[論文レビュー] Interactions between irregular wave fields and sea ice: A physical model for wave attenuation and ice break up

Giulio Passerotti, Luke G. Bennetts+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 80被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、不規則で単方向の波が海氷とどのように相互作用するかを、氷タンクを用いた物理モデルによって調査した。主な焦点は波の減衰と氷の破壊である。波の傾きが氷の破壊ダイナミクスを支配することを示し、現場観測と一致する周波数のべき乗則に従う経験的波減衰係数を導出した。

ABSTRACT

Irregular, unidirectional surface water waves incident on model ice in an ice tank are used as a physical model of ocean surface wave interactions with sea ice. Results are given for an experiment consisting of three tests, starting with a continuous ice cover and in which the incident wave steepness increases between tests. The incident waves range from causing no breakup of the ice cover to rapid breakup of the full length of ice cover. Temporal evolution of the ice edge, breaking front and mean floe sizes are reported. Floe size distributions in the different tests are analysed. The evolution of the wave spectrum with distance into the ice-covered water is analysed in terms of energy content, mean wave period and spectral bandwidth, and pronounced differences are found between the tests. Further, an empirical attenuation coefficient is derived from the measurements and shown to have a power-law dependence on frequency comparable to that found in field measurements.

研究の動機と目的

• 自然の海氷環境における波減衰および氷の破壊の物理的メカニズムを理解すること。
• 波の傾きが増加するにつれて、氷体積、 floe（浮氷）サイズ、波スペクトルがどのように変化するかを定量化すること。
• 制御された実験から経験的波減衰係数を導出し、その周波数依存性を現場測定と比較すること。
• 異なる波条件下での氷縁の時間的変化、破壊フロント、および floe サイズ分布の分析。

提案手法

• 不規則で単方向の表面波をモデル海氷に照射した氷タンク実験を実施した。
• 波の傾きを段階的に増加させた3つの試験を実施し、氷の破壊が発生しない状態から完全な被覆破壊に至るまでをカバーした。
• 時間経過に伴う氷縁、破壊フロント、平均 floe サイズの変化を測定・分析した。
• 3つの試験条件間で floe サイズ分布を定量的に評価し、比較した。
• 波スペクトルを、波のエネルギー含量、平均波周期、スペクトル帯域幅の観点から、氷被覆領域内の進行距離関数として分析した。
• 測定された波エネルギーの減衰から経験的波減衰係数を導出し、その周波数依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波の傾きが増加することで、制御された環境下における海氷の破壊速度と範囲にどのような影響を与えるか？
• RQ2 異なる波条件下での氷縁および破壊フロントの時間的ダイナミクスはいかなるものか？
• RQ3 波エネルギー入力が増加するにつれて、floEサイズ分布はどのように変化するか？
• RQ4 波が氷被覆水域を進行するに従い、波スペクトルのエネルギー、平均周期、帯域幅はどのように変化するか？
• RQ5 波減衰係数の周波数依存性は何か？現場測定と比較するとどうなるか？

主な発見

• 波の傾きが氷の破壊の発生および進行を直接制御しており、傾きが大きいほど迅速かつ完全な被覆破壊が生じる。
• 試験間で floe サイズ分布に顕著な差が認められ、波エネルギー入力が floe サイズ特性に強く影響することが示された。
• 波スペクトルの進化に顕著な差が観察され、進行距離に伴いエネルギー含量、平均波周期、スペクトル帯域幅に変化が生じた。
• 経験的波減衰係数は周波数に対してべき乗則に従う依存性を示し、自然の海氷環境からの現場測定と一致した。
• 減衰係数の周波数依存性は、物理モデルが実海洋環境への外挿に有効であることを裏付けている。