博士 （地 球環 境科学 ）杉 浦幸之 助
学位論文題名
Experimental study of the snow‑driftsaltationandsplash process（吹雪の粒子跳躍とスプラッシュ過程に関する実験的研究）

学位論文内容の要旨
吹 雪に関する研究はこれまで数多く行われてき たが，その多くは特定の地域や場所における吹 雪対策を目的としたものであった．そのため それぞれの研究者によって得られた経験式（例 えば 吹雪 量） が相 互に 2桁以上も異なってい る点に関しては，ほとんど研究が行われていな かった．相違の見掛けの原因は，場所によっ て風，気温，雪質などが異なるため，というこ とができる．しかし，吹雪における雪粒子の 輸送は，基本的に雪面からの粒子供給と風との 相互作用によって決まるはずであるから，相 違が生じる最も重要な原因は雪面近傍の粒子運 動過程にあると考えられる．したがって，こ れまでほとんど研究の行われなかった雪質を考 慮して雪面近傍の粒子運動過程を明らかにす ることにより，相違が説明されると予想される．
本 研究では以上の考察を基礎にして，雪面近傍 における雪粒子の挙動を雪質に着目して詳細に 調べ るた めに ，次 の2つ の実験を行った．1つtま，雪質を決める重要なパラメータである粒 径に 着目 して 吹雪 量を 調べ る実 験 であ り， 他の 1
つ は2種類の雪粒子を用いて雪粒子が雪面 に衝突，反発，射出する過程，すなわちスプ ラッシュ過程を詳細に調べる実験である．
いず れの実験も，使用した風洞の温度はー15℃で ，粒子間の付着カが無視できる条件で行われた ．第1の実験では ，摩擦速度を0.15，0.23，0.
30，0.
39ms"と変化させた際の吹雪粒子数を粒径別に計測する装置(Snow partic
le counter)により，粒径別吹雪粒子数フラックスの高度分布を求めた．第2の実験では，摩擦速度を，しまり雪では0.19と0.
25ms‥，新雪では0.
17ms．｜にし ，強カなレーザー光により可視化された雪粒 子のビデオ画像からスプラッシュ過程における雪粒子の速度，角度および粒子数を求めた．
第1の 実 験で は， 粒子 形状 は球形で，密度は氷 の密度に等しいと仮定し，計測された吹雪粒子 数フラックスから吹雪質量フラックスを算出 した．粒径別に求められた吹雪質量フラックスq。は，雪面か らの高さzとともに指数関数 的に減少した(
qd=A。exp(‑Bdz))．粒径別吹雪
質量 フラ ック スの 減少率 鼠を ，高 さの スケ ール で規格化することにより無次元量ん‑1293―

