ロスビー波の砕波と飽和理論による大気大循環の乱流エネルギースペクトル:E=mc2 乱流スペクトルの検証

概要

論文の詳細を見る
大気大循環の長周期変動の多くは順圧的な構造を持つ。これは大気の傾圧不安定擾乱が基本場の傾圧性を解消する際に、擾乱のエネルギーを傾圧成分から順圧成分に変換することによる。順圧成分に溜まったエネルギーは２次元流体力学の束縛の中で総観規模からラインズスケールに逆カスケードを生じ、準停滞性プラネタリー波の振幅が臨界値を越えて増幅する。傾圧不安定のプロセスにおいて、総観規模の傾圧成分からエネルギーを供給されて増幅する順圧ロスビー波は、順圧渦位の南北勾配が逆転する振幅に達すると砕波する。この砕波条件からロスビー波の飽和スペクトルを導くと、波のエネルギーEはロスビー波の位相速度cの２乗に比例することが示された。その比例定数は単位面積あたりの大気の質量mとなり、E=mc2の飽和スペクトルが導かれる。これは観測と一致する。本研究では、傾圧大気のエネルギースペクトルは波数の-3乗則に従う一方で、順圧成分のエネルギースペクトルは、ロスビー波の飽和理論に従い、波数の-4乗則に従うことをデータ解析により確認した。
日本学術会議「機械工学委員会・土木工学・建築学委員会合同IUTAM分科会」の論文