全球海上風・海面応力格子データセットの構築および精度検証と

大気・海洋相互作用研究への応用

指導　　 轡田　邦夫教授

5AOOM009 　森本　直樹

ERS-1&2 ADEOS-1/NSCAT QSCAT/SeaWinds Aqua/AMSR-EADEOS-2/SeaWinds

1990 2000

海上風による海面応力⇒　海洋へ運動量を輸送⇒　海洋表層を駆動（風成循環流）

海上風　⇔　海流　：風成大循環理論・・・ Sverdrup(1947)

高空間解像度を有する海上風データセット⇒ 　衛星データ　、　数値気象予報 (NWP) データ

背景

過去、衛星・ NWP データを使用した研究・ Wunsh(1998) 　 　南極周極流にて複数の衛星・･･･ NWP データから Sv 流量を算出し、　　　　　　　　　　　　　　海上風による運動量輸送の重要性を報告。・ Qiu and Chen(2006 ）　 　･･･ NWP データを大循環モデルの駆動力とし、　　　　　　　　　　　　　　　　　　黒潮続流域の亜熱帯モード水変動を解析

　 NWP データ・現場観測・衛星データを取り込み、仮想大気の場から海上風・海面応力を算出　データに欠測が無く、期間が長い⇒ 　長期変動解明、海洋大循環モデルの駆動力に多く使用。

　衛星データ・海上風観測衛星は 1990 年代から現在まで、連続したデータを提供　衛星観測海上風データから全球海上風・海面応力格子データを構築

J-OFURO 【 Japanese Ocean Flux data sets with Use of Remote sensing Observations 】各種熱 Flux データと共に継続して構築・配布 (Kubota to al., 2002)

衛星・ NWP データの精度検証の必要性

衛星データ　・・・　マイクロ波散乱強度から、間接的に風速・風向を決定

NWP データ　・・・　現場や衛星観測データを取り込んだ、仮想大気の場から算出

⇒ 現実の場を再現している保障は無い。

現場観測データ（船舶・ブイ）との精度検証が必要

過去の海上風・海面応力精度検証を行った研究・ Ebuchi et al(1996) 　・・・　衛星観測データとブイデータとの精度検証

・ Kutsuwada(1998) 　・・・　衛星格子データセットの作成とブイデータとの精度検証

・ Bourassa et al(2002) 　・・・　太平洋中緯度での　　　　　　　　　　　　　　　　　　　衛星観測データと船舶観測データとの精度検証

・ 笠原ほか (2003) 　・・・赤道・アメリカ沿岸ブイデータと　　　　　　　　　　　　　　 衛星格子・ NWP データの精度検証および、　　　　　　　　　　　　　　 中・高緯度でのデータセット間の相互比較

データセットの相互比較

NDBC

TAO/TRITON PIRATA

しかし、・ブイは赤道に集中・船舶観測は期間・海域が様々

現場観測データの少ない中・高緯度では、現場データとの比較が困難　⇒　各データセット間の相互比較

衛星・ NWP データの精度検証において衛星データに比べ、 NWP データはブイとの系統・ランダム誤差が大きい

笠原 (2004) による相互比較結果

衛星データ： QSCAT/J-OFURONWP データ： NRA-1

⇒ 海上風、海面応力にて

QSCAT/J-OFURO < NRA-1図 ① : 海上風東西成分の 2000 年平均場 (a):QSCAT/J 、 (b):NRA-1図 ② : 2000 年での緯度平均した東西成分海上風の南北プロファイル

(a)

(b)

① ②

しかし、 NRA-2 データは、「次世代データとして考えておらず、いくつかの要素は NRA-1 よりも良くない可能性がある。 NRA-1 と 2 の二つを継続して作成していくことにより、比較を簡単に行える。」 (Kanamitsu et al., 2002) ⇒NRA-2 データ傾向の把握のため、精度検証が必要　

