[論文レビュー] Direct Simulations of Wind-Driven Breaking Ocean Waves with Data Assimilation

Douglas G. Dommermuth, Christopher Lewis+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2014

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 67被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高次スペクトル（HOS）シミュレーションと対数プロファイル風データを、カルテシアンベースの大渇乱シミュレーション（LES）と体積フラッド（VOF）界面追跡を組み合わせた数値流体解析（NFA）コードに統合するデータ同化フレームワークを提示する。この手法により、風により駆動される波の破壊を直接的に位相分解能でシミュレート可能となる。本手法は、波の破壊、ラングミュール渦の形成、風帯の発生を高帯域・位相分解能で再現可能であり、上層海洋では5 cm/s、下層大気では0.4 m/sの垂直混合率を明らかにした。

ABSTRACT

A formulation is developed to assimilate ocean-wave data into the Numerical Flow Analysis (NFA) code. NFA is a Cartesian-based implicit Large-Eddy Simulation (LES) code with Volume of Fluid (VOF) interface capturing. The sequential assimilation of data into NFA permits detailed analysis of ocean-wave physics with higher bandwidths than is possible using either other formulations, such as High-Order Spectral (HOS) methods, or field measurements. A framework is provided for assimilating the wavy and vortical portions of the flow. Nudging is used to assimilate wave data at low wavenumbers, and the wave data at high wavenumbers form naturally through nonlinear interactions, wave breaking, and wind forcing. Similarly, the vertical profiles of the mean vortical flow in the wind and the wind drift are nudged, and the turbulent fluctuations are allowed to form naturally. As a demonstration, the results of a HOS of a JONSWAP wave spectrum are assimilated to study short-crested seas in equilibrium with the wind. Log profiles are assimilated for the mean wind and the mean wind drift. The results of the data assimilations are (1) Windrows form under the action of breaking waves and the formation of swirling jets; (2) The crosswind and cross drift meander; (3) Swirling jets are organized into Langmuir cells in the upper oceanic boundary layer; (4) Swirling jets are organized into wind streaks in the lower atmospheric boundary layer; (5) The length and time scales of the Langmuir cells and the wind streaks increase away from the free surface; (6) Wave growth is very dynamic especially for breaking waves; (7) The effects of the turbulent fluctuations in the upper ocean on wave growth need to be considered together with the turbulent fluctuations in the lower atmosphere; and (8) Extreme events are most likely when waves are not in equilibrium.

研究の動機と目的

• 従来のHOS手法の制限を超えて、風により駆動される波の破壊を高精度・位相分解能でシミュレート可能なデータ同化フレームワークの開発。
• HOSと現場測定の帯域幅および物理的忠実度の制限を克服するため、高解像度のLES-VOFソルバー（NFA）にデータを統合。
• 上層海洋および下層大気境界層におけるラングミュールセル、風帯、風帯の形成とダイナミクスの解明。
• 非平衡状態および波の破壊状態下での垂直混合プロセスと波の成長ダイナミクスの定量的評価。
• サブスケール乱流モデルに依存せず、ナギングを用いて波および乱流統計を直接強制可能にすることによる実現。

提案手法

• N時間ステップごとに逐次的に行われるデータ同化により、低波数成分の波および平均風・漂流プロファイルをナギングで制約する。
• JONSWAP波スペクトルのHOSシミュレーションをNFAの波動部の流れを駆動するために同化し、高波数成分は非線形相互作用および波の破壊によって自然に形成される。
• 平均風および風漂流の対数プロファイルをナギングして、流れの渦的成分を制約するが、乱流フラクチュエーションはエネルギーのスケーリングおよび渦度生成によって自然に発展する。
• NFAコードは、自由表面のダイナミクスおよび波の破壊を高解像度で捉えるために、インクリメント時間積分とVOF法を用いたカルテシアングリッドを採用する。
• 本フレームワークにより、波の破壊、乱流、空海相互作用を、現実的なエネルギー移動および散逸メカニズムとともにシミュレート可能である。
• 本手法は、実際のレーダー、光学、または現場測定による波、風、漂流流のデータを、一般化して統合可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風により駆動される波の破壊は、どのように風帯やラングミュールセルといった一貫性のある構造へと組織化されるか？
• RQ2 波の破壊中に、上層海洋および下層大気における垂直混合のダイナミクスと時間スケールは何か？
• RQ3 非平衡状態下、特に波の破壊時に、波の成長はどのように変化するか？
• RQ4 大気および海洋内の乱流フラクチュエーションは、波の発達にどのように相互作用するか？
• RQ5 NFAのような高解像度LES-VOFコードにデータ同化を適用することで、風帯のような大規模な渦的構造を観測と正確に再現できるか？

主な発見

• 風帯は、波の破壊および渦を形成するジェットの生成によって生じ、大気および海洋の両方で一貫性のある構造へと組織化される。
• 上層海洋境界層におけるラングミュールセルおよび下層大気境界層における風帯は、渦を形成するジェットの組織化によって生じ、自由表面から離れるに従い、長さおよび時間スケールが増加する。
• 垂直混合率は、海洋の上層15メートルでは約5 cm/s、大気の下層50メートルでは0.4 m/sであり、空海界面を越えて急速な粒子拡散が観察された。
• 自由表面から20 cm以内にあった粒子は4分間で10メートルの深さまで拡散し、大気中の粒子は2分未満で50メートル上昇した。
• 波の成長は非常にダイナミックであり、特に波の破壊時に顕著で、非平衡状態は極端な波の発生確率を著しく高める。
• データ同化フレームワークにより、サブスケール乱流モデルに依存せず、ナギングを用いて波および乱流統計を直接強制可能であり、より物理的に整合性のある代替手段を提供する。