チャンネルネットワークの形成メカニズムと地形形成過程【泉教授】

宗谷岬に見られる水路網	Picton (Australia) に見られる水路の分岐

地表面上の流れは侵食によって地表面の形状を変化させますが，同時に地表面形状は境界条件として流れを決定しています．このような流れと地表面形状の相互作用によって，最初はなにもなかった平らな地表面上に，あるパターンを持ったガリ（初期水路）群が形成されます．そして時間の経過とともに複雑な水路網（チャンネルネットワーク）へと発達していくのです．一旦ガリが形成されると流れの集中によって土壌侵食は飛躍的に大きくなることから，このような水路網の形成メカニズムを知ることは土壌侵食防止の観点からも重要な課題です．

河床波の形成機構【泉教授】

阿武隈川で観察されたリップル	実験室で再現されたデューン

河床には砂州（バー）やデューン，リップルといった様々なスケールの河床波が形成されます．河床波は，流れと砂面の間の界面不安定によって生じるパターン形成現象の一種です．デューンやリップルは流れにとって抵抗となることから，その発生条件や波長，波高を予測することは，洪水時の河道抵抗を予測するためには必要不可欠です．また砂州は河川環境に多様性をもたらす瀬と淵を形作ったり，側岸侵食の原因となるため，その挙動を知ることは河川工学上重要です．このような河床波が流れの変化に対し，どのような応答をするのかに関する研究を行っています．

乱泥流による海底峡谷の形成機構【泉教授】

紀伊水道に見られる海底地形

大陸棚から大陸斜面へ続く大陸縁辺部には，陸上に見られるものとそっくりな峡谷が存在しています．この海底峡谷の成因として，高濃度の浮遊砂を含み海水より重い乱泥流と呼ばれる流れが近年注目を集めています．乱泥流は，流下に伴って海底面に堆積した底泥を巻き込むことで密度を増し，さらに加速されることが知られています．このような乱泥流によって海底峡谷がどのようにして形成されるかに関する研究を行っています．

カスプの形成機構【泉教授】

仙台海岸に見られるビーチカスプ

海岸には時折，沿岸方向に規則的に並ぶ岸沖方向の強い流れ（離岸流）が発生します．これは，波が輸送する運動量によって発生するラジエーションストレスと呼ばれる応力が沿岸方向に不安定となるために発生すると考えられています．また離岸流の発生に伴って沿岸方向に規則的に並んだ波状の汀線地形（ジャイアントカスプ）が観察されることがあります．ジャイアントカスプやそれより小さい規模で形成されるビーチカスプ（上図参照）の形成メカニズムに関する研究を行っています．

Along with Water【山田准教授】

2012年10月に行われた、北海道大学サステナビリティーウィークオープニングイベント「24時間国際サステナ対話」の収録映像です。学部生の皆さんには地球水循環に関する研究の概要として役に立つかもしれません。

地球水循環と大気陸面相互作用【山田准教授】

　水は大気、海洋、陸域を河川、降雨、蒸発散というプロセスを経て日々旅をしており、このような地球規模の水の動きを地球水循環と言います。地球上には約14億km3の水が存在すると言われていますが、そのうち人類が実際に使用できる淡水はわずか0.8%しか存在せず、限られた水資源を約60億人の全人類で分けあって生活しています。将来の人口増加を鑑みると水資源の効率的な利用ならびに予測精度の向上が不可欠なだけではなく、洪水や干ばつ等の水に関わる災害を軽減する上でも重要です。既存の研究では、大気や海面水温の観測精度の充実化が水文気象予測の精度を向上する上で欠かすことのできない要素であると考えられてきました。しかし、我々人類が生活を行う陸域も見逃すことが出来ません。陸域の湿潤状態を表す土壌水分は海水と比較してわずかな量にもかかわらず、気候システムに対して無視しえない影響を有することが私たちの研究によって判明しつつあります。

