From global gyrokinetic simulations of toroidal ion temperature gradient-driven turbulence, we show that the ion parallel compression has a strong influence on the generation and radial profile formation of zonal flows. The kinetic potential vorticity (PV) flux and its fluid expression are used to elucidate the zonal flow generation mechanism. In the absence of sheared equilibrium flow, the dominant contributions to the net PV flux are shown to come from the parallel compression and the grad-B drift, and to largely cancel out each other. With a finite parallel rotation shear, however, the parallel compression-driven flux becomes dominant over the grad-B drift-driven one, leading to a change in the radial zonal flow profile. The imbalance between the parallel compression and the grad-B drifts results in a considerable amplification of the zonal flow and a reduction of turbulence fluctuation levels as compared to the non-rotating plasma. These findings demonstrate an essential role of the parallel compression in the zonal flow generation and confinement improvement for rotating tokamak plasmas.
全球ジャイロ運動論的シミュレーションから、トロイダルイオン温度勾配駆動乱流において、イオンの平行圧縮が帯状流の生成とその動径プロファイル形成に強い影響を与えることを示す。運動論的ポテンシャル渦度（PV）フラックスとその流体表現を用いて、帯状流生成機構を解明する。平衡流のシアがない場合、正味のPVフラックスへの主要な寄与は平行圧縮と勾配Bドリフトによるものであり、これらが互いにほぼ打ち消し合うことを示す。しかし、有限の平行回転シアが存在する場合、平行圧縮によるフラックスが勾配Bドリフトによるものを上回り、帯状流の動径プロファイルの変化をもたらす。平行圧縮と勾配Bドリフトの間の不均衡は、回転しないプラズマと比較して、帯状流の顕著な増幅と乱流揺動レベルの低減を引き起こす。これらの知見は、回転トカマクプラズマにおける帯状流生成と閉じ込め改善における平行圧縮の本質的な役割を実証するものである。