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deepconv/arare4 : H2O, NH4SH, NH3 の凝縮を考慮した木星雲対流

計算の概要

木星大気における平均的な流れ場と凝結成分の分布を数値的に求める. 標準実験に比べて以下を変更.

• 下部境界での混合比フラックスを拡散的に与える
  • F = K Δq / 0.5 Δz (K = 800 m^2/sec)

計算設定

• 計算領域
  • 水平 512 km,
  • 鉛直 300 km (下端で 30 bar, 上端で 0.00015 bar)
  • 解像度: 水平, 鉛直ともに 2.0 km
• 時間ステップ
  • 長い時間ステップ: 8 秒
  • 短い時間ステップ: 0.8 秒 (音波に対するクーラン数は約 0.4)
• 温度の初期分布:
  • 0 km (30 bar) -- 200 km(0.1 bar) までは等温位(30 bar で温度 490 K, 0.1 bar で温度 100 K)
  • 200 km より上空では等温.
  • 温度勾配に不連続が生じないように, 等温位領域と等温度領域の境界を双曲線関数を用いてなめらかにつなぐ.
• 放射強制:
  • 高度 140 km (2 bar) から高度 200 km (0.1 bar) の範囲で水平一様に -1 K/day の強制.
• 大気成分
  • 乾燥成分気体: H2(g), He(g)
  • 凝結成分気体: H2O(g), NH3(g), H2S(g)
    • 大気深部での存在比は太陽組成の 1 倍
    • 凝結高度より上空では相対湿度 75%
• スポンジ層:
  • 高度 200 km より上空にレイリー摩擦, 緩和時間を 500 秒
• 境界条件
  • 水平境界: 周期境界条件
  • 上下境界: 応力なし, w=0
  • 最下層の熱フラックスは拡散的に与える
    • F = Kπ(θ_1 - θ_boundary)/ 0.5 Δz (K = 800 m^2/sec)
  • 最下層の混合比は拡散的に与える
    • F = K Δq / 0.5 Δz (K = 800 m^2/sec)
• 初期擾乱
  • 高度 110 km に最大 0.5 k の温度擾乱を乱数を用いて与える.
• 計算モデル時間
  • 1e+6 sec (ほぼ 12 地球日)

設定ファイル等

• arare.conf
• ソースファイル

特徴

• 常に活発な対流が生じる
• 密度の時間変化はほぼ定常.
• 温位の式の各成分の寄与
  • 放射と移流と凝結加熱と冷却が釣り合っている
  • 湿潤対流層では正味の加熱冷却はほぼゼロ
• 安定度 N^2
  • 分子量の鉛直勾配の寄与 (青線) の方が温度の鉛直勾配の寄与 (赤線) よりも大きい (とくに H2O 凝結高度付近). NH3 の凝結高度付近では両者の寄与は逆転する.
• 温位の水平平均からの偏差場
  • ときどき H2O の凝結をともなう暖かいプルームが生じる その下に, 落下した雨の再蒸発による冷却域が発生し, それにより冷たいプルームが できる.
  • プルームが対流圏界面に達すると, そこで重力波が生じ, 成層圏を伝播する.
• 水平風
  • 凝結領域では, 層構造を持つようにみえる
  • 加熱率の鉛直分布にみられる加熱層(冷却層)の境界に吹き込む(吹き出す)風がある?
• 鉛直風
  • 乾燥対流領域, 凝結領域ともに風速は 30 m/sec を越える場合がある.
• 乱流拡散係数
  • ほとんどあらかじめ設定した上限値になってしまっている.
• 凝結成分(気体)
  • 流れ場の様子が可視化されてよい感じだ.
  • H2O: 乾燥領域を下降する(冷たい)プルームの運動がよくみえる. 温度差よりも組成の 差が駆動源になっているかもしれない(数字をチェック)
  • NH3, H2S: 雨の蒸発によって生じた正偏差領域は, 水の凝結高度くらいまでしか下降できない.
• 凝結成分(雲)
  • この実験の雲物理過程のパラメータでは, 雲は雨になりやすい(変換時定数 100 sec).
    • H2O: 温位偏差, 上昇流の大きい場所に雲が存在
    • NH4SH: H2O の雲と重なっている
    • NH3: (弱い)上昇域と対応はしている
• 凝結成分(雨)
  • H2O の雨は NH3 の凝結高度まで移流される.

