海洋中における乱流拡散の機構解明とそのパラメータ化

成層海洋中における内部波の砕波は、等密度線を横切る方向の拡散・混合過程(diapycnal mixing)に主要な役割をはたすことにより、海洋大循環など大規模な海洋現象をもコントロールしていることが知られている。この内部波の砕波に伴う乱流混合・拡散過程は、低波数領域における大気擾乱から海洋中へのエネルギー流入に伴って行われていることは指摘されているものの、このエネルギーがどのような形で乱流拡散の行われる高波数領域まで輸送されてくるのかについては明らかにされていない。本研究では、実際に海洋の中・深層に存在する内部波の普遍平衡スペクトル(ギャレット・ムンクの平衡スペクトル)とそれを支える主要な機構と考えられる内部波の非線形相互干渉の力学に注目し、プリミティブのナヴィエストークスの方程式を直接に数値積分することにより、大気擾乱によって成層海洋中に加えられたエネルギーが内部波の3波共鳴を通じて次第に平衡スペクトルを形成していく過程を再現するとともに、こうして得られた平衡スペクトルが大気擾乱によって一時的に乱されたとき、その擾乱エネルギーがスペクトル内を乱流スケールまでどのような過程で輸送されていくのかを調べた。その結果、大気擾乱から与えられたエネルギーが内部波の「弱非線形干渉(3波共鳴)」を通じてまず高鉛直波数の近慣性周波数領域へと流れ、さらにその結果発達した近慣性流に伴う鉛直スケール10m程度の鉛直シア-との「強い非線形干渉(限界層吸収やシア-不安定)」を通じて高波数内部波が砕波するという一連のエネルギー輸送過程の存在していることが明らかにされた。さらに、大気擾乱など外力の働く「低波数領域」と乱流拡散の働く「高波数領域」との異スケール間を、この数値計算で直接見積もられる「エネルギーの流れ」で結びつけることにより、海洋中における乱流拡散過程のパラメータ化を試みた。

成層海洋中における内部波の砕波は、等密度線を横切る方向の拡散・混合過程(diapycnal mixing)に主要な役割をはたすことにより、海洋大循環など大規模な海洋現象をもコントロールしていることが知られている。この内部波の砕波に伴う乱流混合・拡散過程は、低波数領域における大気擾乱から海洋中へのエネルギー流入に伴って行われていることは指摘されているものの、このエネルギーがどのような形で乱流拡散の行われる高波数領域まで輸送されてくるのかについては明らかにされていない。本研究では、実際に海洋の中・深層に存在する内部波の普遍平衡スペクトル(ギャレット・ムンクの平衡スペクトル)とそれを支える主要な機構と考えられる内部波の非線形相互干渉の力学に注目し、プリミティブのナヴィエストークスの方程式を直接に数値積分することにより、大気擾乱によって成層海洋中に加えられたエネルギーが内部波の3波共鳴を通じて次第に平衡スペクトルを形成していく過程を再現するとともに、こうして得られた平衡スペクトルが大気擾乱によって一時的に乱されたとき、その擾乱エネルギーがスペクトル内を乱流スケールまでどのような過程で輸送されていくのかを調べた。その結果、大気擾乱から与えられたエネルギーが内部波の「弱非線形干渉(3波共鳴)」を通じてまず高鉛直波数の近慣性周波数領域へと流れ、さらにその結果発達した近慣性流に伴う鉛直スケール10m程度の鉛直シア-との「強い非線形干渉(限界層吸収やシア-不安定)」を通じて高波数内部波が砕波するという一連のエネルギー輸送過程の存在していることが明らかにされた。さらに、大気擾乱など外力の働く「低波数領域」と乱流拡散の働く「高波数領域」との異スケール間を、この数値計算で直接見積もられる「エネルギーの流れ」で結びつけることにより、海洋中における乱流拡散過程のパラメータ化を試みた。