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海洋観測衛星に搭載された測器を使うと、海面水温、海面高度、海色、海上風、海氷などが広い範囲でどのように分布しているかを捉えられます。ただし、多くの衛星測器が捉えるのは海面または海面に近い層であり、海面から深海までの水柱全体を測っているわけではありません。とくに水温と塩分については、Core Argoフロートが浮上しながら測ることで、衛星観測だけでは分からない深さ方向の情報を補います。
人工衛星が実際に記録するもの
地球観測衛星は、衛星の測器まで届く電磁波や、衛星から地球へ送ったパルスの反射信号を記録します。利用者に提供されるデータは、そうした信号に較正や大気補正を施し、アルゴリズムで水温や海面高度などの地球物理量へ変換したものです。
代表的な観測は、次のように整理できます。
| 衛星が記録する信号 | 代表的なデータ | データが表すもの |
|---|---|---|
| 熱赤外・マイクロ波の放射輝度 | 海面水温 | 赤外線が捉える海面下のごく薄い層、またはマイクロ波が捉える海面直下の層。いずれも海面から数mm以内 |
| 衛星直下から返るレーダーエコーの距離、波形、受信電力 | 軌道直下に沿う海面高度、有義波高、海上風速の推定値 | 軌道直下にある海面の位置と粗さ |
| 衛星に届く可視域の放射輝度 | 大気補正後の水面射出放射輝度、海色、クロロフィルaの推定値 | 太陽光が届く海面付近から返り、深さによって寄与が異なる光学信号 |
| Lバンドマイクロ波の輝度温度 | 海面塩分 | 海面から深さ約1cmまでの範囲について推定した塩分 |
| 散乱計で得るレーダー後方散乱 | 海面付近の風向・風速の推定値 | センチメートル規模の波による海面の粗さから推定した風 |
NOAAのOceans and Coasts（英語）でも、人工衛星で調べる対象として水温、風、海面水位、生物に関する情報などが挙げられています。
海面水温は放射から求める
赤外線・マイクロ波放射計は海水に直接触れず、海面から届く放射を検出して海面水温を求めます。国際的なGHRSSTのデータ解説（英語）では、赤外線放射計から得る表皮水温が海面下約10〜20µmまでの薄い層の水温を表すのに対し、マイクロ波放射計から得る海面直下の水温は海面下約1mmまでの層を代表すると説明しています。
空間分解能と時間分解能は「衛星データ」に共通する値ではなく、センサーとデータ製品ごとに異なります。NOAA CoastWatchのSea Surface Temperature（英語）では、代表的な赤外線観測の空間分解能を1〜4km、静止衛星の場合の観測間隔を10〜15分とし、マイクロ波観測の空間分解能を約20〜50kmとしています。赤外線では雲越しに海面を観測できないのに対し、マイクロ波は多くの雲を通して観測できるものの、強い降雨、陸や海氷への近さ、電波干渉、一画素が表す範囲が広いことなど、別の制約を受けます。
衛星から得る海面水温は有用ですが、あくまで海面付近の値なので、暖かいのが薄い表層だけなのか、数百m下まで暖水が続くのかは判断できません。表層の水温と水柱全体に蓄えられた熱の違いは、海面水温だけでは海の温暖化が分からない理由で詳しく説明しています。
衛星高度計は海面までの距離を測る
衛星高度計はレーダーパルスを海へ送って戻ってきたエコーを測定し、補正後の海面までの距離と衛星の正確な軌道を組み合わせて海面高度を算出します。また、反射波の波形や受信電力には、有義波高や海上風速に関する情報も含まれています。
幅広い帯を撮像するセンサーとは異なり、通常の衛星高度計が直接測るのは、衛星軌道の真下に沿った線状の範囲です。Jason-3のミッション解説（英語）では軌道反復周期を約10日、ESAのSentinel-6の測定解説（英語）ではSAR処理後の軌道方向の分解能を約300mとしています。これらは反復周期と軌道方向の分解能をそれぞれ示す値であって、同時刻の海面を300m格子で面的に撮影するという意味ではありません。実際の格子化された海面高度図は、離れた軌道と時刻の測定を組み合わせて作られ、データ製品によっては複数衛星のデータや補間・解析も利用します。こうした分布から海洋循環を調べたり、ほかのデータと組み合わせて海面下の状態を推定したりできます。
