海の研究
(Oceanography in Japan),23
(1),13-27,
2014
─ 総 説 ─
21 世紀初頭の衛星海面高度計*
市川 香†
要 旨
TOPEX/Poseidon と ERS–1 衛星によって,海洋研究用の衛星海面高度計の運用が本格
的に開始したのは,20 世紀も終わり近くの 1992 年であった。それからわずか 10 年足らず
のうちに,海面高度計は 20 世紀の海洋物理学を推進させた代表的な海洋観測測器の一つ
となった。その海面高度計に,ここ数年,新しい動きが出はじめている。本稿では,これ
までの海面高度計の歴史を簡単に振り返りながら,海面高度計と海洋研究の今後の展望を
探る。
キーワード: 衛星海面高度計,海面高度計コンステレーション,COMPIRA ミッション
けずに求めることができる。
1. はじめに
海面力学高度の凹凸は海面付近の圧力分布を示すた
め,運動方程式の中での解釈がしやすい。特に,圧力傾
衛星海面高度計は,人工衛星の直下にマイクロ波のパ
度力とコリオリ力が釣り合う地衡流の関係により,海洋
ルスを発射し,海面で反射した電波を受信して伝達時間
上層の海流情報を知るうえで,海面力学高度の傾斜は非
を計測することで,衛星と海面間の距離を計測する測器
常に有用である。ちなみに,船舶による現場観測などで
である(今脇ら,1989;市川,2002 )。衛星の軌道高度を
は,海面力学高度とほぼ等価な量として力学的海面高度
別途求めると,計測した衛星と海面間の距離を,海面の
を計算してきた。ある密度 ρ の層の厚さ dz と上下の圧
高さ(海面高度)に変換できる。さらに,地球の重力場
力差 dp が,重力加速度 g を用いて静水圧の関係 dp/dz
だけで生じる海面の凹凸(仮想的な静止海面の凹凸)で
=- ρg として書けることから,海流が弱く圧力傾度が
あるジオイド高を除き,風波や潮汐などの短周期変動成
小さいと期待できる深部(無流面)から海面まで鉛直積
分を分離すると,海面付近の流れによって生じた海面力
学高度の分布を求めることができる。残念ながら,海上
分して,力学的海面高度
ſdz = ſ
-dp
ρg が求められる。
ジオイドの精度は十分に高いとは言い難いが,一般にジ
つまり,海面力学高度(力学的海面高度)は,多くの場
オイドの時間変化は小さいので,少なくとも海面力学高
合に海洋内部の密度構造を反映しており,特に,ρ の変
度の時間変動成分だけは海上ジオイドの誤差の影響を受
化が大きい主温度躍層の上下動との対応が良いことを意
味している。
2013 年 6 月 11 日受領,2013 年 8 月 23 日受理
著作権:日本海洋学会,2014
† 九州大学応用力学研究所
〒 816-8580 福岡県春日市春日公園 6-1
e-mail:[email protected]
*
海面力学高度にこういった性質があるので,中規模渦
の挙動やロスビー波の伝搬から,黒潮の蛇行やエル・
ニーニョ現象の記述に至るまで,様々なスケールで時間
変動する擾乱に関する我々の知見は,衛星海面高度計に
14
市川 香
よって著しく進展した。さらに,今ではほとんどの現業
れるほど浸透しているためで,成果の例を挙げだすと膨
のデータ同化モデルに衛星海面高度計のデータが組み込
大なものになるからである。衛星海面高度計観測の意義
まれて使われているため,こういった間接的な関与まで
や成果に関しては,海面高度計に関する雑誌の特集号や
含めれば,衛星海面高度計の恩恵に与っていない海洋学
書 籍( 例 え ば,Fu et al., 1994 ; Cheney,1995 ; Fu and
者はほぼ居ないと言っても良い。
Cazenave,2001 )や,海面高度計用のポータルサイト
( Rosmorduc et al., 2011 ; AVISO website ; JPL website )
ここまで普及した衛星海面高度計の本格的な運用が開
始されたのは,およそ 20 年前の 1992 年であった。ア
などを参照して頂きたい。
メ リ カ NASA と フ ラ ン ス CNES の 共 同 運 用 衛 星 と,
ヨーロッパの ESA の運用する衛星の二系統の高度計観
2. 20 世紀の衛星海面高度計
測がこの年に開始されて以来,後者に短期間の中断はあ
るものの,この観測体制がずっと維持されてきた。衛星
2.1 1990 年代以前
海面高度計が,研究利用だけでなく現業利用の主幹とし
て海洋物理学に不可欠な測器となったのは,単に海面力
衛 星 海 面 高 度 計 は,GEOS–3 で の 試 験 的 運 用 の 後,
学高度が運動方程式を通して数値モデルとの親和性が高
1978 年 の NASA の Seasat で 正 式 に 観 測 を 開 始 し た。
かっただけではなく,これらの運用機関がデータの品質
ところが,電気系統のトラブルにより,わずか 3 ヵ月で
を維持するために不断の努力をしてきた功績も大きいと
この観測が終了してしまう( Fig. 1 )。ゆっくりと変動
言って良いだろう。
する海面力学高度の時間変動成分を計測するには,いか
そんな衛星海面高度計の観測体制に,数年ほど前から
んせん 3 ヵ月という観測期間は短すぎた。そのうえ,衛
変化が出始めた。そこで本稿では,簡単に衛星海面高度
星海面高度計の観測誤差の主要因の一つである衛星の軌
計の歴史を振り返りながら,最近の衛星高度計の動向に
道高度決定誤差が海面力学高度の信号強度の数倍以上の
ついてまとめ,この後十数年間の展望について記述して
大きさがあったなど( Fig. 2 ),残念ながら Seasat には
いく。なお,ここでは,海面高度計を用いた科学的成果
海面力学高度の観測測器としては大きな難点があった。
に関するまとめは行わない。これは,上述したように,
それでも,変動幅が数 m 以上と大きい海底地形やジオ
もはや海面高度計は多種多様な分野で意識されずに使わ
イドの推定など,海面高度測定の測地学的な利用として
75
80
85
90
95
00
05
10
I
GEOS-3
TOPEX/Poseidon
Seasat
Geosat
80
85
90
T
95
15
I
Jason-1
T
