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

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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。