海色は採水結果ではなく、海から届く光を表す
海色センサーは、海から出て大気上端まで届いた可視光を記録します。記録した光に大気補正を施し、波長ごとの強さを解析することで、クロロフィルa濃度や水の透明度などを推定します。NOAAのOcean Colorデータ解説（英語）でも、測定する放射と、そこから算出する海洋の性質を分けて説明しています。
海色データが反映するのは、海面近くのうち衛星へ戻る光が届く範囲にある物質の光学的な特徴です。データに反映される深さは一定のメートル数ではなく、波長や水の透明度によって変わる第一光学深度（英語）を基準に説明するのが一般的です。空間分解能も走査幅内で一定ではなく、NOAAのVIIRS Level-2海色データ製品では、衛星直下の750mから走査端の約1.7kmまで変化します。また、「日別」のデータ製品であっても、その日の全画素を雲のない状態で観測できたとは限りません。
海面塩分と海上風では使うマイクロ波信号が異なる
衛星から海面塩分を求める際には、海水の電気的性質に応じて変化するLバンドマイクロ波の輝度温度を利用します。観測対象はごく薄い海面付近ですが、一画素が表す海面の範囲は比較的広くなります。具体的なミッションの例として、ESAはSMOSの海面塩分（英語）について、海面から深さ約1cmまでを対象とし、約40 × 40kmの範囲で平均して、全球を約5日で覆うと説明しています。降雨によって海面に薄い低塩分層ができると、衛星から推定した値と、それより深い位置で得られるArgoの測定値とでは、対象とする海水の状態そのものが異なるため、値が一致しない場合があります。
これに対して散乱計は、マイクロ波パルスを送り、センチメートル規模の風波によって粗くなった海面からの後方散乱を測ります。その強さと観測方向から海面付近の風向・風速を推定する仕組みは、ESAのASCAT解説（英語）で確認できます。
衛星が捉える海面下の光学信号
海洋観測に使われる衛星データの多くは、海面または浅い海洋上層の影響を強く受けます。可視光には海面より下から届く成分があり、どの深さの影響を受けるかは、波長、水の透明度、推定する項目によって変わります。このほか、自然に放射・反射された光を受けるだけでなく、自らパルスを送る能動型センサーもあります。すでに運用を終えたNASAのCALIPSO衛星では、条件が整うとライダーのレーザーが海面下約20mまで届き、信号を捉えたこと（英語）が報告されています。
衛星と現場観測では、測れる項目、到達する深さ、水平方向の観測範囲、測定の間隔が異なるため、「人工衛星は主に海面と海洋上層を広域観測し、それより深い海中は現場観測で補う」と理解するのが適切です。
Argoが観測する深さ方向の情報
Core Argoフロートはセンサーを海水に接触させたまま水柱内を移動し、一般的な運用では、約1000mの漂流深度で過ごしたあと約2000mまで潜り、浮上しながら圧力、水温、電気伝導度を測ります。塩分は電気伝導度、水温、圧力から計算され、測定値には較正や品質管理も行われるため、最終的に得られるプロファイルは、これらの処理を経たデータです。
標準的な観測周期は約10日ですが、実際の設定はフロートによって異なり、国際Argo計画のHow do floats work?（英語）でその動きを確認できます。測定値は浮上中に順次取得され、海面位置は通常その後に求めるため、一つのプロファイルは一回の観測サイクルに対応しており、固定した一点で全深度を同時に測ったものではありません。このプロファイルからは、暖水層の厚さ、水温躍層の深さ、海面下の塩分構造、サイクル間の変化など、海面の分布だけでは直接分からない鉛直構造を調べられます。
