(別紙様式１０)２０２１年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書【申請区分】：□萌芽的異分野連携共同研究☑共同推進研究□産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会【研究課題名】：□産学官連携課題設定集会

氷縁域の波浪および表層流の計測機器の開発【研究期間】：2021 年度【共同研究員】
共同研究員
研究代表者

氏名
小平 翼

所属・職名

区分

東京大学 大学院新領域創 応 用 海 洋 物 理
成科学研究科

（拠点外）

専門分野

学

(注 2)

研究分担者 早稲田 卓爾

東京大学 大学院新領域創 応 用 海 洋 物 理（拠点外）

成科学研究科 教授

(注 2)

野瀬 毅彦

学

東京大学 大学院新領域創 応 用 海 洋 物 理
成科学研究科 特任研究員

学

研究分担者 渡邉 英嗣

海洋開発研究機構

極域海洋学

（拠点内）

副主任研究員

(注 2)

研究協力者

Jean Rabault

(注 2)
(注 3)

Joey Voermans

Norwegian

Meteorological 流体力学、Institute, Senior Engineer

センシング

University of Melbourne,

海洋物理学

Postdoctoral

ResearchFellow(注 2) 拠点内外については、募集要項別添の北極域研究共同推進拠点を形成する３研究施設の研究者リストをご覧ください。
(注 3) 計画申請書に含まれていなかった方でも結果的に本共同研究に参画された方（招へい者等）が居られれば、研究協力者として記述して下さい。

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【研究の内容】(1) 概要を 400 字以内（文字のみ）で記載してください。
北極海の海氷の増減を考察するにあたり、海氷の生成、消失を担う氷縁域の物理プロセスを把握することは非常に重要である。特に海氷域に入射する波浪は北極海の海氷減少に伴い開放水面が増加することで生成領域が広がるため、その影響は増加していくものと考えられる。しかしながら、波浪と海氷が共存する氷縁域における波浪データは全世界的に乏しく、拡充の必要性がある。そこで、本研究では氷縁域の波浪および表層流の計測機器の開発を試みた。波浪の計測は慣性計測装置(IMU)を用い、表層流の計測は機器の漂流を GPS から推定する。IMU の精度検証は東京大学柏キ
ャンパスに設置された氷縁域再現水槽の造波機により実施した。また、これらのセンサを搭載した小型波浪ブイを複数製作し、海氷が存在するオホーツク海にて実海域試験を行なった。市販の波浪ブイと同時に漂流することで波浪の周波数スペクトルの比較を行い、検証を行った。
(2) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 2000 字程度でまとめてください。
海氷域の端に相当する氷縁域では、海氷と波浪が相互作用されることが知られている。氷縁域における物理メカニズムの解明は特に海氷の短期予報に改善が見込まれるが、長期予報にも影響する可能性がある。しかしながら、氷縁域は一過性のものであることもあり、観測データが比較的少なく、極域の研究に多用されるマイクロ波放射計による海氷分布の測定精度も比較的低い。一方、近年ではInternet of Things (IoT)が注目される背景として、通信機器やセンサーの低コスト化・小型化・コモディティ化が進んでおり、GPSや加速度センサ等の汎用品を活用することが容易となっている。そこで、本研究では氷縁域の波浪および表層流の計測機器を開発した。
計測機器の核となるのは電子機器を搭載したセンサボックス(Fig.1)である。主な構成はマイコンボード、GPS センサ、IMU センサ、イリジウム通信モジュール、そして電池である。なお、電池は途中にLithium Ion/Polymer Charger を配置することで、ソーラーパネル等の外部給電を受け入れるものとしている。なお、センサボックス内における電子機器の固定には 3D プリンタを活用した。このセンサボックスをブイに格納し、固定することで海洋に展開可能な小型波浪ブイを製作した(Fig.2)。

Fig. 1 製作した波浪計測機器のセンサボックス

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Fig. 2 製作した波浪計測ブイ

波浪計測を行う IMU の精度検証は東京大学柏キャンパスに設置された氷縁域再現水槽の造波機により実施した。単一周期の振動を繰り返す造波機にセンサボックスを乗せ、計測が実施できるかを確認したところ、周期 10 秒程度までであれば、1cm の振幅の振動が検知できる可能性があることが示された (Fig.3)。

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Fig. 3 東京大学柏キャンパス 氷縁域再現水槽の造波機による IMU の精度検証実験

