北海道の雪氷 No.40（2021）

Annual Report on Snow and Ice Studies in Hokkaido

積雪の影響を考慮した海氷厚推定アルゴリズムの改良
Improvement of sea ice thickness estimation algorithm considering the effect of snow cover
渡辺 由梨加 1，舘山 一孝 2, 東海林 尚登 3
Yurika Watanabe1, Kazutaka Tateyama2, Naoto Shoji3
Corresponding author: m2052200226@std.kitami-it.ac.jp (Y. Watanabe)
本研究では，海氷と海氷上の積雪のマイクロ波放射特性を明らかにするために，積雪の種類や含水率などの状態による影響を調査した．結氷期のサロマ湖上で湖氷及び湖氷上の積雪について，小型マイクロ波放射計を用いて輝度温度の測定を行った．その結果を応用し，先行研究で開発された海氷厚推定手法に積雪深を用いて補正を施す手法を作成した．衛星搭載レーダー高度計から得られた全氷厚を正解値として使用した場
合，本研究によって補正した衛星搭載マイクロ波放から推定氷厚の平均二乗誤差は 0.09m であった．
１．はじめに
１．１ 研究背景
北極海における海氷の厚さの情報は，気候変動調査の指標としてだけでなく，北極海航路や北極海に存在する海底資源開発時の安全確保等に不可欠である．北極海は広大であり海氷上常時観測網を展開・維持することは困難であるため，人工衛星に搭載したマイクロ波リモートセンシングによる観測が最適であると考えられる．
Krishfiled ら 1)は Aqua 衛星搭載マイクロ波放射計 （ AMSR-E ： Advanced Microwave ScanningRadiometer for EOS）で観測された 6GHz から89GHz までの 7 つの周波数の輝度温度データを使用して海氷厚推定式を開発した．このアルゴリ
ズムを用いた場合，一年氷の氷厚推定は過大評価される傾向にあることが分かっており,推定精度のばらつきの原因の 1 つとして，海氷上の積雪深の多寡や融解による積雪の含水率の変化が影響していると考えられる．
１．２ マイクロ波と海氷上の積雪
マイクロ波とは周波数が 300MHz から 300GHzの範囲の電磁波のことを指しており，電場の振動が地面に対して垂直であるものを垂直偏波，水平であるものを水平偏波という．また，マイクロ波
放射計によって測定される輝度温度とは，ある波長の輝度と等しい輝度の黒体の温度のことを指す．
これまでマイクロ波と海氷上の融解・積雪の関係を比較した研究が行われており，直木ら 2)は南
1

北見工業大学大学院 工学研究科
北見工業大学 地球環境工学科
3
北見工業大学 機械工学科
2

極昭和基地沖において，融解期の多年氷の輝度温度を三菱電機特機システム社製の可搬型マイク
ロ 波 放 射 計 （ Microwave Millimeter-wave
Radiometer / MMRS2）を用いて測定結果，海氷上の積雪が湿雪である場合，雪面の輝度温度は積雪条件にのみ依存することを示した．中川ら 3)は直木らと同様の MMRS2 を用いて結氷期のサロマ
湖湖氷と湖氷上の積雪の輝度温度を測定した結果,湖水の浸み上がりが発生している地点では，積雪深の増加に伴って輝度温度が急激に上昇する傾向を示した．
１．３ 研究目的
本研究の目的は以下の 2 つである．
1) サロマ湖上で湖氷のマイクロ波放射を測定し，積雪の性質や含水率による影響を調査する．特に，積雪含水率を定量的に測定してマイクロ波放射率と比較することが，本研究の新規性である．
2) AMSR2 に よって測定 された輝度 温度と，Cryosat2 搭載のレーダー高度計（SIRAL：SARInterferometer Radar Altimeter）によって推定された海氷厚を比較し，上記の目的による結果を，薄氷域における GCOM-W 衛星搭載マイクロ波放射計 AMSR2 の海氷厚推定精度向上に利用できるかどうか検討する．
２．研究方法２．１ MMRS2 サロマ湖実験
本研究は結氷期のサロマ湖において MMRS2を用いた実験を行った．サロマ湖は面積 150.4km2

Graduate School of Engineering, Kitami Institute of Technology
School of Earth, Energy and Environmental Engineering, Kitami Institute of Technology
Department of Mechanical Engineering, Kitami Institute of Technology－ 23 －Copyright©2021 公益社団法人日本雪氷学会
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Annual Report on Snow and Ice Studies in Hokkaidoの日本で最も大きな汽水湖である．2 つの湖口によってオホーツク海につながっており，湖水の塩濃度は 31～33psu と，同時期の外海沿岸水とほぼ同程度であると言われている 4)．観測期間は 2021
年 2 月 22 日から 26 日までである．図 1 のように St.1 から St.5 の 5 地点で実験を行った．