Jason-2
2
HY-2A
H
Y-2
Y-2A
Y
2A
2
A
GFO
GF
FO
F
O
ERS-1
75
T
13
GFO
GFO-2
G
FO
F
FOO-2
O
Sentinel-3
Sentinele tinell-3
ERS
ERS-2
ERSRS-2
00
T
Envisat
Envisa
nvisa
n
nvi
s t
sa
CryoSat-2
CryoSa
Cry
C
ryoSat-2
yoSat-2
oSat
S t
05
10
SARAL
S
ARAL
AR
RA
RA
AL
13
15
Fig. 1. Summary of satellite altimeter missions up to 2015. Mission phases with frequent but sparse
subsatellite tracks are plotted upper part of the figure, while those with dense but rare tracks are shown in
the lower part. Character “T ” means the tandem mission, while “I ” indicates the interleaved tandem mission
in which their track patterns are the same as the original ones, but shifted in time or space.
21 世紀初頭の衛星海面高度計
15
Fig. 2. Improvements in the orbit error( Credits, CNES ; Rosmorduc et al ., 2011, http://www.altimetry.info/ ).
は,非常に有効であった( Haxby et al., 1983 )。
の,比較的信号強度の大きな擾乱を抽出することは可能
この成果を受けて次の海面高度計 Geosat を打ち上げ
であった(例えば,Ichikawa and Imawaki, 1994 ; Aoki
たのは,アメリカ海軍であった。打ち上げ後の 2 年弱の
et al., 1995 )。この結果,外洋には中規模渦が満ちてい
測地ミッションは,当時機密扱いとなっていて,主に軍
るという,当時としては斬新な描像が提供されるように
事的な目的で全球的な重力場の観測が行われた。その
なった。だが,1988 年以降は欠測が目立ちだし,1990
ミッション終了後の 1986 年末より,主に海洋学での利
年 1 月には海面高度計の運用が止まってしまい,ここか
用向けに,水平距離で 150 km 程度の間隔の軌道を約 17
らしばらく衛星海面高度計の観測の空白期間が続く。
日で繰り返す Exact Repeat Mission( ERM )が開始され
,このデータは一般公開された。この当時のジ
( Fig. 1 )
オイド高の誤差は海面力学高度の変動幅よりも一桁大き
2.2 高精度観測への動き
かったため,1 節で述べたように,海面高度計はジオイ
満 を 待 し て 1992 年 に 登 場 し た の が, ア メ リ カ の
ド誤差の影響を受けない時間変動成分のみに限定せざる
NASA の JPL と フ ラ ン ス の CNES の 共 同 運 用 の
を得なかった。だが,海面力学高度の時間変動成分を抽
TOPEX/Poseidon( T/P )である。電離層による電波伝
出する作業において,測点位置がずれるとジオイドの空
達経路の屈折の影響を評価するために Ku バンドと C バ
間的な凹凸構造の違いも含まれてしまう。このため,軌
ンドという二周波の高度計を搭載したり,地球重力場の
道を固定して観測を行う ERM は非常に有効な手法だっ
急峻な起伏の影響や大気抵抗を受けて人工衛星が不安定
た。実際,これ以降の衛星海面高度計では,(測地学的
な運動をしないように軌道高度を高くしたり,潮汐信号
な目的の場合を除き)ERM を行うことが主流となった。
を分離しやすくなるように主要分潮のエイリアシング周
当時の軌道決定精度は依然として良くはなかったが
,軌道誤差を長波長の関数として除くなど適切
( Fig. 2 )
なデータ処理をすれば,西岸境界流からの切離渦など
期を考慮して軌道の ERM 繰返し周期を設定するなど,
高精度の観測ができるように細心の注意を払って設計さ
れた。
16
市川 香
こうした準備のおかげで,T/P の海面高度の計測誤
差は 2 ~ 3 cm 以内と格段に小さくなり( Fig. 2 ),多く
程度と広くなり,中規模渦程度の空間スケールの現象を
捕捉できないことがある,といった問題が生じる。
の海洋信号を検出することが可能となった。特に,それ
ERS–1 は,1992 年 4 月 か ら 1993 年 12 月 ま で, 海 洋
まで軌道誤差を除くために取り除かれてきた長波長の信
観測を主目的とするミッション・フェーズ C となった。
号が扱えるようになり,夏半球で熱膨張による海盆ス
このフェーズでは,周回周期が 35 日と長いが軌道間隔
ケールの海面上昇(ステリック・ハイト)が顕著に見ら
が約 75km と短い軌道パターンを採用しており,ちょう
れることや,海洋中のロスビー波などの波動伝搬に関す
ど空間分解能が粗い T/P の軌道パターンと対照的に
る理解が進んだ。また,約 10 日毎の ERM サンプリン
なっている。フェーズ C でのこの軌道パターンは,後
グによって 60 日周期にエイリアシングされた半日周期
継の ERS–2 や Envisat でも採用され,ERS シリーズの
の潮汐は,調和解析のような簡便な方法で推定でき,比
標準的なものとなった( Fig. 1 )。時間分解能に優れた
較的精度良く潮汐信号の補正を行うことも可能であった
T/P と同時期に,空間分解能に優れた ERS シリーズの
( Yanagi et al., 1997 )。
なお,T/P による高精度測定は,単に T/P だけの観
観測を使うことができたため,両者を併用することで時
間と空間の分解能のどちらも犠牲にすることなく海面高
