成果概要

台風下の海表面での運動量・熱流束の予測と制御[2] 高風速時の海面を通しての運動量・熱輸送機構の解明

2023年度までの進捗状況

1. 概要

近年、台風進路の予測精度は向上していますが、その強度の予測精度は向上していません。その主な原因の一つとして、高風速で荒れ狂う台風下の海表面における運動量や熱の輸送機構が複雑で、台風強度の予測に必要な輸送量(フラックス)のモデル化が非常に難しいことが挙げられます。
台風下の海表面では、大気と海面の間に摩擦が発生し、台風がもつ運動エネルギは海面に輸送(台風からみれば損失)されます(図1)。この摩擦によるエネルギの輸送は、台風の強度や進路に大きな影響を及ぼす可能性があります。
そこで、本研究開発テーマでは、九州大学応用力学研究所に設置されている世界でも最大規模の台風シミュレーション水槽を用いて、高風速の条件下で、大気と水面の間に発生する運動量と熱の輸送(フラックス)を正確に見積もるための測定方法を見出し、高風速条件でのフラックスの定式化および運動量と熱の輸送機構の解明を目指します。

図1:台風下の海面を通しての運動量と熱の輸送
図1:台風下の海面を通しての運動量と熱の輸送

フラックスモデルの検討はこれまでにも行われてきましたが、これまでの研究では風洞の吹送距離(風を吹かせる距離)が短かったため、実際の海洋でおこる輸送現象を正確には再現できていない可能性があります。私たちは、高風速・長吹送距離の条件において、運動量と熱の輸送実態の解明にチャレンジしています。

2. これまでの主な成果

① より正確な運動量フラックスの計測

台風シミュレーション水槽において4連水位計およびプロファイル法を使用し、風速40m/sまでの条件における吹送距離20m地点での運動量フラックスτと抗力係数CDを測定しました。この運動量収支法によって中高風速で精度のよい観測に成功しました。また、ピトー管による鉛直方向の風速分布測定を用いたプロファイル法との組み合わせによって、より信頼性の高い実験式を提案しました(図2)。

図2 水槽の上部に設置されたピトー管(左)と水槽内での風速測定の様子
図2 水槽の上部に設置されたピトー管(左)と水槽内での風速測定の様子
② 熱輸送実験による熱フラックスの計測

 これまで、水槽内の水温が一様でなかったことから、台風シミュレーション水槽での熱フラックスの測定は粗い推定に留まっていました。そこで、新しいポンプを導入し、新しい測定環境を構築しました。水温は安定し、目標としていた精度での熱フラックスの測定に成功しました。

③ 飛散液滴の計測

 砕波をともなう高風速下の海面領域では、大小さまざまな液滴が空中に飛散しています。この液滴が、高風速下での熱エネルギの輸送に関わる可能性がありますが、これまでに十分に検証されていませんでした。そこで、液滴を測定するシステムを台風シミュレーション水槽内に導入し、液滴の観測を開始することができました(図3)。

図3 液滴測定のための装置概略図
図3 液滴測定のための装置概略図

3. 今後の展開

本研究開発テーマでは、海表面を通した運動量と熱のフラックスに対して、高風速での液滴飛散を考慮したより信頼性の高い定式化を目指します。