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Diagnosis of the Blowing Snow Potential and Development of a Snowdrift Model with the Lattice Boltzmann Method
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| Title: | Diagnosis of the Blowing Snow Potential and Development of a Snowdrift Model with the Lattice Boltzmann Method |
| Other Titles: | 吹雪発生可能性の診断と格子ボルツマン法を用いた吹きだまりモデルの開発 |
| Authors: | 丹治, 星河 Browse this author |
| Issue Date: | 23-Mar-2023 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | Transport of snow particles by blowing and drifting snow contributes to the snow surface formation in cold regions. Blowing and drifting snow are also important phenomena for the traffic engineering because they cause low visibility and snowdrifts which can be obstacles to drivers. In the former part of this doctoral dissertation, we diagnosed blowing snow potential for typical blowing snow cases around Sapporo, Japan. We calculated snow concentration and visibility by dynamically downscaled meteorological data with 1-km resolution. The results were consistent with the blowing-snow records on time and place of traffic disruption when the dynamical downscaling (DDS) reproduced wind speed well for cases. The diagnosis with mesoscale model analysis with 5-km resolution did not reproduce the blowing snow events in most areas, however. Hence, the DDS potentially, not perfectly, added value to estimate blowing snow potential, despite a large-scale gap from an explicit representation of small-scale turbulence related to blowing snow. Sensitivity tests clarified that blowing snow required strong wind and freezing temperature at the surface. We developed a new snowdrift model to evaluate snowdrifts around snow fences in the latter part of this doctoral dissertation. The model consisted of the conventional computational fluid dynamics (CFD) solver and a module for tracing snow particles with the Lagrangian method. The lattice Boltzmann method was used as the CFD solver for the first time in the snowdrift simulation model in order to calculate turbulent flow with high parallel performance. The estimated wind flow over the two-dimensional fence was characterized by a swirling eddy in the cross-section, whereas the wind flow in the three-dimensional fence experiment was horizontally diffluent with a dipole vortex pair on the leeward side of the fence. Almost all the snowdrifts formed on the windward side of the two-dimensional and three-dimensional fences, although thesnowdrift also formed along the split streaks on the leeward side of the three-dimensional fence. These results were qualitatively similar to the results of the previous of observational and modeling studies. The three-dimensional fence experiment was also conducted with the inflow boundary condition which was based on the observed wind speed during a drifting snow event. In order to compare the result of the experiment with the 1-dimensional snowdrift height in the observation quantitatively, we imposed the model with the sub-processes of drifting snow particles, such as the resuspension and rebound processes. The snowdrift estimated by the model could reproduce the features of the observed snowdrift, such as the peak height and the peak position on the windward of the fence because the snow particle module calculated sub-processes of drifting snow particles explicitly. Sensitivity tests indicated that the snowdrift distribution was clearly dependent on the physical properties of snow particles which decided the potential of the accumulated snow particles’ resuspension. The snowdrift model developed in this doctoral dissertation is expected to be used to simulate snowdrift distribution not only around roads and fences in the traffic engineering motivation but also on the mountainous terrain in the earth science motivation where snowdrift can trigger avalanches and affect the mass balance of water. | | 吹雪による雪粒子の移動は寒冷地域における雪面の形成に寄与する.吹雪はドライバーにとって障害となる視程障害や吹きだまりをもたらすため,交通工学の分野でも重要な現象である．本博士論文の前半では，札幌周辺の典型的な吹雪事例に対して吹雪発生可能性を診断した.まず力学的ダウンスケーリングを施した1km解像度の気象データを用いて雪粒子空間濃度と視程を計算した.その結果は，力学的ダウンスケーリングによって風速が良く再現された場合について，吹雪発生の場所と時刻が吹雪による交通障害の記録とよく一致した．次に5km解像度のメソ解析データを使用して診断した.その結果，多くの地点で吹雪事例を再現できなかった.よって，吹雪発生は小さなスケールの乱流によってもたらされるにもかかわらず， 力学的ダウンスケーリングは吹雪発生可能性の推定に関して付加価値があるということが分かった．感度実験では，吹雪は強い風と氷点下の気温によってもたらされるということが明らかになった．本博士論文の後半では，防雪柵まわりに形成される吹きだまり分布を推定するための吹きだまりモデルを開発した.このモデルは，数値流体計算 (CFD)を行うモジュールと，ラグランジュ的手法を用いて雪粒子を追跡するモジュールとで構成されている．計算に必要な数cm程度の解像度の計算を効率よく実施するために，並列化効率が高い格子ボルツマン法をCFDモジュールとして使用して乱流の計算を行った.モデルによって推定された2次元フェンスまわりにおける風の流れは，鉛直断面で渦巻くという特徴を持っていた．一方,3次元フェンス周りでは，鉛直断面の渦に加え，水平断面に対となる渦の組が現れた．吹きだまりは，2次元フェンスまわりでも3次元フェンスまわりでもほとんどが風上側で形成された.しかし，3次元フェンスまわりでは，フェンスの端から枝分かれした吹きだまりが風下で形成された．このような吹きだまりの結果は，先行研究の観測結果やモデルの結果と定性的に一致する．3次元フェンスについては，吹雪イベント中に観測された風速や雪粒子の流入量を境界条件とした実験も行った.フェンス中央の吹きだまりの高さを観測結果とモデルの結果で定量的に比較するために,再飛散過程やリバウンド過程といった吹雪粒子のサブプロセスをモデルに組み込んだ.その結果，モデルによる推定は.フェンス風上で観測された吹きだまりのピークの高さや位置をよく再現できた．これは，雪粒子モジュールで吹雪粒子のサブプロセスを陽に解いたためである．感度実験を行うと,積雪粒子の再飛散の起こりやすさを決定する雪粒子の物性が，吹きだまりの分布に大きく寄与するということが明らかになった．本博士論文で開発されたモデルは，交通工学における道路や柵まわりの吹きだまりだけでなく，地球科学における山岳地域の吹きだまりのシミュレーションにも使用されることが期待される． |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第15285号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 理学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 稲津 將, 教授 見延 庄士郎, 准教授 佐藤 陽祐, 准教授 佐々木 克徳, 准教授 大風 翼（東京工業大学大学院環境・社会理工学院） |
| Degree Affiliation: | 理学院（自然史科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/91627 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 理学院(Graduate School of Science)
学位論文 (Theses) > 博士 （理学）
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