測精度ではなく,それ以降の衛星海面高度計の観測精度
度計の分布を得ることができるようになった。これが,
も大きく向上させた。衛星の軌道沿いの平均海面の分布
1990 年代の高度計のもう一つの大きな動きである。な
が高精度に求められたことでジオイドの理解も進み,地
お,後に 1998 年に Geosat の後継機である GFO(約 17
球の重力場の分布がより詳細に分かったことで,衛星の
日周期で約 150 km 間隔)が追加されて,さらに複数衛
軌道決定精度そのものが向上した。実際,Fig. 2 に示す
星観測体制が強化された。
ように,T/P とは軌道高度が異なる衛星であっても,
T/P 以降には衛星の軌道決定誤差自体が飛躍的に小さ
くなっている。また,T/P で外洋の潮汐信号が容易に
分離できたことで,潮汐モデル自身の向上が図られるよ
うになった。T/P 以降の衛星高度計はその恩恵を受け
て,いちいち時系列データの調和解析などを施すことな
3. 21 世紀以降の衛星海面高度計の動き
3.1 観測の長期化と現業化
海面高度計の有用性が確認されると,それを保持する
しに,数値モデルによる潮汐の推定値を用いるだけで,
ために衛星をシリーズ化して後継機へと引継ぎが行われ
外洋の潮汐信号を高精度に分離できるようになった。
るようになった。後継機への引継ぎが一番初めに行われ
たのは,ミッション・フェーズを様々に変えて軌道のパ
2.3 複数衛星化の動き
ターンを変化させていた ERS–1 だった。フェーズ G が
始 ま る 1995 年 3 月 か ら, フ ェ ーズ C の 軌 道 に ERS–1
T/P の 前 年 に ESA が 打 ち 上 げ た ERS–1 は,Seasat
を戻し( Fig. 1 ),同じ軌道に後継機の ERS–2 を飛ばす
同様,海面高度計以外のセンサーも搭載しており,一定
「 tandem mission 」に入った。この tandem mission で
期間(ミッション・フェーズ)ごとに観測対象を選び,
は,現役の衛星とほぼ同じ場所の海面高度をほぼ同時に
それに応じて軌道のパターンを変えていた。衛星の周回
観測することで,後継機のセンサー類の校正を行って,
軌道は,周回周期を短くすると隣り合った軌道間の間隔
海面高度観測の連続性を確保する。21 世紀に入ると,
が広くなり,逆に軌道間の間隔を狭くすると周回周期が
T/P か ら 後 継 の Jason–1 へ,Jason–1 か ら Jason–2 へ,
長くなるという,時間と空間の分解能がトレードオフの
ERS–2 か ら 後 継 の Envisat へ と, 合 計 3 回 tandem
関係にある。特に,衛星の直下しか計測できない海面高
mission が行われており,1992 年に設定された軌道パ
度計の場合,軌道のパターンが観測の分解能と直結して
ターンの観測を 20 年以上継続するために不可欠な手順
しまう。例えば T/P の場合,ERM 周回周期が約 10 日
となっている。
と比較的短いが,そのぶん軌道間隔が中緯度で 300 km
こうしたシリーズ衛星の引継ぎとともに,陸上・海上
21 世紀初頭の衛星海面高度計
17
における校正チームの不断の努力によって,全球の海水
たが,それに加えて,地球の質量分布の時間的な変動ま
位分布の長期連続データが取得できるようになった。こ
でが議論されるようになった。これまで,重力場は固体
うした長い期間のデータをもとに,全球平均した海水位
地球の質量分布で決まるために地質学的な時間スケール
が年間 3 mm のペースで上昇していることが,季節変動
でのみ変化が生じるものとして取り扱われてきたが,例
やエル・ニーニョなどのイベントと明確に区別される有
えば順圧的な海水の移動や,氷山の結氷や融解などに
意な信号として示すことができた( Fig. 3 )。しかも,
よって質量分布が変わると,それに従って重力場もわず
こうした海水位上昇は全球で一様ではなく,海洋大循環
かに変化する。重力の絶対値に比べると変動量は極めて
の強さの変化などに応じた空間的な分布があって,海域
小さいが,重力場ミッションでは,こうした重力場の微
によっては水位が低下していることも分かった。こうし
小な時間変化を,衛星測地学的な空間スケールで検出す
た知見は,潮位計など場所が限定されたネットワーク観
ることができる。このデータを用いると,上述した海水
測だけでは達成できないものである。
位上昇のうち,質量分布の変化を伴う氷の融解によるも
ちなみに,衛星海面高度計と非常に親和性の高い,地
のと,海水柱の全質量の変化を伴わない熱膨張による効
球の重力場を計測する重力場ミッション( CHAMP,
果とを分離することが可能で,両者の比はおよそ 4 対 6
GRACE や GOCE など)が,2000 年ごろから本格化し
程 度 で あ る と 言 わ れ て い る( Domingues et al., 2008 ;
た。これらの重力場ミッションによって,人工衛星から
Riva et al., 2010 ; Willis et al., 2008 )
。
検知できる数百 km 以上の大きなスケールのジオイドの
衛星海面高度計の長期シリーズ化の財政的な背景に
精度が向上して衛星海面高度計の軌道決定精度が上がっ
は,オペレーショナルな測器として現業利用することが
70
60
TOPEX
Jason−1
50
∆MSL (mm)
40
Jason−2
60−day smoothing
Inverse barometer applied, GIA corrected
30
20
10
0
Rate = 3.2 ± 0.4 mm/yr
−10
University of Colorado 2013_rel1
−20
1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Fig. 3. Time series of the global mean sea level measured by satellite altimeters( Credits, University of
Colorado; Nerem et al ., 2010 ).
