北極海の長期包括的観測データに基づく海氷変形過程のパラメタリゼーションの開発

• 研究課題/領域番号: 19K12304
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分63010:環境動態解析関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 豊田 威信 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (80312411)
• 研究分担者: 木村 詞明 東京大学, 大気海洋研究所, 特任研究員 (20374647)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 海氷力学過程 / 北極海 / リモートセンシング / レオロジー / パラメタリゼーション / 海氷漂流速度 / 数値海氷モデル / 氷厚分布

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、北極海国際観測プロジェクト（MOSAiC、2019年10月から約一年間）で得られるサブグリッドスケールの海氷速度や氷厚分布等のデータを衛星から得られる広域のデータと組み合わせて解析することにより、季節海氷域化が進む北極海における海氷力学過程の理解を改善するとともに、数値海氷モデルにおける海氷の変形過程のパラメタリゼーションの手法を開発してモデルの精度向上に資することである。衛星データをより有効に活用するために、季節を通して現場データとの比較検証を実施してその季節依存性も探求する予定である。

研究成果の概要

北極海における数値海氷モデルの精度を改善することを目的として、海氷変形過程に焦点を当ててオホーツク海や北極海の現場や衛星の観測データを基にパラメタリゼーションを吟味した。現時点では北極海プロジェクトの現場観測データの利用は限られたこと、衛星SAR画像を用いたオホーツク海の変形氷抽出アルゴリズムは北極海には適用が難しいことが判明したため、主としてオホーツク海における変形過程の検討に軌道修正した。観測データに基づいて解析した結果、従来用いられてきた海氷レオロジーの妥当性や小さな氷盤分布特性から力学的特性を新たに示すことができた。季節海氷域化が進む北極域での今後の適用が期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在の気候モデルでは北極海の海氷の急激な減少傾向がまだ的確には再現されておらず、モデルの改善が必要とされている。本研究は海氷の変形過程に焦点を当てて、北極海で実施された観測プロジェクトのデータ等を利用して変形氷域の時間発展の実態から変形過程のパラメタリゼーションの開発を志した。北極海データの利用が限られた現状に鑑み、対象海域をオホーツク海に変更して衛星や現場で取得した観測データに基づいて吟味した結果、従来のパラメタリゼーションの手法を適切に用いれば、変形氷の発達の様子を季節内および経年変動で捉えられることなどが示された。今後、季節海氷域化が進む北極海への適用が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Observations of ice cakes with a drone in the southern Sea of Okhotsk (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., Y. Arihara, T. Waseda, M. Ito, J. Nishioka
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Symposium on Okhotsk Sea & Polar Oceans 2022 巻: 36 ページ: 237-240
• [雑誌論文] Evaluation of ship resistance in ice regime using ice chart (2022)
  • 著者名/発表者名: Uto, S., T. Toyota
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Symposium on Okhotsk Sea & Polar Oceans 2022 巻: 36 ページ: 124-127
• [雑誌論文] Measuring Deformed Sea Ice in Seasonal Ice Zones Using L-Band SAR Images (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyota Takenobu、Ishiyama Junno、Kimura Noriaki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 巻: 59 号: 11 ページ: 9361-9381
  • DOI: 10.1109/tgrs.2020.3043335
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spectral degree of linear polarization and neutral points of polarization in snow and ice surface (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanikawa, T., K. Masuda, H. Ishimoto, T. Aoki, M. Hori, M. Niwano, A. Hachikubo, S. Matoba, K. Sugiura, T. Toyota, N. Ohkawara, and K. Stamnes
  • 雑誌名: J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 巻: 273 ページ: 107845-107845
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107845
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 氷点下の気温での散水による線路積雪の飛沫防止に向けての改良実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎧坂勝則、川田充洋、豊田威信、松田益義
  • 雑誌名: 雪氷 巻: 83 ページ: 599-608
  • NAID: 130008160401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved representation of Arctic sea ice velocity field in ocean?sea ice models based on satellite observations (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyoda Takahiro、Kimura Noriaki、Urakawa L. Shogo、Tsujino Hiroyuki、Nakano Hideyuki、Sakamoto Kei、Yamanaka Goro、Komatsu Kensuke K.、Matsumura Yoshimasa、Kawaguchi Yusuke
  • 雑誌名: Climate Dynamics 巻: 57 号: 9-10 ページ: 2863-2887
  • DOI: 10.1007/s00382-021-05843-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Overwinter sea-ice characteristics important for Antarctic krill recruitment in the southwest Atlantic (2021)
