上空大気の鉛直及び水平速度変動のスペクトル解析
及び地表付近の気温へ及ぼす影響の評価
SPECTRAL ANALYSIS OF THE VERTICAL AND HORIZONTAL VELOCITY FLUCTUATIONS ABOVE THE CITY CENTER AND EVALUATION OF THE INFLUENCES ON TEMPERATURE NEAR THE GROUND
石田 泰之１） 小野田 真帆２） 渡辺 浩文３） 上田 裕洋4) 持田 灯5) Yasuyuki ISHIDA1), Maho ONODA2), Hironori WATANABE3), Hiromi UEDA4) and Akashi MOCHIDA5)
ABSTRACT
For effective use of the sea breeze as a countermeasure against urban warming, it is important to analyze the wind field within the atmospheric boundary layer over the city and clarify the relationships between the sea breeze above the city and the temperature near the ground, in summer. In this study, a concurrent measurement of wind velocities using two Doppler lidars set in the city center and the air temperature at multiple observation points near the ground surface was conducted in coastal city Sendai, Japan. The characteristics of vertical and horizontal wind velocity fluctuations of sea breeze were analyzed quantitatively by spectral analysis, and their influences on temperature near the ground surface were clarified.
Key Words: Doppler lidar, Sea breeze, Spectral analysis, Multiple observation, Velocity fluctuation １．はじめに 我が国の大都市の多くは沿岸部に位置することから、夏期の都市温暖化対策を検討する上で海風の利用は重要 であり、国土交通省都市局都市計画課発行の「ヒートアイランド現象緩和に向けた都市づくりガイドライン」文1)におい ても、「風の道を活用した都市づくりの基本的な考え方」の項目に、海風の利用が挙げられている。海風を効果的に 利用するためには、海風の気流性状及びこれと市街地内の温熱環境との関係の解明が重要である。 これまで、海風による都市部の気温低減効果に関する研究はいくつかの研究グループにより実施され文2,3)等、十二 村ら文4)、沿岸都市である宮城県仙台市を対象に地表付近の気温の長期多点同時測定を実施し、海風が観測された 日に日中の気温上昇の停止が海沿いから内陸部にかけて順に生じることを示し、海風による気温低減効果を確認し ている。また、上空気流性状を直接観測しようとする研究も従来より数多く実施され、近年ではリモートセンシング技術 の発展により小型のドップラーライダーを用いた計測が行われるようになってきた。海風に着目した計測も実施されて いるが文5)等、海風の気流性状が地表付近の気温へ及ぼす影響について分析するために、上空の海風の気流性状と １） 東北大学大学院工学研究科 助手 （〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-11） 2） 株式会社三菱地所設計 （〒100-0005 東京都千代田区丸の内 2-5-1） 3） 東北工業大学建築学科 教授・工博 （〒982-8577 仙台市太白区八木山香澄町 35-1） 4） 日本気象株式会社 （〒540-6017 大阪市中央区城見 1-2-27） 5） 東北大学大学院工学研究科 教授・工博 （〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-11）
地表付近の気温を同時に計測した研究は殆どない。 本研究では、上空の海風の気流性状を分析するため、2 台のドップラーライダーにより宮城県仙台市の中心市街 地上空の気流性状を計測した。また、これと地表付近の気温変化の関係を評価するため、ドップラーライダー計測と 同期間に、仙台市内において気温の多点同時測定を実施した。この結果に基づいて上空を吹く海風の鉛直方向及 び水平方向の速度変動の性状をスペクトル解析により評価するとともに、地表付近の気温へ及ぼす影響を分析した。 ２．実測概要 ２．１ 温湿度の多点同時測定 2018 年 8 月 7 日～9 月 10 日に、仙台市内 22 か所の小学校及び海岸公園（図 1） の百葉箱内に温湿度センサ付きデータロガーを自然通風状態で設置し、気温と相対湿度を 10 分間隔で測定した。 本報では海風の進行方向（南東から北西方向）に並ぶ3 地点（図 1 赤）の測定データを示す。 ２．２ ドップラーライダーによる上空気流性状の計測（図 2、図 3） 仙台市街地中心部に位置する電力ビル（Lidar site 1、建物高さ 31m）と東北電力本店ビル（Lidar site 2、建物高さ 125m）の屋上に、ライダー（Galion G4000注1）、図3） をそれぞれ1 台の計 2 台設置した（図 2）。Lidar site 1 では温湿度の多点同時測定と同期間に、時間解像度 4 秒、 計測高度106~2,056m で風速の鉛直成分の鉛直分布を計測（鉛直 Positioning 計測、図 4）。Lidar site 2 では同年 8 月7 日～19 日に、Positioning 計測のレーザー射出方向を水平南東方向（図 2 赤線の方向）とする水平 Positioning 計測を実施した。