平成28(2016)年5月26日

積雪地帯の山地流域における極端気象時の融雪特性に関する研究
一般財団法人河川情報センター
研究助成（平26, 第2号）報告

研究代表者
京都大学防災研究所・松浦純生

1

背景と⽬的
背景
積雪地帯では、急激な気温上昇や降⾬、さらに強⾵などによって急激に雪が融け、◎融雪洪⽔などの⽔象災害◎地すべりなどの⼟砂災害◎雪崩などの雪氷災害が発⽣
気温上昇による融雪→観測⽅法が簡単で観測密度も⾼いことから、融雪の予測は⽐較的容易
降⾬時の融雪→降⾬を伴う融雪は、無積雪期に降⾬による洪⽔災害などが多いため、災害発⽣に対する注意を喚起しやすい

⽔象災害

⼟砂災害

雪氷災害

2

1

背景と⽬的課題
しかし・・・
フェーンなどによる強⾵時の融雪については、降⾬と⽐較して発⽣頻度が低い上に、⾵で急激に雪が融けるといったことが、必ずしも流域内の住⺠に共有されていない。
→災害発⽣に対する警戒⼼が薄くなる。
観測値 ： 14.0mm/h
バルク法 ： 7.5mm/h

新潟県砂防課提供

融雪地すべり(国川地すべり)
平成24(2012)年3⽉発⽣

現場の観測によって、強⾵時には従来の予測よりも、2〜3倍もの雪が融ける場合があることが明らかになった。
→災害の発⽣危険度が⾼まっているにもかかわらず、⾒過ごしてしまう可能性が⾼くなる。

（萩村ら,2013）3

1994年4月10日～14日

背景と⽬的
強⾵時における観測融雪⽔量と計算による
推定融雪⽔量の⼤きな乖離は、⼭地斜⾯の粗度が原因？

推定される要因
a)地形特性b)森林等の植生
c)積雪面状態

a)地形特性

水平方向
鉛直方向
マイクロα
0.2～2km
境界層
<1km
マイクロβ
0.02～0.2km
接地層<0.05kmマイクロγ 0.002～0.02km 接地層最下部<0.005kmb)森林等の植⽣

c)積雪⾯の凹凸
42背景と⽬的
⽬的

現地観測

本研究では、積雪地帯における適切な流域管理に資するため、以下を⽬的とする。
１）融雪に⼤きな影響を与えると考えられる⼭地斜⾯の粗度に注⽬し、既往の観測データの解析や現地観測、さらに⾵洞を⽤いた融雪実験などを⾏
い、強⾵時の融雪特性を解明。
２）極端に強い⾵が吹いた場合でも正確に融雪⽔量を予測できるモデルを開発することで、積雪地現地試験帯における流域保全技術を⾼度化。
室内実験

2015/5/25

積雪深：4.0m

2015/3/10

2015/6/26（国研）防災科学技術研究所および防災研究所の風洞実験

2015/3/8

5最大積雪水量時における積雪調査

積雪環境現地観測（（国研）森林総合研究所試験地）

期待される成果◆降雪量の変化予測（気象庁、2013）

 ⽇本は世界でも有数の多雪国
 暖温帯多雪地帯は、温暖化の影響を鋭敏に受ける
 本成果は、温暖化適応策として活⽤が期待される。
年及び月降雪量の変化（気象庁、2013）

降雪量は北海道を除く地域で減少する。特に⽇本海側での減少が⼤きく、多いところで年間400mm（⽔換算）程度の減少が予測されている。この理由として、東北以南では温暖化に伴って雪ではなく⾬として降る場合が増えることによる。⼀⽅、北海道の内陸では温暖化しても雪が降るには⼗分に寒冷なため、温暖化による⼤気中の⽔蒸気量の増加により、降雪量が増加するものと考えられる。
63熱収⽀式とバルク法
熱収⽀式 –積雪層が受け取るエネルギーを全て書き下す:物理学的⼿法

Q(W/m2) = QL+ QR + QH + QE + Qr + QG + QO
融雪熱量

⻑波放射 短波放射

顕熱

潜熱

強⾵時に融雪量を過⼩評価→顕熱・潜熱フラックスの過⼩評価が原因？

⾬量

地中熱

積雪層内の伝導熱

⾵速U
気温T

バルク法

気温差(T-Ts)

QH = cpρCHU(T-TS)
QE = lρCEU(q-qS)
顕熱バルク係数CH、潜熱バルク係数CECH =⽐湿qk2k2, CE =zzzz
ln lnln lnz 0 zq
z 0 zT

