技術資料

冬季オホーツク海の海氷域における波浪モデルの評価
岩﨑慎介

大塚淳一

海 5))で行われている。しかしながら、冬季オホーツ

１．はじめにク海で海氷を考慮した波浪推算を行った研究例は、非オホーツク海は、海氷が11月から3月にかけて急速常に少ないのが現状である。に成長し、その後、後退する季節海氷域である(図－本技術資料は、オホーツク海南部に位置するナウフ

1A-G)。海氷は波浪を減衰させる効果を持つ一方、地ァス紋別(南)の波浪観測データ(図－1H)を真値とし、球温暖化の進行に伴い、オホーツク海では海氷減少がWW3に導入されている6種類の海氷域波浪計算アルゴ懸念されている。既往研究 では、21世紀末にオホー

リズムによる当該海域の波浪計算値の精度を明らかに

ツク海沿岸で海氷の減少により波高が10％程度大きくし、さらに、海氷の有無が波浪場に与える定量的ななる予測もされており、沿岸域の様々な被害の発生がインパクトを調べた研究6)の概要を提供するものであ危惧されている。

る。なお、詳細は原論文6)を参照されたい。

1)

全球あるいは領域スケールでの波浪推算に対して、世界的に広く用いられている第3世代波浪モデルの1つ

２．手法

として、WAVEWATCH III (WW3)2)がある。WW3には、海氷域での波浪推算アルゴリズムが数多く導入

本研究では、WW3 ver.6.07に組み込まれているされており、このモデルを用いた波浪推算が様々な6種類のアルゴリズム(IC0 7) 、IC1 8) 、IC2 9) 、IC3 10) 、海氷域(バレンツ海3)、チュクチ海4)、ビューフォートIC4 11)、IC5 12))を用いた。これらのアルゴリズムは、

図－1 (A-G)オホーツク海における海氷密接度(カラー)と海氷厚(コンター)、(H)ナウファス紋別（南）の波浪観測ブイの位置と水深(カラー) 海氷厚は空間方向(50km)に平滑化している。
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41大別して現場観測データに基づいた経験的モデル(IC0、IC1、IC4)と、物理法則に基づいた理論モデル(IC2、IC3、IC5)として分けることが出来る。IC4に関しては、IC4M1からIC4M7まで7種類(IC4M113)、IC4M214)、IC4M315)、IC4M416)、IC4M52)、IC4M617)、IC4M718))の経験的手法が提案されている。また、経験的モデル(IC4M2、IC4M5、IC4M6)と理論モデル(IC2, IC3, IC5)に関しては、既往研究3, 17, 19-23)によって様々なパラメーターが提案されている。これらのアルゴリズム（IC2、IC3、IC4M2、IC4M5、IC4M6、IC5）

図－2 開放海域での数値モデルと観測の比較結果：(A)Hsと(B) Tm データ数は19453個。

に関しては、各アルゴリズム間の比較を行う前に、波浪観測データとの比較を通じて、最適なパラメーター共に、観測と良く対応しており、その精度は、既往研を選定している。そしてIC4M5-M6は、IC4M2で代用究33)とも概ね一致している。ここではIC1のモデル結可能であったため、比較対象から除外している。さら果を示しているが、他のアルゴリズムでも同様の結果に、本研究では海氷のインパクトを見るため、海氷なである。

しの数値計算も行った。各アルゴリズムの詳細は、原次に海氷域における数値モデルと観測の比較結果を論文 を参照して頂きたい。発達・散逸のソース項に

図－3と表－1に示す。なお、図－3と表－1に関しては、はST4観測ブイ周辺(44°-46°N、142.5°-145.5°E)の海氷密接

6)24, 25)とST626-28)を適用したが、ここではST6の結度が10%以上のみのデータで比較を行っている。全て

果を紹介する。
波浪計算はWW3のone-wayネスティングを用いてのアルゴリズムの結果を平均した二乗平均誤差と相関2つの領域で(図－1G)、2008年の初めから2010年の係数は、Hsに対しては、0.44mと0.8で、Tmに関しては、終わりまで3年間の計算を行った。空間解像度は、領1.6sと0.6であった。したがって、海氷域でのモデル精域1が0.25°で、領域2が0.08°である。周波数解像度は度は、開放海域でのそれと比べると低い（図－3）。し0.035から1.1Hzを対数的に30分割し、方向解像度はかしながら、アルゴリズムよって有意な差が見られる。

10°としている。観測との比較では領域2のモデル結果

Hsに関しては、IC1とIC4M2が他のものよりも再現性を用いている。領域1(空間解像度: 0.25°)の風は気象が高いが、IC0の精度は、他と比べて低い。(図－3Ａ

