九州大学 総合理工学研究院 エネルギー環境共生工学部門/総合理工学府 環境エネルギー工学専攻/工学部 エネルギー科学科


都市気候学

都市域には特有の気象現象がある事は古くから知られてきました。日本でここ数年来急速に認知度を増している「ヒートアイランド現象」もその一つです。都市に多くの人が暮らし、エネルギーを消費している現状を考えると、人間の快適性や安全性、地球環境問題の観点から「都市気候」は重要な研究の対象の一つと言えましょう。
この研究分野は学際的な色彩が強く、気象学、土木工学、水文学、建築工学、機械工学など様々な分野の研究者が集まっています。また、研究のターゲットも、よりきめ細かな天気予報の確立、エネルギー消費量やCO2排出量の問題をクリアするための都市・建築デザイン、汚染物質飛散の予測向上など、様々です。
この都市気候学の分野において、我々の研究室は次の2つの方向から研究に取り組んでいます。

現象解明型研究

都市気候の高精度予測を目的として種々の物理過程の特性把握やモデル化を目指す。

工学的応用研究

壁面緑化や街路樹の有効活用など”みず”と”みどり”と”そよ風”による快適な都市空間の提案

ヒートアイランド現象

0.6 : 2.4

この2つの数字は、過去100年間における地球の平均気温と大都市の気温(℃)の上昇率を示しています。つまり、地球温暖化の4倍のスピードで都市は高温化しているという事になります。このような都心部が郊外に比べ気温が高くなる現象を、ヒートアイランド現象と呼びます。公共事業見直し、「都市再生」などの社会動向とリンクするように、ここ数年でヒートアイランド現象は国内では一気に知名度を増しました。

ヒートアイランドの原因を考える上で、都市の温度場の形成要因として次の2点が重要です

土地被覆

蒸発冷却効果を有する緑地・水面と乾燥面のアスファルトやコンクリートの熱収支構造の違い

建物の凹凸による日射・放射のトラップ

建物の凹凸による都市域の気流場・温度場の変化

地表付近の風速低減による夏季の体感温度上昇

建物粗度による乱流拡散促進

人工排熱量

OA機器、空調機器の普及など、建物内部発熱増加

空調機器の種類・性能 (空調排熱量に大きく影響)

これらの因子の働きは非常に複雑で、「緑地○%増加すれば気温が○度下がる」といった平易な記述で現象を語ることは困難です。

そこで本研究室では、都市の温度場形成のメカニズムを都市気候モデルにより記述し、様々な条件での数値実験を行う事で、ヒートアイランド緩和策の有効性について検討してきました。また、都市気候モデルに含まれている多くの未解明の現象を解明すべく、観測や室内実験を行っています。

現在進行中の研究テーマ

数値解析、室内実験、屋外観測の3通りの手法からアプローチしています。

室内実験系

風洞模型実験による都市の気流場における表面抵抗係数のモデリング

塩分濃度法を用いた都市表面-大気の交換係数に関する風洞模型実験

都市キャノピー内のスカラー境界層発達過程に関する風洞実験

屋外観測系

1/5スケールモデルサイトCOSMOにおける街路樹の暑熱緩和効果に関する観測

1/5スケールモデルサイトCOSMOにおける温度場・気流場の観測

集合住宅団地の熱収支観測 (実大2次元キャノピーにおける対流熱伝達率分布測定)

都市に点在する「みどり」のオアシス効果に関する研究 -植栽ポットを用いた屋外実験-

数値解析系

Large Eddy Simulationによる都市キャノピー内外気流の解析

多層都市キャノピーモデルAUSSSMを用いたヒートアイランド現象の数値解析

各テーマの詳細 (室内実験系)

風洞模型実験による都市の気流場における抵抗係数のモデリング

都市域の気流性状把握は、昨今話題のヒートアイランド現象のみならず、自動車などからの大気汚染物質の拡散、高層ビルの耐風設計、地表付近での温熱快適性、環境共生型建築において重要になる通風など、様々な現象に関連しており、都市気候における極めて重要な課題であると言えます(注1)。

様々な高さ・形状の建物群からなる都市の空間平均気流場を予測評価するためには、建物群による風速低減効果をバルクで表現する「抵抗係数(ラフネスパラメータ)」を用いたモデル化が有効です(注2)。このモデル化は、「都市キャノピーモデル」「dragforce型モデル」などの名称で呼ばれており、近年のヒートアイランド現象についての数値解析の大半がこのモデルを内包しています。

この「ラフネスパラメータ」は実験定数ですが、これまで都市形状の影響は考慮されず、一定値として取り扱われてきました。そこで、本テーマでは風洞装置を用いた縮小模型実験により、様々な模型配列条件下における抗力係数のデータを得る事で、複雑な都市形状に対応した抵抗係数のモデルを提案する事を目的としています。

注1) 余談ですが、アメリカでは9.11のテロ以来、都市でサリンなどの有毒ガスが散布される可能性を想定した都市気流についての大規模研究プロジェクトが推進されており、従来の「大気汚染問題」とは異なる視点での研究が活発化しています

