風の海面摩擦係数における波浪・風速変動の影響

• Project/Area Number: 18H01284
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 鈴木 直弥 近畿大学, 理工学部, 教授 (40422985)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高垣 直尚 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (00554221) ; 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)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
• Keywords: 風の海面摩擦係数 / 海面応力 / 大気・海洋間運動量輸送 / 風波 / 風の海面摩擦係数の変動 / 波浪 / 海流 / 吹走距離 / 浅海波

Outline of Annual Research Achievements

大気・海洋間運動量フラックス算出に用いられる風の海面摩擦係数一般的に風速のみの関数で表されているが、海洋観測での風速に対する風の海面摩擦係数は大きく変動している。本研究の目的は、風波水槽・ブイ・観測塔を用いて観測を行い波浪や風速変動の影響を明らかにすることで信頼性の高い風の海面摩擦係数モデルを構築することである。2021年度の成果は以下の通りである。
（１）風波水槽での風波と成分波混在時の解析：成分波混在によって風波の卓越周波数が変化し、成分波の周波数が大きく波高が高いほど風波のスペクトル形状を変化させ、風波に影響を及ぼすことが示された。また、一様流速および境界層内の風速鉛直分布に相違が生じ、風の海面摩擦係数および摩擦速度の値が大きくなることが示された。
（２）風波水槽での風波と表層流混在時の解析：風波と同一方向の表層流混在の場合、液流速が大きくなると風波の卓越周波数も大きくなり風波の発達を抑制していることが示された。同じ液流速の場合でも風速が大きくなると表層流の影響は小さいことが示された。また、境界層内の風速鉛直分布に相違が生じ、摩擦速度および風の海面摩擦係数が小さい値を取ることが示された。
（３）風速・風向変動の影響の解析：東京大学所有の平塚沖総合実験タワーでの観測データから風速・風向の安定時間による風の海面摩擦係数の変動について調査した。その結果、50分以上風速・風向が安定することで風の海面摩擦係数の変動が小さく既往研究の風の海面摩擦係数モデル付近にデータが集中することが示された。また、瞬間値データ内において風向変動が特に低風速域で風の海面摩擦係数の変動に影響していることが示された。異なる時間間隔の全球規模海上風速再解析データを用いて大気・海洋間運動量フラックスを算出し検討した結果、局所では高風速時に異なる時間間隔による風速変動の影響が示された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度は、コロナ禍で予定していた小型大気乱流・波浪同時計測ブイを用いた観測を行うことができなかったが、風波水槽実験を行うことで、（１）風波と同一方向の表層流混在時の解析を行い、表層流が混在することで境界層内の風速鉛直分布に相違が生じ、摩擦速度および風の海面摩擦係数が小さい値を取ることが示された。（２）風波と成分波混在時の解析を行い、一様流速および境界層内の風速鉛直分布が異なる傾向を示すことが示された。また、風波のみに比べて風の海面摩擦係数および摩擦速度の値が大きくなることが示された。
また、蓄積したタワーでの観測データの解析を行い、瞬間的な風向変動が特に低風速域で風の海面摩擦係数の変動に影響していることが示された。また、風速変動の考慮として異なる時間間隔の全球規模海上風速再解析データを用いて大気・海洋間運動量フラックスを算出した結果、高風速時に異なる時間間隔による風速変動の影響が示された。
したがって、現場での観測を行うことができなかったが、風波水槽実験および蓄積していたタワー観測データ、全球規模海上風速再解析データを用いた解析を行うことができ、当初の計画通りにおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、これまでコロナ禍の影響で観測が行えなかった小型大気乱流・波浪同時計測ブイを用いた観測回数を増やし、様々風速でのデータを取得し、解析を行う。また、風波水槽実験においては成分波・表層流を生成する条件を増やし、風の海面摩擦係数の変動の影響について定量的な解析を行う。タワーでの観測データにおいては、これまで短期間の観測データについて検討してきたが、今後は蓄積された長期間データを用いて、時系列および瞬間的な風速・風向変動、さらには高風速での風速変動について、より詳細に解析を行う。風速パラメータのみでなく波浪パラメータも同時に解析を行い、風の海面摩擦係数の変動におよぼす波浪の影響について検討していく。さらには、風の海面摩擦係数におよぼすうねりや表層流の影響について平塚沖総合実験タワーと風波水槽実験の結果を比較し、詳細に検討する。上記解析によって、風の海面摩擦係数の変動の要因の知見をより明らかにし、信頼性の高い風の海面摩擦係数モデルを提案する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IAP, the Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)
• [Journal Article] Effects of wind fluctuations and various drag coefficient models on air-sea momentum flux estimation at high wind speeds (2022)
  • Author(s): Naoya Suzuki, Yohei Ueda, Naohisa Takagaki, Iwao Ueki, Atsutoshi Ikeda
  • Journal Title: Journal of Advanced Marine Science and Technology Society Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of air-side freestream turbulence on the development of air-liquid surface waves (2020)
