所員 -山田 道夫-
名前
山田 道夫 (Yamada, Michio)
山田 道夫 (Yamada, Michio)
職
教授
教授
E-Mail
yamada （emailアドレスには＠kurims.kyoto-u.ac.jp をつけてください）
yamada （emailアドレスには＠kurims.kyoto-u.ac.jp をつけてください）
研究内容
流体力学・非線形力学・ウェーブレット解析の研究
流体力学・非線形力学・ウェーブレット解析の研究
紹 介
２次元および３次元の Navier-Stokes 方程式に従う流体の運動を研究している。
対象となる流体運動は，強い非線形効果を持つ発達した流体乱流，
回転する系における流れ，微小生物の周りの遅い流れなどである。
乱流については流れの統計的特徴と相空間におけるカオス軌道の性質の関係，
回転系の流れでは天体や地球惑星系における大規模流体運動と関連する
波動と流れの相互作用，遅い流れでは微小生物の運動機構などについて興味
を持ち，これらのテーマに関して理論的および数値解析的な研究を行
っている。これらの研究に現れるデータ解析に必要な応用数学的手法の
研究も行っている。
・乱流の統計性質の研究
発達した流体乱流については Kolmogorov の相似則を初めとする統計性質が知 られているが，それらが相空間の軌道の構造とどのような関係にあるのかという ことについては殆ど知見が得られていない。実際 Navier-Stokes 方程式について 解軌道の解析を行うことは現状では非常に難しい。そこで流体乱流のモデ ル方程式であるシェルモデルや低次元写像，低次元微分方程式系において， カオス平均と周期軌道平均の関係を調べ，従来から散見されていた短周期の 軌道解析の有効性を支持する結果を得た。また近年開発された共変リヤプノフ 解析の手法を２次元トーラス上の Navier-Stokes 方程式（Kolmogorov問題） に適用し，初期の乱流化過程における系の双曲性の程度を数値的に調べた。 力学系理論において双曲性は重要な概念であるが，特定の物理系における 双曲／非双曲の判定は困難であり，双曲性がどのような物理的特徴に対応する のかは未知の部分が大きい。 Kolmogorov 流においては，Reynolds 数の増大 とともに，初め双曲的であった系が次第に非双曲系に近づき， あるReynolds数において非双曲化することを見出した。またこのときの 流れの物理的特徴に注目し，特に長時間の振る舞いを反映する時間相関 関数の形が，この双曲／非双曲転移に伴って変化することを見出した。
・回転を含む系の流体運動
非回転系の２次元 Navier-Stokes 乱流中で は，時間発展とともにコヒーレント渦と呼ばれる大きな秩序渦が形成されるこ とが知られている。この渦は統計的には位置に関して一様に形成されるが，回 転球面上における自由減衰２次元乱流はこのような一様性をもたず，秩序渦 形成に関して特徴的なパターンの存在が期待される。これまでに高精度の数値 実験によって，回転球面上では両極域に東風周極ジェットが形成されることを 見出した。さらに，この現象の定量的記述のため回転角速度が非常に大きな場 合を調べ，両極域における周極ジェットに特徴的な漸近挙動を明らかにした。 回転球面上の強制２次元乱流についても長時間の数値実験を実行し，従来多数本 の帯状ジェットの形成が報告されていたがこれは遷移状態に過ぎず，最終的 には少数本（２本または３本）のジェットからなる状態に落ち着くことを 見出した。これらの現象の背後にはロスビー波による角運動量再配分機構が あるが，その詳細は未だ明らかではない。さらに，この状態のように 回転球面上で少数本のジェットをもつ基本的な（流れ関数が 球面調和関数）解の安定性および分岐構造を調べることにより， 回転が流れを安定化させることを見出し，乱流の終状態との関連を 議論した。 ロスビー波とジェットの相互作用の基本的なモデルは，$\beta$-平面上に おける平行流とロスビー波の相互作用である。この相互作用は従来，臨界層 を通じた運動量輸送として定性的な描像が与えられてきた。そこで定量的理論 を得るために，平行流の周りの線形摂動解の遠方の漸近形，特にロスビー波の 反射係数と透過係数を用いて平均流加速量の表式を導いた。これは臨界層を 通じた運動量輸送を平行流周りの固有値問題に帰着させるもので， 固有値問題の中立安定解に物理的意味を与えるものである。 また３次元の流れに回転が及ぼす影響を，回転球殻内の熱対流パターンについて 研究している。これは地球や惑星の内部対流の典型的なモデルであるが， 平面ベナール対流に比べ対流の分岐構造は未だ不明の部分が多い。そこで 中間的な回転角速度のパラメータ領域において，静止解から分岐する東西方向 定常進行波解を求め，その安定性をしらべて分岐図を作成し，回転角速度および レーリー数の変化と共に位相速度の方向が反転することを見出した。反転前後の対流 パターンを調べることにより，この反転が解の分岐によるものではなく解の 連続的変化，特に回転軸方向を向いた渦のコラムの変形および非線形効果 によって赤道付近に生成される帯状流の強さの変化を原因とするものであ ることを見出した。またこのような系において，流れが内側および外側境界に及ぼす トルクを求め，対流によって境界の回転角速度の違いが引き起こされることを 見出した。
・微小生物の周りの遅い流れ
