南九州西岸地域における副振動発生予測に向けた海洋長波監視システムの構築
Monitoring of Ocean Long Waves in Relation to Prediction for Occurrence of SecondaryUndulation at West Coast of South Kyushu
山城 徹 * ・齋田倫範 ** ，浅野敏之 ***Toru YAMASHIRO, Tomonori SAITA and Toshiyuki ASANO* 国立大学法人鹿児島大学理工学研究科(工学系)教授** 国立大学法人鹿児島大学

理工学研究科(工学系)准教授*** 国立大学法人鹿児島大学

地震火山防災センター

特任教授

Field observations of ocean long waves propagating eastward were made in winter to early springof 2012 and 2018 in relation to the occurrence of secondary undulation at the west coast of SouthKyushu. The period of secondary undulations at Nagasaki, Sakitsu, Kami-koshiki Island andMakurazaki were con-firmed from the observational results. Moreover, it was suggested that thefield observations of sea-level variations at Fukuejima Island and Meshima Island (Uttchima Islandand Nakano-shima Island) are useful to monitor ocean long waves causing secondary undulation
at Nagasaki and Kami-koshiki Island (Makurazaki). The wave height of the secondary undulation
generated when the long ocean waves enter the Urauchi Bay from the East China Sea wasinvestigated from numerical simulation using FVCOM. It was suggested from the numerical resultsthat the amplitudes of the secondary undulation with the eigen periods of 24, 12, 10 minutes at theOshima fishing port becomes about 25 times greater than those of the long ocean waves off Urauchi
Bay.
Key Words: field observations, ocean long waves, secondary undulation, west of South Kyushu,numerical simulation, FVCOM

1．はじめに九州西岸域における大きな副振動の発生予測には東シナ海上を伝搬する海洋長波の監視が不可欠である．本
研究の第 1 目的は，南九州西岸における大きな副振動の発生予測のための危険度の高い海洋長波の効率的な監視網の構築を目指し，副振動発生地点とその西方海域で水位の現地観測を実施することである．
上甑島浦内湾では周期 24.5 分，12.5 分，10.8 分の 3つの副振動が発生する 7)．周期 24.5 分は湾口部で節，小島側と桑之浦側の両方の湾奥部で腹を持つモード，
周期 12.5 分は湾分岐部で節，小島側湾奥部と湾口部付
近で腹を持つモード，周期 10.8 分は分岐部付近で節，桑之浦側と小島側両方で腹を持ち，2 点間でシーソーのように振動するモードである．
本研究の第 2 の目的は，浦内湾における副振動のハザードマップ作成に向けて，海洋長波が浦内湾へ進入して発生する 3 つの振動モードの波高分布を調べ，小型船舶の係留場所として危険度の高い地点を明らかにすることである．

副振動は湾や港湾で起こる周期数分～数十分の海水面の振動現象で，九州西岸地域では冬から春先にかけて最大全振幅 100cm を超える大きな副振動が頻繁に発生する 1)．2009 年 2 月 24 日～25 日には，九州西岸全域で大きな副振動が発生し，上甑島浦内湾では最大全振
幅 300cm を記録した 2) ．この副振動により浦内湾周辺
では家屋 8 棟の浸水，船舶 18 隻の転覆，養殖生簀 4 基の破損と養殖マグロの逃げ出しが発生し 3)，その被害額は数億円に達した．最近では，2019 年 3 月 22 日に長崎湾で最大全振幅 100cm の副振動が発生し，発生時刻が大潮期の満潮時刻と重なり，市中心部まで冠水被害が起きている 4)．
冬から春先にかけて東シナ海上では，前線や低気圧の通過に伴う気象擾乱に起因する大気の振動(気圧波)が海洋に頻繁に長波を発生させる 1)．Hibiya ら 5) や齋
田ら 6) の数値実験の結果によると，気圧波と海洋長波
2．海洋長波監視網の構築の東方への伝搬速度がおよそ一致すると，共鳴的カップリング作用で海洋長波の振幅が増大する．これに湾内での浅水増幅や湾水との共鳴作用が加わり，巨大な2.1 観測とその結果副振動が長崎湾や浦内湾で発生している．したがって，長崎，上甑島，枕崎の水位データを再解析することにした．水位の測定はすべて 1 分間隔である．
2012 年の長崎，上甑島，枕崎と 2018 年の長崎，崎津，上甑島，枕崎の周期 69 分以下の変動成分の時系列をそれぞれ図-2 と図-3 に示す．図中の矢印は最大全振幅が100 cm を超えた時期である．2012 年の長崎，上甑島，枕崎では最大全振幅 100 cm 以上がそれぞれ 4 日，8 日，1 日観測されている(図-2)．2018 年の長崎，上甑島，枕崎では最大全振幅 100 cm 以上の時期がそれぞれ 1 日，3 日，1 日で，2012 年と比較すると大きな副振動の発生回数が少ない(図-3)．崎津では最大全振幅が 100 cm を超えることがなく，2 月 21 日の 73 cm が最大である．
図-1 水位観測点の位置

