(別紙様式１０)２０２１年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書【申請区分】：□萌芽的異分野連携共同研究■共同推進研究□産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会【研究課題名】：□産学官連携課題設定集会

北極域沿岸の海色衛星観測のための大気補正モデルの開発【研究期間】：2021 年度【共同研究員】
共同研究員

氏名

研究代表者

比嘉 紘士

所属・職名

専門分野

区分

横浜国立大学大学院 都市 土木工学
イノベーション研究院・助教

（拠点外）
(注 2)

研究分担者 平田 貴文

北海道大学 北極域研究セ 海洋生態学（拠点内）

ンター 特任准教授

(注 2)

研究協力者

サレム イブラヒ 京都先端科学大学 工学部 海洋光学

(注 2)

ム サレム

講師

(注 3)

中山 大雅

JAXA EORC

松下流也

横浜国立大学都市イノベー 土木工学

水工学

ション学府 大学院生
竹内芳

横浜国立大学都市イノベー 土木工学
ション学府 大学院生

緒方一紀

東海大学情報技術センター

大気補正(注 2) 拠点内外については、募集要項別添の北極域研究共同推進拠点を形成する３研究施設の研究者リストをご覧ください。
(注 3) 計画申請書に含まれていなかった方でも結果的に本共同研究に参画された方（招へい者等）が居られれば、研究協力者として記述して下さい。
【研究の内容】(1) 概要を 400 字以内（文字のみ）で記載してください。
本研究では，北極域において，ブラックカーボン，有機炭素，鉱物性ダスト等の光吸収性エアロゾル，水中における濁度の増加により発生する衛星データ大気補正の誤差を低減する手法を開発した．本
研究の提案手法は，標準大気補正により，リモートセンシング反射率（𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 ）が物理的にあり得ない負の値となった場合，Wang et al. (2018)の手法により，短波長の𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 に基づき引き上げを行なった上で，1

固有光学特性（IOPs）ベースの水中モデルにより，発生した推定誤差を低減する手法となっている．本
研究では，大気・水中の濁りが小さいハワイ沖の光学実測値を用いて，一からコーディングした大気補正モデルの整合性を確かめた後，開発した IOPs ベースの大気補正モデルを北極域へ適用した．その結果，380 nm の𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 が負の値となる範囲が激減し，その空間分布を表すことができた．本手法により，今後，衛星データにより北極域の水質変化を適切に把握できる可能性を示した．

(2) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 2000 字程度でまとめてください。
従来の研究では，北極域においてブラックカーボン，有機炭素，鉱物性ダスト等の光吸収性エアロゾルが観測されており，また，北極沿岸において濁度が増加するプルーム域が確認されており，これらが衛星データの大気補正誤差の原因になり得る．実際に，図-1 に示すように，北極域におけるあらゆる箇所において，大気補正誤差によるリモートセンシング反射率（𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 ）が物理的にあり得ないマイナス値が生じることが確認できている．本研究では， 気候変動観測衛星 GCOM-C/SGLI の衛星データを使用し，高濁度水域に適した大気補正モデルを構築することで，北極域における𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の推定誤差を低減する手法を提案した．

図-1：SGLI 衛星データによるバフィン湾，東シベリア海周辺の Rrs(380 nm)．赤色域は Rrs(380 nm)が物理的にありえないマイナスとなっている箇所であり大気補正の誤差を意味する．

図-2 に構築した IOPs ベースの大気補正アルゴリズムのフロー図を示す．まず，SGLI 標準大気補正アルゴリズムを適用した後，380nm の𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の値が負である場合，それを 0 と仮定し，再度大気補正を行う．この補正によって新たに得られた𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 から，構築した IOP モデルを用いて，IOP の推定を行う．

得られた IOP から，𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の再現計算を行い，673.5nm における𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の差が 2%以内に収束するまで繰り返し計算を行うことで，最終的な IOP 推定結果の計算を行う手法になっている．

