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

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K12304
• 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
• キーワード: 北極海 / 海氷力学過程 / 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

研究実績の概要

本年度は北極海観測が開始される年度に当たるため、主としてその準備に取り組んだ。研究計画に基づき、1.PALSAR-2画像から変形氷域を抽出するアルゴリズムの検証、2.衛星データを用いた海氷漂流速度データセットの構築、3.オホーツク海等現場観測による海氷形成過程に関する観測データの収集を行った。
1.について、PALSAR画像（HH偏波）を用いて開発した変形氷を抽出するアルゴリズムが現用のPALSAR-2画像でも適用できるかどうか、テスト海域として４年間のオホーツク海観測データを基に検証した。PALSAR-2は二偏波（HH、HV）を有するので両偏波の特性に着目して解析を行った。その結果、概ねアルゴリズムの妥当性が確かめられたものの、両偏波ともに表面凹凸のみならず氷盤の大きさ分布にも有意な影響を受けることが明らかになった。相対的な重要性でみるとHV偏波はより氷盤の大きさの影響を受けやすく、氷縁域の抽出に有利であることが分かった（論文執筆中）。2.について、人工衛星搭載のマイクロ波放射計AMSR-EおよびAMSR2による観測データから海氷の漂流速度を計算するアルゴリズムを改良し、これまで（60km）より高解像度の50kmグリッドでのデータセット作成が可能になった。高分解能のデータを得るために衛星可視画像を用いた手法の開発も行った。3.について、オホーツク海で巡視船を用いて氷況観測を行った他、変形による海氷成長過程との対比という観点からサロマ湖の野外実験で粒状氷の発達に及ぼす降雪の影響について調べた。実験の結果、海氷結氷初期の降雪はseeding効果により表面のスラッシュ層の氷化を効率的に促すことなどが分かった（論文投稿中）。
以上、北極海観測データの公開が遅れて解析にまでは至らなかったものの、観測はほぼ計画通り実施されており本研究課題に関わる有意義な成果が得られたと考えている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究は北極海国際観測プロジェクト（2019年10月～）で得られるサブグリッドスケール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を目的としている。本年度はその第一段階として、衛星SARから変形氷域を抽出するアルゴリズムの開発と検証、衛星データを用いた海氷速度分布データセットの構築、それに海氷域の現場観測データの収集を行うことを目指した。
研究実績にも記したように、変形氷域を抽出するアルゴリズムに関しては、過去に衛星PALSARを用いて開発した経緯があるため、本研究ではこのアルゴリズムが現用のPALSAR-2にも適用可能かどうかという観点から取り組んだ。その結果、表面凹凸に加えて氷盤大きさ分布にも有意な影響を受けることが分かった。このことは北極海のデータ解析に十分役立てられる。
海氷速度については、従来用いられてきた衛星AMSR-E画像の89GHzチャンネルは夏季には欠測が多くて解析に適さないという問題を抱えていた。そこで、今回は夏季にも有用な36GHzと19GHzの画像を基に新しいアルゴリズムを開発してグリッドの分解能は50kmの海氷速度データセットを構築することができた。
また、現場観測の収集に関しては、オホーツク海で巡視船を用いた海氷観測を実施し、ドローンを用いた氷盤観測で比較的小さな氷盤のデータを取ることに初めて成功した。サロマ湖で実施した実験観測では従来知られていなかった降雪が薄い氷に及ぼす影響を見出すことができ、これらはデータ解析に多角的な視点を与えるのに役立つ。このように、初年度の目標はおおよそ達成し、次年度の観測データの解析に向けて準備を整えることができた。

今後の研究の推進方策

二年度は北極海観測の観測データの解析に本格的に着手する予定である。相補的にオホーツク海でも現場観測を実施予定であり、ともに昨年度の解析結果を発展させる計画である。具体的には、1.衛星SAR画像から変形氷域を見出すアルゴリズムの北極海への応用、2.北極海の現場で得られた観測データの解析、および3.数値海氷モデルにおける力学過程の改善に向けて理論面の吟味について次の通り研究を進める予定である。
1.について、まずはオホーツク海の海氷を対象として開発したアルゴリズムとPALSAR-2の二偏波の特性についての論文の完成に力を注ぐ。その後、北極海のPALSAR-2画像を入手して解析を行い、変形氷域の時間発展を調べる。2.について、研究協力者（Hutchings、Haas）と協力して観測船（Polarstern）周辺のブイデータと氷厚データを入手してサブグリッドスケールの海氷速度場と氷厚分布の変動特性を明らかにする。次に、海氷速度場のスケール間の関連性を明らかにあるために、研究分担者（木村）が衛星マイクロ波データを基に作成した北極海全体の海氷速度分布の変動特性と比較解析を行う。そしてこれら異なるスケールの海氷速度分布がPALSAR-2画像から得られた変形氷域分布や観測された氷厚分布とどのように対応するかを調べて力学過程を吟味する。また、3.について、究極的な目標は海氷域のレオロジーとしての扱いは従来考えられてきたような塑性体を仮定して良いか、あるいはどのような点に修正が必要なのかを検討することである。対象海域を北極海全体に広げて海氷速度の変形場のエネルギー論を軸に吟味し、三年度に予定している力学過程の改善に向けて理論面での準備を進めたい。
なお、得られた解析結果について詳細な議論を行うために、事情が許せば年度内に研究協力者（Haas）を訪問して議論を行い、研究成果は学会等で発表する。

次年度使用額が生じた理由

当初の計画では、本報告書に記された支出のほかに、オホーツク海観測で得られたビデオ画像解析のための雇用費（約10万円）と論文投稿料（約20万円）を予定していた。しかしながら、雇用費に関しては年度内に被雇用者が決まらなかったため、また、論文投稿料に関しては諸事情により審査のプロセスが長引いているため2019年度の決算に盛り込むことができなかった。被雇用者は既に決まったので、論文出版の目途がつき次第、どちらも予定通り本研究課題の科研費を使用して支払う計画である。

研究成果

• [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 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) (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, M. Vancoppenolle
  • 雑誌名: Bulletin of Glaciological Research 巻: 38 ページ: 1-12
  • DOI: 10.5331/bgr.19R02
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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