結果一覧

基本場の値	_ExnerBasicZ.png エクスナー関数の基本場	_PressBasicZ.png 圧力の基本場	_PotTempBasicZ.png 温位の基本場	_TempBasicZ.png 温度の基本場	_H2O-gBasicZ.png H2O(g) の基本場	_H2S-gBasicZ.png H2S(g) の基本場	_NH3-gBasicZ.png NH3(g) の基本場	_DensBasicZ.png 密度の基本場	_EffMolWtBasicZ.png 分子量効果の基本場	_VelSoundBasicZ.png 音速の基本場
保存性のチェック	_H2O-all_Density_time-change.png 全 H2O 密度の時間変化	_H2O-all_MixRt-time-change.png 全 H2O 混合比の時間変化	_H2S-all_Density-time-change.png 全 H2S 密度の時間変化	_H2S-all_MixRt-time-change.png 全 H2S 混合比の時間変化	_NH3-all_Density-time-change.png 全 NH3 密度の時間変化	_NH3-all_MixRt-time-change.png 全 NH3 混合比の時間変化
温位の式の各成分の寄与	_PotTempTend_t0100000.png	_PotTempTend_t0200000.png	_PotTempTend_t0300000.png	_PotTempTend_t0400000.png	_PotTempTend_t0500000.png	_PotTempTend_t0600000.png	_PotTempTend_t0700000.png	_PotTempTend_t0800000.png	_PotTempTend_t0900000.png	_PotTempTend_t1000000.png
H2O(g) 保存式の各成分の寄与	_MixRtTendH2O-g_t0100000.png	_MixRtTendH2O-g_t0200000.png	_MixRtTendH2O-g_t0300000.png	_MixRtTendH2O-g_t0400000.png	_MixRtTendH2O-g_t0500000.png	_MixRtTendH2O-g_t0600000.png	_MixRtTendH2O-g_t0700000.png	_MixRtTendH2O-g_t0800000.png	_MixRtTendH2O-g_t0900000.png	_MixRtTendH2O-g_t1000000.png
H2S(g) 保存式の各成分の寄与	_MixRtTendH2S-g_t0100000.png	_MixRtTendH2S-g_t0200000.png	_MixRtTendH2S-g_t0300000.png	_MixRtTendH2S-g_t0400000.png	_MixRtTendH2S-g_t0500000.png	_MixRtTendH2S-g_t0600000.png	_MixRtTendH2S-g_t0700000.png	_MixRtTendH2S-g_t0800000.png	_MixRtTendH2S-g_t0900000.png	_MixRtTendH2S-g_t1000000.png
NH3(g) 保存式の各成分の寄与	_MixRtTendNH3-g_t0100000.png	_MixRtTendNH3-g_t0200000.png	_MixRtTendNH3-g_t0300000.png	_MixRtTendNH3-g_t0400000.png	_MixRtTendNH3-g_t0500000.png	_MixRtTendNH3-g_t0600000.png	_MixRtTendNH3-g_t0700000.png	_MixRtTendNH3-g_t0800000.png	_MixRtTendNH3-g_t0900000.png	_MixRtTendNH3-g_t1000000.png
成層構造	_Stab-mean_t0100000.png	_Stab-mean_t0200000.png	_Stab-mean_t0300000.png	_Stab-mean_t0400000.png	_Stab-mean_t0500000.png	_Stab-mean_t0600000.png	_Stab-mean_t0700000.png	_Stab-mean_t0800000.png	_Stab-mean_t0900000.png	_Stab-mean_t1000000.png
温位の時間・水平平均	_PotTemp-mean_all.png 温位の時間・水平平均	_VPotTemp-mean_all.png 仮温位の時間・水平平均
温位の水平平均値	_PotTemp-mean_t0100000.png	_PotTemp-mean_t0200000.png	_PotTemp-mean_t0300000.png	_PotTemp-mean_t0400000.png	_PotTemp-mean_t0500000.png	_PotTemp-mean_t0600000.png	_PotTemp-mean_t0700000.png	_PotTemp-mean_t0800000.png	_PotTemp-mean_t0900000.png	_PotTemp-mean_t1000000.png
仮温位の水平平均値	_VPotTemp-mean_t0100000.png	_VPotTemp-mean_t0200000.png	_VPotTemp-mean_t0300000.png	_VPotTemp-mean_t0400000.png	_VPotTemp-mean_t0500000.png	_VPotTemp-mean_t0600000.png	_VPotTemp-mean_t0700000.png	_VPotTemp-mean_t0800000.png	_VPotTemp-mean_t0900000.png	_VPotTemp-mean_t1000000.png
