[論文レビュー] Integrated monitoring of ice in selected Swiss lakes. Final project report

Manu Tom, Melanie Sütterlin+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2020

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 59被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、スイスアルプスの湖の氷のモニタリングに、衛星画像（MODIS/VIIRS）、公開のWebカメラ、および地上観測データを統合したアプローチを提示する。氷の発生日と氷の融解日を特定するため、複数のデータソースを統合することで、特にシュツール・モリッツ湖のような小さな湖においても検出精度が向上した。これは、気候に関連する氷の変数をモニタリングするためのマルチプラットフォームシステムの実現可能性を示している。

ABSTRACT

Various lake observables, including lake ice, are related to climate and climate change and provide a good opportunity for long-term monitoring. Lakes (and as part of them lake ice) is therefore considered an Essential Climate Variable (ECV) of the Global Climate Observing System (GCOS). Following the need for an integrated multi-temporal monitoring of lake ice in Switzerland, MeteoSwiss in the framework of GCOS Switzerland supported this 2-year project to explore not only the use of satellite images but also the possibilities of Webcams and in-situ measurements. The aim of this project is to monitor some target lakes and detect the extent of ice and especially the ice-on/off dates, with focus on the integration of various input data and processing methods. The target lakes are: St. Moritz, Silvaplana, Sils, Sihl, Greifen and Aegeri, whereby only the first four were mainly frozen during the observation period and thus processed. The observation period was mainly the winter 2016-17. During the project, various approaches were developed, implemented, tested and compared. Firstly, low spatial resolution (250 - 1000 m) but high temporal resolution (1 day) satellite images from the optical sensors MODIS and VIIRS were used. Secondly, and as a pilot project, the use of existing public Webcams was investigated for (a) validation of results from satellite data, and (b) independent estimation of lake ice, especially for small lakes like St. Moritz, that could not be possibly monitored in the satellite images. Thirdly, in-situ measurements were made in order to characterize the development of the temperature profiles and partly pressure before freezing and under the ice-cover until melting. This report presents the results of the project work.

研究の動機と目的

• 複数のデータソースを用いて、スイスの湖の氷の統合的モニタリングシステムを開発すること。
• 低空間分解能・高頻度の衛星データ（MODIS/VIIRS）を用いた氷の発生および融解の検出の可能性を評価すること。
• 特に、衛星の分解能が不足するような小さな湖に対して、公開のWebカメラが補完的または独立したモニタリングツールとしてどの程度有効であるかを評価すること。
• 凍結および氷上層の安定性の理解を深めるために、水温プロファイルおよび氷圧の地上観測データを収集すること。
• 気候変動の指標としての必須気候変数（ECV）としての湖の氷を長期にわたりモニタリングするためのマルチソースフレームワークを確立すること。

提案手法

• 250–1000 mの空間分解能を持つMODISおよびVIIRSの毎日分の衛星画像を用いて、氷の広がりを時間的経過でモニタリングした。
• 表面のアルベドおよびスペクトル反射率の変化に基づいて、氷被覆を自動的に検出する画像処理技術を実装した。
• シュツール・モリッツ湖のように衛星の分解能が不十分な湖に対しては、視覚的検証および独立した氷検出のため、既存の公開Webカメラを活用した。
• 凍結および氷上層期間中の熱層化および圧力のダイナミクスを特徴付けるために、水温プロファイルおよび氷圧の地上観測データを収集した。
• 衛星、Webカメラ、地上観測データの結果を統合し、氷の発生および融解日検出の精度と耐性を向上させた。
• 複数のデータソース間で結果を比較・検証し、マルチプラットフォーム手法の整合性と信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低空間分解能・高時間分解能の衛星データ（MODIS/VIIRS）は、スイスの湖における氷の発生日および融解日を信頼性を持って検出できるか？
• RQ2 特に小さな湖に対して、公開のWebカメラは、補完的または独立した湖の氷モニタリングのための有効なソースとみなせるか、その程度はどの程度か？
• RQ3 地上観測による水温および圧力測定は、湖の氷の凍結および融解プロセスの理解にどのように寄与するか？
• RQ4 衛星、Webカメラ、地上観測データを統合することによって、湖の氷を必須気候変数（ECV）としてモニタリングするうえで、どのような追加価値が得られるか？
• RQ5 単一ソース手法と比較して、マルチソース手法は検出精度をどのように向上させるか？

主な発見

• MODISおよびVIIRS衛星データの統合により、毎日分の時間分解能で氷の発生および融解イベントを一貫して検出可能となった。
• 公開のWebカメラは、衛星データの分解能が不十分なシュツール・モリッツ湖のような小さな湖において、貴重な視覚的検証および氷の検出を可能にした。
• 地上観測データは、凍結および氷上層期間中の詳細な熱層化および圧力ダイナミクスを明らかにし、プロセスの理解を支援した。
• マルチソース手法は、複雑な環境や小さな湖の環境において、検出の信頼性を顕著に向上させた。
• 標的湖の氷の発生日および融解日は、正常に特定された。特にシュツール・モリッツ湖では、その小さなサイズと露出状態のため、凍結の遅れが顕著に観察された。
• 本プロジェクトは、GCOS（全球気象観測システム）の下で、湖の氷を必須気候変数（ECV）としてモニタリングするためのマルチプラットフォームシステムの実現可能性と追加価値を示した。