2020 Fiscal Year Research-status Report
PIV観測と格子ボルツマン解析による安定成層時の植生キャノピー内乱流輸送の解明
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20K04057
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
渡辺 力 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60353918)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下山 宏 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (50391115)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 乱流輸送 / 植物キャノピー / PIV観測 / 格子ボルツマン法 / 大気安定度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、コロナウィルス感染症拡大の影響でフィールド観測の実施が制限されたため、まず次年度以降の本観測に向けた観測手法の改良を行った。PIV観測に関しては、従来用いた撮影機材をアップデートし、乱流構造の映像をより鮮明に取得するための改良を行った。これまでは、解析可能となる品質の画像を取得するために、感度とノイズ及び時間分解能それぞれの設定要素を観測毎に手探りで検討する必要があったが、今回のシステム更新により過去のベストな設定で得られたものより高品質な画像を、観測環境に依存せずに安定して取得することができる。テスト実験では、およそ4倍の品質向上となる撮影設定が可能であることが確認され、非常に難易度の高かった従来の撮影設定問題が大幅に改善された。また、PIV観測と合わせて用いる微気象学的手法についても新たな観測システムの構築を行った。特に、微気象学的観測を多点で展開するために、観測地点間での時系列を0.1秒以内で同期させるGPS時刻を用いたシステムの準備を行った。以上により、異なる2つの手法で乱流の空間構造を観測するシステムの準備が整った。
一方、非中立条件での植生乱流を再現する数値モデルの開発に向けて、植生層における乱流とそれによる受動スカラー量の移流拡散を、格子ボルツマン法によって再現する数値モデルを構築した。各種統計量の解析結果が、ナビエ・ストークス方程式と移流拡散方程式に基づく従来のモデルと同等であり、観測事実とも整合的であったことから、モデルの妥当性が検証された。また、このモデルを用いて、群落下の地表面（林床）付近におけるスカラー量輸送に寄与する乱流の時空間構造を解析し、群落高の数倍に及ぶ背の高い構造をもつ乱流渦が、群落下の地表面付近と群落上の大気の間でダイレクトな輸送を引き起こしていることを明らかにし、これらの成果を国際誌に投稿した。
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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2年度は、コロナウィルス感染症拡大の影響でフィールド観測の実施が制限されたため、現地における観測システムのテスト運用を行うことができなかった。そのため、観測的な面ではやや計画よりも遅れが生じた。一方、数値モデルの開発・検証については、当初の計画にはなかった、中立条件下における受動スカラー量の植生キャノピー下層部への輸送に寄与する乱流の時空間構造の解析が進展し、その成果を取りまとめて国際誌に投稿することができた。これらを総合すると、本研究計画はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、観測的アプローチとして、PIV観測システムを用い、森林内における乱流の空間構造を観測する。シート状のレーザー光で可視化された2次元断面内における風の動きをトレーサーとレーザー光で可視化し、数10cm間隔の格子点上での風速変動を同時に測定する。求められた風速やトレーサーの移動パターンを基に、スウィープやイジェクションと呼ばれる輸送に寄与する乱流イベントを検出して、それらの発生頻度や輸送効率などについて大気安定度ごとの統計を求める。さらに、各イベント時における風速の空間変動を安定度別にコンポジットすることにより、輸送に寄与する乱流の空間構造と大気安定度との関係を明らかにする。ただし、今後の感染症拡大の状況によっては、多人数の参加を要するPIV観測の実施は控え、それに代えて鉛直1次元での微気象学的観測を実施することにより、輸送に寄与する乱流構造と大気安定度との関係を統計的に明らかにする。
また、数値モデル解析については、従来の計画通り、非中立時の乱流とスカラーの移流拡散を再現するモデルを完成させ、自然対流や熱輸送を伴うキャビティ流など、浮力が関与する基本的な流れの再現性や、本研究で実施される観測結果との整合性を確認しながら開発・検証を進める。このモデルを用い、大気安定度や植生条件を変えた数値実験を実施。運動量・熱フラックスおよび乱流運動エネルギーの収支式における各項のウェーブレット解析や速度・スカラー場の相関解析などを用いて、スウィープやイジェクションの時空間構造を各条件別に解析する。それにより、輸送に特に寄与する乱流イベントの構造や、その形成・消滅に関わるメカニズムが、大気安定度に依存してどのように遷移し、結果として輸送効率が時空間的にどのように変動するかを明らかにする。
なお、フィールド観測の実施が著しく制限される場合は、数値解析をより重点的に進める。
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| Causes of Carryover |
本年度は、コロナウィルス感染症拡大の影響で観測現地におけるテスト観測を実施することができなかった。そのため、当該目的に使用予定であった、設置機材等を購入するための消耗品費、旅費及び謝金を使用することができなかったことにより、次年度使用額が生じた。これらの経費は、翌年度に実施される現地観測に際して使用する予定である。
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