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海洋重要水文パラメーターの衛星リモートセンシングインバージョン研究総論(その3)

2016年12月15日

呉 桂平:中国科学院南京地理・湖泊研究所、中国科学院流域地理学重点実験室

博士。主な研究は水文リモートセンシング。

劉 元波:中国科学院南京地理・湖泊研究所、中国科学院流域地理学重点実験室

その2よりつづき)

2 グローバルデータセット

 多くの海洋衛星の打ち上げ成功とリモートセンシングインバージョンアルゴリズムの発展に伴い、現在ではさまざまな地域と世界の海洋水文パラメーターデータセットが生まれ、世界海洋環境モニタリングや海洋循環流の動力学研究など多くの面で幅広い応用がなされている。

2.1 海面高度製品

(1)Ssalto/Duacs高度計製品 Ssalto/Duacsは、フランスAVISOが打ち出した一種のディレイドタイム式のマルチミッション融合高度計データ製品である[73]。同製品は、T/PとJASON-1、JASON-2の衛星高度測定データを利用し、さらにERS-1/2やENVISAT、GEOSATなどのデータと融合して得られるもので、比較的高い時空分解能を備え、カバーエリアは82°Sから82°N、空間分解能は(1/3)°×(1/3)°と1°×1°の2種類のメルカトール投影グリッドを呈し、時間スパンは1992年から現在までで、時間間隔は7dである。AVSOのSsalto/Duacsデータ製品は種類が豊富で、海面高度データ(MADT)と海面高度異常(MSLA)、地形高度などが含まれる。このうちMADTは、海面高度偏差を海面動力偏差に転化した後、平均力学的海面形状(MDT)と加重して算出される[71]。海面高度異常データは、多くの衛星高度計(T/P、JASON-1、ERSシリーズ)を融合したデータ製品であり、潮汐や電磁偏向などのさまざまな補正を経たものである。現在、このデータ製品は、http://www.aviso.altimetry.fr/en/data/data-access.htmlを通じて取得できる。

(2)CCAR/SSH海面高度製品 CCAR/SSHは、米国コロラド宇宙力学研究センター(CCAR)が、多種類の衛星高度測定資料を融合してインバージョン・生成した准リアルタイムの海面高度データ製品である[74]。現在、CCAR研究センターは、デイリーかつリアルタイムのSSH製品と、60dの延長期を持った過去海面高度製品の提供が可能となっている。このうちリアルタイムSSH製品は主に、JASON-1とOSTM/JASON-2の高度計によるOGDRデータに基づき、Envisat高度計のFast-delivery Geophysical Data Records(FGDR)のデータと結びつけて生成したもので、同製品の時間スパンは2009年12月14日から現在までとなっている。過去SSH製品は、オランダDelft研究所地球宇宙研究センターのレーダー高度計データベースシステム(RADS)のデータに基づいてインバージョン・生成されたもので、その時間スパンは1986年12月26日から現在までである。リアルタイム製品と過去製品のいずれも、空間分解能0.25°×0.25°のグリッドデータとなっている。

(3)HY-2海面高度製品 海洋二号衛星(HY-2)は、中国初の海洋動力環境衛星である。この衛星は、能動・受動マイクロ波リモートセンサーを一体とし、高精度の軌道測定・軌道決定能力と全天候・24時間・全地球の測定能力を持ち、海面高度を含むさまざまな種類の海洋動力環境パラメーターを取得することができる[75]。HY-2衛星は、高緯度の海面温度と海面高度を観測できる世界で唯一のマイクロ波リモートセンシング衛星であり、海面高度データの空白の補填の面で重要な役割を果たし、その他の海洋マイクロ波リモートセンシング衛星の観測データとの融合製品は、海面高度の時空サンプリングレートと精度を明らかに高めることができる[75]。2012年3月30日、中国国家海洋局は、海洋二号衛星データ製品の発表会を行い、海洋二号衛星データ製品を社会に発表した。ユーザーは現在、国家衛星センターのウェブサイト(http://www.nsoas.gov.cn)から同データ製品の取得を申請できる。

