共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 格子ボルツマン法LESを用いた複雑地表面上で発達する大気境界層の数値解析
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 東京工業大学
研究代表者／職名 助教
研究代表者／氏名 稲垣厚至

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 小野寺直幸 日本原子力研究開発機構 研究員

2

 渡辺力 北大低温研

3

 下山宏 北大低温研

研究目的 本研究は，都市や植生のような複雑な地表面上で発達する大気境界層の数値計算を実施し，上空と地上付近の流れの相互作用の物理的メカニズムについて検討することを目的とする．そのためには地物周りの流れと大気境界層を陽的かつ同時に計算する必要があり，非常に大規模の計算資源を要する．格子ボルツマン法LESモデルは大規模GPU並列計算効率が非常に高い手法であるが，大気境界層の計算実績がほとんどない．そこで本研究において同モデルの大気境界層計算への適用可能性について検討し，それを用いて都市大気の流れの計算を実施した．
　　
研究内容・成果 本研究は，都市や植生のような複雑地表面上で発達する大気境界層の物理過程について検討するものである．一般的に日中の大気境界層で卓越する渦構造の大きさは数kmであり，一方，都市域や植生域（森林等）における地物近傍の流れの卓越渦スケールは数10m程度である．両層の物理過程の相互作用について検討するためには，スケールが数オーダー異なる流れを同時に取り扱う必要があり，それを数値計算により達成するためには，大領域かつ高解像度の大規模計算が必要となる．
格子ボルツマン法とは比較的新しい流体計算手法であるが，その計算アルゴリズムから大規模GPU並列計算においも非常に高い計算効率を発揮し，上述したような大規模計算を得意としている．しかしながら，比較的新しい計算手法であるため，気象場への適用事例がほとんどない．そこで本研究では，既存の格子ボルツマン法モデルに浮力効果を導入することで日中の大気境界層（大気混合層）の流れを計算し，既往の計算及び実験データを用いて精度検証することを目的とする．
まず，外力に関してはGuo et al. (2002， Physical Review E， 65， 46308)の方法に倣い，衝突時の分布関数及び速度のモーメント計算の過程で0.5時間幅分ずつ外力を添加した．浮力についてはブジネスク近似を用いて鉛直方向の力のみに働くとした．熱（スカラー）の動きに関してはボルツマン方程式を用いず，熱の移流拡散を差分法で計算した．
テスト計算として，平面上において一様加熱（0.1Km/s）のみにより流れが駆動される自然対流の計算を実施した．計算領域の大きさは水平6.4km×6.4km，鉛直2kmとし，格子解像度は等方で20mとした．初期境界層高度は地上500mとし，それ以下の高さでは初期温位を一定値，それ以上の高さでは0.1K/mで温位を上昇させた．
得られた結果として，大気境界層の計算実績が多数あるLES気象モデルとほぼ同等の結果となり，本計算方法の妥当性が示された．また，本モデルを用いた都市の大規模計算（約20km×5km×2km）を実施し，都市キャノピー内の瞬間的な温度分布形成に主な影響を及ぼしていることが示された．
　　
成果となる論文・学会発表等