Subsections

B. 乱流パラメタリゼーション

1 乱流パラメタリゼーション

Klemp and Wilhelmson (1978) および CReSS で用いられている 1.5 次のクロー ジャーを用いる. このとき乱流運動エネルギーの時間発展方程式は,

631#631 19#19 632#632 (187)

と与えられる. 633#633 は混合距離で, 269#269 とする. 211#211197#197 はそれぞれ浮力と流れの変形速度によ る乱流エネルギー生成項, 634#634 は乱流エネルギー拡散項, 第 4 項は乱流 エネルギーの消散項であり,
635#635 19#19 636#636 (188)
202#202 19#19 637#637 (189)
638#638 19#19 639#639 (190)

である. ここで
640#640 19#19 641#641 (191)
642#642 19#19 643#643 (192)

である. 1.5 次のクロージャーでは速度の 2 次相関量を以下のように表す.
644#644 (193)

また, 176#176 の場合,
645#645 19#19 646#646 (194)
647#647 19#19 648#648 (195)
649#649 19#19 650#650 (196)

と表し, 651#651 の場合,
645#645 19#19 652#652 (197)
647#647 19#19 653#653 (198)
649#649 19#19 654#654 (199)

と表す. ここで 247#247 は運動量に対する渦粘性係数, 248#248 はサブグリッ ドスケールの乱流運動エネルギー, 255#255 は渦拡散係数, 256#256 は相当 温位である. 247#247, 255#255248#248 を用いて以下のように与えられる.
655#655 19#19 656#656 (200)
657#657 19#19 658#658 (201)

パラメータ 659#659 はともに 0.2 である.

1 乱流運動エネルギー方程式の導出(雲が存在しない場合)

Klemp and Wilhelmson (1978) ではB:dEdtについて, 「Deardorff (1975), Mellor and Yamada (1974), Schemm and Lipps (1976) で用いられ ている式と類似のものである」とだけ記述され, その導出の詳細については解 説されていない. それゆえ大気大循環モデルでよく用いられている Mellor and Yamada (1974, 1982) のパラメタリゼーションとの対応が不明瞭であ る. そこで以下では Mellor and Yamada (1973, 1974) の定式化の手順に沿っ て式B:dEdt, レイノルズ応力1, レイノルズ応力 2 - レイノルズ応力4 の導出を行う.

考えているサブグリッドスケール内において, 密度は一定, 動粘性係数や拡散 係数などの物理定数は一定とする. またサブグリッドスケール内での放射の影響は考慮しない. 出発点となる方程式は, Mellor and Yamada (1973) の式 (7) および (8)

660#660 661#661 662#662  
  661#661 663#663  
  19#19 664#664  
  661#661 665#665 (202)


666#666 661#661 667#667  
  19#19 668#668 (203)

および, MY1974:eq(7)において 669#669 とした式
670#670 661#661 671#671  
  19#19 672#672 (204)

である. ここで

673#673


で, 674#674, 675#675 はそれぞれ動粘性係数, 拡散係数, 676#676 は重力加速度ベ クトルの第 677#677 成分である.

MY1974:eq(7)およびMY1974:eq(8)に現れる圧力に関する相関項 および 3 次の相関量については以下の仮定をおく.

  1. 678#678 (圧力による運動エネルギーの再分配)


    679#679

    とおく. ここで 680#680 は乱流の特徴的なスケール, 212#212 は無次元の定数である.

  2. 681#681 (圧力による熱エネルギー再分配)

    1. の導出と同様の考察によって,

    682#682

    とおく. ここでの乱れのスケールは 683#683 とする.

  3. 684#684 (粘性による散逸)

    粘性に関与するような小スケールの現象は等方的とみて 685#685 のみ で表現する.

    686#686

    ここで 687#687 は粘性の及ぶ特徴的スケールである.

  4. 688#688


    689#689

    とおく.

  5. 690#690

    速度変動による 690#690 と考え次のようにおく.

    691#691


    ここで 692#692 はそれぞれの特徴的スケールである.

  6. 693#693 (圧力変動による拡散)


    694#694

    とする. この近似は Deardorff (1975), Schemm and Lipps (1976) でも行われている.

  7. 695#695 (コリオリ項)


    696#696


    697#697

    とする. この近似は Deardorff (1975), Schemm and Lipps (1976) でも行われている.

  8. 698#698


    689#689 (205)

    とする.

以上の近似をMY1974:eq(7), MY1974:eq(8), qの予報式 に対して行うと, 以下の式を得る.
699#699 700#700 701#701  
  19#19 702#702  
    703#703 (206)
704#704 700#700 705#705  
  19#19 706#706 (207)
707#707 661#661 708#708  
  19#19 709#709 (208)

ここで

710#710

である. これらは Mellor and Yamada (1974) の Level 4 モデルの式に対応 する式である.

MY1974:Level4(1), MY1974:Level4(2), MY1974:Level4(3)に対し, さらに以下の近似を加える.

これらの近似を行うと, 式MY1974:Level4(1), MY1974:Level4(2), MY1974:Level4(3)は
714#714 19#19 715#715 (209)
716#716 19#19 717#717 (210)
707#707 19#19 718#718 (211)

となる. MY1974:Level1(1)は Mellor and Yamada (1974) の Level 1 モデルの 719#719 の式である. MY1974:Level1(2)は Mellor and Yamada (1974) の Level 1 モデル の 720#720 の式で 721#721 の項を無視したものに対応する. MY1974:Level3(1) は Mellor and Yamada (1974) の Level 3 モデ ルの 722#722 の式において, 3 次相関項を無視し粘性拡散項を残したものに 対応する.

