設計沖波の見直しとその手法に関する福島県の事例について
Case Study of Fukushima with Regard to the Review of Design Offshore Waves and its Method
岩瀬浩之*・加藤広之**・田中陽二***・鈴山勝之***
Hiroyuki IWASE, Hiroyuki KATO, Yoji TANAKA and Katsuyuki SUZUYAMA*(一財)漁港漁場漁村総合研究所

第 1 調査研究部

主任研究員

**

(一財)漁港漁場漁村総合研究所

第 1 調査研究部

上級研究員

***

(一財)漁港漁場漁村総合研究所

専門技術員

In recent years, an increase in wave height and a renewal of highest high water-level along the coasts
nationwide, and damages to fishing ports and coastal facilities associated therewith have been reported.
These phenomena are due to the consequences of changes in climate and oceanographic phenomena
accompanied by global warming. With a case of Fukushima as the subject for reviewing design
offshore waves and its method, this paper presents collected and organized materials which provide abasis for study points related to design offshore wave calculation, and how to select and extract
meteorological disturbance, and choose a wave forecasting and hindcasting model. Furthermore, thispaper reports implementation of wave forecasting and hindcasting, and details to be studied forprediction and decision of specifications of probability wave height.
Keywords: review of design offshore waves, microclimate model, third-generation forecasting andhindcasting model

1．はじめに

2．設計沖波の点検・見直しの方法

漁港施設の設計の基礎となる波浪については，近年の気候変動の影響による台風の巨大化や爆弾低気圧などにより波高の増大や既往最大波高の更新が報告 1)されている．よって，漁港施設の設計条件については，波浪の長期的変動傾向や既往の波浪推算手法の有効性等を考慮し，定期的に点検を行い，必要に応じて見直しを行うことが必要である．しかしながら，見直し間隔などの実態は漁港管理者ごとに差が大きく，設計沖波などの設計条件の点検・見直しに関する標準的な考え方や手法が示されていなかった．
水産庁では，近年の日本沿岸における波高の増大および施設被害を考慮し，全国の漁港管理者などが適切に沖波波高などの設計条件を点検・見直しができるように，設計沖波の点検・見直しの考え方とその手法について，令和 2 年 9 月付で事務連絡として全国の漁港管理者へ通知がされている．
本稿では，漁港施設を対象とした設計沖波の見直しについて，令和元年(2019)度に実施した福島県の検討成果を事例として，その内容および方法について報告するものである．

2.1 基本的な考え方
日本沿岸における年最大有義波高は上昇傾向にあり，特に近年 10 年以内で年最大有義波高を更新した地点(ナウファス観測)が 2/3 地点以上あったことが報告 2)されている．
設計沖波の決定にあたっては，信頼すべき実測値がない場合は波浪推算から算定することになるが，対象とする漁港沖に波浪観測装置を設定している事例は非常に少なく，多くの漁港では波浪推算を実施することになる．
波浪推算を行う際には，海上風推算を含め，推奨されるモデルが示されており，海上風推算モデルには局地気象モデル 3)～4)，波浪推算モデルには第 3 世代モデル 5)～7)が提示されている．代表的なモデルとしては，局地気象モデルとしてMM5(エムエムファイブ)およびWRF(ワーフ)，
波浪推算モデルとして WAM(ワム)，SWAN(スワン)，
WAVWWATCHⅢ(ウエーブウォッチスリー，以下 WWⅢと呼ぶ)が挙げられている．

2.2 点検の時期
沖波設計の再設定は概ね10年経過したときに実施することが基本とされている 8)．ただし，高波浪による甚大な災害が発生した場合，越波の頻度や打ち上げ髙が高くなっている場合，岸壁・用地への浸水が多発している場合― 29 ―

相馬では 2.7cm/年，小名浜では 5.2cm/年の波高上昇が確認できる．前回設定からの年最大波高の変化を見ると，単純計算で相馬では 0.81m 以上，小名浜で 1.56m 以上の波高の上昇があったことになる．

