波浪の予知 - 山口大學(xué)工學(xué)部社會(huì)建設(shè)工學(xué)科水圏環(huán)境動(dòng)態(tài)

波浪の予知風(fēng)波の発生，うねりの伝搬酒井哲郎：海岸工學(xué)入門(mén)，森北出版第2章（pp.19-26）うねり風(fēng)波エネルギー周波數(shù)數(shù)十秒から0.1秒の周期半日周期の潮汐一日周期の潮汐相対的に大きなエネルギーを持つ海の波は風(fēng)波とうねりである．風(fēng)波（windwave）：風(fēng)が原因で波が発生する波．復(fù)元力は重力波のエネルギー源は風(fēng)うねり（swell）：風(fēng)域を離れて進(jìn)行する波波の周波數(shù)とその周波數(shù)の波が持つエネルギーの分布（スペクトル）さざ波水面上を風(fēng)が吹き続けると小さな波（さざ波）が発生し，風(fēng)からエネルギーを吸収しながら次第に発達(dá)して巨大な風(fēng)波（海洋波）に成長(zhǎng)する．風(fēng)波はいつまでも成長(zhǎng)を続けるのではない．波速（波の位相速度）が風(fēng)速に近づいてくると風(fēng)から波へのエネルギーの輸送効率が低下する．一方，風(fēng)波は発達(dá)するに従い不安定となり波峰付近から崩れはじめ（砕波）エネルギーの一部を失う．風(fēng)から送られるエネルギーと砕波などで失うエネルギーが釣り合い平衡狀態(tài)に達(dá)する．このような波を「十分に発達(dá)した波（fullydevelopedwave）」という．風(fēng)が止むと風(fēng)波のうちの短い周期の波の成分は水の粘性効果により減衰する．波面は滑らかな波長(zhǎng)の長(zhǎng)いうねりに転化する．うねりは減衰が非常に小さく遠(yuǎn)くまで伝播する．風(fēng)波は不規(guī)則波様々な周期の波の重ね合わせである．波が伝わる?エネルギーが伝わる?水面の変動(dòng)がなく靜止している．エネルギーがない水面が変動(dòng)している．運(yùn)動(dòng)エネルギーと位置エネルギーを有する．波の到達(dá)やその大きさはエネルギーの到達(dá)やその大きさを考えることと同義微少振幅波理論では波のエネルギーはと表される．エネルギーは群速度Cgと呼ばれる速度で輸送される．波のエネルギー保存の法則は次式で表される（一次元の場(chǎng)合）．単位面積當(dāng)たりの波のエネルギー波の群速度（groupvelocity）風(fēng)によるエネルギーの流入あるいは砕波などによるエネルギーの損失を表す質(zhì)量保存の法則非圧縮性流體の條件連続の式エネルギー平衡方程式検査面積単位時(shí)間に入ってくる波のエネルギー単位時(shí)間に出ていく波のエネルギー単位時(shí)間単位面積當(dāng)たりの風(fēng)からのエネルギーの流入検査面積のエネルギーの時(shí)間変化単位時(shí)間に入ってくる波のエネルギー単位時(shí)間に出ていく波のエネルギー正味の入ってくるエネルギー検査面積の風(fēng)によるエネルギー流入量風(fēng)波の発生機(jī)構(gòu)共鳴機(jī)構(gòu)（resonancemechanism）水面上の風(fēng)は亂れており（亂流），圧力も複雑に変動(dòng)している．この圧力変動(dòng)が外力となって水面波を発生させる．波がある程度発達(dá)すると波がつくる圧力変動(dòng)が支配的になるが（Miles機(jī)構(gòu)），風(fēng)が吹き始める初期段階では水面形狀に無(wú)関係で風(fēng)の平均風(fēng)速に関係する．Phillipsは初期段階では波速と波の進(jìn)行方向の風(fēng)速が一致するときに波が共鳴的に大きくなるという理論を発表した（Phillipsの共鳴機(jī)構(gòu)）．