The mechanism for the formation and sustainment of a self-organized global profile and the 'E × B staircase' are investigated through simulations of a flux-driven ion temperature gradient (ITG) turbulence based on GKNET, a 5D global gyrokinetic code. The staircase is found to be initiated from the radially extended ITG mode structures with nearly up–down symmetry during the saturation phase, and is established as it evolves into a quasi-steady turbulence, leading to a self-organized global temperature profile and to meso-scale isomorphic profiles of the radial electric field and the temperature gradient. It is found that the quasi-regular E × B shear flow pattern is primarily originated from an even-symmetrical zonal flow produced by the extended ITG mode, which flow pattern exhibits an in-phase relation with the mean flow variation induced by the temperature relaxation. Consequently, the staircase is initiated through the profiles of total electric field and temperature gradient with a self-organized manner. Since the sign of E × B shear flow at the central part are opposite to that at both edges, it disintegrates the ITG mode into smaller scale eddies. Meanwhile, smaller scale eddies tend to be aligned radially by spontaneous phase matching, which can provide the growth of mode amplitude and the formation of radially extended mode structures, leading to the bursty heat transport. This process is repeated quasi-periodically, sustaining self-organized structures and the E × B staircase. Moreover, the equilibrium mean field is found to be of specific importance in causing the structures and dynamics from meso- to macro scales in toroidal plasmas.
自己組織化されたグローバル分布と「E×B階段構造」の形成・維持機構を、5次元グローバルジャイロ運動論コードGKNETに基づくフラックス駆動型イオン温度勾配(ITG)乱流のシミュレーションによって調べた。階段構造は、飽和位相においてほぼ上下対称性を持つ径方向に伸展したITGモード構造から開始され、準定常乱流へと発展するにつれて確立され、自己組織化されたグローバル温度分布と、径電場および温度勾配のメソスケールの同型分布をもたらすことが見出された。準規則的なE×Bシア流パターンは、主として伸展したITGモードによって生成される偶対称な帯状流に由来し、その流れパターンは温度緩和によって誘起される平均流変動と同位相関係を示すことが見出された。その結果、階段構造は、自己組織化的な様式で全電場と温度勾配の分布を通じて開始される。E×Bシア流は、その符号が中央部と両端部とで逆であるため、ITGモードをより小スケールの渦に分解する。一方、より小スケールの渦は、自発的な位相整合によって径方向に整列する傾向があり、これはモード振幅の成長と径方向に伸展したモード構造の形成をもたらし、バースト的熱輸送へとつながる。この過程は準周期的に繰り返され、自己組織化構造とE×B階段構造を維持する。さらに、平衡平均場は、トロイダルプラズマにおけるメソスケールからマクロスケールにわたる構造とダイナミクスを引き起こす上で特定的に重要であることが見出された。