凝結性成分気体の時間・水平平均	_gas-mean_H2O-g.png H2O(g) の時間・水平平均	_gas-mean_H2S-g.png H2S(g) の時間・水平平均	_gas-mean_NH3-g.png NH3(g) の時間・水平平均
凝結成分気体の水平平均値. 赤: H2O(g), 緑: H2S(g), 青: NH3(g) 破線は飽和混合比	_gas-mean_t0100000.png	_gas-mean_t0200000.png	_gas-mean_t0300000.png	_gas-mean_t0400000.png	_gas-mean_t0500000.png	_gas-mean_t0600000.png	_gas-mean_t0700000.png	_gas-mean_t0800000.png	_gas-mean_t0900000.png	_gas-mean_t1000000.png
凝結性成分の時間・水平平均	_MixRt-cnd-mean_H2O-s.png H2O 雲と H2O 雨の時間・水平平均)	_MixRt-cnd-mean_NH3-s.png NH3 雲と NH3 雨の時間・水平平均)	_MixRt-cnd-mean_NH4SH-s.png NH4SH 雲と NH4SH 雨の時間・水平平均)
全凝結成分気体の時間・水平平均値. 赤: H2O 雲, 緑: NH4SH 雲, 赤: NH3 雲		_MixRt-cnd-mean_t0200000.png	_MixRt-cnd-mean_t0300000.png	_MixRt-cnd-mean_t0400000.png	_MixRt-cnd-mean_t0500000.png	_MixRt-cnd-mean_t0600000.png	_MixRt-cnd-mean_t0700000.png	_MixRt-cnd-mean_t0800000.png	_MixRt-cnd-mean_t0900000.png	_MixRt-cnd-mean_t1000000.png
温位の水平成分からのずれ	_PotTempAnm_t0100000.png	_PotTempAnm_t0200000.png	_PotTempAnm_t0300000.png	_PotTempAnm_t0400000.png	_PotTempAnm_t0500000.png	_PotTempAnm_t0600000.png	_PotTempAnm_t0700000.png	_PotTempAnm_t0800000.png	_PotTempAnm_t0900000.png	_PotTempAnm_t1000000.png
温位の初期場からのずれ	_PotTemp_t0100000.png	_PotTemp_t0200000.png	_PotTemp_t0300000.png	_PotTemp_t0400000.png	_PotTemp_t0500000.png	_PotTemp_t0600000.png	_PotTemp_t0700000.png	_PotTemp_t0800000.png	_PotTemp_t0900000.png	_PotTemp_t1000000.png
仮温位の初期場からのずれ	_VPotTemp_t0100000.png	_VPotTemp_t0200000.png	_VPotTemp_t0300000.png	_VPotTemp_t0400000.png	_VPotTemp_t0500000.png	_VPotTemp_t0600000.png	_VPotTemp_t0700000.png	_VPotTemp_t0800000.png	_VPotTemp_t0900000.png	_VPotTemp_t1000000.png
無次元圧力	Exner_t0100000.png	Exner_t0200000.png	Exner_t0300000.png	Exner_t0400000.png	Exner_t0500000.png	Exner_t0600000.png	Exner_t0700000.png	Exner_t0800000.png	Exner_t0900000.png	Exner_t1000000.png
水平流速	VelX_t0100000.png	VelX_t0200000.png	VelX_t0300000.png	VelX_t0400000.png	VelX_t0500000.png	VelX_t0600000.png	VelX_t0700000.png	VelX_t0800000.png	VelX_t0900000.png	VelX_t1000000.png
鉛直流速	VelZ_t0100000.png	VelZ_t0200000.png	VelZ_t0300000.png	VelZ_t0400000.png	VelZ_t0500000.png	VelZ_t0600000.png	VelZ_t0700000.png	VelZ_t0800000.png	VelZ_t0900000.png	VelZ_t1000000.png
風速ベクトル	Vel-Vect_t0100000.png	Vel-Vect_t0200000.png	Vel-Vect_t0300000.png	Vel-Vect_t0400000.png	Vel-Vect_t0500000.png	Vel-Vect_t0600000.png	Vel-Vect_t0700000.png	Vel-Vect_t0800000.png	Vel-Vect_t0900000.png	Vel-Vect_t1000000.png
流線関数	_StrmFunc_t0100000.png	_StrmFunc_t0200000.png	_StrmFunc_t0300000.png	_StrmFunc_t0400000.png	_StrmFunc_t0500000.png	_StrmFunc_t0600000.png	_StrmFunc_t0700000.png	_StrmFunc_t0800000.png	_StrmFunc_t0900000.png	_StrmFunc_t1000000.png