⽐湿差(q-qs)
雪温TS

雪⾯⽐湿qScp(J/kgK):空気の定圧⽐熱
ρ(kg/m3):空気密度

Cp：定圧⽐熱、l：気化熱、ρ：空気の密度k(=0.4):カルマン定数, z(m):測定⾼度
z0,zT,zq(m):⾵速、気温、⽐湿の粗度⻑
・鉛直分布から決定、雪⾯や地物の状態により変動
・z0は森林植⽣に影響を受ける(近藤,2000)
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地形特性に関する室内実験a)地形特性
地形効果による融雪特性を明らかにするため、融雪実験装置を3基製作し、それぞれ0ﾟ、15ﾟ、30ﾟに傾斜させ、（国研）防災
科学技術研究所新庄雪氷実験所の雪氷防災実験棟で融雪実験を実施。
気温や⾵速が同じ条件であれば、傾斜した積雪層別に融雪強度が⼤きく異なることはなかった。今回の実験結果からは、融雪に与える地形傾斜の影響は⼤きくないと考えられる。ただし、⾕が⼊り込むような複雑な地形の場合は不明である。
実験条件

設定風速と融雪強度の関係

84積雪⾯の凹凸に関する室内実験
実験装置は、融雪箱と融雪箱を傾斜させる台座からなる。この装置を室温14℃、湿度60％に維持した(国研)防災科学技術研究所の新庄雪氷実験所内に設置し、横⾵発⽣装置を⽤いて10m/s の⾵を吹かせ融雪実験を実施。

16.0

28.0

14.0

Meltwater (mm/h)

26.0

12.0
10.0

24.0

8.0
22.0

6.0
4.0

20.0

2.0

実験前

31分後
0.0

18.0
2742577287102

Wind speed (m/sec) / Air temp. (C)c)積雪⾯の凹凸

117

Elapsed Time (min)

融雪強度の時間変化

60分後

89分後

積雪表面の変化

積雪表層の⽐⾼等と融雪強度の関係について解析を⾏ったところ、積雪表層の凹凸の変化が融雪強度に与える影響は、植⽣と⽐較して⼩さいと考えられる。
9森林等の植⽣に関する室内実験b)森林等の植⽣

単⽊配置↑⼤群落配置←中群落配置⾵洞の幅は2.5m、⾵向⽅向の樹⽊
模型設置範囲は2.0m
実験⽅法

予備実験として、京都⼤学防災研究所耐⾵構造研究分野の⾵洞内に樹⽊模型を配置し、群落配置による
10
⾵環境の変化を測定した。

5

森林等の植⽣に関する室内実験
単⽊配置
樹⽊模型

風向

11

森林等の植⽣に関する室内実験
単⽊配置＞ユニット内での⽐較

126

森林等の植⽣に関する室内実験
中群落配置(9本)
樹⽊群

風向

B

DE

FH

13

森林等の植⽣に関する室内実験
中群落配置＞ユニット内での⽐較

147

森林等の植⽣に関する室内実験
⼤群落配置(25本）
樹⽊群

2列⽬
風向B

3列⽬

DE

F

H

最後列

15

森林等の植⽣に関する室内実験
⼤群落配置＞ユニット内の相対位置による⽐較

168

森林等の植⽣に関する室内融雪実験b)森林等の植⽣相似則・実験環境
⾵速(2軸熱線⾵速計で測定)

温度・湿度
ライシメータ

温湿度計

風・幾何学的相似則(縮尺):1/100
樹⽊模型:200mm(→20m)
積雪深:50mm(→5m)
3.0cm

断熱材
樋

20.0cm
10.0cm
電⼦はかり

融雪量

実験装置縦断図

実験⽅法
・国⽴研究法⼈防災科学技術研究所雪氷防災センター新庄⽀所の⾵洞(14.0m(L)×1.0m(W)×1.0m(H))内に樹⽊模型を配置
し、下流5.0mに雪を敷き詰める→⾵速、融雪強度、気温・湿度を測定→0m/sでの対照実験により⻑波放射量・伝導熱量を推定

・⾵速:7.0m/s
臨界レイノルズ数を超えた(>105)
ことを確認→実環境の7m/sとほぼ同様の⾵速・乱流構造を想定
・樹⽊模型樹⾼の約2倍まで、乱流境界層が形成されていることを確認
・気温:14℃、湿度:60%前後→フェーン現象時を想定
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森林等の植⽣に関する室内融雪実験
林間内部の⾵速計測X型プローブの熱線⾵速計により，⾵の主流⽅向(u成分)と鉛直⽅向(w成分)の2成分をサンプリング周波数500Hzで同時測定

雪の充填
⽉⼭から⽐重0.5の積雪を採取し、⾵洞内に厚さ5cmになるように均質に充填。底⾯には断熱ボードを敷き、伝導熱による融雪を軽減した。
ライシメータ（78cm(L)×64cm(W)）
樹⽊模型の設置が可能。ライシメータと集⽔バケツの⽔量を電⼦はかりで測定することにより，積雪重量の変動と融雪⽔量の2つの要素から融雪強度を算出。