新たな NWP データ

NRA-1 ・・・アメリカ NCEP/NCAR が作成、配布している NWP データ

近年、 NRA-1 に存在した既知のエラーを修正した、「 NRA-2」データを作成・配布

新たな現場観測データKuroshio Extension Observatory(KEO) ブイ ・・・　近年、 NOAA/PMEL が北西太平洋黒潮続流域にブイを設置。

　・期間： 2004 年 6月 16日　・位置： 144.5oE 　 - 　 32.3oN

⇒ 現場観測データが少ない太平洋中緯度での精度検証が可能。

目的近年新たに設置された KEO ブイを利用し、これまで困難であった太平洋中緯度の衛星・ NWP データの精度検証を行う。

新たに作成された NRA-2 データセットの傾向把握、また、衛星・ブイの期間が延長していることから、赤道ブイを中心とする現場観測データとの精度検証を行い、再度精度を確認、 NRA-2 を含めた相互比較を行う。⇒ データセット選択の指標・注意を喚起

新たに作成、精度を検証した高解像度衛星データを用いて、近年注目される、海洋から大気への作用検出を試みる

① 　・・・

② 　・・・

③ 　・・・　

使用データ

衛星格子データ・ QSCAT/J-OFURO・ QSCAT/IFREMER・ QSCAT/LEVEL-3

NWP データ・ NRA-1・ NRA-2

⇒ 主な違いは格子作成方法J-OFURO ・・・荷重平均法 (Kutsuwada,1998)IFREMER ・・・最適内挿法LEVEL-3 ・・・単純平均

海面応力データは NCEP から提供される Momentum Flux を使用以後それぞれ、 NRA-1/FLUX 、 NRA-2/FLUX と記す

太平洋中緯度において

KEO ・太平洋 NDBC ブイとの比較結果から・ QSCAT/J-OFURO 　・・・　平均差≒ 0・ NRA-1 　・・・　海上風・海面応力を過大評価・ NRA-2 　・・・　海面応力を過大評価＞ NRA-1

中緯度外洋にて、データ間の相互比較

QSCAT/J-OFURO NRA-2/FLUX

NRA データは中緯度の広域で海上風・海面応力を過大評価

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERQSCAT/LEVEL-3NRA1/WNDNRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUX

(N/m2)

Lat

.(N

)

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERQSCAT/LEVEL-3NRA1/WNDNRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUX

(N/m2)

Lat

.(N

)

130E-140W 海域平均した海面応力南北プロファイル (a:東西、 b ：南北 )

結果②を含め、太平洋・大西洋にて・南北成分を顕著に過大評価・ KEO 比較結果と傾向一致

⇒KEO ブイ測点は中緯度評価に重要

a b

NRA-2 ・ FLUXQSCAT/J-OFURO

NRA データは Curl-tau を過大評価

NRA データの Curl-tau 過大評価はSverdrup 流量にも影響 (Aoki and Kutsuwada,2007)

データの信頼性⇒継続的な精度検証・相互比較

太平洋中緯度において

KEO ・太平洋 NDBC ブイとの比較結果から・ QSCAT/J-OFURO 　・・・　平均差≒ 0・ NRA-1 　・・・　海上風・海面応力を過大評価・ NRA-2 　・・・　海面応力を過大評価＞ NRA-1

Curl-tau を算出し比較

・ QSCAT/J-OFURO 　・・・　海上風・海面応力を精度良く評価・ NRA-1 　・・・　海上風・海面応力を過大評価⇒ 過去の比較と一致

・ NRA-2 　・・・　

・東西成分 FLUX 平均差　＞ NRA-1・海上風平均差　＜　 NRA-1・ RMSD ＞ NRA-1 　⇒スペクトル解析により、ブイとの変動が大きく異なる

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20

NRA-1 Wind vs FLUX

y = -0.0240 + 0.0200x R= 0.774

NR

A1/

FL

UX

(N/m

2 )

