[論文レビュー] Large-eddy simulations of geophysical turbulent flows with applications to planetary boundary layer research

Igor Esau|ArXiv.org|Jul 1, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 86被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、大規模済み乱流シミュレーション（LES）が地球物理学的乱流流れに応用されたものについてレビューし、特に境界層研究の進展におけるその重要な役割に焦点を当てる。LESは微小済み乱流を解像可能にし、対流およびせん断支配の状態における境界層（PBL）の重要なパラメータ、例えば混合層上部の混合率や垂直構造の正確な推定を可能にし、気象・気候モデルにおけるパラメータ化の改善に寄与する。

ABSTRACT

The present study gives an overview and emphasizes principal moments of the applications of the turbulence-resolving modeling with large-eddy simulation (LES) numerical technique to planetary boundary layer (PBL) research and climate studies. LES proved to be very useful in understanding of the atmospheric and ocean turbulent exchange and ultimately in parameterization improvement in traditional meteorological models. LES have played a key role in recognizing the importance of previously ignored self-organized structures in the geophysical turbulence. LES assisted theoreticians and weather/climate modelers with reliable information about the averaged vertical structure of the PBL in convection and shear regimes as well as with better estimations of key PBL parameters, e.g. an entrainment rate, for model calibrations. At present, LES are an essential, indispensible part of geosciences, while the mainstream of the LES research still deals with idealized case studies with rather simple micro-physics.

研究の動機と目的

• 大規模済み乱流シミュレーション（LES）が、境界層（PBL）における地球物理学的乱流流れの理解をどのように進めたかを評価すること。
• LESが、従来のモデル化で見過ごされてきた、自己組織的構造の同定に果たした貢献を強調すること。
• 対流およびせん断状態下でのPBLの平均的垂直構造に関する信頼できるデータを提供すること。
• 混合層上昇率などの主要なPBLパラメータの推定値を改善することで、モデルのキャリブレーションを支援すること。
• LESを、理想化された状況および応用的文脈における乱流解像型研究のための不可欠なツールとして確立すること。

提案手法

• 大気および海洋流れにおけるサブグリッドスケール乱流運動を解像するための大規模済み乱流シミュレーション（LES）手法の応用。
• 基本的な乱流ダイナミクスを隔離するために、簡略化されたミクロフィジックスを用いた理想化されたケーススタディのLESシミュレーション。
• 対流支配およびせん断支配の両状態下での境界層（PBL）の数値モデリング。
• 解像された乱流構造の分析を通じて、流れ変数の統計的および平均的垂直プロファイルの抽出。
• LESの結果を理論的予測および従来のモデルパラメータ化と比較。
• 気象・気候モデルの開発におけるLES出力の統合を通じて、物理的パラメータ化の改善。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模済み乱流シミュレーション（LES）は、境界層における乱流輸送プロセスの表現をどのように改善するか？
• RQ2 自己組織的乱流構造は地球物理学的流れにおいてどのような役割を果たし、LESはそれらをどのように捉えているか？
• RQ3 LESは、混合層上昇率などの主要なPBLパラメータについて、どれほど信頼できる推定値を提供できるか？
• RQ4 LESの結果は、従来の気象・気候モデルにおけるパラメータ化の改善にどのように寄与するか？
• RQ5 理想化された条件下でのPBLダイナミクスのシミュレーションにおいて、現在のLESアプローチの長所と短所は何か？

主な発見

• LESは、地球物理学的流れにおいて従来見過ごされてきた自己組織的乱流構造の同定と定量に不可欠な役割を果たした。
• LESは、対流状態およびせん断状態下の境界層（PBL）の垂直構造について、正確な推定値を提供した。
• PBLの主要なパラメータの一つである混合層上昇率は、LESシミュレーションによってより良好に制約され、モデルのキャリブレーションが可能になった。
• LESの出力は、大規模気象・気候モデルにおける乱流パラメータ化の検証および精緻化に不可欠な役割を果たしている。
• 進展は見られたが、LES研究の主流は依然として、簡略化されたミクロフィジックスを用いた理想化ケースに集中している。
• LESは、PBLおよび気候研究を含む、乱流解像型研究における地球科学分野の不可欠なツールとなった。