回転系における熱対流と平均流の相互作用に関する研究

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熱対流は大気現象において大きな役割を担っており、気象に大きな影響を与える。台風や前線などの極端気象現象においては、背景場の水平シアの効果が重要であるが、水平シア流中の熱対流に関する基礎的な研究は少ない。そこで本研究は、主に系の回転と水平シア流のみを仮定した非常にシンプルな数値モデルを用いて、水平シアと熱対流の相互作用について調べてきた。平成22年度までに、回転軸が傾いた系におけるsin型水平シア流と熱対流の相互作用について、回転軸の傾き、テイラー数、およびレイリー数の3パラメータをスイープして数値実験を行い、大規模な東西ロール状対流によって平均流が非常に強く加速されるレジームが存在することを初めて示し、その加速メカニズムも明らかにした。この成果をまとめた論文は平成22年12月にFluid Dynamics Researchに投稿した。平成23年度に入り論文を改訂・再投稿し、最終的に平成23年11月に掲載された。上記論文の改定作業と並行して、平成23年度は南北方向に無限領域の境界条件を課した熱対流モデルの構築に取り組んだ。本研究のこれまでのモデルは南北方向に周期境界条件、さらに初期にsin型水平シア流を維持する強制項を課してきたが、現実大気への応用を考えると、ベータ効果の導入による自発的な平均流生成を調べる意義は大きい。そこで本研究は、指導教官である石岡圭一准教授が開発した「無限領域のスペクトル法」を用いてベータ効果を導入したモデルの作成を試み、東西一様の二次元モデルまで完成させた。ただ、平均流が自発的に生成されるかどうかを調べるには3次元モデルでの計算が不可欠であり、本研究はまずその足掛かりを築いたと言える。