トップページ 北見工業大学学術機関リポジトリ（KITR） 田中康弘 学位論文

衛星マイクロ波放射計による夏季北極海のメルトポ

ンド割合の推定と海氷面積予測に関する研究

著者

田中 康弘

学位名

博士（工学）

学位授与機関

北見工業大学

学位授与番号

10106甲第155号

学位授与年月日

2017- 03- 17

博士論文

衛

放射計

夏季

極

割

推

氷面積予測

関

究

2017

3

要旨

要旨

要旨

要旨

定 極域 急激 気温 昇 共 夏季 極 急激 氷域面積 減少 知

い 原因 効果 挙 効果

氷 開放水面 大 く異 開放水面 日射 吸

氷面積 減少 いう あ 効果 要 夏季

氷域 氷 雪や氷 融解 融解水 水

割 MPF: Melt Pond Fraction 最 強く依存 夏季 極 MPF

布 変動 明 効果 対

割 響 詳 く 究 要 あ

定 本 究 衛 搭載 放射計 AMSR-E: Advanced Microwave Scanning Radiometer

- Earth observing system 観測 輝度温度 用い MPF 布 変動

明 目的 初 MPF 対 輝度温度特

性 調 氷船前方 氷況 撮 画像 氷況 開放水面

氷 割 推 画像解析法 開発 AMSR–E 輝度温

度 現地 MPF 関 調 夏季 極 高密接度 氷域 AMSR-E MPF

推 手法 開発 手法 効性 検証 中 解能撮像 放射計

MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer AMSR-E MPF 比較

本 究 開発 MPF 推 手法 用い 極 MPF 変動 布

究 効果 対 高密接度 氷域

MPF 効性 調 MPF 氷面積 比較

定 氷況 びMPF 推 画像解析法 開発 画像 明度 滑

領域 行い 1 開放水面 氷

2 開放水面 氷 氷 3 氷

氷 3種 類 最適 域通過

窓 用い 遮断周 数 0.05 Hz び 長 49 設 様

あ 1 布 明度 閾値 開放水面 氷 2 布

赤 び緑成 関 開放水面 2種

効 あ わ

定 現地 MPF 輝度温度 比較結果 最 MPF 敏感 周 数 6.9

GHz 水 偏 89 GHz 垂直偏 あ 新 わ 両 ネ

用い AMSR-E MPF 現地 MPF 均 乗誤差 8.9 % 相関 数 0.84 あ

晴 時 AMSR-E MODIS MPF 比較 結果 84% 時期

び地域 差 5 %以 あ MODIS MPF 程度

AMSR-E MPF 推 示 成果 夏季 極

効果 対 MPF 響 詳 く議論 効 あ 考

え

定 夏季 極 MPF 推 結果 6 旬 極付近 形成 い

MPF 々増加 増加率 最大7 %/ 10 あ わ

2007 除くMPF 用い 9 氷面積予測 試 結果 予測誤差 従来 予

測誤差 比 い わ 高密接度 氷域 MPF 増加 9

氷 消失 や く 示 氷面積予測 関 究成果 夏

季 極 効果 対 高密接度 氷域 MPF

目次

目次

目次

目次

要旨 ... i

目次 ... ii

第 1 章 めに ... 1

第 2 章 海氷と ロ波放射計 ... 7

2.1 海氷 ... 7

2.1.1 海氷 種類 ... 7

2.1.2 極海氷 季節変 ... 10

2.1.3 ン 特徴とそ 発達過程 ... 14

2.2 ロ波放射計 ... 18

2.2.1 衛星 ー センシン によ 地球観測 ... 18

2.2.2 ロ波放射計によ 輝度温度測定 原理 ... 24

2.2.3 海氷と水 ロ波放射特性 ... 27

第 3 章 現地 カ 画像によ 氷況解析 ... 31

3.1 航海観測 重要性 ... 31

3.2 極海におけ 航海観測 ... 33

3.3 目視 法 ... 36

3.4 自動 さ たカ 画像解析法 開発 ... 38

3.4.1 画像解析法によ 氷況 ... 38

3.4.2 窓関数 設定 ... 47

3.4.3 遮断周波数とフ タ長と正答率 関係 ... 49

3.4.4 分析 よ 氷況 ... 52

3.5 現地 ン 割合 推定結果 ... 58

第 4 章 衛星 ロ波放射計によ ン 割合 推定 ... 61

4.1 使用 ータ ... 61

4.1.1 衛星 ロ波放射計 ータ... 61

4.1.2 スチ ー ... 64

4.1.3 MODIS MPF ータと NCEP 気温 ータ ... 66

4.2 ン 割合推定手法 開発... 68

4.2.1 現地と衛星 ータ 比較方法... 68

4.2.2 ン に対 ロ波帯 輝度温度特性 ... 72

4.2.3 ン 割合 推定手法... 78

4.3 MODIS ータと 比較 ... 81

第 5 章 ン 割合 変動とそ を用いた海氷面積 予測... 84

5.1 衛星 ロ波放射計によ ン 割合 変動 ... 84

5.2 ン 割合と海氷面積 関係 ... 89

5.3 ン 割合を用いた海氷面積 予測 ... 91

第 6 章 まとめ ... 97

第

第

第

第 1

1

1

1章

章

章

章

定

定

定

定

めに

めに

めに

めに

地球 均気温 昇 地球温 行 知 い 1.1 各緯

度 気温偏差 変動 示 特 1990 代以降 極域 気温 昇 著 く

全球 均 約2倍以 温 行 い Shindell and Faluvegi, 2009

極域 気候変動 対 感度 大 く 地球 地域 比 地球温

響 顕著 現 考え い

温 共 夏季 極 氷域面積 急激 減少 知 い 1.2

衛 観測 極 氷域面積 変動 示 1978 以降 夏季 極

氷域面積 減少 減少率 1979 2010 32 間

−4.0 %/10 1996 2010 15 間 −8.3%/10 2倍 早 い Comiso,

2012 極 い 氷 薄氷 い いう指摘 あ Kwok and

Unterstenier, 2011; Comiso, 2012 1.3 極 氷厚 変 示 1975

2000 氷厚 減少率 −8 cm/ あ 2003 2008 −10 cm/

−20 cm/ 加 い Kwok and Untersteiner, 2011 現象 加え 夏季

極 融解期間 長く 1979 1996 融解期間 5.3日/10

伸び い Smith, 1998 1979 2012 極 融解開始日 6.6日/10

多島 い 11.8日/10 早 い 報告 い

Bliss and Anderson, 2014 氷域面積 氷 薄氷 融解期 長期

現象 地球温 指摘 い e.g., Simmonds and Keay, 2009; Screen

and Simmonds, 2010

う 極 氷域面積 氷 薄氷 や融解期間 長期 原因

効果 挙 1.4

効果 概念 示 示 う 夏季 極 い

効果 働い い 効果 氷 開放水面 日射 対

射能 大 く異 開放水面 日射 吸 氷面積 減

少 いう あ う 効果 対 氷 開放水面 割

や 響 関 究 数多く行わ い e. g., Curry et al., 1996;

Perovich et al., 2007; Perovich et al., 2008; Perovich et al., 2011 従来 極

効果 関 究 氷 雪や氷 解

夏季 極 高密度 氷域 割 MPF: Melt Pond

Fraction 最 強く依存 い Eicken et al., 2004; Polashenski et al.,

2012 1.5 氷 種類 い い 示

0.12–0.40 裸氷や新雪 0.54–0.87 比 半 以 あ

氷域 e.g., Perovich, 1996; Perovich et al., 2002 氷

存 氷域 日射吸 増加 意味

夏季 極 効果 e.g., Curry et al.

1995; 2001 近 発 融解期前半 MPF 用い 9

均 氷域面積 予測 可能性 あ Schröder et al., 2014 示 い

極 MPF 布 変動 明

効果 対 MPF 響 詳 く 究 要 あ e.g., Notz, 2009;

Serreze, 2011; Serreze et al., 2011

MPF 推 関 究 氷 氷船 航空機等 現地観測 基 い 行

わ い e.g., El Naggar et al., 1998; Fetterer and Untersteiner, 1998; Inoue et al., 2008;