乱流拡散係数	Km_t0100000.png	Km_t0200000.png	Km_t0300000.png	Km_t0400000.png	Km_t0500000.png	Km_t0600000.png	Km_t0700000.png	Km_t0800000.png	Km_t0900000.png	Km_t1000000.png
全凝結成分気体. 赤: H2O 雲, 緑: NH4SH 雲, 赤: NH3 雲	_Gas_t0100000.png	_Gas_t0200000.png	_Gas_t0300000.png	_Gas_t0400000.png	_Gas_t0500000.png	_Gas_t0600000.png	_Gas_t0700000.png	_Gas_t0800000.png	_Gas_t0900000.png	_Gas_t1000000.png
全雲量. 赤: H2O 雲, 緑: NH4SH 雲, 赤: NH3 雲	_Cloud_t0100000.png	_Cloud_t0200000.png	_Cloud_t0300000.png	_Cloud_t0400000.png	_Cloud_t0500000.png	_Cloud_t0600000.png	_Cloud_t0700000.png	_Cloud_t0800000.png	_Cloud_t0900000.png	_Cloud_t1000000.png
全雨量. 赤: H2O 雲, 緑: NH4SH 雲, 赤: NH3 雲	_Rain_t0100000.png	_Rain_t0200000.png	_Rain_t0300000.png	_Rain_t0400000.png	_Rain_t0500000.png	_Rain_t0600000.png	_Rain_t0700000.png	_Rain_t0800000.png	_Rain_t0900000.png	_Rain_t1000000.png
H2O(g) の分布	H2O-g_lin_t0100000.png	H2O-g_lin_t0200000.png	H2O-g_lin_t0300000.png	H2O-g_lin_t0400000.png	H2O-g_lin_t0500000.png	H2O-g_lin_t0600000.png	H2O-g_lin_t0700000.png	H2O-g_lin_t0800000.png	H2O-g_lin_t0900000.png	H2O-g_lin_t1000000.png
H2O(g) の分布.	H2S-g_lin_t0100000.png	H2S-g_lin_t0200000.png	H2S-g_lin_t0300000.png	H2S-g_lin_t0400000.png	H2S-g_lin_t0500000.png	H2S-g_lin_t0600000.png	H2S-g_lin_t0700000.png	H2S-g_lin_t0800000.png	H2S-g_lin_t0900000.png	H2S-g_lin_t1000000.png
NH3(g) の分布.	NH3-g_lin_t0100000.png	NH3-g_lin_t0200000.png	NH3-g_lin_t0300000.png	NH3-g_lin_t0400000.png	NH3-g_lin_t0500000.png	NH3-g_lin_t0600000.png	NH3-g_lin_t0700000.png	NH3-g_lin_t0800000.png	NH3-g_lin_t0900000.png	NH3-g_lin_t1000000.png
H2O(s) 雲の分布. 1e-8 〜 5e-3 を対数的にプロット	H2O-s-Cloud_t0100000.png	H2O-s-Cloud_t0200000.png	H2O-s-Cloud_t0300000.png	H2O-s-Cloud_t0400000.png	H2O-s-Cloud_t0500000.png	H2O-s-Cloud_t0600000.png	H2O-s-Cloud_t0700000.png	H2O-s-Cloud_t0800000.png	H2O-s-Cloud_t0900000.png	H2O-s-Cloud_t1000000.png
H2O(s) 雨の分布. 1e-8 〜 5e-3 の範囲を対数的にプロット	H2O-s-Rain_t0100000.png	H2O-s-Rain_t0200000.png	H2O-s-Rain_t0300000.png	H2O-s-Rain_t0400000.png	H2O-s-Rain_t0500000.png	H2O-s-Rain_t0600000.png	H2O-s-Rain_t0700000.png	H2O-s-Rain_t0800000.png	H2O-s-Rain_t0900000.png	H2O-s-Rain_t1000000.png
NH4SH(s) 雲の分布. 1e-8 〜 5e-3 の範囲を対数的にプロット	NH4SH-s-Cloud_t0100000.png	NH4SH-s-Cloud_t0200000.png	NH4SH-s-Cloud_t0300000.png	NH4SH-s-Cloud_t0400000.png	NH4SH-s-Cloud_t0500000.png	NH4SH-s-Cloud_t0600000.png	NH4SH-s-Cloud_t0700000.png	NH4SH-s-Cloud_t0800000.png	NH4SH-s-Cloud_t0900000.png	NH4SH-s-Cloud_t1000000.png
