南極定着氷の変動機構解明と砕氷船航路選択

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00241
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 松沢 孝俊 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, 研究員 (00443242) ; 村山 英晶 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10361502) ; 田村 岳史 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (40451413) ; 巻 俊宏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (50505451) ; 小平 翼 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60795459) ; 平林 紳一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (90463877)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

本研究の目的は、「波浪緩衝帯である氷縁域・流氷帯そして定着氷における波浪海氷相互作用を解明し、定着氷の崩壊メカニズム、海氷下うねりの減衰散乱特性、氷況と船舶推進性能の関係を明らかにすること」である。そのために、１）氷海造波風洞水槽を開発し、海氷の形成と成長、崩壊における波浪・海氷・風相互作用と海氷下の波浪の伝搬・減衰（散乱/摩擦）過程を明らかにする実験を行い、２）実験水槽と対をなす数値水槽を開発し、力学的なプロセスを明らかにする。そして、南極昭和基地を擁するリュツォ・ホルム湾定着氷の準周期的な崩壊と成長の繰り返しを計測するために、３）IoT技術を駆使した波浪観測ブイを開発し、多点面的計測を行う。同時に、４）海中ドローン計測による海氷厚さ計測技術確立する。そして、５）多様な氷況下での船舶推進性能の評価を行う。観測は、南極地域観測（JARE）を中心に、北極海、オホーツク海における観測機会を利用する。
初年度に参加した第64次南極地域観測（JARE64）では、2022年12月に定着氷上に15基の波浪ブイを展開し、2023年4月の大崩壊（多年氷含む）を計測した。その前兆としての波浪の定着氷への侵入、そして、海氷の流出の計測を可能にしたのは、開発したIoT技術を駆使した波浪観測ブイである。またJARE64では、AUV MONACAをはじめて南極氷海域に展開した。
氷海造波風洞水槽では、造波をしながら製氷しグリースアイスと蓮葉氷を形成する技術を駆使し、海氷下での波浪の伝搬・減衰と非線形発達や、マイクロ波の散乱特性に関する新たな知見を得た。さらに、氷板の波浪による破壊実験を開始した。そして、蓮葉氷形成メカニズム解明につながる数値シミュレーションを行った。船舶推進性能評価のため、船体運動のＧＮＳＳ計測、海氷機械特性の計測などを開始した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

特筆すべき成果としては、本研究のゴールである定着氷の崩壊メカニズム解明につながる、2023年リュツォ・ホルム湾定着氷崩壊と大流出の、自作波浪ブイによる観測があげられる。翌年には新しく形成された定着氷が再び崩壊するが、流出の様子は前年とは異なることも分かった。今後、氷海造波水槽、数値水槽による基礎実験と併せ、そのメカニズム解明を行う。
１）氷海造波風洞水槽実験では、造波製氷（グリースアイスと蓮葉氷の形成）をベースに、マイクロ波レーダー散乱実験、海氷下波浪の伝搬に関する実験を行った。非線形波列の特異なダウンシフトは再現性のある頑強な結果である。対となる、２）数値水槽の開発では、流れ・熱・晶氷連成計算により波浪中蓮葉氷（晶氷群形成）形成を再現し、蓮葉氷の形成にはグリースアイスの可塑性が重要であることを示した。また、粒子法（SPH）を駆使した数値水槽では、数値減衰を劇的に低減することに成功した。そして、海氷の慣性と曲げ剛性を考慮した計算を実施し、不規則方向波の非線形伝達関数の導出を行った。
３）観測機器開発と観測では、極域における多点波浪計測のためにブイの開発を行い、漂流型波浪ブイを2022年度北極航海で展開し有義波高・周期の精度検証を行い、氷上設置型のブイをJARE64およびJARE65にて定着氷上に展開した。そして、JARE64では、４）AUV MONACAを氷海域に展開し、氷下でのナビゲーション手法の有効性を検証するとともに課題抽出を行った。
５）航行性能評価と支援については、砕氷船しらせの船体運動および構造応答を計測するために，GNSSとIMUを用いた計測システムを開発し、JARE65においてデータを取得し適用性の検証を行った。また、実海域での海氷の機械的特性計測を、北海道ウトロ港にて行った。

今後の研究の推進方策

新たな試みと今後加速が期待される課題をまとめる：１）氷海造波風洞水槽実験：電磁波の散乱実験では、均一な氷、晶氷群、そして、表層の雪の影響も考慮した結果、体積散乱だけでなく、雪による表層からの散乱が確認できた。また、新たにプロピレングリコール溶液（模擬氷）による柱状氷の製氷試験、波浪による氷板の破壊実験を開始した。以上を繰り返し、実験精度を上げる。風洞の増設と氷海造波水槽でのプロピレングリコールまたは尿素水溶液による模型氷製氷が大きな課題である。そして、対になる、２）数値水槽の開発を継続する。流れ・海氷双方向結合モデルの構築が大きな目標である。数㎝～数mオーダーの現象については、新たに構築した粒子法によるグリースアイスレオロジーモデルの開発、粒子法波浪モデルの開発を継続する。数百ｍ程度のオーダーの現象については、海氷下不規則方向波の非線形伝達関数の計算を継続する。
３）観測機器開発と観測：2023年、2024年とリュツォ・ホルム湾定着氷の崩壊が繰り返されたが、崩壊と流出の様子は大きく異なる。JARE６６でも20数基の波浪ブイを定着氷上に展開し、継続して崩壊の様子をモニタリングする。同時にブイを検証データとして定着氷変形の衛星観測データからの推定を検討する。波浪ブイについては複数基間の無線通信や、風速センサの追加を検討し、海中ドローンによる海洋観測手法を開発を継続し、観測を実施する。
４）航行性能評価と支援：GNSSとカメラシステムによる砕氷性能モニタリングシステムの改良と可視化手法を開発・実装、海氷の機械的な特性を現場計測にて行う。また、JARE51次以降の観測データの解析を進め、過去の定着氷の成長・崩壊と砕氷航行の関係を明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] Norwegian Meteorological Institute(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: Norwegian Meteorological Institute
• [国際共同研究] University of Melbourne(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: University of Melbourne