注2)流体力学で「カルマンの積分式」を勉強した人ならば、境界層の床面抗力と速度場が関連あることが容易に理解できるでしょう

塩分法を用いた都市表面-大気の交換係数に関する風洞模型実験

都市域の気温は、都市の表面(アスファルト、建物など)と都市キャノピー空気の間の対流による熱交換、都市キャノピー空間の内外での大気の流動による熱輸送に大きな影響を受けています。しかし、複雑な形状を有する都市の表面と大気の熱伝達効率については、これまで十分な実験データの蓄積がありませんでした。

そこで、「塩分法」とよばれる手法を用いて、様々な幾何形状のブロック粗度群の床面の蒸発量の計測を行ってきました。実験データは「バルクスカラー係数」で整理されます。このバルク係数は、運動量輸送における抗力係数に相当するものです。

各テーマの詳細 (屋外観測系)

1/5スケールモデルサイトにおける温度場・気流場の観測

1.5m立方のコンクリートブロック群からなる準実大スケールモデルサイトにおけるcrestの観測プロジェクトです。

これまでに、スケールモデルにおける年間の熱収支各成分(放射、対流、伝導)、ブロック群の上空の境界層の乱流統計量についての計測を行っています。

スケールモデル内外表面温度分布、キャノピー空間内外の多点気温分布、表面近傍温度分布の測定を行っています。

集合住宅団地の熱収支観測

(実大2次元キャノピーにおける対流熱伝達率分布測定)

住宅の庭木、街路樹、公園といった都市の緑は、気象学で取り扱う森林や草原に比べ、水平方向のスケールが極端に小さいという特徴をもっています。

そのため、都市域の植物群落の熱収支構造は水平方向移流の影響、即ち、比較的高温で乾燥した市街地の空気流入による影響を強く受けるため、森林や草原に比べ、単位面積当たりの蒸発量が大きくなる傾向にあります。こうした特性は「オアシス効果」と呼ばれます。

現在、都市の熱収支を表現した数値モデル(通称、都市キャノピーモデル)により、都市域の気温のシミュレーションが盛んに行われていますが、都市の緑地の熱的特性に関して、こうしたオアシス効果はあまり考慮されてきませんでした。

そこで、私たちの研究室では、埼玉県の日本工業大学の実験サイトにおいて、多数の鉢植え植物を使って、オアシス効果が蒸散量に与える影響に関する屋外実験を行いました。

この観測の結果、植物の配置状況が粗な場合は、密な場合に比べ蒸発量が1.6倍大きくなることを確認しました。

各テーマの詳細 (数値解析系)

Large eddy simulationによる都市キャノピー空間の気流場・濃度場の解析

都市のヒートアイランド現象を論じる場合の都市域の「気温」とは、多くの場合、数百m?数kmの領域の空間平均を意味します。よって、ヒートアイランド現象の予測には都市の流体力学的、熱的なインパクトを空間平均像として適切に評価する事が重要になります。一方で、都市のキャノピー空間に注目してみると、都市―大気間のシアーや自然対流、建物個々のウェイクなどにより作り出される乱流は時々刻々移り変わる複雑な3次元的分布を有していることが分かります。

本研究室では、large eddy simulationとよばれる数値流体解析の手法を用い、建物群周辺の気流場やスカラー輸送現象についての研究を行っています。

こうした都市キャノピー空間の乱流の時空間構造は、マクロな視点での都市域のforcingを理解する上で重要であるのは勿論の事、歩行者空間の空気質や都市域の建物の換気通風効率などの観点からも重要な研究対象です。また、より幅広い境界層乱流の研究分野においては、都市のような凹凸のある面上空の流れ場は「粗面乱流」にカテゴライズされ、その組織構造についてここ20年ほどの間、注目を集めています。

都市の人工排熱発生量・水使用量の時変動のモデル化

(実大2次元キャノピーにおける対流熱伝達率分布測定)

都市における人間活動のスケジュール予測モデルをベースとした、人工排熱及び水使用量の予測モデルの構築を行っています。モデルの概要は以下の通りです。即ち、公刊されている統計データに基づき15分時間分解能を有する居住者生活行為スケジュールをde-convolutionにより求める。この時系列データに各行為毎にエネルギー機器、エネルギー消費イベントを貼り付ければ、職業・年齢などの属性別、曜日別のエネルギー消費時系列予測モデルが構築出来る。以上により、時間分解能の高い都市気候モデルの境界条件として付与する人工排熱及び水湯使用量の時系列予測モデルを理論構成する、というものです。

現在は、構築した時変動モデルと種々の水・エネルギーの使用に関する観測データとの比較検証を行っています。

次のフェーズとして以下を計画しています.①ある住棟を想定し,エネルギー,水消費の最大デマンド予測が従来的工学散歩と比較してどの程度乖離しているかを特定する,②ある街区を想定し,少子化や高齢化に伴う居住スタイルの変容を想定し,それが如何なるエネルギー,水需要の特性となって顕れるかをシナリオ計算する,③本研究の工学的応用として期待されている"住戸別時刻別エネルギー,水使用スケジュール生成ツール"の構築.