大型回転実験装置を用いた地表面冷却による傾圧不安定の室内実験

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14340138
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中村 晃三 東京大学, 海洋研究所, 助手 (20143547)
• 研究分担者: 森 厚 東京学芸大学, 第3部, 助手 (20272627) ; 毛利 英明 気象研究所, 物理気象研究部, 主任研究官 (10354490) ; 新野 宏 東京大学, 海洋研究所, 教授 (90272525)
• キーワード: 傾圧不安定 / 水平対流 / 回転実験 / 境界層 / クールアイランド / 乱流

研究概要

1)回転水槽実験
昨年度作成した実験容器を用いて、大型回転装置上で回転数や底面の冷却温度などを変化させながら、軸対称の循環流と傾圧不安定擾乱が発生する条件を把握すると共に、PIVを用いた流速測定を行い軸対称流や傾圧不安定擾乱の速度場の構造を調べた。PIVに用いるトレーサー粒子は、シダの胞子を同密度の塩水に浮遊させる形で用いるのが最適であることを見つけた。
2)風洞実験
引き続き一般風のある場合の下面冷却によって生じる流れ場の特性を調べるため、大型風洞と回転実験装置上の風洞装置を用いた実験を行った。特に、下面冷却によって生ずる循環流の流速場の構造をドップラー流速計、温度場の構造を白金抵抗温度計によって測定し、発散流と一般流との相互作用を調べた。また、地表面粗度の乱流速度場の確率密度分布に対する影響も明らかにした。
3)理論解析
昨年度求めた、回転系で底面冷却によって生ずる水平対流の非線形解の安定性を回転水槽実験の結果にもとづき調べた。非線形解が相似解を持つことから、非線形解は安定か不安定かのいずれかしかあり得ないが、室内実験では両方とも見られることがわかった。その原因は、室内実験が軸対称2次元で行っているからであり、回転が遅いと変形半径に比べて冷却域の半径が小さく、傾圧不安定性擾乱が発達できないことがわかった。逆にslab-symmetricの2次元非線形解は常に不安定であることが示唆された。
4)数値実験
実験結果と比較するために利用する3次元の数値実験モデルを構築し、その基本特性を調べた。回転2重円筒型の傾圧不安定実験を行い、その特性が良く再現できることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] Hideaki Mouri, M.Takaoka, A.Hori, Y.Kawashima: "Probability density function of turbulent velocity fluctuations in a rough-wall boundary layer"Physical Review E. 68. article number:036311 (2003)
• [文献書誌] Fu, G., H.Niino, R.Kimura, T.Kato: "Multiple polar mesocyclones over the Japan sea on 11 February 1997"Mon.Wea.Rev.. 132. 793-814 (2004)
• [文献書誌] Fu, G., H.Niino, R.Kimura, T.Kato: "A remarkable isolated polar low over the Japan Sea on 21 January 1997 : Part I. Observational analysis"Mon.Wea.Rev.. (in press). (2004)
• [文献書誌] Yanase, W., Eu, G., H.Niino, T.Kato: "A remarkable isolated polar low over the Japan Sea on 21 January 1997 : Part II. Numerical simulation"Mon.Wea.Rev.. (in press). (2004)