一般に，海面直下のリモートセンシング反射率𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝜆𝜆)は吸収係数(𝑎𝑎(𝜆𝜆))と後方散乱係数𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)の関数であるとされている．海面直下のリモートセンシング反射率𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝜆𝜆)は，𝑢𝑢(𝜆𝜆)を用いて以下のように表されている．

𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝜆𝜆) = 𝑔𝑔0 𝑢𝑢(𝜆𝜆) + 𝑔𝑔1 [𝑢𝑢(𝜆𝜆)]2𝑢𝑢 =𝑏𝑏𝑏𝑏

𝑎𝑎+𝑏𝑏𝑏𝑏

2

式(1)

式(2)

ここで，𝑔𝑔0 = 0.0949, 𝑔𝑔1 = 0.0794である．また， 𝑎𝑎(𝜆𝜆)は水の吸収係数𝑎𝑎𝑤𝑤 (𝜆𝜆)と植物プランクトンの吸収係数𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (𝜆𝜆)，デトリタスと CDOM の光吸収係数𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜆𝜆)(= 𝑎𝑎𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝑎𝑎𝑑𝑑 )の和で表されるため，式(3)のように表される．

a(𝜆𝜆) = 𝑎𝑎𝑤𝑤 (𝜆𝜆) + 𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (𝜆𝜆) + 𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜆𝜆)式(3)∗ ( )𝜆𝜆𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (𝜆𝜆) = [Chla] ∗ 𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ式(4)𝑎𝑎𝑤𝑤 (𝜆𝜆)は海域によらず一定のスペクトルである．𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (𝜆𝜆)は，クロロフィル a 濃度[Chl-a]と単位濃度あたりの吸収係数である比吸収係数 a*(λ)をもちいて，以下のように表せる．

∗ ( )このとき，Chl-a の推定は，OC4 アルゴリズムを採用している．また，本研究では，𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ𝜆𝜆 の∗∗ (スペクトル形状モデル（以下𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ443𝑛𝑛𝑛𝑛)との関係は，NOMADLUT）を作成した．[Chl-a]と𝑎𝑎𝑝𝑝ℎデータの回帰分析により以下のようにモデル化した．

∗ (443𝑛𝑛𝑛𝑛)� = −1.2937 − 0.2522 × log10 ([Chl- a]) + 0.0443 log10 ([𝐶𝐶ℎ𝑙𝑙- 𝑎𝑎])2log10 �𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ式(5)∗ (∗443𝑛𝑛𝑛𝑛)に基づき，𝑎𝑎𝑝𝑝ℎLUT から最も近いスペクトル形状モデルを 2 つ選択し，推定した𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ∗ ( )それらに対し重みづけ内挿をすることで，𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ𝜆𝜆 のスペクトル形状の決定を行う．

𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)は，水の後方散乱係数𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)と水中粒子の後方散乱係数𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)から，式(6)のように表すことができる．

bb(𝜆𝜆) = bbw(𝜆𝜆) + bbp(λ)

式(6)ここで，𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)は一定である．また，式(2)と式(6)より，𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)は次のように表される．
𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆) =𝑢𝑢(𝜆𝜆)×𝑎𝑎(𝜆𝜆)1−𝑢𝑢(𝜆𝜆)− 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (𝜆𝜆)式(7)デトリタスと CDOM の光吸収係数𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (673.5 𝑛𝑛𝑛𝑛)は，非常に小さいため，全吸収係数a(673.5 𝑛𝑛𝑛𝑛)は，水の吸収係数𝑎𝑎𝑤𝑤 (673.5 𝑛𝑛𝑛𝑛)と植物プランクトンの吸収係数𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (673.5 𝑛𝑛𝑛𝑛)の和であると仮定する．

a(673.5) = 𝑎𝑎𝑤𝑤 (673.5) + 𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (673.5)(∵ 𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (674) ≈ 0)式(8)したがって，式(7)より，673.5nm における水中粒子の後方散乱係数𝑏𝑏𝑏𝑏,𝑝𝑝 (673.5𝑛𝑛𝑛𝑛)は次のように計算することが出来る．

𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (674) =𝑢𝑢(674)×𝑎𝑎(674)1−𝑢𝑢(674)− 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (674) 式(9)ここで求めた𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (674)を基準にして，指数的にスペクトルを補完する．
𝑏𝑏𝑏𝑏p (𝜆𝜆) = 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (674) �𝜆𝜆674

�

−𝜂𝜂

式(10)

ここで，𝜂𝜂は，粒子の後方散乱係数のスペクトルの傾きであり，以下の式で計算する．
𝑟𝑟 (443)𝜂𝜂 = 2.0 �1 − 1.2𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 �−0.9 𝑟𝑟𝑟𝑟 (565)��
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟式(11)デトリタスと CDOM の光吸収係数𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜆𝜆)は，530nm における吸収係数𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (530𝑛𝑛𝑛𝑛)を基準として，指数関数の傾き S を用いて補完することでスペクトルを算出している．𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (530𝑛𝑛𝑛𝑛)は，以下のように求めることが出来る．

𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (530) = 𝑎𝑎(530) − 𝑎𝑎𝑝𝑝ℎ (530) − 𝑎𝑎𝑤𝑤 (530) 式(12)3𝑎𝑎(530) =�1−𝑢𝑢(530)��𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (530)+𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (530)�
𝑢𝑢(530)

𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜆𝜆) = 𝑎𝑎𝑑𝑑𝑑𝑑 (530) × exp�−𝑆𝑆(𝜆𝜆 − 530)�

式(13)
式(14)

ここで，本研究では S は，実測値から算出したものの平均値である 0.01168 を用いている．
次に，構築した IOP モデルを組み込んだ大気補正モデルが，外洋域に適用可能であるかの検証を Marine Optical BouY (MOBY)の測定結果を用いて行った（N=22）．SGLI の各観測波長における正規化海水射出放射輝度 nLw の推定値と実測値との比較を図-3 に示す．検証の結果，赤で示す本研究で構築した IOP 大気補正アルゴリズムを適用した結果は，正規化平均バイア
スは，380nm で-24.9%，412nm で-17.5%，443nm で 10.8%，490nm で 17.9%，530nm で 11.0%，565nm で 11.0%，673.5nm で 1.38%と十分に小さかった．これは，SGLI 標準大気補正モデル(STD)による推定値と同様に，JAXA によって定められた標準精度の基準を達成している．

図-2

IOPs ベースの大気補正アルゴリズムのフロー図

図-3

ハワイ沖における IOP ベース大気補正モデル（赤）と標準大気補正モデル（青）の nLw 推定値と実測値との比較図

ハワイ沖での検証によって，コーディングした大気補正モデルの整合性を確かめることができたため，本研究で開発した IOPs ベース大気補正モデルを北極域に適用した．その結果の一例を図-4，図-5 に示す．図-4 の東シベリア海周辺の沿岸付近では，380 nm の𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の負の値（赤色のエリア）が広範囲に発生していたことを特定できたため，緑の枠で示した領域を切り取り，STD と IOPs ベース大気補正モデルの 2 つを適用した．その結果，𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 (380 𝑛𝑛𝑛𝑛)の負の値が大幅に軽減されたことが確認できた．さらに，図-5 に示すグリーンランド周辺においても𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 (380 𝑛𝑛𝑛𝑛)の負の値が発生していることが確認できるが，この領域にも同様に IOPs ベース大気補正モデルを適用した結果，全ての負の値がなくなり，𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 の空間的な変化が明確化できた．このことから，本研究で開発した IOPs ベース大気補正モデルが，極域における大気補正
4誤差を大きく改善できる可能性を示した．

図-4 東シベリア海付近（左図），グリーンランド周辺（右図）における STD ver2 及び本研究のIOP ベース大気補正モデルを適用した𝑅𝑅𝑟𝑟𝑟𝑟 (380 𝑛𝑛𝑛𝑛)の結果(3) 本共同研究に関する活動・実績等を下表に記入してください。
①研究打合せ、学会参加・集会(注 4)、調査等(注 4)

研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者によるもの

日程(月日)

