風速 および気圧変動 による長周期波の共鳴発達機構 に関する研究
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(2) 202. 海. 周 波 数 で は,よ. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). り低 周 波 数 ほ ど エ ネ ル ギ ー密 度 が 高 い結. Case. 3. U0 .14=8.39m/s,LPF:5〜6Hz. 果 で あ っ た.こ の結 果 は,周 期 数 分 か ら数10分 の 風 の変 動 振 幅 は 有 意 な振 幅 を 持 っ て い る こ とを 示 して お り,こ の 風 の気 圧 や 風 速 変 動 と共 鳴 が生 じれ ば,長 周 期 波 が 発 生 す る こ と は十 分 に考 え られ る こ とで あ る. 3. 風 速 お よ び 気 圧 変 動 に よ る 風 洞 水 槽 実 験 風 速 お よ び 気 圧 変 動 に よ る風 波 と長 周 期 波 の応 答 を 調 べ る た め に,新 潟 大 学 建 設 学 科 に あ る長 さ10m,高. さ0 .8m,. 幅0.4mの 風 洞 水 槽 を 用 い て 行 っ た.風 速 変 動 の周 期 は, 水 槽 内 に発 生 す る風 波 の有 義 波 周 期 の数 倍 か ら10数 倍 程 度 の 約3sと 約6sに 設 定 した.風 速 の変 化 は,交. 流イン. バ ー タ に よ り送 風 機 の モ ー タの 回 転 数 を制 御 して 行 い ,. 図‑2. 風 速,気. 圧 お よ び 水 位 変 動(一. 定 風 速:Case3). 風 速 お よ び気 圧 変 動 は そ れ ぞ れ 微 差 圧 計 付 きの ピ トー管 お よ び 微 差 圧 計 を用 いて 計 測 した.水 位,気 速 は,吹. 送 距 離F=4.0mの. 計 測 し,サ. Case. 圧 お よ び風. 7. U0.14=8.85m/s,LPF:5〜6Hz. 位 置 で 各 ケ ー ス と も約200s間. ン プ リ ン グ周 波 数50Hzで. 記 録 した.気 圧 変 動 の 計 測 は,静. デー タ レコー ダに. 水 面 か ら2.4cmの 高 さ. で行 い,風 速 は同 じ く静 水 面 か ら4.2,8.2,14.2,お. よ. び20.2cmの 高 さで 計 測 した. 風 洞 水 槽 実 験 は,平 均 風 速 が 約5m/s,7m/s,9m/s,11m/s の4種 類 と し,一 定 風 速 と変 動 風 速 の 周 期 を 約3sと 約6s に設 定 した2種 類 の合 計12ケ ー ス行 った. 表‑1. 実験 条件. 図‑3風. 速,気. Case. 11. 圧 お よ び 水 位 変 動(TL=3s:Case7). U0.14=8.74m/s,LPF:5〜6Hz. (1) 風 速 お よ び気 圧 変 動 に よ る 水 位 変 化 図‑2は,一 風 速 変 動,気. 定 の 風 速(U0 .14=8.39m/s)を作 用 さ せ た 時 の 圧 変 動 お よ び水 位 変 動 を 示 した もの で あ る.. 風 速 が一 定 の 場 合 で は,風 速 と気 圧 変 動 と の 明 確 な 関 係 は見 出 さ れ な いが,気. 圧 変 化 と水 位 変 動 に お い て類 似 し. た波 群 が形 成 さ れて い る こ とが 分 る.こ れ は,波 群 中 の 波 高 が 大 きい 時 に は,風 波 上 の気 圧 変 化 も大 き くな るた め,類 似 した 波 群 が 形 成 され る もの と考 え られ る. 一方 ,変 動 風 速 を 作 用 さ せ た図‑3お よ び 図‑4で は,風. 図‑4. 風 速,気. 圧 お よ び 水 位 変 動(TL=6s:Case11). 速 変 動 と気 圧 変 動 と は ほ ぼ 逆 位 相 で 変 化 して お り,風 速 が 大 き い時 に気 圧 が や や低 下 して い る関 係 が 認 め られ る. この 関 係 は,変 動 の 周 期 や平 均 風 速 が 変 化 して も,ほ ぼ. る.ま た,こ れ らの 図 を よ く見 る と,気 圧 変 動 の 高 周 波. 成 立 して い た.水 位 変 動 に 関 して は,風 速 変 動 の 周 期 と. 変 動 成 分 は,風 波 の水 位 変 動 と ほ ぼ 同 一 の 周 期 で変 動 し. ほ ぼ 同 じ周 期 で変 動 して い る よ うで あ り,風 速 が 大 き い. て い る こ とが 認 め られ る.こ の関 係 を も う少 し明 確 に 見. 位 相 よ り も多 少 遅 れ て 高 波 群 が形 成 され て い る こ とが 分. るた め に,平 均 風 速 の大 きいCase8(U0.14=11.3m/s)を. 図‑5.