NRA-1(m/s) 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20

NRA-2 Wind vs FLUX

y = -0.0391 + 0.0257x R= 0.838

NR

A2/

FL

UX

(N/m

2 )

NRA-2(m/s)

⇒ 海上風に対する海面応力の傾きが大きい＞ NRA-1図：縦軸 NRA/FLUX 、横軸 NRA 海上風（ a:NRA-1 、 b:NRA-2 ）

NRA-2/FLUX の東西成分平均差が大

a b

① ・②結論

NRA-1 NRA-1/FLUX⇒

NRA-2 NRA-2/FLUX⇒

⇒それぞれデータの傾向が違う

データ選択に注意

≠

ブイとの精度検証・相互比較の結果

衛星・ NWP データの大気海洋相互作用への応用

　近年、衛星・ NWP データを利用した、新たな大気海洋相互作用現象が報告

Chelton(2004) ・・・　 Gulf-Stream 海域にて、海面水温高温域と正の Curl-tau が正相関Xie(2004) ・・・　黒潮続流域にて、海面水温と海上風速が正の関係

従来の大気⇒海洋への作用とは逆の関係

海面水温の高い海域では、海洋からの蒸発によって鉛直混合が発生、大気上方から下方に運動量が輸送され、海上風が強化される

海洋から大気への作用のメカニズム

・従来　・・・　海上風　⇒　風成循環流　＝　大気から海洋への作用（総観規模現象）

・近年　・・・　海洋から大気への作用（局所的現象）

海上風は大気上方につれて指数関数的に上昇

海洋⇒大気への作用

Curl-tau>0

高解像度データの必要性

・大循環モデルの駆動力に入力される海上風において、　入力する海上風データの特性により、結果に差異が生じる

⇒ 　データセットの特性把握・選択が必要　←　精度検証

Chelton(2004) より High-pass Curl-tau & SST

信頼性ある、高空間解像度データが必要

海洋⇒大気への作用解明・・・高解像度データが必要

(a) (b)(c)

・格子間隔の粗い海上風データを使用した場合、　局所的な現象である海洋⇒大気への作用検出が困難

(a):QSCAT/Curl-tau(b):NRA-1/Curl-tau (c):SST(Color) 、 Tau(Vector)

使用データ＜海上風＞・ QSCAT/J-OFURO 　・・・　局所的な現象検出のため、格子間隔を 0.5°とした・ Aqua/AMSR-E ・・・　衛星観測海上風速のみ（風向は観測していない）　　　　　　　　　　　　　　 RSS より取得。 0.25° 格子、期間： 2002 年～

＜海面水温＞・ MergedSST ・・・東北大学大気海洋センターより取得。　　　　　　　　　　　 0.005° 格子、日本近海のみ、期間 2003/6～・ TRIMM/TMI ・・・ RSS より取得、 0.25° 格子、期間： 1998 年～

結果③　高解像度データの大気海洋相互作用現象への応用として

高解像度 QSCAT/J-OFURO データを用いて、海洋から大気への作用検出

海面水温データ処理・それぞれの緯度により、緯度平均値からの偏差を算出　⇒総観規模の海面水温場を除去

⇒同海域の３ヶ月平均場にて検出を試みるが、季節的な特性は把握できず

J-OFURO による Curl-tau ・海上風速 (Contour) と MergedSST 海面水温偏差 (Color)

１年平均場にて海洋⇒大気への現象を検出

Xie(2004) より上 :海面水温 (℃) 、下 :海上風速 (m/s) (2001 年 4-7月平均場 )

Xie(2004) より、 3ヶ月平均場、局所的に現象検出が報告Chelton(2004) より、海面水温勾配が大きい海域は作用が大

⇒ 期間の長い TMI 海面水温にて、海域・季節依存性特定のため海域を限定して月ごとに AMSR-E 海上風と比較 (小山 ,2007)

