Study on liquid water content fluctuation in high Reynolds number turbulence for early detection of rapidly developing clouds
| Project/Area Number |
20K04298
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
松田 景吾 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報科学技術センター), 副主任研究員 (50633880)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 雲乱流 / レーダー反射強度 / 乱流クラスタリング / 直接数値シミュレーション / 慣性粒子クラスタリング / 直接数値計算 / 混相流 |
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| Outline of Research at the Start |
豪雨に対する早期警戒情報の提供のために，ゲリラ豪雨の種となる「ゲリラ雲」を探知する手法の開発を目指す．乱流中での雲粒の質量や水蒸気量の不均一性によって生じる水滴分布の不均一性（雲水量変動）がレーダー反射強度を増加させる効果を利用できる可能性がある．そこで，大規模な乱流の数値シミュレーションを実行し，乱流による雲水量変動の形成メカニズムを解明し，その影響を考慮した雲水量変動モデルを構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，乱流中での雲粒の不均一な分布状態（乱流クラスタリング）によってレーダー反射強度が増加する効果を利用して，豪雨の種となる「ゲリラ雲」を早期に探知するシステムを実現するため，高レイノルズ数乱流中での乱流クラスタリングと水蒸気圧変動による雲水量変動の形成機構を大規模直接数値計算（DNS）により解明し，雲水量変動スペクトルの関数モデルを構築することを目的としている．令和3年度までに，高レイノルズ数一様等方性乱流中の個々の雲粒をラグランジアン的に追跡する大規模DNSを実行し，十分に高いレイノルズ数において，渦度強度が最大となるスケールよりも大きなスケールの新たな大スケールクラスタリングが現れることなどを明らかにした．令和4年度はこの大スケールクラスタリングの形成機構を明らかにするために，ボロノイ解析の応用によって局所的な粒子数密度の収束・発散を評価する最新の解析手法を用いて，マルチスケールのクラスタリング形成機構の解析に取り組み，さらにこのボロノイ解析の応用による粒子群の収束・発散解析をマルチスケールで評価する新規マルチレゾリューション解析手法を開発した．この新規マルチレゾリューション解析手法では，空間中に分散する多数の粒子に対してテセレーション解析を利用することで，粒子の位置で与えられたデータに関する空間的・スケール的に局所的な変動成分を格子点データに変換することなく抽出することができる．今後，このマルチレゾリューション解析手法等を活用し，大スケールクラスタリングの形成機構の解明と関数モデルの構築に取り組む．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度までに，地球シミュレータを利用して実施した3次元高レイノルズ数乱流場の大規模DNSによる粒子クラスタリングデータを解析した結果，乱流の間欠的性質を考慮した新たなモデルの構築が必要であることが明らかになっており，令和4年度には，高レイノルズ数乱流場での乱流クラスタリングによって雲水量変動スペクトルに及ぼす影響のモデル化を慎重に進めたうえで水蒸気圧変動の影響の解明に取り組む予定であった．そのため，ボロノイ解析を応用した粒子の収束・発散の解析手法を用いたマルチスケールのクラスタリング形成機構の解析に取り組んだ．その過程で，エクス=マルセイユ大学（フランス）およびスタンフォード大学（アメリカ）との国際共同研究が進展し，その枠組みにおいて乱流中の粒子クラスタリングに関する新たなマルチスケール解析技術である新規マルチレゾリューション解析手法を開発するに至った．以上のように，クラスタリング形成機構のマルチスケール解析において顕著な進展があったものの，水蒸気圧変動の影響が遅れていることから，進捗状況区分を「（３）やや遅れている。」とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
開発したマルチレゾリューション解析手法等を活用し，大スケールクラスタリングの形成機構の解明と雲水量変動スペクトルの関数モデルを構築するとともに，実際の雲乱流の条件における大スケールクラスタリングの挙動の推定に取り組む．また，乱流中の水蒸気圧変動が雲水量変動に及ぼす影響を明らかにする．そのために，水蒸気圧変動と相変化を考慮したDNSを実行し，大スケールクラスタリングと水蒸気圧変動の相互作用が雲水量変動スペクトルに及ぼす影響を明らかにする．
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Report
(3 results)
Research Products
(19 results)