Flocco et al., 2010; Sankelo et al., 2010; Tanaka et al., 2015 手法

断 的 短期的 局所的 あ 夏季 極 長期的 MPF 変動

布 調 困 あ

対 衛 地球観測 連 的 長期的 MPF 布 変動 調

非常 効 あ 近 学 利用 晴 時 MPF 推 手

法 開発 い Tschudi et al., 2008; Rösel and Kaleschke, 2011; Rösel et al., 2012

え 500 m× 500 m 射 率 基 い 中 解 能 撮 像 放 射 計

MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer 推 晴 時 MPF

航空機や船 目視 MPF 推 結果 比較 く 晴 時 MODIS

MPF推 手法 効 あ 示 い Rösel et al., 2012

氷 減少 伴う開放水面 増加 洋 大気 水蒸気 供給 盛 夏

季 極 曇 率 85% 超え Schweiger, 2004; Wang and Key, 2005 MPF

推 制限

方 衛 観測 雲 響 くく 昼夜 問わ 地表 観測

衛 使 MPF 推 行わ い e.g. Yackel

TerraSynthetic Aperture Rader-X StripMap dual polarization, 6 m resolution

面積や 含 特徴 推 試 推 結果

現場 MPF 比較 20–40 %過 評価 確 MPF 推 高

い 解能 必要 結論 い Kim et al. 2013 夏季 極 氷

SAR Synthetic Aperture Rader 入射角 周 数や 日 得時間 強く依存

や 日 全 極 観測 い 現状 衛

MPF 推 い 考え い Kim et al. 2013 方 衛 搭

載 放射計 用い 氷や 氷 積雪 融解開始日や融解期間 推 手法

開発や 観測 行わ い e.g., Smith et al., 1998; Markus et al., 2009; Bill and

Anderson, 2014 放射計 氷 MPF 的 推

手法 開発 い い

本 究 夏季 極 MPF 変動 布

効果 対 MPF 効性 明 衛 放射計

MPF推 手法 開発 目標

本論文 以 3 目 い 究 行

1.定 極 い 氷観測 実施 未知 あ MPF 対

輝度温度特性 調 氷船 設置 前方 画

像 氷況 びMPF 推 画像解析法 開発 行

2.定 1 得 知見 基 衛 放射計 MPF推 手法 開発

行 晴 時 MODIS 推 MPF 比較 行い

放射計 MPF推 手法 効性 検討

3.定 2 い 開発 MPF推 手法 用い 衛 放射計 夏季 極

高密接度 氷域 MPF 変動 布 究 MPF 用

い 9 氷面積予測 究 効果 対 MPF

1.1定 各緯度 気温偏差 変動 偏差 緯度

Shindell and Faluve

Prediction 再解析 用い 作成 赤線 極域 緑線 半球 中緯度 黄線

半球 半球 緯度 青線 極域 半球 中緯度 示

1.2定 衛 観測

氷域面積 値 偏差 あ

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 1978 1983 A n o m a ly o f a v e ra g e a ir t e m p e ra tu re [ o C

] Glob

67 28 23 28

各緯度 気温偏差 変動 偏差 緯度 9 間移動 均 示

vegi 2009 参考 NCEP National Center

再解析 用い 作成 赤線 極域 緑線 半球 中緯度 黄線

半球 半球 緯度 青線 極域 半球 中緯度 示

衛 観測 極 氷域面積 変動 Com

あ

1988 1993 1998 2003 2008

Year [1978–2009] obal N-90 N N-66 N S-23 N S-90 S

間移動 均 示

er for Environment

再解析 用い 作成 赤線 極域 緑線 半球 中緯度 黄線

1.3定 秋季 冬季 極 氷厚 変 Kwok and Unterstenier, 2011 1978

2000 潜水艦 2003 2008 NASA 高度計 ICESat : Ice, Could, and

Land Elevation Satellite 観測 氷厚

1.4定 効果 概念

開 放 水 面

増加

開 放 水 面

増加

開 放 水 面

増加

開 放 水 面

増加

日 射 吸

量

増加

日 射 吸

日 射 吸

量

量

増加

増加

日 射 吸

量

増加

海 氷

融 解

海 氷

海 氷

融 解

融 解

海 氷

融 解

海 氷 面 積

海 氷 面 積

海 氷 面 積

海 氷 面 積

減少

減少

減少

減少

温

化

温

温

化

化

第

第

第

第 2

2

2

2章

章

章

章

定

定

定

定

海氷と

海氷と

海氷と

海氷と

ロ波放射計

ロ波放射計

ロ波放射計

ロ波放射計

2.1 2.1 2.1

2.1 海氷海氷 海氷海氷

2.1. 2.1. 2.1.

2.1.111 1 海氷海氷海氷海氷 種類種類種類種類

氷 類 国 的 基準 作成 氷 発 び融解過程や形状 表面 特徴

氷状態 基 い 1970 世界気象機関 WMO: World Meteorological Organization

行 い World Meteorological Organization, 1970 表2.1 氷 発 過程

WMO 氷 類 2.1 氷 種類 氷厚 関 示

結氷期 大気 水 冷却 極 表面 100 m 200 m 対流

層 水温 結氷温度 水 冷却 氷 成長核 生

氷晶 形成 氷晶 形成後 穏や 気象条件 面

い場 氷晶 成長 互い 凍 2.1b

厚 明 異 氷厚 5 cm以 い Dark nilas 5 cm 10

cm 明 い Light nilas 風 強く あ 場 氷晶

成長 い 面 氷晶 状 層 形

成 場 あ Grease ice 呼ぶ 結氷温度 近い

洋 多 降雪 あ 場 雪泥 Slush いう 水 含 雪 塊 形成

う あ 環境 い 雪泥 冷却 綿氷 Shuga

言わ 綿状 い氷 体 直 数cm あ 環境 い

成長 互い ぶ い 状 縁 く

形 蓮葉氷 Pancake ice いう 2.1c う 破

壊 場 蓮葉氷

う 新生氷や蓮葉氷 厚 増 氷厚10 cm 30 cm 人間 行

強度 持 状軟氷 Young ice 2.1d 氷厚10 cm 15 cm 薄い

状軟氷 Grey ice 氷厚15 cm 30 cm 厚い 状軟氷 Grey-white ice

薄い 状軟氷 横 力 積 あ 方 厚い 状軟氷

起 氷丘脈 Ice ridge 形成 多い

状軟氷 成長 氷厚 30 cm 超え 氷 FYI: First-year ice 厚い

2 m あ 2.1e 氷厚30 cm 70 cm 薄い 氷 thin FYI

氷厚70 cm 120 cm 並 氷 medium FYI 氷厚120 cm以 厚い 氷 thick

氷 Second-year ice いう 夏以 融解 残 氷 多 氷 MYI:

Multi-year ice いう 2.1f 本 究 夏季 極 氷 究対象 あ

主 氷 多 氷 構成 衛 氷観測 氷 多 氷

区 い 氷 多 氷 含 多い

表 表 表

表2.1定 世界気象機関 WMO: World Meteorological Organization 氷 類

表 WMO 1970 び日本雪氷学会 1990 基 作成 あ FYI

氷 MYI 多 氷 示

大分類 大分類大分類

大分類 小分 類小分 類小分 類小分 類 氷 厚氷 厚氷 厚氷 厚 特 徴特 徴特 徴特 徴

新生氷 New ice

氷晶

Frazil ice - 新しく生成し 結氷初期 氷 総称

グ ースアイス

Grease ice

-氷唱 水面 集 スープ状 層

光 あ 射し い 鉛色 見え

雪泥

Slush - 水面 降 込 雪 シャーベット状態 こ

海綿氷

Shuga

-グ ースアイスや雪泥 さ 固

直径数cm 海綿状 氷集合体

ニ ス

Nilas

いニ ス

Dark nilas ～5 cm

静 海面 張 薄い弾力 あ 海氷 表面 光沢

く灰色 見え 厚さ 明 さ 変わ

明 いニ ス

Light nilas 5～10 cm

蓮葉氷

Pancake ice

-互い ぶ 合い 海氷 く 円形

氷塊

板状軟氷 Young ice

薄い板状軟氷 灰色氷 Grey ice

10～15 cm

ニ ス 一年氷へ 移行 段階

厚さ 10～30 cm 海氷 厚い板状軟氷

灰白色氷 Grey-white ice

15～30 cm

一年氷 First-Year Ice

(FYI)

薄い一年氷

Thin FYI 30～70 cm

板状軟氷 発達し 一冬 も長く 経過し い海氷

並 一年氷

Medium FYI 70～120 cm

厚い一年氷

Thick FYI 120 cm～

Old ice

二年氷 Second- year

ice

一夏 け経過し 海氷

多年氷 Multi-year ice

MYI

2.1定 氷 種類 氷厚 関 直木 2007 参考 作成 あ

a b e f 2014 極 航 観測 撮 写真 あ

c 蓮葉氷 Pancake ice d 状軟氷 Young ice Johnstopn and Timco 2008

NSIDC https://nsidc.org/cryosphere/seaice/characteristics/index.html 引用 a New ice