季節によらず、正の関係が検出。しかし、特定の月では低相関⇒季節風の卓越により大気⇔海洋現象が卓越、検出困難

③結論

＜海洋⇒大気への作用検出への応用＞　・高解像度 J-OFURO データセットは、現象把握に有効　⇒ NRA データでは、格子間隔の粗さから検出が困難

　・黒潮続流域では、季節依存性なく現象検出　⇒海面水温勾配の高い海域では、高い正の関係

　・季節風が卓越する時期は大気⇒海洋への現象も活発、　　海洋⇒大気への作用のみ検出は困難

＜今後の課題＞・海上風の High-passフィルター方法⇒Chelton(2004) と同様？

・海面水温勾配による比較⇒ 海面水温 High-passフィルターは緯度平均からの偏差でよいか？

付録

・衛星格子データの異常日KEO ブイとの比較過程にて、 QSCAT データにブイと正負（風向）が逆転する日が存在。

-20

-10

0

10

20

30

-20 -10 0 10 20 30

QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERNRA1NRA2QSCAT/J-OFURO 05

Zon

al W

ind

Spee

d (m

/s)

KEO(m/s)

-15

-10

-5

0

5

10

15

11/12 11/13 11/14

KEO 10min

KEO day

QSCAT/J-OFURO

QSCAT/J-OFURO 05

QSCAT/IFREMER

QSCAT/LEVEL-3

NRA1

NRA2

Zon

al W

ind

Spe

ed (

m/s

)

Day

⇒QSCAT/SeaWinds の観測が KEO 上で少ない　　＋風向が 1日のうちに大きく変化

⇒J-OFURO 、 IFREMER は異常日が異なる

J-OFURO IFREMER

7/1 ● ×8/25 ○ ○8/27 ○ ○

11/13 ○ ×

1/15 ○ ×3/1 ● ×3/3 × △6/4 × △

2005

QSCATDateYear

2004 QSCATデータの KEOブイとの異常日○:異常日●:QSCAT/J-OFURO1度格子のみ異常日△:ブイ海上風と 5m/s以上差がある×:異常日ではない

・北半球中緯度は、全球において観測数が少ない（ a ）・ QSCAT/SeaWinds にて、降雨時（ Rain Flag ）の観測は精度が低下するため、欠測値としている（ b ）⇒Rain Flag を含め、観測数を増加・空間荷重範囲を小さく⇒異常日はなくなる？

衛星観測個数の問題

DATA/Ver Zonal Meridional

QS/1 150 75 ×QS/2 150 75 ○QS/3 100 50 ×QS/4 100 50 ○

(km)空間荷重範囲Rain Flag

a b4パターンの J-OFURO を作成

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

6/30 7/1 7/2 7/3 7/4

KEO 10minKEO dayQSCAT/J-OFURO 05QS/1QS/2QS/3QS/4

Zon

al W

ind

Spee

d (m

/s)

Day

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

8/26 8/27 8/28

KEOKEO dayQSCAT/J-OFURO 05QS/1QS/2QS/3QS/4

Zon

al W

ind

Spee

d (m

/s)

Day

J-OFURO荷重平均観測数　 00-05ave(L) SD(R)

観測数・・・赤道：多、北半球の中・高緯度：少変動・・・太平洋中緯度では、衛星軌道に沿った菱形の高 SD 海域が存在

衛星データの異常値は気象条件と衛星観測数が関係していると考えられる。また、 NRA/WND は NRA/FLUX に比べ統計結果が悪い。

これらについて、・ KEO ブイから、 NRA/WND と同じ 0,6,12,18時から作成した KEO/6hr を作成。・同様に衛星観測がおおよそ同じ海域で 1日 2回なので、 6,18時から KEO/12hr を作成。意図的にサンプリング数を減らした二つのデータと比較して、観測時間の違いによって精度の変化があるのかを調べた。