（ん＝Bdl(u.2[2g)．1；g：重力加速度，u.:摩擦速度）が導入された，んは‑0.3〜0.3の値をとったが，粒 径 の 増 加 と と も に 一 定 値 （ O． 2） に 近 づ ぃ た ． 粒 径 が 約 0.25mmよ り 小 さ い 時 の ん の 値 は 小さく，マイ ナスの値をとることもあったが，これは浮遊メカニズム による粒子輸送と考えられ る ． っ ま り 粒 径 約 0.25mmを 境 に ， 雪 粒 子 の 運 動 形 態 が 跳 躍 か ら 浮 遊 に 移 る こ と が 明 ら かに さ れ た ． ま た 雪 面 に お け る 吹 雪 質 量 フ ラ ッ ク ス A。 に も ， 粒 径 約 0.25mmを 境 に 異 な る 摩 擦
速度依存が見られた．
吹雪質量 フラックスを雪面から高さ方向に積分して求められる吹 雪量は摩擦速度のベキ乗で 増 加 し た が ， ベ キ 指 数 は 粒 径 に よ っ て 変 化 し ， お よ そ 5か ら 3の 間 を と っ た ． す な わ ち 粒
径 が 大 き く な る と 減 少 し ， 跳 躍 に よ る 粒 子 輸 送 と 考 え ら れ る 粒 径 約 0.25mm以 上 で は ほ ぼ 3に 漸 近 し た ． こ れ は Bagnold(1941） に よ る 跳 躍 運 動 の 理 論 的 研 究 に お いて ， ベキ 指数 が3になるという結 果に一致する．粒径が小さい場合に大きなべキ指数をと るのは，運動形態が跳躍から浮遊に 移るためと考えられる．っまり，雪質の違いにより粒径 が異なれば，輸送に対する粒子跳躍 と浮遊の寄与の度合いが異なり，異なった地域や場所に おける吹雪量の測定結果に違いが生じることになる ，第 2の 実 験 で は ， 任 意 の 速 度 と 角 度 で 衝 突 す る 雪 粒 子 が ど の よ う な 速 度 と 角 度 で 跳 ね 返 るか，また何 個の他の雪粒子を弾き出すかを記述する統計関数（スプ ラッシュ関数）を求めた
解析は，衝突速度1.00，1.50，2.00，2.50土0.25ms‥ ，衝突角度5.0，10.0，15.0土2.5deg.の範囲で行われた， 雪粒子の衝突前後の鉛直方向速度比で定義される鉛直反 発係数，水平方向速度比で定義され る水平反発係数，および射出粒子数を求めた結果，いず れの値も広い範囲に分布
す る こ と が 明 ら か と な っ た ． 鉛 直 反 発 係 数 は 0〜 10の 値を とり ，水 平 反発 係数 は‐ 1〜 1.5の値をとった． 両者の違いは，衝突前の鉛直速度成分は水平成分に比ベ 一般に小さく，衝突後，粒子は様々 な角度で跳ね返るためと考えられる．また，鉛直反発係 数は衝突速度と衝突角度に 依 存 し ， 1よ り 大 き い 値 を と る 衝 突 も 見 ら れ た ． 鉛 直 反 発 係 数 が 大 き い 値 を と る と い う ことは，雪粒 子がより高い高度に達して風からエネルギーを受けるこ とを意味し，吹雪発達の本質的メカ ニズムと考えられる．本研究においては，鉛直反発係数 と雪質および摩擦速度の間には依存 性は見られなかった．水平反発係数は，マイナスの値を とる衝突，すなわち風上に向かって 射出する衝突も見られ，衝突速度，衝突角度，摩擦速度 ，雪質に依存した，射出
粒 子 数 は 摩 擦 速 度 と 衝 突 角 度 に は ほ と ん ど 依 存 せ ず， 衝突 速度 と雪 質 によ って ほぽ 決定 す る．
以上の複雑 なスブラッシュ過程を記述する鉛直反発係数，水平反発 係数および射出粒子数のスプラッシ ュ関数が求められた．関数形としては鉛直，水平反発係 数に対してそれぞれガンマ分布およ び正規分布が使用された，これらのスプラッシュ関数は 吹雪を含む種々の粒子輸送の研究分 野で初めて求められたものである．この結果，これから は，粒子跳躍による吹雪発達の数値計算を高い精度 で行うことができるように なった．
‑1294 ‑

学位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査
副査

教授

前野紀―

教授

小林大ニ教授香内助 教授

高 橋英紀

助 教授

上 田晃

博（ 理学研究科）

学位論文題名
Experimentals
tudyofthes
now‑driftsaltation and splash process（吹雪 の粒子跳躍 とスプラ ッシュ過 程に関す る実験的研究）