b Nilas

c Pancake ice

e First-year ice

f Multi-year ice

Thin

Thick

Ice

t

h

ick

n

e

ss

d Young ice

Grey ice

2.1.2 2.1.2 2.1.2

2.1.2 極極極極海氷海氷海氷海氷 季節変季節変季節変季節変

2.2 極 気温 日射 氷 盛衰 概念 2.3 時期

い 氷表面状態 い 示 3 4 春 気温 日射 昇

始 5 氷 積雪融解 始 少 遅 氷底面 融解 行

時期 氷表面 見 い 2.3a

高い 0.52～0.77 持 氷 陽 ネ 射 洋 陽

ネ 供給 抑制

2.4 凍結 表 模式 示 6 入 氷 雪や氷

融解 形成 2.2c 2.3b 2.4 7 8

気温 日射 始 氷 割 始 開放水面 陽 ネ

入射 洋 加熱 後 洋 接 い 氷 側面や底面 融解 顕

著 氷面積 急激 減少 行

氷 対 開放水面 Open Water 0.06 非常 い

開放水面 陽 ネ 水 加熱 引 起 方

0.15～040 氷 約半 あ 存

氷域 く 効果 開放

水面 存 く 形成 響 Grenfell and Perovich,

2004 Eicken et al., 2004 形成 伴う 氷 薄氷 中 透

過 増加 氷表面 く 氷 底面 側面 融解 行 Inoue

et al., 2008; Ehn et al., 2011; Ioth et al., 2011 成長 伴い 底 抜

水 繋 場 Melt hole 開放水面 義 2.3d 2.4

日射 や気温 始 9 早秋 夏 間 解 残 氷 水面 結

氷 Frozen melt pond 見 2.3e 2.4 方 開放水面

形成 成長 積雪 堆積 急激 昇

生成 伴う塩 排 行わ 氷底面 い 高塩 水 生成 過程

世界中 洋 駆 巡 熱塩循環 響 え 夏 間 溶 残 氷

存 場 氷 断熱効果 大気 洋間 熱 ネ 交換 抑制

効果 氷厚や 氷 積雪深 増 大 く

以 う 氷 面積や氷厚 え く 極温 や地球 気候

要 あ e.g., Notz, 2009; Serreze, 2011; Serreze et al., 2011; Perovich et al., 2011

2.2定 極 a 気温 日射 b c 氷 盛衰 概念 a

1986–2010 , 70°N–80°N NCEP National Center for Environment Prediction 再解析

用い 作成 あ 中 2015

Jan. Mar. May July Sep. Nov.

Melt pond Sea ice Bottom growth Bottom growth Air temperature Solar radiation A lb e d o A ir t e m p e ra tu re [ ℃℃℃℃ ] 0 -20 -40 S o la r ra d ia ti o n [ W m -2] 400 200 0 1.0 0 0.8 0.6 0.4 0.2 Open water

Jan. Mar. May July Sep. Nov.

2.3定 時期 い 氷表面状態 い a 1998 4 17日 b 1998

6 25日 c 1998 8 4日 d 2013 8 5日 e 2013 8 29日

氷 表面状態 写真 あ a c Perovich et al. 2002 d e

2013 極 航 撮 写真 あ

Melt pond

Melt pond

Melt pond Melt hole

Frozen melt pond

d

2.4定 凍結 表 模式 6 7 8 9

示 Eicken et al. 2004 掲載 い 参考 作成 あ

Melt pond

Sea water

Sea ice

Open water

Frozen melt pond Melt pond

Sea water

Sea water

Open water

Melt hole June

July–August

2.1. 2.1. 2.1.

2.1.33 33 ンンンン 特徴とそ特徴とそ特徴とそ特徴とそ 発達過程発達発達発達過程過程過程

2.5 積雪 無 氷厚 MPF 示 模式 示 形成 融解

水 起源 氷 積雪や氷 あ 般的 融解水 氷表面 起伏 従い

融解水 形成 夏季 極 氷

MPF 氷 最大75 % 多 氷 40 % 広 報告 い Yackel

and Barber, 2000; Perovich et al., 2002; Perovich et al., 2003; Scharien et al., 2007

表面 1日 水温変 0 °C 1.2 °C あ 報告

い Eicken et al., 2002; Perovich et al., 2003 水温 通常

結氷温度 程度 あ 塩 0.3 psu 0.7 psu

淡水 あ 底 抜 Melt hole 塩 い 2 psu 29 psu

あ 報告 い Eicken et al., 2002; Perovich et al., 2009 淡水 塩

0.5 psu以 あ

2.6 発 対 氷表面 粗 変形 積雪深 響 表 模

式 示 MPF 氷 齢 共 氷 氷 多 氷 増加

2.6A 氷 齢 増加 共 氷表面 融解 結氷 繰 返 表面

粗く 原因 あ 氷 洋 存 流や 風

日々移動 移動 氷 士 い 氷 変形

発 響 え 氷 変形 激 い MPF 減少

2.6B 氷表面 融解開始前 積雪深 MPF 増加 響 え 般的

氷 多 氷 高いMPF 示 2.6A 2.6C 示

う 氷 積雪 無い び積雪深50cm以 場 MPF 非常 い値 示

い 積雪深 約50 cm 場 融解期後半 積雪 融解 消失

積雪深 90 cm以 場 8 2 目 消失 時間 必要 報告

い Eicken et al., 2002 春 積雪 十 深い場

形成 い

2.7 MPF 変 融解水 動 模式 示 MPF 変 融解水 動 4

1 6 融雪水 動 水 方向 移

流 垂直方向 氷 部 移動 顕著 あ 時期

水 方向 拡大 MPF 増加 水面 面

高い 2 6 旬 7 氷表面 積雪 融解 除去 裸氷

い 3 2 比 融解水 垂直方向 移動 顕著

水 方向 加え 垂直方向 発 4 高緯度 8

緯度 9 気温 伴う 表面 結氷 MPF 減少

以 発 過程 氷 種類 氷 変形 積雪 無

局所的 氷状況 響 発 用い 夏季 極

MPF 推 行わ い e.g., Pederson et al., 2009; Skyllingstad et al., 2009; Flocco

et al., 2010 発 MPF推 手法 氷 種類

や 表面 粗 仮 MPF 推 確 調

現実 MPF 布 変動 明 必要 あ

2.6定 発 対 氷 表 面 粗 積 雪 深 響 表 模 式

Eicken et al., 2004 模式 写真 1998 7 8 2001

7 沿岸 撮 航空写真 あ 写真 約150 m × 400

2.7定 MPF 変 融解水 動 模式 多 氷域 氷観測 基 い

2.2 2.2 2.2

2.2 ロ波放射計ロ波放射計ロ波放射計ロ波放射計

2.2. 2.2. 2.2.

2.2.11 11 衛星衛星衛星衛星 ーーーー センシンセンシンセンシンセンシン によによによによ 地球観測地球観測地球観測地球観測

2.8 衛 概念 示 remote sensing

いう用語 1950 代 米国 軍 究所 地理学者 初 使わ い

用語 現 2.8④ 2.8① ュ

2.8⑥ 3 技術 基 い い 1972 米国 地球観測衛 Landsat 打

後 用語 多く 聞 う 用語 “対象物 接触

場所 観測 ” 説明 多く 日本 遠隔 査 い

用語 使わ あ

2.9 電磁 各 長 呼称 示 人間 眼や 可視領域 0.4 µm

0.7 µm いう非常 限 範 観測 眼や

熱赤外 8 µm 14 µm 1 mm 1 m 可視 長

長い電 見 い 人間 眼や 感知 来

い自然界 広範 電 観測 開発 い 現

人 衛 搭載 大気圏外 地球表面 形状や状態 観測

い 衛 言わ い

2.10 各 長 3 衛 示 放射 視点

陽 地表面 自然 放射源 来 電磁 観測 場 動型

う 人 的 発射 電磁 観測 場 能動型

呼ぶ 方 電磁 視点 可視 射赤外領域 観測 場 可視

射赤外 いい 様 熱赤外

いう 可視 射赤外領域 び熱赤外領域 動型

領域 能動型 び 動型 あ 第1章 述 う

可視 射赤外領域 能動型 あ MPF推 究

行わ い e.g., Rösel et al., 2012; Kim et al., 2013 動型

放射観測 MPF 推 行わ い い 本 究 動型 あ 放

射計 MPF推 手法 開発 目標 い

放射計 1972 米国 衛 Nimbus-5 搭載 ESMR:

Electrically Scanning Microwave Radiometer NEMS: Nimbus E Microwave

Spectrometer 多く 衛 搭載 2.11 放射

Nimbus-7 SMMR Scanning Multichannel Microwave Radiometer 衛 DMSP SSM/I

Special Sensor Microwave Imager 衛 ADEOS-II AMSR Advanced Microwave

Scanning Radiometer 衛 Aqua AMSR-E AMSR-Earth Observing System

型 放射計 主 水蒸気 鉛直 布 得 目的

い 方 日本 1987 地球観測 目的 人 衛 号 MOS-1:

Marine Observation Satellite-1 打 可視 近赤外放射計 可視

熱赤外放射計 放射計 3種類 搭載 1995 運用 終了

現 AMSR や AMSR-E 後 あ 第 期水循環変動観測衛 く GCOM-W1:

