部100m近くまでフラジルアイスが出現するイベントが頻繁に生じていることを発見した。さらに、海中フラジルアイスは新規に開発した衛星マイクロ波放射計AMSRの海氷タイプアルゴリズムによっても見事に検知できることもわかった。加えて、新規アルゴリズムによる熱的氷厚と熱収支計算から推定した海氷生産量による塩分変化は、観測された塩分の変動をよく説明する。これらの検証から、新規開発した海氷タイプ識別・薄氷厚アルゴリズムと海氷生産量見積もり手法の有効性が示された。深くまでフラジルアイスが達すると海底の鉄を含む堆積物の海氷への取り込みが行われることになる。海氷を介した物質循環において、最もわかっていない海氷への物質の取り込み過程に対しても、重要な知見を与えるものと考える。これらの成果論文Ohshima et al.(2022)は、Science Advances誌のFOCUS論文として取り上げられた。次に、この有効性が示されたAMSRアルゴリズムと熱収支計算から統一した手法を用いて、全球でのフラジルアイス域と海氷生産量の見積もりとマッピングも行った。新規の観測としては、南大洋では第64次日本南極地域観測隊のもと、海氷融解直後の海域で集中的にXCTD観測を行い、オホーツク海では漁船の傭船による海洋観測を行い、それぞれの海域で海氷融解量分布の推定を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

衛星マイクロ波放射計から海氷生産を推定する手法に関して、初めて現場データに基づいて検証することができたので、衛星を用いた海氷生産量の推定の信頼性と精度を一気に高めることができた。また、南極ポリニヤでの現場観測から海中で生成される海氷（フラジルアイス）を介して堆積物や鉄が輸送されるプロセスに迫る観測研究ができたので、サブ課題の一つである、海氷を介する物質輸送に関する研究が大きく前進した。海氷による物質輸送の研究には海氷のサンプリングが必須であるが、日本南極地域観測隊の協力のもと、砕氷艦しらせのクレーンを用いてバスケット（人が降りて作業するかご）から海氷コアドリルを用いて海氷をサンプルする手法を確立した。これにより厚い海氷でもサンプリングが可能となり、海氷を介する物質輸送の研究がさらに進むことが期待される。海氷融解に関しては、南大洋とオホーツク海での春季の集中観測により空間分解能の高い検証データを得られ、今後衛星による海氷融解量推定に供される予定である。

Strategy for Future Research Activity

衛星マイクロ波放射計AMSRでの海氷生産量の推定手法が高精度で検証されたので、今後作成されるSSM/I、SMMRの薄氷厚アルゴリズムによる海氷生産量と比較・検討することで、センサー間によるバイアスを可能な限り除き、全球での45年間の海氷生産量のデータセット作成をめざす。海氷融解量についても、今まで行ってきた現場海洋観測からの海氷融解量の見積もりを検証データとして、AMSRによる海氷融解推定アルゴリズムの開発を引き続き継続する。しらせでのバスケットによる海氷サンプリングが確立されたので、第65次日本南極地域観測隊（2024年1－3月）においても、海氷サンプリングを行う。また、第64次隊で取得した海氷サンプルの分析を行い、海氷中に含まれている物質の同定などを行う。現場観測サイトとして設定していた北極チュクチ海での観測はコロナ禍により、現地へ赴くことは断念していたが、アラスカ大学が代わりに係留系観測を行ったので、2023年度は現地に赴き、アラスカ大学との共同研究を再開する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ワシントン大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ワシントン大学
• [Int'l Joint Research] タスマニア大学/アラスカ大学(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: タスマニア大学/アラスカ大学
• [Journal Article] Particle-tracking experiments of coastal-origin sea ice that could induce high biological productivity in the Sea of Okhotsk (2023)
  • Author(s): Kuga M, Ohshima K I, Kimura N, Nakata K, Fukamachi Y
  • Journal Title: Journal of Oceanography Volume: 79 Pages: 145-159
  • DOI: 10.1007/s10872-022-00670-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dissolved Iron Concentration and the Solubility Inferred by Humic‐Like Fluorescent Dissolved Organic Matter in the Intermediate Water in the North Pacific Including the Marginal Seas (2023)
  • Author(s): Yamashita, Y., J. Nishioka
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences Volume: 128 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2022JG007159
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dominant frazil ice production in the Cape Darnley polynya leading to Antarctic Bottom Water formation (2022)
  • Author(s): Ohshima, K. I., Y. Fukamachi, M. Ito, K. Nakata, D. Simizu, K. Ono, D. Nomura, G. Hashida, T. Tamura
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Pages: eadc9174
  • DOI: 10.1126/sciadv.adc9174