(3) 風 速 およ び気圧 変動 に よる長周 期波 の共 鳴発 達機構 に関す る研究. Case. 図‑5. 8. U0 .14=11.3m/s,LPF:5〜6Hz. 風 速,気. Case. 7. 203. U0 .14=8.85m/s,LPF:0.7〜1,3Hz. 圧 お よ び 水 位 変 動(TL=3s:Case8). Case 9 U0.14=5.01m/s,LPF:5〜6Hz. 図‑7. 風速,気 圧 およ び水 位変 動 の長周 期成 分(TL=3s). Case. 図‑6. 風 速,気. に示 す.こ. 11. U0.14=8.74m/s,LPF:0.17〜1.3Hkz. 圧 お よ び 水 位 変 動(TL=6s:Case9). の ケ ー ス で は,風 波 の水 位 変 動 と 同 じ周 期 で. 気 圧 が 変 化 して お り,Milesの. 共 鳴 機 構 に よ って 風 波 が. 発 達 して い る こ と が認 め られ る.ま た,波 群 の振 幅 も風 速 変 動 の 周 期 と ほ ぼ 同 じ周 期 で 変 動 して い る よ うな 傾 向 が 見 られ る. 図‑6は,逆. に平 均 風 速 が 約5.0m/sと 小 さ く,風 速 変 動. の 周 期 が6sの 場 合 の 風 速,気 圧 お よ び水 位 変 化 を示 した も の で あ る.風 速 が小 さい の で 風 波 成 分 は余 り発 達 して い な い が,変 動 風 速 に応 じて 長 周 期 の 波 が 有 意 に発 生 し て い る の が 分 る.こ の長 周 期 の 波 は,風 波 成 分 の振 幅 か ら考 え て波 群 に よ っ て形 成 され た もの で はな く,変 動 風. 図‑8. 風速,気 圧 およ び水 位変 動 の長周 期成 分(TL=6s). 速 か あ る い は 気 圧 変 動 に共 鳴 して 発 生 した もの と推 測 さ れ る.こ れ らの 何 れ か に共 鳴 して い る か に つ いて は,後 節 の エ ネ ル ギ ー供 給 ス ペ ク トル の と ころ で 議 論 す る こ と に す る.. 動 に 関 して は,ほ ぼ 逆 位 相 で 変 化 して お り,風 速 が 大 き. 気 圧,風 速 お よ び水 位 変 動 の 関 係 を も う少 し詳 し く見. い位 相 で は,気 圧 が下 が る傾 向 に あ る と言 え る.一 方,. る た め に,風 波 成 分 を ローパ ス フ ィ ル ター で 除 去 した 波. 気 圧 変 動 と水 位 変 動 との 関 係 は,逆 位 相 に近 い よ うで あ. 形 を比 較 す る こ と に した.図‑7は,平. る.し か し なが ら,変 動 風 速 成 分 と水 位 の 長 周 期 成 分 は. 均 風 速8.85m/s,変. 動 周 期3sの 実 験 結 果 を示 した も ので あ る.風 速 と気 圧 変. 多 少 位 相 遅 れ が あ る が 同 位 相 に近 く,波 形 も類 似 して い.