本共同研究の計画時には予定していなかったが、流氷を擁するオホーツク海に展開する機会が得られ、製作した波浪ブイを参照となる波浪ブイ(Spotter)と同時に投入し、データを獲得することに成功した。どちらも漂流波浪ブイで有るため、徐々に距離は離れていったが（Fig.4）、投入後 36 時間に絞って有義波高の比較を行った。その結果、比較的良好な一致が確認できた（Fig.5）。なお、有義波高は周波数スペクトルに基づいて推定するが、IMU による変位の測定という手法の特性として低周波数のノイズが大きい。測定結果によれば、このノイズレベルは時間変化していた(Fig.6)。有義波高の計算においては波浪スペクトルの極小値を特定し、対応する周波数をハイパスカットオフ周波数として扱うことで十分に有義波高を計算できるようで有るが、ノイズの特性についてより知見を拡充することが重要だと考えられる。このような課題も特定でき、また計測自体も成功したため、オホーツク海への展開は本共同研究の重要な成果と位置づけられると考えられる。

Fig. 4 オホーツク海に投入した波浪計測ブイの軌跡

Fig. 5 オホーツク海に投入した波浪計測ブイの有義波高

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Fig. 6 オホーツク海に投入した波浪計測ブイのスペクトルの一例

また、本共同研究では研究協力者の Jean Rabault、Joey Voermans とも情報交換、意見交換を行った。特に、研究分担者の野瀬が Jean Rabault と協力して製作した波浪センサは大西洋川北極海にて展開され、その成果は”Open-Source Instrument for Oceanographic Measurements of Drift and Waves in
Sea Ice and the Open Ocean”という論文にまとめられ、出版された。

(3) 本共同研究に関する活動・実績等を下表に記入してください。
①研究打合せ、学会参加・集会(注 4)、調査等該当なし②研究論文項目記入要項

回答(1)著者名(共著者名含む)、Rabault J, Nose T, Hope G, Müller M, Breivik Ø, Voermans J, Hole LR,

発行年、論文タイトル、掲載

Bohlinger P, Waseda T, Kodaira T, Katsuno T, Johnson M, Sutherland G,

誌名、巻・号、ページ数、Johansson M, Christensen KH, Garbo A, Jensen A, Gundersen O, Marchenko

DOI、出版年月日

A, Babanin A. OpenMetBuoy-v2021: An Easy-to-Build, Affordable,Customizable, Open-Source Instrument for Oceanographic Measurements ofDrift and Waves in Sea Ice and the Open Ocean. Geosciences. 2022;12(3):110. 25pp. https://doi.org/10.3390/geosciences12030110. Published:
26 February 2022.

③研究書等著書
該当なし④特許等出願該当なし

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⑤研究発表(資料添付も可)
発表年月日

発表者名（共著者を含む）

発表タイトル

発表学会等名称

発表地

招待講演(〇)

2021/11/18

2021/11/30

小平 翼・麻埼 和大・勝野 智

小型海洋ドリフタ

海洋調査技術学

オンラ

嵩・野瀬 毅彦・藤原 泰・内山ー及び小型波浪会 第３３回研究イン

亮 介 ・ Jean Rabault ・観測ブイ開発の成果発表

JoeyVoermans・早稲田卓爾

試み

小平翼, 麻崎和大, 勝野智嵩,

MEMS セ ン サ を

令和 3 年 日本船オンラ

野瀬毅彦, 藤原泰, 内山亮介,

用いた波浪計測舶海洋工学会インJean Rabault, Joey Voermans,

機器開発の試み

秋季講演会

早稲田 卓爾⑥国際シンポジウム等(資料添付も可)参加をした主な国際シンポジウム等
開催時期（年月）

国際シンポジウム等名称

招待講演/議長の有無⑦本共同研究に関し実施(主催、共催、後援等)したシンポジウム・集会(注 6)等(資料添付も可)
該当なし⑧本拠点共同研究に係る成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに発展した例があればご記入ください。
該当なし⑨研究成果が一般社会産業界などに還元（応用）された事例や新しい研究分野の開拓や教育活動に反映された事例(資料添付も可）
該当なし⑩その他国際研究協力活動事例
該当なし⑪学会賞等受賞、アウトリーチ、取材、その他
該当なし⑫コロナ禍の影響と対策
本共同研究へのコロナ禍の影響と対策(改善・代替策、計画変更、工夫等)、助成金執行率(%)について記述してください。
6特に無し7