 海面高度製品の応用の面では、衛星高度測定技術の発展に伴い、衛星海面高度製品を利用した海洋水位や循環流、渦、潮などのモニタリングへとますます広範な応用が始まっている。早くも1995年には、Teagueら[7]が、PIES観測データによって得られた海面高度異常とT/P高度計データによって得られた海面異常を比較研究し、両者が高い一致を示すことが明らかにされた。Yuanら[76]は、米国コロラド宇宙力学研究センターが提供した海面高度データ製品を採用し、中国の南中国海東北部の係留海流観測所付近の海面高度分布状况を分析し、さらに分析結果に基づき、ADCP測流資料によって得られた研究地域の浅水層/深層海流の観測値に対して定性分析と評価を行った。このほか葛磊[77]は、AVISOの提供したT/PとERS-2のアロングトラック海面高度異常データを利用し、PIES SLAの測定した海面高度異常との比較を行った。研究によると、日本海地区では、PIES SLAと衛星高度計SLAの相関係数が高く、高い一致性が示された。

2.2 海洋深度製品

(1)ETOPOデータセット ETOPOデータは、現在の海洋モデルの中で最もよく使われている水深データである。同データセットは、NOAAによって各方面の資料を収集し、処理によって得られたネットワーク化された地形データであり、ネットワーク化されたグローバル地形データやスケールの異なる水深データ、デジタル化された沿岸境界データなどが含まれる。NOAAはさらに2001年、ETOPO2を打ち出し、2006年6月にはまたETOPO2v2を打ち出した。ETOPO2とETOPO2v2は、ETOPO5を土台として発展させたもので、緯度-90°~90°、経度-180°~180°の範囲の分解能2'の地形データであり、米国付近の海域に対する分解能は3″に上がった。最新のETOPOデータはETOPO1である。ETOPO1は分解能1'のグローバル地形モデルで、大陸の地勢起伏と海洋中の水深データが含まれる。多くのグローバル・地域データセットを土台として構築されたものである。米国の海岸地形モデルや日本の海洋データセンターの日本周囲海底の深度測定ネットワークデータ、国際北極海水深図、カリフォルニア湾の音響学マルチビーム水深調査図、氷面のデータと底盤データなど(http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)がある。

(2)GEBCOデータセット GEBCOデータの全称は、General Bathymetric Chart of the Oceans(大洋水深総図)で、国際水路機関(IHO)と政府間海洋学委員会(IOC)が共同で発表した最も全面的な世界の大洋海底地形データであり、現在の海洋モデルにおいて最もよく使われている「海洋水深データ」(http://www.gebco.net)である。現在、IHO-IOCが提供する関連データには、「30″GEBCO_08 Grid」と「1'GEBCO Grid」のデータ及び関連補足データがあり、グリッドデータにNetCdf形式を採用している。このうち30″分解能のGEBCO_08データの海洋部分は主に、船舶に基づく深度測定資料と衛星重力データを結びつけて補間した総合的な成果であり[78]、陸地部分の地形はSRTM30の数値標高モデルに基づいて生成したものである。30″GEBCO_08 Gridと1'GEBCO Gridのデータはいずれも、英国海洋データセンター(Brithish Oceanographic Data Center)を通じてダウンロードできる(http://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/)。

