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波浪の知識

波浪の基礎用語

風浪とうねり
 海上で風が吹くと、海面には波が立ち始め、波は風下に向かって進んでいきます。波が進む速さ(以下、波速)より風速が大きければ、波は風に押されて発達を続けます。このように、海上で吹いている風によって生じる波を“風浪”と呼びます。風浪は発達過程の波に多く見られ、個々の波の形状は不規則で尖っており、強風下ではしばしば白波が立ちます。発達した波ほど波の高さ(以下、波高)が大きく、周期と波長も長くなり、波速も大きくなります。 風浪の発達は理論上、波速が風速に近づくまで続きますが、強い風の場合は先に波が砕けて発達が止まります。
 一方、風浪が風の吹かない領域まで進んだり、海上の風が弱まったり風向きが急に変化するなどして、風による発達がなくなった後に残される波を“うねり”と呼びます。うねりは減衰しながら伝播する波で、同じ波高の風浪と比較すると、その形状は規則的で丸みを帯び、波の峰も横に長く連なっているので、ゆったりと穏やかに見えることもあります。しかし、うねりは風浪よりも波長や周期が長いために水深の浅い海岸(防波堤、磯、浜辺など)付近では海底の影響(浅水変形)を受けて波が高くなりやすいという性質を持っています。そのため、沖合から来たうねりが海岸付近で急激に高波になることがあり、波にさらわれる事故も起こりやすいので注意が必要です。
 うねりの代表例は「土用波」で、数千km南方の台風周辺で発生した波が日本の沿岸まで伝わってきたものです。土用波の波速は非常に大きく、時には時速50km以上に達することもあります。日本の南方にある台風が、太平洋高気圧に進路を阻まれて日本のはるか南海上をゆっくり北上する場合、うねりが台風自身よりもかなり早く沿岸に到達することもあります。
 通常、海の波は風浪とうねりが混在しており、それらをまとめて“波浪”と呼んでいます。時には、風が弱く風浪がほとんど無いことや、複数の方向からうねりが伝わってくることもあります。非常に強い風が渦状に吹き込む台風の中心付近では、様々な方向からの風浪とうねりが混在して、合成波高が10メートルを超えることも珍しくありません。
合成波高
 起源の異なる複数の波が混在するときの波高は、それぞれの波高の2乗の和の平方根により推定され、これを合成波高と呼びます。例えば風浪とうねりが混在する場合には、風浪の波高をHw、うねりの波高をHsとすると、合成波高Hcは
合成波高を求める式
となります。これは波のエネルギーが波高の2乗に比例するためです。
有義波、有義波高
 海岸で打ち寄せる波をしばらく見ていると分かるように、実際の海面の波は1つ1つの波高が均一ではありません。そこで、複雑な波の状態を分かり易く表すために統計量を用います。
 ある地点で連続する波を1つずつ観測したとき、波高の高い方から順に全体の1/3の個数の波(例えば100個の波が観測された場合、高い方から33個の波)を選び、これらの波高および周期を平均したものをそれぞれ有義波高、有義波周期と呼び、その波高と周期を持つ仮想的な波を有義波と呼びます。(「3分の1最大波」と呼ぶこともあります。)このように有義波は統計的に定義された波で、最大値や単純な平均値とも異なりますが、熟練した観測者が目視で観測する波高や周期に近いと言われています。気象庁が天気予報や波浪図等で用いている波高や周期も有義波としての値です。
 実際の海面には有義波高よりも高い波や低い波が存在し、時折、有義波高の2倍を超えるような波も観測されます。例えば、100個の波を観測した時の最も高い波は、統計学的には有義波高の約1.6倍になります。同様に、1000個の波を観測した場合には、最大波高は統計学上、有義波高の2倍近い値と見積もられます。
巨大波
 現実の海面では無数の波の重ね合わせが繰り返されています。それぞれの波は異なる周期を持つため、重なるタイミングは様々で山と谷が重なって波高があまり高くならない場合もあります。
 しかし、複数の大波が偶然山同士、谷同士で重なると、思いがけない大波が出現します。「三角波」「一発大波」などと呼ばれる巨大波はそのような波と考えられます。これは数千~数万回に1回の確率で発生する現象ですが、大波が発生する時化(しけ)が続く海域では巨大波に遭遇する危険性も増すことになりますので、十分な注意が必要です。
数値波浪モデル
 物理法則に従い、波浪の変化を予測計算するためのコンピュータプログラムを、数値波浪モデルと呼びます。
 数値波浪モデルは、天気予報に用いる数値気象予報モデル(同様に気象の変化を予測計算するプログラム)により算出された海上風の予測値を用いて、
  1. 風による風浪の発生・発達、
  2. 波と波との相互作用、
  3. 逆風や砕波による波浪の減衰
などを計算しています。気象庁では、地球全体と日本周辺をそれぞれ計算対象領域とした2種類の数値波浪モデルを運用し、波浪の予測計算を1日4回行なっています。
 数値波浪モデルでは計算対象の海面を東西と南北一定の間隔で格子状に区切り、その一つ一つについて波の計算を行っています。2種類のモデルの格子間隔は、それぞれ緯・経度単位で、0.5度と0.05度(日本付近ではそれぞれ約50km、5kmに相当)になっています。
 数値波浪モデルによる波浪の予測結果は、海難事故や波浪災害による被害を回避または軽減するために利用され、より高い信頼性が必要とされます。そのため現在も更なる予測精度向上を目指して数値波浪モデルの改良が行われています。

