共同研究報告書
| 研究区分 | 一般研究 |
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研究課題 |
格子ボルツマン法を用いた粗度境界層における安定・不安定成層の影響評価 |
| 新規・継続の別 | 継続（H30年度から） |
| 研究代表者／所属 | 東京科学大学 |
| 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 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
小野寺直幸 | 株式会社プロメテック | テクニカルマネージャ |
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2 |
長谷川雄太 | 株式会社プロメテック | シニアエンジニア |
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3 |
渡辺力 | 北大低温研 | |
| 研究目的 | 本研究では格子ボルツマン法LESモデルを用いて，（1）都市粗度境界層，及び（2）植生域の乱流境界層の計算を実施し，粗度境界層内で形成される温度成層が，粗度境界層の流れ場に及ぼす影響について検討する．具体的には，粗度境界層内の流れの変化や，粗度やゼロ面変位などの空力パラメータへの影響，粗度キャノピー内外の熱・物質交換効率などに及ぼす影響について検討する．安定度による粗度パラメータの修正は一般的なメソ気象モデルでは考慮されていないため，寒冷地におけるメソ気象計算の再現性の向上や，地表面付近へのダウンスケールを検討する上で重要な役割を果たすと考えられる． |
| 研究内容・成果 | 成層大気安定度下における，建物を模擬した立方体群と，それを透過植生に置き換えた地表面粗度に対する乱流境界層の計算を実施した．建物については高さ10mの立方体群を建蔽率0.25となるように正方配置した．透過植生については同様の立方体で定義して同様に配置した．植生の取り扱いについてはWatanabe (2020，2021)の計算手法を参考に，抵抗係数を用いたモデルを用いた．植生内の抵抗係数とLADは底面から樹冠まで一様とした（LAI=3.0）． また，水平一様の初期鉛直温度勾配を与えて温度成層状態を表現した．設定した温度勾配として，0K/m（中立），0.01K/m（弱安定），0.5K/m（強安定）の3ケースとした．計算領域は水平364m×364m，鉛直100m，空間解像度2m，初期一様風速10m/sとした．水平方向に周期条件，上面にスリップ条件，剛体面に壁関数を採用した．格子ボルツマン法LESモデルで流体計算を行った（Onodera et al. 2014， Inagaki et al. 2017， Watanabe et al. 2020， 2021）． 結果について，粗度とゼロ面変位を比較した．これらのパラメータは，シミュレーション結果の対数式フィッティングから求めた．建物（剛体）と植生（透過）で比較すると，建物の方が粗度が小さく，ゼロ面変位が高くなる結果となった．その原因は，建蔽率0.25では建物の間隔が狭く上空との運動量交換が乏しく，抵抗が働きにくくなるためである．一方植生は透過するため上空からの気流が深く入り込み，個々の樹木セルが効率的に抵抗として働き，総合的により大きな抵抗を生み出し，ゼロ面変位が低くなったと考えられる． 安定度の影響を見ると，建物群の粗度は中立，弱安定，強安定の順に0.27m，0.32m，0.12m，植生は1.10m，0.99m，0.55mとなった．ゼロ面変位は建物群が8.55m，8.28m，9.15m，植生が0m，0.4m，3.87mとなった．以上より大気安定度が安定なほどゼロ面変位の上昇が顕著となり，粗度はやや減少する傾向が見られた．大気が安定になると上下の乱流交換が抑制されるため，上記の結果は理にかなっている．今回はパラメータの推定値のみを分析したが，速度勾配の普遍関数や境界層全体の挙動など，より詳細な検証が必要である． Onodera et al: TSUBAME ESJ 9， 2-8， 2013 Inagaki et al.: Boundary-Layer Meteorol 164， 161-181， 2017 Watanabe et al.: Boundary-layer Meteorol 176， 36-60， 2020 Watanabe et al.: Boundary-layer Meteorol 181， 39-71， 2021 |
| 成果となる論文・学会発表等 | 稲垣厚至，神田学，小野寺直幸，長谷川雄太，渡辺力: 格子ボルツマン法を用いた東京23区都市街区シミュレーション．第30回計算工学講演会，大宮，2025年6月 |