• [国際共同研究] Alfred Wegener Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Alfred Wegener Institute
• [国際共同研究] Environmental and Climate Change Canada(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: Environmental and Climate Change Canada
• [雑誌論文] An affordable and customizable wave buoy for the study of wave-ice interactions: design concept and results from field deployments (2023)
  • 著者名/発表者名: Kodaira Tsubasa、Katsuno Tomotaka、Nose Takehiko、Itoh Motoyo、Rabault Jean、Hoppmann Mario、Kimizuka Masafumi、Waseda Takuji
  • 雑誌名: Coastal Engineering Journal 巻: 66 ページ: 74～88
  • DOI: 10.1080/21664250.2023.2249243
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of wave propagation over 1,000 km into Antarctica winter pack ice (2023)
  • 著者名/発表者名: Nose Takehiko、Katsuno Tomotaka、Waseda Takuji、Ushio Shuki、Rabault Jean、Kodaira Tsubasa、Voermans Joey
  • 雑誌名: Coastal Engineering Journal 巻: 66 ページ: 115～131
  • DOI: 10.1080/21664250.2023.2283243
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A comparison of an operational wave-ice model product and drifting wave buoy observation in the central Arctic Ocean: investigating the effect of sea-ice forcing in thin ice cover (2023)
  • 著者名/発表者名: Nose Takehiko、Rabault Jean、Waseda Takuji、Kodaira Tsubasa、Fujiwara Yasushi、Katsuno Tomotaka、Kanna Naoya、Tateyama Kazutaka、Voermans Joey、Alekseeva Tatiana
  • 雑誌名: Polar Research 巻: 42 ページ: -
  • DOI: 10.33265/polar.v42.8874
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Estimating the elastic modulus of landfast ice from wave observations (2023)
  • 著者名/発表者名: Voermans Joey J.、Rabault Jean、Marchenko Aleksey、Nose Takehiko、Waseda Takuji、Babanin Alexander V.
  • 雑誌名: Journal of Glaciology 巻: - ページ: 1～11
  • DOI: 10.1017/jog.2023.63
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A dataset of direct observations of sea ice drift and waves in ice (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Jean, Muller M., Voermans J., Brazhnikov D., Turnbull I., Marchenko A., Biuw M., Nose T., Waseda T., Johansson M., Breivik O., Sutherland G., Hole Lars R., Johnson M., Jensen A., Gundersen O., Kristoffersen Y., Babanin A., Tedesco P., Christensen K. H., Kristiansen M., Hope G., Kodaira T., et a.
  • 雑誌名: Scientific Data 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41597-023-02160-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Four-wave resonant interaction of surface gravity waves in finite water depth (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu S.、Waseda T.、Zhang X.
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 7 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevFluids.7.114803
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase Convergence and Crest Enhancement of Modulated Wave Trains (2022)
  • 著者名/発表者名: Houtani Hidetaka、Sawada Hiroshi、Waseda Takuji
  • 雑誌名: Fluids 巻: 7 ページ: 275～275
  • DOI: 10.3390/fluids7080275
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical properties of surface gravity waves and freak wave occurrence in crossing sea states (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu S.、Waseda T.、Yao J.、Zhang X.