庁より提供されているJRA55 を用いた。また、領域と表－1)。Tmに関しては、IC4M2とIC5のバイアス2(空間解像度:0.08°)の風はJRA55をダウンスケールしは0.1s以内と、非常に小さい(表－1)。二乗平均誤差

29)

たDSJRA55 を用いている。さらに、海氷密接度（海と相関係数で見ると、IC1とIC4M4は他のものより誤面に対して氷に覆われている海面の占める割合を示し差が小さい(図－3Ｂと表－1)。一方、IC2、IC4M1、たもの）はアメリカ海洋大気庁(NOAA)で提供してIC4M3、IC4M7は、他よりも観測値の再現性が低い。

30)

いるOISST を用いた。理論モデル(IC2、IC3、IC5)の
31)

海氷厚には、NOAAの国立環境予測センター(NCEP)で提案されているCFSR32)のデータを使用した。加えて、海岸線・海底地形にはGEBCO2020を用いた。
モデル結果は有義波高(Hs)と平均周期(Tm)を1時間毎に出力している。真値として用いるナウファスのHsとTmは、20分間隔のデータを1時間毎に平均したものを使用している。
３．結果
海氷域の前に、開放海域での精度検討を行った(図－2)。開放海域は、観測ブイ周辺(44°-46°N、142.5°-145.5°E)の海氷密接度が0%の日としている。HsとTm
42

図－3 (A)Hsと(B)Tmのテイラーダイアグラム34) 図内の×は海氷がない状態でのIC1の結果を示す。(A)IC1の結果がIC4M2と重複していることに注意。データ数は3277個。
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表－1

各アルゴリズムと観測の比較結果

太字は 10 種類のアルゴリズムで精度が高い上位 3 位までを意味する。

各アルゴリズムのモデル精度は、海氷密接度に大き過大評価していることが分かる。

く依存する(図－4)。海氷密接度が小さい時(＜20%)、

図－4の結果からも分かる通り、各アルゴリズム間Hsは全てのモデルで過大評価している(図－4Ａ)。海の差は、海氷密接度の増加に伴い顕著になる（特に氷密接度が高い時(＞20%)、IC0, IC3, IC4M4は過大評Tm）。そこで、観測ブイ周辺の海氷密接度が50%以上価になるが、IC4M1とIC4M3は過小評価になる(図－4で精度検討を行った（図－5と表－2）。H sに関して、Ａ)。また、IC1とIC4M2は観測とよく一致しており、IC1とIC4M2は他のものより精度が高い（図－5Ａと図－3Ａと表－1の結果とも整合的である。Tmに関して表－2）。この結果は、海氷密接度が10%以上の結果とも、IC4M2は観測値とよく対応している(図－4Ｂ)。

も同様である。また、IC5も、IC1とIC4M2と同程度

また、IC4M4とIC5も良い一致を示している。一方、の精度であることが分かる（図－5Ａと表－2）。Tmに

IC1、IC4M1、IC4M3、IC4M7は過小評価の傾向が見関して、定性的な結果は海氷密接度が10%以上の結果られる。（特に高い海氷密接度(>40%)で、IC4M1とと一致するが、定量的には異なる。IC4M4の誤差が、IC4M7）。さらに、IC0とIC3は、どの海氷密接度でも他よりも小さい。また、IC5の精度は他の理論モデル

図－4

図－5 海氷密接度が50％以上での(A)Hsと(B)Tmのテイラーダイアグラム データ数は512個。

海氷密接度の関数(10％間隔)で見た(A)Hsと(B)Tm
表－2

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各アルゴリズムと観測の比較結果（ただし、海氷密接度が50％以上）

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43

(IC2とIC3)と比べると高い。

４．議論

波浪場に対する海氷の定量的なインパクトを見るために、海氷の有無による各モデルの計算結果を比較し本研究結果から、IC4M1、IC4M3、IC4M7の精度は、た。以降、最も精度（特にHs）が良いIC4M2を海氷あ他のものより低かった(特にTm)。これは、これらのアりの結果として用いる。一般的に北海道沿岸域では、ルゴリズム作成時に用いている現場の海氷状態が、オ冬季にHsとTmが大きくなる(図－6)。両者のモデル結ホーツク海のそれと異なっていたことが1つの原因だ

果(海氷ありと海氷なし)の差は、北海道沿岸域に海氷と考えられる。北海道沿岸域において、海氷厚は月が接近している1月から3月間が大きい。また、海氷あ平均で10cm以下(図－1A-G)、海氷サイズは5m以内りの結果が観測と良い一致を示している。

