回転成層乱流における波動とエネルギー・フラックス振動

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450069
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 花崎 秀史 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (60189579)
• 研究分担者: 余 偉明 東北大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (60251716) ; 宮嵜 武 電気通信大学, 大学院・電気通信学研究科, 教授 (50142097)
• キーワード: 乱流 / 成層 / 回転 / 慣性重力波 / フラックス振動 / RDT理論

研究概要

大気・海洋流れなどでは、密度成層と回転(地球の自転)の効果が本質的に重要である。気候の数値予測に用いられている大気-海洋大循環モデルでは、乱流など格子サイズ以下の現象については、適当なパラメータを含む項を支配方程式に加えるパラメータ化が行われている。しかし、安定成層時の予測はあまりよい結果を与えないことが知られている。本研究では、成層と回転の同時にかかった系における乱流輸送メカニズムを、乱流理論(Rapid Distortion Theory(RDT))、数値シミュレーション(DNS)、及び、乱流渦モデルによって解明する。最近の研究により、成層乱流においては浮力振動(内部重力波)、回転乱流においては慣性振動(慣性波)の重要性が指摘されつつあるが、本研究の特色は、乱流と波動現象を統一的に理解することにある。
本年度は、RDT理論による解から、慣性重力波と乱流統計量の時間変化の関係をまず明らかにした。浮力のパラメターである浮力振動数N(成層の強さ)と回転効果を表すコリオリパラメターf(回転角速度)の比f/Nが、3方向の乱流運動エネルギーと、浮力に伴うポテンシャルエネルギーの間のエネルギー分配を決定していることを明らかにした。また、より現実的な、粘性・拡散のある場合の解を求めた。DNSとの比較に必要な速度・温度・パッシブスカラーの3次元スペクトル、それらの積分量として得られる乱流統計量(レイノルズ応力、鉛直熱フラックス、乱流運動エネルギー、乱流ポテンシャルエネルギーなど)についての解析を行い、それらの時間発展が、f/N、初期条件(初期の乱流の非等方性、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの比、初期スペクトル形)などにどのように依存するかを解析した。

研究成果

• [文献書誌] H.Hanazaki: "Linear processes in stably and unstably stratified turbulence"J. Fluid Mech. 印刷中. (2002)
• [文献書誌] T.Miyazaki, Y.Furuichi, N.Takahashi: "Quasigeostrophic Ellipsoidal Vortex Model"J. Phys. Soc. Japan. 70(7). 1942-1953 (2001)
• [文献書誌] 西中川遵, 杉野文弘, 宮嵜武: "エッチング加工法における流動現象"日本流体力学会誌「ながれ」. 20(2). 116-126 (2001)
• [文献書誌] W.Sha, K.Nakabayashi: "On the structure and formation mechanism of the spiral Taylor-Gortler vortices in spherical Couette flow"J. Fluid Mech.. 431. 323-345 (2001)
• [文献書誌] 余 偉明: "次世代の大気局地数値モデルの動力学的中核部分の開発"月刊「海洋」. 2月号. 107-112 (2002)
• [文献書誌] 飯野淳, 花崎秀史, 小濱泰昭: "安定成層乱流に対する主流ひずみの効果"日本機械学会論文集B編. 第67巻. 3068-3075 (2001)