雲が存在しない場合, 723#723, 724#724 は保存量であるので, 723#723, 724#7241#1 と同一形式の時間発展方程式を満たす. 従って, 720#720 を導いたのと同様 の近似を行なうことにより, 次式を得る.

725#725 19#19 726#726 (212)
727#727 19#19 728#728 (213)

但し 729#729, 730#730 は各物理量に関する乱れのスケールである.

731#731 とし, 685#685248#248 で表し動粘性係数を乱流拡散係数で置き換えると

714#714 19#19 732#732 (214)
733#733 19#19 734#734  
  19#19 735#735 (215)
631#631 19#19 736#736 (216)

となり, 乱流エネルギーの式は散逸項の係数を除きB:dEdtに一致 する.

以上より, Klemp and Wilhelmson (1978) の乱流パラメタリゼーションは, Mellor and Yamada (1974) の Level 3 モデルと Level 1 モデルとを組みあ わせたものと理解することができる. Klemp and Wilhelmson (1978) と同様に 乱流運動エネルギーのみ予報し他の相関量は診断的に求めるモデルとして Mellor and Yamada (1974) の Level 2.5 モデルがある. しかし Level 2.5 モデルは Level 3 モデルと Level 2 モデルとの組合せであることに注意が必 要である.

2 乱流運動エネルギー方程式の導出(雲が存在する場合)

飽和湿潤過程における熱力学的保存量は 256#256, 724#724 である. そこで浮力項の中の 103#103, 737#737 738#738, 739#739 で表す.

飽和状態における物理量には * 印を付すことにする. 飽和比湿 740#740 を基本場近傍で Taylor 展開すると,

741#741 399#399 742#742  
  19#19 743#743 (217)

となる. 比湿の定義より,
744#744 19#19 745#745  
  19#19 746#746  
  19#19 747#747  
  19#19 748#748 (218)
749#749 19#19 750#750  
  19#19 751#751 (219)

が成り立つ. 但し moistturb2 の変形の途中で Clausius-Clapeyron の式
752#752     (220)

を用いた. moistturb2, moistturb3 を moistturb1 に代入す ると,
753#753 19#19 754#754 (221)

となる. ここで
755#755 (222)

となることに注意すると,
753#753 19#19 756#756  
  19#19 757#757 (223)

となる. moistturb6 より
758#758 19#19 759#759 (224)

が得られる. B.1.1 節同様, 760#760 とすると,
758#758 19#19 761#761 (225)

となる. 相当温位の定義より,
762#762 399#399 763#763  
  19#19 764#764  
  19#19 765#765 (226)

となる. moistturb9 より
766#766 19#19 767#767 (227)

となる. moistturb8, moistturb10 より
768#768     (228)

738#738, 739#739 は保存量なので, B.1.1 節での 1#1 と同一形式の時間発展方程式を満たす. 従って,

769#769 19#19 770#770 (229)
727#727 19#19 771#771 (230)

を得る. 但し 772#772, 773#773 は各物理量に関する乱れのスケールである.

774#774 とし, 685#685248#248 で表すと,

714#714 19#19 732#732 (231)
733#733 19#19 734#734  
  19#19 775#775  
    776#776  
    777#777 (232)
631#631 19#19 778#778 (233)

となる.

3 3 次元の場合の表現

3 次元の場合のB:dEdt式の各項を書き下す. 先ず浮力による乱流エネルギー生成項を書き下す. 雲が存在しない場合,

635#635 19#19 779#779  
  19#19 780#780  
  19#19 781#781 (234)

である. また雲が存在する場合,
635#635 19#19 779#779  
  19#19 780#780  
  19#19 782#782  
    266#266  
    783#783 (235)

となる. 次に流れの変形速度による乱流エネルギー生成項 197#197 は,
202#202 19#19 784#784  
  19#19 785#785  
  19#19 786#786  
  19#19 787#787  
    788#788  
    789#789  
  19#19 790#790  
    791#791  
    792#792  
  19#19 793#793  
    794#794  
    795#795 (236)

である. 乱流エネルギー拡散項 634#634 は,
638#638 19#19 796#796  
  19#19 797#797 (237)

である. 以上の B, S, De 式を B:dEdt 式 に代入することで雲が存在しない場合の乱流エネルギーの式を得る.
631#631 19#19 798#798  
    799#799  
    794#794  
    262#262  
    800#800  
    801#801 (238)

B:E を用いて 802#802248#248 で書き換えると, 以下の式が得 られる.
257#257 19#19 258#258  
    259#259  
    260#260  
    261#261  
    262#262  
    263#263  
    803#803 (239)

また B-moist, S, De 式を B:dEdt 式 に代入することで雲が存在する場合の乱流エネルギーの式を得る.
631#631 19#19 782#782  
    266#266  
    804#804  
    799#799  
    794#794  
    262#262  
    800#800  
    805#805 (240)

B:E を用いて 802#802248#248 で書き換えると, 以下の式が得 られる.
257#257 19#19 258#258  
    265#265  
    266#266  
    267#267  
    260#260  
    261#261  
    262#262  
    263#263  
    803#803 (241)

Yamashita Tatsuya 2010-04-14