海面水温の高い海域では、海洋からの蒸発によって鉛直混合が発生、大気上方から下方に運動量が輸送され、海上風が強化される

海上風は大気上方につれて指数関数的に上昇

海面水温が高い海域の上空の大気で対流活動が盛んになり、海上風の低気圧性運動が起こる。

海上風の回転により表層の海水が発散し、深層の海水が湧昇、海面水温を下げる。

Curl-tau > 0

Curl-tau > 0

海洋⇒大気への作用

大気⇒海洋への作用

新たな大気 - 海洋相互作用のメカニズム

・従来　・・・　海上風　⇒　風成循環流　＝　大気から海洋への作用（総観規模現象）・近年　・・・　海洋から大気への作用（局所的現象）

結果①

Name of Data sets Corr. Coeff MeanDiff RMSD Corr. Coeff MeanDiff RMSD

QSCAT/J-OFURO 0.90 -0.01 2.289 0.91 -0.17 2.069

QSCAT/LEVEL-3 0.94 0.00 2.216 0.96 -0.15 1.526

QSCAT/IFREMER 0.94 0.00 2.031 0.95 -0.20 1.609

NRA1 0.94 0.61 1.540 0.89 1.30 1.320

NRA2 0.93 0.32 2.200 0.93 0.50 1.570

Meridional

Wind Speed

Zonal

KEO ブイ観測値と、統計値にて比較した結果、海上風では

⇒ 平均差 QSCAT 0≒ 、 NRA-1,2>0

Name of Data sets Corr. Coeff MeanDiff RMSD Corr. Coeff MeanDiff RMSD

QSCAT/J-OFURO 0.90 0.000 0.050 0.87 0.000 0.040

QSCAT/LEVEL-3 0.92 -0.006 0.047 0.91 -0.002 0.041

QSCAT/IFREMER 0.93 0.000 0.053 0.89 -0.001 0.050

NRA1/FLUX 0.90 0.009 0.050 0.89 0.030 0.020

NRA2/FLUX 0.91 0.024 0.040 0.89 0.014 0.030

MeridionalZonal

Wind Stress

海面応力比較結果では

⇒ Tx 平均差 :NRA-1 < NRA-2 、 RMSD ： NRA-1 > NRA-2 ・・・海上風と傾向が違う

ブイとの精度検証・相互比較の結果

・ QSCAT/J-OFURO 　・・・　海上風・海面応力を精度良く評価・ NRA-1 　・・・　海上風・海面応力を過大評価⇒過去の比較と一致

・ NRA-2 　・・・　

・ FLUX 平均差　＞ NRA-1・海上風平均差　＜　 NRA-1・ FLUX ・海上風 RMSD ＞ NRA-1・東西成分平均差　＞　 WND

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20

NRA-1 Wind vs FLUX

y = -0.0240 + 0.0200x R= 0.774

NR

A1/

FL

UX

(N/m

2 )

NRA-1(m/s) 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20

NRA-2 Wind vs FLUX

y = -0.0391 + 0.0257x R= 0.838

NR

A2/

FL

UX

(N/m

2 )

NRA2(m/s)

⇒ 海上風に対する海面応力の傾きが大きい＞ NRA-1図：縦軸 NRA/FLUX 、横軸 NRA 海上風（ a:NRA-1 、 b:NRA-2 ）

10-3

10-2

10-1

100

101102103

KEOQSCAT(J-OFURO)NRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUXLowerUpper

Spe

ctra

l Den

sity

(N

/m2 /c

pd)

Priod(day)

