PowerPoint プレゼンテーション - Mie U

超音波風速計が

とらえた乱流フラックス 　～勢水丸での

　　黒潮横断観測～

Turbulent flux measured by Ultrasonic anemometer

－

Observation of traversing Kuroshio with SEISUI MARU

超音波風速計が

とらえた乱流フラックス 　～勢水丸での

　　黒潮横断観測～

Turbulent flux measured by Ultrasonic anemometer

－ Observation of traversing Kuroshio with SEISUI MARU －

地球環境気候学研究室 508304 　安藤 雄太

指導教員　立花 義裕　教授

•

(

)

– Tanimoto et al. (2003)

•

–

–

•

–

2

研究背景－大気海洋相互作用

三重大学練習船「勢水 丸」

重要な要素 重要な要素

http://mercury.oi.u-tokai.ac.jp/kubotalab/about-jt.html

1

研究背景－黒潮に着目

3

• 大量の熱を大気に供給

• 中緯度域の海洋から大気への影響のカギ

• 間接推定 or 1 事例

• 複数事例の統計的研究は存在しない

黒潮の大気への影響 黒潮の大気への影響

直接観測による複数事例の乱流フラックスを 統計的に評価し，黒潮が大気に与える

共通的な影響 を明らかにする

直接観測による複数事例の乱流フラックスを 統計的に評価し，黒潮が大気に与える

共通的な影響 を明らかにする

複数事例での直接観測と間接推定で求め た黒潮上の乱流フラックスの違いを考察 複数事例での直接観測と間接推定で求め た黒潮上の乱流フラックスの違いを考察 研究目的 研究目的

乱流顕熱フラック ス

乱流顕熱フラック

ス 乱流潜熱フラック ス

乱流潜熱フラック ス

2

•

SST

(

)

(2010

2011

)

•

SST

–

–

対象期間

4

5

6 11

12

黒潮

SST

33˚ 20′ N

06:00

13:00 34˚ 10′ N

13:00

00:00 30˚ 00′ N

21:00

33˚ 20′ N

05:30

08:30 33˚ 40′ N

00:00

12:00

北北

どの事例も高気圧下

• 超音波風速計 (0.05 秒毎 )

–

(3

)

• 赤外線ガス分析計 (0.05 秒毎 )

–

• 加速度・角速度計 (0.05 秒毎 )

–

(

3

)

• 船舶気象データ (2 分毎 )

–

使用データ

5

勢水丸の超音波風速計

・赤外線ガス分析計・

加速度・角速度計

4

　　　　　　 　　(間接推定)　COARE3.0 (Fairall et al. 2003)

–：空気密度，：定圧比熱，：バルク係数， ：風速，：海面水温， ：気温

–利点：容易に観測できる値から推定 –欠点：バルク係数の精度に疑問

　　　　　　　　 (直接観測)

–：空気密度，：定圧比熱，：鉛直風の変動成分，：気温の変動成分

–利点：直接乱流フラックスを計算 –欠点：変動成分の観測が難しい

•

乱流顕熱フラックスの計算法

超音波風速計データで計算可 能

超音波風速計データで計算可 能

船舶気象データで計算可能 船舶気象データで計算可能

バルク法

渦相関法

� � = � � � � ′ � ′

�

= � �

�

� ( �

− � )

• 船が動く　　　見かけの風速

• 船が傾く　　　水平成分の入った鉛直風

ノイズ除去①

－船体動揺補正

(

2001)

7

補正前 補正後

鉛直風のパワースペクト ル

観測された風速デ ータ

角速度データ 傾斜補正

観測された 加速度データ

傾斜補正 動揺補正

真の風速データ ⁶

さらに，・

30

(

)

・異常値，はずれ値を除去 ノイズ除去②

－吹き上げ角補正

(

2001)

• 船体の影響によって，境界層が屈折

Φ = tan

( � � h h )

ある程度ノイズを取り除くことがで きた

吹き上げ角

小野 (2011) よ り

補正後

鉛直風のパワースペクト ル

補正前

9

SST

－乱流顕熱フラックス

(10

)

SST

北北 南南

渦相関法 バルク

法

4

5

6

11 12

相関係数 月

0.1

SSTフロン トからの距 離

SSTフロン トからの距 離

乱流顕熱フラック ス

冬に黒潮上と黒潮北側 での熱輸送の

コントラストが大きい 冬に黒潮上と黒潮北側

での熱輸送の

コントラストが大きい 渦相関法の方が

変動の大きな乱流顕熱 フラックスをとらえて

いる

渦相関法の方が

変動の大きな乱流顕熱 フラックスをとらえて

いる

正：海→大気

北北

南南 南南 北北

回帰直線 長さは相関係 数

8

乱流顕熱フラック ス

相関係数 0.1

(

)

SST

特に，

SST

(

)

特に，

SST

(

)

4

5

6

11

12

冬に

(

)

冬に

(

)

考察－

SST

11

海 大気

海 黒潮上 黒潮北側

大気が非常に不安定

乱流発生しやすい 大気安定

乱流発生しにく 乱流顕熱 い

フラックス大 フラックス^乱流顕熱中

SST

大気

冬冬 夏夏

海 大気

海 黒潮上 黒潮北側

SST

大気

大気が不安定 乱流発生しやす い

大気安定乱流発生しにく

乱流顕熱 い

フラックス小 ^{フラックス乱流顕熱}小

乱流がより発生しやすい？

バルク法ではとらえられな い

10

11

•

•

•

•

•

•

SST

•

まとめ

冬の SST フロント付近では，

渦相関法のみでとらえることのできる 乱流

冬の SST フロント付近では，

渦相関法のみでとらえることのできる

フラックスが存在することを示唆 乱流

13

参考文献

• Tanimoto, Y., H. Nakamura, T. Kagimoto, and S. Yamane, 2003: An active role of ext ratropical sea surface temperature anomalies in determining anomalous turbulent he at flux. J. Geophys. Res., 108 (C10), 3304, doi:10.1029/2002JC001750.