図-1: 地球観測衛星群(NASA) http://www.nasa.gov/	図-2: 全球気候モデルの概要(NOAA) http://www.noaa.gov/	図-3: 土壌水分の初期情報がもたらす 気温の予報スキル

　上記の知見は、多岐に渡る複数の人工衛星によって得られる地球環境の観測データと気候モデルを組み合わせ、スーパーコンピュータ上で疑似地球として再現および予測することによって得られます(図-2)。例として、土壌水分の初期情報が気温の予報スキルに与える効果について、北米大陸に大干ばつをもたらした1988年夏の予報結果を紹介します(予報開始から16～30日後)。一般に天気予報の精度は7～10日程度を過ぎると大きく低下すると言われていますが、土壌水分情報の高度利用によって、干ばつの予報精度が大きく向上することが分かります(図-3 a,d)。この結果は困難であるとされている極端現象の事前把握に土壌水分が一定の役割を有することを意味し、同時に土地利用の変化といった人間活動は気候システムに大きな影響を及ぼす可能性を示唆するものです。上記の地球規模における研究活動はNASAをはじめとする世界の研究機関と共同で日々取り組んでいます。また、水文気象観測装置を複数地点で展開し、得られる結果から現象の物理的理解を進めるとともに数値モデルの開発を行っており、今後、このような観測網の拡大および数値モデルの精緻化が、地球水循環過程のメカニズム解明、安定的な水資源量の確保や災害の低減につながると考えています。

豪雨の早期予測に向けた人工衛星による雲情報の抽出【山田准教授】

　人工衛星MTSATによる輝度温度情報を用いて宇宙から見た雲を分類する手法を作成しました。これによって時間解像度1km、空間解像度約5kmで雲頂温度や雲の種類を分類することが可能になります。図-4はSuseno and Yamada (2012 Remote Sensing Letters)による雲分類手法のダイアグラムを、図-5は同手法を用いて雲分類を行った一例のアニメーションを示します。本研究と気象モデルや他の人工衛星による観測情報を組み合わせることで、豪雨をもたらす積乱雲の早期発見や降雨強度の推定精度向上を目指しています。また、雲という情報を通して大気陸面相互作用に関する研究を進めています。

図-4: 雲分類のダイアグラム (Suseno and Yamada 2012)	図-5: 雲の種類ごとに見る雲の時間発展の様子 （準備中）

北海道における豪雨特性【山田准教授】

　細く尖った形状を有する線状降水帯は、本州では2004年7月新潟・福島豪雨や同年同月の福井豪雨をはじめ度々発生し、甚大な豪雨・洪水災害をもたらしてきました。一方、北海道では本州と比較すると線状降水帯による豪雨事例は殆ど報告されていませんでした。しかし、2010年8月23日夜半から24日早朝にかけて北海道日本海側から中央部において細長く線状の降水帯によって石狩川支流の忠別川及び美瑛川周辺においては土砂災害と浸水被害が発生しました。札幌管区気象台では時間雨量42mmと53年ぶりの記録的豪雨となりした。河川流域工学研究室では北海道における線状降水帯の経年変化や地域特性に関する研究を行っています。図-6は1990～2010年に北海道および周辺海域で発生した線状降水帯の発生数を示すものです(Yamada et al. 2012, Atmospheric Science Letters)。これによると北海道における線状降水帯は主に7、8月に発生しており、2010年は他の年と比較して極めて多い発生数であったことがわかります。また線状降水帯の多くは日本海側で集中しており(図-7)、それらの90%以上が東か北東方向に発達していたことから、線状降水帯は北海道の日本海沿岸の流域に甚大な影響を及ぼし得ることが示唆されます。