日数

活動内容

場所

(日)
2021.8.2

1

研究打合せ

Teams

研究代表者、共同研究分担者、研究参加者数

協力者、招へい者の参加者名・部署(人)

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・

2

JAXA
2021.8.19

1

研究打合せ

Teams

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・

2

JAXA
2021.9.8

1

現地観測

東京湾

比嘉紘士・横浜国大，松下流也・横浜

3

国大，竹内芳・横浜国大
2021.9.16

1

現地観測

東京湾

比嘉紘士・横浜国大，松下流也・横浜3国大，竹内芳・横浜国大
2021.9.24

2

研究打合せ

北大

比嘉紘士・横浜国大，平田貴文・北5大，松下流也・横浜国大，竹内芳・横浜国大，緒方一紀・東海大学
2022.12.15

1

研究打合せ

Teams

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・

2

JAXA
2022.12.14

1

研究打合せ

Teams

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・

2

JAXA
2022.12.27

1

研究打合せ

Teams

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・
5

2

JAXA
2022.2.16

1

研究打合せ

Teams

比嘉紘士・横浜国大，中山大雅・

2

JAXA
②研究論文
研究代表者並びに、研究分担者あるいは研究協力者が著者の関連論文がありましたら可能な限り記載ください。
論文が複数ある場合は、そのフォーマットとして論文 1 の分をコピーして記載してください。
論文 1
項目

記入要項

回答

(1)著者名(共著者名含む)、

比嘉紘士, 藤田夏菜子, 鈴木崇之, & 中村由行. (2021): 海色リモー

発行年、論文タイトル、掲載

トセンシングにおける沿岸域の複雑な光学特性を考慮した合成データ

誌名、巻・号、ページ数、構築法の提案. 土木学会論文集 B2 (海岸工学), 77(2), I_391-I_396.

DOI、出版年月日③研究書等著書
著書名・著者名

出版年月

出版社名

なし

④特許等出願
特許、実用新案、商標
なし⑤研究発表(資料添付も可)
発表年月日

発表者名（共著者を含む）

発表タイトル

発表学会等名称

発表地

招待
講演
(〇)

2021.12.22

Salem Ibrahim Salem(A 京 Spectral

AWOC/KJWOC オンラ ×

都先端科学大学 a 工学 Band-Shifting

2021

イン部)、比嘉紘士(B 横浜国立 of Multispectral
大学 b 大学院都市イノベー Remote Sensingション研究院)、

Reflectance

石坂丞二(C 名古屋大学 c宇宙地球環境研究所)
2021.12.22

出野亮太(A 横浜国立大学 Elucidating

AWOC/KJWOC オンラ ×a 都市科学部)、比嘉紘士 optical

2021

6

イン

(B 横浜国立大学 b 大学院 properties

of都 市 イ ノ ベ ー シ ョ ン 研 究 multiplewater院)、藤田夏菜子(C 横浜国 areas based on立大学 b 大学院都市イノベ backscatteringーション学府)

ratio

by

radiative
transfer
simulation
2021.12.22

武藤正剛(A 横浜国立大学 Analyzing

AWOC/KJWOC オンラ ×a 都市科学部)、比嘉紘士 Optical2021(B 横浜国立大学 b 大学院 Propaties
都市イノベーション研究院)

イン

for

Atmosphere andin-waterin

CoastalAreas

by
AERONET-OC
2021.12.22

竹内芳(A 横浜国立大学 a A

trialof AWOC/KJWOC オンラ ×

大学院都市イノベーション atmospheric2021

イン学府)、比嘉紘士(B 横浜国 correction
立大学 b 大学院都市イノベ development forーション研究院)

highlyturbidcoastalareasusing
GCOM-C/SGLI
2021.12.22

松下流也(A 横浜国立大学 Validationa 大学院都市イノベーショ theof AWOC/KJWOC オンラ ×

inherent 2021

インン学府)、比嘉紘士(B 横浜 optical property
国立大学 b 大学院都市イノ estimation
ベーション研究院)，石坂 algorithms
丞二(C 名古屋大学 c 宇宙 assuming
地球環境研究所)，桑原ビ GCOM-C/SGLI
クター(D 創価大学 d 教育 bandsfor学 部 ) ， Salem Ibrahim coastal areas
Salem(E 京都先端科学大学 e 工学部)
2021.12.22

