潮汐混合ホットスポットの形成に関わる内部波共鳴現象の解明

• Project Area: Ocean Mixing Processes: Impact on Biogeochemistry, Climate and Ecosystem
• Project/Area Number: 18H04918
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 大貫 陽平 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (70804201)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2018: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 深海 / 内部波 / 回転成層流体 / 直接数値シミュレーション / 海洋物理学 / 潮汐 / 混合 / 不安定 / 非線形共鳴 / 内部波ビーム / Floquet理論 / モノドロミー行列 / パラメトリック不安定 / 海水混合 / 内部潮汐 / 非静力学モデル / 不安定現象

Outline of Annual Research Achievements

前年度までの研究で明らかにした、ビーム型内部重力波の共鳴不安定によって生じる擾乱のエネルギーは、さらに二次的な不安定を経て乱流混合を引き起こすと考えられる。内部波から乱流に至るエネルギーカスケードの過程を詳細に再現するため、リヨン高等師範学校（フランス）との共同研究として新しい数値モデルを開発した。領域変形スペクトルモデルと名付けられたこのモデルでは、大規模な流れによって移流される微小な平行六面体要素を取り出し、その中で励起される乱流の時間発展をシミュレートする。大スケールの波動や渦の時間発展を陽に計算せずに済むためモデル領域が節約でき、微細な乱流成分の解析に計算資源を集中させられるという特徴がある。初期条件としてホワイトノイズの流速場を設定して、内部波の共鳴不安定によって発生した乱流エネルギーが概ね飽和するまで時間積分した。計算の実施には、東京大学情報基盤センターの大型計算機システム（Oakforest-PACS）を利用した。
計算の結果、擾乱の振幅が閾値に達するとシア不安定と対流不安定がほぼ同時に発生して、流れの構造が無秩序な乱流状態へと急速に遷移する様子が再現された。運動エネルギー散逸率と背景位置エネルギー上昇率の比を表す混合係数は、すべての実験において0.5を上回っていた。深海の混合係数の典型値が0.2程度とされていることを踏まえると、これは非常に大きな値である。背景内部波の持つ有効位置エネルギーが乱流成分の有効位置エネルギーへ直接変換されて散逸することが、高効率での混合を引き起こす要因ではないかと考えられる。
一連の成果をまとめた論文は、国際誌(Geophysical Research Letters、Journal of Fluid Mechanics)で発表した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ENS de Lyon(フランス)
• [Journal Article] Simulating turbulent mixing caused by local instability of internal gravity waves (2021)
  • Author(s): Onuki Yohei、Joubaud Sylvain、Dauxois Thierry
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 915
  • DOI: 10.1017/jfm.2021.119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Instabilities of Finite‐Amplitude Internal Wave Beams (2019)
  • Author(s): Onuki Y., Tanaka Y.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 46 Issue: 13 Pages: 7527-7535
  • DOI: 10.1029/2019gl082570
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Parametric subharmonic instability in a narrow-band wave spectrum (2019)
  • Author(s): Onuki Yohei、Hibiya Toshiyuki
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 865 Pages: 247-280
  • DOI: 10.1017/jfm.2019.44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decay Rates of Internal Tides Estimated by an Improved Wave-Wave Interaction Analysis (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei、Hibiya Toshiyuki
  • Journal Title: Journal of Physical Oceanography Volume: 48 Issue: 11 Pages: 2689-2701
  • DOI: 10.1175/jpo-d-17-0278.1
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 流体波動の局所分離解析に関する研究 (2020)
  • Author(s): 大貫 陽平
  • Organizer: 応用力学研究所研究集会 “波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング”
• [Presentation] Instabilities of finite-amplitude internal wave beams (2020)
  • Author(s): Yohei Onuki、Yuki Tanaka
  • Organizer: Ocean Sciences Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct numerical simulation of stratified turbulence generated by local instability of internal gravity waves (2020)
  • Author(s): Yohei Onuki、Sylvain Joubaud、Thierry Dauxois
  • Organizer: JpGU - AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 内部重力波の局所不安定が引き起こす成層乱流の直接数値シミュレーション (2020)
  • Author(s): 大貫 陽平、Sylvain Joubaud、Thierry Dauxois
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] Instabilities of finite-amplitude internal wave beams (2019)
  • Author(s): Yohei Onuki、Yuki Tanaka
  • Organizer: 3rd International Symposium “Ocean Mixing Processes: Impact on Biogeochemistry, Climate and Ecosystem”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Instabilities of finite-amplitude internal wave beams (2019)
  • Author(s): Yohei Onuki、Yuki Tanaka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 内部波が引き起こす乱流混合の直接数値シミュレーション (2019)
  • Author(s): 大貫 陽平、Joubaud Sylvain、Dauxois Thierry
  • Organizer: 第4回 新海洋混合学 OMIX YMR サマースクール
• [Presentation] 有限振幅内部波ビームの不安定解析 (2019)
  • Author(s): 大貫 陽平、田中 祐希
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2019
• [Presentation] 内部波の局所不安定による乱流励起の直接数値シミュレーション (2019)
  • Author(s): 大貫 陽平、Sylvain Joubaud、Thierry Dauxois
  • Organizer: 日本海洋学会2019年度秋季大会
• [Presentation] 変形領域モデルを用いた成層乱流の直接数値シミュレーション (2019)
  • Author(s): 大貫 陽平、Sylvain Joubaud、Thierry Dauxois
  • Organizer: 微細規模から惑星規模にかけての海洋力学過程と規模間相互作用の研究
• [Presentation] 変形領域モデルを用いた成層乱流の直接数値シミュレーション (2019)
  • Author(s): 大貫 陽平、Sylvain Joubaud、Thierry Dauxois
  • Organizer: 海洋乱流の観測およびモデリングに関する研究集会
• [Presentation] Decay rates of internal tides estimated by an improved wave-wave interaction analysis (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei, Hibiya Toshiyuki
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decay rates of internal tides estimated by an improved wave-wave interaction analysis (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei, Hibiya Toshiyuki
  • Organizer: Ocean Mixing Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decay rates of internal tides estimated by an improved wave-wave interaction analysis (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei, Hibiya Toshiyuki
  • Organizer: Woods Hole Oceanographic Institution Physical Oceanography Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the stability of internal wave beam (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei
  • Organizer: The 15th Korea-Japan (Japan-Korea) Joint Seminar in the Ocean and the Atmosphere
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decay rates of internal tides estimated by an improved wave-wave interaction analysis (2018)
  • Author(s): Onuki Yohei, Hibiya Toshiyuki
  • Organizer: 2nd International Symposium “Ocean Mixing Processes: Impact on Biogeochemistry, Climate and Ecosystem”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] モノドロミー行列の直接計算による内部波ビームの安定性解析 (2018)
  • Author(s): 大貫陽平
  • Organizer: 九州大学応用力学研究所共同利用研究集会「海洋力学理論の研究集会」
• [Presentation] モノドロミー行列の直接計算による内部波ビームの安定性解析 (2018)
  • Author(s): 大貫陽平
  • Organizer: 日本海洋学会2018年度秋季大会
• [Presentation] モノドロミー行列の直接計算による内部波ビームの安定性解析 (2018)
  • Author(s): 大貫陽平
  • Organizer: 九州大学応用力学研究所共同利用研究集会「微細規模から惑星規模にかけての海洋力学過程と規模間相互作用の研究」
• [Presentation] 内部波ビームのパラメトリック不安定 (2018)
  • Author(s): 大貫陽平
  • Organizer: 海洋乱流の観測およびモデリングに関する研究集会