機械学習を用いた極域における熱輸送メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 20K11718
• 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60030:統計科学関連
• 研究機関: 法政大学
• 研究代表者: 伊藤 香寿恵 (鈴木香寿恵) 法政大学, 理工学部, 助手 (20455190)
• 研究分担者: 山内 恭 国立極地研究所, その他部局等, 名誉教授 (00141995) ; 徳永 旭将 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (50614806)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 半自動学習 / 衛星観測 / Atmopheric River / Atmospheric River / 機械学習 / 時系列解析 / 熱収支 / 熱輸送 / 地球温暖化

研究開始時の研究の概要

衛星観測による雲画像は，上空から輝度温度を測定した結果であり，雲の三次元構造にそのまま置き換えることは難しい。
雲構造の解釈のために気象数値モデルを使って時間変化も含めた雲の四次元構造を捉え，雲発達を予測する統計モデルを構築する。 雲発達モデルを未学習の雲画像に対して適用させ，降雪をもたらす雲が発生した時点で自動検出することが目標である。 また，両極域を対象とした解析や予測を実施し，南北における熱輸送の違いから，地球温暖化の影響について検討する。

研究実績の概要

これまで作成した衛星観測雲画像のうち，Atmospheric Riverとした雲について作成した正例・負例データセットを用いた教師データを減らして学習する手法について検証を進めた．CoSPAは物体識別の際に必要となる画像セグメンテーションを半教師あり学習という形で行う新しい画像処理のための機械学習の手法であり，本研究で用いている衛星観測雲画像に対して適用を試みた．CoSPAの有用性を検証するために，一般的なオートエンコーダとしてU-Netによるセグメンテーションも実行した．
セグメンテーションの評価指標として，ここではIoU(Intersection over Union)とDiceの平均値をデータセット毎に算出した．結果から，CoSPAによるセグメンテーション生成は一般的なU-Netより優れていると判断できるが，ピクセル単位での評価であることに注意が必要である．したがって，手動で教師データのタグ付けを行うよりもある程度スクリーニングを実施することが出来ると予想できる．今後は，新たに入手する衛星観測雲画像に対して，CoSPAによる教師データ生成を実施し，最終的に人間による手動判別を実施することで教師データ生成が容易になると期待している．
また，観測データの理解を深めるため，雪のサンプリング観測に参加した．研究成果の解釈や，実データへの適用に役立つ情報を得ることができ，最終年度につなげていく予定である．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

北極側のデータセット作りが遅れているが，正例を自動的に生成するための深層学習は概ね準備が整ってきた．

今後の研究の推進方策

研究代表者の所属先が変わり，研究に割ける時間が大幅に増加した．再延長し，最後のデータセット作りを迅速に行い，両極の雲画像について自動識別を実施する．結果をまとめて学会発表および雑誌論文として報告する．