(4) 204. 海. る.図‑8は,平. 均 風 速8.74m/s,変. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 動 周 期6sの 測 定 結 果. が 発 生 す る こ とが 実 験 か ら確 か め られ た が,そ の 発 生 が. で あ る.風 速 変 動 と気 圧 変 動 との 関 係 は,変 動 周 期3sの. 気 圧 変 動 に よ る もの か 風 速 変 動 に よ る もの か につ い て は. 場 合 と ほ ぼ 同 じで大 概 的 に逆 位 相 で変 化 して い る.ま た,. 未 だ 不 明 で あ る.. 風 速 変 動 と水 位 変 動 との 関 係 も前 ケ ー ス と同 様 に,ほ ぼ 同 じ位 相 で 変 化 して い る こ とが 認 め られ る. (2) 風 速,気. 圧 お よ び 水 位 変 動 の ス ペ ク トル の比 較. 図‑9お よ び 図‑10は,風. 速,気. 圧 および水位 変動 のス. ペ ク トル を比 較 した もの で あ る.図‑9は が3sのCase7で. 平 均 風 速 が8.85m/s,図. (3) エ ネ ル ギ ー 輸 送 量 の評 価 気 流 か ら風 波 へ の エ ネ ル ギ ー輸 送 量 の観 点 か ら,波 浪 成分 に エネルギーの供給が なされて いるかについて調べ る こ と に した.. 風 速 の変 動 周 期. (1). 一10が周 期6sで 平. 均 風 速 が ほ ぼ 同 じの8.74m/sの 実 験 結 果 で あ る.風 波 成. こ こに,Eは. 分 が 卓 越 して い る3Hz付 近 で は,水 位 変 動 と気 圧 変 動 の. は水 の 密 度 で あ る.式(1)の. ス ペ ク トル が 類 似 して お り,水 位 変 動 に応 じて 風 波 上 の. 供 給 量 は気 圧 と水 位 変 動 の ク ロス ス ペ ク トル の クオ ドス. 気 圧 変 化 が生 じて い る こ とが 分 る.変 動 風 速 成 分 の ス ペ. ペ ク トル を 用 い て表 す こ とが で き る(鶴 谷 ら,1985) .. ク トル は,気 圧 の 測 定 位 置(z=2.4cm)よ い(z=4.2cm)こ. と もあ っ て,明. 風 波 の エ ネ ル ギ ー で あ り,pは 気 圧 変 動,ρw. り測 定 位 置 が 高. 右 辺 の 項 よ り,エ ネ ル ギ ー. Case7. 確 なエ ネルギ ーの ピーク. U=0.14=8.85m/s,z=2.4cm,LPF:5〜6Hz. は見 られ な い. しか しな が ら,風 速 変 動 の 周 期 に対 応 す る0.33Hz付 近 に は,気 圧 変 動 お よ び水 位 変 動 に も エ ネ ル ギ ー ピ ー ク が 存 在 して お り,共 鳴 現 象 に よ って 長 周 期 波 が 発 生 して い る こ とが 明 確 に 認 め られ る.こ の よ う な共 鳴 現 象 は,図 ‑10に 示 す よ う に変 動 周 期 が6sの 時 も明 確 に 見 られ る. この よ う に風 速 変 動 に よ っ て,ほ ぼ 同 じ周 期 の 長 周 期 波. Case. 7. U0.14=8.85m/s. 図‑11. エ ネ ル ギ ー 供 給 ス ペ ク トル(Case7) Case10 U=0.14=7.30m/s,z=2.4cm,LPF:5〜6Hz. 図‑9. 風 速,気 Case. 圧 お よ び水 位 変 動 の ス ペ ク トル(TL=3s) 11. U0.14=8.74m/s. 図‑12. エ ネ ル ギ ー 供 給 ス ペ ク トル(Case10). 図‑11お よ び図‑12は,気. 流 か ら波 へ の エ ネ ル ギ ー 供 給. ス ペ ク トル を 示 した もの で あ る.い ず れ の場 合 に お い て も,風 波 成 分 の3Hz周 辺 で は正 の値 を 示 して お り,気 流 か ら風 波 へ エ ネ ル ギ ー が 供 給 され て い る こ と が 明 らか で あ る.一 方,長 図‑10. 風 速,気. 圧 お よ び 水 位 変 動 の ス ペ ク トル(TL=6s). 周 期 波 成 分 の 周 波 数 帯 で は,ス ペ ク トル. は負 の値 を 示 して お り,気 流 圧 力 変 動 に よ って 負 の仕 事.