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mapping of Active Frazil and Sea Ice Production in the Northern Hemisphere, With Comparison to the Southern Hemisphere (2022)
  • Author(s): Nakata K., K. I. Ohshima
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Oceans Volume: 127 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2022JC018553
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oceanic conditions in the Barrow Coastal Polynya revealed by a 10-year mooring time series (2022)
  • Author(s): Hirano, D., Y. Fukamachi, K. I. Ohshima, M. Ito, T. Tamura, D. Simizu, T. Takatsuka, A. R. Mahoney, J. Jones, C. George, B. Adams, H. Eicken
  • Journal Title: Progress in Oceanography Volume: 203 Pages: 102781
  • DOI: 10.1016/j.pocean.2022.102781
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Age distribution of Antarctic Bottom Water off Cape Darnley, East Antarctica, estimated using chlorofluorocarbon and sulfur hexafluoride (2022)
  • Author(s): Ohashi Y., Yamamoto-Kawai M., Kusahara K., Sasaki K., Ohshima K. I.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: －
  • DOI: 10.1038/s41598-022-12109-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A neural network-based method for satellite-based mapping of sediment-laden sea ice in the Arctic (2022)
  • Author(s): Waga, H., H. Eicken, B. Light, Y. Fukamachi
  • Journal Title: Remote Sensing of Environment Volume: 270 Pages: 112861
  • DOI: 10.1016/j.rse.2021.112861
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Controls on Dense Shelf Water Formation in Four East Antarctic Polynyas (2022)
  • Author(s): Portela, E., S. R. Rintoul, L. Herraiz-Borreguero, F. Roquet, S. Bestley, T. Tamura, E. Van Wijk, C. R. McMahon, C. Guinet, R. Harcourt, M. Hindell
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Oceans Volume: 127 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2022JC018804
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of Snow and Remineralization Processes on Nutrient Distributions in Multi‐Year Antarctic Landfast Sea Ice (2022)
  • Author(s): Sahashi, R., D. Nomura, T. Toyota, M. Tozawa, M. Ito, P. Wongpan, K. Ono, D. Simizu, K. Naoki, Y. Nosaka, T. Tamura, S. Aoki, S. Ushio
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Oceans Volume: 127 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2021JC018371
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Warm surface waters increase Antarctic ice shelf melt and delay dense water formation (2022)
  • Author(s): Aoki, S., T. Takahashi, K. Yamazaki, D. Hirano, K. Ono, K. Kusahara, T. Tamura, G. D. Williams
  • Journal Title: Communications Earth & Environment Volume: 3 Pages: －
  • DOI: 10.1038/s43247-022-00456-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Copepod assemblages in the water column and drifting sea-ice floes in the ice-edge region in the Indian Ocean sector of the Southern Ocean during the austral summer (2022)
  • Author(s): Makabe, R., Hasegawa, T., Sano, M., Kashiwase, H., Moteki, M.
