波浪の発達・減衰と運動量・二酸化炭素などの海面フラックスに砕波が果たす役割

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12304025
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 増田 章 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (60091401)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松永 信博 九州大学, 総合理工学研究府, 助教授 (50157335) ; 烏谷 隆 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (30150527) ; 草場 忠夫 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (00037871) ; 田中 光宏 岐阜大学, 工学部, 助教授 (70163582) ; 安田 孝志 岐阜大学, 工学部, 教授 (10093329)
• Keywords: 風波の砕波 / 風波のスペクトル発展 / 海面境界過程と物質輸送 / 大気境界層と海面下の乱流 / 水面下のラングミュア循環 / 現地海洋観測 / 風洞水槽実験 / 高精度数値シミュレーション

Research Abstract

今年度に行った研究をまとめると下記のとおりである。
1)数値模型と波浪間非線形伝達:波浪間非線形エネルギー伝達関数を厳密に計算する方法の有限水深域への拡張をほぼ完了した。また、これまでに開発してきた精密な数値模型を用いて不規則波浪の発展を直接模擬し、波浪間非線形エネルギー輸送ならびに非線形位相速度を理論と比較し良好な結果を得た。
2)海上風と水面粗度:津屋崎沖海上観測塔で海上風の鉛直分布を実測し、驚くほど小さい無次元粗度(海面の抵抗係数と等価)のデータを多く得た。検証を含め今後は更に精密な海上観測が必要である。また、水槽実験に基づき水面粗度を表す新しい実験式を導いた。
3)水面波の砕波による乱流エネルギー生成・散逸過程:砕波を伴う波浪を発生させる水槽実験を行った。強風下では砕波の供給する乱流エネルギーが通常の剪断流の供給する乱流エネルギーを一桁上回ることを見出した。また、砕波帯の乱流場におけるエネルギー散逸過程をκ-ε乱流模型がよく記述することを水槽実験で検証した。
4)気体中・海中の二酸化炭素濃度測定:日本海における二酸化炭素濃度・フラックス長期観測の準備として新潟県大潟町の桟橋で気中・海中二酸化炭素濃度を測定した。海中濃度測定法は更なる改良を要すること、及び気中濃度の計測器は長期観測に耐える信頼性を有することが分かった。また、風速計を併用して二酸化炭素の鉛直輸送を直接測定し、昼間は海が二酸化炭素を吸収するが夜間は逆になるという日変化を検出した。
5)表面更新渦と気液界面における気体交換:酸素を実験気体として水面における気体交換係数を計測し、摩擦速度で無次元化した実験式を得た。これは表面更新渦が気体交換で主要な役割を果たすことを強く示唆する。また、水面を有する振動格子乱流場をPIVを用いて計測し表面更新渦の特性が微分長さスケールで定量化できることを示した。
6)風洞水槽内二次循環流:風を吹かせると水槽内に二次循環が起こるその収束域に見られる下降流の速度が表層吹送流速の1/3ないし1/4に達することを見出した。ただし風で起こる風波の発生を人為的に抑えると下降流速は半分になる。また、二次循環セルの間隔は主に水深で決まるが、風波を抑えるとやや小さくなることを確認した。
7)砕波限界とスペクトル則:有義波高が有義周期の2乗に比例する上限(砕波限界を示唆する)を有するという経験則を前年度までに見出していた。本年度は更に東中国海と四国沖太平洋のブイ計測データを解析し、この経験則を検証した。また、有義波高周期が周波数の-5/3乗に比例するという不思議な経験則も再び確認することができた。

Research Products

• [Publications] 小松幸生, 増田 章: "沿岸域における風波成分波間の非線形エネルギー伝達"水産総合研究センター報告. Vol.1. 7-21 (2001)
• [Publications] M.Tanaka: "Verification of Hasselmann's energy transfer among surface gravity waves by direct numerical simulations of primitive equations"Journal of fluid Mechanics. Vol.444. 199-221 (2001)
• [Publications] K.Isaka, T.Yasuda, N.Mizutani: "Characteristics of water surface bursting layer with intensive turbulence generated by winds and breakers"Proc. of 8th Intl. Symp. Flow Modeling and Turbulence Measurements, IAHR, Tokyo. (in press). (2001)
• [Publications] 松永信博, 鵜崎賢一, 浦上由紀子: "吹送流中の二次循環流の形成に果たす風波の役割"海岸工学論文集. Vol.48. 376-380 (2001)
• [Publications] 杉原裕司, 津守博通: "気液界面における表面更新乱流の特性"水工学論文集. Vol.46. 529-534 (2002)
• [Publications] 草場忠夫, 増田章, 丸林賢次, 石橋道芳: "津屋崎観測塔における海上風の計測"九州大学応用力学研究所所報. Vol.122. 37-42 (2002)