GRACE 衛星重力データによる氷床・陸水変動の研究

総合地球環境学研究所山本圭香

1. 地球の静的重力場の精密決定

2. 地球の時間変動重力場

GRACE ミッションの目的

L

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mlmlmlm

l

E PmSmCk

la

0 0

)(sin)sincos()1(3

)12(),(

→ 地表および地表下の質量の時間変化

< 精度 > 　 1　m/s　:　Range　Rate　between　twin　satellites=　10　mm　:　Mass　variation　(in　water　thickness　equivalent)

大部分の地球物理学的な現象は質量の移動を伴う→ GRACEから時間変動シグナルとして観測が可能

( どの成分が変動しているか →　 × 　 ,　鉛直構造 →　×)

GRACEが観測する質量変化

=　質量変化するすべての成分の鉛直積分

GRACE temporally varying gravity field

•大気、海洋の短周期成分 →　モデルにより除去　

•海洋潮汐 ,　固体地球潮汐 ,　極潮汐 ,　大気　→ 　モデルにより除去

One　day　orbit One　month　orbit

GRACE monthly solution の誤差

300 km filtered 600 km filteredNon filtered

GRACE から見た質量変化　 (Jan to Dec 2006)

: Water Equivalent Thickness [mm]

(1) 陸水研究への利用

陸水の年周変化- ＧＲＡＣＥからもっともよく観察できるシグナルの１つ

Comparison of GRACE data with global landwater model（　 JRA-JCDAS LDA and GRiveT (JLG) model ）

→ 　 phase difference ~ 1 month

GRACE がとらえた質量の経年変化トレンド　 (2002-2008)

Chao Phraya 川流域の質量の経年変化トレンド

＊ 2005 年はじめあたりまで減少のトレンド、　　それ以降はほぼ一定＊減少のピークは流域全体でなくバンコク　あたりにあるように見える

Our concerns are …•質量変化しているのはどの成分か ?

1) 表層水2) 被圧 / 不圧　地下水3) それ以外の成分

•なぜ変化しているのか ?

1) グローバルスケールの気象 / 気候変動2) 地下水くみ上げなどの人間活動の影響によるローカルな環境変化

70x70 km （ UTM-east_640-710 km 、 UTM-north_1490-1560 km)

120×120km （ UTM-east_600-720 km 、 UTM-north_1480-1600 km ）

地下水貯留量、井戸水位とも 2002 年以降に回復傾向→GRACE トレンド（ peak 　 point で約 50 mm/yr ）は被圧帯水層の地下水貯留量とは対応していない

井戸水位

EnviSat 衛星高度計から観測された河川水位変化

グローバルな水文モデル　 (JLG) との比較

Red: GRACEBlue: Model (Total TWS)

JLG model のインプット :JMA Climate Data

Assimilation System (JCDAS)( 大気客観解析データ　 )

→The trend caused by large-scale meteorological or climatological factors.

Variations of total mass of Northern and Southern Hemisphere

GRACE から観測されたグローバルスケールの質量移動

Red: 北半球Green: 南半球

•質量変化しているのはどの成分か ?

1) 表層水2) 被圧 / 不圧　地下水3) それ以外の成分

•なぜ変化しているのか ?

1) グローバルスケールの気象 / 気候変動2) 地下水くみ上げなどの人間活動の影響によるローカルな環境変化

なぜ負のトレンドはチャオプラヤ流域のみで観測され、他のインドシナ河川流域では観測されないのか？→ 土地利用の影響 ?

(2) 氷床研究への利用

Ice　Sheet　Mass　Balanceの研究方法(1)質量収支法　・ ice-core　measurements　・ ice　thickness　+　velocity　(by　GPS,　InSAR)(2)氷床表面の高度変化の測定　・ air-borne　altimetry　・ satellite　altimetry

(3)　質量変化の測定　・ GRACE　(2002　-　)　　→大スケールの変動を質量として直接知ることが可能

問題点・ GRACEから得られるのは半径方向の質量変動の積算・表面質量変動と地球内部の質量変動を分離できない

・南極氷床広大な面積をカバーする地上観測が難しい高緯度のため、使用できる衛星データが少ない

南極の場合

GRACE

表面質量変化　　・積雪　　・蒸発散　　・流出・流入　　・融解

地球内部質量変化Glacial　Isostatic　Adjustment　(GIA)

GRACE トレンド（ 2002-2008 ）（質量の経年変化）

-34 Gt [mm/yr]

Glacial　Isostatic　Adjustment　(GIA)

http://pangea.stanford.edu/courses/gp025/webbook/08_tectonics.html

IJ05(Ivins, 2009)

ICE-5G(Paulson et al., 2007)

ARC3+ANT5(Nakada et al., 2000)

ARC3+ANT6(Nakada et al, 2000)

Mass change [mm/yr in Water Thickness Eq.], up to degree/order 50

•南極における GIA モデル　広域での地上観測の難しさなどの原因により、他の地域のモデル　　　　　　　　　　　より、精度が低く、モデル間のばらつきも大きい。

GRACE トレンド（質量の経年変化）

ICESat トレンド（表面高度の経年変化）

GRACE ICESat ＝ GIA の質量変化-

GIA 質量変化＋氷床質量変化 氷床高度変化のみ検出と仮定

空間分布が未知

X 氷床密度

氷床の密度 [kg/m3]

新雪20 kg/m3

フィルン350 kg/m3

氷床の最大密度917 kg/m3

0 1000

350

917

917

全域でフィルンを仮定 PIG と南極半島で最大氷床密度、残りはフィルンと仮定

•もう 1 つの拘束条件：GRACE の質量変化トレンド（全球）

スマトラ地震、南極以外の GIA (ICE-5G) を除去すると、

海洋のトレンド：　 391 Gt南極以外の陸のトレンド： -207 Gt予想される南極の氷床トレンド： -185Gt

南極の GIA+ 氷床トレンド：　 -34 Gt予想される南極の GIA トレンド： -34-(-185) = 151 Gt

IJ05ICE-5G

ARC3+ANT5 ARC3+ANT6

•GIA モデルとの比較

151 Gt

162 Gt 4 Gt

99 Gt 40 Gt

＜空間パターンの違い＞大きな正のトレンドの位置 → 　 LGM の ICE Dome の位置と大きさの分布の仮定　　　地上データでは ICE-5G のような Ross 海のトレンドはないと予想辺縁部に正のトレンドがある構造 → 　 IJ05 の完新世の氷床の分布の仮定に由来＜全体のトレンドの総和の違い＞ → 　 ICE Dome の大きさの仮定 , あるいは氷床融解史 , あるいは　　　　　　　　粘性構造の仮定に由来

GIA model ARC3+ANT5 ARC3+ANT6 ICE-5G IJ05

Ice model (Antarctica)

ANT5 ANT6 ICE-5G IJ05

Lithospheric thickness

100 km 100 km 90 km 100 km

Upper mantle

5x1020 Pa s 5x1020 Pa s 9x1020 Pa s 1x1021 Pa s

Lower mantle

5x1022 Pa s 5x1022 Pa s 3.6x1021 Pa s (1) 6x1022 Pa s(2) 1x1022 Pa s

•GRACE satellite gravity data　　→ 　 Mass variation on and beneath the Earth surface•Observed data by GRACE → Vertical integration of mass variation•Spatial resolution of monthly solution → 　 About 200 – 300 km → 　 useful for the study of global to regional scale landwater variation

Summary