また，St.3 では湖氷に 1m×2m の穴を開け，解放水面から徐々に成長する海氷を数日間かけて観測した．St.2 にはいずれの観測日も積雪が見られなかったため，観測項目 1 および氷厚のみの測定となる．同様に St.1 も積雪が存在しないため，
項目 1 および氷厚のみの測定となる．また，St.3
はデータが欠損したため，観測項目 1 および氷厚のデータのみ解析で使用した．図 2 に観測風景を示す．

図 1 サロマ湖上の各観測地点
実験で使用した MMRS2 の観測周波数は 6GHz，18GHz，36GHz の 3 周波であり，それぞれの垂直偏波（H）と水平偏波（V）を測定した．また同時に，MMRS2 によって赤外温度も測定を行っている．周波数が 18GHz の水平偏波（各周波数・偏波に対してここでは 18H というように呼ぶ）のみ，測定装置の不具合のため測定を行っていない．
観測項目は，輝度温度および赤外温度（この 2つを観測項目 1 とする）に加えて，雪温，積雪深，積雪層分布，各積雪層の粒径および含水率（この5 つを観測項目 2 とする），氷厚，フリーボード，海水の塩濃度および温度（この 4 つを観測項目 3とする）である．積雪含水率の測定には，秋田谷5)が開発した秋田谷式含水率計を使用した．
観測手順は以下の通りである．ここでは，積雪で覆われており，観測等で変化を加えていない自然状態の湖氷観測面を「積雪表面」，積雪層の一部を除去した状態の観測面を「積雪内部層」，すべての積雪を取り除いた後の裸氷状態の観測面を「湖氷表面」と呼ぶことにする．初めに，積雪表面において観測項目 1 を測定する．その測定と同時進行で積雪断面観測も行う．積雪断面観測では，観測項目 2 を測定する．その後，測定結果に基づいて最上部の積雪層を 2m×2m の領域だけ取り除き，積雪内部層の観測項目 1 を測定する．
同じようにこの作業を湖氷表面が露出するまで繰り返す．湖氷表面において観測項目 1 を測定し終えた後，湖氷にアイスドリルで穴を開け，観測項目 3 を測定した．

図 2 サロマ湖実験の様子
２．２ 衛星搭載マイクロ放射計 AMSR2 への応用
本研究では AMSR2 から推定した海氷厚（以下，AMSR2 海氷厚）の比較対象として，SIRAL の推定氷厚（以下，SIRAL 海氷厚）を使用した．SIRAL
推定氷厚には，星野ら 6)が作成した海氷厚プロダ
クト ESA Level2 の推定手法を用いた．
解析の対象とする期間は 2021 年 1 月 20 日から同年 3 月 21 日までとした．また，対象範囲は
カラ海ヤマル半島沖の緯度 72°-74°，経度 60°-65°とした．図 3 にヤマル半島沖の SIRAL 海氷厚の月平均海氷厚分布図を示す．

図 3 ヤマル半島沖月平均海氷厚分布図
３．研究結果３．１ MMRS2 用いたサロマ湖実験
表 1 に各観測地点の観測日および観測場所，氷厚，積雪深の結果を示した 7)．また，図 4 に湖氷の積雪表面を測定した際の放射率と，その時の海氷厚（積雪は含めない）を比較したグラフを示す 7)．

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温度による輝度温度への影響を無視するため，輝度温度から赤外温度を除して求められる放射率を用いて比較を行った．
表 1 各観測地点の観測日および観測場所，氷厚，積雪深の結果

また，図 5 には積雪断面観測結果と各積雪層の放射率を示した 7)．結果は St.4 における測定結果を代表例として示している．グラフから，積雪量が多いほど放射率は増加することが分かる．この結果は中川ら 3)による測定結果と同じ傾向を示した．図 5 に示した積雪断面観測結果の各項目を各積雪内部層の放射率と比較した結果を，図 6 に示す．この結果から，積雪深，含水率，雪温，粒径ともに弱いながらも放射率と相関があることが分かる．

図 6 積雪断面観測の各項目と放射率の比較
a) 積雪深，b) 含水率，c) 雪温，d) 放射率
図 4 湖氷の厚さと輝度温度の比較
図 4 のグラフのデータのうち，橙色の四角で囲んでいるデータは，積雪のある地点のデータである．このグラフから，湖氷の成長に従って放射率は増加する傾向にあることが分かる．また，積雪が存在することにより，36V 以外のほぼすべての周波数・偏波において放射率が大きく上昇した．