Global Change Observation Mission1st-Water "Shizuku" 搭載 最新 高性能

放射計AMSR2 Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 2012 地球観測

運用 い

可視 赤外 観測 特徴 表2.2 以 通 あ

1.定 比 雲 無 響 夜

間 観測 可能 あ 表2.2

2.定 観測 空間 解能 数km 数十km あ

空間 解能 い 表2.2 空間 解能

高い

3.定 比 長 長い 含水 い所 鉛直方向

情報 観測 可能 あ

う 観測 可視 赤外領域 観測 異

情報 得 多く 活用 い 特

積雪深 洋 粗度 風向や風 等 情報 観測 効 あ 氷

洋 存 流や 風 日々移動 移動 氷厚や 氷

MPF等 布 変 極域 氷 布 常的 全球 高

頻度 観測 必要 あ 2.12 衛 放射計 1日 観測 範

2.8定 衛 概念 日本 学会 2011

2.9定 電磁 各 長 呼称 日本 学 2011 参

考 作成 あ

Ultra Violet (UV) rays

Infra Red (IR)

rays Microwave and Radiowave

1 nm 10 nm 0.1µm 1µm 100µm 10 mm 1 m 10 m 100 m 100 T

10µm

100 G 10 G 1 G 100 M 10 M 1 nm

Frequency [Hz] wavelength

X rays

W V OKa K Ku X C S L P Microwave Band name

0.3

Wavelength (cm) 1 3 10 30 100

Blue Green Red

Wavelength (cm) 0.5 0.6 0.7

2.10定 各 長 3種類

曲線a 陽 絶対温度 6000 K 黒体 見 観測対象物 放射率 長

仮 い 曲線b 観測対象物 絶対温度 300 K黒体 見 い

2.11定 衛 放射計 地球観測 概念

宇 航空 究開発機構 地球観測 究

http://sharaku.eorc.jaxa.jp/AMSR/outline_mission/measurement_j.html 引用

表 表 表

表2.2定 可視 赤外 地球観測 特徴

表 古濱 1986 参考 作成 あ

2.12定 衛 放射計 1日 観測 範 黒色 領域 観測範 外 示

Hollonger et al., 1999

長領 域 長領 域長領 域

長領 域 雲雲雲雲 透 過透 過透 過透 過 昼夜観 測昼夜観 測昼夜観 測昼夜観 測

空間 空間 空間 空間 解能 解能解能 解能

解析 解析 解析 解析

可視 否 否 高 安易

近赤外 否 否 高 複雑

熱赤外 否 可 高 複雑

2.2. 2.2. 2.2.

2.2.222 2 ロ波放射計によロ波放射計によロ波放射計によロ波放射計によ 輝度温度測定輝度温度輝度温度輝度温度測定測定測定 原理原理原理原理

放射計 大気や地球表面 自然 放射 微弱 放射

信 信機 あ 信電力 比例 輝度温度 T_B: Brightness temperature

測 観測対象 物理的性質 測 動型 あ 輝度温

度 用い あ

あ ゆ 物体 温度 応 放射 行 い 放射 熱放射 呼 物体

構成 物質 温度や表面状態 異 黒体 基準 義

黒体 入射方向 偏 状態 関 く 入射 長 放射 完全 吸

理想的 物体 あ 黒体 熱放射 黒体放射 いう 黒体放射 黒体 温度

決 放射則 Planck's low of radiation 従 い 特 温度

T K 黒体表面 面積 中心周 数ƒ 周 数 域幅 Hz 立体角

当 放射 放射則 放射輝度 spectral radiation いう 熱放射則

放射輝度 式 2.1 表わ

(Wm-2Hz-1Sr-1) (2.1)

h 数 6.626 × 10

-23

J/K c 2.998 × 108 m/s k

数 1.380 × 10

-23

J/K あ 中心周 数ƒ 狭い周 数 域幅Δƒ 輝度 brightness

式 2.2 え

(Wm-2Sr-1) (2.2)

い 式 2.3 成立

(2.3)

x = hf/kT く

(2.3)

1

1

2

−

⋅

=

bf

e

c

hf

B

f

B

B

=

∆

1

/

kT

<

hf

x

x

x

a

e

_

−

≅

近似 成 立 式 2.1 辺 指数関数 展開

式 2.4 書

(2.4)

式 2.4 放射則 Rayleigh-Jeans' law of radiation いう 2.13

300 K 放射則曲線 放射則直線 示

輝度 温度 比例 長 2倍 比例 い わ

通常 物体 黒体 異 完全 放射 吸 体 い 灰色体 gray body

言わ 特 周 数 い 物体 熱放射 輝度 等 い輝度 熱放

射 黒体 温度 物体 輝度温度T_B 義 輝度 代わ 用い

(2.5)

あ 特 周 数 い 物体 輝度 物体 温度 等 い温度 黒体 輝

度 比 物体 射 率e いう わ

(2.6)

あ 式 2.4 式 2.5 式 2.6 代入 物体 温度T 輝度温度T_B

間 式 2.7 関 成 立

(2.7)

物体 射 率 常 1以 0 ≤e ≤ 1 輝度温度 常 物理的温度 い 射

率 物体 誘電率や表面 粗 物理的性質 周 数 偏 入射角 方 角

測 条件 変 輝度温度 性質 条件 変

2 2 2 3

2

2

c

kT

hf

hf

kT

c

hf

B

=

⋅

=

f

kT

B

=

∆

2.13定 300 K 放射則 放射則 比較

2.2.3 2.2.3 2.2.3

2.2.3 海氷と海氷と海氷と海氷と水水水水 ロ波ロ波ロ波ロ波放射特性放射特性放射特性 放射特性

氷 放射特性 氷 齢 厚 部状態 表面状態 形状 依

存 衛 放射計 輝度温度 関 究 輝度温度 対 氷

齢や積雪 響 議論 多い 以 側 い 択

う 偏 び周 数 観測対象 う 氷 齢 び積雪

響

2.14 水 氷 齢 い 射 率 周 数依存性 示 2.14

水 氷 射 率 周 数依存性 以 う

1. 氷 射 率 垂直偏 V: Vatical polarization 水 偏 H: Horizontal

polarization 両偏 い 周 数 増加 あ

2.融解期前半 多く見 水 多 氷 Flooded MYI 射 率 氷

程度 あ

3.乾い 多 氷 Dry MYI 射 率 周 数 増加 共 減少 高い周 数

多 氷 射 率 原因 使用 長 氷 部 気 や

程度 大 体積散乱 割 増加 外部 放射 ネ

減少 あ

4.多 氷 射 率 高い周 数 い 表面状態や風 変形作用 標準

偏差 大 い傾向 あ

5.開放水面 射 率 周 数 増加 共 増加 開放水面 氷域

境界 検 い周 数 効 あ

参考 表2.3 水 氷 種類 い 射 率 い 示 灰色

Gray nilas 射 率 周 数 増加 共 増加 凍結

Frozen melt pond 射 率 周 数 増加 場 あ FYI

射 率 程度 あ 凍結 観測 い FYI

見

夏季 極 塩水 あ 開放水面 淡水 近い 両者 存

う 水面 射 率 水面 電気的性質 誘電率 面 粗 決

開放水面 塩 い 塩水 真水 輝度温度 焦点 当

塩 い 2.65 GHz 静水 面 面温度 輝度温度 関 示

放射 塩水 真水 輝度温度 い 5 GHz以 大 い 以 両者 輝

度温度 い 見 い 2.15 面温度 い 輝度温度 対 塩

響 い 2.16 極域 う 温域 塩水 真水 輝度温度

い 高温域 比 非常 い 最近 究 温域 水

区 い 報告 い Meissner and Went 2012

2.14定定定定 水 氷 射 率 周 数依存性 a 垂直偏 V: Vatical polarization b

水 偏 H: Horizontal polarization あ Eppler et al. 1992 示

表 表表

表2.3定 水 氷 種類 い 射 率 い

表 Eppler et al. 1992 参考 作成 あ

Surface condition Polarization 6.7 GHz 18.7 GHz 37 GHz 90 GHz

V 0.513 0.015 0.570 ±0.033 0.662 ±0.029 0.792 ±0.019

H - 0.332 ±0.018 0.392 ±0.015 0.528 ±0.022 V 0.900 ±0.020 0.941 ±0.019 0.955 ±0.015 0.926 ±0.045 H 0.840 ±0.065 0.888 ±0.019 0.913 ±0.013 0.886 ±0.031

V - 0.942 ±0.036

0.953 ±0.015

0.902 ±0.062

H - 0.912 ±0.050 0.927 ±0.040 0.867 ±0.068 V 0.925 ±0.020 0.850 ±0.068 0.764 ±0.079 0.680 ±0.105 H 0.820 ±0.030 0.780 ±0.080 0.706 ±0.115 0.650 ±0.011

V 0.775 0.837 0.880 0.915

H 0.720 0.800 0.840 0.880

V 0.910 ±0.050 0.969 ±0.030 0.970 ±0.017 0.876 ±0.069 H 0.813 ±0.069 0.877 ±0.037 0.885 ±0.036 0.818 ±0.093 Frozen melt pond