  • 著者名/発表者名: Veytia Devi、Bestley Sophie、Kawaguchi So、Meiners Klaus M.、Murphy Eugene J.、Fraser Alexander D.、Kusahara Kazuya、Kimura Noriaki、Corney Stuart
  • 雑誌名: Ecological Indicators 巻: 129 ページ: 107934-107934
  • DOI: 10.1016/j.ecolind.2021.107934
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of ice-band pattern formation caused by resonant interaction between sea ice and internal waves in a continuously stratified ocean (2021)
  • 著者名/発表者名: Saiki Ryu、Mitsudera Humio、Fujisaki-Manome Ayumi、Kimura Noriaki、Ukita Jinro、Toyota Takenobu、Nakamura Tomohiro
  • 雑誌名: Progress in Oceanography 巻: 190 ページ: 102474-102474
  • DOI: 10.1016/j.pocean.2020.102474
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solidification effects of snowfall on sea-ice freeze-up: results from an onsite experimental study (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyota Takenobu、Ono Takashi、Tanikawa Tomonori、Wongpan Pat、Nomura Daiki
  • 雑誌名: Annals of Glaciology 巻: 61 号: 83 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1017/aog.2020.49
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Response to Sea Ice Melt Indicates High Seeding Potential of the Ice Diatom Thalassiosira to Spring Phytoplankton Blooms: A Laboratory Study on an Ice Algal Community From the Sea of Okhotsk (2020)
  • 著者名/発表者名: Yan Dong、Yoshida Kazuhiro、Nishioka Jun、Ito Masato、Toyota Takenobu、Suzuki Koji
  • 雑誌名: Frontiers in Marine Science 巻: 7
  • DOI: 10.3389/fmars.2020.00613
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Using under-ice hyperspectral transmittance to determine land-fast sea-ice algal biomass in Saroma-ko Lagoon, Hokkaido, Japan (2020)
  • 著者名/発表者名: Wongpan Pat、Nomura Daiki、Toyota Takenobu、Tanikawa Tomonori、Meiners Klaus M.、Ishino Tomomi、Tamura Tetsuya P.、Tozawa Manami、Nosaka Yuichi、Hirawake Toru、Ooki Atsushi、Aoki Shigeru
  • 雑誌名: Annals of Glaciology 巻: 61 号: 83 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1017/aog.2020.69
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differences in diversity and photoprotection capability between ice algae and under-ice phytoplankton in Saroma-Ko Lagoon, Japan: a comparative taxonomic diatom analysis with microscopy and DNA barcoding (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Kazuhiro、Hattori Hiroshi、Toyota Takenobu、McMinn Andrew、Suzuki Koji
  • 雑誌名: Polar Biology 巻: 43 号: 11 ページ: 1873-1885
  • DOI: 10.1007/s00300-020-02751-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temporal and spatial change in the relationship between sea-ice motion and wind in the Arctic (2020)
  • 著者名/発表者名: Maeda Ken、Kimura Noriaki、Yamaguchi Hajime
  • 雑誌名: Polar Research 巻: 39
  • DOI: 10.33265/polar.v39.3370
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual drift behaviour of multi-year sea ice in the Beaufort Sea during summer 2018 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Noriaki、Tateyama Kazutaka、Sato Kazutoshi、Krishfield Richard A.、Yamaguchi Hajime
  • 雑誌名: Polar Research 巻: 39 号: 0
  • DOI: 10.33265/polar.v39.3617
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sea ice observation with oceanographic HF Radar (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang, W., N. Ebuchi, Y. Fukamachi, F. Cheng, K.I. Ohshima, B.M. Emery, T. Toyota, H. Abe, and K. Shirasawa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 巻: 58 号: 1 ページ: 378-390
  • DOI: 10.1109/tgrs.2019.2936576
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Saroma-ko Lagoon Observations for sea ice Physico-chemistry and Ecosystems 2019 (SLOPE2019)（サロマ湖における海氷の物理・化学・生物学研究） (2020)