 海洋深度製品の応用では、国内外研究員は、GEBCOやETOPOなどの海洋水深データセットを次々に利用し、海底地形の高精度シミュレーションや地形複雑度の分析、海底地貌識別などの研究で際立った成果を上げている。Harrisら[79]は、ETOPO1海洋深度データに基づき、地球の海洋中に合計5849本の海底峡谷を識別し、地形の特徴・差異における地球の活動的・非活動的大陸縁辺域の海底峡谷の統計学的意義を論証した。滕飛ら[80]は、ETOPO1とETOPO5、海図から読み取られる水深データを採用し、インドネシア近海の水深の最適化シミュレーションを行った。さらに104個のT/P衛星高度計の交差点調和定数と国際水路機関(IHO)の79個の検潮所の調和常数を結合し、シミュレーション結果の比較と評価を行った。このほか聶琳娟ら[81]は、海水質量ロスによる重力異常と海深との線形関係を分析によって導き出し、NOAAが提供したETOPO2海深データを利用し、EGM96重力場モデルと結合し、解析法を用いて、南中国海の海底地形をインバージョンした。インバージョン結果はLDEO海深船舶測定データと高い一致性を示し、2乗平均平方根誤差は175mを下回った。

2.3 海洋表層流製品

(1)OSCAR製品 OSCAR(Ocean Surface Current Analyses-Real time)は、一種のリアルタイム海洋表層流データ製品である[82]。同データ製品は主に、衛星高度計データとQuickSCAT風力場資料、温度場データから、海面流動場をジョイントインバージョンしたもので、地衡流とエクマン流の成分を含み、そのデータの質はすでに、現場の観測資料との対比を通じて検証されている。OSCARグリッドデータの空間分解能は、1°×1°(1992年から現在)と(1/3)°×(1/3)°(2009年から現在)の2種類があり、ラージスケールとメソ・スモールスケールの海流に適しており、時間分解能は5dである。現在、OSCARデータは、NASA物理海洋データセンターとNOAAの2種類のルートを通じて無料で取得できる。

(2)GEKCO製品 GEKCO(Geostrophic and EKman Current Observatory)は、フランスCTOH研究センターが提供する(1/4)°空間分解能のグローバル海洋表層流データである。GEKCO海流製品は、NetCdf形式で毎日一つのデータファイルを提供でき、それぞれのファイルには、入力データ(絶対動態海面地形や海洋表面風応力場など)と出力データ(海面流動場)など合わせて11のデータが含まれる。このうち海面流動場は、表層地衡流を含むだけでなく、風応力によって駆動されるエクマン流も含まれている。地衡流場は主に、衛星高度計データに基づくジョイントインバージョンによって生成され、エクマン流場は、Quickscat散乱計の資料を利用し海表気象データと結合して算出される。このデータ製品は現在、http://www.legos.obs-mip.fr/sudre/gekco_formを通じて無料で取得できる。

(3)SCUD製品 SCUD(Surface Currents from Diagnostic model)は、アジア太平洋データ研究センター/国際太平洋研究センターが提供する海面流動場製品である(http://www.apdrc.soest.hawaii.edu/)。SCUD海面流動場製品は、4種の異なるデータの融合計算処理によって得られるもので、4種のデータはそれぞれ、フランスAVISOセンターの海面高度偏差データと平均動力地形データ、QuickSCAT風力場データ、NOAA大西洋海洋・気象研究所が提供した表面漂流ブイの軌迹データである。同製品は、海洋表層流速と局地水平気圧傾度、局地風力場に関する線形モデルの構築を通じて、また同モデルとブイ速度の最小の費用関数を求めることによって未知のパラメーターの値を得て、モデルへの代入によって流速を得るものである。SCUDは、一日ごとのグローバルな流動場データを提供することができ、空間分解能は(1/4)°×(1/4)°である[83]

 上述の海洋表層流製品に基づき、世界的には、海洋水文現象・プロセスの研究が多く行われている。SudreとMorrow[84]は、CTOHのGEKCOの(1/4)°空間分解能のグローバル衛星によってインバージョンされた海流製品と、その他のタイプの海流観測データを比較し、ラグランジュ漂流ブイと航空測量ADCPを結合して世界的な有效性検証を行った。趙君[85]は、現在のOSCAR流動場データとQuikscat観測資料、ECMWF風力場データを利用し、西太平洋の表層循環流の特徴に対し、異なる時空スケールから分析と検討を行った。宣莉莉ら[86]は、20年近くにおよぶ衛星リモートセンシング海面絶対動力高度ADTデータとOSCAR表層流データ、Argos表面漂流ブイデータを利用し、熱帯東インド洋の表層循環流の季節変化の特徴を研究した。研究からは、ArgosとOSCARの流速資料はいずれも、表層循環流研究の重要なデータセットであるが、OSCAR表層海流流速には、地衡流とエクマン流の成分が含まれているだけであり、低緯度の非地衡海流成分の際立った海域においては、流速が小さくなる。Argos資料は空間分布が不均等で、沿岸に近い海域の資料が不足している。このため表層循環流の特徴の分析においては、両者を結合して考慮する必要がある[86]