図-2 2012 年の長崎，上甑島，枕崎における水位変動
冬から春先にかけて最大全振幅 100cm 以上の副振動 図-3 2018 年の長崎，崎津，上甑島，枕崎におけるが発生する長崎，崎津，上甑島，枕崎 1) ,2)を対象地点と水位変動し，これらの地点を囲むように福江島，女島，宇治島，上ノ島，中之島を海洋長波の監視点候補に選んだ(図2018 年 2 月 20 日 12 時 00 分から 2 月 26 日 4 時 31 分
1)．長崎は九州北部に位置するが，大きな副振動は崎津， における周期 69 分以下の変動成分のパワースペクトル
上甑島，枕崎と同時に発生しているので，解析に加える を図-4 に示す．
長崎では周期 21.9 分と 28.5～42.9 分，ことにした．
上甑島では周期 10.4～14.0 分と 24.0 分，枕崎では周2018 年 2 月 20 日～3 月 25 日に女島，宇治島，上ノ 期 16.0 分でスペクトル密度が大きく，過去の報告と同島，崎津，上甑島，枕崎で水位の同時観測を実施した． 様な周期で副振動が発生していた．崎津については，観同時期の福江島，長崎の水位は気象庁，中之島の水位は 測例がないため，副振動の卓越周期が不明であったが，海上保安庁の観測データを利用した．これらの地点の 周期 69 分以下については，8.8～14.1 分，22.9 分，33.4
中で女島，上ノ島については，観測期間中に水位計を流 分，43.3 分のスペクトル密度が大きく，これらの周期失してしまい，データを取得できなかった．女島は海洋 帯で副振動が発生していることを明らかにできた(図長波の監視地点として非常に有効であるので，2012 年 4)．幅広い周期帯で副振動が発生している要因として，
2 月 10 日～3 月 28 日に収集した福江島，女島，中之島， 羊角湾が多数に分岐し地形が複雑であることが考えら

れる．

2.2 福江島，女島，宇治島，中之島の水位変動との関係

図-4 2018 年の長崎，崎津，上甑島，枕崎の水位変動のパワースペクトル

図-5 2012 年 2～3 月の長崎，福江島，女島の水位の変動強度の時系列以上の強度が 12 回出現し(図-5)，この中で 8 例(図中の赤い矢印)については，福江島で 3σ 以上，女島で 2σ以上の強度を示した．4 例(図中の青い矢印)については，福江島や女島でも強度が多少大きくなっているが，福江島で 3σ 以上，女島で 2σ 以上の強度を示していな
い．特に 2 月 25 日の場合，長崎で 12σ に達しているにもかかわらず，周辺の強度はそれに対応していない．
この理由は不明である．2 月 22 日や 3 月 5 日(表-1)のように長崎が福江島と同時に 3 σ を示す場合が 2 例あったが，8 例を平均すると，長崎で 3σ 以上になる 1.7時間前から福江島で 3σ 以上，女島で 2σ 以上になっている．
2012 年の上甑島では，3σ 以上の強度が 9 回出現し(図-6)，この中で 8 例(図中の赤い矢印)は，福江島で3σ 以上，女島で 2σ 以上の強度を示した．1 例(図中の青い矢印)は，福江島で 3σ 以上，女島で 2σ 以上の強度を示していない．2 月 22 日(表-1)のように上甑島の強度が福江島や女島に先行して 3σ 以上を示す場合が 1 例あったが，8 例を平均すると，上甑島で 3 σ 以上になる 2.0 時間前から福江島で 3 σ 以上，女島で2σ 以上になっている．

図-7 2018 年 2～3 月の枕崎，宇治島，中之島の水位の変動強度の時系列
表-1 長崎で 3σ 以上になる時刻と福江で 3σ 以上，女島で 2σ 以上になる時刻との差，上甑島で 3σ以上になる時刻と福江で 3σ，女島で 2σ 以上になる時刻との差，枕崎で 6σ 以上になる時刻と宇治島，中之島で 3σ 以上になる時刻との差

