流氷運動の数値予測における氷の初速度の算定法について 船舶海洋工学科　　　７０３７５ 福成　　洋

研究の背景 → 氷況の詳細な認識の必要性 北極海航路 氷海開発 極東アジアｰヨーロッパ間の船舶航行期間の短縮 船舶航行支援システムの開発 天然資源の豊富な氷海 安全性の確保 →　氷況の詳細な認識の必要性

海氷の離散的な特徴を表現しつつ、広範囲での計算が可能な DMDFモデル （Distributed Mass / Discrete Floe Model) 氷盤 ●力学的な流氷運動の数値モデル 計算格子 氷群 ●海氷の運動の基礎式　：　運動量保存則 コリオリ力 海面傾斜に基づく重力

計算対象海域：北極海

北極海における氷況の計算 形山（１９９９）卒業論文 １９９５年７月１日の観測氷況 （密接度） １９９５年７月４日の計算氷況 （密接度） 入力データ 密接度の初期値は、SSM/Iセンサデータを用いた。 海氷の初速度は、全て　0　とした。 海流は、大局的な海流図を作り、それを基に風成を 考慮したもの

(1)SSM/Iセンサによる氷況データ センサデータ 数値化された密接度 ミッシングデータの補間 DMDFモデルの初期値 1995年 (Special Sensor Microwave / Imager) センサデータ 解析アルゴリズム 数値化された密接度 1995年 ミッシングデータの補間 DMDFモデルの初期値

（2）氷の初速度の影響 相違の原因： 氷の初速度を 0 としていること。 主に、熱影響(氷の融解)を考慮していないこと。

熱影響 1995年7月2日～7日の密接度の推移（変化） 観測で見られる減少(青)が計算では見られない。 観測による密接度の推移 増 減 増 観測による密接度の推移 計算による密接度の推移 観測で見られる減少(青)が計算では見られない。 熱モデルの必要性 ただし全計算領域について正確な入力データを得るのは難しい。 （気温、海水温、短/長波長放射熱等）

（3）海流データ 海域によっては、海流が風の影響を受けすぎる ↑水深を一律にするなどのデータ不足が原因？ ●大局的な海流図をもとに作成した定常流をつかい、風の影響を考慮した風成海流を用いている。 ・風成海流の計算には多層モデルを用いる。 ・鉛直方向の海水運動はない。 ・各層間に運動量伝達が行われる 海流計算における各層の厚さ 第１層：5.0m 第２層：10.0m 第３層：18.0m 第４層：27.0m 第５層：40.0 海域によっては、海流が風の影響を受けすぎる ↑水深を一律にするなどのデータ不足が原因？

本研究のテーマ 北極海における氷況分布予測計算の 精度向上を目指し、以下について考える。 SSM/Iデータ(初期密接度)欠損の補間。 氷速度の初期値を導出。 昨年の卒論で作成した海流データを見直し。 熱影響の考慮は、今後の課題。

SSM/Iセンサデータ欠損の補間 ●データ欠損格子を中心とする ３×３の格子の密接度データの平均 ※ ３×３の格子にデータが存在しない 場合は、４×４ ・ ※ｎ×ｎの格子にデータが存在しない 場合は、（n+1）×（n+1）の格子の平均

SSM/Iセンサデータ欠損の補間 ●データ欠損格子を中心とする ３×３の格子の密接度データの平均 ※ ３×３の格子にデータが存在しない 場合は、４×４ ・ ※ｎ×ｎの格子にデータが存在しない 場合は、（n+1）×（n+1）の格子の平均

海氷初速度の導出 方針・１ 海氷分布の推移を主に移動によるものと仮定し、 SSM/Iセンサによる密接度分布の画像相関から 速度ベクトルを求める。 方針・２ 運動している海氷はそれに働く外力が最小となる 平衡状態にあると仮定し、その平衡状態での速度 を初速度とする。

