共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 海氷放射スキームの高度化に資する海氷表面ラフネスの計測とそのモデル化（2）
新規・継続の別 継続（R06年度から）
研究代表者／所属 気象庁気象研究所
研究代表者／職名 主任研究官
研究代表者／氏名 谷川朋範

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 大河原望 気象庁気象研究所 室長

2

 荒川逸人 防災科学技術研究所雪氷防災研究センター 研究員

3

 中山雅茂 北海道教育大学釧路校 准教授

4

 豊田威信 北大低温研

研究目的 海洋モデル、特に海氷放射スキームの高度化に資するため、放射伝達論に基づく大気―積雪・海氷系の放射伝達モデルの開発を進めてきた。放射計算において、海氷面（氷面）の反射・透過モデル（海氷面ラフネスモデル）を高精度に求めることが重要である。一般に、海氷面は鏡面ではなくラフネス（凹凸）を持つため、入射光は乱反射や乱屈折を起こし、大気や海氷中に伝搬する。しかし、現行モデルでは、海氷面のラフネスの変化が考慮されておらず、正確な反射・透過モデルが得られていないため、不確定性が存在した。本研究では、放射伝達計算の精度向上を目指し、海氷面のラフネス計測を実施し、海氷面の反射・透過モデルの精緻化を試みる。
　　
研究内容・成果 　海氷面反射・透過モデルの精緻化に向け、昨年度に引き続き北海道野付湾およびサロマ湖で取得した実海氷を対象に、海氷表面のラフネス計測を行った。測定には防災科学技術研究所のuCT装置を用い、10〜100 um の微細スケールの表面凹凸を高解像度で取得した。その結果、表面ラフネスには明瞭な方位角依存性が存在し、二次元正規分布モデルで近似できることが示唆された。この特性は、昨年度報告した屋外実験海氷プールで得た人工海氷のラフネス特性とも整合し、自然海氷と実験海氷に共通するラフネスの特性を示した点で重要である。また、ラフネス量を表す分散パラメータは 0.05〜0.5 程度の範囲で変動し、サンプル間のばらつきも確認された。衛星レーダ観測ではラフネスと氷厚に相関関係が示唆されているが、本研究の可視〜近赤外域のデータではそのような相関は見られなかった。この結果は、放射モデルに入力すべきラフネス量の範囲を適切に制限するうえで有用であり、海氷放射スキームの高度化に直接貢献する知見である。
　次に、取得したラフネスデータを放射伝達モデルに組み込み、海氷面のラフネスが波長別および広帯域アルベドに与える影響を定量的に評価した。解析の結果、表面ラフネスは可視域と近赤外域で異なる影響を及ぼし、可視域ではアルベドが上昇し、近赤外域では減少することが明らかになった。広帯域アルベドでは、近赤外域（0.7〜3.0 um）かつ太陽天頂角 70 度以上を除いて、ラフネスはおおむねアルベドを上昇させる効果を持つことが示された。また、分散パラメータ 0.0〜0.5 の範囲では、裸氷アルベドを約 0.02 上昇させうることが判明した。
　これらの結果は、海氷の放射特性が表面ラフネスに強く左右されることを裏付ける。特に、ラフネスは鏡面反射成分の低下を通して氷内部への入射光および氷内部から外部への出射光を増加させるため、可視域ではアルベドが増加する一方、近赤外域では氷の光吸収が卓越するためアルベドは減少し、その結果、波長帯によって異なる影響を与える。したがって、海氷放射スキームの高度化においては、氷厚や気泡量と並び、表面ラフネスを明示的に取り込むことが重要である。
　自然海氷を対象にラフネス特性を定量化し、それを放射伝達モデルに組み込み影響を評価した本研究の成果は、海氷面反射・透過モデルの精緻化という当初の目的に直接貢献するものである。これらの成果は学術雑誌 JQSRT に受理され、今後の海洋モデル・海氷放射スキームの改善に寄与することが期待される。
　　
成果となる論文・学会発表等 Tanikawa et al. (2025): Modeling of ice surface albedo: A quantitative study of the impact of surface roughness， Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 345， https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2025.109543