2022 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 | エアロゾル / 過飽和度 / エネルギ散逸率 / エンストロフィー / 雲乱流 / 確率密度関数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
雲粒子生成の核となるエアロゾルの乱流輸送、雲粒子成長の源である過飽和度の乱流混合輸送、そして乱流の特性を表す最も重要な特性量であるエネルギー散逸率とエンストロフィー（渦度の2乗）の揺らぎを表す確率分布関数(PDF)について、理論および大規模シミュレーションを駆使した解析を行った。
エアロゾルは、分子拡散が無視できるシュミット数無限大のスカラーとみなせる。このエアロゾルの空間揺らぎのスペクトルを数値的にシミュレーションすることには大きな困難を伴う。無限小サイズの流体粒子に仮想的なスカラー量を担わせるとともに、それが固有の特性時間でもって周囲の環境に応答するという数値モデルを導入し、これによって高レイノルズ数乱流により輸送される無限大シュミット数のスカラー分散スペクトルを計算することに成功し、乱流理論と一致する結果を得、さらにスペクトル強度を決めるバチェラー定数をも得た。 一方、エアロゾル周囲の過飽和度は、エアロゾルの数密度に依存する特性時間でもってその揺らぎの振幅が変動する。この過飽和度揺らぎのスペクトルには2つのk^{-5/3}領域が存在することが昨年度までの理論研究により示されていたが、大規模シミュレーションにより、理論と一致する2つのべき的スペクトルの存在を得ることに成功した。
乱流におけるエンストロフィーのPDFのすそ野はエネルギー散逸率のそれよりも常に長い。これは長い間謎とされてきた。理論的解析および多数の大規模シミュレーションを駆使することにより、２つのPDFがレイノルズ数とともにそのすそ野を広げてゆくこと、両PDFが引き延ばされたガンマ分布であること、そしてすそ野の長さの違いは、エネルギー散逸率とエンストロフィーの定義式における項の数の違いから生ずるものであることを理論的に示し、大規模シミュレーションでも確認され理論の正当性を確認した。
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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
シュミット数無限大のスカラー分散揺らぎの理論は昨年度発表され、今年度はこのため新たな数値シミュレーション技法を開発し、大規模シミュレーションを実行して理論の正当性を検証することができた。この新手法は、これまで誰もなしえなかった高レイノルズ数での無限大シュミット数のスカラー揺らぎの計算手法を提供するものであり、大きな進展である。過飽和度揺らぎの2つのべき的スペクトルの存在を大規模直接数値シミュレーションで確認できたことは、大きな成果であり、雲乱流中の雲粒子成長モデリングに大きな知見をもたらすものである。さらに、エネルギー散逸率とエンストロフィーの２つのPDFのすそ野の違いがなぜ生じるのかについては多くの研究がなされてきたにもかかわらずその理由は不明であった。理論的な説明を与え、それを大規模シミュレーションで確認するだけでなく、さらに踏み込んだ３つの理論的予測を行い、いずれも大規模シミュレーションにより確認された。また、高レイノルズ数乱流の実験について重要な示唆を与えることができた。年度末ではあるが、Prof. Gorokhovski(LMFA, Ecole Centrale de Lyon, Ecully,France)を招聘し、乱流中における水滴の分裂、粒子を含んだ乱流のLESなどについてのセミナーを国内3か所で開催した。さらに同教授と乱流と粒子のLESモデリングについてかなり突っ込んだ議論を長時間にわたって行い、今後の研究について大きな示唆をえることができた。以上より、今年度は大きな進展が得られたと判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで得られた成果を早急に論文として公表することを目指す。すでに１つの論文は投稿され、今一つは投稿準備がほぼ完了しつつある。Prof. Gorokhovskiとの議論に基づいて新たな乱流モデリング（ランジュバンモデリング）を雲乱流モデルに取り込みたいと考えている。速度場、過飽和度場の直接数値計算とLESを実行してその検証を行う。また、大規模シミュレーションコードのさらなる改良を進め、計算効率を向上させていく。
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Research Products
(39 results)
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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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