18
市川 香
前提とされている。実際,現在稼働中の Jason–2 では,
ンを追加することができた。
T/P 当初から運用に携わってきた JPL と CNES に,現
海面高度計の同時稼働個数が増加したもう一つの理由
業利用を担当する NOAA と EUMETSAT が加わって
は,新規国が衛星海面高度計の打上げへ参入したことで
おり,今後の Jason–3 や Jason–CS では後者が運営の主
ある。多種センサーを搭載した ERS/Envisat のシリー
体となる予定である。Jason シリーズの衛星海面高度計
ズは,ヨーロッパの地球監視 GMES 計画として複数の
は,もはや研究のための実験衛星というより,現業での
Sentinel 衛星として継続展開されるが,高度計を搭載す
実利用データ収集を主目的とした実利用衛星という位置
る Sentinel–3 の軌道パターンは,Envisat のものとは異
づけとなっている。
なっている。その代わりに Envisat の軌道パターンで海
海面高度計の現業利用への流れは,間違いなく,Argo
面高度を計測するのが 2013 年の 2 月に打ち上げられた
計画の全球プロファイリング・フロート観測と,データ
SARAL で,これはフランスの CNES とインドの ISRO
同化手法の発展によって加速された。Argo と Jason は,
の共同運用である。2014 年まで運用が延長される予定
命名の段階からギリシャ神話の Argo 船と Jason 船長の
だった Envisat の通信が 2012 年に途絶したため,残念
関係性が意識されていたように,強いパートナーシップ
ながら tandem mission こそできなかったが,別の宇宙
で結ばれている。海面の高度を海面高度計( Altimeter )
機関によって軌道パターンの後継がなされるほど,衛星
によって全球で均一に計測し,それに比べるとやや疎ら
海面高度計のコミュニティは既に大きく育っている。
ではあるが,海中の鉛直構造を Argo のプロファイリン
高度計搭載衛星の配置は,もはや常に数個で構成する
グ・フロートで観測して,それらをデータ同化( Data
ことができるようになり,今ではコンステレーション
Assimilation )によって均質な三次元データセットへと
(星座)として考える時期になっている。各衛星は,単
補間して,さらに時間発展を予測する。こうした「三つ
独のミッション要求だけでなく,コンステレーションの
の A 」を用いた一連の流れは,もはや海洋や気象・気
一部としてコミュニティに対してどのような役割を果た
候に関わる現業機関にとって不可欠なものとなってい
す の か, と い う 議 論 ま で が 求 め ら れ て い る。 実 際,
る。
SARAL の打上げの前々年の 2011 年に,中国の CNSA
がフランス CNES と組んでアジア初の海面高度計搭載
3.2 衛星海面高度計のコンステレーション
衛星 HY–2 を打ち上げているが,データの公表が遅い点
をコミュニティから非難されている。CNES や JPL が
2013 年 7 月に通信不良によって Jason–1 が引退した
長年培った経験を享受している分,コンステレーション
ため,2013 年 8 月現在で稼働中の海面高度計は 4 機に
の一部としての役割を果たすことが強く求められている
。だがこの数は,1992 年以前の 0 ~ 1
減った( Fig. 1 )
のだ。ちなみに CNSA は,2012 年の「海面高度計の 20
機,2002 年以前の 2 ~ 3 機と比べると,確実に増加して
年間の進展」の国際記念シンポジウムで,近日中にデー
いる。同時稼働している衛星の個数が増えた理由の一つ
タの公開を行うことを発表した(市川ら,2013 )。その
は,長期シリーズ化において,tandem mission で後継
後,CNES との協議を経て,AVISO が配布するデータ
機への引継ぎが終了した後の前世代の衛星を利用できる
に HY-2 のデータを含めることになったらしい。
ようになったことである。T/P や Jason–1 は,tandem
mission 終了後,本来の軌道と軌道の中間に来るように
新 し い 軌 道 を 空 間 的 に ず ら す interleaved tandem
3.3 沿岸域への拡張と高分解能化センサーへの動き
mission を開始した( Fig. 1 )。衛星やセンサー群の寿命
コンステレーションとして多数の衛星の配置を考える
が尽きるまでという期間の制約はあるものの,運用中に
ことができるようになってくると,Jason のような実利
慎重に制御・管理された T/P や Jason–1 は当初の想定以
用を前提とした参照用の長期シリーズ衛星を確保した上
上に寿命を延ばすことができたため,interleaved tandem
で,それとは別に,これまで試みられてこなかったよう
mission によって空間分解能を上げる新しい軌道パター
な実験的な目的の衛星を投入することが可能になる。こ
21 世紀初頭の衛星海面高度計
19
Fig. 4. Schematic figures for an altimeterʼs pulse (green) and echo (red) signals (top panels) with corresponding
footprints on the sea surface (middle panels) ; as the time proceeds (from the left to the right) , the pulse
reaches to the crests of waves at the nadir of the satellite, then the troughs of waves, and the surrounding
areas. The waveform received by the altimeter (bottom panels) shows a relatively gradual leading edge slope
if the wave height at the sea surface is significantly large( Credits, CNES ; AVISO altimetry website, http://
www.aviso.oceanobs.com/ ).