藤田夏菜子(A 横浜国立大 Synthetic
学 a 大学院都市イノベーシ dataset
ョン学府)、比嘉紘士(B 横 optically
7AWOC/KJWOC オンラ ×for 2021

イン浜国立大学 b 大学院都市 complex waters
イ ノ ベ ー シ ョ ン 研 究 院 ) ， andits

Salem Ibrahim Salem(C 京 applicationof都先端科学大学 c 工学部) ocean

color

inversionalgorithms
validation
竹内芳(A 横浜国立大学 a 海 色 リ モ ー ト 第 56 回日本水 オンラ ×

2022.3.18

大学院都市イノベーション セ ン シ ン グ に 環 境 学 会 年 会 イン学府)、比嘉紘士(B 横浜国 お け る 沿 岸 域 （2021 年度）
立大学 b 大学院都市イノベ の 大 気 補 正 モ
デル開発の試ーション研究院)

み⑥国際シンポジウム等(資料添付も可)参加をした主な国際シンポジウム等
開催時期（年月）

国際シンポジウム等名称

招待講演/議長の有無

The 9th Asian/18th Korea-Japan Workshop on Ocean 招待講演有/議長有2021 年 12 月

Color 2021(AWOC/KJWOC)⑦本共同研究に関し実施(主催、共催、後援等)したシンポジウム・集会(注 6)等(資料添付も可)(注 6) 研究代表者、共同研究分担者、研究協力者、招へい者以外を含む参加募集によるもの
開催日

実施

形態

シンポジ

地

(注 7)

ウム・集

（国、県、会等名市など）

称

目的及び概要

対象者

参加人数

(注 7)

(海外(注 8))なし
(注 7)
形態:シンポジウム、セミナー、公開講座、ワークショップ、その他
対象：一般、地域、学生、研究者(注 8) 海外機関に所属するもの⑧本拠点共同研究に係る成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに発展した例があればご記入ください。
・プロジェクト名・プロジェクトの主な プロジェクト期間

・プロジェクト概要

・代表者・関係者(所属)

財源(目的・期待効果、規模、参加・関係研究者

・金額

国等)
8

・予定の場合は、(予定)・これまでの本共同研究との関と記載してください

連性(300 字程度)

・沿岸域・湖沼における 第 3 回地球観測研 令和 4 年～6 年

本拠点の共同研究集会(令和 3GCOM-C 海色 プロ ダ 究公募年)の枠組みで実施した北極域クトの高精度化と水質 1030 万円

沿岸に適した GCOM-C 衛星デデータ同化シ ステムのータの大気補正モデルの構築

開発の内容で，第 3 回地球観測研・代表者：比嘉紘士（横究公募に採択され，北極域を浜国立大学）含む沿岸域の大気補正・水質推定の開発に展開することになった．

⑨研究成果が一般社会産業界などに還元（応用）された事例や新しい研究分野の開拓や教育活動に反映された事例(資料添付も可）
横浜国立大学都市科学部の講義「国際基盤学演習」において，研究分野ゼミナールのテーマを，「Google Earth Engine を使用した衛星データ解析」と設定し，学生達が北極域周辺の濁りや有色溶存有機物の時空間変化を調べた．
⑩その他国際研究協力活動事例
事業名

概要

受入人数

派遣人数

なし

⑪学会賞等受賞、アウトリーチ、取材、その他
年月日

所在・出典・新聞名等受賞者・関係者(所属)

研究課題名・賞名・内容等なし
記事コピ－等を添付してください。
⑫コロナ禍の影響と対策
本共同研究へのコロナ禍の影響と対策(改善・代替策、計画変更、工夫等)、助成金執行率(%)について記述してください。
影響の事象

対策の有無と内容(計画変更・中止、改善・代替策、工夫等)なし
9