水中のプランクトンなどの微小生物の運動はスケールの小ささから Stokes 流体中の運動として扱われることが多い。 特に生物がゆっくりと形状変化する場合は，Stokes 方程式中の時間微分項の 寄与が小さいため，周囲の流体運動は定常 Stokes 流として扱うことができる。 このような場合について，生物の形状変化が往復運動，すなわち区間 $[0,1]$ 上の 変数によって記述できるときは，形状変化の一周期における生物の移動距離が ゼロとなることを主張する「Purcell の帆立貝定理」が知られている。これは微小生物 の運動形態に強い制約を与える重要な定理であり多くの研究者が部分的な 証明を試みてきたが，完全な証明は知られていなかった。そこで，周囲に流体が 存在しない生物を仮想的に導入し，生物運動を形状変形運動と 重心・回転運動に分離することによって，この定理の完全な証明を与えた。
・データ適合型ウェーブレットの開発とウェーブレットの応用
データ解析に利用するために，与えられた波形に近い関数形を持つウェーブレッ ト（双直交ウェーブレット）の構成方法を開発している。基本的には，２スケー ル関係式の係数によって作られるシンボルと呼ばれる関数の形を最適化するこ とで，双直交ウェーブレットを構成する。直交ウェーブレット展開の特性を 利用したデータ解析や波形合成，特に大規模構造物設計用の地震波形合成， などを行っている。
・乱流の統計性質の研究
発達した流体乱流については Kolmogorov の相似則を初めとする統計性質が知 られているが，それらが相空間の軌道の構造とどのような関係にあるのかという ことについては殆ど知見が得られていない。実際 Navier-Stokes 方程式について 解軌道の解析を行うことは現状では非常に難しい。そこで流体乱流のモデ ル方程式であるシェルモデルや低次元写像，低次元微分方程式系において， カオス平均と周期軌道平均の関係を調べ，従来から散見されていた短周期の 軌道解析の有効性を支持する結果を得た。また近年開発された共変リヤプノフ 解析の手法を２次元トーラス上の Navier-Stokes 方程式（Kolmogorov問題） に適用し，初期の乱流化過程における系の双曲性の程度を数値的に調べた。 力学系理論において双曲性は重要な概念であるが，特定の物理系における 双曲／非双曲の判定は困難であり，双曲性がどのような物理的特徴に対応する のかは未知の部分が大きい。 Kolmogorov 流においては，Reynolds 数の増大 とともに，初め双曲的であった系が次第に非双曲系に近づき， あるReynolds数において非双曲化することを見出した。またこのときの 流れの物理的特徴に注目し，特に長時間の振る舞いを反映する時間相関 関数の形が，この双曲／非双曲転移に伴って変化することを見出した。
・回転を含む系の流体運動
非回転系の２次元 Navier-Stokes 乱流中で は，時間発展とともにコヒーレント渦と呼ばれる大きな秩序渦が形成されるこ とが知られている。この渦は統計的には位置に関して一様に形成されるが，回 転球面上における自由減衰２次元乱流はこのような一様性をもたず，秩序渦 形成に関して特徴的なパターンの存在が期待される。これまでに高精度の数値 実験によって，回転球面上では両極域に東風周極ジェットが形成されることを 見出した。さらに，この現象の定量的記述のため回転角速度が非常に大きな場 合を調べ，両極域における周極ジェットに特徴的な漸近挙動を明らかにした。 回転球面上の強制２次元乱流についても長時間の数値実験を実行し，従来多数本 の帯状ジェットの形成が報告されていたがこれは遷移状態に過ぎず，最終的 には少数本（２本または３本）のジェットからなる状態に落ち着くことを 見出した。これらの現象の背後にはロスビー波による角運動量再配分機構が あるが，その詳細は未だ明らかではない。さらに，この状態のように 回転球面上で少数本のジェットをもつ基本的な（流れ関数が 球面調和関数）解の安定性および分岐構造を調べることにより， 回転が流れを安定化させることを見出し，乱流の終状態との関連を 議論した。 ロスビー波とジェットの相互作用の基本的なモデルは，$\beta$-平面上に おける平行流とロスビー波の相互作用である。この相互作用は従来，臨界層 を通じた運動量輸送として定性的な描像が与えられてきた。そこで定量的理論 を得るために，平行流の周りの線形摂動解の遠方の漸近形，特にロスビー波の 反射係数と透過係数を用いて平均流加速量の表式を導いた。これは臨界層を 通じた運動量輸送を平行流周りの固有値問題に帰着させるもので， 固有値問題の中立安定解に物理的意味を与えるものである。 また３次元の流れに回転が及ぼす影響を，回転球殻内の熱対流パターンについて 研究している。これは地球や惑星の内部対流の典型的なモデルであるが， 平面ベナール対流に比べ対流の分岐構造は未だ不明の部分が多い。そこで 中間的な回転角速度のパラメータ領域において，静止解から分岐する東西方向 定常進行波解を求め，その安定性をしらべて分岐図を作成し，回転角速度および レーリー数の変化と共に位相速度の方向が反転することを見出した。反転前後の対流 パターンを調べることにより，この反転が解の分岐によるものではなく解の 連続的変化，特に回転軸方向を向いた渦のコラムの変形および非線形効果 によって赤道付近に生成される帯状流の強さの変化を原因とするものであ ることを見出した。またこのような系において，流れが内側および外側境界に及ぼす トルクを求め，対流によって境界の回転角速度の違いが引き起こされることを 見出した。
・微小生物の周りの遅い流れ