以上の結果から，積雪深を用いて Krishfiled らによる推定海氷厚の補正式を作成する．図 7 に氷厚の推定誤差（推定海氷厚 測定で得た全氷厚（積雪を含める））と測定された積雪深を比較した結果を示す．
積雪深の値が大きくなるに従って，推定海氷厚は過小評価される傾向にあることが分かる．
この近似直線から以下の補正式を作成した．推定氷厚𝐻′(m) の補正式は次式で表される．

1)

図 5 積雪断面観測結果と各積雪層の輝度温度－ 25 －図 7 推定誤差と積雪深の比較
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𝐻′𝐻

3.723𝑍

0.169

(1)

𝐻
(m) は MMRS2 による推定氷厚であり，𝑍(m) は 実 測 積 雪 深 で あ る ． 補 正 前 の𝐻と実測全氷厚との相関係数は 0.69，平均二乗誤差は 0.15m であったが，補正後の𝐻′と全氷厚の相関係数は 0.76，平均二乗誤差は0.02m と，この補正式を適用することによって海氷厚の推定精度に改善がみられた．
３．２ 衛星搭載マイクロ放射計 AMSR2 への応用
前節で得られた手法を衛星搭載センサに応用して，AMSR2 全氷厚の推定誤差と ESAL2 データセット 6)から提供されている積雪深𝑍_(m)を比較した結果を図 8 に示す．

雪の影響を受ける傾向にあることが分かった．
また，積雪深が先行研究の誤差要因のひとつであることが得られた．現段階では ESAL2 の積雪深データを利用して補正をすることができたが，ESAL2 データの観測頻度,空間分布では毎日の観測に不十分である．将来的には高分解能な客観解
析データの積雪深データを使用し，AMSR2 海氷厚を補正する手法の開発を目指したい．
【謝辞】
本研究は，日本学術振興会科学研究費助成事業，認可番号 JP20H00206，JAXA 第 2 回地球観測研
究公募および Arctic Challenge for Sustainability II(ArCS II)プロジェクトの支援を受けた．また，
JAXA および ESA から提供されたデータを使用した．
【参考文献】
1) R. A. Krishfield, A. Proshutinsky, K. Tateyama,
W. J. Williams, E. C. Carmack, F. A. McLaughlin,
M.-L. Timmermans, 2014: Deterioration ofperennial sea ice in the Beaufort Gyre from 2003
to 2012 and its impact on the oceanic freshwater
cycle, Journal of Geophysical Research, 101,
1297-1303.

図 8 氷厚推定誤差と積雪深の比較
2)
AMSR2 海氷厚の方が SIRAL 海氷厚よりも過大評価をする傾向にあるものの，図 7 と同様に積雪深と誤差に負の相関が見られた．この結果から，
AMSR2 海氷厚𝐻(m)を積雪深から補正した
𝐻′(m) の推定式 (2) を作成した．

3)

4)
𝐻′𝐻

4.843𝑍_

1.574 (2)と(2) 式 を 適 用 す る こ と に よ っ て ， 𝐻
SIRAL 海氷厚との相関係数と平均二乗誤差はそれぞれ 0.12，0.43m だったところ，補正された
𝐻′と SIRAL 海氷厚の場合は 0.85，0.09m と推定精度に大幅な改善がみられた．
４．まとめ
本研究では海氷上の積雪の状態とマイクロ波の輝度温度の関係性を調査した．サロマ湖実験の結果，積雪量が多くなるほど，輝度温度は増加する傾向にあり，6GHz の水平偏波が最も顕著に積

5)
6)

7)

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直木和弘，長幸平，牛尾収輝，2017：南極昭和基地沖における融解期の多年氷のマイク
ロ波輝度温度特性，雪氷，79 (1)，31-42.
中川洋輔，2019：海氷上の積雪のマイクロ波放射特性について，北見工業大学社会環境工学科学位論文（未公刊），2-14.
舘山一孝，榎本浩之，2011：衛星リモートセンシングによるサロマ湖の結氷状況の推定とその経年変化，土木学会論文集 B3（海洋開発） ，67(2)，727.
秋田谷英次，1979：熱量計による積雪含水率計の試作，低温科學 物理篇，36，103-111.
星野聖太，舘山一孝，田中康弘，2018：北極海における衛星高度計 Cryosat-2 SIRAL を用いた海氷厚推定手法の改良と南極海への応用，雪氷，80(4)，297-309.
Y. Watanabe, K. Tateyama, N. Shoji, 2021:
Microwave remote sensing of first year ice withsnow cover, The International Workshop on
Modern Science and Technology, in press.

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