2021 Fiscal Year Research-status Report
Study on liquid water content fluctuation in high Reynolds number turbulence for early detection of rapidly developing clouds
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20K04298
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
松田 景吾 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報基盤センター), 副主任研究員 (50633880)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 雲乱流 / レーダー反射強度 / 乱流クラスタリング / 直接数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，乱流中での雲粒の不均一な分布状態（乱流クラスタリング）によってレーダー反射強度が増加する効果を利用して，豪雨の種となる「ゲリラ雲」を早期に探知するシステムを実現するため，高レイノルズ数乱流中での乱流クラスタリングと水蒸気圧変動による雲水量変動の形成機構を大規模直接数値計算（DNS）により解明し，雲水量変動スペクトルの関数モデルを構築することを目的としている．令和２年度までに，高レイノルズ数一様等方性乱流中の個々の雲粒をラグランジアン的に追跡する大規模DNSを実行し，十分に高いレイノルズ数において，渦度強度が最大となるスケールよりも大きなスケールの新たな大スケールクラスタリングが現れることを明らかにした．令和3年度はこの大スケールクラスタリングの形成機構を明らかにするために，物理空間とスペクトル空間の両方において大スケールクラスタリングと渦構造との関連を調べた．その結果，粒子の慣性力によって粒子が乱流渦からはじき出されて乱流の変形率の大きい領域に卓越して分布する作用（preferential concentration）と高レイノルズ数乱流場の間欠的な性質によって大スケールクラスタリングが形成されることが明らかになった．また，乱流変動の低次モーメントに対して考案された慣性粒子クラスタリングに関する既存のクロージャーモデルでは，大スケールクラスタリングの形成機構を考慮できておらず，新たなモデルの構築が必要となることも明らかになった．また，このような粒子クラスタリングデータに対してウェーブレット解析を応用したマルチスケール統計解析を行った結果，ストークス数によって卓越したクラスターを伴う構造が現れる場合と卓越した空隙を伴う構造が現れる場合があること，およびマルチスケール統計のレイノルズ数依存性を明らかにした．
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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
令和3年度には，高レイノルズ数乱流場での乱流クラスタリングによって雲水量変動スペクトルに及ぼす影響のモデル化と水蒸気圧変動の影響の解明に取り組む計画であった．そのため，令和２年度までに地球シミュレータを利用して実施した3次元高レイノルズ数乱流場の大規模DNSによる粒子クラスタリングデータを詳細に解析した．その結果，新たに発見した大スケールクラスタリングの形成機構を明らかにした．この大スケールクラスタリングが実際の雲乱流でどの程度の影響を及ぼすのかの推定には，乱流の間欠的性質を考慮した新たなモデルの構築が必要であることが明らかになった．そのため，水蒸気圧変動の影響の解明へと進む前に大スケールクラスタリングに関するモデル構築を慎重に進めることとした．クラスタリングの間欠的構造を把握するため，粒子分布に対するマルチスケール統計解析を行い，国際学術誌Phys. Rev. Fluidsに発表するに至った．以上のように，多少計画を変更しながらも論文成果が着実に得られていることから，進捗状況区分を「（２）おおむね順調に進展している。」とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
大スケールクラスタリングの形成機構に基づいて雲水量変動スペクトルの関数モデルの構築に取り組み，実際の雲乱流の条件において大スケールクラスタリングがレーダー反射強度に及ぼす影響の定量的な推定に取り組む．また，乱流中の水蒸気圧変動が雲水量変動に及ぼす影響を明らかにする．そのために，水蒸気圧変動と相変化を考慮したDNSを実行し，大スケールクラスタリングと水蒸気圧変動の相互作用が雲水量変動スペクトルに及ぼす影響を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
当初計画していた情報収集とディスカッションのための外国出張について，コロナ禍の影響により中止を余儀なくされた．コロナ禍状況の改善が見込まれる次年度に，成果発表と国際的な研究協力を加速するための外国出張を実施する予定である．また，大規模シミュレーションデータ等を保存するための大規模データストレージ等の購入を予定していたが，所属機関で発生した情報セキュリティインシデント対応のためにデータストレージ等のネットワーク接続機器の新規購入を遅らせる必要があったことから，次年度の購入へと計画変更した．
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Research Products
(5 results)