NH4SH(s) 雲の分布. 1e-8 〜 5e-3 の範囲を対数的にプロット	NH4SH-s-Rain_t0100000.png	NH4SH-s-Rain_t0200000.png	NH4SH-s-Rain_t0300000.png	NH4SH-s-Rain_t0400000.png	NH4SH-s-Rain_t0500000.png	NH4SH-s-Rain_t0600000.png	NH4SH-s-Rain_t0700000.png	NH4SH-s-Rain_t0800000.png	NH4SH-s-Rain_t0900000.png	NH4SH-s-Rain_t1000000.png
NH3(s) 雲の分布. 1e-8 〜 5e-3 の範囲を対数的にプロット	NH3-s-Cloud_t0100000.png	NH3-s-Cloud_t0200000.png	NH3-s-Cloud_t0300000.png	NH3-s-Cloud_t0400000.png	NH3-s-Cloud_t0500000.png	NH3-s-Cloud_t0600000.png	NH3-s-Cloud_t0700000.png	NH3-s-Cloud_t0800000.png	NH3-s-Cloud_t0900000.png	NH3-s-Cloud_t1000000.png
NH3(s) 雨の分布. 1e-8 〜 5e-3 の範囲を対数的にプロット	NH3-s-Rain_t0100000.png	NH3-s-Rain_t0200000.png	NH3-s-Rain_t0300000.png	NH3-s-Rain_t0400000.png	NH3-s-Rain_t0500000.png	NH3-s-Rain_t0600000.png	NH3-s-Rain_t0700000.png	NH3-s-Rain_t0800000.png	NH3-s-Rain_t0900000.png	NH3-s-Rain_t1000000.png
全密度	_Dens_t0100000.png	_Dens_t0200000.png	_Dens_t0300000.png	_Dens_t0400000.png	_Dens_t0500000.png	_Dens_t0600000.png	_Dens_t0700000.png	_Dens_t0800000.png	_Dens_t0900000.png	_Dens_t1000000.png
全浮力	_BuoyAll_t0100000.png	_BuoyAll_t0200000.png	_BuoyAll_t0300000.png	_BuoyAll_t0400000.png	_BuoyAll_t0500000.png	_BuoyAll_t0600000.png	_BuoyAll_t0700000.png	_BuoyAll_t0800000.png	_BuoyAll_t0900000.png	_BuoyAll_t1000000.png
浮力(温度の寄与)	_BuoyTemp_t0100000.png	_BuoyTemp_t0200000.png	_BuoyTemp_t0300000.png	_BuoyTemp_t0400000.png	_BuoyTemp_t0500000.png	_BuoyTemp_t0600000.png	_BuoyTemp_t0700000.png	_BuoyTemp_t0800000.png	_BuoyTemp_t0900000.png	_BuoyTemp_t1000000.png
浮力(凝結成分気体の分子量効果)	_BuoyMolWt_t0100000.png	_BuoyMolWt_t0200000.png	_BuoyMolWt_t0300000.png	_BuoyMolWt_t0400000.png	_BuoyMolWt_t0500000.png	_BuoyMolWt_t0600000.png	_BuoyMolWt_t0700000.png	_BuoyMolWt_t0800000.png	_BuoyMolWt_t0900000.png	_BuoyMolWt_t1000000.png
浮力(凝結成分の引きづりの効果)	_BuoyDrag_t0100000.png	_BuoyDrag_t0200000.png	_BuoyDrag_t0300000.png	_BuoyDrag_t0400000.png	_BuoyDrag_t0500000.png	_BuoyDrag_t0600000.png	_BuoyDrag_t0700000.png	_BuoyDrag_t0800000.png	_BuoyDrag_t0900000.png	_BuoyDrag_t1000000.png
安定度	_Stab_t0100000.png	_Stab_t0200000.png	_Stab_t0300000.png	_Stab_t0400000.png	_Stab_t0500000.png	_Stab_t0600000.png	_Stab_t0700000.png	_Stab_t0800000.png	_Stab_t0900000.png	_Stab_t1000000.png
安定度 (温度の寄与)	_StabTemp_t0100000.png	_StabTemp_t0200000.png	_StabTemp_t0300000.png	_StabTemp_t0400000.png	_StabTemp_t0500000.png	_StabTemp_t0600000.png	_StabTemp_t0700000.png	_StabTemp_t0800000.png	_StabTemp_t0900000.png	_StabTemp_t1000000.png
安定度 (凝結成分気体の分子量の寄与)	_StabMolWt_t0100000.png	_StabMolWt_t0200000.png	_StabMolWt_t0300000.png	_StabMolWt_t0400000.png	_StabMolWt_t0500000.png	_StabMolWt_t0600000.png	_StabMolWt_t0700000.png	_StabMolWt_t0800000.png	_StabMolWt_t0900000.png	_StabMolWt_t1000000.png