  • Author(s): Takagaki Naohisa、Suzuki Naoya、Takahata Shunsaku、Kumamaru Hiroshige
  • Journal Title: Experiments in Fluids Volume: 61 Pages: 136-136
  • DOI: 10.1007/s00348-020-02977-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of current on wind waves in strong winds (2020)
  • Author(s): Takagaki Naohisa、Suzuki Naoya、Troitskaya Yuliya、Tanaka Chiaki、Kandaurov Alexander、Vdovin Maxim
  • Journal Title: Ocean Science Volume: 16 Pages: 1033-1045
  • DOI: 10.5194/os-16-1033-2020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] DEVELOPMENT OF THE LOOP METHOD ON LONG-FETCH CONDITIONS IN WIND WAVE TANK - CONSTRUCTION OF LOOP-TYPE WIND AND WAVE HYBRID METHOD - (2020)
  • Author(s): UEMURA Yusuke、TAKAGAKI Naohisa、SUZUKI Naoya
  • Journal Title: Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B2 (Coastal Engineering) Volume: 76 Issue: 2 Pages: I_1399-I_1404
  • DOI: 10.2208/kaigan.76.2_i_1399 10.2208/kaigan.76.2_I_1399
  • NAID: 130007935832
  • ISSN: 1883-8944, 1884-2399
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] QUANTITATIVE EVALUATION OF ANEMOMETER MOTION COMPENSATION METHOD USING MULTIPLE IMU SENSORS (2019)
  • Author(s): TANIGUCHI Hiroto、SUZUKI Naoya、GARCIA Gustavo、IKEDA Atsutoshi
  • Journal Title: Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B2 (Coastal Engineering) Volume: 75 Issue: 2 Pages: I_1303-I_1308
  • DOI: 10.2208/kaigan.75.i_1303 10.2208/kaigan.75.I_1303
  • NAID: 130007730080
  • ISSN: 1883-8944, 1884-2399
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Ships on Wind Flow in Ocean Wind Measurements Using a Numerical Simulation (2019)
  • Author(s): Naoya Suzuki, Takenobu Michioka, Masanori Konda, Kunio Kutsuwada, Yuji Masuda
  • Journal Title: Journal of Advanced Marine Science and Technology Society Volume: 25 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.14928/amstec.25.1_1
  • NAID: 130007688460
  • ISSN: 1341-2752, 2188-3262
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of the accuracy of various global wind speed datasets obtained from satellites and reanalyses (2018)
  • Author(s): Naoya Suzuki, Masanori Konda, Kunio Kutsuwada, Kyota Utsunomiya
  • Journal Title: Journal of Advanced Marine Science and Technology Society Volume: 24 Issue: 2 Pages: 31-37
  • DOI: 10.14928/amstec.24.2_31
  • NAID: 130007554160
  • ISSN: 1341-2752, 2188-3262
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of small buoy with built-in multiple IMU for sea surface condition measurement (2022)
  • Author(s): Atsutoshi Ikeda, Naoya Suzuki, Hiroaki Uetani, Hiroto Taniguchi
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Motion Compensation of an Anemometer Using Multiple IMU Sensors in a World Coordinate System (2021)
  • Author(s): Hiroto Taniguchi, Naoya Suzuki, Gustavo Garcia, Astutoshi Ikeda
  • Organizer: American Meteorological Society 101st Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強烈な砕波を伴う気液界面における運動量輸送量の測定手法の構築 (2020)
