６． 衛星観測：海氷研究の生命線
海氷研究は衛星リモートセンシングにより進展してきた
AMSR2(日本のセンサー)による

1972年前種々の沿岸観測データを収集して解析

1972

ESMR
マイクロ波放射計により、初めて全球での海氷分布がわかるようになる

1978

SMMR

1987

SSM/I
分解能 25㎞
現在も継続

2002

AMSR, AMSR-E
日本の衛星センサー
分解能 6.3－12.5km
AMSR2

2012
日本の衛星センサー
今後AMSRの後継機 ?

日本のセンサーAMSRシリーズは
今や海氷研究の生命線

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）

（衛星）リモートセンシング• 能動センサー（自ら電磁波を出し、そのはね返りを測定）
レーダー (radar) : パワー大
合成開口レーダー(SAR: Synthetic Aperture Radar)
マイクロ波散乱計
マイクロ波高度計• 受動センサー（物体から射出される電磁波を測定）
放射計 (radiometer) : パワー小マイクロ波放射計 （SSM/I, AMSR）
可視・赤外放射計 (“ひまわり”などもそう)ウェッデルポリニヤ
マイクロ波放射計による （冬季）
ポリニヤ形成メカニズム
熱、水蒸気、CO2など

１９７４

大気S小冷却S大

deepconvection

１９７５

熱

１９７６

S小ウェッデルポリニヤ

水温

ポリニヤでの深い対流
Gordon,1978

ウェッデルポリニヤ（１９７４－１９７６）↓深い対流↓Robertson et al.,2002 中深層水の低温化

深層
水の最大水温
1970

2000

熱損失

沿岸ポリニヤ → 海氷生産工場

Heat loss
vs.
Ice thickness

海氷厚
海氷がたくさんできるほど、塩分が排出され、重い水ができる

マイクロ波放射計による薄氷厚アルゴリズム→ 熱収支計算による熱損失 ＝ 海氷生産量

・マイクロ波放射計(AMSR)により薄氷厚検出(アルゴリズム)
・熱収支計算←氷厚データ+大気データ・奪われる熱はすべて海氷生産に使われると仮定
海氷生産量を全球で毎日見積もることができる
マイクロ波放射計(AMSR-E)

合成開口レーダー(ALOS PALSAR)
(m)

定着氷
薄氷

定着氷
空間分解能: 6.25km
南極大陸(ケープダンレーポリニヤ, 東南極)

2007年7月31日

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AMSR-E Polarization Ratio (PR) vs. MODIS ice thickness
89 GHz36 GHz

Ross Sea
Weddell Sea
Cape Darnley

南極海での薄氷厚アルゴリズム
Ice thickness up to 20 cm is estimated from fitted exponential curve
Ice
89GHz: higher spatial resolution, but needs water vapor correction
Nihashi and Ohshima, submitted in11JC

氷厚導出の流れ

AVHRR ch4

AVHRR ch5

Key et al. (1997)

ECMWF
SSM/I, AMSR
（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)

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

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/ (ρi L f) FC：海氷の熱損失，ρi ：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）

海氷生産量の全球マッピング(by AMSR)

Nihashi &Ohshima,(2015)

Iwamoto, Ohshima,& Tamura (2014)

南極海: 高海氷生産→底層水生成北極海: 低海氷生産
ｵﾎｰﾂｸ海: 北半球で最大15海域ごとのアルゴリズムの違い↑
卓越する海氷種類の違い↑
気象要素や地勢の違い

Ross Sea
Weddell Sea
Cape Darnley

全球汎用アルゴリズムの作成
ニラス

AMSR-E 36GHz
南極海
北極海
グリース/フラジルアイス

中田和輝君の研究

中田和輝君の研究

Ross Ice Shelf

Consolidated thin ice

Frazil ice
全球汎用薄氷アルゴリズムへ
FrazilConsolidated

Red – active frazil
Blue – hi < 0.2 m
Black – hi > 0.2 m

PRice thickness (m)GRConsolidated

FrazilPR36

Ross Ice Shelf Polynya (RISP)

Frazil ice

Cape Darnley Polynya (CDP)

Frazil ice
Frazil 型の割合
RISP
12%
CDP
38%

海氷生産量：従来→今回 (増加率)300km3 → 412 km3 ( 37%増加)
134km3 → 301 km3 (120%増加)

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衛星合成開口レーダー（SAR）で観測されたケープダンレーポリニヤ

海氷漂流速度の計算方法 (AMSR-E)

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

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

Spring (April) Ice thickness http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-23964372

http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/