数値モデル(LES,UCM,WRF)

乱流モデル(LES)

 日下研究室では都市気象、サーマル、霧などの気象現象を対象にしたLarge Eddy Simulation(LES)モデルの開発を行っています。多くの気象モデルでは、アンサンブル平均に基づいた乱流モデルを用いているため、ランダムな渦変動は計算対象にはならず、突発的に起こる渦・擾乱の再現には向いていません。一方LESでは、計算格子間隔でとらえることのできる渦変動を直接数値的に解析し、それ以下のスケールの渦変動のみモデル化を行います。そのため、LESを用いることで大気境界層内や都市境界層内で発達する複雑な乱流構造を直接計算することができます。

 都市街区内の熱環境をLESを用いて計算したい場合、都市の建物を解像する他に、都市街区内の放射過程を計算するモデルが必要となります。街区内は建物が密集するほかに、街路樹も林立しているため、放射環境は非常に複雑になります。日下研究室では、このような複雑な放射過程を計算するモデルとして、ラジオシティ法を用いた街区内放射モデルの開発を行っています。ラジオシティ法を用いると、複雑な街区構造であっても、高精度に放射計算をすることができます。この街区内放射モデルで求めた短波・長波放射量の計算値を基に、表面温度、顕熱・潜熱フラックスが求めることができ、LESモデルと結合することで都市街区内の詳細な熱環境を再現することが可能となります。

(文責:池田)
  
開発中のCity-LESモデルによってシミュレートされた東京駅周辺の気温変化
Drawing by VDVGE
樹木モデルによる放射計算の概念図
1本1本の樹木を格子に分割し、各格子において葉の茂り具合も考慮して放射を計算します。
地表面温度分布(12時) ヘリコプターによる観測図
(東京都環境科学研究所 提供)
地表面温度分布(12時) LESモデル図

街区内の熱環境を再現するためには、複雑な放射過程を考慮する必要があります。開発中のモデルでは、ラジオシティ法という手法を用いて計算しています。観測による地表面温度分布(左)とLESモデルによる地表面温度分布(右)を比較しても大差はなく、LESモデルの精度の高さがうかがえます。



学術論文など

都市キャノピーモデル(UCM)

 都市では、(1)建物の増加、(2)緑地の減少、(3)人間活動により,都市特有の気候が形成されています。たとえば、都市部の気温が郊外よりも高くなるヒートアイランドがよく知られています。ヒートアイランドはどうして起こるのか、その要因は何なのか。どの都市要素が最も効いているのか。ヒートアイランドを緩和する有効な方法はあるのか。など、メカニズムを説明する基礎的な研究から、緩和策など社会的要請に答えるための研究が行われています。

 このような研究を行う一つの方法として、数値シミュレーションがあり、現在では数値モデルを用いた研究が多く行われています。数値モデルで都市の特徴的な気候を再現するためには、(1)-(3)のような都市の特徴をモデルに反映させる必要があります。日下研究室では、このような効果を表現できる「都市キャノピーモデル」を開発しています。

 都市キャノピーモデルは、都市の建物の効果を物理的に反映させたモデルのことで、WRFなどの気象モデルに取り入れられています。特に、日下先生の開発した単層都市キャノピーモデルは領域気候モデルWRFに公式採用されており、世界中のユーザに多く使用されています(Kusaka et al. 2001, Bound. -Layer Meteor.)。このモデルは、都市表面を道路面・壁面・屋根面の3つにわけ、それぞれの面に対して熱収支を解いていることが特徴で、建物が存在することによる日陰の効果、建物間での風速の低減効果、建物間における日射や長波放射の反射効果も考慮されています。このモデルを使用することで、都市部で夜間に気温が下がりにくい効果を精度よく再現できるようになりました。

単層都市キャノピーモデルの概念図1
都市表面を道路面・壁面・屋根面の3つにわけている。Tは温度、Hは顕熱フラックスを意味し、添字G, W, R, Aはそれぞれ、道路面、壁面、屋根面、大気を意味する。
単層都市キャノピーモデルの概念図2(影と日向の計算)
SDは水平面での直達日射量、w、hは道路幅、建物高さ。θzは太陽天頂角。lshadowは道路での影の長さを表す。
 いずれも、Kusaka et al. (2001, Bound. -Layer Meteor.)より →詳しくはこちら

 ※この論文はBoundary-Layer Meteorology(Springer)に掲載された全ての論文の中で、2013-2014年の期間で 最も多く読まれました。


