リモートセンシングによる海氷研究マイクロ波放射計(AMSR)による2010 / 05/ 18の海氷分布

マイクロ波放射計による海氷観測
分解能 ２５ｋｍ

分解能 １２．５ｋｍ
１９７３

EMSR
１９７８SMMR
１９８７

SSM/I
２００２AMSR

海氷密接度：PR（偏波比）とGR（周波数依存）を用いる

衛星マイクロ波放射計による海氷面積

南極

1979

北極

2007

北半球最大(冬)海氷面積-2.5% / 10年

最小(夏)海氷面積-9.6% / 10年

冬季海氷表面温度
0.75 K / 10年

1980

2005

可視光
太陽光の反射

赤外線
地球放射：温度

吸収帯

電磁波

マイクロ波
（雲を突き抜ける）

マイクロ波放射計による海氷観測
分解能 ２５ｋｍ

分解能 １２．５ｋｍ
１９７３

EMSR
１９７８

SMMR
１９８７

SSM/I
２００２AMSR

海氷密接度：PR（偏波比）とGR（周波数依存）を用いる

ウェッデルポリニヤ１９７４（冬季：9月）

マイクロ波放射計による
１９７５

１９７６

ポリニヤ形成メカニズム

熱、水蒸気、CO2など

大気
S小

冷却
S大海面
S小

deepconvection

熱(AVHRR)

マイクロ波放射計(SSM/I)
偏波特性

ポリニヤ
Thin ice
Thick ice

Kimura and Wakatsuchi, 2004

海氷生産量の見積もり（熱収支と衛星データより）・マイクロ波放射計データ(SSM/I)よりポリニヤ（薄氷域）を検知・薄氷厚の推定
・熱収支計算より、大気に奪われた分の熱が海氷生産に使われると仮定する
・年間累積海氷生産量として厚さに換算

Ohshima et al. (2003)

昭和基地

ウェッデル海

未知の南極底層水？
ダンレー岬

年積算の海氷生産量のマッピング
衛星ﾃﾞｰﾀと熱収支計算による
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

南極底層水の形成域
ロス海
生産量 No. 1

アデリー

生産量
No. 2

AVHRR表面温度
南極海

ケイシー基地

南極大陸

ヴィンセンネス湾ポリニヤ（2003年10月19日）

大気海氷表面間熱交換の様子
2m高気温
H = Ki (Tw – Ts) / Fi
Ki：海氷熱伝導係数

海氷表面温度（Ts）
海氷
海

海氷内熱伝導フラックス（Fi）

乱流
フラックス

放射
フラックス

氷厚（H）

ｰ1.86℃（Tw）Yu and Rothrock（1996） に従って氷厚を導出

AVHRR表面温度

南極海

AVHRR氷厚

ケイシー基地ケイシー基地

南極大陸

南極大陸

ヴィンセンネス湾ポリニヤ（2003年10月19日）

南極海

ARISE(Antarctic Remote Ice Sensing Experiment)

現場氷厚とAVHRR氷厚の比較

September-October 2003
Vincennes Bay polynya

AVHRR氷厚

Bias: +0.5 cm
RMSE: 2.2 cm
r = 0.95: AVHRR 氷厚: ビデオからの氷厚: 目視観測からの氷厚

AVHRRデータから海氷厚を見積もる方法が、南極海において適用できるかを、現場観測データと比較することによって検証する。

AVHRR氷厚

SSM/I PR (polarization ratio) の比較

AVHRR氷厚

SSM/I PR-85

ヴィンセンネス湾ポリニヤ（2003年10月19日）
PR=垂直偏波と水平偏波の比AVHRR Ice Thickness

Scatterplot of AVHRR ice thickness and SSM/I PR

PR-85: 0-0.1 m

PR-37: 0.1-0.2 m

氷厚導出の流れ

AVHRR ch4

AVHRR ch5

Key et al. (1997)(Tamura et al., revised)

ECMWF
SSM/I
（PR-85, PR-37）

比較・検証

海氷表面温度

熱収支計算
海氷厚（AVHRR氷厚）

薄氷アルゴリズム（ポリニヤの氷厚）(Yu and Rothrock, 1996)(Drucker et al., 2003)(Tamura et al., 2006)

熱収支計算 ＠海氷面

α ：アルベド SE：顕熱フラックス
SW：短波放射 LA：潜熱フラックス
Q = (1－α )SW + LW + SE + LA + FC LW：長波放射 FC：海氷内熱伝導・氷厚データ ： マイクロ波放射計データによる氷厚アルゴリズム

・気象データ ： ERA-40（2m気温・露点温度，10m風速，SLP）+ ISCCP（雲量） + NCEP2（2m気温・絶対湿度，10m風速，SLP）
熱収支がバランスする(Q=0)ような海氷面温度を決めると熱伝導FCも求まり、FC=海氷から大気へ奪われる熱量

