2018 Fiscal Year Annual Research Report
A study on wave-mean flow interaction in the oceanic surface boundary layer through direct numerical simulations of surface waves
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17J07923
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
藤原 泰 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | Langmuir循環 / Virtual wave stress / 波解像数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2年度目はまず、初年度に開発した数値モデルを用いて、水面波と表層乱流の直接数値計算のパラメタスイープ実験に取り掛かった。制御パラメタとして波の振幅と風成シアの強さをとり、2つの無次元数「波形勾配」と「Froude数」とで実験を特徴付けた。
いずれのケースでもLangmuir循環が生じ、その強度を比較したところ直接数値計算で生じたものの方が大幅に強いことがわかった。調査の結果、この違いは直接数値計算で波が粘性減衰し波の運動量が表層流に渡されることで風成シアが仮想的に強化される、「virtual wave stress (VWS)」によるものであることがわかった。直接数値計算ではVWSで風成シア流が強化された結果としてLangmuir循環が強化された（すなわち、波強制力の表現の違いではなく境界条件の違いにより循環強度の差が生じた）と仮説を立てて検証を行い、それを実証する結果を得た。
また今後のパラメタスイープ実験の解析に向けて、理論研究を援用した新しい解析手法の開発を行い、プログラムを完成させて性能評価を行なった。これは波のような高周波運動とともに変形する座標系の上で時間平均を行い波と流れを分離する手法で、既存の解析手法では扱えなかった複雑な状況（例えば、波の振幅が大きい時や単色波でない時）でも波と平均流とを分離できるというメリットがある。
上記の成果により、数値実験の準備が十分整った。今後は波形勾配とFroude数に関するパラメタスイープを進めてゆく予定である。
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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
パラメタスイープ実験の実施自体は1年遅らせたものの、Virtual wave stressにより生じる結果の解釈や波と平均流を分離した解析手法の開発など、いずれ取り組むべき事項に集中して成果を挙げている。
そのため本研究の目玉であるパラメタスイープの準備が十分整っており、研究は順調に進んでいると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
パラメタスイープ数値実験を進め、波平均表式との比較を進めてゆく。高周波の波運動が低周波の流れに及ぼす影響を直接評価する手法は開発・検証済みなので、この手法を用いて運動量方程式・エネルギー方程式における波の効果項を波平均表式と比較する。パラメタスイープ実験で得られた結果をもとに、波と流れの双方向相互作用の振る舞いをレジームダイアグラムに記述的にまとめてゆく。
パラメタスイープ実験の結果の見通しが立った段階で、単純化されたジェット構造の流れが波に及ぼす影響を定量化するための数値実験を始める。この実験は、ここまでの数値計算で明らかになった「波はその波長よりも大きい流れ構造の影響を受け空間構造を変化させる」という定性的傾向に動機付けられており、その応答の系統的・定量的理解を得るために行うものである。波のパラメタ（波長など）を固定し、単純化されたジェット構造の水平スケールや鉛直構造を様々に変化させて、その上を自由伝播する波の応答（エネルギーの空間分布など）を調べてゆく。この結果をもとに上記のパラメタスイープ実験の結果を再解釈し、結果の記述に基づいていたレジームダイアグラムに波の運動学的理解を追加する。
これに並行して本研究で新たに開発した数値モデルの定式化を論文にまとめ、国際誌に投稿する。
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