では，適宜実施するもとしている．

2.3 点検の方法
設計沖波の点検は，一次点検(簡易)と二次点検(見直し)の 2 段階に分けて実施することとなっている 8)．
一次点検は，二次点検は行う判断基準であり，以下のどちらか 2 点に当てはまる場合には，二次点検である見直しを実施することになっている．
① 波浪観測資料(過去 10 年間)を整理し，年最大有義波高が上昇傾向にある．
② 推奨される算定法等の適切な手法
一次点検において，上記①もしくは②にあてはまる場合には，二次点検が必要とされる．二次点検では，「漁港・漁場の施設の設計参考図書」で示されている「3.3 設計
沖波の算定」の方法を参考 9)とし，波の推算を行う場合は，推奨される推算モデルを用いた波浪推算を実施することが示されている．

3.1 設計沖波の見直しの流れ
福島県で実施した設計沖波の見直しの流れを図-2 に示す．設計沖波の見直しにあたっては，大きく分けて 5 つの項目を実施した．

資料収集整理気象擾乱の選定・抽出

波浪推算モデルの選定

波浪推算の実施

3．福島県における設計沖波の見直し
福島県では，令和元年(2019)度に漁港施設を対象とした 10 漁港ごとの設計沖波の見直しを実施した．前回の設計沖波の設定(以下，前回設定と呼ぶ)が昭和 62(1986)年度であったため，30 年以上が経過していたことになる．

確率波諸元の推算と決定

図-2 設計沖波の見直しの流れ

3.2 資料収集整理
資料収集整理は，気象擾乱の選定と抽出を行うために必要となる検討項目である．対象とする資料としては，気象関連データ(海上風観測データ，気象庁 GPV データなど)，海象関連データ(波浪観測データなど)および漁港施設などの被害記録が対象となる．収集整理した資料は，対象海域別の気象・海象特性の把握や波浪推算の対象となる気象擾乱の選定・抽出，推算結果の検証などの基礎資料となるものである．

3.3 気象擾乱の選定・抽出

図-1 設計沖波の見直しの流れ
福島県沿岸に位置するナウファスの波浪観測データ(相馬および小名浜)を参照すると，観測期間中の年最大
有義波高 Hmax の経年変化グラフは図-1 のとおりである．

波浪推算の対象となる気象擾乱は，1955 年から 2018年の 64 年間の期間を対象とした常時波浪推算(任意期間において連続的に波浪推算を実施することで，平面的な波浪推算結果を途切れなく得る方法)を行い，任意地点の波高，周期，波向の時系列データを抽出することで，高波が発生した期間を把握した．常時波浪推算を行った理由は，1985 年以前の擾乱の情報が十分でない可能性が生じたためである．
常時波浪推算では，海上風の推算を局地気象モデルである WRF で行い，波浪推算を第 3 世代波浪推算モデルである WWⅢを使用した．
福島県は南北に長い海岸形状を有することから，図-3― 30 ―に示すように擾乱抽出の地点を3 地点(A 北部，B 中央部，C 南部)に設定し，それぞれの海域で擾乱を抽出した．擾
乱の選定にあたっては，以下の考え方で実施した．
① 常時波浪推算結果の波高が高い擾乱
② 近隣の波浪観測点で年最大波高および年波高相当の波浪が観測された擾乱
③ 近隣の気象観測地点で年最大風速が観測された擾乱
④ 漁港，港湾，海岸に被害をもたらした擾乱

図-4 擾乱抽出の地点○ WRF は MM5 の発展したモデルであること．
○ WRF は技術基準 10)に掲載されていること．
計算で必要となる初期・境界条件は，国際環境予報庁による長期再解析データ ds090.0(1955 年～1957 年)と気象庁による気象再解析データJRS-55(1988年以降)を使用した．台風擾乱については，台風ボーカスを埋め込んで計算を行った．海上風推算の計算領域を図-4 に示す．な
お図中の赤枠が WRF の計算領域であり，緑枠は波浪推算の計算領域である．

図-3 擾乱抽出の地点
表-1 選定方法別の新規気象擾乱数の一覧
選定方法
新規擾乱数割合[%]
常時波浪推算23274.4
波浪観測値
144.5
気象観測値
6621.2
災害記録
00.0
合計
312100.0①～④の方法で実施した擾乱の選定結果(重複を除く)を表-1 に示す．最終的には 312 個(4.9 個/年)が選定される結果となった．

