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

Presentation on theme: "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"— Presentation transcript:

1 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

2 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

3 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

4 計算対象海域：北極海

5 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

6 (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

7 （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。

8 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）

9 （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？

10 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。

11 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

12 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

13 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。

14 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。

15 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)

16 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

17 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 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

18 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

19 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

20 初速度導入前後の計算結果

21 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。

22 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）

23 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

24 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 －

25 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

26 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。

27 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。

28 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

29 風データ 7/2-00 7/2-12 7/2-06 7/2-18

30 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

31 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