2017 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of whole evolution process of cloud droplets and turbulent mixing in cloud microphysics simulator
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15H02218
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
後藤 俊幸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70162154)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉野 正人 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30345946)
三浦 英昭 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (40280599)
齋藤 泉 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70798602)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 雲乱流 / 雲粒子 / 乱流混合 / 衝突 / 併合 / スペクトル / 雲粒径分布関数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海洋性層積雲中における雲粒子から雨粒子形成にいたる約１０分間の雲粒子と乱流混合の動力学を雲マイクロ物理シミュレータ(CMS)により世界で初めて計算することに成功した．雲粒径分布関数には雨粒子生成を表す第２ピークが出現すると同時に乱流スペクトルが通常のコルモゴロフスペクトルから変形を受けること，そしてその物理機構を明らかにした．これらの結果をNew J. Phys,(2018)２月に発表した．翌３月 Nature Physics誌においてResearch Highlights として取り上げられ，多数のダウンロードを受けているなど大きな反響があった．
CMSの検証を２つの観点から行った．第１は，エアロゾル注入率の違いにより，雲粒径分布関数が変化するという室内実験が最近ミシガン大チームにより行われた．ほぼ同等の環境をCMS上で設定し，計算を行い実験結果と比較した．注入率が増大すると平均雲粒子半径は小さくなるとともに粒径分布関数の広がりは小さくなるという実験と一致する結果を得た．第２の検証は，似通った半径をもつ非慣性雲粒子同士が衝突・合体のみにより成長する場合には，乱流理論を援用して雲質量分布関数の相似解が得られる．この解析解とCMSでの計算結果を比較したところ，質量分布関数が両者とも質量の-2乗に比例する結果を得た．これらの検証により，CMSの信頼性がより高まった．
雲乱流の駆動方法をより実際の雲中のものに近づけるための数理モデルの開発を行い，興味ある成果を得た．
雲粒子衝突・併合における表面張力，粒子レイノルズ数，衝突オフセットなどのパラメータ依存性を格子ボルツマン法を用いて解析し，衝突ダイアグラムとして構成した．
以上の成果は，国内外の学会などで発表され大きな手ごたえを得た．また 雲と乱流の研究グループの共同研究の契機となることおよび研究成果の普及を目指して，NITech Lectures on Turbulence and Cloud という国際的講義を２日間にわたり開催した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
雲粒子から雨粒子までの連続的成長をCMSによりシームレスな第１原理計算を世界で初めて成功した．雲粒径分布関数の時間発展，乱流輸送による温度・水蒸気のスペクトルの変形を見出しその物理的説明を与えることができた．時間はかかったが，これらの成果が論文としてNew J. Physに発表され，Nature PhysにResearch Highlightsに取り上げられたことは大きな励みであり，また確かな研究基盤を構築できたと考えている．
CMSの検証が室内実験と理論との２つの比較においてなされ，いずれも満足のいく一致を得た．これによりCMSの信頼性がより深まったことは進展である．LBMによる衝突ダイアグラムの構築も着々と進展していること，雲乱流のより合理的な励起方法の予備的研究が進んだこと，雨粒子を解像する計算手法開発が進展している．
これらの成果は，論文はもとより６つの国際会議をはじめとする国内外の学会で発表された．また，雲と乱流の研究グループの構築と研究成果の普及を目指して，NITech Lectures on Turbulence and Cloud という国際的講義を２日間にわたり開催し、のべ３７名の参加者があった．これらのことより，研究は着実に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
海洋性積雲中を潜熱開放により上昇するパーセル内の雲粒子成長と乱流混合の大規模計算をより高いレイノルズ数で実行する．エアロゾルの効果を取り入れた雲粒子生成過程と粒子レイノルズ数や表面張力の影響を考慮した衝突・併合ダイアグラムを取り入れて，高解像度，高乱流レイノルズ数での大規模計算を行う．かつてない規模の長時間積分を実行するため，慎重なパラメータ設定や数値計算環境を整える必要がある．
雲粒子による乱流スペクトルの変形の物理的機構を明らかにするため，乱流レイノルズ数を変化させた大規模シミュレーションを実行する．空間解像度に焦点をあてるため，積分時間は雲粒子成長計算のものよりは短くとる．乱流自身によるObukhov-Corrsinスペクトルの維持と雲粒子による変形効果が釣りあう条件を探る．
実際の雲中により近い条件で雲乱流を励起する手法を開発する．前年度の予備的な計算結果をもとに，巨視的乱流と微視的乱流を結合する仕方を構築し，雲マイクロ物理シミュレータに実装する．
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