Study on cloud turbulent mixing and cloud microphysical processes by large scale numerical simulation

雲粒子生成の核となるエアロゾルの乱流輸送、雲粒子成長の源である過飽和度の乱流混合輸送、そして乱流の特性を表す最も重要な特性量であるエネルギー散逸率とエンストロフィー（渦度の2乗）の揺らぎを表す確率分布関数(PDF)について、理論および大規模シミュレーションを駆使した解析を行った。エアロゾルは、分子拡散が無視できるシュミット数無限大のスカラーとみなせる。このエアロゾルの空間揺らぎのスペクトルを数値的にシミュレーションすることには大きな困難を伴う。無限小サイズの流体粒子に仮想的なスカラー量を担わせるとともに、それが固有の特性時間でもって周囲の環境に応答するという数値モデルを導入し、これによって高レイノルズ数乱流により輸送される無限大シュミット数のスカラー分散スペクトルを計算することに成功し、乱流理論と一致する結果を得、さらにスペクトル強度を決めるバチェラー定数をも得た。　一方、エアロゾル周囲の過飽和度は、エアロゾルの数密度に依存する特性時間でもってその揺らぎの振幅が変動する。この過飽和度揺らぎのスペクトルには2つのk^{-5/3}領域が存在することが昨年度までの理論研究により示されていたが、大規模シミュレーションにより、理論と一致する2つのべき的スペクトルの存在を得ることに成功した。乱流におけるエンストロフィーのPDFのすそ野はエネルギー散逸率のそれよりも常に長い。これは長い間謎とされてきた。理論的解析および多数の大規模シミュレーションを駆使することにより、２つのPDFがレイノルズ数とともにそのすそ野を広げてゆくこと、両PDFが引き延ばされたガンマ分布であること、そしてすそ野の長さの違いは、エネルギー散逸率とエンストロフィーの定義式における項の数の違いから生ずるものであることを理論的に示し、大規模シミュレーションでも確認され理論の正当性を確認した。

雲粒子生成の核となるエアロゾルの乱流輸送、雲粒子成長の源である過飽和度の乱流混合輸送、そして乱流の特性を表す最も重要な特性量であるエネルギー散逸率とエンストロフィー（渦度の2乗）の揺らぎを表す確率分布関数(PDF)について、理論および大規模シミュレーションを駆使した解析を行った。エアロゾルは、分子拡散が無視できるシュミット数無限大のスカラーとみなせる。このエアロゾルの空間揺らぎのスペクトルを数値的にシミュレーションすることには大きな困難を伴う。無限小サイズの流体粒子に仮想的なスカラー量を担わせるとともに、それが固有の特性時間でもって周囲の環境に応答するという数値モデルを導入し、これによって高レイノルズ数乱流により輸送される無限大シュミット数のスカラー分散スペクトルを計算することに成功し、乱流理論と一致する結果を得、さらにスペクトル強度を決めるバチェラー定数をも得た。　一方、エアロゾル周囲の過飽和度は、エアロゾルの数密度に依存する特性時間でもってその揺らぎの振幅が変動する。この過飽和度揺らぎのスペクトルには2つのk^{-5/3}領域が存在することが昨年度までの理論研究により示されていたが、大規模シミュレーションにより、理論と一致する2つのべき的スペクトルの存在を得ることに成功した。乱流におけるエンストロフィーのPDFのすそ野はエネルギー散逸率のそれよりも常に長い。これは長い間謎とされてきた。理論的解析および多数の大規模シミュレーションを駆使することにより、２つのPDFがレイノルズ数とともにそのすそ野を広げてゆくこと、両PDFが引き延ばされたガンマ分布であること、そしてすそ野の長さの違いは、エネルギー散逸率とエンストロフィーの定義式における項の数の違いから生ずるものであることを理論的に示し、大規模シミュレーションでも確認され理論の正当性を確認した。