(5) 風速 お よび気 圧変動 によ る長 周期 波 の共 鳴発達機 構 に関 す る研 究 が な さ れ て い る結 果 とな って い る.し た が って,気. 圧変. 動 に共 鳴 して 長 周 期 波 が 発 生 ・発 達 して い る こ と は,ほ ぼ 否 定 さ れ る.. 205. べ るた め に,気 圧 変 動 と水 位 変 動 の ク オ ドス ペ ク トル を算 定 した と ころ,風 波 成 分 に は 気 流 か らエ ネ ル ギ ー が輸 送 され て い るの に対 して,長 周 期 波 成 分 で は逆 に. それ で は,風 速 変 動 との 関 係 につ い て,運 動 量 保 存 則. 気 流 に 対 して 仕 事 を して い る こ とが 分 っ た.こ の こ と. と連 続 式 を用 い て 考 察 す る.運 動 量 方 程 式 よ り,水 位 変. は他 の 変 動 風 速 の場 合 にお い て も同 様 で あ り,長 周 期. 動 に関 す る以 下 の 関 係 式 が導 か れ る.. 波 は気 圧 変 動 に共 鳴 して 発 達 して い るの で は な く,変 動 風 速 に 共 鳴 して 発生 ・発 達 して い る こ とが 分 った. す な わ ち,変 動 風 速 によ り海 面 摩 擦 応 力 が 変 化 し,そ れ に伴 って 長 周 期 波 の 水 位 勾 配 が共 鳴 して 変 化 す る た め に,長 周 期 波 の運 動 量 が 増 大 す る こ と に よ って 発 達 して い る もの で あ る と考 え られ た. な お,本 研 究 の一 部 は,日 本 学 術 振 興 会 の 科 学 研 究 費. (2). 基 盤 研 究Cに よ った こ とを 付 記 し,感 謝 い た しま す.. こ こ に,ζ は平 均 水 位,Sxx,Sxy等 はradiation stress成分,h は 静 水 深,τsxは 海 面 せ ん 断 応 力,τbxは 底 面 摩 擦 応 力, △Pは 気 圧 低 下 量 で あ る.上 式 の 右 辺 が気 流 変 動 に よ る. 参 青木 伸一 ・喜 岡. 献 香(1997):. 地観 測, 海岸工 学論 文集, 第44巻, pp.216‑220.. の気 圧変 化 に よる. 項 よ り も有 意 な大 き さ と な り,吹 き寄 せ 効 果 の 時 間 的 変. 文. 台風 の通 過 に伴 う沿 岸長 周期 波 の増 幅 と伝播 に関 す る現. 強 制 外 力 項 で あ る が,水 深 が10m程 度 以 下 の 場 合 に は, 海 面 摩 擦 応 力 項 は右 辺 の{}の 第1項. 考. 渉 ・山村 易見 ・相 川久 紀 ・舟 橋. 青木 伸 一 ・岡辺 拓 巳 ・出 口一 郎(2002): 波 浪条 件 の異 な る2つ の海 岸 での長 周 期波 の増 幅 と港 内副 振動 の特 性 比較, 海. 動 に よ り長 周 期 波 を 引 き起 こす要 因 と な り得 る.. 岸工 学論文 集,第49巻, pp.231‑235. 4. 結. 論. 泉宮 尊 司 ・湯島 智恵 美 ・石橋 邦 彦(2007): 変 動風 速 に よ る海 面抵 抗係 数 と風波 の応答 に関す る研究, 海 岸工 学論 文集,. 自然 風 の観 測 お よ び 風 洞 水 槽 実 験 にお い て,長 周 期 の 風 速 変 動 を与 え て,水 位,気 圧 お よ び風 速 変 動 を 同 時 計 測 した 結 果,以 下 の 事 柄 が 明 らか とな っ た.. 第54巻, pp.196‑200. 岡 田知也 ・橋 本典 明 ・永 井紀 彦(1999): 沿岸 域 にお け る流 れ の 長周 期変 動 と風 の関 連性, 海 岸工 学論 文集, 第46巻, pp.. (1) 自然 風 の 観 測 で は,気 圧 お よ び風 速 変 動 の ス ペ ク ト ル は,1/fに 近 い ほ ぼ 相 似 的 な 関 係 で 減 衰 して い る こ. 441‑445. 