| 研究課題/領域番号 |
22K04324
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分22040:水工学関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
猿渡 亜由未 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00563876)
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| 研究分担者 |
渡部 靖憲 北海道大学, 工学研究院, 教授 (20292055)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 砕波 / 爆弾低気圧 / 白波被覆率 / 大気海洋間輸送 / 未発達波浪 / 熱湿度輸送 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
爆弾低気圧の下で風速が動的に変化する際，海面には風速に対し平衡状態に達していない未発達な暴波浪場が形成される．そこでは十分発達した波浪場よりも砕波率が高く波飛沫の発生量が多いなど，台風下の波浪場とは異なる海面が形成されている．本研究では，風速に対し十分発達していない暴波浪場の特徴を明らかにすると共に，大量の飛沫が発生する未発達暴波浪上における熱，湿度輸送量をモデル化し，気象計算を行う際の海表面境界条件の高精度化を目指す．
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| 研究実績の概要 |
本研究では冬季爆弾低気圧の通過経路頻度の高い北海道オホーツク海沿岸の紋別市オホーツクタワーにおける気象海象連続観測に基づく大気海洋間輸送フラックスの海面状態への依存性を明らかにすることを目指して研究を継続している．
2023年度は海面画像を取得するために2022年度に新たに設置した2台のウェブカメラの撮影条件並びにキャリブレーション方法の改善を行った．更に1組の画像ペア間での画像相関点の計算法に大幅な修正を加えることにより，2022年度は概形の推定にとどまっていた暴波浪時の白波波面の３次元形状をより詳細に取得することに成功した．２つの画像から求められた個別の波の三次元波面形状（波高，波速）は，オホーツクタワーから18 km東に位置する全国港湾海洋波浪情報網（ナウファス）の紋別（南）観測点における統計波浪観測データと矛盾しない結果となっており，本研究で開発したカメラ画像を元にした三次元白波波面形状測定法の有用性を示すことができた．2023年度は共同研究者が主導する他の研究プロジェクトにおいて，オホーツクタワーの水面下に新たな水中観測器として波高計並びに水温計の設置を行い，これらにより取得されたデータを本研究のためにも用いることで同意を得ている．これまで観測結果の解析には紋別（南）ナウファスデータの浅水変形を考慮した換算値から波高データを用いていたが，同一地点での大気海洋データ同士の直接比較が可能となる．また，オホーツクタワーでは当研究の研究協力者が新たに船舶用データを設置する準備を進めており，これもまた得られたデータを本研究のために用いていいとの合意を得ている．これが稼働し始めればタワー地点での波浪データだけではなく，その周辺海域における波浪情報も取得することができるため，荒天時の暴波浪の発達伝搬に関するデータの充実が図られる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は爆弾低気圧の経路直下に位置する確率の高い北海道紋別市オホーツクタワーにおける海上現地観測に基づき，冬季寒冷海域において高濃度バブルクラウドの混入と大量の波しぶき放出を伴う暴風白波海面を介した大気海洋間の熱，物質輸送モデルの提案を目指すものである．当初の申請書に記載した研究計画のように，本研究は海上現地観測を中心に据えた研究プロジェクトであり，昨年度から今年度にかけて着々と海上気象海象観測システムの構築を進めることができた．また，研究代表者の共同研究ネットワークを駆使して，他の研究プロジェクトにおいて得られる現地観測データの共有や現地観測システムの構築にかかる技術協力を得ることにより，効率的に研究計画を進めているところである．2022年度に既に設置していたウェブカメラからの海面画像から，爆弾低気圧通過時の冬季暴波浪面における白波検出も進められており，白波被覆率が波エネルギーの消散とよく相関していることが確認された．また，本研究では現地観測と並行して砕波に伴う気泡や飛沫を介した気液間輸送のマイクロメカニズムを詳細に明らかにするために数値実験を行う計画としており，2023年度はそのための数値解析コード開発準備を行った．テスト計算において気流中のサブミリメートルスケールの単一液滴の気液海面の境界層剥離過程を数値解析により再現しうる目途が立った．また，白波水面で絶えず生じる水面バブルの破裂に起因する飛沫の飛散とバブル内の圧縮空気の放出による，気相の温度変化や乱れの発達過程をBackground Oriented Schlieren 法により可視化計測することに成功した．現地観測，数値実験，室内実験の各要素研究において順調に新たな知見を獲得しているところである．
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度までの研究により，オホーツクタワーにおけるステレオ海面形状観測がうまくいき始めたところであり，いくつかの条件においては詳細な現地白波海面形状の取得が可能となったところである．その一方で吹雪を伴う暴風波浪イベントにおいては雪片のランダムな映り込みにより2台のカメラによる取得画像間での画像相関がうまくとれず，三次元波面形状の計算がうまくいかない場合がある．冬季爆弾低気圧は激しい降雪を伴う場合が多いため，雪片の映り込みに起因する画像ノイズ除去を行うための画像処理を導入し，より多くのタイミングにおいてステレオ波面観測ができるようにする．非線形波面形状や風条件に対する波の発達率と白波被覆率との関係に着目し，未発達波浪場における砕波率を決定するファクターを明らかにしていきたい．
さらに波しぶき，気泡スケールの気液間熱，物質輸送過程のマイクロメカニズムを詳細に明らかにするために，2023年までに行ってきた数値解析，室内実験を継続していく．これらを現地観測により得られた白波被覆率や気泡，飛沫発生率に関する知見と統合することにより，大気海洋間輸送のより詳細な理解を目指したい．
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