Extreme Wave Modeling and V alidation Using Buoy Network

1. Deep-Water Oceanographic Buoys Workshop 5-6 May 2014, CSIRO, Hobart • Nobuhito Mori • Kyoto University • mori@oceanwave.jp Extreme Wave Modeling and Validation Using Buoy Network • Collaborators • Koji Kawaguchi (PARI), Hiroaki Kashima (PARI), • Yusuke Takagi (Kansai University)

2. Research Targets Freak wave modeling Upper Ocean Mixing Wave Climate

3. Contents • Wave buoy network in Japan • Outline of extreme wave modeling • Case study • Winter storm in April, 2011 • Typhoon Sanba in 2012

4. Wave Buoy Network in Japan • The Nationwide Ocean Wave information network for Ports and HArbourS (NOWPHAS)has been observed since 1970 by Ministry of Land, Infrastructure, Transport, and Tourism (MLIT) and Port and Airport Research Institute (PARI). • The network includes the four different type of wave gauges at 69 points over Japan. The wave information at 66 points. • Pressure gauges • Ultra-sonic wave gauges • Doppler-type wave directional meters • Moored GPS-mounted bouys • The buoys are generally installed at a water depth of 20 to 50m within a few kilometers from the coast.

5. Outline of extreme wave modeling

6. 研究の背景

7. 研究の背景 1. 2. 3. 4.

8. 研究の背景 1. 2. 3. 4.

9. Mori, Onorato and Janssen (2010)

10. Case study Winter storm in April, 2011

11. 2012年4月に急速に発達し日本海を横断した低気圧による暴波浪特性2012年4月に急速に発達し日本海を横断した低気圧による暴波浪特性 関西大学大学院高木友典・島田広昭 京都大学 森信人・間瀬肇・安田誠宏 港湾技術研究所川口浩二・加島寛章

12. 目次 • 背景・目的 • 観測データ・推算モデル概要 • 最大波高の推定結果 • 波浪推算との比較 • まとめ 平成25年度　海岸工学講演会

13. 研究背景・目的 • 背景 • 一般に，波浪の設計条件や災害の評価では，エネルギー波高に相当する有義波高H1/3と最高波高Hmaxの両者の推計が重要であるが，その取り扱いの難しさからH1/3のみが被災の事後評価や設計に用いられる． • 目的 • 本研究では，日本海北部で観測史上最大を記録した2012年4月の日本海低気圧を対象に，観測データの解析を系統的に実施し，暴波浪時におけるHmaxとその非線形特性を明らかにする． • 非線形短期統計理論にもとづき，スペクトルモデルを用いたH1/3の推算精度の評価およびHmaxの推定方法の提案を行う． 平成25年度　海岸工学講演会

14. 2012年4月2日　日本海低気圧 低気圧の経路と解析対象とした波浪観測地点 2012年4月2日発生した爆弾低気圧はとりわけ強く，日本海沿岸に大きな被害をもたらした 24時間で42hPaの中心気圧変化を観測 平成25年度　海岸工学講演会

15. 観測データ概要 平成25年度　海岸工学講演会

16. 観測データ解析手法 NOWPHAS（全国港湾海洋波浪情報網）の波浪観測水位データ 水位データのスパイクノイズ処理 波浪統計量の計算と検定 代表波浪統計量および水位の非線形性について解析 平成25年度　海岸工学講演会

17. 数値モデルのセットアップ • Delft SWAN ver.40.85 • Sin&Sds WAM4 • Snl DIA, Exact (WRT) • Resolution • Spatial: 5, 10km • Frequency: 32 bins • Directional: 3.33, 10 deg. • Bathymetry and winds • 海底地形データ：GEBCO_08 • 風力データ：気象庁解析値（JMA-MSN）の 平成25年度　海岸工学講演会

18. 計算条件 平成25年度　海岸工学講演会

19. 観測データ：有義波高 酒田　11.0m 輪島　9.3m 平成25年度　海岸工学講演会

20. 観測データ：最大波高 有義波高が高い値を観測した酒田や輪島では酒田が20.3m 輪島が15.9m を観測した. 平成25年度　海岸工学講演会

21. Hmax/ H1/3とkurtosisの関係 Hmaxの出現はkurtosisと有意な相関が見られた. . 図中の実線は,代表周期を変化させた場合にMori and Janssen (2006) により計算されるHmax/H1/3の期待値であり,観測データの中央値はこれよりやや上回る値を示している． また観測されたkurtosisは,2.7～3.4と弱非線形であり,暴波浪中でも水槽実験や波浪観測結果と同傾向であることがわかった. 平成25年度　海岸工学講演会

22. 波浪推算結果：Hs 左図は，波浪推算による観測期間内の最大値を示したものである．のピークは，低気圧の中心経路の南側に沿って分布している．日本海の広い範囲で6mを超える海域であり，福井県から青森県の範囲で8mを超える海域である．被災が報告された沿岸部地域とほとんど一致している． 平成25年度　海岸工学講演会

23. 波浪推算結果：Hs& Tm Hs[m] Tm [s] 平成25年度　海岸工学講演会

24. Hindcast vs Observation: Hs 平成25年度　海岸工学講演会

25. Hsの最大値の推定精度 [unit:m] 波浪推算を用いたHmax推定法の妥当性について検討するため，地点毎のHmaxの期間最大値について精度を評価した． 推定されたHmaxは全般的に過小評価である．Hmaxの平均推定誤差は，線形理論で-1.30m（-9.2%），非線形理論で-0.76m（-4.9%）とHmaxを非線形理論に基づいて推定することにより，約40%精度が向上している結果が得られた． 平成25年度　海岸工学講演会

26. 最大波高Hmaxの推定Mori et al. (2006, 2011) 1. 2. 3. 4.

27. Hmaxの最大値の推定精度 [unit:m] 輪島 平成25年度　海岸工学講演会

28. Hmaxの最大値の推定精度 [unit:m] 酒田 平成25年度　海岸工学講演会

29. Hmaxの推定精度 Linear theory Nonlinear theory 平成25年度　海岸工学講演会

30. 最大波高の推定精度: Case2 波浪推算を用いたHmax推定法の妥当性について検討するため，地点毎のHmaxの期間最大値について精度を評価した． 推定されたHmaxは全般的に過小評価である．Hmaxの平均推定誤差は，線形理論で-1.30m（-9.2%），非線形理論で-0.76m（-4.9%）とHmaxを非線形理論に基づいて推定することにより，約40%精度が向上している結果が得られた． 平成25年度　海岸工学講演会

31. まとめ • 期間中のH1/3の最大値は低気圧の中心経路の南側に沿って東西方向に分布しており，被災が報告された海域と一致している. • Hmaxの出現はkurtosisと有意な相関が見られた． • この低気圧のように中心周りにエネルギーが集中し周囲に伝播する気象条件では，波浪モデルの空間解像度を細かくするよりも方向スペクトルを高解像度（Dq=3.33度）で計算することにより，H1/3だけでなくHmaxの推定精度も向上することを示した． 平成25年度　海岸工学講演会

32. Case study Typhoon Sanba in 2012

33. Typhoon Sanba in 2012 • 本研究では，2012年9月に発生した台風16号Sanba（中心気圧900hPa）を対象に，数値計算を実施し，観測データ

36. 10mまで-> Axis equal square Simulated H1/3 Observed H1/3

37. 青と赤の線をもう少し太く