14:30 〜 14:45
[PPS07-14] 火星大気高解像度ラージエディシミュレーションで得られた強い地表面応力をもたらす流れ場の特徴
キーワード：火星、大気境界層、高解像度ラージエディシミュレーション、渦抽出、地表面応力、ダスト巻き上げ
1. はじめに
火星大気中にはダストが存在し, 大気の温度構造に大きな影響を与えていることが知られている. 多くの火星大気大循環モデル (MGCM) では, 地表から大気へのダスト巻き上げを, 大気下端での統計量である地表面応力によって表現する風応力モデルに加え, 統計的には外れ値にあたるが数十から数百 m 程度の渦構造を持ち強い地表面応力をもたらすダストデビルの統計的寄与を熱力学を用いて表現するダストデビルモデルを用いることで実現している (Kahre et al., 2006 など). 火星では, 地表での大気密度が小さく応力値も小さい為, 風応力モデルでのダスト巻き上げに必要とされる最低応力閾値を大循環モデルでの格子点スケールでの応力値がなかなか超えない. 地表面応力の外れ地が寄与する問題である為その定式化が難しいわけであるが, これをいわばバイパスする手段としてダストデビルの存在が着目されてきた. しかし, 大気モデルの高解像度化により境界層の LES 計算が可能となり, ダストデビルをもたらす境界層渦構造が陽に表現できるようになってきた. これを用いれば応力の分布とその外れ値の発生の仕方を陽に検討することが可能となるはずであり, 応力の外れ値の発生をダストデビルという渦構造の存在に押しつけてよいかどうかも検証できるだろう.
そこで, 本研究では, 地表面応力の分布がどのような流れ場構造によってもたらされるのか理解することを目指し, Nishizawa et al. (2016) で得られたデータである高解像度 LES 計算の結果を解析し, 応力場と流れ場の関係を明らかにし, その解像度依存性を調べることを目指す. Nishizawa et al. (2016) は20 km 程度の計算領域における高解像度 LES 計算を用いて火星大気境界層における調査を行なった. 彼らは 10 m 以下の空間スケールを持つ循環構造に注目して調査を行った. その結果, ダストデビルを構成するような孤立渦構造が多数存在しており, その半径や風速の数密度分布が計算解像度に依存することが示された. この計算結果を活用し, 我々はこれまでに, その最大解像度 5 m でのデータを用いて, 地表面応力がダスト巻き上げの閾値とされる 0.03 Pa を超える点が存在すること, そのような地表面応力が強い箇所では, 渦構造を伴う場所と伴わない場所が存在することを示して来た (村橋 他, 2018, 惑星科学会). ここでは, この解析をさらに進め, ダストを巻き上げるような地表面応力が強い場所が渦構造とどの程度関連しているのか, 定量的に示すことにする.
2. データ
本研究では, Nishizawa et al. (2016) で計算された 解像度 5, 10, 25, 50, 100 m のデータを用いて解析を行う. このデータは, RIKEN/AICS で開発された SCALE-LES ver.3 を使用して得られたものである. 計算には, 火星を想定したパラメータ値が用いられている. 計算領域のサイズは水平方向に 19.2 km, 鉛直方向に 21 km である. 加熱・冷却率及び地表温度については, Odaka et al. (2001) による鉛直一次元モデルで 得られた結果を外部から与える. 水平境界条件として周期境界条件を用いる. 初期条件は, Odaka et al. (2001) の鉛直温度分布に 微少な温位擾乱を加えた静止大気とし, 0:00 (地方時) から計算されている. 解像度 5 m のデータは, 解像度 10 m 計算の結果を初期値とし, 14:00 から 15:00 まで 1 時間計算して得られたものである. 本研究では 14:30 のデータを用いる. 地表面応力は, Nishizawa et al. (2016) と同様に, SCALE-LESに組み込まれている Louis (1979) と Uno et al. (1995) のスキームから地表面フラックスを計算し, 求めた. 孤立渦の抽出には Nishizawa et al. (2016) と同じメソッドを用いた.
