大気境界層内の秩序構造が乱流輸送に与える影響の研究

点击翻译按钮获取中文摘要

本年度はラージ・エディ・シミュレーション(LES)を用いて大気境界層内の秩序構造の研究を行った.特に中立成層した大気境界層内の乱流輸送にとって重要な役割を果たしているストリーク構造とその内部に存在するイジェクションやスイープといった小規模秩序構造に着目して,その時間発展の特徴と背景にある物理的なメカニズムを探った.まず,ストリーク構造の初期の時間発展を調べるために2種類のLES実験を行った.1つ目は十分に大きな計算領域を用いるものであり,2つ目は意図的に計算領域を小さくして行うミニマル領域実験である.これらの実験によってストリーク構造の成長のエネルギー特性が明らかになった.また,ストリーク構造の初期の時間発達が線形理論における最適摂動によって表現されることも示された.これらの解析を行うために,乱れた流れ場からストリーク構造のみを抽出するフィルタリングの手法を新たに考案した.この手法は他の研究分野でも利用可能な有用な手法であると考えている.次にストリーク構造の維持・崩壊過程を解析して,イジェクションやスイープの形成との関連性を調べた.研究計画ではイジェクションやスイープの形成メカニズムとしてストリーク構造の不安定性が関わっている可能性を仮説として述べたが,それを確認するための解析を行った:具体的には最適摂動によって境界層内にストリーク構造を再現して非線形時間発展を計算した.この実験において,ストリーク構造が数十分の時間オーダーで崩壊して,より小規模なイジェクションやスイープが形成される様子が見られた.この結果から前述の仮説が正しかったことが確認された.今日の気象モデルにおいて秩序構造の特性を考慮した新たな乱流モデルの構築が求められており,その際に本年度の研究で得られた知見が役立つことが期待される.