水中のプランクトンなどの微小生物の運動はスケールの小ささから Stokes 流体中の運動として扱われることが多い。 特に生物がゆっくりと形状変化する場合は，Stokes 方程式中の時間微分項の 寄与が小さいため，周囲の流体運動は定常 Stokes 流として扱うことができる。 このような場合について，生物の形状変化が往復運動，すなわち区間 $[0,1]$ 上の 変数によって記述できるときは，形状変化の一周期における生物の移動距離が ゼロとなることを主張する「Purcell の帆立貝定理」が知られている。これは微小生物 の運動形態に強い制約を与える重要な定理であり多くの研究者が部分的な 証明を試みてきたが，完全な証明は知られていなかった。そこで，周囲に流体が 存在しない生物を仮想的に導入し，生物運動を形状変形運動と 重心・回転運動に分離することによって，この定理の完全な証明を与えた。
・データ適合型ウェーブレットの開発とウェーブレットの応用
データ解析に利用するために，与えられた波形に近い関数形を持つウェーブレッ ト（双直交ウェーブレット）の構成方法を開発している。基本的には，２スケー ル関係式の係数によって作られるシンボルと呼ばれる関数の形を最適化するこ とで，双直交ウェーブレットを構成する。直交ウェーブレット展開の特性を 利用したデータ解析や波形合成，特に大規模構造物設計用の地震波形合成， などを行っている。
- Time averaged properties along unstable periodic orbits and chaotic orbits in ordinary differential equation systems, Phys. Rev. E, vol.79, 015201:1-4, 2009. (with Y.Saiki)
- Closed vortex in a rotating polar cap, Theor. Appl. Mech., Eds. T. Tamura and N. Izumi, Vol.58, pp.131--143, 2010. (with Y. Taniguchi and H. Kitauchi)
- Amplitude-phase synchronization at the onset of permanent spatiotemporal chaos, Physical Review Letters, vo.104, 254102:1-4, 2010. (with A.C.Chian, R.A.Rodrigo, E.L.Rempel and Y.Saiki)
- Long-time asymptotic states of forced two-dimensional barotropic incompressible flows on a rotating sphere Physics of Fluids, 22, 056601:1-9, 2010. (with K.Obuse and S.Takehiro)
- Jet formation in decaying two-dimensional turbulence on a rotating sphere, Proceedings of the IUTAM Symposium on Turbulence in the Atmosphere and Oceans, D. Dritschel(Ed.), Springer, IUTAM BOOKSERIES, 28, 253--263, 2010. (with S. Yoden, Y.-Y. Hayashi, K. Ishioka, Y. Kitamura, S.Nishizawa, S.Takehiro)
- Stability and bifurcation diagram of Boussinesq thermal convection in a moderately rotating spherical shell, Physics of Fluids, 23, 074101:1--11, 2011. (with K.Kimura and S.Takehiro)
- Retrograde equatorial surface flows generated by thermal convection confined under a stably stratified layer in a rapidly rotating spherical shell. Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 105, (2011) 61--81. (with Shin-ichi Takehiro and Yoshi-Yuki Hayashi)
- Linear stability of steady zonal jet flows induced by a small-scale forcing on a beta-plane, Physica D, 240, 1825--1834, 2011. (with K.Obuse and S.Takehiro)
- A note on the transition of the polar cap flow to the westward flow on a rotating sphere. 60th Japan National Congress for Theoretical and Applied Mechanics, vol.60, pp.29--42, 2011. (with Y.Taniguchi)
- Covariant Lyapunov analysis of chaotic Kolmogorov flows Physical Review E, 01633:1--10, doi: 10.1103/PhysRevE.85.016331, 2012, (with M.Inubushi, M.U.Kobayashi and S.Takehiro)