Water

FYI

Flooded MYI

Dry MYI

2.15定 静水面 淡水 び 水 3.6 % 輝度温度T_B 周 数特性

Ulaby et al., 1981b

2.16定 2.65 GHz 塩 い 面温度 輝度温度T_B 関

第

第

第

第 3

3

3章

3

章

章

章

定

定

定

定

現地

現地

現地

現地

カ

カ

カ

カ

画像によ

画像によ

画像によ

画像によ

氷況解析

氷況解析

氷況解析

氷況解析

3.1 3.1 3.1

3.1 航海観測航海観測航海観測航海観測 重要性重要性 重要性重要性

放射計 地表 放射 微弱 電 信

温度 測 2.8④ 測 値 地 送信 解析 い

輝度温度 変換 2.8⑥ 放射 用い 地

観測 行う場 う 表面状態 氷 放射 輝度温度 知 必要

あ

極域 現地 氷観測 主 航空機や 氷船 使わ 航空機 氷観

測 氷船観測 比 短時間 広域 観測 観測 数

度 断 的 あ 3.1 示 う 氷船 ュ Polarstern

氷観測 行わ い 複数 氷船 氷観測 可能

氷況 異 域 い 的 氷情報 MPFや氷厚 得 定

従来 現地 MPF 推 目視や 観測 挙 目視

MPF 推 関 究 氷 や 氷船 観測例 報告 い 例え

氷 目視観測 MPF 推 任意 決 数 m 観測 周辺 い

行わ Eicken et al., 2002 氷船 目視観測 MPF 推 般的

船 中心 半 約 1 km 対 行わ 手法 無

調 効 あ 的 MPF 推 い いう問題 あ

方 MPF 推 主 氷船や航空機 搭載 得

静 画 使用 MPF 的 推 例え

搭載 得 画像 使用 手法 画像

RGB Red-Green-Blue 手作業 4 種 表面状態 類 閾値

領域 決 あ Perovich etal., 2002 型無人飛行

機 AUV: small Unmanned Aerial Vehicle 搭載 得 画像

閾値 決 開放水面 氷 3種 割 推 手

法 報告 い Inoue et al., 2008 近 氷船 撮 画

像 RGB 用い 4種 候 閾値 決 氷 氷

積雪 2種 割 推 究 行わ い Sankelo et al., 2010 う

画像 領域 割 開放水面 氷 3種 割

性的 あ 画像 閾値 決 い 問題 あ

自動的 表面状態や閾値 決 種類 異 画像

使用 MPF 推 結果 比較 行いや い

本章 未知 あ MPF 対 輝度温度特性

氷船 設置 得 静 画 基 く 的 氷況 開放

水面 氷 割 推 画像解析法 開発 目標

定

3.1定 1982 2016 氷船 ュ 航跡

3.2 3.2 3.2

3.2 極海におけ極海におけ極海におけ極海におけ 航海観測航海観測航海観測航海観測

表3.1 各 航 期間 使用 氷船 示 氷観測 2005

国 観測 HOTRAX Healy-Oden TRans-Arctic EXpedition 2008

CHINARE CHInese National Arctic Research Expedition 2007 2015 観

測 JOIS Joint Ocean Ice Study い 実施 表3.1 2011 氷

観測 JOIS 盆区間 7 23日 8 18日 大学

校国 極圏 究 IARC 共 究者 乗船 西航路区間 7

15日 7 22日 極点観測区間 8 19日 9 11日 実施 使用

氷船 HOTRAX 米国沿岸警備隊 U.S. Coast Guard Cutter Healy

CHINARE 中国極地 究所 調査船 RV: Research Vessel 雪龍 RV Xue Long JOIS

沿岸警備隊 S CGC Louis S. St-Laurent あ

3.2 夏季 極 い 画像 得 行わ 氷船 航跡 衛

放射計 AMSR-E 得 各航 期間 均 氷密接度 布 示

2005 氷密接度90 %以 高密接度 氷域 地域 長い期間観測

2008 2011 緯度 く 氷密接度 く 域 観

2011 緯度80度以 高密接度 氷域 観測

表 3.2 各航 船前方 氷状況 撮 画像 得

画像 静 画 あ 画像 間隔 い Lu et al. 2010

8 間隔 撮 航空写真 98 m×67 m 得 用い 氷密

接度 解析結果 衛 観測 推 氷密接度 く 示

氷密接度 氷 割 く 表面 あ 氷 割

含 あ 本 究 結果 考慮 各 10 以 間隔 画像

行 2008 画像 画像 画像 解能

く 画像 劣 い

2009 2010 2014 2015 航 観測 開始 9 中旬以降 遅

凍結 い 2012 衛 観測 最少

氷面積 示 8 旬以降 観測 域 氷 消失 い 観測

い 画像解析 行 抽

本章 2005 2008 2011 画像 使用 画像解析 精度検証 び

推 行 2007 2008 氷域 画像

表 表表

表3.1定 各 航 期間 使用 氷船.

HOTRAX: Healy-Oden TRans-Arctic Expedition, JOIS: Joint Ocean Ice Study,

CHINARE: CHInese National Arctic Research Expedition,

USCGC: United States Coast Guard Cutter, CCGS: Canadian Coast Guard Ship,

LSSL: Louis S. St-Laurent, RV: Research Vessel

3.2定 氷船 航跡 実線 航 中 均 氷密接度 氷密接度 AMSR-E

用い 推

Year Cruises Period Days Ships Figures

2005 HOTRAX 2 Aug. 28 Sep. 58 USCGC Healy 3.3a

2007 JOIS 26 Jul.– 31 Aug. 37 CCGS LSSL –

2008 JOIS 17 Jul.– 21 Aug. 36 CCGS LSSL –

2008 CHINARE 1 Aug.– 8 Sep. 39 RV Xue Long 3.3b

2009 JOIS 17 Sep. 15 Oct. 28 CCGS LSSL –

2010 JOIS 15 Sep. 15 Oct. 30 CCGS LSSL –

2011 JOIS 15 Jul. 11 Sep. 68 CCGS LSSL 3.3c, 3.3d, 3.3e

2012 JOIS 2 Aug. 8 Sep. 38 CCGS LSSL –

2013 JOIS 1 Aug. 2 Sep. 33 CCGS LSSL –

2014 JOIS 21 Sep. 17 Oct. 27 CCGS LSSL –

2015 JOIS 20 Sep. 16 Oct. 27 CCGS LSSL –

d

e

Alaska Alaska

c

a

b

表 表 表

表3.2定 各 氷況観測期間 設

Year Observation

period Days Cameras

Interval

(min) Images

Image size (pixel)

