[論文レビュー] A practical three dimensional formalism for the ocean, coupling random waves, mean flow, and turbulence

Ardhuin Fabrice, Alastair D. Jenkins|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2005

Ocean Waves and Remote Sensing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、一般化ラグランジュ平均理論を用いて、乱れた波動、平均海流、乱流を結合する三次元形式的枠組みを開発した。これにより、一貫性のある運動量およびエネルギー予算が可能となる。この枠組みは、波動の擬似運動量、平均海流、乱流運動エネルギーを、せん断に依存する乱流の伸びを考慮して統合し、表面の漂流、混合、沿岸予報の改善に直接応用可能な、波動-海流連成スペクトルモデルに適合する。

ABSTRACT

Wave-mean flow equations for mass and momentum conservation in three dimensions, previously obtained with a vertical coordinate transform, are generalized here to random waves, and re-derived from the Generalized Lagrangian Mean equations. Combining the momentum equation with a three-dimensional equation for wave pseudo-momentum yields a set of equations describing the interactions of waves, mean flow and turbulence. Consistent boundary conditions and parameterizations are described. These include a Generalized Lagrangian Mean equation for the turbulent kinetic energy that describes the stretching of turbulence by the shear of the wave-induced Stokes drift. The equations derived here are readily integrated by coupling a spectral wave model to an ocean circulation model, with practical applications to the forecasting of surface drift, upper ocean mixing, coastal ocean circulation, and wave forecasting.

研究の動機と目的

• 乱れた波動、平均海流、乱流を海洋内において一貫性を持って結合する三次元形式的枠組みを構築すること。
• 一般化ラグランジュ平均の枠組みを用いて、波動-平均流相互作用理論を乱流効果を含む形に拡張すること。
• 波動誘発運動量および乱流エネルギー移動のための一貫性のある境界条件およびパラメータ化を確立すること。
• 運用予報に適した、スペクトル波動モデルと海洋循環モデルとの統合を可能にする。
• 波動誘発ストークス漂流が乱流の伸びをどのように変化させ、乱流運動エネルギーに影響を与えるかを記述すること。

提案手法

• 垂直座標変換と一般化ラグランジュ平均（GLM）理論を用いて、三次元の波動-平均流方程式を導出する。
• 波動の擬似運動量方程式を平均流運動量方程式と統合し、波動-平均流-乱流相互作用を記述する。
• せん断に起因する波動誘発ストークス漂流による乱流の伸びを考慮した、GLMに基づく乱流運動エネルギー方程式を組み込む。
• 空海界面および海底界面における運動量およびエネルギーフラックスのための一貫性のある境界条件を導出する。
• 三次元形式的枠組みに整合する波動誘発応力および乱流散逸のパラメータ化を提案する。
• モジュラーかつ数値的に扱いやすい形式を用いて、スペクトル波動モデルと海洋循環モデルとの結合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一貫性のある統一的枠組みを用いて、三次元的に波動-平均流-乱流相互作用をどのように記述できるか？
• RQ2 波動誘発ストークス漂流が、乱流運動の構造およびエネルギーに果たす役割は何か？
• RQ3 波動の擬似運動量、平均流運動量、乱流運動エネルギーは、どのように共通の理論的枠組みを通じて結合できるか？
• RQ4 三次元波動-海流-乱流系における運動量およびエネルギーフラックスのための一貫性のある境界条件は何か？
• RQ5 この形式的枠組みは、波動-海洋循環連成予報モデルに実際にどのように実装可能か？

主な発見

• 一般化ラグランジュ平均理論を用いて、波動-平均流および乱流の相互作用を一貫性を持って三次元的に記述する形式的枠組みが提供された。
• 波動の擬似運動量方程式が平均流運動量方程式と結合され、波動-海流-乱流相互作用のための閉じた方程式系が得られた。
• 波動誘発ストークス漂流のせん断によって生じる乱流の伸びを明示的に考慮した、GLMに基づく乱流運動エネルギー方程式が導出された。
• 空海界面および海底界面における運動量およびエネルギーフラックスのための一貫性のある境界条件が支持された。
• スペクトル波動モデルと海洋循環モデルを結合することで、システムが直接統合可能であり、実用的予報応用が可能となった。
• 波動誘発運動量およびエネルギー移動を捉えることで、表面の漂流、上層海洋の混合、沿岸循環の改善されたモデル化が可能になった。