ワークショップ「海洋中・深層循環のモデリング」 2007.01.11
潮流海底境界層における
乱流混合に関する数値的研究
坂本圭
(京都大学大学院・理学研究科)
1 研究テーマ
●潮流海底境界層:回転系において潮流(振動流)が形成する海底境界層
多くの海域で、コリオリ・パラメータfと潮流振動数σはオーダーとして同程度
→地球回転と潮流振動の両方が流れに影響 (Soulsby 1983)
●一般に、シアー不安定に伴う乱流は海水混合に寄与
特に、σ~|f|となる緯度(M2潮では74.5度)で、混合効果は大きいと報告
(Furevik and Foldvik 1996, Makinson 2002)
→深層循環にとって重要な、極海域における高密度水形成過程に影響
(Robertson 2001, Pereira et al. 2002)
●しかし、回転だけ(エクマン層)と振動だけ(ストークス層)を考慮した境界層乱
流研究は数多いが、両方が存在する場合の乱流の振る舞いは明らかでない
回転と振動の効果の比を示すσ/fを変えて非静力実験を行い、潮流海底境界
層における乱流特性と混合効果を調べる
2 数値モデル
モデル領域:矩形海領域
境界条件
海面:リジッド・リッド、非粘着
海底:粘着条件
水平:周期条件
潮流 (振幅8.5cm/s)
支配方程式系 回転系、非圧縮、非静水圧、リジッド・リッド条件、ブシネスク近似
変数を基本潮流場(
)と擾乱場( )に分ける
ν,κ=1cm2/s
実験6ケース σ/f : 0 (エクマン層), 0.5, 0.95, 1.05, 2.0, ∞(ストークス層)
実験群 密度一様、線形成層
3 結果:密度一様
統計的に定常な乱流場を解析
結果:次のouter scaleでスケーリングすることで、
時間:1/||f|-σ| 速さ:摩擦速度u* 長さ:δ=u*/||f|-σ|
ストークス層(振動のみ)を除いて、乱流が相似性を持つことが分かった。
z/δ
例:トレーサーを用いた鉛直渦拡散
係数の見積もり
ストークス層以外、ほぼ相似形
回転のみ(実線),
σ/f=0.5, 0.95,
1.05, 2.0,
振動のみ(点線)
→有次元では|f|~σとなる海域で特に混
合が大きい、これまでの報告と一致
海底
κ / δu*
4 結果:成層
次に、成層の下での乱流混合を評価するために
弱い線形成層(N2=1.0×10-6/s2)の初期場を与えて、時間発展を調べる
z (m)
実験終了時(24潮流周期)の密度鉛直分布
回転のみ(実線),
σ/f=0.5, 0.95,
1.05, 2.0,
振動のみ(点線)
海底
密度 (g/cm3)
密度一様と同じように、σ/f~1で活発な混合
→混合層:他ケースの約2倍の厚さ
4 結果:成層
乱流運動エネルギー(TKE)の解析
TKE供給はほぼ同じ
TKEの時間変化 ~ 0
→TKE供給
~ 粘性による散逸
+位置エネルギー(PE)への変換
一方、PE変換はσ/f~1で大きい
この結果、
混合効率(PE変換/TKE供給)は4%
と他ケースより1桁大きい
潮流海底境界層での乱流混合は
σ/fに大きく依存
現在、混合効率を決める要因につ
いて解析を続けている
回転 σ/f=
振動
のみ 0.5, 0.95, 1.05, 2.0 のみ
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