が9割を占めるという研究報告 35)がある。対照的に、空間分布を見ると、海氷密接度の増加に伴い、HsはIC4M1に用いている観測データの海氷サイズは、20か小さくなり、T mは増加していることが分かる(図－7ら30mである。またIC4M3は、0.5から3mの海氷厚のＡ､ Ｂ)。海氷の張出しが多いオホーツク海北西部(海観測に基づいて定式化されている。そして、IC4M7は、氷密接度>70%)で、海氷ありとなしの差は、Hsが1mはす葉氷(pancake ice)が多く存在しているデータを以上、Tmは3s以上に達している(図－7Ｃ､ Ｄ)。

用いているが、オホーツク海では、それ以外の海氷も多く存在していたことが考えられる。一方、Hsの精度が高いIC4M2や、Tmに関して精度が良いIC4M4は、南極域の観測データに基づいており、観測の海氷厚は、0.5から1mと、比較的オホーツク海の状況に近い。そして、近年の南極海の研究36)では、海氷厚が0.5m以下でのアルゴリズムの提案も行われており、この手法がWW3に導入されれば、オホーツク海沿岸域のような図－6WW3から得られた(A)Hsと(B)Tmの時間変化(月毎)薄い海氷域では、波浪場の更なる精度向上が期待されるであろう。
IC5の精度は、2つの経験的モデル(H s に対してはIC4M2、Tmに対してはIC4M4)よりは低いものの、他の理論モデル(IC2とIC3)と比べると高かった(特に高い海氷密接度：＞50%)。理論モデルには、いくつか不確定なパラメータが設定されており、本研究では、時空間的に一定値を与えているが、それらは海氷状態に大きく依存する37)。オホーツク海での氷のタイプやサイズを知ることが出来れば、理論モデルの更なる精度向上も期待される。
また、最近の研究4)では、波浪場に対して理論モデル(IC2, IC3, IC5)間の不確定性よりも、海氷プロダク
ト間の不確定性が大きいという報告がある。事実、本研究の結果も海氷プロダクトの時間解像度に大きく依存する。例えば、図－8にはモデルと観測の比較結果（二乗平均誤差と相関係数)の平均時間による依存性を示す。当然、モデル誤差は、平均時間間隔の増加によって小さくなる。特に、モデル誤差の減少率は24時間以下で大きい。これは、本研究で用いている海氷密接

図－7 2月におけるWW3(海氷あり)から得られた(A)H sと(B)T mの空間分布(カラー)、下段はWW3(海氷あり)とWW3(海氷なし)の差(カラー）：(C)Hsと(D)Tm   コンター
は海氷密接度(%)を示す。海氷密接度は、空間方向に50kmの平滑化を行っている。

44度の時間解像度(1日毎)によるものと考えられる。また、理論モデルの波浪推算には、海氷厚の精度も影響すると考えられる。

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図－8 平均時間の関数で見た(A)二乗平均誤差と(B)相関係数 波浪観測とモデルの比較結果。観測ブイ周辺が海氷なし(点線)と海氷あり(実線)の状態の比較結果。海氷ありの結果は、図－4や表－1に示した10種類のモデル結果の平均を示し、陰影は、その標準偏差を意味する。海氷なしは
IC1の結果を示す。

10.5194/tc-14-2053-2020, 2020.
6)

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parameterization models in WAVEWATCH
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7)

５．結論

Tolman, H.L. Treatment of unresolved islands
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本研究では、北海道沿岸のナウファス波浪観測デー

219-231. doi:10.1016/S1463-5003(02)00040-9, 2003.

タを用いて、WW3に導入されている6種類の海氷域波8)   Rogers, W.E., Orzech, M.D.: Implementation and浪計算アルゴリズムの精度を明らかにした。その結Testing of Ice and Mud Source Functions in

果、Hsに対してはIC4M2、Tmに対してはIC4M4の結果

WAVEWATCH III, (Technical Memo. NRL/が最も精度が良いことを示した。また、オホーツク海

MR7320-09-9193). Washington, D.C: Naval

は海氷の有無によって波高が1m以上、周期は3s以上

Research Laboratory, 2013.

変化することが分かった。本研究成果が、今後のオホ

9)Liu, A.K., Mollo-Christensen, E. : Wave

ーツク海の波浪場を検討する研究者や技術者にとってpropagation in a solid ice pack, J. Phys.

重要な情報となれば幸いである。

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謝辞：本稿では、国土交通省港湾局によって観測され、

10) W a n g , R . , S h e n , H . H . : G r a v i t y w a v e s

港湾空港技術研究所で処理されたナウファス紋別(南)propagation into an ice-covered ocean: aの波浪観測データを使用した。ここに記して謝意を表

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佐伯浩：北海道オホーツク海沿岸部における海氷

寒地土木研究所月報№8332022年７月

岩﨑 慎介
IWASAKI Shinsuke

大塚 淳一
OTSUKA Junichi

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒冷沿岸域チーム
研究員
博士（理学）

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒冷沿岸域チーム
主任研究員
博士（工学）

47