複雑地表面上の大気境界層にお ける乱流と物質輸送： 観測とモデルの融合研究へ 竹見哲也 京都大学防災研究所 ドップラーライダーによる宇宙からの風観測に関する講演会 東京大学本郷キャンパス理学部小柴ホール， 2011 年 9 月 30 日

境界層と物質輸送 地表面 ‐ 対流圏インターフェースとしての大気境界層 – 乱流輸送：地表面から自由対流圏へ – 積雲対流：境界層対流からの発達 ⇒ 物質輸送：乱流・対流・移流 輸送現象 – 黄砂、ダストストーム – 大気汚染 熱帯積雲 ゴビ砂漠 砂嵐 京都での黄砂

境界層と物質輸送：黄砂発生源域を例に 強い地表面加熱による乾燥対流 – 深い対流境界層の発達 – 微細規模組織構造 – 積乱雲への発達 物質輸送における境界層過程の役割 – 鉛直輸送から水平輸送へ † 地表面から自由対流圏へ ゴビ砂漠でのエアロゾル濃度の日変化 (Yasui et al. 2005)

境界層・物質輸送モデル研究の立場では 風の変動が定量的にどの程度表現されているか知りたい – 気象擾乱 ( 低気圧・台風・積乱雲 ) による変動 – 地表面形態 ( 地形の起伏・地表面粗度 ) による変動 † 数値計算の結果の妥当性を検証する実測値が不足 している 乱流特性がどの程度表現されているか知りたい – 短周期・局所規模での微細変動 – 乱流粘性、乱流拡散の大きさ † 地形・地表面粗度・気象条件に応じて特徴は変化 † モデルでパラメタライズされた情報がどの程度妥 当なものであるか検証する実測値が不足している

話題：モデル研究の結果から 境界層発達の日変化と物質輸送の LES – 砂漠域での深い対流境界層の発達とダスト輸送 † 大気安定度に対する依存性 複雑地表面（地形・粗度）と気流の関係についての高解 像度での数値シミュレーション – 冬季低気圧通過時の日本海沿岸地域での突風事例 – 低気圧通過に伴う東京都心での突風事例

安定度が境界層発達と物質輸送を決める EXP1 ： – 境界層は強い安定成層 EXP2 ： – 接地層のみ強い安定成層・ 上部に中立成層 簡略化した大気条件：水平一様な基本場・地表面特性 – ゴビ砂漠を想定した条件 計算領域： 40 km (x; 主流方向 ) x 10 km (y) x 11 km (z) 格子幅：  x=100 m,  z= m (85 層 ) 数値実験 初期の温位プロファイル

大気の鉛直構造の日変化 EXP1 EXP2 仮温位および（雲水＋雲氷）混合比の鉛直分布の日変化 境界層 日の出 日の入 積乱雲 境界層

鉛直流の水平分布：EXP LT1500 LT z=200 m z=2 km z=6 km

鉛直流の空間構造：EXP LT1500 LT z=200 m z=2 km z=6 km

物質輸送の安定度への依存性 カラー：上向きフラックス (mg/m 2 /s ） 実線コンター：ダスト濃度（ mg/m 3 ） 点線：雲の境界 EXP1 EXP2

ダストコラム量（領域平均）の比較 シビアストームの場合： 12.5 g/m 2 晴天時の場合（ EXP1 ）： 1.2  g/m 2 晴天時の場合（ EXP2 ）： 0.63 g/m 2

微細規模地形と気流の関係 解析対象 1 ：冬季低気圧通過時の日本海沿岸地域（庄内 平野）での突風 –2008 年 /2009 年冬季の突風事例（計 8 事例） † 日最大瞬間風速 25.0 m/s 以上 – 水平格子幅： 100 m 解析対象 2 ：低気圧通過に伴う関東平野南部での突風 –2004 年 12 月 5 日東京で最大瞬間風速 40.2 m/s を記録し た事例 – 気象モデルから建物解像 CFD モデルへのダウンス ケールによる LES （ 60 m 格子から 20 m 格子へ）

日本海沿岸域突風の100 m格子計算 標高 土地利用 40 km 酒田市街地 鶴岡市街地

事例別の地上風速分布 2008 年 12 月 28 日 日最大瞬間風速： 27.5 m/s 2009 年 2 月 21 日 日最大瞬間風速： 28.9 m/s 期間平均風速期間最大風速

2008/2009年冬季の強風マッピング 地上高 10 m 期間平均風速期間最大風速 20 m 50 m 全 8 事例の合成図

領域 1 スケール： 1800km 格子幅： 7.5km 領域 2 スケール： 300km 格子幅： 1.5km 領域 3 スケール： 100km 格子幅： 300m 領域 4 スケール： 33km 格子幅： 60m 領域 5 スケール： 6.5 × 1.3 km 格子幅： 20m WRF モデル 建物解像 CFD モデル 南西北東 気象庁 0m 50m 気象モデル/CFDモデルダウンスケーリング 60 m 格子 20 m 格子

気象計算による風速特性の空間分布 平均風速 最大風速 強風時（ 2004 年 12 月 5 日 4-7 JST ；卓越風向：南南西）の 地上風の格子点別時系列の平均風速・最大風速

側面境界は周期条件 流出境界は移流型条件 上部境界は 流入境界で WRF 出力（水平風速成分）を時間・空間に補間 （ WRF 時間ステップ 0.2 秒， LES 時間ステップ 0.05 秒） 1.5km 6.5km 1.26km 解像度： 20 m×20 m×2.5 m ～ 64 m 格子数： 300×63×80 （主流方向 × スパン方向 × 鉛直方向） 流入面 建物解像モデル計算領域

風速時系列（観測 vs WRF vs LES） 観測値：東京管区気象台による地上高約 75 m での観測 計算値：地上高 10 m, 20 m, 50 m, 100 m での格子点値

まとめ 複雑地形や都市での風の情報の重要性 – 防災：風災害の防止と軽減 – 環境：大気汚染、ビル風、都市ヒートアイランド – エネルギー：風力発電 地形の起伏や都市の凹凸による風の変動を高解像度シ ミュレーションにより算出は可能 – 起伏による風速の大小コントラスト、粗度長の違い による風速の違い、都市域での乱流変動 観測研究とモデル研究とを相補的に進め、砂漠 や都市、平野部や山岳域、様々な気象条件で、 境界層の風と物質輸送の研究を深化