2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study on cloud turbulent mixing and cloud microphysical processes by large scale numerical simulation
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20H00225
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
後藤 俊幸 慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター(日吉), 訪問教授 (70162154)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 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)
小林 宏充 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 教授 (60317336)
島 伸一郎 兵庫県立大学, 情報科学研究科, 准教授 (70415983)
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) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 雲乱流 / 雲水混合率揺らぎ / 分散スペクトル / ダムケラ数 / ランジュバンモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・航空機やドイツ南アルプス山頂で観測された雲水混合比（LWC)の揺らぎスペクトルは，乱流理論の予測よりもはるかに低波数側で観測されている．これを説明するために，雲乱流中の水蒸気過飽和度（SS)と雲水混合比（LWC)の揺らぎスペクトル理論を構築し，理論値と観測と比較したところ一致することが分かった．熱慣性特性時間を持つ雲粒子の温度ゆらぎスペクトルを大規模数値計算により解析し，べき法則に従うこと，べき指数がダムケラ数（=乱流特性時間/熱慣性特性時間）の増大とともに大きくなることがみいだされ，これは上記過飽和度揺らぎスペクトル理論から帰結される結果と一致することが分かった．
・雲粒子周りの過飽和度揺らぎ，それを輸送する流体の温度揺らぎの分散について，雲乱流渦をランダムに飛び乗る描像に基づいたランジュバンモデルを構築し解析した．過飽和度揺らぎの分散が乱流渦の特性長とともに増大し２種類のべき法則に従うこと，乱流場の温度揺らぎ分散が乱流場の温度揺らぎがダムケラ数と共に減少することを見出し，大規模数値計算結果と一致することが分かった．
・計算格子サイズ以下の乱流運動（SGS)が格子サイズより大きな渦運動（GS)に及ぼす影響をモデル化する手法を検討した．特に，乱流中の速度勾配場や温度勾配場についてのランジュバン方程式を導出し，大規模数値計算結果と比較検討を行った．GS速度勾配場の確率密度関数（PDF)はよい一致を示したが，GS温度勾配場のPDFはさらに改良がいることが分かった．
・超水滴法を氷晶のある場合に拡張した．降雨、氷晶形成はエアロゾル数密度には敏感である一方，計算結果は観測結果とも定性的に一致する結果を得た．
・第4回の雲乱流についての国際ワークショップを3月9，10，11日にオンラインにより開催した．海外も含めて30名の講演者，総視聴者数は120を超え盛会であった．
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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
・雲粒子成長初期における水蒸気凝結による成長においては，過飽和度揺らぎの特性を知ることが極めて重要である．雲乱流中における過飽和度揺らぎ，雲水混合比の乱流理論の構築に成功した．過飽和度揺らぎスペクトルには3つのべき法則領域が存在すること，べき法則の移り変わりの波数の見積もりが観測値と一致することが見出されたことは大きな進展である．また，温度特性時間をもつ雲粒子を含んだオイラー・ラグランジュ的数値計算法を新たに開発することができ，上記理論の検証を行うことができた．
・計算格子以下の乱流運動のモデル化をスカラー場にまで拡張し，スカラー勾配の確率密度関数（PDF)の導出を行い，大規模計算による比較検証が進んだ．
・超水滴法を氷晶を含む場合にまで拡張し，積乱雲の成長をシミュレーションできるようになった．
・これらの成果は，8編の論文（審査有７）と33の学会発表（招待講演16)として発表された．また,第8回HPCI成果発表会において，「（課題番号hp200072）雲乱流シミュレータによる乱流混合輸送と雲マイクロ物理過程の解明」が「第8回成果報告会におけるHPCI利用研究課題優秀成果賞」を受賞した．さらに雲乱流に関する第４回国際ワークショップ(http://comphys.web.nitech.ac.jp/cloud4.html)をオンライン開催した．講演者29名，視聴者120名以上の盛会であり，多くの講演者から大きな支持を得た．
・以上より研究は順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
・エアロゾル数密度やエアロゾル粒径分布を変化させCMS計算を行い，MTUのShaw教授(協力)らの実験と比較して雲粒子生成機構の詳細な解析を行う．同時に，雲粒子数密度を増大させて，雲粒径分布関数の変化を解析する.また，この計算を応用して，シュミット数無限大のスペクトルを解析する．
・高レイノルズ数の乱流混合シミュレーションを実行し，速度，変形速度テンソル，運動エネルギーおよびスカラー分散の散逸率のモーメントや確率密度関数のレイノルズ数依存性を調べる．
・雲粒子による過飽和度，雲水混合比揺らぎのスペクトル変調理論を構築し，雲乱流場の大規模シミュレーションによりこの検証を行う．
・雲乱流DNSにより得られた場から乱流モデリングのための粗視化データを生成し，数理モデルと比較してモデルの改良を行う．特に，ラグランジュ的視点に立って，速度，変形速度テンソル，過飽和度の2時刻相関関数の数理モデルが如何に切断波数に依存するかを解析する．
・雲中の小さい領域を対象にして，温度・過飽和度・速度などのLESモデルを組み込んだ超水滴法による雲乱流計算とDNSによる計算結果を比較しながら，超水滴法計算手法の高精度化を行う．
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[Journal Article] Progress and challenges in modeling dynamics-microphysics interactions: from the Pi chamber to Monsoon convection2022
Author(s)
Xue, L., Bera, S., Chen, S., Choudhary, H., Dixit, S., Grabowski, W. W., Jayakumar, S., Krueger, S., Kulkarni, G., Lasher-Trapp, S., Mallinson, H., Prabhakaran, T., & Shima, S.
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Journal Title
Bulletin of the American Meteorological Society
Volume: 103(5)
Pages: E1413-E1420
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Report of the isolated cumulus congestus case from the International Cloud Modeling Workshop 2021: comparison between Eulerian bin and Lagrangian particle-based microphysics2021
Author(s)
S.Shima, W.W.Grabowski, K.K.Chandrakar, J.Chen, K.Choi, P.Dziekan, A.Kim, T.Matsushima, S.Nishizawa, Y.Sato, L.Xue, S.S.Yum, Piotor Zmijewski
Organizer
International Conference on Clouds and Precipitation 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Summary of the 10th International Cloud Modeling Workshop2021
Author(s)
L.Xue, S.Dixit, S.Chen, S.Krueger, S.Shima, W.W.Grabowski, S.Lasher-Trapp, H.Mallinson, G.Kulkarni, S.Bera, T.Prabhakaran
Organizer
International Conference on Clouds and Precipitation 2021
Int'l Joint Research
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