カウンタ-グラディエント拡散の起きている成層乱流場の中のパッシブスカラ-の拡散

1990 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 01550752
• Research Institution: Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University
• Principal Investigator: 植田 洋匡 九州大学, 応用力学研究所・沿岸海象力学部門, 教授 (70026186)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮嵜 武 国立環境研究所, 大気環境部, 主任研究員 (50142097) ; 烏谷 隆 九州大学, 応用力学研究所・計測流体力学部門, 助手 (30150527) ; 天本 肇 九州大学, 応用力学研究所・計測流体力学部門, 助手 (00038548) ; 辰野 正和 九州大学, 応用力学研究所・計測流体力学部門, 助教授 (70038553)
• Keywords: 乱流拡散 / 成層流 / 安定成層 / カウンタ-グラディエント拡散 / アクティブスカラ- / パッシブスカラ- / 乱流理論 / クラ-ジャ-問題

Research Abstract

[目的]温度成層乱流中では、温度(アクティブスカラ-)の変動が浮力を諾起して乱流構造及び拡散機構を大きく変化させ、極端に強い安定成層乱流中には温度勾配に逆らった方向への熱の拡散(カウンタ-グラディエント拡散)が起きる。本研究は、このような乱流場に、汚染物質(パッシブスカラ-)を放出した場合の温度(アクティブスカラ-)と物質(パッシブスカラ-)の乱流拡散機構の相違を明らかにすることを目的とする。昨年度、これの基礎実験、基礎理論はほぼ完成したので、本年度は応用研究を中心とし、密度成層効果が支配的な役割を果たす種々の気象現象、大気汚染現象の風洞実験と数値実験を実施した。
[実験]温度条件の種々の組合わせにより安定ー不安定成層域の共存する乱流境界層を大型拡散風洞内に形成させ、熱のカウンタ-グラディエント拡散乱流場について速度、温度変動場の構造とそれらの流下方向の変化を追跡した。
[理論および数値予測]昨年度は乱流モデルとして乱流エネルギ-および乱流エネルギ-消散速度、温度変動強度およびそのディストラクション速度に対する4つの偏微分方程式と、運動量、熱の乱流フラックス方程式の局所平衡仮定から得られる代数方程式からなる、アルジェブライックス・ストレスモデルを構築した。本年度はこれを気流数値モデル、大気汚染輸送/拡散/反応/沈着モデルに組み込んで種々の数値シミュレ-ションを実施した。まず、典型的な密度乱流である重力流(密度流)について、その中でのKelvin Helmholtz不安定、internal bore、solitary waveの発生・発達の数値シミュレ-ションに成功し、これらと重力流全体のダイナミックスとの関連を明らかにした。更に、密度成層効果の強い拡散場での大気汚染現象として、熱的に誘起された局地風場(関東甲信越地域の大気汚染長距離輸送)および冬期夜間の都市境界層中でのNO_2、光化学オキシダント、二次生成粒子、酸性雨汚染現象の数値シミュレ-ションを行い、汚染濃度特性、乾性・湿性沈着量分布および排出削減効果の評価を行った。

