回転流体における深い対流のプリューム構造

見延 庄士郎 (1,3), 金本 吉仁 (1)*, 岡田 直資 (2),
小沢 久 (3), 池田 元美 (2,3)

(1) 北海道大学・大学院理学研究科・地球惑星科学専攻
(2) 北海道大学・大学院地球環境科学研究科・大気海洋圏環境科学専攻
(3) 地球フロンティア研究システム

深い回転対流におけるプリューム構造を，非静水圧数値モデルを用いて，157の異なる物理パラメータの実験を行なって研究した． 変化させた物理パラメータは，コリオリパラメータ，拡散係数，表面浮力(熱）フラックスである． その結果，自然ロスビー数とフラックス・レイリー数の無次元平面において，２次元(2-D)レジームと３次元(3-D)レジームの分離曲線が，従来よりも高い精度で求められた．

次に，エントロピー増加率最大化仮説について，2-Dと3-D レジームの遷移を調べた．2-Dと3-Dの分離曲線において， エントロピー増加率は仮説と整合的に変化している． このことは，プリュームの振る舞いにおける レジームの遷移を，散逸システムの大極的な熱力学 的視点から理解する可能性を示すものである．

さらに2-Dレジームにおいて渦度の等値面の３次元の可視化によって，従来知られていなかったロール構造とマッシュルーム構造という二つの構造が見出された．ロール構造を特徴づけるのは，深さ１kmの流体中に生ずる水平数kmにおよぶ長いロール状循環で，この循環はロールの軸に直交する平面からわずかに傾いた平面を回転し，その鉛直渦度成分は下向き（高気圧性）を示す．同時に生じている低気圧性循環は，比較的短い楕円形を示す．一方マッシュルームは，上層の高気圧性の渦と下層の低気圧性の渦の対からなり， その渦対は鉛直上向き流によって結び付けられている． あたかも，高気圧性の渦がマッシュルームの傘に， 低気圧性の渦がマッシュルームの茎であるかのように， この渦対構造はマッシュルームに似ている． すでに知られている準安定な渦対からなる ヒートン構造に比べて，マッシュルームはより強い 時間変動をその構造自体に示している．これらの結果は，２次元レジームも上下の安定な渦対からなるヒートンだけでは説明できないことを示している．

corresponding author:
見延 庄士郎　 (minobe@ep.sci.hokudai.ac.jp)
〒060-0810 札幌市北区北十条西八丁目
北海道大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻

*現所属：日本電子計算（株）