笠 井 雅広 ・佐 藤愼 司(1999): 台風 に伴 う波浪 と長 周期 変動, 海. とが 分 っ た.こ の こ と よ り,風 速 変 動 の低 周 波 数 に大 きな 振 幅 を 有 して い る こ とが 分 った. (2) 風 速 変 動 と気 圧 変 動 との 関 係 は,ほ. 岸工学 論文 集, 第46巻, pp.301‑305. 関本 恒浩(1999): 港 湾内 外 の長周 期波 の特性 とその評 価 に関 す る研 究, 中央 大学 博士学 位論 文, 130p.. ぼ逆 位 相 の 関 係. に あ り,風 速 が 強 くな っ た時 に気 圧 が 下 が る傾 向 に あ. 鶴 谷 広一 ・柳 嶋慎一 ・松 延嘉 國(1985): 逆風 に よ る波 の減 衰 に つ いて, 第32回 海岸 工学講 演会 論文 集, pp.209‑213.. る こ とが 分 か った.ま た 風 速 変 動 と波 群 の形 成 に は, あ る 程 度 の 対 応 関係 が 認 め られ た.. 仲井 圭二(2004): 東 日本 沿岸 域 にお け る波 浪 と長周 期 波 の時 空間変 動特 性, 海岸 工学論 文集, 第51巻, pp.226‑230.. (3) 長 周 期 波 と気 圧 お よ び 風 速 変 動 と の 関 係 を 詳 し くみ る た め に,そ. れ らに ロ ーパ ス フ ィル タ ー を か け て 長 周. 永 井 紀彦 ・橋 本典 明 ・清 水勝 義 ・平井 宜典 ・伊 藤 一教 ・東 江 隆夫(1996): 長 期 連続 観測 に よる沖 合長 周 期波 の変動 特. 期 成 分 を 抽 出 して比 較 を 行 っ た.そ の 結 果,長 周 期 波 と風 速 変 動 と は ほ ぼ 同 位 相 で あ り,波 形 も類 似 して い る こ とが 分 っ た.ま た,風 速 変 動 と気 圧 変 動 は逆 位 相 に近 い こ と も明 らか とな っ た. (4) 同 時 計 測 さ れ た 水 位 と気 圧 お よ び風 速 変 動 の ス ペ ク トル を算 定 し比 較 した と こ ろ,長 周 期 風 速 変 動 と同 じ 周 波 数 で 長 周 期 波 が 発 生 して い る こ とが 分 った.こ の こ と は,変 動 風 速 の周 期 を3sか ら6sに 変 化 させ て も, 平 均 風速 を 強 く して も弱 く して も成 立 して い る こ とか ら,両 者 の 何 れ か に 共 鳴 して い る こ とが 明 らか とな っ た. (5) 風 波 お よ び 長 周 期 波 へ の エ ネ ル ギ ー 供 給 を 詳 し く調. 性, 中畑. 海岸 工学 論文 集, 第43巻, pp.216‑220.. 禎 ・落 合敏 浩 ・柏 原裕 彦 ・花 山格章 ・森屋 陽一 ・関本 恒 浩(2001): 冬期 日本 海 の現地 観測 に基 づ く浅 海域 へ の入 射 長周 期波 の評 価, 海岸 工学 論文 集, 第48巻, pp.256‑260.. 吉 岡 洋 ・大森 咲枝 ・芹澤 重厚 ・高 山知 司(2005): 風 の息 が励 起 す る副振 動, 海岸 工学論 文集,第52巻,. pp.186‑190. 和 田耕 造 ・梅沢 信敏 ・小 谷野喜 二 ・桑原 伸 司(1988):. 苫小 牧. 海 域 にお け る長周 期 波特性 につ いて, 第35回 海岸 工学 論 文 集, pp.247‑251.. Hibiya,T. and K. Kajiura(1981): Origin of the Abiki phenomenon (a kind of seiche) in NagasakiBay, J. Oceangr.Soc. of Japan, Vol.38, No.3, pp.172-182..
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