れが 21 世紀に入ってからのもう一つの傾向で,これま
waveform が想定から大きく変わってしまうため,単純
での衛星海面高度計が観測対象としてこなかったような
なアルゴリズムでは waveform の立ち上がり部分の形状
海域をターゲットとする動きが始まっている。
を特定できなくなる。このため,これまでの海面高度計
海面高度計は衛星直下に向けてパルス電波を打ち,そ
では,沿岸域と極域を主な観測対象から外してきた。
のパルスが照射する範囲( footprint )内で反射された電
しかし,特に沿岸域は人間活動への影響を考える上で
波の強度を時系列で計測する( Fig. 4 )。衛星直下付近
最も重要な海域であるため,近年になって衛星海面高度
の海面の波の山部で反射された電波が最初にアンテナに
計の沿岸域における利用が重要視されてくるようになっ
到達し,やや遅れて波の谷部で反射した電波,そして同
た( Cipollini et al., 2010 )。 こ の た め, 例 え ば 過 去 の
心円状に広がる照射領域で反射された電波が続いて受信
Jason 高度計の waveform データを再解析し,沿岸域で
される。衛星に搭載された高度計は,受信した反射電波
も使用できるようにアルゴリズムを再調整した研究用の
強度の時系列( waveform )から,反射強度の立ち上が
高分解能プロダクト PISTACH( Mercier et al., 2010 )な
り部分の時刻と時間変化率を決定し,衛星と海面間の距
どが作られるようになっている。
離と有義波高をそれぞれ推定している。ところが,半径
さらに,高度計センサー自身の改良も行われている。
数 km ほどの footprint の中に陸地や流氷など海面以外
つい最近打ち上げられた SARAL に搭載された AltiKa
の物体があると,それらからの反射電波の影響を受けて
高度計は,これまでの高度計に用いられてきた Ku バン
20
市川 香
ド(~ 13.6 GHz )や C バンド(~ 5.3 GHz )の電波では
なく,周波数の使用可能帯域幅が国際的に広めに定めて
ある Ka バンド(~ 35 GHz )を用いている。広い帯域幅
を使うと絞ったパルスが作れる( Fig. 4 左上で,衛星か
ら射出される緑線のパルスの厚みが薄くなる)ので,
waveform の立ち上がりを鋭くすることができ,比較的
陸の近くでも精度の良い計測ができるように設計されて
いる。Ka バンドは降雨の影響を比較的受けやすいため,
これまでの衛星海面高度計では使用が避けられてきた
が,あえてその Ka バンドを使用するところに,いかに
沿岸域の海面高度を観測する要請が強いかが窺える。な
お,最近の AltiKa データの解析結果によると,降雨に
よる欠測は当初推定されていたよりは少ないらしい。
また,もともと極域の氷の高さを計測する目的で打ち
上げられた Cryosat–2 には,SIRAL–2 という「 SAR モー
ド」で動作する高度計が搭載されている。SAR モード
高度計は,衛星が軌道上を移動することを利用した高空
間分解能の測器で,反射電波の強度だけでなく周波数も
Fig. 5. Schematic figure for the SAR-mode altimeterʼs distance measurements.
計測する。軌道上を移動する衛星から見て,直下点より
も前方から近づいてくる海面から反射した電波( Fig. 5
の赤色)と,後方に遠ざかる海面から反射した電波(青
4. 面的な海面高度計測へ
色)は,ドップラー効果によって異なる周波数に変調さ
空間分解能の非等方性は,もっと大きなスケールでも
れ て いる。 これ らを 区 別す るこ と で, 進 行 方 向 に 約
生じている。衛星海面高度計は衛星の軌道方向には連続
250 m の分解能で海面高度を計測することができる。た
的に海面高度を観測するが,軌道に直交する方向には,
だし SAR モードは大容量データの記録を必要とするの
数十~数百 km 離れた隣の軌道上までデータが全く存在
で,Cryosat–2 の SAR モードの計測は原則的に氷上の
しない。しかも,この「隣」の軌道上の海面高度のデー
みで海上では限定的にしか行われていない。同種の高度
タは,一般に時間的な隔たりがある。衛星が地球を一周
計 を 搭 載 す る 予 定 の Sentinel–3 で は, 全 海 域 で SAR
して同じ緯度に到達する頃(高度計の場合,およそ 2 時
モードの計測を行うことが提案されているが,現在まだ
間弱後)には,地球の自転によって観測点の経度が移動
議論中である。
している。経度の移動量は衛星軌道面の地軸に対する傾
なお,約 250 m という SAR モードの空間分解能は驚
異的だが,ドップラー効果が生じるのは衛星の進行方向
のみなので,軌道に直交する方向の分解能は従来の
きに依存するが,一般に,空間的にすぐ隣の軌道に到達
するのは,衛星が地球を何周か回った後になる。
軌道と軌道の間の海面高度分布が全く計測できず,隣
footprint のサイズの数 km のままである。このため,
の軌道とも時間差があるという問題は,現象の時・空間
空間分解能に非常に強い非等方性が生じる。一般に海岸
スケールが比較的大きい外洋域よりも,寿命が短く空間
地形は軌道とは直交しないので,SAR モードの 250 m
スケールも小さい現象が卓越する沿岸域や縁辺海で特に
の分解能が沿岸付近で必ずしもそのまま活用できるわけ
深刻である(岡ら,2013 )。すなわち,衛星直下の海面
ではない。
高度計測の空間分解能を向上させる前節の試みは,陸地
のすぐ近くの観測値を増やしたり,高度計が偶然真上を
通過した現象を細かく記述したりするには効果がある
21
21 世紀初頭の衛星海面高度計
SHIOSAI
nadir looking
altimeter
θ+δ
b
θ
δ)
(θ+
in
bs
H
osδ
rc
Δr
r+
h
δ
r cosθ
r
SHIOSAI
80km
Fig. 6. Concept of an interferometric SAR altimeter( after Nakamura et al ., 2012 ).