研究成果

• [国際共同研究] ウィスコンシン大(米国)
• [国際共同研究] ウィスコンシン大学(米国)
• [雑誌論文] High-top clouds play an efficient part in moisture transport to the Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Kazue、Tokunaga Terumasa、Yamanouchi Takashi、Motoyama Hideaki
  • 雑誌名: Authorea 巻: -
  • DOI: 10.1002/essoar.10512276.1
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Identifying Snowfall Clouds at Syowa Station, Antarctica via a Convolutional Neural Network (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Kazue、Shimomura Masaki、Nakamura Kazuyuki、Hirasawa Naohiko、Yabuki Hironori、Yamanouchi Takashi、Tokunaga Terumasa
  • 雑誌名: Advances in Artificial Intelligence. JSAI 2020. Advances in Intelligent Systems and Computing 巻: 1357 ページ: 73-83
  • DOI: 10.1007/978-3-030-73113-7_7
  • NAID: 130007857079
  • ISBN: 9783030731120, 9783030731137
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of aerosol number size distributions and their effect on cloud properties at Syowa Station, Antarctica (2021)
  • 著者名/発表者名: Hara Keiichiro、Nishita-Hara Chiharu、Osada Kazuo、Yabuki Masanori、Yamanouchi Takashi
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 21 号: 15 ページ: 12155-12172
  • DOI: 10.5194/acp-21-12155-2021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Arctic warming amplification and warming suppression in East Antarctica - Contribution of MOC to north-south asymmetry - (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Yamanouchi
  • 雑誌名: Okhotsk Sea and Polar Oceans Research 巻: 5 ページ: 1-6
  • NAID: 40022791134
  • 査読あり
• [雑誌論文] CNNを用いた南極・昭和基地に降雪をもたらす雲識別 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazue SUZUKI, Masaki SHIMOMURA, Kazuyuki NAKAMURA, Naohiko HIRASAWA, Hironori YABUKI, Takashi YAMANOUCHI, Terumasa TOKUNAGA
  • 雑誌名: 人工知能学会全国大会論文集 巻: JSAI2020 号: 0 ページ: 3F1ES205-3F1ES205
  • DOI: 10.11517/pjsai.JSAI2020.0_3F1ES205
  • NAID: 130007857079
  • オープンアクセス
• [学会発表] Heavy Snow Cloud Detection in Satellite Images Based on Semi-Supervised Image Segmentation (2024)
  • 著者名/発表者名: Lin Magari, Terumasa Tokunaga, Kazue Suzuki
  • 学会等名: The 5th International Symposium on Neuromorphic AI Hardware
  • 国際学会
• [学会発表] Heavy Snow Cloud Detection in Satellite Images Based on Semi-Supervised Image Segmentation (2023)
  • 著者名/発表者名: Lin Magari, Terumasa Tokunaga, Kazue Suzuki
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] An attempt to detect of Atmospheric River by Satellite Cloud Images in the Antarctic (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazue Suzuki, Terumasa Tokunaga, Naohiko Hirasawa, Takashi Yamanouchi, Hideaki Motoyama
  • 学会等名: The 14th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Heavy Snow Cloud Detection in Satellite Images Based on Semi-Supervised Image Segmentation (2023)
  • 著者名/発表者名: Lin Magari, Terumasa Tokunaga, Kazue Suzuki
  • 学会等名: The 14th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] A sequential trajectory method with data assimilation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazue Suzuki, Yoshihiro Tomikawa
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Snowfall Events and Aerosol Atmospheric Rivers with Changes in Concentrations of Trace Substances in the Atmosphere in the Polar Regions (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 香寿恵、中村 和幸、徳永 旭将、原 圭一郎、後藤 大輔、平沢 尚彦、山内 恭
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Detection of Atmospheric River by Satellite Cloud Images in the Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazue Suzuki, Terumasa Tokunaga, Naohiko Hirasawa, Takashi Yamanouchi, Hideaki Motoyama
  • 学会等名: The 17th Workshop on Antarctic Meteorology and Climate
  • 国際学会
• [学会発表] The high-top cloud plays an efficient part in the moisture transport to the Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazue Suzuki, Terumasa Tokunaga, Takashi Yamanouchi, Hideaki Motoyama
  • 学会等名: 4th International Atmospheric Rivers Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 南極域における衛星雲画像による Atmospheric Riverの検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木香寿恵, 徳永旭将, 平沢尚彦, 山内 恭
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] Identifying Snowfall Clouds at Syowa Station, Antarctica via a Convolutional Neural Network (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Kazue、Shimomura Masaki、Nakamura Kazuyuki、Hirasawa Naohiko、Yabuki Hironori、Yamanouchi Takashi、Tokunaga Terumasa
  • 学会等名: 16th Workshop on Antarctic Meteorology and Climate (WAMC, Virtual)
  • 国際学会
• [学会発表] Atmospheric River による南極域へのエアロゾル輸送(1) (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木香寿恵, 原圭一郎, 徳永旭将, 後藤大輔, 平沢尚彦, 山内 恭
  • 学会等名: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [学会発表] Identifying the Snowfall Cloud at Syowa Station, Antarctica via a Convolutional Neural Network (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazue SUZUKI, Masaki SHIMOMURA, Kazuyuki NAKAMURA, Naohiko HIRASAWA, Hironori YABUKI, Takashi YAMANOUCHI, Terumasa TOKUNAGA
  • 学会等名: The 34th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] The Identification of the snowfall cloud at Syowa Station, Antarctica (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazue SUZUKI, Masaki SHIMOMURA, Kazuyuki NAKAMURA, Naohiko HIRASAWA, Hironori YABUKI, Takashi YAMANOUCHI, Terumasa TOKUNAGA
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Warm-moist air intrusion into the polar regions enhancing cloud longwave radiation and contributing to the warming (2020)
  • 著者名/発表者名: Takashi Yamanouchi and Naohiko Hirasawa
  • 学会等名: Scientific Committee on Antarctic Research SCAR-OSC2020
  • 国際学会
• [図書] Advances in Artificial Intelligence, Selected Papers from the Annual Conference of Japanese Society of Artificial Intelligence (JSAI 2020), L11: Identifying the Snowfall Cloud at Syowa Station, Antarctica via a Convolutional Neural Network (2021)
  • 著者名/発表者名: Yada, K., Katagami, D., Takama, Y., Ito, T., Abe, A., Sato-Shimokawara, E., Mori, J., Matsumura, N., Kashima, H. (Editors), Kazue SUZUKI, Masaki SHIMOMURA, Kazuyuki NAKAMURA, Naohiko HIRASAWA, Hironori YABUKI, Takashi YAMANOUCHI, Terumasa TOKUNAGA (Coauthors)
  • 総ページ数: 390
  • 出版者: Springer International Publishing
  • ISBN: 9783030731137