密接度画像の相関 1995年7月2日と7月5日の密接度の二次元相関を採った。 海氷の分布は起伏がなだらかなため 相関は採りにくい。

氷初速度の定常解 非平衡状態 2時間半後にほぼ収束 平衡状態 格子それぞれについて 定常値を計算し、 それを初速度データとする。 駆動力 外力成分 外力成分 2時間半後にほぼ収束 海氷 平衡状態 格子それぞれについて 定常値を計算し、 それを初速度データとする。 (等速直線運動)

氷初速度の定常解 ７/２の定常解法によって求めた海氷速度

DMDFモデルによる計算の仕様 物理定数 計算条件 計算対象海域：北極海全域 計算格子 25km四方 計算格子数 304×131=39824 空気の密度 1.247kg 海水の密度 1.027kg 海氷の密度 8.0×102 氷/空気間の摩擦係数 0.001 海氷/海水水間の抵抗係数 0.004 陸地との摩擦係数 0（摩擦無し） 計算条件 計算対象海域：北極海全域 計算格子　25km四方 計算格子数 304×131=39824 計算時間間隔　60 sec. 3275km 7600km

計算結果・氷初速度：定常解 海氷密接度分布の推移 7月2日 7月3日 7月4日

初速度導入前後の計算結果 赤い部分は定常解計算が多く、 青い部分は初速度なし計算が多い。 (氷初速度定常解の計算の密接度分布) 　　　　　－(氷初速度なしの計算の密接度分布) 計算開始1日目 減 計算開始2日目 減 計算開始3日目 赤い部分は定常解計算が多く、 青い部分は初速度なし計算が多い。 減 増

初速度導入前後の計算結果

初速度導入前後の計算結果 ●初速度の影響は、計算ではない。 ●初期速度の影響がない理由 ・流氷の速度は大きいところで時速２～３㎞程度 ・SSM/Iデータの分解能、および計算格子の幅は25km ・シミュレーションでは、初速度を0としている影響は 　約2時間でなくなる ●高分解能のデータ、計算格子を用いて数時間後の氷況分布を予測するシミュレーションでは、初速度の影響が現れる可能性がある。

海流データの検討 →海流データは検討の余地あり シミュレーション入力データ（初速度以外） 　　・海氷密接度 (National Snow and Ice Data Center) 　　・風 （European Center for Medium-range Weather Forecast） 　　・海流 (大局的な海流図を基に昨年の卒論で作成) →海流データは検討の余地あり （定常流）

風成海流を用いた 7/2→7/4の計算値 従来の定常海流を用いた 7/2→7/4の計算値 7/4の観測データ 差分 差分

風成海流の方が精度の良い海域が ＋ 定常海流の方が精度の良い海域が －

以前の定常海流（形山作成） 7/3の風成海流 改定後の定常海流

定常流修正前後の比較 修正した海流を定常にて 使用することにより、 最も観測に近い計算結果が 得られた。 減 増 （修正後の定常海流を用いた計算結果） －（従来の定常海流を用いた計算結果） 減 増 修正した海流を定常にて 使用することにより、 最も観測に近い計算結果が 得られた。

本研究の結論 SSM/Iデータを使用し、25km四方の計算格子を用いた現在の計算では、初速度の影響はほとんどない。 気象条件より定常解を求めた初速度導出法は合理的であり、高い分解能が求められる計算では重要であると考えられる。 海流データに関しては、定性的ながらも局所的な傾向を考慮する必要がある。

流氷運動の数値予測における氷の初速度の算定法について 船舶海洋工学科　　　７０３７５ 福成　　洋

風データ 7/2-00 7/2-12 7/2-06 7/2-18

SSM/Iセンサデータ欠損の補間 ●データ欠損格子を中心とする ３×３の格子の密接度データの平均 ※ ３×３の格子にデータが存在しない 場合は、４×４ ・ ※ｎ×ｎの格子にデータが存在しない 場合は、（n+1）×（n+1）の格子の平均

SSM/Iセンサデータ欠損の補間 ●データ欠損格子を中心とする ３×３の格子の密接度データの平均 ※ ３×３の格子にデータが存在しない 場合は、４×４ ・ ※ｎ×ｎの格子にデータが存在しない 場合は、（n+1）×（n+1）の格子の平均