（Phillipsの共鳴機(jī)構(gòu)による波の発達(dá)率は現(xiàn)実の発達(dá)率よりも小さい．）２層流の不安的機(jī)構(gòu)空気と水の境では摩擦力により，水面に流れが生じる．しかし，水面下では流速は遅いので大きな流速差（速度勾配）が生じる．これが不安定な波を発達(dá)させる要因となる．現(xiàn)在のところ未解明の部分が多く，研究中である．左端から発生した波aＦ左端より風(fēng)下側(cè)で発生した波b風(fēng)の方向波aの吹送距離波bの吹送距離Fにおける波の中で最大のものは左端から発生した波aである．ここで波aがF(xiàn)でエネルギー平衡狀態(tài)（定常狀態(tài)）になるとすると，波aがF(xiàn)に到達(dá)するまでの時(shí)間を最小吹送時(shí)間という．最小吹送時(shí)間（minimumduration）：波が十分に発達(dá)するために必要な最低限の時(shí)間吹送距離（fetch）：波が風(fēng)を受けて発達(dá)しながら進(jìn)行する距離風(fēng)がある時(shí)間吹き続けたとき，波がその時(shí)間內(nèi)で最大限に発達(dá)するために必要な水域の長(zhǎng)さを最小吹送距離という．風(fēng)は吹き続けても波はここで発達(dá)を終える波はここで限度一杯に発達(dá)する．風(fēng)はここで止まるので，これ以上水路が長(zhǎng)くても波は発達(dá)しない．Ｆここで波は平衡狀態(tài)波高，周期が定常となる．

Tmin最小吹送時(shí)間吹送距離x吹送時(shí)間t波aの軌跡平衡狀態(tài)（定常狀態(tài)）非平衡狀態(tài)（非定常狀態(tài)）：平衡（定常）狀態(tài)：非平衡（非定常）狀態(tài)波aの軌跡は単獨(dú)の波の進(jìn)行跡ではなく波浪エネルギーの進(jìn)行跡と考えるのが妥當(dāng)．よって進(jìn)行速度は波速ではなく群速度を用いる．位置の時(shí)間微分が進(jìn)行速度（群速度）であるので次式が成立する．風(fēng)波の波高H（有義波高），周期T（有義波周期）は吹送距離F，吹送時(shí)間t，風(fēng)速Uの関數(shù)であるが，吹送時(shí)間が最小吹送時(shí)間よりも大きいかどうかで以下のような関數(shù)になる．波高H，周期T時(shí)間tTminU,F：平衡（定常）狀態(tài)→波高，周期は風(fēng)速と吹送距離で決まる．：非平衡（非定常）狀態(tài)→波高，周期は風(fēng)速と吹送時(shí)間で決まる．現(xiàn)在の波浪予測(cè)はエネルギー平衡方程式を電子計(jì)算機(jī)を用いて數(shù)値的に解くことで行われている．現(xiàn)在気象庁では第3世代波浪モデル（MRI-Ⅲ）を1998年に導(dǎo)入し，波浪予測(cè)業(yè)務(wù)を行っている．計(jì)算機(jī)が発達(dá)する以前の方法SMB法（1958）：第二次大戦中の研究成果を戦後に発表した先駆的な研究（1947）の改良版靜止した風(fēng)域を?qū)澫驪NJ法（1955）：波浪スペクトルをもとにした波浪推算法Wilson法（1955）：SMB法を移動(dòng)する風(fēng)域に適用できるように修正うねりの伝播風(fēng)域からでた波はエネルギーを得ることができないので水の粘性の作用で次第にエネルギーを失う．群速度（エネルギーの伝播速度）は周期によって異なる．周期の短い波は群速度が遅い．一方，周期の長(zhǎng)い波の群速度は速いので，次第に波長(zhǎng)が長(zhǎng)い滑らかな波に転化していく（速度分散）．エネルギーの伝播方向が一方向ではないので各方向に広がっていく（方向分散）．夏，我が國(guó)の太平洋沿岸