Development of a sea surface breaking wave observation system using industrial millimeter wave radar and optical particle size counter
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21K18652
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
相木 秀則 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (60358752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 文義 海上保安大学校(国際海洋政策研究センター), 国際海洋政策研究センター, 准教授 (40467725)
民田 晴也 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 主任技師 (80422765)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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| Keywords | 白波砕波 / シースプレー |
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| Outline of Research at the Start |
台風通過時の海面では強風によって波浪が発達し無数の白波砕波が発生する。その１つ１つの波の峰が強風に引きちぎられて大量のシースプレーが海上数10mの高さに浮遊したのちに海面に落下する。大粒径飛沫は質量が大きいため大気海洋間の運動量・熱・CO２輸送において重要な役割を果たす。小粒径飛沫は海洋性エアロゾル（海塩粒子およびプランクトンを起源とする有機物粒子の複合体）となって上空数kmで雲の凝結核となるとともに大気の放射収支に寄与する。本研究では自動車部品用のミリ波レーダー電子回路ボードを用いて海上の白波砕波の時空間構造を測定するシステムを開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
波しぶき計（光学式粒子数計）による海塩粒子の粒径分布の時系列測定については、前年度までの試験で超音波風速計と併設して桟橋で同期測定した際には、測器システムの波被りによる海水の吸い込みが原因と思われる機能停止があった。そこで、海面からの高さがある船舶観測に体制を切り替え、北海道沖での航海における２週間の試験を経て、南極観測航海における５ヶ月の連続運用におけるデータ取得に成功した。渦相関法によるフラックスの見積もりについては、粒子数統計と質量統計に分けて処理プログラムの調整を行っている。砕波の水平構造を捉えるために並行して開発している産業用ミリ波レーダーモジュールT18については、総務省技術基準適合証明を取得しており、試作機を沿岸で運転してみたところ、送信アンテナ（TX）3素子、受信アンテナ（RX）4素子の高性能なデバイスであり、特に近距離観測の有効性を見出した。観測領域は50-100m離れた海面を想定しているが、自然現象を対象とした省電力レーダーにとってmid-rangeの40mでも遠く、T18シリーズの製品選択としては送信電力を重視、個々の送受信アンテナのパッチアレイ数が多い型番（送信ビーム幅を絞り、エネルギー密度を高める設計）を選択した。しかし、全天候の野外観測、潮をかぶりやすい海岸での運用では、ミリ波では避けられない。今後の研究においてアンテナ付着水滴による大きな減衰を取り除くアイディアの重要性を再確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
波しぶき計による海塩粒子の粒径分布の時系列測定については、凍結防止とレーザー光源安定化のための暖機運転や数ヶ月間渡って10Hz測定のデータをSDメモリーに記録する際の設定が必要であった。これは前年度までの調整試験の甲斐あって、信頼度に足る稼働をさせることができた。産業用ミリ波レーダーモジュールについては、反射強度空間マップを得るためにT18を用いた電子走査方向の分解能改善はかる手法として、アンテナ機械回転とシグナル合成による空間補間、合成開口レーダー同様アンテナを水平移動して仮想アレイ数を増やす方法の試験を順調に進めた。これとは別にT18は速度スペクトルも取得でき、観測ドップラー速度ー距離分布も得ることができた。海波観測については、T18のフレーム取得レートが0.1秒であり、S/N改善効果を見込むためにレーダーシグナルの積算平均時間を5秒と20秒としての見え方の比較をするなど、試験を建設的に進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
時間分布は波しぶき計で科学データとして使うための検証段階、水平分布はミリ波レーダーモジュールでS/N比・探索距離・電力消費量などの測器の特性に応じた観測項目の選定段階である。特に後者の電力消費量についてはパソコンを並置して稼働させるために制限が大きい。これについての総合的なバランスを見出すことが2023年度の課題である。並行して、海上のエアロゾルの高度分布を捉えるために簡易小型の光学式センサーモジュールに着目した測器開発も行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