海氷生産量
V = FC/ (ρ i L f) FC：海氷の熱損失，ρ i ：海氷の密度，L f ：海氷融解の潜熱
結氷点の海氷域で大気に奪われる熱全て海氷生産へ（海洋下層からの熱流入は無視）

沿岸ポリニヤとは？

・ 氷厚0～0.2mの薄氷域
・ 幅約数十km(Pease, 1987)

海氷厚と熱損失との関係

昭和基地

ウェッデル海

未知の南極底層水？
ダンレー岬

年積算の海氷生産量のマッピング
5-10月の熱フラックスのマッピング
年平均の塩フラックスのマッピング
衛星ﾃﾞｰﾀと熱収支計算による
Tamura, Ohshima, Nihashi (2008)

南極底層水の形成域
ロス海
生産量 No. 1

アデリー

生産量
No. 2

ダーンレー岬ポリニヤ（1997年4月20日）

(67S)

南極大陸
(66E)

AVHRR氷厚

南極大陸
(69S)
(70E)

SSM/I氷厚SAR image

Polynya
Iceberg
tonguenew ice
Sea-ice production > 5m / yr

ALOSのPALSAR
合成開口レーダー
分解能約100m
100km

Steaks of new ice

南極大陸
ケープダンレー合成開口レーダー

飛行方向にデータを合成することで、アンテナ幅を大きくする効果を生む。
→ 分解能がよくなる

ICESat による氷厚観測
レーザーを用いて、海面から出ている氷の高さを計測し、アイソスタシーを仮定して、下に沈んでいる分（氷の厚さ）を推定する。

海氷

海氷を測る －係留観測から－
海氷の密接度や漂流といった量は人工衛星で観測可能であるが、最も基本的な物理量である「海氷の厚さデータ」
は、衛星の観測からでは正確な値を得ることが（将来とも）難しいものである。氷厚データに関しては、その平均的分布（気候値）さえもよくわかっていない状況にある。長期連続した客観性の高い海氷厚データを得るには、超音波氷厚計（Ice Profiling Sonar）を長期係留する方法が現在もっとも有効な方法である。これは海水中に係留された測器より発信した音波のエコー時間を用いて海氷の厚さを測定するもので、データ取得・データ処理ともに簡単ではないので、国際的にもまだ限られた研究者にしか使われていない。

氷厚計の計測原理

マイクロ波放射計
合成開口レーダー氷厚計 漂流速度計
時系列データ→海氷形状データ(Fukamachi et al., 2006)

オホーツク海での例

沿岸ポリニヤでの氷厚計(Ice Profiling Sonar), ADCP, CT計の設置
Mar. 18, 2003

2002年12月～2003年5月
Fukamachi et al., 20090m

Draft values exaggerated ~20 times

20 m

5 km

Ice Draft and Water Properties (at 24-m depth)

Salinity
Potential Temperature
T relative to Tf

1. Salinity increase during thin-ice periods till March
2. Temperature very close to freezing point (Tf)⇓Brine rejection in polynya
Fukamachi et al., 2009

Validation of thin-ice thickness based on satellite dataNihashi et al. (2009)

AVHRR thinice thickness

AMSR-E thin-icethickness

IPS ice thickness⇓AVHRR thin-ice thickness+AMSR-E data⇓
Thin-ice thickness

海氷漂流速度の計算方法

面相相関法を用いて計算
窓画像の大きさ： 37.5×37.5km
画像の時間間隔：２４時間（ascendingどうし、descendingどうしを用いる）→37.5×37.5kmグリッドの日平均データを作成
北半球全域の海氷域でほぼ欠測なく結果が得られる

マイクロ波放射計データから計算された漂流速度場の比較

DMSP SSM/I

Aqua/AMSR-E

・ AMSR-Eから計算したものはSSM/Iによるものより圧倒的に良い（高解像度で欠測が少ない）

海氷の前方軌跡
２００３年１月１日 → ４月１日
北西部陸棚域からの海氷
多くは樺太沿いに南方へ
一部は樺太北部でほぼ停滞

樺太東部からの海氷
多くは南西方向へ
その後千島海盆で渦に取り込まれている・ どちらも北海道近海には達していない

・ １９９４年に流されたアルゴスブイと比べると、やや南下 が遅い※ 年による違いの可能性もあり

海氷の後方軌跡
２００３年３月１５日 → １月１日

北海道近海の海氷
多くはテルペニア湾から一部はアニア湾付近から

千島海盆南部の海氷
樺太東岸の南下流にのったものが到達

より北部（赤線起点）の海氷
北西部陸棚域で生成されたものが到達北海道近海の点からの後方軌跡

・ ２月２３日から３月２０日にかけての海氷がテルペニア湾方面から＝観測された海氷の厚い期間と一致

・ その他の期間の海氷はアニア湾方面から・ 両湾は北海道近海に達する海氷の多くの部分の生産地のように思われる