Research Products

• [Publications] Uno,I.,S.WakaMatsu & H.Ueda: "Numerical modeling of the nocturnal urban boundary layer." BoundaryーLayer Meteorol.Vol.49,No.1. 77-98 (1990)
• [Publications] Satsumabayashi,H.,H.Kurita,Y.Yokouchi & H.Ueda: "Photochemical formation of particulate dicarboxylic acids under longーrange transport in central Japan." Atmos.Environment. Vol.24,No.6. 1443-1450 (1990)
• [Publications] Kurita,H.,S.Mitsumoto & H.Ueda: "Combination of local wind systems under light gradient wind conditions and its contribution to the longーrange transport of air pollution." J.Appl.Meteorol.Vol.28,No.4. 331-342 (1990)
• [Publications] Kotamarti,V.K.,Y.Sunwoo,G.R.Carmichael,H.Kurita & H.Ueda: "Long range transport of trance gases and aerosols in the Northeast Pacific Rim." NATO/CCMS 18th ITM on Air Pollution Modelling and its Application. Vol.2. 491-498 (1990)
• [Publications] Kitada,T.,P.C.S.Lee,E.Kitagawa & H.Ueda: "Numerical study of the formation of acidic species in the convectiveーcloud streets over Japan Sea in winter." NATO/CCMS 18th ITM on Air Pollution Modelling and its Application. Vol.2. 499-506 (1990)
• [Publications] Carmichael,G.R.,Y.S.Chang,B.S.Ravishanker & H.Ueda: "Acid deposition in central Japan." Atmos.Environment. Vol.24A,No.8. 2035-2049 (1990)
• [Publications] Satsumabayashi,H.,H.Krita,Y.S,Chang,G.R.Carmichael & H.Ueda: "Behavior of secondary aerosols in the longーrange transport of air pollution in central Japan." AerosolsーScience,Industry,Health and Environmentー,Edt.by S.Masuda & K.Takahashi. Vol.2. 381-384 (1990)
• [Publications] Yoshiyama,H.,I.Tamori & H.Ueda: "Development of mist size analyzer using nichrome thin plate." AerosolsーScience,Industry,Health and Environmentー,Edt.by S.Masuda & K.Takahashi. Vol.1. 291-294 (1990)
• [Publications] kanki,T.,T.Miyazaki & H.Ueda: "Thermophoretic force on a spherical particle in a semiーinfinite expanse of gas over a plate." AerosolsーScience,Industry,Health and Environmentー,Edt.by S.Masuda & K.Takahashi. Vol.1. 391-394 (1990)
• [Publications] Chang,Y.S.,WーC.Shin,G.R.Carmichael,H.Kurita & H.Ueda: "An evaluation of the effect of emission reductions on pollutant levels in cetral Japan." Environ.Sci.Technol.Vol.24,No.9. 1355-1366 (1990)
• [Publications] Weiming Sha,T.Kawamura & H.Ueda: "A numerical study on sea/land breezes as a gravity currentーーKelvinーHelmholtz billows and inland penetration of seaーbreeze frontーー." Proc.3rd Int.Conf.Atmos.Sci.and Application to Air Quality. 50-59 (1990)
• [Publications] Ueda,H.,H.Satsumabayashi,G.R.Carmichael & T.Kitada: "Secondary particulate pollution in the winter urban areaーNumerical experimentー." Proc.3rd Int.Conf.Atmos.Sci.and Application to Air Quality. 90-99 (1990)
• [Publications] Ueda,H.: "Characteristics of acid rain and its transport mechanisms in Japan and Northーeastern Asia" Global Environment and Energy Issues. 91-96 (1990)
• [Publications] 高橋 啓二・梨本 真・植田 洋匡: "関西・瀬戸内地方におけるスギ衰退とオキシダント指数、降雨量との関係" 環境科学会誌. Vol.4,Nol.1. 51-57 (1990)
• [Publications] 植田 洋匡: "浮遊粒子状物質中の二次粒子の生成とその大気中での挙動" 公害と対策. Vol.26,No.2. 157-162 (1990)
• [Publications] 植田 洋匡: "地球規模の大気汚染" 土木学会誌. Vol.75,No.2. 22-24 (1990)
• [Publications] 植田 洋匡: "酸性雨の発生機構とその防止策" エネルギ-・資源. Vol.12,No.1. 56-61 (1991)
• [Publications] Uno,I.& H.Ueda: "Fundamental aspects of the algebraic stress turbulence closure model for the application to stratified boundary layer." Quart.J.Royal.Meteorol.Soc.(1991)
• [Publications] Ueda,H.,W.Sha & T.Kawamura: "A numerical study on sea/land breezes as a gravity currentーーKelvinーHelmholtz billows and inland penetration of sea breeze frontーー." J.Atmos.Sci.,. (1991)
• [Publications] Uno,I.,S.Wakamatsu & H.Ueda: "Observed structure of the nocturnal urban boundary layer and its evolution into a convective mixed layer." Atmos.Environment,. (1991)
• [Publications] 栗田 秀實・堀 順一・望月 博子・小林 悦子・浜田 安雄・植田 洋匡: "中部山岳地域河川上流域における河川・湖沼pHの経年的低下と酸性雨の関係について" 環境科学会誌. (1990)
• [Publications] Chang,Y.S.,G.R.Carmichael,H.Kurita & H.Ueda: "Diagnostic evaluation of the transport and gas chemistry components of the STEMーII Model." Atmospheric Environment,. (1991)
• [Publications] Ueda,H.,W.Sha & T.Kawamura: "A numerical study on sea/land breezes as a gravity currentーーInternal bores associated with closed streamlines and seaーbreeze cutoff vortexーー." J.Atmos.Sci.(1991)
• [Publications] Kurita,H.& H.Ueda: "Longーrange transport of air pollutants under light gradient wind conditionsーーCombination of thermallyーdriven local windsーー" In Encyclopedia of Environmental Control,Edited by P.N.Chemisinoff,Gulf Publishing Co.,Cambridge. (1991)
• [Publications] 植田 洋匡: "7.1.3節 輸送と拡散" 編集 神保元二ほか、朝倉書店、東京(印刷中), (1991)