Development of a data assimilation method using vibration equation for Large-Eddy Simulations of turbulent boundary layer flows

LES乱流境界層流のための振動方程式を用いたデータ同化手法の開発

中山 浩成   ; 竹見 哲也*

Nakayama, Hiromasa; Takemi, Tetsuya*

データ同化手法は、数値モデルに観測値を入力してより現実に近い結果を出せるように計算値を修正していく技術である。しかしながら、これまでの手法は主に広域スケールを対象とした気象モデルのために開発されたものであり、通常用いられる観測値も10分から1時間程度の間隔で時間平均されたものが多い。そのため、従来の手法は、瞬間的に変化する乱流スケールの風速変動を考慮できず、乱流の非定常計算を行うLarge-Eddy Simulation(LES)モデルには適さないという問題があった。そこで本研究では、振動方程式を使用して平均風速の観測データをLESモデルに融合するデータ同化手法を開発した。まず、試計算により振動方程式中の固有角振動数を接近流が持つ風速変動のピーク振動数よりも小さくすると乱流スケールの短周期変動性状を維持しつつターゲットとする平均風速分布に近づけることが分かった。次に、この固有角振動数をもとに京都市街地で測定された気象観測データを用いてデータ同化を行ったところ、乱流構造を維持しつつターゲットとする平均風速分布に近づけることができた。以上により、振動方程式を用いた本データ同化手法はLESモデルに適合した手法として有効に利用できる可能性が示唆された。

We proposed a data assimilation method using a vibration equation which can incorporate turbulence winds toward target mean winds while maintaining small-scale turbulent fluctuations. First, we conducted test simulations in which nudging is applied in a basic turbulent boundary layer (TBL) flow toward a target one. It was shown that the basic TBL flow can be reasonably nudged toward the target one while maintaining the turbulent fluctuations well, when prescribing the natural frequency in the vibration equation smaller than the spectral peak frequency in the TBL flow. Then, we applied the proposed nudging method by incorporating data obtained from meteorological observations located in the southern part of the actual city of Kyoto. The mean wind velocity profiles are reasonably nudged toward the target observed profile and the turbulence statistics are also favourably maintained. It is concluded that the LES data assimilation method successfully nudges toward the turbulence winds well.