189森林等の植⽣に関する室内融雪実験（実験パターン）⻑波放射等による熱量を測定
⾵向1.0m:雪のみ充填

樹⽊模型の配置を変化

7%・4m

植被率0m/s

7m/s

0%

○

○

7%千⿃

○

○

7%9本群

○

○

伏野再現

○

○

7%・9本群試験地再現

191030mm（試験地再現パターン）

森林等の植⽣に関する室内融雪実験

気象観測露場

100m

400m

⾵向⼤群落

N%

NW

NE

W

ESWSES

南南東

観測地点付近の融雪期における強風分布図(中町(2014)を参考に作成)

植被率:4.5%2010

（試験地再現パターン）

実験結果-試験地再現パターン・0%⽐較
⼤群落

風
向植被率0％
プロファイル

⾵速の鉛直プロファイル(2015年伏野再現)

⾵速の鉛直プロファイル(0%、試験地再現)

上流側の⼤群落による減衰→下流側◆より上流■で顕著

21（試験地再現パターン）
運動量輸送

森林等の植⽣に関する室内融雪実験
下向き⼤群落風
向植被率0％
プロファイル

レイノルズ応⼒の鉛直プロファイル(2015年試験地再現)

運動量輸送→樹冠部〜樹冠上部で下向き成分⼤⾵速の減衰と異なり、■と群落との距離が異なる下流で同程度

2211

（試験地再現パターン）

森林等の植⽣に関する室内融雪実験

植被率0%

試験地再現

風
向u/Uo(%)

風
向23（群落⽐較パターン）

森林等の植⽣に関する室内融雪実験

⾵速の鉛直プロファイル(7%千⿃)

・雪⾯付近の⾵速は9本群＞千⿃

相似配置→測定位置を相似にして議論

⾵速の鉛直プロファイル(7%9本群)

プロファイルの差異として，⾵速の減衰のしかたや，樹冠下部〜雪⾯付近における⾵速のピークの取り⽅が挙げられる．
すなわち，7%単⽊パターンでは⻘点並びに⿊点の減衰が⼤きく，また雪⾯付近では測定点によらず⾵速がほとんど⼀定となっているが，7%9本群パターンは⻘点以外での林内での減衰は⼩さく，雪⾯付近の⾵速も⼤きくなっていることがわかった．
2412森林等の植⽣に関する室内融雪実験（群落⽐較パターン）レイノルズ応⼒の鉛直プロファイル(7%千⿃)

レイノルズ応⼒の鉛直プロファイル(7%9本群)

・樹冠上部でピーク
・9本群パターンで位置ごとにレイノルズ応⼒の差→熱輸送にむらがある
25

森林等の植⽣に関する室内融雪実験（群落⽐較パターン）風向 u wU02

・樹冠部において、植⽣の背後(上流側)で⾵速は減衰し、下向きの成分が卓越しているのに対し、植⽣の⾵上では上向きとなっている。
・また、特に9本群パターンにおいて、下向き成分の⼤きい後背部でレイノルズ応⼒が⼤きくなっており、運動量輸送が盛んに⾏われていると考えられる。
・⼀⽅、単⽊パターンの植⽣⾵上側で、レイノルズ応⼒が負の⽐較的⼤きな値をとっている。

図は植⽣パターンの断⾯図に⾵速・レイノルズ応⼒の測定結果を合成したもの。⽮印は鉛直⽅向に5倍に強調した⾵速ベクトル

風向2613まとめ気温や⾵速が同じ条件であれば、傾斜が⼀様で平坦な積雪斜⾯では融雪強度が⼤きく異なることはなかった。
積雪表層の⽐⾼等と融雪強度の関係について解析を⾏ったところ、凹凸の進⾏によって、やや融雪強度が強まるものの、その値は⼩さい。
植被率が同程度で、森林の配置分布を変化させた融雪実験を⾏った。その結果、強⾵時には群落配置の⽅が単⽊よりも融雪強度が⼤きくなることが明らかとなった。
植被率が同等な2パターンにおいて、運動量輸送量を表すレイノルズ応⼒を⽐較検討した。その結果、群落構造が⼤きいパターンで正負のピークが⼤きくなり、群落の⼤きさにより運動量輸送にむらが⽣じ、熱交換に影響を与える可能性が⽰された。
実際の中⼭間地のようなランダムな樹⽊植⽣パターンが存在する場合、下流側の広い領域で運動量輸送が強まる傾向が得られた。そのため、実際の融雪強度が⼤きくなると思われる。
森林植⽣の影響を考慮した「みかけの粗度」を⽤いることで、極端な強⾵が吹いたときの融雪強度を再現することが可能になると考えられる。これをアメダスの気象要素に組み込むことで、より正確な融雪予測が可能になると期待される。
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お礼
本研究に助成いただき、誠にありがとうございました。

また、本研究を実施するにあたり、国立研究法人防災科学技術研究所、国立研究法人森林総合研究所
京都大学防災研究所 耐風構造研究分野および暴風雨・気象環境研究分野の皆様には多大なご協力をいただきました。

記して感謝申し上げます。

28

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