3.4 波浪推算モデルの選定
本検討で用いる海上風推算モデルと波浪推算モデルは，対象海域に適したモデルを選定した．以下にその選定手順を示す．

(1) 海上風推算モデルの選定
最新の海上風推算モデルとしては，局地気象モデルである MM5 と WRF が挙げられるが，以下の 2 つの理由により WRF を使用した．

― 31 ―

図-5 風速時系列データの比較

図-6 風速時系列データの比較(左側：2016 年 8 月 30 日の台風 16 号，右側：2014 年 2 月 15 日の低気圧)
海上風推算にあたっては，福島県で観測された波浪の上位擾乱(1～6 位)を対象に，観測値(仙台，小名浜，銚子)との比較による検証を実施した．その比較例として，2016
年 8 月 30 日の台風 16 号による風速の時系列データの比較結果を図-5 に示す．赤線が推算値，黒線が観測値である．同図より，風速，風向ともに概ね観測値を再現していることから，海上風推算モデルに問題がないことを確認した．

(2) 波浪推算モデルの選定を加えた上位 20 擾乱を対象とした．また，気象擾乱が台風と低気圧で推算結果が異なる傾向にあったことから，擾乱を台風と低気圧に分けてのパラメータ調整を行った．
調整したパラメータは，波高の発達に最も直接的に影響がある風から波へのエネルギー生成項 Sn の無次元発達係数 βmax とした．
パラメータ調整の結果として，図-8 および図-9 は，それぞれ台風および低気圧による最適パラメータによる波高と周期の相関関係の図を示したものである．それぞれの βmax は，台風で 1.2，低気圧で 1.5 である．

最新の波浪推算モデルとしては，第 3 世代波浪推算モデルの中からモデルを選定した．代表的な第 3 世代モデ
ルとしては，WAM，SWAN，WWⅢがあり，この中から対象海域に適したモデルを選定した．
モデルの設定にあたっては，海上風推算モデルの検証でも使用した上位擾乱(1～6 位)を対象とし，波浪観測地点(福島沖)における波浪諸元の時系列データとの比較により決定した．図-6 は，時系列データの比較例として，
2016 年 8 月 30 日の台風 16 号(左図)および 2014 年 2 月
15 日の低気圧(右図)による波浪諸元の時系列データの比較結果である．図-7 には，上位 6 擾乱のピーク波高の相関解析の結果を示す．また，波高と周期の回帰係数を表-2 に整理する．
表-2 波浪推算モデルにおける波高と周期の回帰係数
回帰係数
波浪推算モデル
波高
周期WWⅢ
0.906
1.008
SWAN
0.866
0.885
WAM0.752
0.929以上の結果から，波高および周期ともに WWⅢが対象海域では最も適したモデルと判断できるが，いずれのモデルの波高が小さく推算されていることから，WWⅢのモデル内のパラメータ調整を行い，推算精度を向上させることとした．
パラメータ調整にあたっては，多様な擾乱に対しての検討を行うこととし，先の上位 6 擾乱に 14 ケースの擾乱

図-7 福島沖のおけるピーク波高時の相関解析
以上は沖合を対象とした推算モデルの選定結果である．
次に，沿岸域を対象とした波浪推算モデルの検討として，相馬，小名浜の 2 地点を対象に，各地点で代表的な擾乱を対象とした SWAN による波浪推算を実施した．ここで，SWAN を使用した背景には，元々SWAN は，浅海域の計算を行うことを目的として構築されたモデルであり，沿岸域の浅い水深では，SWAN の方が，計算精度が良いことに起因している．したがって，沖合いを WWⅢ，沿岸域を SWANで波浪推算を行った．

― 32 ―

図-8 各地点におけるピーク波高時の相関解析
図-8 に，各地点におけるピーク波高時の相関解析を示した．相馬では波高が若干の過小傾向となるが概ね良好な結果となっている．小名浜では良く一致した結果となっている．よって，沿岸域の波浪推算の結果についても観測値を良好に再現できていることを確認した．

