2018 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 / 雨粒子 / 乱流混合 / 雲粒径分布関数 / 温度揺らぎ / スペクトル / 第1原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
雲粒子成長と乱流混合の動力学を微視的視点から第1原理的計算によってシミュレートする雲マイクロ物理シミュレータ(CMS)にエアロゾルからの雲粒子生成プロセスの導入と改良および検証を進めるとともに，雲粒子生成から凝結成長過程における乱流の影響をより詳細に解析した．
雲粒径分布関数に対するフォッカープランク方程式を導き解析解を得た．雲粒径分布の分散は，過飽和度揺らぎとともに増大し，過飽和度揺らぎは乱流強度と共に増大する一方，平均雲粒子数密度の増大とともに減少することなどが分かった．また，CMSを用いてさらに大規模な計算を行いミシガン大の実験とほぼ同程度の乱流レイノルズ数(CMS:R_l=207, 実験:R_l=220)において，理論解析および実験結果一致することを確認しCMSの信頼性を再確認した．
ドイツアルプス山頂で計測された雲中の雲水量揺らぎのパワースペクトルがオブコフ・コアシン スペクトルのf^[-5/3}からずれることが報告されている．CMSを用いてこのスペクトルを計算すると同様な結果が得られた．現在，このスペクトルの解析を進めている．
雲全体の成長計算と微視的CMSの接続を念頭に置き，超水滴法（SDM)による雲乱流コードを開発しその基本的特性の検証を行なった．SDMにおける最小格子での変形速度テンソルをCMSにおける最大スケールでの乱流駆動方法とする試験的な計算を行い，その実現可能性を検討した．
鉛直方向に温度勾配のある場合の温度揺らぎのスペクトルをルジャンドル展開により解析した．揺らぎスペクトルのピークを高波数側に置くことで非等方性アンサンブルの統計的収束をはかるとともにレべデフ積分法を用いて高精度化を行った結果，確かな精度でルジャンドル展開係数の波数依存性を得ることに成功した．２次の展開係数は波数と共に等方成分（０次）よりは，早く減衰することが見出された．
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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
当初の第1目標である海洋性層積雲中におけるエアロゾルからの雲粒子生成，雲粒子成長そして乱流混合を微視的視点から第1原理的計算によってシミュレートする雲マイクロ物理シミュレータ(CMS)の開発はすでに達成された．理論・実験との比較による検証を終え，一定の信頼性が確保されたと考えている．これに加えて，雲粒径分布関数の凝縮成長段階での理論構築とミシガン大における室内実験との比較から，雲粒子成長の物理的メカニズム解明が徐々に進んできている．例えば，フォッカープランク方程式による凝結成長段階での過飽和度揺らぎ，乱流強度，平均雲粒子数密度の影響を理論的に説明したこと，そしてCMS・実験との一致は，この分野にとって画期的な進歩である．さらには，Max Planck研究所チームによる雲水量揺らぎスペクトルと本CMSによる同スペクトルとの一致は予想外の成果である．これにより，オブコフ・コアシン スペクトルのf^[-5/3}からのずれの物理的解明が進展すると期待できる．
これらの成果は，論文(JMSJ 受理)をはじめ，国内外での招待講演・一般講演で積極的に発信されている．例えば，H30年に後藤はTexas A&M（8月），Michigan Tech.（9月），SUSTech（12月），Ecole Centrale de Lyon（3月）で招待講演を行い，斎藤は10月にMichigan Tech.に招聘され6回の連続講義を行った．また，Michgan Techとは共同研究の推進についても検討を行っているなど大きな広がりを見せている．さらには，CMS計算を雲全体計算へ接続するために超水滴法コードを開発したこと，スカラー揺らぎの非等方スペクトルの解析など乱流混合現象における重要な問題の解明においても，確かで着実な進展が得られている． 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．今年度は，エアロゾルの効果を取り入れた雲粒子生成過程，凝結成長，衝突・併合過程に衝突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．目標計算規模は空間格子点数1024^3、雲粒子数約10億個、乱流レイノルズ数R_l=350程度，積分時間約10分程度（400万ステップ）の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．雲粒径分布関数の乱流強度やラグランジュ速度相関時間への依存性，エアロゾル数密度や粒径分布の影響，平均過飽和度の影響を解析する．また，雲粒子成長と乱流との相互作用の視覚的理解を進めるために，雲粒子と過飽和度の可視化を行う．
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-Coorsin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．SDMによる雲乱流の全体的成長計算とCMSによる第1原理計算との接合方法のための理論基盤と結合モデル構築を行う．
乱流混合現象の大規模DNSを行い，速度場とスカラー場の非等方性，間欠性，シュミット数依存性をスペクトルや高次構造関数のスケーリング，確率密度関数を用いて解明する．
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[Presentation] Cloud Turbulence2018
Author(s)
T. Gotoh, I. .Saito, T. Watanabe, and T. Yasuda
Organizer
Perspectives on Turbulence Workshop Texas A&M
Int'l Joint Research / Invited
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