3 結論と展望

 衛星リモートセンシング技術は、カバー範囲が広くスピーディーで正確なマクロのモニタリング能力を備えており、未来のグローバル海洋水体の動態モニタリングと評価・研究の重要な手段となる。ここ40年あまりにわたって、さまざまな種類の海洋資源衛星や高度測定衛星、重力衛星の打ち上げが次々に成功し、海洋水文パラメーターのリモートセンシングインバージョンにますます多くのデータ源を提供している。だが現在、衛星リモートセンシングによる海面高度や海洋深度、海流、海水体積変化などの観測には、一連の制約が存在している。これは主に、▽可視光/赤外センサーは、深海の水深及び時間分解能の高い海流情報の正確な観測を実現できない、▽高周波Kuバンドのマイクロ波センサーは強降雨帯では海面情報を正確に取得することはできない、▽単一レーダー高度計の時空サンプルの周波数は低すぎ、衛星直下点以外の海面高度情報の取得を実現できない――などとして表れている。この一連の問題をターゲットとして、可視光から赤外、マイクロ波までのバンドの総合型海洋水文総合型センサーの統合を進めることは、とりわけマイクロ波リモートセンサーの観測性能を高めることについては、次世代のグローバル海洋水文リモートセンシング衛星の主な発展の方向性となっている。2020年に打ち上げられる計画の地表水体海洋地形(Surface Water Ocean Topography,SWOT)衛星には、広域レーダー干渉高度計が搭載されることとなっており、この計器はKaバンドで稼働し、海洋高度のデータ測量のユニットは1km×1kmとなり、今後、10kmスケールの海洋水文過程の観測を可能とするものとなる。同時に中国は、2016年に打ち上げられる宇宙実験室「天宮二号」にも、ブロードバンドイメージング計器や3Dイメージング高度計などのセンサーを搭載することとしており、海洋水文情報の動態モニタリングには革命的な進歩が期待される。

 現在軌道上で運行している10余りの海洋衛星に加えて、今後数年は、多くの衛星センサーが続々と海洋観測を始めることとなる。だがこれらのセンサーは往々にして、特定の目的のために設計されたもので、性能や技術指標はそれぞれ異なる。また特定の水文パラメーターのインバージョンアルゴリズムとデータセットにはそれぞれの長所と短所がある。このため複数の衛星(海洋資源衛星、高度測定衛星、重力衛星)やマルチチャンネル(可視光/赤外、マイクロ波)、マルチモード(受動、能動)を組み合わせた手段をいかに運用し、リモートセンシングインバージョン能力を高め、より正確な海洋水文信号を推算するかは、依然として、衛星リモートセンシングによる海洋水文パラメーターのインバージョンの未来の重点研究方向の一つとなる。このほか指摘すべき点は、各種の海洋水文パラメーターの動態モニタリングにおいては、衛星搭載計器によるリモートセンシングという手段を利用するほか、従来の地上観測手段によって海上放射の補正と真実性検証の場を設立し、衛星を主体とした立体海洋水文パラメーター定量観測体系を最終的に形成する必要がある。

(おわり)

参考文献

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※本稿は呉桂平、劉元波「海洋重要水文参数的衛星遥感反演研究綜述」(『水科学進展』第27巻第1期, 2016年1月、pp.139-151)を『水科学進展』編集部の許可を得て日本語訳・転 載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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