図-6 2012 年 2～3 月の上甑島，福江島，女島の水位の変動強度の時系列
副振動のような非定常な現象の変動特性を調べるには，測定されたデータの時間と周波数を同時に捉えられるウェーブレット・スペクトル解析が有効である．このスペクトル解析によって，副振動の卓越周期を含む，周期 8～64 分の変動強度を抽出し，強度の 30 分平均値を標準偏差(σ)で標準化した．2012 年の長崎では，3σ2018 年の枕崎では 6σ 以上の変動強度が 3 回出現し，3 例(図中の赤矢印)とも宇治島，中之島で 3 σ 以上の強度を示した(図-7)．3 例を平均すると，枕崎で 3σ 以上になる 0.8 時間前から宇治島，中之島ともに 3σ 以上である(表-1)．
以上のことから，長崎，上甑島(枕崎)で副振動を発生させる危険度の高い海洋長波の監視に対しては，福江島，女島(宇治島，中之島)での水位の現地観測が有効であることを示唆した．崎津については，大きな副振動が観測されなかったので，福江島や宇治島，中之島の水位との関係を調べなかった．

伝搬角度でも，波高は第 1 波から第 4 波にかけて徐々に大きくなり，第 5 波で最大になった後，第 6 波以降で次第に減少している．5 つの角度の中で，角度 0°の場合の波高が最も大きく，1.2m 程度に達している．次に波高が大きい角度は 22.5°，11.25°，-11.25°であり，波高が最も小さい角度は-22.5°である．周期 12 分の場合は，角度による波高の違いはみとめられず，どの角度でも最大波高は 1.1m 程度に達している．周期 10分の場合，5 つ角度の中で，角度 11.25°の波高が最も大きく，1.0m 程度に達している．
浦内湾-22.5°

浦内湾-11.25°3．浦内湾で発生する副振動の数値実験
浦内湾

3.1 数値モデル0°
浦内湾

浦内湾22.5°

11.25°

図-8 計算領域
0.8-22.5°-11.25°0°
11.25°
22.5°

0.6
0.4
0.2
0-0.2-0.4

周期 24 分-0.6-0.8

020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

時間(min)水位変動 (m)

浦内湾で発生する副振動の数値計算は 3 次元有限体積法海洋モデル FVCOM(Finite Volume Coastal OceanModel)8)を用いた．このモデルは，非構造格子三角形で海岸線を，σ 座標系で海底地形を詳細に表現できる特長を有している．
浦内湾沖合海域の水深データについては，日本水路協会から出版されている海底地形デジタルデータを利用した．浦内湾については，日本水路協会の地形データだけでは空間分布が粗すぎるので，2018 年 8 月に，高密度に配置した線上で浦内湾の水深観測を行い，数値計算に必要な海底地形データを充実させた．また，第十管区海上保安本部が近年浦内湾の湾口部から分岐部で水深観測を実施していたので，この観測で収集されたデータも加えて，浦内湾及びその周辺海域の水深データの整備を図った．
本研究では，図-8 に示す 5 つの波向き(角度 -22.5°，-11.25°，0°，11.25°，22.5°)をもつ海洋長波が浦内湾の湾口へ伝搬したときに湾内で発生する副振動の波高分布を調べることにした．モデルの格子幅は開境界で 300 m，浦内湾で 30 m とした．水温と塩分はそれぞれ 20℃，30 psu で一定にした．潮汐，河川，日射，風等の海象気象条件は考慮しない．

周期 12 分

3.2 数値計算結果
0.8

図-8 中の青線上において，周期 24 分，12 分，10 分，振幅 2cm の海洋長波 5 波を発生させて，浦内湾で発生する副振動の水位変動と波高分布を調べた．
周期 24 分，
12 分，10 分のいずれの場合においても，副振動によって発生する最大波高は小島側湾奥部で発生していた．
そこで，海洋長波の伝播方向を-22.5°，-11.25°，0°，11.25°，22.5°と変化させた場合の St.6 における水位変動の時系列を図-9 に示す．周期 24 分の場合，どの-22.5°-11.25°0°
11.25°
22.5°

0.6
0.4
0.2
0-0.2-0.4-0.6-0.8

周期 10 分0204060

80100120140160

180時間(min)

図-9 小島側湾奥部における水位変動

-22.5°の場合-11.25°の場合0°の場合

周期 24 分と 12 分の場合については波高 1m 以上の発生地点，周期 10 分の場合については波高 0.9m 以上の発生地点を図-10～図-12 に示す。図中の赤枠は小島漁港である．周期 24 分の場合(図-10)，海洋長波の伝搬角度が 0°と 11.25°のとき，小島漁港内全ての地点で波高が 1m を超えることが示されている．周期 12 分の場合(図-11)，どの伝搬角度であっても，漁港内全ての地点が波高 1m を超えることはないが，湾内の 30～50％程度は波高 1m を超えることが示されている．周期 10分の場合(図-12)，伝搬角度が-22.5°のとき，漁港内の50％の地点で波高 0.9m を超えるが，それ以外の角度では，波高 0.9m 以上の地点は湾奥の先端部に限られている．
-22.5°の場合

