2020 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation on the role of ocean waves in sea ice structuring from formation to break up stages
| Project/Area Number |
19H00801
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
早稲田 卓爾 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30376488)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小平 翼 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60795459)
松沢 孝俊 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (00443242)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 海氷波浪相互作用 / 氷海水槽実験 / マージナルアイスゾーン / 氷盤フラクタル / 波浪方向スペクトル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
結氷・融解過程を支配する氷縁域では、波浪と海氷が活発に相互作用し、氷盤分布をはじめとして波浪が海氷の構造に重要な役割を果たす。しかし、力学的な波浪海氷相互作用の詳細は未だ解明されていない。そこで本研究では、氷縁域における、海氷の形成と崩壊、海氷下の波浪の伝搬減衰に関する、波浪海氷相互作用機構を解明し、モデル化することを目的とする。そのために、１）造波氷海水槽実験、２）極域波浪海氷観測、３）サブグリッドスケールモデリングを実施した。
1）淡水における造波製氷技術を確立した。異なる波長・波高の規則波を造波しながら製氷することで、淡水における氷晶の形成に成功した。また、はす葉氷様に集約した氷晶群の大きさと入力波パラメターの関係を整理した。さらに生成された多様な氷の下での波浪の減衰特性、非線形相互作用について計測を行った。また、プロピレングリコール水溶液による製氷方法を試行し、強度試験を行い、海氷と同様の構造・強度の再現性を確認した。造波機形状については、造波効率を損なうことなく造波機前面勾配を緩やかにする設計を数値計算により実施した。
２）2020、2021海洋地球研究船「みらい」北極海航海にて、レーダー、波浪ブイ、ステレオカメラ、しぶき計測など、第63次南極地域観測隊（2021-2022)にて、砕氷艦「しらせ」による波浪ブイ、ステレオカメラ、しぶき計測など、そして、2022巡視艇「そうや」によるオホーツク海波浪ブイ計測などを実施した。そして、北海道ウトロにおける海氷観測、海水塩分計測サンプリングを実施した。
３）実験・観測から得られた知見から、二つの数値モデルの構築に着手した。いずれも波浪場はポテンシャル理論で再現し、氷板を連続体として模擬した高次スペクトル法による計算、熱力学過程と氷晶粒子の生成から相互作用を模擬する離散要素モデルとの結合計算を実施した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
氷海造波水槽における実験および海氷・波浪観測は、当初の計画以上に進展している。造波機形状の再設計（繰り越し事由）、位相解像波浪モデルを利用したサブグリッドスケールモデル化などでやや遅れがあるが、全体としてはおおむね順調に進展していると言える。
1）氷海造波水槽では当初氷晶の形成のためには、段階的に淡水からプロピレングリコール水溶液、塩水と変える必要が有ると考えていた。よって、淡水でも氷晶およびはす葉氷様の氷を形成ができる造波製氷法の確立は当初の計画以上の進展と言える。一方、造波機および消波板は改善の必要が有り、その設計には少し遅れがある。
２）海氷・波浪観測は、関連プロジェクトでの観測機会を利用し、北極海、オホーツク海、南極海など異なる海氷波浪条件下で計測できたことは当初の計画以上の進展である。
３）サブグリッドスケールモデル化では、高次スペクトル法で不連続な氷板を扱うことが課題である。また、氷晶形成過程のシミュレーションは、氷晶間の相互作用、熱力学的過程などとの結合が課題である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
1）氷海水槽実験： 淡水での造波製氷に成功したものの、形成された氷を繰り返し製氷することは不可能である。特に波浪の減衰特性が実験により大きく変わることもわかり、今後は同条件下での実験をくりかえすこととする。また、規則波から段階的にスペクトルバンド幅を大きくする（変調不安定波、不規則波）。そして、淡水から不凍溶剤水溶液、塩水と現実に近づける。
2）海氷・波浪観測：2022年8-10月の「みらい」航海、2022年11月-3月の「しらせ」航海にて、計測を実施する。また、みらいと北海道ウトロにおけるレーダー観測を実施する。
3）波浪・海氷サブグリッドスケールモデリング： 高次スペクトル法による計算は、2次元および広域で海氷密接度が1以下を想定した計算を実施する。氷晶粒子形成過程については、水槽実験での検証を実施する。
|
Research Products
(27 results)
-
[Journal Article] OpenMetBuoy-V2021: an easy-to-build, affordable, customizable, open source instrument for oceanographic measurements of drift and waves in sea ice and the open ocean2022
Author(s)
Rabault, J., T. Nose, G. Hope, M. Muller, O. Breivik, J. Voermans, L. R. Hole, P. Bohlinger, T. Waseda, T. Kodaira, T. Katsuno, M. Johnson, G. Sutherland, M. Johanson, K. H. Christensen, A. Garbo, A. Jensen, O. Gundersen, A. Marchenko, A. Babanin
-
Journal Title
Geosciences
Volume: 12
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
[Journal Article] Observation of on-ice wind waves under grease ice in the western Arctic Ocean2021
Author(s)
Kodaira, T., Waseda, T., Nose, T., K. Sato, Inoue, J., Voermans, J., Babanin, A.
-
Journal Title
Polar Science
Volume: 27
Pages: 100567
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
-
[Journal Article] Wave dispersion and dissipation in landfast ice: comparison of observations against models2021
Author(s)
Voermans, J., Q. Liu, A. Marchenko, J. Rabault, K. Filchuk, I. Ryzhov, P. Heil, T. Waseda, T. Nose, T. Kodaira, J. Li, A. V Babanin
-
Journal Title
The Cryosphere
Volume: 15
Pages: 5557-5575
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
[Presentation] Peculiarities of using the data of sea ice concentration derived from satellite microwave radiometry for navigational tasks2022
Author(s)
Alekseeva, T., Sokolova, J., Afanasyeva, E., Tikhonov, V., Raev, M., Waseda, T., Nose, T., Sharkov, E.
Organizer
The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
-
[Presentation] Lagrangian observation of sea ice drift2022
Author(s)
Fujiwara,Y, Kodaira, T., Waseda, T., Nose, T., Nishizawa, K., Uchiyama R.
Organizer
The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
-
-
-
-
-
[Presentation] Observation and model comparison of surface ocean waves in the Laptev Sea2022
Author(s)
Nose, T., Rebault, J., Waseda, T., Kodaira., T., Katsuno, T., Kanna, N., Tateyama, K., Voremans, J., Alekseeva, T.
Organizer
The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
Int'l Joint Research
-
-
[Presentation] Analysis on long-term trend of vessel icing predictor in the Arctic Ocean and measurement of sea spray and waves on R/V Mirai2022
Author(s)
Uchiyama R., Waseda, T., Ozeki, T., Kodaira, T., Fujiwara,Y., Yamaguchi, H.
Organizer
The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
Int'l Joint Research
-
[Presentation] Radar observation of sea-ice and waves in a controlled laboratory environment2022
Author(s)
Waseda, T., Matsuzawa T.,Tateyama K., Kodaira, T., Fujiwara,Y., Katsuo T., Nose, T., Nishizawa, K., Sato K., Uchiyama, R
Organizer
The 36th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] Ocean wave observation in the Arctic Ocean north of the Laptev Sea2021
Author(s)
Nose, T., Rabault, J., Waseda, T., Kodaira., T., Katsuno, T., Kanna, N., Tateyama, K., Voremans, J.
Organizer
the 12th Symposium on Polar Science
Int'l Joint Research