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 7 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevFluids.7.074805
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of anomalous spectral downshifting of waves in the Okhotsk Sea Marginal Ice Zone (2022)
  • 著者名/発表者名: Waseda Takuji、Alberello Alberto、Nose Takehiko、Toyota Takenobu、Kodaira Tsubasa、Fujiwara Yasushi
  • 雑誌名: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 巻: 380 ページ: -
  • DOI: 10.1098/rsta.2021.0256
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] OpenMetBuoy-v2021: An Easy-to-Build, Affordable, Customizable, Open-Source Instrument for Oceanographic Measurements of Drift and Waves in Sea Ice and the Open Ocean (2022)
  • 著者名/発表者名: Rabault Jean、Nose Takehiko、Hope Gaute、Muller Malte、Breivik Oyvind、Voermans Joey、Hole Lars、Bohlinger Patrik、Waseda Takuji、Kodaira Tsubasa、Katsuno Tomotaka、Johnson Mark、Sutherland Graig、Johansson Malin、Christensen Kai、Garbo Adam、Jensen Atle、Gundersen Olav、Marchenko Aleksey、Babanin Alexander
  • 雑誌名: Geosciences 巻: 12 ページ: 110～110
  • DOI: 10.3390/geosciences12030110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interactive movements of outlet glacier tongue and landfast sea ice in Lutzow-Holm Bay, East Antarctica, detected by ALOS-2/PALSAR-2 imagery (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Kazuki、Aoki Shigeru、Yamanokuchi Tsutomu、Tamura Takeshi
  • 雑誌名: Science of Remote Sensing 巻: 6 ページ: 100064～100064
  • DOI: 10.1016/j.srs.2022.100064
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Development of IMU-based Wave Buoy FZ and Deployments as Wave Buoy Array Over The Beaufort Sea (2023)
  • 著者名/発表者名: Kodaira, T., Katsuno, T., Nose, T., Itoh, M., Rabault, J., Hoppmann, M., and Waseda, T.
  • 学会等名: 令和5年日本船舶海洋工学会春季講演会
• [学会発表] Development of IMU-based wave buoy for wave observations in the high latitudes (2023)
  • 著者名/発表者名: Kodaira, T., Katsuno, T., Nose, T., Itoh, M., Rabault, J., Hoppmann, M., and Waseda, T.
  • 学会等名: JpGU
  • 国際学会
• [学会発表] 漂流型波浪ブイによる沿岸における風浪観測の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 勝野智嵩，小平翼，早稲田卓爾，野瀬毅彦
  • 学会等名: 令和5年日本船舶海洋工学会秋季講演会
• [学会発表] Observation and model estimation of ocean wind wave development under the off-ice wind conditions in the Arctic Ocean (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsuno, T., Nose, T., Kodaira, T., and Waseda, T.
  • 学会等名: The 39th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of submesoscale and mesoscale eddies by ocean surface drifters near the sea ice edge in the Canada Basin, Arctic Ocean (2023)
  • 著者名/発表者名: Kodaira, T., Waseda, T., Katsuno, T., Kimizuka, M., Fujiwara, Y., Nose, T., Kawaguchi, Y., and Fujiwara, A.
  • 学会等名: The 39th International Symposium on the Okhotsk Sea & Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] 北極海を航行する船のはなし (2023)
  • 著者名/発表者名: 松沢孝俊
  • 学会等名: しれとこゼミ
• [学会発表] 氷海航行支援システムの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松沢孝俊
  • 学会等名: ArCS II北極航路課題・JCAR氷工学WG第2回合同研究会
• [学会発表] ロボットに冒険を ～AUV研究の最前線～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 巻俊宏
  • 学会等名: 海洋調査技術学会 第35回研究成果発表会
  • 招待講演
• [学会発表] Autonomous platform systems for underwater exploration: Light for the sea, adventures for the robots! (2023)
  • 著者名/発表者名: Maki T.
  • 学会等名: RobotoKAUST 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 相互SSBL測位によるAUV自己位置の確率的水底手法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山本和, 山縣広和, 藤井昌和, 吉田弘, 野木義史, 巻俊宏
  • 学会等名: 海洋調査技術学会 第35回研究成果発表会
• [学会発表] AUV MONACAによる南極海探査の実施 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山縣広和, 山本和, 藤井昌和, 吉田弘, 野木義史, 巻俊宏
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス講演会’ 23
• [学会発表] Ocean Wave Research as an Icebreaker to bridge Polar Science and Engineering Research (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T.
  • 学会等名: International Workshop on Arctic Ocean Observation: Future Collaboration by Research Vessels and Icebreakers
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear evolution of waves propagating under sea ice (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T.
  • 学会等名: Workshop on Nonlinear Water Waves and Related Topics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Anomalous spectral downshifting of waves propagating under the ice (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T.