次の概念図では、人工衛星が捉える水平方向の広がりと、Argoによる深さ方向の測定を対比しています。
（a）は人工衛星の観測範囲と海面水温の面的な広がりを、（b）はArgoフロートが浮上中にたどる観測経路と水温・塩分構造を示しています。
Argoが通信に使う人工衛星は役割が違う
Argoフロートが浮上後に行うのは、海の遠隔観測ではなく衛星通信です。海中での測定と記録はフロートのセンサーが担い、多くのフロートは海面へ浮上すると、GPSで位置を求め、イリジウム（Iridium）衛星通信網を使って観測データを陸上へ送ります。一部のフロートは、測位とデータ送信の両方にArgos衛星システムを使います。
二つの観測を組み合わせると何が分かるか
衛星画像に前線、渦、周囲より暖かい領域が見つかった場合は、その画像から海面での広がりを把握でき、観測時刻の合う複数の画像を並べれば時間変化も追えます。さらに、近くにArgoプロファイルがあれば、深さ方向について次のような点を調べられます。
- 水温差が混合層より下にも続いているか
- 水温躍層が浅く、または深くなっているか
- 塩分の差が水温による密度差を強めているか、打ち消しているか
- 後続のプロファイルにも似た鉛直構造があるか
たとえば、衛星データに見られる分布を手掛かりにプロファイルを調べる範囲を絞り、現場観測の結果から遠隔観測の信号が何を表すのかを検討できます。
両者を比較する際は、場所と時刻がどの程度一致しているかも確認します。Argoフロートはサイクルの間だけでなく、一回の浮上中にも移動します。衛星の通過時刻とプロファイルの取得時刻が数時間から数日ずれたり、衛星の観測範囲がフロートのセンサーが通った経路よりはるかに広かったりする場合もあります。そのため、地図上で近いだけでは同時同所の測定とはみなせません。
どちらの観測にも空白がある
人工衛星は広域を観測できますが、赤外線や可視光は雲に遮られ、沿岸や海氷付近ではデータを得にくくなる場合もあります。一画素の大きさや、同じ場所を観測できる頻度も、センサーごとに異なります。また、海面水温には、複数のセンサーや観測手段から得たデータを格子上で解析し、欠損のない分布として示すLevel-4（L4）データ（英語）もあります。そのため、色の付いた画素がすべて、その時刻に雲のない状態で直接観測された値とは限りません。
一方、Argoは海面下を測れるものの、各プロファイルは互いに離れた場所と時刻で取得され、フロートの運用方法や到達深度も一様ではありません。海底まで到達するとは限らず、生物地球化学変数を測るのもBGCセンサーを搭載したフロートだけです。
なぜ海のすべてを観測できない？では、観測できない場所・時間・深さ・変数に加え、測定値、補間値、解析値の違いを説明しています。
OceanGraphではArgoプロファイルを調べる
海面水温、海色、衛星高度計のデータと比較するには、信頼できる衛星データを用意し、OceanGraphの処理済みArgoプロファイルと並べて確認します。
比較するときは、次のように範囲を絞ります。
- 衛星データの変数、取得時刻、空間分解能を確認し、観測値なのか欠損を埋めた解析値なのかを区別する
- OceanGraphで狭い海域と期間を検索し、地図上の距離だけで選ばず、各プロファイルの位置と時刻を確認する
- 水温・塩分の鉛直分布を確認し、有効な測定値が得られている最も浅い深度と、プロファイルの最大観測深度も確かめる
- 時間変化を調べる場合は一つのフロートのプロファイルを追い、同時に観測場所も移動していることを考慮する
OceanGraphがArgoのみをデータ源とすることは、App GuideのData Source（英語）に記載されています。Search and Bookmark（英語）ではプロファイルの検索方法を、Trajectory and Time-Series Vertical Section（英語）では一連のサイクルを確認する方法を説明しています。
人工衛星だけでなく、観測船や係留系も含めた役割分担は、海の中はどうやって測る？で確認できます。
