波浪を介した大気海洋間運動量輸送の数値的研究

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2022年度は、本研究の基盤となる大気・海洋結合波解像数値モデルの開発に取り組んだ。まず、境界追従座標系に基づく離散化のもと気液2相流のNavier-Stokes方程式を解く定式化を構築した。その中で、圧力変数を従来の通り格子中心に配置するだけでなく、気液境界面にも未知変数として設定することで、境界面変位の運動学的接続条件が高精度に満たされるような工夫を行った。考案した計算スキームの有効性を検証するために、開発が容易なインタプリタ言語でプロトタイプモデルを構築し、理論的に振る舞いがわかっているケースを用いたベンチマーク試験を行った。その結果、界面重力波・Kelvin-Helmholtz不安定の線形分散関係や、風波発達の理論的説明として有力視されているMilesの不安定機構が、リーズナブルな時空間解像度で高精度に再現されることを確認した。これは、境界追従座標の採用と、圧力解法における運動学的接続条件の要求によって、比較的粗い空間解像度でも空気と水の分布の数値的拡散が抑えられたためと考えられる。プロトタイプモデルで計算スキームの有効性が確認されたことから、コンパイラ言語を用いた本番モデルの構築を開始し、おおむね完成までこぎつけた。その中で、大気・海洋結合による大気乱流への影響を明快にするために、下端境界条件として波運動を与える大気側単体の波解像数値計算の設定も行えるようなモデルにするという方針を立て、定式化開発・実装を行った。これによって、大気・海洋運動の双方向相互作用の効果の有無を切り替えた対照実験が行えるほか、必要に応じて海洋側の運動を計算するコストを削減でき、より多様な数値シミュレーションが行えるようになる。上記の成果は、随時国内の研究集会・学会で報告を行っている。