  • 学会等名: Extreme Waves, International Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高解像度波浪モデルによる波浪数値予報 (2023)
  • 著者名/発表者名: 早稲田卓爾
  • 学会等名: ArCS II 北極海氷情報室2023年度フォーラム「船舶の北極海航行を支援する情報とその提供法」
• [学会発表] 北極航路支援のための知的観測網構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 早稲田卓爾, 野瀬毅彦, 小平翼, 山口一, 松沢孝俊, 館山一考, 宇都正太郎
  • 学会等名: 日本船舶海洋工学会 令和5年秋季講演会
• [学会発表] Monitoring the motion of the land-fast ice in Luutzow-Holm bay (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T., K. Tateyama, R. Uchiyama, T. nose, T. Kodaira, T. Katsuno, T. Tamura, T. Toyota, J. Rebault, M. Hoppmann, and D. Shimizu
  • 学会等名: The 3rd International Workshop on Waves, Storm Surges and Coastal Hazards, incorporating the 17th Waves Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Breakup of the land-fast ice in Lutzow-Holm Bay, Antarctica (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T., K. Tateyama, R. Uchiyama, T. nose, T. Kodaira, T. Katsuno, T. Tamura, T. Toyota, J. Rebault, M. Hoppmann, and D. Shimizu
  • 学会等名: The 14th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] On nonlinear wave evolution under the ice (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T., A. Alberello, T. Nose, T. Toyota, T. Koraira, Y.. Fujiwara
  • 学会等名: 42nd International Conference on Ocean, Offshore & Arctic Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring the motion of the land-fast ice in Lutzow-Holm Bay, Antarctica (2023)
  • 著者名/発表者名: Waseda, T., K. Tateyama, R. Uchiyama, T. Nose, T. Kodaira, T. Katsuno, T. Tamura, S.Ushio, T. Toyota, J. Rebault, M. Hoppmann, D. Shimizu
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Distributions and fluctuations of sea ice thickness off the Lutzow-Holm Bay, East Antarctica measured by Shipborne Electro-Magnetic induction device (2023)
  • 著者名/発表者名: Tateyama, K., T. Waseda, R. Uchiyama, S. Uto
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] SPH による波浪の数値減衰特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平林 紳一郎, 大久保 杜志樹
  • 学会等名: 日本船舶海洋工学会
• [学会発表] SPH による波浪の数値減衰の改善に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平林紳一郎
  • 学会等名: 日本船舶海洋工学会
• [学会発表] Development of MEMS IMU based and solar powered wave buoy FZ (2022)
  • 著者名/発表者名: Kodaira, T., Katsuno, T., Fujiwara, Y., Nose, T., Rabault, N., Voermans, J., Kimizuka, M., Inoue, J., Toyoda, T., and Waseda, T.
  • 学会等名: OCEANS 2022
  • 国際学会
• [学会発表] An overview of multi-OpenMetBuoy wave observations in the melting Greenland Sea marginal ice zone (2022)
  • 著者名/発表者名: Nose, T., Hoppmann, M., Rabault, J., Waseda, T., Kodaira, T., Katsuno, T., Haas, C.
  • 学会等名: The 13th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Application of drifting wave-ice buoy for ocean deployment (2022)
  • 著者名/発表者名: Nose, T., Rabault, J., Waseda, T., Kodaira, T., Voermans, J., Katsuno, T.
  • 学会等名: The 37th International Conference on Coastal Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Observation and model comparison of surface ocean waves in the Laptev Sea (2022)
  • 著者名/発表者名: Nose, T., Rabault, J., Waseda, T., Kodaira, T., Fujiwara, Y., Katsuno, T., Kanna, N., Tateyama, K., Voermans, J., Alekseeva, T.
  • 学会等名: The 36th International symposium on the Okhotsk Sea and Polar Oceans
  • 国際学会
• [学会発表] 波浪海氷相互作用：海氷の形成から破壊における海洋波の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 早稲田卓爾
  • 学会等名: 第66 回理論応用力学講演会
  • 招待講演
• [図書] 北極域の研究 ―その現状と将来構想― (2024)
  • 著者名/発表者名: 北極環境研究コンソーシアム長期構想編集委員会 編 （分担執筆：早稲田、小平、巻）
  • 総ページ数: 480
  • 出版者: 海文堂出版
  • ISBN: 978-4-303-56230-4
• [図書] Science and Engineering of Freak Waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Edited by: Nobuhito Mori, Takuji Waseda and Amin Chabchoub
  • 総ページ数: 240
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 978-0-323-91736-0
• [備考] 南極で海氷大流出の観測に成功―昭和基地のあるリュツォ・ホルム湾定着氷の崩壊機構解明にむけて
  • URL: https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/10211.html
• [備考] 1,000キロの南極冬季海氷域を伝搬した波浪の観測に成功
  • URL: https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/10852.html