A study on wave-mean flow interaction in the oceanic surface boundary layer through direct numerical simulations of surface waves

通过表面波直接数值模拟研究海洋表面边界层中波与平均流的相互作用

基本信息

批准号：
17J07923
负责人：
藤原泰
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までに開発した自由表面数値モデルと解析手法を用いて、相互作用する波とLangmuir循環の直接数値計算を多様な強制力パラメタのもとで行った。具体的にはFroude数（風応力に対応する摩擦速度と波の位相速度の比）および波形勾配（振幅と波数の積）を様々に変化させて、同一の初期条件からスタートして単色波の直接計算と対応する波平均計算の比較を行った。その結果、特にFroude数が大きい状況において、直接数値計算で生じるLangmuir循環は従来の波平均計算によるものよりも強くなることが明らかになった。これは、海洋表層乱流の数値的研究において広く用いられているCraik-Leibovich方程式の枠組みではLangmuir循環の強度が過小評価されてしまうことを示唆する結果である。さらに、そのような状況では波が流れの影響を受けて峰方向（伝播方向に直交する方向）に振幅変調することが観測できた。循環強度差の原因を調べるため、前年度に開発した曲線座標上の診断手法を用いて渦度収支を解析した。その結果、直接計算と波平均計算との差は波の空間変調によって生じるStokesドリフトの水平変化によって生じていることがわかった。この機構では流れから波への影響が中心的な役割を果たしており、それゆえこの結果は波平均理論単独では表現されないものである。以上の結果はLangmuir循環を記述する従来の理論に取り入れられていなかった過程の重要性を示す画期的なものであり、新たな枠組みでの波・流れ相互作用過程のモデル化を動機づけるものである。

使用前一年的自由表面数值模型和分析方法，在各种强迫参数下进行了相互作用波和Langmuir循环的直接数值计算。具体而言，Froude数（与风应力和波相速度相对应的摩擦速度之比）和波形梯度（振幅和波浪数的乘积）以各种方式更改，并且从相同的初始条件开始比较单色波和相应波平均计算的直接计算。结果表明，在直接数值计算中发生的Langmuir循环比常规波平均计算中的循环强，尤其是在Froude数量较大的情况下。该结果表明，在Craik-Leibovich方程的框架中，Langmuir循环的强度被低估了，该方程在海面湍流的数值研究中广泛使用。此外，观察到在这种情况下，波浪受到峰值方向（垂直于传播方向的方向）的流动和振幅的影响。为了研究循环强度差异的原因，使用上一年开发的弯曲坐标的诊断方法分析了涡度消耗。结果表明，直接计算与波平均计算之间的差异是由波浪的空间调制引起的Stokes漂移的水平变化引起的。在这种机制中，流向波的影响起着核心作用，因此，单独的波平均理论并非表达该结果。以上结果是开创性的，表明未纳入描述Langmuir循环的传统理论的过程的重要性，并激励了新框架中的波流相互作用过程的建模。