潮流によって形成される海底境界層の 不安定とその混合効果 中間報告 坂本圭 2004.07.07 1 はじめに(1) エクマン流の不安定 Vと表記 Uと表記 変曲点→タイプI不安定 内部流方向のシアー →タイプII不安定 どちらの不安定も、内部流 に対してほぼ直交する平面 で循環セル(v,w)を形成する。 1 はじめに(2) 不安定の構造 Kaylor and Faller 1972 u 循環セルパターン(v,w タイプI) 空間スケールはエクマン層の厚さで規格化 1 はじめに(3) 擾乱エネルギー Uからuへ タイプII Kaylor and Faller 1972 タイプI Vからvへ E:uの擾乱 エネルギー uからvへ 粘性 粘性 K:v,wの擾 乱エネル ギー P:擾乱の位 置エネル ギー 拡散 値はE+K+Pで規格化 1 はじめに(4) 振動流の海底境界層 内部流が三角関数で表せるとする。 反時計回りと時計回りの回転流の和で書ける(Davies 1985)。 反時計回りの回転流の粘性境界層内の流速は以下となる (Fang and Ichiye 1983)。 臨界緯度付近 ではシアーが海底から高くまで存在。 1 はじめに(5) 目的 研究のテーマ： 振動流によって形成される海底境界層の不安定は、 1.定常流によるエクマン層の不安定と力学的に異なるか？ 2.鉛直スケールなど量的な差はどのようなものか？ 3.どの範囲でどの程度の混合効果があるか？ 中間報告の内容： 2章 モデル 3章 極と中緯度海域における混合効果 4章 密度一様流体の解析 4.1 準定常流 4.2 振動流(1ケースのみ) 2 モデル U(t)=-Utidecos( 2π×t / (12*3600) ) 鉛直2次元、非圧縮、ブシネスク近 似、リジッド・リッド条件。 渦度ζと流線関数ψを用いる。 •渦拡散・粘性係数ν =50cm2/s,κ=5cm2/s •コリオリ・パラメータf=-1.4×10-4s-1 •重力加速度g=980cm/s2 •標準密度ρ0=1.027g/cm3 3 極と中緯度海域における混合効果 図5 トレーサー濃度分 布(40日目) 初期分布は水平一様 で海底から25mまで1.、 それより上で0.。 不安定による見かけの 混合係数の評価 4.1 準定常流 基本場 m U V 海底から15m に変曲点 cm/s 図5 UとVのプロファイル、鉛直勾配のプロファイル 4.1 擾乱場 図6 擾乱場の流線関数とv:Kaylor and Faller(1972)との比較 fの符号が異なる点に注意 海底エクマン層の上端付近で鉛直 流が強い 4.1 擾乱場へのエネルギー 100m 等値線間隔5.0×10-5cm2/s3 Uからu 0m タイプI Vからv vからuへ 等値線間隔5.0×10-6 タイプII 10日 11日 4.1 混合効果 実線:f=-1.4×10-5 点線:f=-9.3×10-5 破線:f=-3.5×10-5 海底エクマン層の上端付近 で混合が強い 4.2 振動流 基本場 内部領域の流れ シアー 12時間周期、f=-1.4×10-5では R+=0.98Utide R-=0.017Utide ほぼ反時計回り流となる。 臨界緯度付近の潮流再現実験の 結果と一致(Pereira et al. 2002)。 4.2 擾乱場 Utide =5cm/sのケースは 不安定だった。 左図：擾乱の流線関数 とv。水平波長は約 230m。 特に海底から100m程 度までで強いが、擾乱 場の鉛直スケールは ほぼ全水深。その構造 は複雑。 4.2 擾乱場へのエネルギー 等値線間隔1.0×10-6cm2/s3 Uからu V U Vからv の時刻 6時 vからuへ 12時 18時 の時刻 タイプII y方向に構造 が持てないの でエネルギー 供給は小さい V U タイプII 4.2 混合効果 海底から100mから300m で混合が強い 回転流だから？ それとも潮流周期と慣性周期が近いので境界層 が厚くなるから？ → ｆを変えて、ケーススタディを行う。 5 まとめと課題 成層実験： 極域のfと成層で行った実験では、不安定によって見かけの拡散係 数が212cm2/sにもなる混合が起こり、40日間の実験で海底から160mま でほぼ一様化された。 中緯度の実験では不安定は弱く、見かけの拡散係数は2.1cm2/s程度 であった。 密度一様実験： 定常流ではタイプIの不安定が起こり、その海水混合効果は海底エ クマン層付近に限定されていた。 慣性周期と周期が近い振動流ではタイプIIの不安定が起こり、その 混合効果は海底から100～300mに現れた。 課題： 1.コリオリ・パラメータを変更した振動流実験 2.成層の安定化の効果 3.海底地形による不安定化の効果 1 はじめに(1) 斜面沈降流
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