Generation of zonal flows (ZF) by drift wave turbulence in numerical simulations based on the modified Hasegawa–Wakatani model is investigated using probability density functions (PDFs) and information rate which quantifies the number of statistically distinct states generated per unit time in the non-equilibrium system. The evolution of time-dependent PDFs of the electrostatic potential, density, and vorticity is quantified by the information rate and is directly compared. We examine this evolution for the system dominated by the isotropic turbulence as well as the system dominated by anisotropic ZF. Impact of ZF on turbulence is captured by a narrower PDF of fluctuating velocity perpendicular to ZF. The information rates of the turbulent potential and density, which are coupled via fast electron parallel transport, are similar confirming the strong coupling between these quantities during their evolution. In contrast, zonal parts of these fields exhibit a distinct information rate evolution. This suggests that the zonal density structure may develop independently of ZF, consistent with recent finding in gyrokinetic simulations.
修正長谷川–若谷モデルに基づく数値シミュレーションにおけるドリフト波乱流による帯状流(ZF)の生成を、確率密度関数(PDF)と、非平衡系において単位時間当たりに生成される統計的に異なる状態の数を定量化する情報レートを用いて調べた。静電ポテンシャル、密度、および渦度の時間依存PDFの時間発展を情報レートによって定量化し、直接比較した。この時間発展を、等方性乱流が支配的な系と、異方性ZFが支配的な系の両方について調べる。ZFが乱流に与える影響は、ZFに垂直な変動速度のより狭いPDFによって捉えられる。高速の電子平行輸送を介して結合される乱流的ポテンシャルと密度の情報レートは類似しており、これらの量が時間発展中に強く結合していることを確認する。対照的に、これらの場の帯状成分は異なる情報レートの時間発展を示す。これは、帯状密度構造がZFとは独立に発展し得ることを示唆しており、ジャイロ運動論シミュレーションにおける最近の知見と一致する。