  • Journal Title: Polar Biology Volume: 45 Pages: 749～762
  • DOI: 10.1007/s00300-022-03030-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biogeochemical and physical linkages between the Arctic Ocean and Sub-Arctic Pacific through marginal seas (2022)
  • Author(s): Nishioka, J., I. Yasuda, T. Hirawake, T. Nakamura, Y. Kondo, Y. N. Volkov
  • Journal Title: Progress in Oceanography Volume: 203 Pages: 102768
  • DOI: 10.1016/j.pocean.2022.102768
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Interannual Variability of Sea Ice Area, Thickness, and Volume in the Southern Sea of Okhotsk and Its Likely Factors (2022)
  • Author(s): Toyota T., Kimura N., Nishioka J., Ito M., Nomura D., Mitsudera H.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Oceans Volume: 127 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2022jc019069
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Processes governing seasonal and interannual change of the Antarctic sea-ice area (2022)
  • Author(s): Kimura N., Onomura T., Kikuchi T.
  • Journal Title: Journal of Oceanography Volume: 79 Pages: 109～121
  • DOI: 10.1007/s10872-022-00669-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Seasonal variations of sea-ice thickness in the Northwind Abyssal Plain of the Arctic Ocean: Data analysis of moored ice-profiling sonar (2023)
  • Author(s): Ueno, T., H. Ueno, M. Itoh, E. Watanabe, J. Onodera, Y. Kawaguchi, S. Fujio, E. Moriya, Y. Fukamachi, and N. Harada
  • Organizer: The 7th International Symposium on Arctic Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multidecadal decreasing trend of sea ice production and melt in the Bering Sea revealed by ocean observations (2023)
  • Author(s): Mensah, V., Y-C. Chen, K. I. Ohshima
  • Organizer: The 7th International Symposium on Arctic Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development and validation of a sea ice melt estimation method based on T-S analysis in the Pacific Arctic Region (2023)
  • Author(s): Y-C. Chen, V. Mensah
  • Organizer: The 7th International Symposium on Arctic Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of sea ice thickness based on the ice histories (2023)
  • Author(s): Kimura N., Hasumi H.
  • Organizer: The 7th International Symposium on Arctic Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of the Arctic sea-ice thickness based on ice histories (2023)
  • Author(s): Kimura N., Hasumi H.
  • Organizer: The 37th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of sea ice meltwater on biogeochemical condition in the southern Sea of Okhotsk (2023)
  • Author(s): Imai, M., A. Murayama, K. Ono, Y. Yamashita, K. Suzuki, T. Nakamura, K. I. Ohshima, H. Mitsudera and J. Nishioka
  • Organizer: The 37th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of Water Masses and Nutrients conditions in the southern Sea of Okhotsk (2023)
  • Author(s): Nishioka, J., T. Toyota, A. Murayama, K. Ono, M. Imai, Y. Yamashita, K. Suzuki, T. Nakamura, K. I. Ohshima, H. Misudera
  • Organizer: The 37th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimations of sea ice melt and associated heat/salt transport in the sea of Okhotsk (2023)
  • Author(s): Honda M., K. I. Ohshima, V. Mensah, J. Nishioka, S. C. Riser
  • Organizer: The 37th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Winter movement and behaviors of rehabilitated juvenile spotted seals (Phoca largha) tracking from the southern Sea of Okhotsk, Hokkaido (2023)
  • Author(s): Heping Li, Kay I. Ohshima, Masako Okazaki, Yoko Mitani
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会
• [Presentation] 氷床海洋相互作用 (2023)
  • Author(s): 田村岳史
  • Organizer: 「国連海洋科学の10年」シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Estimation of the Arctic sea ice thickness based on the backward tracking analysis (2022)
  • Author(s): Kimura N., Hasumi H.