波の変形について

浅海効果
 波が水深の浅い海域(浅海域)に進入したときに、海底の影響を受けて波高、波速、波長が変化することを浅水変形と呼びます。実際には水深が波長の1/2より浅い場所で浅水変形が起こり、副次的に屈折、砕波(磯波)などの現象も発生します。この他にも浅海域では回折や反射など波の変形を伴う現象が起こり、これらを総称して「浅海(浅水)効果」と呼ぶことがあります。
 なお、わが国の沿岸における浅海域は、ほとんどが岸から数km以内に限られることから、気象庁の沿岸波浪図では浅海効果が考慮されていません。そのため、沿岸波浪図を参考にして岸から数km以内の波を推測する場合は浅海効果にも注意する必要があります。
浅水変形
 沖合からの波が浅海域に進入した場合、水深が波長の1/2よりも浅くなると海底の影響を受けて波高・波速・波長に変化が表れます。
 水深に対する波高の変化を見ると、水深が波長の1/2~1/6の海域では浅くなるほど波高も低下し、元の波高の90%程度まで低くなりますが、それよりも水深が浅くなると傾向が逆転して波高が急激に高くなっていきます。また、波速については水深が浅くなるほど減速し、波長については短くなってゆく傾向があります。
屈折
 浅水変形が生じている海域では波速は水深が浅くなるほど遅くなるため、波の進行方向に岬や入り江など水深が不均一な地形が存在する場合、入り江など深い場所の波は速く、岬など浅い場所の波は遅く進みます。その結果、海岸線に対して垂直に進入するように波の進行方向が曲がります。そのため、沖合の波が海岸線に対して斜め方向から打ち寄せていたとしても、波打ち際では、波が正面から向かってきたように見えます。このような波の屈折作用により、岬の先端のような海に突き出した場所では周囲から波が集中するため波高が増大し、砕波も激しくなります。逆に、湾奥部では波が分散して波高が減少します。
砕波
 風浪が発達すると波長も波高も増大しますが、波高の増加率の方が大きいため、波の形状は次第に急峻になります。また、沖合から浅海域に進入した波も浅水変形により波高が増大する一方で波長は短くなるために急峻な波形となります。急峻な波形が限界を超えると、前方に飛び出すように崩れ落ちて白波が発生します。この現象を砕波と呼びます。
 風が強い場合には、波の頂上部が波速を超える速度で吹き飛ばされることにより、強制的に砕波が起こることもあります。
 また、浅水変形等の浅海効果で砕波が起こる場合、これを磯波と呼ぶことがあります。磯波発生時の水深や波高は波の元々の周期や海底の勾配によって変化しますが、砕波した時の波高が沖合での波高の2倍以上になる場合もあります。
反射
 断崖状の海岸や人工の防波堤などに波が当たると波がはね返され、向きを変えて別の方向に進むことがあります。この現象を反射と呼びます。その際、入射波と反射波の山が重なり合うと、元の波高の2倍近い高波が出現することもあります。
回折
 島や半島、または防波堤のような構造物の裏側に波が回り込む現象を回折と呼びます。防波堤に囲まれた港内のような場所でもエネルギーはかなり小さくなりますが、波が伝わってきます。また、波の進行方向に孤立した島があると、波は両側から島を回り込み、島の後面で重なり合って波高が高まることもあります。
海流・潮流の影響
 波向と反対方向に強い海流や潮流がある海域では、海上風の相対風速が増し、風が吹き抜ける見かけ上の距離も長くなるため、より大きく風浪が発達します。これを“しお波”と呼ぶこともあります。また、流れによって海水が移動することにより波長が圧縮されるため、波形がより急峻になり、砕波が起こります。 一方、波向と同じ方向の流れがある海域では正反対の作用が生じ、流れが無い状態よりも波が穏やかになります。