Planimetric

scale(m) Administrator

2005 4 Aug. 23 Sep. 50 KADEC

21-EYEⅡ

5 14400 1280×1024

Kazutaka Tateyama

KIT

2007 25–31 Aug. 6 NetCam 10 908 576×768 –

2008 9 Aug. 4 Sep. 25 Blink Shot 10 3600 320×240

Kazutaka Tateyama

KIT

2008 20 Jul.– 21 Aug. 33 NetCam

1 or 5 or 10

5928 576×768

University of Alaska, Fairbanks 2009 25 Sep. 12 Oct. 18

NetCam XL

11756

1024×768

2010 22 Sep. 14 Oct. 23 4060

2011 15 Jul. 11 Sep. 59 34233

2012 10 Aug. 8 Sep. 29 4871

2013 3– 30 Aug. 28 –

2014 21 Sep.– 16 Oct. 26 6897

Oregon State University

2015 21 Sep.– 16 Oct. 27 –

3 3 3

3....333 3 目視目視目視目視 法法法法

画像 用い 目視 開放水面 氷 無

効 あ 数万枚 画像 膨大 時間 労力 必

要 加え 的 割 推 い 点 持

的 割 推 画像解析法 開発 必要 あ 本 究 目

視 法 3.4節 画像解析法 開発 び 精度検証 使用 目視 法

概要 以 通 あ

目視 法 ASPeCT Antarctic Seaice Processes and Climate protocol Worby andAllison,

1999 参考 画像 解析領域 対 視覚的 氷況 ASPeCT protocol

本来 現場 船 目視 観測 用い 本 究 画像解析法 様 解析範

氷状況 画像 対 開放水面 氷 3種類 使用

池 底面 あ 氷 状況 青 緑色 特徴 持 特

徴 目視 断基準 例 3.3 目視

氷 2種類 混 表面状態 例 示 目視 MPF 確 推

い 3.3 示 う 画像 2値 画像 見 晴

時 曇 時 氷 2種類 混 容易 あ

本 究 開放水面 1 氷 2 開放水面 氷 3

氷 4 開放水面 氷 5 3.4.2

3.4.4 画像解析法 表面状態 答率 確 検証 氷船

強制的 破 氷 含 や 水滴 着氷や着雪 生

視界 良 日没前 目視 困 画像 除外

3.3定 目視 氷 2種類 混 表面状態 例 a

晴 時 画像 b a 2値 黒 画像 c 曇 時 画像 c

d 2値 画像 示

カ

ー 画像

カ

ー 画像

カ

ー 画像

カ

ー 画像

2

値 化 画 像

値 化 画 像

値 化 画 像

値 化 画 像

晴

晴

晴

晴

曇

曇

曇

曇

a

b

3 3 3

3....444 4 自動自動自動自動 ささささ たカたカたカたカ 画像解析法画像解析法画像解析法画像解析法 開発開発開発開発

3 3 3

3....444.14.1 .1.1 画像解析法によ画像解析法によ画像解析法によ画像解析法によ 氷況氷況氷況氷況

1 概要

3.4 撮 範 表面状態 解析範 示 極 観測 氷船 破

い い自然状態 氷 調 船 行方向 向 氷状況 撮

θ 水 線以 撮 範 角度 θ/ 2 本 究 解析範 示 撮

面全体 対 解析 行う 遠方 面 画像解析精度 村本

1991; Weissling et al., 2009 解析範 算 精度 高い 船 近い 範 考え

3.4 θ_{/ 2}

3.4定 氷船 設置場所 氷況 撮 解析範

Analysis range Camera

Horizon

θ

θ

/2

Field of view

View angle image

3.5 本 究 画像解析法 示 滑 画像

明度 Brightness 得 数 び 時 明度値 B_p

閾値 赤 R 成 緑 G 成 関 用い 手法 氷況 5

種 法 領域 割 開放水面 氷

領域 比率 表 方法 画像解析法 表 あ 本 究

明度 色 明 0 255 256諧調 示 尺度 明度値 B_p 滑

明度 時 明度 義 明度

例 3.6 氷 2種 混 場 画像 明

度 示 明度 画像 明度 布 示 あ 3.6

示 う 横軸 明度 縦軸 画像数 表 0 黒い画素 255 い画素 表

氷 2種 存 場 峰性 3.6

画素 氷 画素 い 画素 基

く峰 氷 基 く峰 布 い わ

い開放水面 存 場 峰 側 布

初 細 い 多く わ 3.6

非線形関数 見 最 乗法 用い 曲線

最大 3 え 結果 明度 布範 や 数

任意 設 い いう問題 生

本 究 明度 連 信号 連 空間周 数成 見

最初 形特性 調 必要 あ う 処理 行う場

変換や窓 変換 考え 窓 変換 方 空間周 数 解能力

優 本 究 う 数 制約 形 対 効 あ 中

1999 形 多く 振動 含 多く 持 い

本 究 滑 窓 変換 行う

使用 域通過 LPF Low Pass Filter 様 3.4.1-(2

述

n 滑 極大値 数 示 本 究

数 義 n 1 1 1 開放水面 2 氷

n 2 2 3 開放水面 氷 4

時点 1 2 2種類 1 2 3 4

混 2種類 類 必要 あ 5 1種

類 あ 以 類 行う必要 い

1 1 2 100 均

明度 中央 閾値 時 明度値 1変数 析 行う 以

1 w: open water 2 i: sea ice 閾値 B_wi 表記

2 3 4 目 開放水面

属 試 1 様 明度値 用い

霧 響 開放水面 困 あ 方 情報 RGB

値 存 R G びR 間 差 大

く 特性 利用 両 行う 2 要素 式

得

(3.1)

(3.2)

X1 R1 G1 差 R₁ G₁ 和 X₂ R₂ R₁ 差 R₂ R₁ 和

規 値 R₁ R₂ R成 滑

び 目 濃度値 示 G₁ 様 あ 本 究 濃度

RGB 濃 0 255 256諧調 示 尺度 義 両 方

法 得 2 要素 特徴空間 最 遠い距 引 基準線 線形

式 距 3 4 あ 式

距 得点Z いい 統計 類 多変 解析 い 的 評価

尺度 あ 般的 距 異 既知 両 散共 散行列 基

い 得 線形 式 距 あ 式 式 得

(3.3) 1 1 1 1 1

G

R

G

R

X

+

−

=

R

R

R

R

X

+

−

=

c

bX

aX

用い 求 中村 1971 時得 Z あ 3 負

あ 4

最後 滑 明度 領域 開放水面 氷 割

各領域 び 滑 全体 頻度 開放水面 割 A_o

割 A_p 開放水面 割 A_i 推 領域 割 手法 閾値

谷付近 存 考え 谷 閾値 法 用い 法

領域 割 い 3.5節 述 1 2 谷 存

数 類 時点 割 100% 本 究 い n 4 以

場 未検 各割 推 結果 含 い

本手法 面補 必要 情報 設置高や 設置角 設置

時 記録 面補 行う 2

3 開放水面 氷 4 氷

規 尖度や 度 類 試 両

1) 3 θ/2 範

2) n = 4以 未検

3) Bwi 値 1 2 閾値

4) Z 3 4 変 示

5) 滑 明度 示

3.5定 表面状態 画像解析法 中 2015

画 像 256階 調 画像 変換

解 析 範 1) 明 度 明度B 頻 度 作成

数 n 2)

Bp1< BWi3)

1

開 放水面

4

氷

5

開放水 面

氷 Yes

No

Yes

No

5)

い 谷 閾値

開 放水面 氷 領域 割

各 領 域 び 5)全体 計 頻度 A_o A_p A_i 算 Z4) _{> 0}

3

開放水 面

氷

n = 1 n = 3

n = 2

LPF 明 度 滑

2

氷

3.6定 氷 2 種 混 場 画像 明度

明度 画像 い 緑線 解析範

あ

Melt pond

2 LPF 明度 滑

画像 う 信号 滑 IIR Infinite

Impule Response FIR Finite Impulse Response 2 IIR

直線 相特性 持 い 滑 う 直線

相特性 入 力 相差 信号 周 数 比例 相 遅延

周 数 あ 滑 元

異 布 示 方 FIR 直線 相特性 持 い

い 再現 FIR 本 究 う 滑

閾値 明度値や濃度値 要 氷況 い 非常

効 あ 考え

本 究 多く 振動 含 滑 FIR

使用 域通過 LPF: Low Pass Filter 用い

力 形 数n 観測 域 表面状態 行 n LPF

設計 様 周 数特性 異 遮断周 数f_cut 長N

び窓関数 決

256階調 数 256 扱う 逆数

1/256=0.003906 無 元 あ 原 形 完

全 再現 原 形 最大周 数 1 2倍以 周 数 必要

あ 理 本 究 数 制約 あ f_cut

最大周 数 半 0.5 Hz 形 再現 い

例 3.7 遮断周 数0.2 Hz 周 数応答 示 N 13 83 増加

通過域 Pass band 阻 域 Stop band 広く 移域 狭く 周 数応答

良く 周 数応答 良く Ripple 減少

い 特 阻 域 あ 必要 い周 数 形 力 現 精度良

く 滑 い可能性 あ 解決 窓関数 用い

軽減

窓関数 形状 設計 周 数応答 移域 阻 域 決 要因

あ 窓関数 様々 種類 あ 特性 え 性質 異

2005 3.8 窓関数 特徴 窓関数 用い 周 数応答 い f_cut = 0.2 Hz, N = 83

window び 窓 Blackman window 特徴 示 窓関数

Main-lobe 狭く 周 数 解能 高い Side-lobe 振幅 い

広い 性能 高く 矩形窓

窓 窓 広く 3.8a 移域 矩形窓

窓 方 広い 3.8b 移域 N 増加 狭く

3.7 方 矩形窓 窓 窓 く

矩形窓 窓 い 軽減 い 3.8b

本章 遮断周 数 長 び窓関数 変 滑

最適 数 得 画像解析法 開発 目指

3.7定定定定 N い 遮断周 数0.2 Hz 周 数応答

定

8

×

N

r

a

i

z

a

i

N =

N = 8

Passband

Stopband

Transition Band

Ripple

Ripple

3.8定 a 窓関数 特徴 b 窓関数 用い 周 数応答 い f_cut = 0.2 Hz, N = 83

8

[ Hz]

i

[

]

R a ar Ha i

a a

8

[ Hz]

N

r

a

i

z

a

i

R a ar Ha i

a a

3 3 3

3...4.44.4..2.2 22 窓関数窓関数窓関数窓関数 設定設定 設定設定

本 答率 目視 法 画像解析法 1 1

2 2 3 4 3 5 率 あ

例え あ 画像 対 目視 法 用い 開放水面 氷 混 3

氷 混 4 画像解析法 い n 2

場 答 精度検証 用い 窓関数 般的 矩形窓

Rectangular window 窓 Hamming window び 窓 Blackman

window 画像 明度成 RGB成 あ 本 究 い 明度成 色

明 RGB成 赤 R 緑 G 青 B 濃 0 255 256諧

調 表 頻度 布 あ

表3.3 窓関数 い 答率 示 成

均 答率 大 い 見 い 明度成 答率 高く B成 い

傾向 あ

1 う 表面状態 均 答率 各成 び各窓関数

99.3 % 示 良好 結果 2 う 開放水面 氷

氷 混 表面状態 均 答率 80 %以 得

最 高い 答率 明度成 矩形窓 窓 使用 場 85.5 % あ

3 均 答率 成 比 明度成 窓 最 良

い69.7 % 示 明度成 高い 答率 示 傾向 あ

本 究 表3.3 均 答率 考慮 明度 滑 窓

行う 般的 窓 周 数成 響 くい

いう利点 あ 窓関数 周 数 析 精度 周 数 解能 良

く 窓関数 高いN 必要 あ 高いN 必要 滑

窓関数 使用 滑 時間 必要 本 究 滑 高

く 周 数 析 精度 高い 滑 目標 い

表 表表

表3.3定 窓関数 い 答率

1 peak 2 peaks 3 peaks 1 peak 2 peaks 3 peaks 1 peak 2 peaks 3 peaks 2005 99.5 86.5 57.0 99.5 86.0 59.0 99.5 86.5 59.0 2008 100.0 88.0 72.0 100.0 86.5 74.0 100.0 86.5 75.0 2011 98.5 82.0 72.0 98.5 83.5 74.0 98.5 83.5 75.0 Mean 99.3 85.5 67.0 99.3 85.3 69.0 99.3 85.5 69.7 2005 99.5 83.5 61.0 99.5 84.5 65.0 99.5 85.0 65.0 2008 100.0 86.5 49.0 100.0 86.0 71.0 100.0 86.0 57.0 2011 98.5 77.0 70.0 98.5 78.0 71.0 98.5 78.0 71.0 Mean 99.3 82.3 60.0 99.3 82.8 69.0 99.3 83.0 64.3 2005 99.5 86.5 66.0 99.5 85.5 61.0 99.5 85.5 61.0 2008 100.0 87.5 74.0 100.0 86.0 77.0 100.0 86.5 77.0 2011 98.5 80.5 67.0 98.5 81.5 69.0 98.5 82.0 69.0 Mean 99.3 84.8 69.0 99.3 84.3 69.0 99.3 84.7 69.0 2005 99.5 88.0 60.0 99.5 87.5 64.0 99.5 88.5 64.0 2008 100.0 86.5 74.0 100.0 85.0 74.0 100.0 85.5 73.0 2011 98.5 73.5 61.0 98.5 74.5 64.0 98.5 74.0 64.0 Mean 99.3 82.7 65.0 99.3 82.3 67.3 99.3 82.7 67.0 Blue