• Takahashi, S., O. Tsukamoto, H. Ishida, and K. Yoneyama, 2000: Automated observ ation of sea surface eddy flux on a cruising ship. (in Japanese with English abstract), Okayama Univ. Earth Science Reports, 7, 1-14.

• 小野珠実，2011: 黒潮続流海域における海面乱流フラックスの直接観測データを用 いた海洋混合層のエネルギー収支の研究．京都大学大学院理学研究科地球惑星科学 専攻修士論文

• Fairall, C. W., E. F. Bradley, J. E. Hare, A. A. Grachev, and J. B. Edson, 2003: Bulk p arameterization of air-sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm.

J. Climate, 16, 571-591.

• 水島彰宏，2007: 沿岸域におけるバルク係数の観測的研究．京都大学大学院　　　 　　理学研究科地球惑星科学専攻修士論文

SST

－乱流潜熱フラックス

(10

)

15

SST

北北 南南

渦相関法 バルク

法

4

5

6

11 12

乱流潜熱フラック ス

SST フロン トからの距 離

SSTフロン トからの距 離

乱流潜熱フラック ス

正：海→大気

北北

南南 南南 北北

回帰直線 長さは相関係 数

冬に黒潮上と黒潮北側 での熱輸送の

コントラストが大きい 冬に黒潮上と黒潮北側

での熱輸送の

コントラストが大きい 渦相関法の方が

変動の大きな乱流潜熱 フラックスをとらえて

いる

渦相関法の方が

変動の大きな乱流潜熱 フラックスをとらえて

いる

相関係数

0.1 相関係数

0.1

(

)

SST

SST

SST

(

)

SST

(

)

フラックス乱流顕熱 乱流潜熱

フラックス

4

5

6

11

12

冬に

(

)

冬に

(

)

超音波風速計・加速度計の軸 ( 作図協力： ( 株 ) ソニック 伊藤芳 樹 氏 )

研究方法－船の揺れ，鉛直風の周期

(

3

)

17

�

�

�

�

�

�

加速度計 風速計 角加速度

( ロール

角 )

角加速度

( ピッチ

角 ) 角加速度

( ヨー角 )

加速度 加速度 加速度 風速

風速

風速 ( 鉛直 風 )

船首方向 7.15

秒 7.15

秒

5.27 秒 5.27

秒 4.55

秒 4.55

秒

6.85 秒 6.85 秒 3.98 秒

3.98 秒 黒潮

3

3

船の揺れ

4

7

4

7

鉛直風

4

6

鉛直風

4

6

4.4

4.4

7.88 秒 7.88 秒

�

= � �

�

�

渦相関法とバルク法

•

–

–

–

•

–

–

–

•

(

)

　　：バルク輸送係数

(

)

(

)

•

比湿

•

–

•

–

•

–

•

19

研究背景－超音波風速計が常備された船

全長 全長

130m 130m 50m 50m

総トン 数 総トン 数

8700t

8700t 320t 320t

みらい

(JAMSTEC)

(

)

乱流フラックスを 正確に測定できる 乱流フラックスを 正確に測定できる

国内唯一の船 設置高度 設置高度

24m 24m 9m 9m

常備しているの この 2 は 隻だけ 常備しているの

この 2 は 隻だけ

SST

－乱流運動量フラックス

21

渦相関法 バルク

法

4

5

6

11 12

乱流運動量 フラックス

SSTフロン トからの距 離

SSTフロン トからの距 離

乱流運動量 フラックス

SST

北北

南南

渦相関法では 海→大気への 運動量輸送を とらえている 渦相関法では 海→大気への 運動量輸送を とらえている

正：大気→海

回帰直線 回帰直線

北北

南南 南南 北北

SST

－乱流

CO

渦相関法

4

5

6

11 12

乱流 CO₂ フラックス

SST フロン トからの距 離

SST

北北

南南

SST

SST

後で変化なし

CO

CO

正：海→大気

回帰直線

北北 南南

品質管理の基準

① 鉛直風速、気温、水蒸気密度の

10

90

1.5

② 船首より

±60°

③ 相対風速

3m/s

④ 船首方位・船速の

10

5°

1.5knot

　　　　　　現在の船体動揺補正では操船状態は一定であることが 条件

⑤ 水蒸気密度について、

LI-7500(Licor

)

(Vaisala

)

　 周波数別相関係数を利用

　　　　　　赤外線センサーは光学窓へ海塩粒子などが付着すると 　　　　　　正しい変動測定ができない

海上（内部境界層外）のデータを取得 する

船体の影響を受けない

岡山大学大学院 自然科学研究科　吉岡優里氏　発表資料より

顕熱フラック

ス 潜熱フラック

ス

①

10

210

±40 ％の範囲内に限

データ残存率 48 ％

データ残存率 19 ％

データ残存率 35 ％

データ残存率 24 ％

岡山大学大学院 自然科学研究科　吉岡優里氏　発表資料より

今後の予定

•

– 勢水丸は2012年度も黒潮上を航行予定

– 乱流フラックス分布図の作成　　　　　　　 　　　→大スケールの大気場への影響を見る

•

•

– 渦相関法，バルク法でどれだけ収支計算が合うか

•

– 改良バルク係数の作成

– バルク係数を操作してモデル実験 – 大気→海洋，海洋→大気の影響

• JAMSTEC

– 北極海の薄氷域と開水域での違い　　　　　　　

25