3.5 波浪推算の実施
波浪推算の実施では，選定された 312 個の擾乱を対象に，沖合いを WW3，沿岸域を SWAN とした波浪推算モデルで計算を実施した．
ここで，2 つの台風擾乱による波浪推算の結果について懸念事項が発生した．一つは相馬で既往最大有義波高が観測された 2010 年の台風 16 号(T1610)，もう一つは小名浜で既往最大有義波高が観測された 2012 年の 6 号台風(T0612)による波浪推算の結果である．図-9 は，それぞれの台風経路 11)を示したものである．T1610 は太平洋から日本に接近した後，沖縄付近まで南下し，その後発達しながら北上して東北に上陸する複雑な経路を通った特殊な台風であり，一般的な台風とは異なり計算での再現が困難な事例となった．一方，T0612 号は太平洋のはるか東で発生し，西進して日本の東海上に接近したたが，台風自体は日本にそれほど接近することはなく北上した．したがって小名浜で観測された波浪は，有義波高 7.73m，有義波周期 16.7s と周期の長いうねり性の波浪であった．
波浪推算は元来このようなうねり性の波浪の計算精度が低くなる傾向にある．また，小名浜では 2 方向から波エネルギーが伝播してくる 2 方向波浪が観測されており，Freak Wave のような特殊な波浪が発生していた可能性も考えられ，T0612 も特殊な台風であり，一般的な台風とは異なり計算での再現が困難な事例であった．
しかしながら，いずれの擾乱も相馬および小名浜で既往最大有義波高を観測していることから，設計沖波の算定にあたっては，非常に重要な擾乱である．そこで，以下の考えで推算された極大波の補正を行うことで対応することとした．
① T1610 の相馬の時系列の比較結果より，波浪推算結果のピーク波高と観測値のピーク波高の比率Aを求める．
② T0612 の小名浜の時系列の比較結果より，波浪推算結果のピーク波高と観測値のピーク波高の比率Bを求める．
③ 比率 A は，相馬観測点近傍の各漁港の沖波算出地点で抽出したT1610号の時系列データのピーク波高に乗じる．
④ 比率 B は，小名浜観測点近傍の各漁港の沖波算出地点で抽出したT1610号の時系列データのピーク波高に乗じる．
⑤ 比率を乗じた時系列データを用いて，確率沖波の算出(極値統計解析)に必要となる，擾乱毎の波向別の最大有義波高(極大波データ)を整理する．

図-9 2 つの特殊な台風擾乱の台風経路図(左側：T1610，右側：T0612)― 33 ―

4．おわりに3.6 確率波浪諸元の推算と決定
確率波諸元は，従来の設計基準に従い推算と決定を行った．確率沖波の算定に用いる極値統計解析手法は合田の方法(修正PA法)を用い，各漁港沖合地点で確率沖波(再現期間 1 年，5 年，10 年，30 年，50 年)を算出した．
図-10 は，前回設定した同地点を対象に，見直し前後の30 年確率沖波の波高および周期を比較した例である．青線は見直し前(前回設定)，赤線は見直し後(今回設定)の結果であり，波高は高くなり，周期は長くなる結果となっている．
図-11 は，漁港毎の 30 年確率沖波の例として，松川浦
沖および豊間沖の算定結果を示す．
30年確率波（S61）
NNW 16.0
14.0
12.0
NW
10.0
8.0
WNW
6.0
4.0
2.0
W
0.0

N

30年確率波（S61）

30年確率波（R1）

NE
ENE
E

WSW

ESE
SW

NNW 20.0
18.0
16.0
NW
14.0
12.0
10.0
WNW
8.0
6.0
4.0
2.0
W
0.0

30年確率波（R1）
NNE
NE
ENE
E

WSW

ESE
SW

SE
SSW

N

周期（T0）NNE

波高（H0）

SSE

SE
SSW

SSESS

漁港施設を対象とした設計沖波について，福島県を事例とした設計沖波の見直し方法の検討内容について報告した．検討内容のポイントを以下に示す．
① 気象擾乱の選定にあたっては，設定した 3 つの地点ごとに常時波浪推算，波浪観測値，気象観測値および災害記録を使用して設定を行った．
② 波浪推算にあたっては，海上風推算に局地気象モデル，波浪推算に第 3 世代モデルを使用した．
③ 特殊な2つの台風擾乱による波浪推算結果については，観測値と推算値の比率を用いて波浪推算された極大波の補正を行った．
④ 近年の波浪状況を反映して設計沖波の見直しを行った結果，波高は大きく，周期は長くなった．
本稿は福島県より委託された「令和元年度 設計沖波推算業務委託(漁港・補助)」の一部をとりまとめたものです．業務の遂行にあたっては，有識者からのご意見を反映するとともに，ご協力をいただいた福島県関係者各位に謝意を表します．