  • Author(s): 合田総一郎, 高垣直尚, 鈴木直弥, 松田景吾, 小森悟, Yuliya Troitskaya
  • Organizer: 2020年度日本機械学会年次大会
• [Presentation] 風波水槽での高風速時の砕波を伴う大気・海洋間運動量輸送の評価 (2020)
  • Author(s): 合田 総一郎, 高垣 直尚, 鈴木 直弥, 松田 景吾, 小森 悟, Yuliya Troitskaya
  • Organizer: 海洋理工学会令和2年度秋季大会
• [Presentation] 全球規模での大気・ 海洋運動量フラックス積算における海上風速データの時間解像度および抵 抗係数モデルの相違による影響評価 (2020)
  • Author(s): 上田 陽平, 鈴木 直弥, 高垣 直尚, 植木 巌
  • Organizer: 海洋理工学会令和2年度秋季大会
• [Presentation] 強風時の大気・海洋間運動量輸送に及ぼす浅瀬の影響 (2020)
  • Author(s): 佐々木 燦汰, 高垣 直尚, 鈴木 直弥
  • Organizer: 海洋理工学会令和2年度秋季大会
• [Presentation] Effect of the fluctuation of the wind speed and direction on the drag coefficient investigated using tower-based measurements (2020)
  • Author(s): Naoya Suzuki, Takuji Waseda
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rotational motion compensation towards precise wind speed measurement on the sea (2020)
  • Author(s): Hiroto Taniguchi, Naoya Suzuki, Gustavo Garcia, Atsutoshi Ikeda
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sea surface effects on the growth of wind wave in laboratory experiment (2020)
  • Author(s): Chiaki Tanaka, Naoya Suzuki, Naohisa Takagaki, Yuliya Troitskaya, Satoru Komori, Alexander Kandaurov, Maxim Vdovin, Masanori Konda
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement method of the wind stress at high wind speeds in laboratory experiment (2020)
  • Author(s): Temma Onishi, Naohisa Takagaki, Naoya Suzuki
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of component waves on drag coefficient in laboratory experiment (2020)
  • Author(s): Rikuya Maekawa, Naoya Suzuki, Naohisa Takagaki
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the loop method on long-fetch conditions in wind wave tank (2020)
  • Author(s): Yusuke Uemura, Naohisa Takagaki, Naoya Suzuki
  • Organizer: American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 風波水槽での吹送距離延長のための気流ループ法の確立－気流・波ハイブリッドループ法に向けて－ (2019)
  • Author(s): 上村友祐、高垣直尚、鈴木直弥
  • Organizer: 海洋理工学会2019年度春季大会
• [Presentation] 観測塔周りの気流を対象としたLarge-eddy simulation (2019)
  • Author(s): 道岡武信、鈴木直弥
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2019
• [Presentation] 風波水槽での大気・海洋間運動量輸送における表層流の影響の検討に向けた初期実験 (2019)
  • Author(s): 田中千晶、鈴木直弥、高垣直尚、根田昌典
  • Organizer: 海洋理工学会2019年度秋季大会
• [Presentation] 風波水槽での気側ループ法の確立および風速鉛直分布の相違による風波への影響の検討 (2018)
  • Author(s): 上村友祐、高垣直尚、鈴木直弥、小森悟
  • Organizer: 平成30年度海洋理工学会春季大会
• [Presentation] 平塚観測塔が周辺の気流に及ぼす影響 (2018)
  • Author(s): 白石涼、道岡武信、鈴木直弥
  • Organizer: 第59回大気環境学会年会
• [Presentation] 風波水槽を使用した風波の発達における気側乱流の影響 (2018)
  • Author(s): 大西天真、高垣直尚、鈴木直弥、小森悟、井上海地
  • Organizer: 平成30年度海洋理工学会秋季大会
• [Presentation] 風波水槽実験による抵抗係数の変動における成分波の影響 (2018)
  • Author(s): 前川莉玖弥、高垣直尚、鈴木直弥、小森悟
  • Organizer: 平成30年度海洋理工学会秋季大会
• [Presentation] 高精度な海面風応力計測に向けた超音波風速計の動揺補正実験 (2018)
  • Author(s): 谷口 寛人、鈴木 直弥、池田 篤俊
  • Organizer: 第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会