 日下研究室では上記の単層都市キャノピーモデルの他、多層都市キャノピーモデルの開発も行っています(Ikeda and Kusaka 2010, JAMC)。多層都市キャノピーモデルでは、都市キャノピー層を鉛直方向にいくつかの層に分けるため、1層で表現する単層都市キャノピーモデルとこの点で異なっています。そのため、壁面の熱収支を解く際は、複数の層に分割して熱収支を計算します。このモデルを使用することで、都市街区の気温を精度よく再現できる他、都市キャノピー層内の鉛直方向の気温・風速のプロファイルも再現することができます。

開発したモデルで計算したある日の気温と観測値の比較
記号:観測値
実線:気象モデルの計算結果
Ikeda and Kusaka (2010, JAMC)より →詳しくはこちら


(文責:Doan Quang Van)

学術論文など
  • Lin, C., C. Su, H. Kusaka, Y. Akimoto, Y. Sheng, J. Huang, and H. Hsu 2016: Impact of an improved WRF urban canopy model on diurnal air temperature simulation over northern Taiwan. Atmospheric Chemistry and Physics, 16, 1809–1822. DOI: :10.5194/acp-16-1809-2016, 2016/02/16 .
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  • Kusaka, H., Chen, F., Tewari, M., Dudhia, J., Gill, D. O., Duda, M. G., Wang, W., Miya, Y., 2012: Numerical Simulation of Urban Heat Island Effect by the WRF Model with 4-km Grid Increment: An Inter-Comparison Study between the Urban Canopy Model and Slab Model. J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 33-45. 2012/03/27(謝辞:S5, T2K) .
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  • Ikeda, R., Kusaka, H., 2010: Proposing the simplification of the multilayer urban canopy model: Intercomparison study of four models. J. Appl. Meteor. Clim., 49, 902-919. 2010/05/01 (謝辞:S5) .
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  • 日下博幸, 2008: 都市気候モデリング研究の取り組みと今後の課題. 天気, 55, 227-240. 2008/04/01 (謝辞:S5) .
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  • Kusaka, H., Kimura, F., 2004: Thermal effects of urban canyon structure on the nocturnal heat island. J. Appl. Meteor. Clim., 43, 1899-1910. 2004/12/01 (被引用回数:48回) .
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  • Kusaka, H., Kimura, F., 2004: Coupling single-layer urban canopy model with a simple atmospheric model : Impact on urban heat island simulation for an idealized case. J. Meteor. Soc. Japan, 82, 67-80. 2004/02/25 (被引用回数:47回) .
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  • Kusaka, H., Kondo, H., Kikegawa, Y., Kimura, F., 2001: A simple single-layer urban canopy model for atmospheric models : Comparison with multi-layer and slab models. Bound. -Layer Meteor., 101, 329-358. 2001/11/01 (被引用回数:137回) .
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領域気象モデル(WRF)

 WRFは、米国大気研究センター(NCAR)と米国海洋大気庁予測センター(NCEP)で開発された学術研究と天気予報の両方に対応した数値気象モデルです。もとはメソスケール・モデルとして開発されてきましたが、近年は気候シミュレーションやLESまで、様々なスケールの現象に適用できるよう改良を重ねてきました。日下研究室では、そんなWRFのポテンシャルを最大限に引き出すくらいの勢いで、実に様々なスケールの現象の解明にWRFを使っています。

 日下先生は、WRFに初めて公式としモデルとして採用されたUCMの開発者です。このことから、日下研ではWRFを用いた都市気候の研究がさかんに行われています。その他にも、局地循環や降水、陳旧温暖化予測など、広い分野でWRFを活用しています。またWRFの改良も行っており、特に都市モデルの改良やより精度の良い土地利用の組み込むなどに取り組んでいます。

 大型計算にはスーパーコンピューターを用いることができるなど、計算資源にも恵まれた環境にあります。また、NCARと活発な研究交流を維持し、常にWRFの再先端情報を得られるようにしています。今後はさらに色々な現象をWRFを用いて解明するとともに、WRFの改良にも取り組んで行く予定です。

日下研究室では、このような詳細な人工排熱分布や、都市の密集度を考慮できるように、 WRFを改良しました。

人工排熱分布図
山形データ(出典)の現状維持シナリオを使用した首都圏における人工排熱分布図(空間解像度1 km)
都市率
山形データの現状維持シナリオを使用した首都圏における都市率分布図(空間解 像度1 km)

(文責:鈴木パーカー明日香)