吹雪に 関する研 究はこれ まで数多く 行われて きたが， その多く は特定の 地域や場 所における 吹雪対策 を目的と したもので あった． そのため それぞれ の研究者 によって 得られた 経験 式 （例 え ば 吹雪 量 ）が 相互に2桁以 上も異な る根本原 因である 雪面近傍 の粒子運動過程 ，特にそ の雪質に 関する研究 がほとん ど行われ なかった ．本研究 では雪面 近傍にお ける 雪 粒子 の 挙 動を 雪 質に 着目して詳 細に調べ るために ，次の2つ の実験を 行った．
1っ は ，雪 質 を決 め る 重要 なパ ラメータで ある粒径 に着目し て吹雪量 を調べる 実験であり ，他 の 1っ は2種類 の 雪 粒子 を 用い て 雪 粒子 が 雪面 に 衝突， 反発，射 出する過 程，すなわち スプラッ シュ過程 を詳細に調 べる実験 である， いずれの 実験も， 使用した 風洞の温 度は ― 15℃ で ，粒 子 間 の付着 カが無視で きる条件 で行われ た．第1の 実験では ，摩擦速 度を 変 化さ せ た 際の 吹 雪粒 子数を粒径 別に計測 し，第2の 実験では ，強カな レーザー
光によ り可視化 された雪 粒子のビデオ画像からスプラッシュ過程における雪粒子の速度，角度お よび粒子 数を求め た．
第 1の 実 験で は ， 計測 さ れた吹 雪粒子数フ ラックス から吹雪 質量フラ ックスを 算出した．粒 径別に求 められた 吹雪質量フ ラックス は，雪面 からの高 さと共に 指数関数 的に減少した ．粒径別 吹雪質量 フラックス の減少率 を高さス ケールで 規格化す ることに よりされた無 次元量の 値は―O． 3〜0．3であったが，粒径の増加と共に一定値（O．2）に近づいた．粒 径が約0． 25mmより小さ い時の値は 小さく負 の値をとることもあったが，これは浮遊メ カニズム による粒 子輸送と考 えられる ．っまり 粒径約0． 25mm
を境に，雪粒子の運動形 態が跳躍 から浮遊 に移るこ とが明ら かにされ た．また雪 面におけ る吹雪質量フラッ ク ス の 値 に も ， 粒 径 約 0． 25 mmを 境 に 異 な る 摩 擦 速 度 依 存 が 見 ら れ た ．
吹雪質 量フラッ クスを雪 面から高 さ方向に 積分して 求められる 吹雪量は摩擦速度のベキ 乗で 増 加 した が ，ベ キ 指 数は 粒 径 によ っ て変化 しおよそ 5から3の値 をとった ．すな
わち粒 径が大き くなると 減少し， 跳躍によ る粒子輸 送と考えら れる粒径 約0． 25mm以上
で はほ ば 3に 漸 近した ．これはBagnold(1941)に よる跳躍 運動の理 論的研究 の結果に 一致する ．粒径が 小さい場 合大きな ベキ指数 をとるの は，運動形 態が跳躍 から浮遊に移るためと 考えられ ，雪質の 違いによ り粒径が 異なれば ，輸送に対 する粒子 跳躍と浮遊の寄与の度 合いが変 わり，異 なった地 域や場所 における 吹雪量の測 定結果に 違いを生じることにな る．
第 2の 実験 で は ，任 意 の速 度 と 角度 で 衝突 す る 雪粒 子 が どの よ うな 速 度 と角 度で眺ね
返るか ，また何 個の他の 雪粒子を 弾き出す かを記述 する統計関 数（スプ ラッシュ関数）を求め た．解析 は，衝突 速度1．0〜 2．5ms…，衝突角度5．0〜15.Odeg.の範囲で行われた．雪 粒子の衝 突前後の 速度比で 定義され る鉛直反 発係数，水 平反発係 数，および射出粒子数 を求めた 結果，い ずれの値 も広い範 囲に分布 することが 明らかと なった．鉛直反発係数 は0〜10の値をとり，水平反発係数は―1〜1．5の値をとった．両者の違いは，衝突前の 鉛直速度 成分は水 平成分に 比べ一般 に小さく ，衝突後， 粒子は様 々な角度で跳ね返 るた め と 考え られ る．また， 鉛直反発 係数は衝 突速度と 衝突角度 に依存し ，1より大きい値 をとる衝 突も見ら れた．鉛 直反発係 数が大き い値をとる というこ とは，雪粒子がより高 い高度に 達して風 からエネ ルギーを 受けるこ とを意味し ，吹雪発 達の本質的メカニズム と考えら れる．本 研究にお いては， 鉛直反発 係数と雪質 韜よび摩 擦速度の問に依存性は 見られな かった． 水平反発 係数は負 の値をと る衝突，す なわち風 上に向かって射出する 衝突も見 られ，衝 突速度， 衝突角度 ，摩擦速 度，雪質に 依存した ．射出粒子数は摩擦速 度と衝突 角度には ほとんど 依存せず ，衝突速 度と雪質に よづてほ ば決定する．以上の複 雑なスプ ラッシュ 過程を記 述する関 数の関数 形としては 鉛直，水 平反発係数に対してそ れぞれガ ンマ分布 および正 規分布が 使用され た．これら のスプラ ッシュ関数は吹
雪を含 む種々の 粒子輸送 の研究分 野で初め て求めら れたもので あり，こ の結果粒子跳躍に よる 吹 雪発 達の 数 値計 算 を高 い 精度 で行うこ とができるよう になった・
本 研究 は 吹 雪の 粒 子衝 突 過 程を 雪 質 に着 目 して調 べた初め ての研究 である。 特に，衝突の際 の複雑な 物理過程 を記述す る統計関 数（スプ ラッシュ関 数）を， 自然の雪粒子を用いて 数式化し た世界で 最初の研 究であり ，きわめ て高い価値 を持って いる，本研究の成果に より，こ れまでは 不可能で あった吹 雪の衝突 運動の現実 的な数値 計算が実施できること になった ．よって 審査員一 同は，こ れらの成 果を高く評 価し，ま た申請者が堅実かつ熱心であり，研究者としての十分な資質を備えているものと認め，大学院課程における研究や単位取得等も併せ，申請者が博士（地球環境科学）の学位を受けるに十分な資格を有するものと判断した．