3. 結果
今回はダストを巻き上げるような強い地表面応力が関連する流れ場構造や渦構造の特徴の詳細について調査した. また 5 m 以外の他の計算解像度において, 地表面応力が強い箇所での流れ場の表現がどのように変化(劣化)するのかについて, その結果を報告する.
火星大気中にはダストが存在し, 大気の温度構造に大きな影響を与えていることが知られている. 多くの火星大気大循環モデル (MGCM) では, 地表から大気へのダスト巻き上げを, 大気下端での統計量である地表面応力によって表現する風応力モデルに加え, 統計的には外れ値にあたるが数十から数百 m 程度の渦構造を持ち強い地表面応力をもたらすダストデビルの統計的寄与を熱力学を用いて表現するダストデビルモデルを用いることで実現している (Kahre et al., 2006 など). 火星では, 地表での大気密度が小さく応力値も小さい為, 風応力モデルでのダスト巻き上げに必要とされる最低応力閾値を大循環モデルでの格子点スケールでの応力値がなかなか超えない. 地表面応力の外れ地が寄与する問題である為その定式化が難しいわけであるが, これをいわばバイパスする手段としてダストデビルの存在が着目されてきた. しかし, 大気モデルの高解像度化により境界層の LES 計算が可能となり, ダストデビルをもたらす境界層渦構造が陽に表現できるようになってきた. これを用いれば応力の分布とその外れ値の発生の仕方を陽に検討することが可能となるはずであり, 応力の外れ値の発生をダストデビルという渦構造の存在に押しつけてよいかどうかも検証できるだろう.
そこで, 本研究では, 地表面応力の分布がどのような流れ場構造によってもたらされるのか理解することを目指し, Nishizawa et al. (2016) で得られたデータである高解像度 LES 計算の結果を解析し, 応力場と流れ場の関係を明らかにし, その解像度依存性を調べることを目指す. Nishizawa et al. (2016) は20 km 程度の計算領域における高解像度 LES 計算を用いて火星大気境界層における調査を行なった. 彼らは 10 m 以下の空間スケールを持つ循環構造に注目して調査を行った. その結果, ダストデビルを構成するような孤立渦構造が多数存在しており, その半径や風速の数密度分布が計算解像度に依存することが示された. この計算結果を活用し, 我々はこれまでに, その最大解像度 5 m でのデータを用いて, 地表面応力がダスト巻き上げの閾値とされる 0.03 Pa を超える点が存在すること, そのような地表面応力が強い箇所では, 渦構造を伴う場所と伴わない場所が存在することを示して来た (村橋 他, 2018, 惑星科学会). ここでは, この解析をさらに進め, ダストを巻き上げるような地表面応力が強い場所が渦構造とどの程度関連しているのか, 定量的に示すことにする.
2. データ
本研究では, Nishizawa et al. (2016) で計算された 解像度 5, 10, 25, 50, 100 m のデータを用いて解析を行う. このデータは, RIKEN/AICS で開発された SCALE-LES ver.3 を使用して得られたものである. 計算には, 火星を想定したパラメータ値が用いられている. 計算領域のサイズは水平方向に 19.2 km, 鉛直方向に 21 km である. 加熱・冷却率及び地表温度については, Odaka et al. (2001) による鉛直一次元モデルで 得られた結果を外部から与える. 水平境界条件として周期境界条件を用いる. 初期条件は, Odaka et al. (2001) の鉛直温度分布に 微少な温位擾乱を加えた静止大気とし, 0:00 (地方時) から計算されている. 解像度 5 m のデータは, 解像度 10 m 計算の結果を初期値とし, 14:00 から 15:00 まで 1 時間計算して得られたものである. 本研究では 14:30 のデータを用いる. 地表面応力は, Nishizawa et al. (2016) と同様に, SCALE-LESに組み込まれている Louis (1979) と Uno et al. (1995) のスキームから地表面フラックスを計算し, 求めた. 孤立渦の抽出には Nishizawa et al. (2016) と同じメソッドを用いた.
3. 結果
今回はダストを巻き上げるような強い地表面応力が関連する流れ場構造や渦構造の特徴の詳細について調査した. また 5 m 以外の他の計算解像度において, 地表面応力が強い箇所での流れ場の表現がどのように変化(劣化)するのかについて, その結果を報告する.