海洋と気候のシームレスな予測システム」プログラム、新世代の海上漂流ブイを開発

海洋の10年計画 "を通して海洋から気候までのシームレスな予測システム（OSF）" を通して「を通じ、中国天然資源部第一海洋研究所（FIO）は、新世代の全地球衛星測位システム（GNSS）搭載の表面漂流ブイを開発しました。極めて低コストで高精度、かつインテリジェントなGNSS表面漂流ブイは、海洋観測とモニタリングの向上に大きな可能性を提供します。

OSFプログラムの主任研究員でFIOの副局長であるFangli Qiao教授とそのチームが作成した新世代のGNSS表面漂流ブイは、GNSS衛星からの自由信号を用いて、地理的位置、時間、表面波高、周期と方向、表面流速と方向、表面海水温、表面海塩分、大気中の水蒸気量という10の重要変数を正確に取得することが可能です。

今回の成果は、海洋の10年諮問委員会のメンバーでもある喬教授の長年の研究により、小規模な海洋波が海洋上部での混合や大気海洋フラックスを調節することにより、大規模な海洋循環や気候システムに重要な役割を果たすことが明らかにされたことによります。このため、海洋表層波の観測は、それ自体、また大規模な海洋循環や地球規模の気候変動においても極めて重要な意義を持っている。

これまで、地球規模の海洋観測には3つの大きな変革があった。1978年、最初の海色衛星によって、大規模な同期海洋観測が初めて可能になった。1980年代には熱帯ブイアレイの開発が始まり、全球熱帯大規模定点連続観測網が構築され、エルニーニョ・南方振動の監視・予測能力が飛躍的に向上した。21世紀に入ってからは、世界的な海洋観測の取り組みである「リアルタイム地衡用海洋観測網（アルゴ）」が開始された。現在、世界の海では約4000基のアルゴブイが運用され、約10日ごとに鉛直プロファイルを観測し、海洋の3次元的なリアルタイム観測を実現している。また、アルゴ計画は、ユネスコの政府間海洋学委員会が共同主導する全球海洋観測システム（GOOS）の一部でもある。海洋観測は、多大な努力と技術的な成果を積み重ねてきたが、依然として高コストがネックであり、大きな課題である。

2016年以来、綿密な海洋学際協力を通じて、またBeiDouを含むGNSS衛星を利用することによって、喬教授のチームはブイのハードウェア設計とデータ処理において技術的ブレークスルーを達成しました。これには、低コストGNSSシングルステーション、リアルタイム高精度オンライン速度・位置決定、波浪要素や水蒸気量を含む複数要素のリアルタイムオンラインインバージョン、波浪スペクトルの広域展開と捕捉、BeiDou衛星ショートメッセージ通信（SMC）と統合した複数要素コーディング伝送と制御、低電力・高性能アルゴリズムの最適化、ブイの小型化、波追従最適化、その他が含まれています。これらの進歩により、インバージョン精度の大幅な向上、精密差分補正サービスのコスト回避、通信負荷の劇的な軽減が実現しました。

現地での観測実験と比較の結果、この画期的なブイの精度は、ウェーブライダーなどの一般的な波浪計測機器とセンチメートル単位の差しかないことが実証されています。また、観測コストも大幅に削減され、GNSSブイのコストは9割減となりました。つまり、新しいGNSSブイの観測コストは、現行のシステムの10％以下です。

この財政的な側面は、包括的な海洋観測システムの展開を妨げてきたため、特に重要である。過去45年間の顕著な進歩にもかかわらず、海洋観測は依然として高いコストと疎な観測範囲という課題に直面しており、これは海洋プロセスの科学的理解や海洋および気候の予測能力を直接的に妨げている。実際、海洋上部と大気下部は、海での人間活動に密接に関係しているだけでなく、気候変動を理解するための鍵でもあるのです。

最初の発見に基づいて、喬教授と彼のチームは4つのタイプのGNSSブイを開発しています。AタイプのGNSSブイは基本的な構成で、上記の10種類の変数を同時に取得することができます。B型GNSSブイは、風速・風向、気温、湿度、気圧というさらに5つの大気変数を取得することが可能です。B型GNSSブイを多数配置することで、全球の大規模な大気海洋フラックスのリアルタイム観測が実現し、大気海洋フラックスの計算において表面波の寄与が正確に考慮されるようになります。C型GNSSブイは、従来の10変数に加え、人工知能制御ソフトウェアにより、0～300mの海水温度・塩分構造の測定や、海洋内部波の正確な捕捉が可能です。一方、D型GNSSブイは、従来の10変数に加え、海中騒音の測定が可能であり、海洋哺乳類のモニタリングや海洋生態系の保護に活用することができます。

FIOが開発した新型GNSSブイは、大波浪域、内波浪、海洋危険物など、必要に応じて随時集中観測を自動で行うインテリジェントなものです。将来的には、さらなる技術革新により、渦の検出や世界の潮位を正確に測定し、世界の脆弱な沿岸地域の安全を守ることも目指しています。

***

記事全文を読む

Liuら、2022年。GNSS バリオメトリックアプローチを用いた海洋表面波のリアルタイム精密測定。International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125.https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125

本件に関するお問い合わせ先

国際協力部部長、資源部第一海洋研究所主任研究員 李麗氏
li.li@fio.org.cn