Red

Green

Rectangular Hamming Blackman

3 3 3

3....444.4..3.3 33 遮断周波数とフ遮断周波数とフ遮断周波数とフ遮断周波数とフ タ長と正答率タ長と正答率タ長と正答率タ長と正答率 関係関係 関係関係

3.9 fcut N 答率 布 示 答率 全体的

fcut 0.01 Hz 0.1 Hz程度 N 23以 良い 答率 得 各 答

率 布 特徴 大 い い わ 3.4.1 -(2) 示

う 本 究 f_cut 最大周 数 半 0.5 Hz 形 再現

い 3.9 い 答率 高い周 数 0.1 Hz以 あ LPF 設

計 対 0.5 Hz以 形再現 可否 響 非常 い 考え

3.9 1 い 最高 答率 得 f_cut 各 共通 0.01 Hz 0.03

Hz あ 2 い 最高 答率 得 f_cut 2005 2011 共

通 0.05 2008 0.01 Hz 0.02 Hz 2008 う傾向 示 般的

2008 う 画像 解能 い画像 い周 数成 形 多く含

高い周 数成 形 少 く 画像 劣 い 中 1999 2008

画像 比 周 成 多く含 い 考え

3 最高 答率 得 f_cut 各 共通 0.07 Hz あ わ

2008 2 良い 答率 得 f_cut 0.01 Hz 0.02

Hz い 3 答率 最高75% 2 % 45 %

3.10 各 長N 目視 法 数n 1 3

相関関 f_cut 0.05 Hz 示 3.10 2005 2011 共通 N 49 51

相関 高く 相関 数 0.82 あ 方 2008 N 67 71 相関 数

0.74 あ 2008 う 周 成 多く含 画像 各 共通

高い 答率 示 f_cut N 組 わ 得 い わ

本 究 2 い 答 数 86.6%以 規 布 ±1.5σ 目

標 LPF 設計 2 基準 理 高密接度 氷域 90 %以

2 構成 あ 4.2.1 -(1) 2005

2011 い 相関 数 2 答率 高いf_cut 0.05 N 49 組 わ

用 1 3 答率 2005 94 % 87.5%

62% 2008 84% 76% 63 % 2011 93% 87% 66% あ

結果 2005 2 3 答率 差 大 い

中 誤答数 43 あ う 目視 法 開放水面

1割 断 27 あ 誤答 中 割 62.7 % あ

う 場 例え 数%存 い 目視

画像解析法 数% 検知

3 い 推 1

割以 存 必要 あ 考え 目視 法 1割以

曖昧 3 誤答 原因 考え 誤答 中 12

27.9 % 目視 法 表面状態 比較的濃い霧 状態 あ

霧 学的 や 劣 い 画像 高

周 成 減少 う 目視 法 高周 成 多く含 3

場 画像解析法 周 成 多く含 1 2

考え

以 3 い 水面 開放水面 1割程度

目視 法 曖昧 や霧 原因 表面状態 精度 やや く 自動的

画像 水面 氷 検知 開放水面

氷 推 1 開放水面 氷 2 開放水面

3.9定 遮断周 数 (f_cut) 長 (N ) 答率 布 中 2015

列 1 央列 2 列 3 示

3.10定 目視 法 数 相関 中 2015 遮断周 数

3 3 3

3....444.4..4.4 44 分析分析分析分析 よよよよ 氷況氷況氷況氷況

3.11 代表的 氷況 画像 明度 示 a 開放水面

1 Ao=100% b 氷 2 A_i=100% c 開放水面 氷 混

3 Ao+Ai=100% d 氷 混 4 A_p+A_i=100% e 開放水

面 氷 3種類 混 5 A_o+A_p+A_i=100% 場 あ 1

晴 2 曇 状態 示

1 1 氷況

表面状態 あ 開放水面 1 晴 3.11a₁ 方 曇 3.11a₂

値B_p1 い 曇 や霧 時 面 雲 色 射 や霧

面 く 原因 考え 1 3.11a₁ 3.11a₂

2 3.11b1 3.11b2 い B_p1 い 80以 あ わ 1

1 2 100 均明度 中央 あ

閾値B_wi B_p1 B_wi 1 開放水面

Bwi 2005 104 2011 122 あ 2008 い 2

氷 存 検証 1 い B_p1

最大値 B_wi

2 2 氷況

答率 画像解析法 用い 2 混 開放水面 氷

3 氷 4 結果 目視 法 率

あ

3.11c 3.11d 開放水面 氷 氷 2種類混 場

画像 あ El Naggar et al. 1998 画像 明度 解析結果

明度 51 128 あ 示 本 究 3.11c₁ 3.11c₂

う 開放水面 明度値 B_p1 75 77 示 い 本

究 使用 画像 撮 時 種類や気象条件 異 時 明度

値 3 4 困 あ

3 4 困 あ 本 究 RGB成

着目 未知 画像 属 行

3.12 2 画像 各成 示 3.12a 開放

水面 氷 3 3.12b 氷 4 曇 画像

あ 3.12 画像 対応 明

度 R 赤 成 G 緑 成 B 青 成 あ 3.12a RGB成

明度 形状 持 3.12b 形状

持 3.12a R₁ R₂ 差 181–88=93 3.12b R₁ R₂ 差 155–

93= 62 比 大 い G成 びB成 様 特徴 持 B

成 最 間 差 161– 111= 50 狭く 3.12b R₁ G₁ B₁

濃度 大 く 濃度 い 可視域 い 水 射率

青 長域 最 高く 長 長く 射率 く 考え

R成 G成 関 3.12a い い 示 い 3.12b

R1 93 G1 106 方 大 く わ 存

R1 G1 びR₁ R₂ 差 大 く 特性 用い 析 行

B成 R びG成 悪く 2 1

用い

3.13 2 X1 = R2–R1 / R2+R1 X2 = R1–G1 / R1+G1

関 関 得 線形 式 示 R₁ R₂ R成 LPF

滑 び 目 時 濃度値

示 い G₁ 様 あ 本 究 使用 画像 種類や撮

時 気象条件 異 R₂–R₁ R₂+R₁ R₁–G₁ R₁+G₁ 規

式 3.1 式 3.2 得 X₁ X₂ 2要素 い 3

4 最 遠い距 引 基準線 あ 線形 式 求

あ 画像 得 X₁ X₂ 求 式 3.3 得点Z

3 負 4 述 う 3

5 あ 析 行う必要 い

結果 3 4 各 異 布 示 各 々

線形 式 用い 時 答率 2005 87.5 % 2008 95.1 % 2011

率 90.5 % 2 2変数 3 4 誤答

2005 検証 以 2 原因 あ わ 目視 法

い 開放水面 氷 混 場 3 氷

4 誤答 場 あ 候 曇 び霧 あ 霧

い く 原因 あ 考え い

う う 候 曇 び濃い霧 4

3 誤答 場 あ 目視 法 い

い画像 い 開放水面 明度 び濃度 持

わ 以 う X₁ X₂ 関 3 4 異 布 示

3.11定 代表的 氷状況 画像 明度 灰色 a 開放

水面 a₁ 晴 a₂ 曇 状態 示 以 様 b 氷 c 開放水面 氷 d

氷 e 開放水面 氷 黒い曲線 灰色

LPF 滑 あ Tanaka et al., 2016

0

Brightness a2: Open water, Cloudy

b2: Sea ice, Cloudy

a2: 1 peak

b2: 1 peak

c2: 2 peaks

Open water Sea ice Open water Sea ice Melt pond Sea ice Sea ice Melt pond Open water

e2: 3 peaks

a1: Open water, Clear

Open water

a1: 1 peak

Sea ice

d2: 2 peaks

Melt pond Sea ice Open water Sea ice Bp1 Sea ice Melt pond Open water Melt pond

Analysis range 320××××71

Melt pond

Analysis range 1024××××298

Analysis range 1024××××298

Analysis range 1280××××457

Analysis range1024××××298

Bp1

Bp1

Bp1

Bp1

Brightness

b1: Sea ice, Clear b1: 1 peak

c1: Open water and

Sea ice, Clear

c1: 2 peaks

d1: Melt pond and Sea

ice, Clear

d1: 2 peaks

e1: Open water, Melt pond

and Sea ice, Clear

e1: 3 peaks

c2: Open water and

Sea ice, Cloudy

d1: Melt pond and

Sea ice, Cloudy

e2: Open water, Melt pond

and Sea ice, Cloudy Bp2

Bp1 Bp2 Bp3 Bp2 Bp3

Bp2 Bp2 Mask Bp1 Bp1 Mask

Bp1 Bp2

Melt pond

3.12定 2 画像 各成 曲線 各成

LPF 滑 両者 曇 画像

2 peaks

Type 3 (Water and ice)