が,沿岸域や縁辺海の現象のモニタリングとしての利用
+Δr だとしよう( Fig. 6 )。距離 r の計測は,直下型高
にはそれほど有効ではない。
度計の H に準じた精度は期待できるものの,左右のア
そこで,2019 ~ 2020 年ごろの打ち上げを目指した次
ンテナ間の僅かな距離差Δr が正しく求められるほどの
世代の高度計として期待されているのが,JPL と CNES
精度はない。そこで,左右アンテナの受信電波を干渉さ
が 共 同 し て 計 画 中 の SWOT ミ ッ シ ョ ン や, 日 本 の
せ,その位相差を使ってΔr を正確に求める。このと
JAXA が計画中の COMPIRA ミッションなどの,干渉
き,Fig. 6 の角度 θ と δ に関して,
SAR 型の高度計である。ここでは,COMPIRA 衛星の
現在の設計案をもとに,干渉 SAR 型の高度計 SHIOSAI
r +Δr = r cos( δ ) + b sin( θ + δ )
の説明をしよう。Fig. 6 に示すように,COMPIRA 衛星
が成立する。図では誇張して書かれているが,SHIOSAI
は中央に従来の直下型高度計を搭載して,衛星直下の海
の場合,δ ~ b/r が非常に小さいので,これの高次項を
面と衛星間の距離 H を高精度に計測する。一方,衛星
無視していくと
上で距離 b( SHIOSAI の場合,約 3 m )だけ離して配置
された左右の SAR アンテナは,衛星の直下ではなく,
斜め方向に距離の計測を行う。ある地点が衛星直下点よ
り h だけ海面が高いとして,そこを左のアンテナから
計測した距離が r,右のアンテナから計測した距離が r
Δr
~ sin( θ )
b
を求めることができる。この θ と,r の計測値を用いて,
h = H - r cos( θ )
22
市川 香
COMPIRA observation times per cycle
50 o N
40 o N
30 o N
20 o N
10 o N
110 oE
0
1
120 oE
2
130 oE
Obs times
3
4
5
140 oE
6
150 oE
7
160 oE
8
9
Fig. 7. Number of observations of COMPIRA per one ERM cycle, i.e. nearly 10 days ; based on the orbit
parameters planned in August, 2013( Isoguchi et al ., 2012 ).
を求めれば,軌道直下から離れた場所の相対的高さ h
小さなスケールでも海流の流向が議論できるので,例え
を計測することができる。現在の COMPIRA の設計で
ば黒潮の小蛇行なども捕捉することができるだろう。
は,衛星軌道の左右の 80 km 幅の海面高度を 5 km の分
また,一度に観測できる面積が増加すると,時間分解
解 能 で 5 ~ 7 cm の 精 度 で 計 測 す る 予 定 で あ る
能も向上する。Fig. 7 は,約 10 日の COMPIRA の ERM
( Nakamura et al., 2012 )。つまり,従来の直下型の高度
回帰周期のうちに,ある地点の海面高度が何回観測され
計を 33 台横にずらり並べて編隊飛行を行うようなイ
るかを示した図である( Isoguchi et al., 2012 )。これま
メージである。
での直下型高度計では,軌道直下が線状に 1 回(軌道の
2.3 節では複数衛星化による時・空間分解能の向上に
交差点で 2 回)観測されるだけで,それ以外の大部分の
ついて述べたが,33 台の並列衛星同時観測に相当する
海域は,図で白抜きとして示される「観測が 1 回もな
COMPIRA の場合,同時に観測できる海域の広さがま
い」場所であった。ところが COMPIRA の場合,低緯
ず大きな利点となる。少なくとも 160 km 幅の帯状の海
度で白抜きの海域が若干確認できるものの,中緯度の
域で面的に海面高度が求められるので,これまで非等方
35° N 付近になると白抜き部分は僅か 2 %しかない。そ
的な分解能のために正しく表現できなかった,空間ス
れどころか,ほとんどの中緯度海域で最低で 2 ~ 3 回,
ケールの小さい擾乱が記述できるようになる。さらに,
高緯度になると 4 回以上の頻度で海面高度の観測が行わ
23
21 世紀初頭の衛星海面高度計
SWOT observation times in 10 days
60 o N
50 o N
40 o N
30 o N
20 o N
10 o N
110 oE
0
1
120 oE
2
130 oE
Obs times
3
4
5
140 oE
6
150 oE
7
160 oE
8
9
Fig. 8. Number of observations of SWOT in 10 days ; based on the orbit parameters planned in August, 2013
( JAXA COMPIRA team, private communication )
.