地点 ST.3 おける波高(左側)と周期(右側)30年確率波（S61）
NNW 16.0
14.0
12.0
NW
10.0
8.0
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6.0
4.0
2.0
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0.0

N

30年確率波（R1）30年確率波（S61）E

NNW 20.0
18.0
16.0
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12.0
10.0
WNW
8.0
6.0
4.0
2.0
W
0.0

ESE

WSW

NNE

波高（H0）

NE
ENE

WSW
SW

SE
SSW

N

30年確率波（R1）

参考文献

NNE

周期（T0）

NE
ENE
E
ESE

SW

SSE

SE
SSW

SSE

S

S

地点 ST.4 おける波高(左側)と周期(右側)図-10 見直し前後の確率沖波の比較
30年確率波（R1）N
NNE

NNW 16.0
14.0
12.0
NW
10.0
8.0
WNW
6.0
4.0
2.0
W
0.0

波高（H0）

E
ESE

WSWNE
ENE

WSW
SW

SE
SSW

30年確率波（R1）N
NNE

NNW 20.0
18.0
16.0
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0.0

周期（T0）

NE
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ESE

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SSE

SE
SSW

SSE

S

S

松川浦沖
30年確率波（R1）N
NNW 16.0
NNE
波高（H0）
14.0
12.0
NW
NE
10.0
8.0
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6.0
4.0
2.0
W
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0.0
WSW

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SSE
S

30年確率波（R1）N
NNE

NNW 20.0
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16.0
NW
14.0
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10.0
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0.0

周期（T0）

NE
ENE
E

WSW

ESE
SW

SE
SSW

SSE
S豊間沖
図-11 確率沖波の算定結果(再現期間 30 年)

1) 間瀬 肇・田中 遼・森 信人・安田誠宏：日本海沿岸における波浪の経年変化特性に関する研究，土木学会論文集 B2(海岸工学)，Vol.B2-65, No.1, pp.1251-1255,2009.
2) 加藤広之・遠藤次郎・古市尚基・不動雅之・井上真仁：
日本沿岸における最大有義波高の経年変化と設計沖波への影響に関する考察，海岸工学論文集 B2(海岸工学)，
Vol.75，No.2, pp.I_109- I_114, 2019.
3) Mesoscale and Microscale Meteorology Division
National Center for Atmospheric Research：PSU/NCAR
Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes andUser’s Guide MM5：Modeling System Version 3, 2015.
4) The National Center for Atmospheric Research ：WRF-ARW V3：User’s Guide, 2017.
5) The WAMDI Group：The WAM model-A third generation
ocean wave prediction model，J.Phys. Oceanogr., 18,
pp.1775-1810.
6) Holthuijsen, L.H.et al.：SWAN Cycle III version
40.11, USER MANUAL, Delft University of Technology,
124p, 2000.
7) Tolmann, H.L.：User manual and system documentationof WAVEWATCH-III Version 1.18, NOAA/NWS/NCEP/OMB
technical note 166，11p，1999.
8) 加藤広之・岩瀬浩之：日本沿岸における最大有義波高の経年変化と設計沖波の点検・見直しについて, (一財)漁場漁場漁村総合研究所, 調査研究論文集, No.29,
pp.19-24, 2019.
9) 漁港・漁場の施設の設計参考図書 2015 年版 公益社団法人― 34 ―

全国漁港漁場協会．
10) 港湾の施設の技術上の基準・同解説 平成 30 年 5 月
公益社団法人日本港湾協会．
11) http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hppub-eg/besttrack_viewer.html (2019 年 12 月 12 日現在)

― 35 ―