学術論文など
  • Doan, Q., H. Kusaka and Q.B. Ho, 2016: Impact of future urbanization on temperature and thermal comfort index in a developing tropical city: Ho Chi Minh City, Urban Climate, 17, 20-31, DOI: :10.1016/j.uclim.2016.04.003, 2016/06/08 (謝辞: CCS) .
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  • Doan, Q.V., and H. Kusaka, 2016: Numerical study on regional climate change due to the rapid urbanization of greater Ho Chi Minh City's metropolitan area over the past 20 years, International Journal of Climatology, 36(10), 3633–3650, DOI: 10.1002/joc.4582, 2016/08/01 (謝辞: CCS) .
    →詳しくはこちら
  • Kusaka, H., Chen, F., Tewari, M., Dudhia, J., Gill, D. O., Duda, M. G., Wang, W., Miya, Y., 2012: Numerical Simulation of Urban Heat Island Effect by the WRF Model with 4-km Grid Increment: An Inter-Comparison Study between the Urban Canopy Model and Slab Model. J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 33-45. 2012/03/27(謝辞:S5, T2K) .
    →詳しくはこちら
  • Kusaka, H., Hara, M., Takane, Y., 2012: Urban climate projection by the WRF model at 3-km horizontal grid incremet: Dynamical downscaling and predicting heat stress in the 2070’s August for Tokyo, Osaka, and Nagoya metropolies. J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 47-63. 2012/03/27(謝辞:S5) .
    →詳しくはこちら
  • 日下博幸, 2011: 領域気象モデルWRFの都市気候研究への応用と課題. 地学雑誌, 120(2), 285-295. 2011/05/20 (謝辞:S8) .
    →詳しくはこちら
  • Kusaka, H., Takata, T., Takane, Y., 2010: Reproducibility of regional climate in central Japan using the 4-km resolution WRF model. SOLA, 6, 113-116. 2010/09/04 (謝辞:S5) .
    →詳しくはこちら
  • 秋本祐子, 日下博幸, 2010: 入力データおよび地表面パラメータの変化に対する領域気象モデルWRFの感度実験 -夏季晴天日の関東平野を対象として- . 地理学評論, 83, 324-340. 2010/05/01 (謝辞:S5) .
    →詳しくはこちら
  • 日下博幸, 2009: 領域気象モデルWRFについて. ながれ, 28, 3-12. 2009/02/01 (謝辞:S5) .
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  • Kusaka, H., Crook, A., Dudhja, J., Wada, K., 2005: Comparison of the WRF and MM5 models for simulation of heavy rainfall along the Baiu front. SOLA, 1, 197-200. 2005/10/01 .
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  • Kusaka, H., Crook, A., Knievel, J., Dudhia, J., 2005: Sensitivity of WRF model to advection and diffusion schemes on simulation of heavy rainfall event along the Baiu front. SOLA, 1, 177-180. 2005/12/03 .
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局地気象モデル

 海陸風やおろし風といった局地気象の理解には、観測だけでなく数値シミュレーションを用いた方法が重要となってきます。観測データが、どれほどの 地形的な局地風の影響を受ける可能性があるかシミュレーションすることは、今後の複雑地形での熱循環の観測にとって有用な情報となります。こうしたローカルな気象現象に対し、シミュレーションにより一般風や地表面温度を変化させる「理想化実験」を行う場合には、既存の領域気象モデルを使用するだけでなく、 簡易的な数値モデルによる検証も必要となります。

 日下研究室では、局地気象モデルとして複雑地形モデルを開発しています。

 日本は複雑な地形を有しており、日本の局地気象と複雑地形は深い関連があります。しかしながら、数値モデルで複雑な地形を用いた計算をすることは非常に困難です。なぜなら、現在の数値モデルで一般的に使われている手法では斜面の角度が急になるにつれて再現性が悪くなるからです。そのうえ、局地的な気象現象を再現するためにはモデルを高解像度にしなくてはなりません。高解像度にすればするほど急斜面を含んだ計算をしなくてはならなくなります。

 このような問題を解決するために、従来の局地気象モデルが使用している座標変換と比べて急な斜面を計算できる特殊な座標変換(図参照)を用いた局地気象モデルを開発しています。 今後は、従来の数値モデルとは異なる座標変換をしているため、物理モデルも含めた総合的な開発を行っていきます。また、開発した局地気象モデルを用いて、おろし風、だし風、斜面温暖帯などの局地気象の構造を解明していく予定です。

(文責:西)

開発中の複雑地形モデルで使われている方程式
開発中の複雑地形対応モデルで計算した線形山岳波の鉛直風速
 A) 上方に伝播する山岳波
 B) 風下上方に伝播する山岳波
 C) 山岳波が伝播しない
風速、大気安定度、山の形によっていろいろな形の流れになります。
学術論文など

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