れることになる。もちろん,この観測の頻度は,対馬海
るには張出型のアンテナを展開させる必要があるが,干
峡の海洋レーダ観測結果( http://le-web.riam.kyushu-u.
渉 SAR 型の計測では素材のたわみ等が深刻な誤差要因
ac.jp/radar/ )に見られる地形性渦などのような複雑な
となるため,COMPIRA では機体にアンテナを貼り付
流況の成長や減衰そのものを表現するには十分とは言い
ける方式を採用している。しかし SWOT は,海洋だけ
難いが,複雑な流速場の変遷をデータ同化などで補間・
でなく河川や湖沼など陸水の水位も計測対象としている
推定するのに必要な種となる信号を供給することはでき
ため,アンテナの技術的なハードルを上げてでも,高い
るので,沿岸域のモニタリングへの利用には非常に有用
空間分解能を確保しようとしている(ちなみに陸水の水
である。
位は,約 50 m 分解能で約 10 cm の精度で観測する予定
なお,同じく干渉 SAR 型の高度計 KaRIN を搭載す
である)
。ただし,SWOT の軌道パターンは,沿岸や縁
る SWOT で は, ア ン テ ナ 間 距 離 b を 約 10 m と 広 げ,
辺海のモニタリングとしての目的では難点もある。周回
約 1 km の分解能で約 3 cm の精度での海面高度の計測
周期が 21 ~ 22 日の SWOT について,Fig. 7 と同じく
を目指している。一般に長いアンテナ間隔 b を確保す
10 日間の観測頻度分布を書いてみると( Fig. 8 ),全く
24
市川 香
観測されない白色の海域が比較的広く生じており,空間
圧力分布の中に,どのような時・空間スケールの成分が
的に均質に観測頻度を確保する COMPIRA( Fig. 7 )の
含まれているかを調べ,それぞれの成分が運動方程式の
方が全体にわたっての時間分解能は高いことがわかる。
どんな項とバランスしているのかを把握することまでが
なお,このように SWOT と COMPIRA は空間分解能と
求められている。逆に言えば,変形半径よりも小さな空
時間分解能が相補的な関係にあることから,かつての
間スケールの面的な海面高度観測が可能になる時代が始
T/P と ERS–1 がそうであったように,同時に使用する
まることで,非地衡流の力学的なバランスまでを視野に
ことで,最も効果的な成果を上げることができると期待
入れた解析ができるようになるだろう。これによって,
される。
衛星海面高度計が,また海洋物理学を一歩前進させるこ
しかし,ここで忘れてならないのは,我々はまだ,こ
とは間違いない。
うした革新的な測定方法に見合うだけの潮汐やジオイド
などの補正情報を持ち合わせていないということであ
る。重力場ミッションや,Cryosat–2 や 2012 年以降の
Jason–1 の重力測定フェーズ( Fig. 1 )などの高空間分
5. おわりに
1992 年に打ち上げられた T/P 衛星に始まる高精度海
解能海面高度測定によってジオイドの精度は確かに向上
面高度観測は,後継の Jason–1/2 衛星へと世代交代を行
したが,5 km 格子のスケールで海洋物理学の実用に耐
いながら,20 年間を超える長期時系列データを提供して
えうる海上ジオイドモデルは,まだ局所的にしか存在し
きた。Argo フロートやデータ同化手法とともに現業用
ない。T/P で飛躍的に改善した潮汐モデルにしても,
の海況予報に不可欠となった衛星海面高度計は,気候学
これまで扱わなかった陸に近い浅海域を対象とするため
的な海面上昇までを観測対象として,全球の海水位変動
には,潮流起源の地形性渦のような非線形性の強いもの
の参照基準を提供し続けている。
までを再現していく必要があるだろう。実際,対馬海峡
同じく 1992 年に本格開始した ERS–1 から続く ERS/
を往復するフェリーの船上で干渉 GPS 手法を用いて海
Envisat シリーズの衛星海面高度計は,複数高度計によ
面高度を細かい空間分解能で実測してみると,地衡流速
る時・空間分解能の向上をもたらした。一度に観測でき
とよく応答する海面力学高度の凹凸とともに,非地衡流
る範囲が半径数 km の点状海域のみと狭い衛星海面高度
的な性質の海面高度擾乱が多数捉えられている
計では,観測の時・空間分解能が衛星の軌道パターンで
( Ichikawa et al., 2013 )。2 節で述べた前世紀の高度計の
決まり,一方を高めると他方が低くなるトレードオフの
歴史を繰り返すかのように,ERM によるジオイドの分
関係になってしまう。これを解決するには,衛星の個数
離や,調和解析による潮汐信号の分離など,実践的解析
を増やす必要があり,その役割を T/P–Jason シリーズ
を丹念に再び行う必要がある。
と共に担ってきたのが ERS/Envisat のシリーズである。
また,そもそも衛星海面高度計が他の海洋観測衛星と
現在では,シリーズ後継機に引き継いだ後の前世代衛星
区別されてきたのは,海洋の比較的深い密度構造までが
の利用と,インドや中国など新規国の参入もあって,常
反映される海面力学高度を計測して,運動方程式中の圧
に 4 ~ 5 台の高度計が稼働するコンステレーションを成
力傾度力項を求め,そこから地衡流速が推定できる点に
す状態にまでなっている。ただし,異なる設計の衛星を
あった。単に面的に細かい構造を観測するだけであれ
コンステレーションの一部として組み込んで相互調整す
ば,海面水温や海面粗度の分布が既に得られている。こ
るのには,参照値となる高精度の Jason シリーズ衛星が
れらの物理量の微細構造分布は,海面付近の薄い表皮層
存在していることが前提となっている。
内部での局所的な物理過程の影響を受けて複雑になって
このように技術的に安定・成熟して,現業利用が進ん
いるものの,空間分解能だけで見れば COMPIRA より
でいる衛星海面高度計ではあるが,決して開発が「終
もずっと高い。つまり,COMPIRA や SWOT などの干
わった」測器ではない。実際,国際集会 OceanObsʼ09
渉 SAR 型の新型高度計は,ただ細かい海洋構造を定性
で再確認された沿岸域での観測ニーズ( Fischer et al.,
的に求めることが目的ではなく,測定された海面付近の
2010 )に応答するかのように,陸に近い沿岸海域の利用
25
21 世紀初頭の衛星海面高度計
を念頭に置いた新データセットや新型高度計センサー
略号一覧
が,ここ数年のうちに相次いで導入されるなど,さらな
る進化が続いている。むしろ,現業・参照用の Jason シ
リーズの役割が Jason–2 の打上げ以降に明確になったこ
AVISO ; Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data, France
とで,それとは別目的の実験的性質のある新型海面高度
CHAMP ; Challenging Minisatellite Payload
