2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of numerical snowpack model considering heterogeneous liquid water movement by unsaturated infiltration
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17K01347
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| Research Institution | National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention |
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Principal Investigator |
平島 寛行 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 雪氷防災研究部門, 主任研究員 (00425513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 晋生 三重大学, 生物資源学研究科, 教授 (10335151)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 積雪中の水分移動 / 水みち / 積雪変質モデル / ３次元水分移動モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度に行なった研究成果として、まず水みちを考慮できるよう改良されたSNOWPACKを研究協力者であるNander Wever氏の協力のもとで導入を進め、使用可能な環境に整備した。その上で、3次元水分移動モデル(以降、3次元モデル)とSNOWPACKの比較を行なった。比較の際にはFrancesco Avanzi氏が行った積雪層構造中における水分浸透実験の結果を検証に用いた。その結果から、水分移動モデルとSNOWPACKでは定性的にはほぼ同様の過程で浸透していくことが確認された。また、水が底面に到達するタイミングや浸透後の含水分布に関しては水分移動モデルの方が高い再現性をもっていることが確認された。これらの結果から、SNOWPACKにおける水みちに関するパラメータを最適化することで水分浸透過程を改良できる可能性が示唆され、2月にアメリカで行なった研究打ち合わせの際には水みち形成時における透水係数や、水みち形成条件を調整して再現性向上の可能性を確認した。しかしながら、この調整によりSNOWPACKの計算が不安定になる等、テクニカルな問題も生じ、調整を行なっても安定した計算を可能にするための改良が課題として残された。
また、3次元の水分移動モデルに関しては、本課題の研究協力者であるFrancesco Avanzi氏が行った湿雪変質実験の再現計算を行い、不均一な水分浸透過程とそれによる粒径成長の関係を再現し、水みちの検証について解析を進めた。
また、平成30年度に行う氷点下の積雪における水みちの凍結実験にむけて、乾いた凍土中に水を浸透させて浸透した水の凍結メカニズムの解明を試みた。設置していた温度センサや電極センサの値から、浸透の最中に水が凍結して氷と水が共存した状態となったこと、またその場合は非凍土中に浸透する時に比べ浸透の速度が遅くなっていたことが確認された。
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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
本研究では、積雪変質モデルで水みちのプロセスを正確に再現できるよう改良するため、３次元モデルを応用して両モデルの長所を融合することを目標としている。１年目の計画としては、SNOWPACKと水分移動モデルの水分浸透過程に関する比較を行いその再現性の差を確認すること、また必要に応じて改良を加えることとしている。比較に関しては実測データを検証データに用いて再現性の差を定量的に比較し、その結果は国際誌であるHydrological and Earth System Sciencesに投稿して受理されており、11月に掲載された。SNOWPACKの改良については、安定した高い再現性を得られる段階までは達していないものの、再現性を向上させるために必要な改良点に関する目処をたてた。
３次元モデルに温度、融解、再凍結過程の導入する改良は予定通りに進まなかったが、凍結の影響を考慮して実験結果との比較が可能になるよう、積雪中の水を任意のタイミングで手動で凍結させられるルーチンを組み込んだ。 そのモデルを用いてX線断層撮影により確認した粒径成長の結果との比較を行い、水分移動モデルで用いている粒径成長のモデルの妥当性を確認した。また、水みちが拡大して毛管流が卓越するようになるプロセスにおいて、湿雪変質による粒径成長が大きな役割を及ぼすことがモデルの結果から確認された。これは当初の計画にはなかった内容であるが本研究を進める際に得られた成果であり、今後国際誌への投稿を予定している。
このほか、来年度に予定している積雪中の水みちの凍結に関して、土壌を用いて予備実験を行なったことで、本実験の際におこりうる問題の対策や、土壌と雪の浸透過程の違いに関する検討等を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、今年度やり残していた作業として、3次元モデルに温度のパラメータを導入し、それをもとに融解、再凍結過程を組み込む。続いて、そのモデルを検証するための低温室実験を行う。実験では粒径の異なる2層の積雪をカラムに詰め、0℃の水を浸透させてその凍結過程及び温度分布の変化を計測する。実験時には、X 線断層撮影装置を 用いて積雪中の氷板や凍結した水みちの三次元構造を、また MRI を用いて含水率の分布を測定する。この実験の再現計算を3次元水分移動モデルで行うことで、温度分布や氷板形成条件の再現性につ いて検証し、不一致部分に関しては適宜改良を加える。また、SNOWPACK でも実験の再現計算を行い、3 次元モデルの結果と比較する。その比較結果をもと に、SNOWPACK における再現性を高めるための改良を加える。これらの改良の結果を用いて国内外のフィールドに適用してSNOWPACKの検証を行う。またSNOWPACKの改良部分についてはオープンソースで公開されているコードに反映する。
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