11.25°の場合-11.25°の場合

22.5°の場合

0°の場合

図-10 周期 24 分の副振動による波高 1ｍ以上の地点-22.5°の場合-11.25°の場合

11.25°の場合

22.5°の場合

0°の場合

図-12 周期 10 分の副振動による波高 0.9ｍ以上の地点

4. 検討
11.25°の場合

22.5°の場合

図-11 周期 12 分の副振動による波高 1ｍ以上の地点

齋田ら 9)の数値計算によると，海洋長波は，東シナ海上を東方伝搬する場合，女島を通って長崎，上甑島へ到達するが，東シナ海上を東北東方向へ伝搬する場合は，発生地点の位置によって，大陸棚縁辺部で反射し，上甑島まで到達しにくい場合がある．この観測例として，女島の強度は大きいが，長崎や上甑島はあまり大きくない 2012 年 2 月 29 日の場合が挙げられるかもしれない(図-5，図-6)．そこで，上甑島で副振動を発生させ参考文献
る海洋長波の監視地点として，女島の他に福江島を加1) 志賀 達，市川 真人，楠元 健一，鈴木 博樹：九州から薩えている．
南諸島で発生する潮位の副振動の統計的調査，測候時報，枕崎で副振動を発生させる海洋長波の監視地点とし
第 74 号特別号，pp. s139 - 162，2007．て宇治島が有効であることは本研究の観測だけでなく，齋田ら 9)の数値計算からも指摘されている．しかし，本 2) 長崎海洋気象台，熊本地方気象台，鹿児島地方気象台:災害調査報告‐平成 21 年(2009 年)2 月 24 日から 28 日にか研究では，中之島も海洋長波の監視点として有効であけて九州西岸を中心に発生した潮位の副振動に関する現ることを明らかにしている．
地調査‐，21p.，2009．

5. 結論

3) 南日本新聞：2009 年 2 月 26 日朝刊．
4) 長崎新聞：2019 年 3 月 22 日朝刊
5) Hibiya T.・Kajiura K.：Origin of the Abiki Phenomenon

長崎，崎津，上甑島，枕崎で発生する副振動に関連して，2012 年と 2018 年の冬からは春先にかけての水位データを調べた．その結果，長崎では 21.9～42.9 分，崎津では 8.8～43.3 分，上甑島では 10.4～24.0 分，枕崎で 16.0 分の周期帯で副振動が発生していることを確認した．さらに，福江島と女島(宇治島と中之島)で 8～64分の周期帯の水位変動が大きくなると，平均して約 2.0時間(約 0.8 時間)後に，長崎と上甑島(枕崎)で大きな副振動が発生していることが確認されており，福江島と女島(宇治島と中之島)での水位の現地観測は長崎と上甑島(枕崎)で大きな副振動を発生させる危険度の高い海洋長波の監視に有効であることを示唆した．
FVCOM を用いて，海洋長波が様々な波向，振幅を持って浦内湾へ進入した場合に発生する副振動の波高分布を数値計算から調べた．周期 24 分，12 分，10 分，振幅2cm の海洋長波が浦内湾へ伝搬すると，小島側湾奥では副振動の振幅がおよそ 20～25 倍に増大していることを示した．さらに，海洋長波の浦内湾への入射角度によって，小島漁港内において，副振動の波高が 1ｍを超える場所が異なることも示唆した．

(a kind of Seiche) in Nagasaki Bay, J. Oceanogr. Soc.
Japan, Vol.38, No.3, pp.172-182, 1982.
6) 齋田倫範，浅野敏之：東シナ海上の気象擾乱に起因する浦内湾における副振動の発生特性に関する数値解析，土木学会論文集 B2(海岸工学)，第 67 巻 2 号，pp.I_171 - I_175，2011．
7) 安田 健二，山城 徹，城本 一義，萩平 裕樹：2009 年 3 月の上甑島浦内湾における副振動の観測，海洋開発論文集，
26 巻，pp.843 - 848，2010．
8) Chen,C.,

Liu,H.

andBeardsley,R.

C.:

An

unstructured grid, finite-volume, three-dimensional,
primitive equations ocean model: application tocoastal ocean and estuaries, J. Atmos. Oceanic
Technol., Vol.20, pp. 159-186, 2003.
9) 齋田 倫範，早田 政博，山城 徹：東シナ海上における気圧波の伝搬経路と九州西岸で生じる水位変動の関係，土木学会論文集 B2(海岸工学)，
第 73 巻 2 号，
pp.I_175 - I_180，2017．