図-6: 北海道および周辺海域で発生した 線状降水帯の発生数	図-7: 線状降水帯の発生地点

水文気象観測【山田准教授】

　北海道内の石狩・勇払地域における複数地点(図-8,9)において水文気象観測を実施しています。これは同地域における海陸風の日変化や降雨・降雪形態の特徴、水文モデル、陸面過程モデルの改善を目的としたものです。図-10の写真は2012年夏に札幌国際スキー場内に設置した観測サイトです。この水文気象観測は文部科学省気候変動適応研究推進プログラム(RECCA)の「北海道を対象とする総合的ダウンスケーリング手法の開発と適用」の一環で行っています。

図-8: 水文気象観測サイトの位置 (■: 石狩・勇払観測サイト; ★: トマム観測サイト; ●: アメダス観測網)	図-9: 観測サイトの様子

図-10: 札幌国際スキー場内の観測サイト

　この観測サイトからは毎日データが研究室のサーバに送られてきています。

山田准教授が参加しているプロジェクト

Research Program on Climate Change Adaptation

文部科学省気候変動適応研究推進プログラム

Global Land-Atmosphere Coupling Experiment:

全球スケールの準季節予報実験プロジェクト

West African Monsoon Modeling and Evaluation (WAMME)

西アフリカモンスーンに関する国際プロジェクト

Mixing in rivers【Adriano C. Lima助教】

Ishikari river and Yubari river	Amazon river

Mixing in rivers, which involves transport of momentum and mass and in certain cases heat, is relevant to water quality control, transport of nutrients, sediment and other solutes, erosion processes and biology of aquatic systems. An accurate prediction of the conveyance capacity and the velocity and boundary shear distributions in channels and rivers is required for practical engineering problems such as flood reduction measures, flood plain management, river restoration and control of sediment and pollutant transport in rivers. We have been studying how various hydraulic parameters influence the flow configuration in mixing zones in rivers and channels.

Bedform incision in curved channels【Adriano C. Lima助教】

Horseshoe bend, Grand Canyon	Experimental flume with simulated bedrock

Bedrock rivers are characterized by limited sediment supply, wherein the amount of sediment supplied is less than the river's sediment transport capacity. Consequently, bedrock rivers often exhibit alternating zones of exposed bed rock and zones covered with sediment. Bedrock rivers associate climate and tectonics to topography and exert a significant influence on the evolution of the landscape around them. Bedrock degradation, which can result in changes in river morphology up to large distances downstream, takes place in many rivers worldwide, posing serious problems to river management. Specifically, we have been studying experimentally how deposition and erosion patterns in a curving flume covered with a simulated bedrock are affected by hydraulic and sediment characteristics.

Instabilities in channels partially covered with vegetation【Adriano C. Lima助教】

Vegetation in Shubuta river, Hokkaido

The presence of vegetation is commonly observed in both natural and rectified watercourses. Vegetation in watercourses is desirable in some cases as it prevents bank erosion and provides habitat and food for numerous species. On the other hand, vegetation causes serious problems in other cases as it increases channel resistance and reduces channel capacity for the draining of flood water. Vegetation in a part of a channel produces transverse shear flow, which may lead to flow instability and the generation of large-scale horizontal vortices. These horizontal vortices have a strong influence on the velocity distribution and the amount of discharge conveyed by a channel without overflow and enhance the lateral mixing of not only the flow itself but also the substances transported by the flow both inside and outside the vegetated area. Therefore, it is important to determine the conditions under which instability occurs, and the characteristics of the horizontal vortices from both an engineering and an environmental point of view.

2014 Nemuro storm surge survey【Adriano C. Lima助教】

Vegetation in Shubuta river, Hokkaido	Experimental flume with simulated bedrock

From Tuesday, 16 December 2014, until Thursday, 18 December 2014, Hokkaido was battered by strong winds and high sea waves caused by passing low pressure system intensified to typhoon levels. In the city of Nemuro, rise in sea level influenced by the storm surge which exceeded quay height in port areas was observed from predawn 17 December 2014. Flooding was experienced in areas of central Nemuro, the Nemuro Port and estuaries of rivers. Our research team carried out a local field survey based on which the inundated are and depth were estimated.