海洋の10年計画"海洋から気候までのシームレス予測システム（OSF）"を通じて、中国天然資源部第一海洋研究所（FIO）は、新世代の全地球測位衛星システム（GNSS）表面漂流ブイを開発した。開発されたGNSS表面漂流ブイは、極めて低コスト、高精度、インテリジェントであり、海洋観測とモニタリングの改善に大きな機会を提供する。
OSFプログラムの主任研究者であり、FIOの副局長である喬芳利教授と彼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使用して、地理的位置、時間、表面波の高さ、周期と方向、表面流の速度と方向、表面海水温、表面海塩分、大気中の水蒸気量という10個の重要な変数を正確に取得する。
この成果は、「海の10年」諮問委員会のメンバーでもある喬教授が長年にわたって主導してきた重要な研究の成果であり、小規模な海洋波が、海洋上層部の混合や気海フラックスの調節を通じて、大規模な海洋循環や気候システムに重要な役割を果たしていることを実証した。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。
地球規模の海洋観測には、これまで3つの大きな革命があった。1978年、最初の海色衛星が初めて大規模な同期海洋観測を可能にした。1980年代には熱帯ブイアレイの開発が始まり、世界的な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・予測能力が大幅に向上した。21世紀初頭には、世界的な海洋観測の取り組みであるリアルタイム地球栄養海洋学（Array for Real-time Geostrophic Oceanography：Argo）が開始された。現在、約4,000基のアルゴ・ブイが世界の海で稼働しており、約10日ごとに鉛直分布を観測し、海洋の3次元的なリアルタイム・モニタリングを実現している。アルゴ・プログラムは、ユネスコの政府間海洋学委員会が共同で主導する全球海洋観測システム（GOOS）の一部でもある。多大な努力と一連の技術的成果は得られているものの、高コストが海洋観測のボトルネックであり、大きな課題であることに変わりはない。
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で、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成し遂げてきた。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、波浪要素や水蒸気含有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、波浪スペクトルのワイドスペクトル拡張と捕捉、北斗衛星ショートメッセージ通信（SMC）と統合された複数要素符号化伝送と制御、低消費電力・高性能アルゴリズムの最適化、ブイの小型化と波浪追従最適化などが含まれる。このような進歩により、インバージョン精度が大幅に向上し、精密差分補正サービスのコストが回避され、通信負担が劇的に軽減されました。
いくつかの現地観測実験と比較の結果は、この画期的な新型ブイの精度が、ウェーブライダーなどの一般的に使用されている波浪計測機器と同等であり、わずかセンチメートルレベルの差しかないことを示している。観測コストも劇的に削減された。GNSSブイのコストは90％低い。言い換えれば、新しいGNSSブイの観測コストは現在のシステムの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、特に関連性が高い。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と海洋および気候の予測能力を直接妨げている。実際、海洋上層部と大気下層部は、海上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鍵でもある。
最初の発見に基づき、喬教授と彼のチームは4種類のGNSSブイを開発している。タイプA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できる。タイプB GNSSブイは、さらに5つの大気変数、すなわち風速と風向、気温、湿度、気圧を捕捉することができる。B型GNSSブイを多数配備することで、地球規模の大規模な大気海洋フラックスのリアルタイム観測が現実のものとなり、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る。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、海水温度と塩分構造を0～300mまで測定でき、海洋内部波も正確に捉えることができる。一方、D型GNSSブイは、従来の10変数に加え、水中騒音を測定することができ、海洋哺乳類のモニタリングや海洋生態系の保護に利用できる。
FIOが開発した新しいGNSSブイはインテリジェントであり、大波浪域、内波浪、海洋の危険性など、ニーズに応じていつでも集中的な観測を自動的に行うことができる。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、世界中の脆弱な沿岸地域社会をさらに保護することも目指している。
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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
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リー・リー博士（国際協力部部長、資源部第一海洋研究所主任研究員
li.li@fio.org.cn