  • 著者名/発表者名: Nomura, D., P. Wongpan, T. Toyota, T. Tanikawa, Y. Kawaguchi, T. Ono, T. Ishino, M. Tozawa, T. P. Tamura, I. S. Yabe, E. Y. Son, F. Vivier, A. Lourenco, M. Lebrun, Y. Nosaka, T. Hirawake, A. OOKI, S. Aoki, B. Else, F. Fripiat, J. Inoue, and M. Vancoppenolle
  • 雑誌名: 氷河情報センター 巻: 38 号: 0 ページ: 1-12
  • DOI: 10.5331/bgr.19R02
  • NAID: 130007822743
  • ISSN: 1345-3807, 1884-8044
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Observations of ice cakes with a drone in the southern Sea of Okhotsk (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., Y. Arihara, T. Waseda, M. Ito, J. Nishioka
  • 学会等名: The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of ship resistance in ice regime using ice chart (2022)
  • 著者名/発表者名: Uto, S., T. Toyota
  • 学会等名: The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] Resent change of sea-ice age distribution in the Arctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura, N., H. Hasumi, M. Oyama, H. Yamaguchi
  • 学会等名: The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea and Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] オホーツク海南部の海 氷量の年々変動特性とその要因 (2021)
  • 著者名/発表者名: 豊田威信、木村詞明、西岡純、伊藤優人、野村大樹、三寺史夫
  • 学会等名: 日本海洋学会2021年度秋季大会
• [学会発表] Validation of the algorithm with L-band SAR data for detecting deformed sea ice area in the Arctic Ocean (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., C. Haas, G. Spreen
  • 学会等名: The 7th ALOS-2 PI Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] The interannual variability of the ice conditions in the southern Sea of Okhotsk and its likely factors (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., N. Kimura, J. Nishioka, M. Ito, D. Nomura, H. Mitsudera
  • 学会等名: American Geophysical Union 2021 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Interannual variability of sea-ice age distribution in the Arctic (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura, N., H. Hasumi, M. Oyama, H. Yamaguchi
  • 学会等名: The 12th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] 北極海における海氷年齢分布の変化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村詞明、羽角博康、大山元夢、山口一
  • 学会等名: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [学会発表] Validation of the algorithm with L-band SAR data for detecting deformed sea ice area in the Arctic Ocean (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., C. Haas, G. Spreen
  • 学会等名: The Joint PI Meeting of JAXA Earth Observation Missions FY2020
  • 国際学会
• [学会発表] The interannual variability of the ice conditions in the southern Sea of Okhotsk and its likely factors (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., N. Kimura, J. Nishioka, M. Ito, D. Nomura, H. Mitsudera
  • 学会等名: Joint Seminar on Mombetsu Sea Ice Symposium 2021 ~ focusing on the Okhotsk Sea and Polar Oceans ~
  • 国際学会
• [学会発表] 合成開口レーダーを用いた変形氷抽出の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 豊田威信
  • 学会等名: ArCS II 北極海航路課題・2020 年度報告会
  • 招待講演
• [学会発表] 降雪が結氷初期の海氷凍結過 程に及ぼす影響について (2020)
  • 著者名/発表者名: 豊田威信、小野貴司、谷川朋範、Pat Wongpan、野村大樹
  • 学会等名: 日本海洋学会2020年度秋季大会
• [学会発表] Measuring deformed sea ice area in seasonal ice zones using L-band SAR images (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., J. Ishiyama, N. Kimura
  • 学会等名: The 11th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Algorithm to detect deformed sea ice area in seasonal ice zones using L-band SAR images (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., J. Ishiyama, N. Kimura
  • 学会等名: American Geophysical Union 2020 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Year-round Satellite Multi Frequency Synthetic Aperture Radar Observations During the MOSAiC Expedition (2020)