計への取組みが,ここ数年で活発化したと言っても良
CNES ; Centre National dʼEtudes Spatiales, France
い。
COMPIRA ; Coastal and Ocean measurement Mission with Precise and
そんな中で,これまでの衛星海面高度計の概念を大幅
に変える,全く新しい高度計が,(喜ばしいことに)日
本の JAXA などで計画されている。干渉 SAR を用い
て,直下点以外に側方の高度を測る新型の高度計は,こ
れまでの直下型の高度計に特有な非等方的な時・空間分
解能を大幅に改善することができる。海面高度の面的な
CNSA ; China National Space Administration
Innovative Radar Altimeter
Envisat ; Environmental Satellite
ERM ; Exact Repeat Mission
ERS ; European Remote-sensing Satellite
ESA ; European Space Agency
EUMETSAT ; European Organization for Exploitation of Meteorological
Satellites
GEOS ; Geodetic and Earth Ocean Satellite
分布を,数 km という十分な空間分解能で,数日に一度
Geosat ; Geodetic Satellite
という容認できる頻度で観測することができるため,現
GMES ; Global Monitoring for Environment and Security
象の時・空間スケールが小さい沿岸海域や縁辺海で,特
に有効に使われるだろう。とりわけ,東アジアやヨー
ロッパのように,多国籍の領海が含まれる広大な縁辺海
に面した地域では,こうした観測による海況理解は,今
後特に重要になってくるだろう。
ただし,過去の衛星の ERM 軌道から外れた場所で
は,細かい空間分解能のジオイドや潮汐の知識が十分で
はなく,そのままでは干渉 SAR 型の新型高度計データ
を使いこなせない。また,時間変動が激しく,非線形的
GFO ; Geosat follow-on
GOCE ; Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
GPS ; Global Positioning System
GRACE ; Gravity Recovery And Climate Experiment
HY–2 ; HaiYang–2(海洋二号)
ISRO ; Indian Space Research Organisation
Jason–CS ; Jason Continuity of Service
JAXA ; Japan Aerospace Exploration Agency
JPL ; Jet Propulsion Laboratory, USA
KaRIN ; Ka-band Radar INterferometer
NASA ; National Aeronautics and Space Administration, USA
NOAA ; National Oceanic and Atmospheric Administration, USA
PISTACH ; Prototype innovant de Système de Traitment pour lʼAltimétrie Côtière et lʼHydrologie
な地形の影響などを受けた非地衡流成分が卓越するよう
SAR ; Synthetic Aperture Radar
な沿岸域では,計測された海面高度がどんな現象を反映
SARAL ; Satellite with Argos and AltiKa
しているのかについてさえ,我々は十分な知識を持ち合
わせていない。しかし,未知なることに臆することな
く,新たに手にするデータを慎重に品質管理して解析し
ていくことで,海洋物理学の新しい扉が開かれていくで
SHIOSAI ; SAR Height Imaging Oceanic Sensor with Advanced Interferometry
SIRAL ; SAR Interferometric Radar Altimeter
SWOT ; Surface Water and Ocean Topography
TOPEX ; Topography Experiment
T/P ; TOPEX/Poseidon
あろう。21 世紀に入った今からも,衛星海面高度計と
共に我々は躍進を続けていくのだ。
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21 世紀初頭の衛星海面高度計
Satellite altimeters in the early 21st Century
Kaoru Ichikawa †
Abstract
In 1992, the satellite altimetry started high-precision sea surface height observations.
Within ten years since then, satellite altimeters had become one of the most significant instruments that advanced the physical oceanography in the 20 th century. In this paper, the
perspective of the satellite altimetry in the early 21st century is discussed with simple review of its history.
Key words:Satellite Altimetry, altimetry constellation, COMPIRA mission
(Corresponding authorʼs e-mail address : [email protected])
(Received 11 June 2013 ; accepted 23 August 2013)
(Copyright by the Oceanographic Society of Japan, 2014)
† Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University
6-1 Kasuga-kouen, Kasuga, Fukuoka, 816-8580, Japan
27
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P13-27 - 日本海洋学会