R

1 R2

G

1 G2

B

1 B2

R₁ R₂

G₁ G₂

B 1 B2

B_p1 B_p2 B_p1

Analysis range

B p2 2 peaks

3.13定 2 X₁ X₂ 関 関 得 線形 式

2005 2008 2011 R1 R2 R成 LPF 滑

び 目 濃度 示 G₁ 様

直線 3 4 最 遠い引 基準線 線形 式 示 任

3 3 3

3...5.55 5 現地現地現地現地 ンンンン 割合割合割合割合 推定推定推定推定結果結果結果結果

本章 開発 画像解析法 画像 氷 表面状態 5

後 法 用い 現地 MPF 開放水面 割 氷 割 推

法 各割 推 結果 効性 検証 目視 決 閾値

用い 各割 推 結果 比較 3.14 画像 び2値 黒

画像 画像 示 目視 閾値 3.14c

値 10間隔 変 3.14a 氷 最 く 類

主観的 決 3.14b 3.14d 結果 両者 閾値 い

い わ 両者 閾値 い MPF 氷 割 い 0.8 %

あ わ 法 現地 MPF 氷 割 推 い

法 効 あ 考え

3.11c1 う 間 B_p1 B_p2 谷 い場 法

用い 必 最適 閾値 得 限 い 例 3.11c₁ 閾値

±10 % 場 氷 割 誤差 求 結果 氷 割 誤差 ±0.5 % あ

3.11c1 様 3.11e₁ 氷 B_p2 B_p3 間

特徴 見 MPF 氷 割 誤差 求 結果 両者 ±0.7 %

あ 閾値 設 誤差 1 %程度 あ 考え

3.15 3.16 画像解析法 開放水面 割 A_o 割 A_p

氷 割 A_i 推 結果 示 い a 氷船 緯度経度 b

氷状況 A_o % A_p % A_i % 斜線 Nodata 測 表

氷 割 開放水面 含 観測 解析範 全体 対 割

あ 2005 3.15b 2011 3.16b 航 高密接度 氷域

Ap + Ai > 90 % 観測 方 各 極点付近

形成 い A_p 2005 側 数% 30 % 大

西洋側 数% 10%程度 示 側 大西洋側 向 う 連 A_p

減少傾向 示 2011 8 旬以降 形成

い い 気温 氷点 真水 近い 表面 凍 考え

本章 開発 画像解析法 候や 感度 い 2 基準

推 手法 的 行わ 航空機観測 異 複数 国

極航 観測 い 適応可能 あ 考え

画像解析法 加え 氷密接度 A_p + A_i 推

画像解析法 存 い や 存

極 得 画像 適応 考え 現

地観測 断 的 短期的 あ 夏季 極 MPF 布 変動 常

観測 い 章 候 響 くい衛 放射計

用い MPF推 手法 開発 目標

3.14定 画像 び2値 黒 画像 画像

a 氷 2種 混 場 画像 b

画像 a 解析範 c 主観的 決 閾値 用い 2値

画像 d 画像 c 解析範

a Gray scale image

c Binary image

b

d

Sea ice: 66.01% (177,990 pixel)

Melt pond: 33.9 % (91,428 pixel)

Sea ice: 66.9 % (180,160 pixel)

Melt pond: 33.1 % (89,263 pixel)

Threshold: 158

3.15定 2005 航 中 氷状況 a 米 氷船 緯度経度 b 氷状況 開放水面

灰色 黒 氷

3.16定 2011 航 中 氷状況 a 氷船 緯度経度 b 氷状況 開放水

面 灰色 黒 氷

60 85 20 40 80 90 80

7-Aug 12-Aug 18-Aug 25-Aug 31-Aug 7-Sep 13-Sep 19-Sep 26-Sep 2005 F ra c ti o n [ % ] L a t. [ N ] 75 L o n . [ E ] 240 320 160 80 Open Water Sea Ice Melt Pond Lon. Lat. (a) (b) ■ ■■

■ Open water

■ ■■

■ Melt pond

■

■■

■ Sea ice

No Visual 60 80 20 40 80 90 70

15-Jul 22-Jul 29-Jul 6-Aug 13-Aug 20-Aug 2011 F ra c ti o n [ % ] L a t. [ N ] 75 85 240 300 180 L o n . [ E ] 210 270 Arctic Archipelago _{Beaufort Sea}

Beaufort Sea ～～～～ North Pole

(a) (b) Lon. Lat. Open Water Sea Ice Melt Pond

27-Aug 4-Sep 11-Sep 0

■ ■ ■

■ Open water

■ ■ ■

■ Melt pond

■ ■ ■

■ Sea ice

第

第

第

第 4

4

4

4章

章

章

章

定

定

定

定

衛星

衛星

衛星

衛星

ロ波放射計によ

ロ波放射計によ

ロ波放射計によ

ロ波放射計によ

ン

ン

ン

ン

割合

割合

割合

割合

推定

推定

推定

推定

4 4 4

4.1.1.1.1 使用使用使用使用 ータータータータ

4 4 4

4.1.1.1.1.1.1.1.1 衛星衛星衛星衛星 ロ波放射計ロ波放射計ロ波放射計ロ波放射計 ータータータータ

本章 使用 輝度温度 米国地球観測衛 Aqua 搭載 衛 改良型高

性 能 放 射 計 AMSR-E The Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth

observing system 得 あ 4.1 AMSR-E 形状

示 Aqua 地球環境 大気、雲、雪氷、水、植生

解明 目的 航空宇 局 NASA: National Aeronautics and Space Act

開発 地球観測衛 あ Aqua NASA く 日本 宇

航空 究開発機構 JAXA: Japan Aerospace eXploration Agency や 国立宇 究所

い 国 搭載 開発 運用 国 的

行わ い

本 究 宇 航空 究開発機-国 極圏 究 情報 IJIS: IARC-JAXA

Information System NSIDC National Snow and Ice Data Center 2 究機関 提

供 AMSR-E 観測 輝度温度 使用

1. IJIS 輝度温度

本論文 4.2.2 い 形成 氷 放射特性 明

1B 輝度温度 使用 現 国立極地 究所 極域

ADS: Arctic Data archive System い 提供 い

6.9 GHz 89.0 GHz 水 偏 H 垂直偏 V 12 ネ 輝度温度

提供 2002 7 1日 2011 10 3日 間 利用

表 4.1 各周 数 空間 解能 解能 示 輝度温度

最近傍補間 Nearset neighbor 法 用い 6.9 GHz 36.5 GHz 10 km

× 10 km 89.0 GHz 5 km× 5 km 補間 い

AMSR-E NSIDC National Snow and Ice Data Center AMSR-E

高い 解能 保管 い 現地 近い 衛 比

較 本 究 89.0 GHz 輝度温度 10 km × 10 km

2. NSIDC 輝度温度

本論文 4.3節 い NSIDC 配列 基 い 作成 MODIS

得 MPF MODIS MPF AMSR-E MPF 比較 AMSR-E

3輝度温度 使用 IJIS AMSR-E 異 点 NSIDC

配列 解能 表4.1 あ NSIDC AMSR-E 1978

現 利用可能 SSMI Special Sensor Microwave Imager 解

能 25 km × 25 km 整 性 保 解能12.5 km × 12.5 km 補間

い

5章 2002 2011 AMSR-E 輝度温度 加え 2012

2016 AMSR2 使用 AMSRやAMSR–E 後 あ 第 期水

循 環 変 動 観 測 衛 く GCOM-W1: Global Change Observation Mission1st-Water

"Shizuku" 搭載 高性能 放射計AMSR2 Advanced Microwave Scanning

Radiometer 2 3輝度温度 使用 JAXA GCOM-W1

提供 提供 い 解能 AMSR–E あ

4.1定 地球観測衛 Auqa 搭載 AMSR-E 形状

JAXA人 衛 : http://www.satnavi.jaxa.jp/project/aqua/

表 表 表

表4.1定 AMSR-E び 解能

IJIS: IARC-JAXA Information System, NSIDC: National Snow and Ice Data Center

Channels Spatial resolution

(km)

IJIS Gridding interval (km)

NSIDC Gridding interval (km)

6.9 GHz 43 ×75 10 ×10 12.5 ×12.5

10.7 GHz 29×51 10 ×10 12.5 ×12.5

18.7 GHz 16 ×27 10 ×10 12.5 ×12.5

23.8 GHz 18 ×32 10 ×10 12.5 ×12.5

36.5 GHz 8 ×14 10 ×10 12.5 ×12.5