  • 著者名/発表者名: Singha, S., G. Spreen, T. Krumpen, M.W. Davidson, S. Sobue, S. Howell, R. Kwok, M. Jose, S. Zeccetto, L. Frulla, H. C. Kim, M. Battagliere, T. Toyota, E. Schwarz
  • 学会等名: American Geophysical Union 2020 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Summary of the medium-range forecast of the Arctic sea ice (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, N., H. Hasumi, H. Yamaguchi
  • 学会等名: The 11th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Validation of the algorithm with L-band SAR data for detecting deformed sea ice area in the Arctic Ocean (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., C. Haas, and G. Spreen
  • 学会等名: The Joint PI meeting of JAXA Earth Observation Missions FY2019
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of the trajectory and history of drifting sea ice in the Arctic and Antarctic (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, N., and H. Hasumi
  • 学会等名: International Symposium on Okhotsk Sea and Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] On the possibility of detecting deformed sea ice area in the seasonal ice zone with ALOS-2/PALSAR-2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., J. Ishiyama, N. Kimura
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research (online meeting due to cancellation)
  • 国際学会
• [学会発表] A new way to derive the sea ice thickness from satellite observation data (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura, N., and H. Hasumi
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research (online meeting due to cancellation)
  • 国際学会
• [学会発表] Retrieval of Deformed Sea Ice Area in the Southern Sea of Okhotsk Using Satellite L-band SAR Images (2019)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T. and J. Ishiyama
  • 学会等名: 2019 Living Planet Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Retrieval of Deformed Sea Ice Area in the Seasonal Ice Zone Using Satellite L-band SAR Images (2019)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T. and J. Ishiyama
  • 学会等名: International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Application of ALOS-2/PALSAR-2 for detecting sea-ice-surface features in the seasonal ice zone” (2019)
  • 著者名/発表者名: Toyota, T., and J. Ishiyama
  • 学会等名: International Glaciological Society 2019 Sea Ice Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Sea-ice thickness and volume in the Sea of Okhotsk estimated on the basis of ICESat and CryoSat-2 data (2019)
  • 著者名/発表者名: Nihashi, S., N. T. Kurtz, and T. Toyota
  • 学会等名: International Glaciological Society 2019 Sea Ice Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] First-year-sea-ice thickness in the Weddell Sea from microwave backscatter (2019)
  • 著者名/発表者名: Fraser, A., N. Ramm, J. Cartwright, N. Kimura, R. Massom, T. Toyota, and P. Heil
  • 学会等名: International Glaciological Society 2019 Sea Ice Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] New high-resolution sea-ice floe-size distribution results from US Geological Survey LIDP imagery (2019)
  • 著者名/発表者名: Hwang, B., and T. Toyota
  • 学会等名: International Glaciological Society 2019 Sea Ice Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 巡視船「そうや」の観測を通して見えてきたオホーツク海海氷の特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊田威信
  • 学会等名: 環オホーツクシンポジウム
• [学会発表] 雪が結氷初期の海氷成長に及ぼす影響について －サロマ湖における観測の事例解析－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊田威信、小野貴司、谷川朋範、Pat Wongpan、野村大樹
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] 南北両半球における海氷の履歴情報マッピング (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村詞明、羽角博康
  • 学会等名: 日本海洋学会秋季大会