  • Organizer: The 13th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Incorporation of phytoplankton into newly-formed sea ice in Dalton Polynya and off Totten Glacier (Southern Ocean) during late summer (2022)
  • Author(s): Takahashi, K. D., M. Ito, N. Nojiro, D. Nomura, P. Wongpan, M. Sano, R. Makabe, M. Yamamoto-Kawai, T. Tamura, S. Aoki, M. Moteki
  • Organizer: 10th SCAR Open Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Drivers of Dense Shelf water formation in East Antarctic polynyas (2022)
  • Author(s): Rodriguez, E. P., S. R. Rintoul, L. Herraiz-Borreguero, F. Roquet, T. Tamura, E. Wijk, S. Bestley, C. McMahon, and M. Hindell
  • Organizer: EGU General Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海氷履歴をもとにした海氷厚の推定 (2022)
  • Author(s): 木村詞明, 羽角博康
  • Organizer: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [Presentation] AMSR-EとAMSR-2観測による南極海沿岸ポリニヤにおける海氷生産量の20年間（2002-21）の変動 (2022)
  • Author(s): 二橋創平, 田村岳史, 大島慶一郎
  • Organizer: 2022年度日本海洋学会秋季大会
• [Presentation] 海氷生産量の長期変動解析に向けたSMMR薄氷厚アルゴリズムの開発 (2022)
  • Author(s): 柏瀬陽彦, 大島慶一郎, 深町康, 中田和輝, 田村岳史
  • Organizer: 2022年度日本海洋学会秋季大会
• [Presentation] オホーツク海南部に高生物生産をもたらす海氷の後方粒子追跡実験 (2022)
  • Author(s): 久賀みづき, 大島慶一郎, 木村詞明, 岸紗智子, 西岡純
  • Organizer: 2022年度日本海洋学会秋季大会
• [Presentation] 海棲哺乳類たちが教えてくれる海の中の話 (2022)
  • Author(s): 三谷曜子
  • Organizer: ふれデミックカフェ
  • Invited
• [Presentation] 南大洋ケープダンレー沖夏季の流氷における珪藻Fragilariopsis curtaのブルーム (2022)
  • Author(s): 高橋啓伍, 伊藤優人, 真壁竜介, 佐野雅美, 大島慶一郎
  • Organizer: 日本珪藻学会第43回大会
• [Presentation] On-Shelf Circulation of Warm Water Toward the Totten Ice Shelf, East Antarctica (2022)
  • Author(s): Hirano D., T. Tamura, K. Kusahara, M. Fujii, K. Yamazaki, Y. Nakayama, K. Ono, T. Itaki, Y. Aoyama, D. Simizu, K. Mizobata, K. I. Ohshima, Y. Nogi, S. R. Rintoul, E. van Wijk, J. S. Greenbaum, D. D. Blankenship, S. Aoki
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] オホーツク海における船舶観測で捉えた春季ブルームと物質環境の実態 (2022)
  • Author(s): 今井望百花, 村山愛子, 小野数也, 山下洋平, 鈴木光次, 中村知裕, 大島慶一郎, 三寺史夫, 西岡純
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 南大洋における海氷融解量と海氷による正味淡水フラックスの見積り (2022)
  • Author(s): 小松瑞紀, 大島慶一郎, Vigan Mensah, 中田和輝
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] A new look at the Sea of Okhotsk water properties and their long-term variability using an advanced mapping technique (2022)
  • Author(s): Mensah, V., K. I. Ohshima
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Upslope flow of mCDW across the continental shelf using a high-resolution model in the Cape Darnley Bottom Water formation region (2022)
  • Author(s): Mensah,V., Y. Nakayama, M. Fujii, K. I. Ohshima
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Spring ocean salinity profiles teach us decreasing trend of sea ice thickness in the southern Okhotsk Sea (2022)
  • Author(s): 本田茉莉子, 大島慶一郎, Vigan Mensah, 西岡純, Stephen Riser
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Remarks] 基盤研究S「海氷が導く熱・塩・物質のグローバル輸送」
  • URL: http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/wwwod/~ohshima/kaken2020/index.html
• [Funded Workshop] The International Workshop on Pacific Arctic Sea ice Melting 2022 (2022)