NRA-2/FLUX の平均差が大

a b

⇒ 現場観測データと変動が大きく異なる図：各海面応力データでのスペクトル（データ期間： KEO データの存在する 500日）

RMSD が大

① ・②まとめ

Report of the Working Group on Air Sea Fluxes 　より

データの傾向が　 NRA ≠ 　 NRA/FLUX 　・・・　大気密度 ×抵抗係数が起因？

NRA 海面応力について

2DC W

NRA/FLUX はモデル内で算出一般的に海面応力は、下記のバルク式により 10分毎平均値から算出される

τ ：海面応力CD:抵抗係数

ρ ：大気密度W ：海上風

バルク式による CD の決定⇒抵抗係数算出式

NRA6時間毎海上風から、抵抗係数に海上風のみが作用するLarge and Pond (1981) を用いた NRA/WND を作成、以降比較　⇒ NRA-2 のエラーの修正による FLUX への影響を確かめる

VS KEO

Name of Data sets Corr. Coeff MeanDiff RMSD Corr. Coeff MeanDiff RMSD

NRA1 0.94 0.61 1.540 0.89 1.30 1.320

NRA2 0.93 0.32 2.200 0.93 0.50 1.570

NRA1/FLUX 0.90 0.009 0.050 0.89 0.030 0.020

NRA1/WND 0.83 0.021 0.060 0.62 0.040 0.070

NRA2/FLUX 0.91 0.024 0.040 0.89 0.014 0.030

NRA2/WND 0.89 0.012 0.080 0.87 0.014 0.100

Meridional

Wind Stress

Zonal

Wind Speed

⇒NRA-2/FLUX は WND と比較して東西成分平均差を大きくする

QSCAT/J-OFURO

NRA-2/FLUX

NDBC 　 PIRATA

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERQSCAT/LEVEL-3NRA1/WNDNRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUX

(N/m2)

Lat.(

N)

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERQSCAT/LEVEL-3NRA1/WNDNRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUX

(N/m2)

Lat

.(N)

70W-10E 海域平均した海面応力南北プロファイル (a:東西、 b ：南北 )

a b

・太平洋と同様に、 NRA-1,2 は中緯度で海上風・海面応力を過大評価・赤道域では ±10o で NRA-2/FLUX が顕著に大きい

NRA-2 は赤道海域で、強い収束帯を形成する傾向にある

NDBC

TAO/TRITON PIRATA

過去に検証が行われた、ブイデータ・ TAO/TRITON ・・・太平洋赤道・ NDBC ・・・大西洋アメリカ沿岸・ PIRATA ・・・大西洋赤道⇒NRA-2 の傾向把握、過去の比較からブイ期間を延長して比較

QSCAT/J-OFURO

NRA-2/FLUX

TAO/TRITON

⇒NRA-1 南北成分が赤道（ 2oN付近）で顕著に負、南部で NRA-1,2 共に正に大きい 　 NRA-2 は 10～ 15oN付近で負に大きい

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20 QSCAT/J-OFUROQSCAT/IFREMERQSCAT/LEVEL-3NRA1/WNDNRA1/FLUXNRA2/WNDNRA2/FLUX

(N/m2)

Lat.

(N)

130oE-140oW海域平均した海面応力南北プロファイル

NRA- １ /FLUX

笠原 (2004) 　・・・　二つの観測データを合わせ、観測密度を倍にして高解像度データを作成高解像度：　従来 1.0°格子　⇒ 0.5°格子

QSCAT/SeaWinds単一での J-OFURO 1.0→0.5 度格子化は欠測なく、信頼性を維持

QSCAT/SeaWinds ADEOS-2/SeaWinds

海上風観測衛星・ QSCAT/SeaWinds 　・・・ 1999/7 – 2007/2～・ ADEAS-2/SeaWinds ・・・ 2003/4 – 2003/9⇒短期間であるが、 2 つの同測器を持つ衛星

⇒ 　 QSCAT/J-OFURO-05 ≒　 QSCAT&ADEOS-2/J-OFURO-05

比較のため、 QSCAT/SeaWinds単一での高解像度データを作成

図： Curl-tau 平面分布図 (x10-6N/m3)

QS ＆ AD-2/J QS/J