いずれのライダー計測も距離分解能は30m である。 ３．分析対象日 まず、海風を図 5 に示す通り、南から東の範囲から吹く風と定義する。計測期間のうち、仙台管区気象台で海風が 6 時間以上継続して観測された日を抽出した。いくつかの既往研究において、海風が進入する際、その前線部にお いて強い上昇流が発生することが報告されている文6)等ことから、本研究では、海風が観測され始めた時刻に強い上昇 流が計測された日を“海風日”と呼び、分析を行う。本報では、これらの条件に当てはまる2018 年 8 月 13 日の分析結 果を報告する。 図6 は分析対象日に仙台管区気象台（仙台駅の東側約 1km 地点、観測高さ 53.2m）で観測された 風向風速の結果（10 分間の区間平均値）であり、10 時より前は北よりの内陸からの風が吹いており、11 時前から 22 時過ぎまで概ね一様に海風が吹いている。なお、この日に仙台管区気象台で観測された日最高気温は30.2℃で、真 夏日であった。 図1 温湿度測定点 図2 ドップラーライダー設置地点 図3 ドップラーライダー 図4 鉛直 Positioning 計測 図5 8 月の風配図注2) 図6 風向風速（仙台管区気象台、2018.8.13） 多賀城市 0 10km 仙台市 観測対象小学校 仙台管区気象台 仙台駅 名取市 太 平 洋 N
Point 3
Point 2
Point 1
Lidar site 1 (建物高さ: 31m) 温湿度測定点 （Point3） 仙台駅 Lidar site 2 (建物高さ: 125m) 100m 700m 0 500m N 水平POS計測方向 時間解像度4秒、 距離分解能力30mで 鉛直成分の鉛直分布 を計測 電 電力力ビビルル 周辺建物 海風 0 5 10 15 20 発 発生生頻頻度度 北 北 東 東 南 南 西 西 北 北西西 北北東東 南 南東東 南 南西西 0 2 4 6 8 1 3 5 7 9 11 13 15 17 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 風速 [m /s] 風向 風速 N W S E N４．測定結果 ４．１ 気温の時間変化 図1 に赤で示した 3 地点における 10 分間隔で計測した気温の時系列変化を図 7 に示す。各 地点とも6 時頃から気温が上昇し始め、海側の Point 1 で は、9 時半頃に気温上昇が停止し、12 時過ぎに下降に転 じる。都市中心部のPoint 2 では、9 時過ぎに一度気温上 昇が緩やかになるが、その後大きく上昇し、10 時頃を境に 改めて気温上昇が抑えられている。この時刻は仙台管区 気象台で海風に風向が変化する時間とも一致する（図6）。 図7 気温の時間変化（各 Point は図 1 参照） 内陸側のPoint 3 では、11 時半頃に気温上昇が一度停止し、その後、気温上昇が緩やかになる。 各地点の結果を比較すると、気温上昇の停止あるいは緩和が、海側のPoint 1 では 9 時半頃、中心部の Point 2 では10 時頃、内陸側の Point 3 では 11 時半頃と、海側から内陸側にかけて順番に生じている。この結果は既往研 究文4)においても確認されている。
４．２ Positioning 計測結果 図 8、図 9 に、8 時から 11 時までの水平 Positioning 計測及び鉛直 Positioning 計測結
果を示す。なお、図8 では風速の北西から南東に進む方向を正、逆に南東から北西に進む方向（海風方向）を負とし、 図9 では、上昇を正、下降を負としている。また図 8 に関して、例えば、空気塊が赤外線射出線上（図 2、赤ライン）を 北西から南東に進む（北西風）場合、時刻（横軸）の経過とともにライダーからの距離（縦軸）が増えるため、図 8(1)に 見られるような傾きが図中に現れる。図8(3)では風向が南東（海風）であり、この逆の傾きが現れている。 水平Positioning 計測結果をみると、海風進入前の 8 時台には、北西風方向成分が概ね 2m/s 程度吹いており（図 8(1)）、9 時 10 分を過ぎたころから海方向からの風が現れ始める（図 8(2)）。この時刻は、仙台管区気象台で風向が北 よりの風から変化を始める時間とも近く（図6）、一度、気温上昇が抑えられた時刻（図 7）とも一致する。10 時台になる と海風が支配的となり、その風速は2～6m/s である（図 8(3)）。鉛直 Positioning 計測結果を確認すると、8 時台には殆 どみられなかった鉛直方向成分が（図9(1)）、図 8 において海方向からの風が計測され始めた時刻である 9 時 10 分 頃には地上から高さ500m 程度まで弱い下降流が発生し（図 9(2)）、10 時台には高さ 500m 以上の範囲で強い上昇・ 下降流が継続的に発生している（図9(3)）。10 時台は気温上昇の傾きが抑えられている時間であり（図 7）、上空の海 風との空気の混合により気温上昇が抑えられたものと考えられる。一般に、海風進入時には海風前線部において強 い上昇流が発生することが報告されており文6)等、同様の傾向が確認された。また、文献 6)によると、海風前線が到達 する前に先走り流と呼ばれる下降流が発生し、9 時 10 分頃に見られる下降流がこれに当たる可能性が考えられる。 4.1 節で述べた通り、この時刻（9 時過ぎ）は、Point2(中心部)で一度気温上昇が抑えられていた時刻と一致することか ら（図7）、海風の第一波が中心部に到達したものが計測されたと思われる。 ４．３ 風速変動のパワースペクトル パワースペクトルの評価点は、北西-南東方向成分は、図 2 に赤四角で示すドッ プラーライダー設置位置（Lidar site 2）から南東方向に水平距離 100m 地点と 700m 地点の 2 点、鉛直方向成分は地 上200m と 400m の 2 点である。図 10(1)～(3)及び図 11(1)～(3)のそれぞれ(a)に各評価点で 4 秒の時間解像度で得 られた風速の北西-南東方向成分と鉛直方向成分の時間変化を、また、それぞれ(b)、(c)にパワースペクトルを示す。 海風進入前の 8 時台は、風速の北西-南東方向成分をみると、主に北西側から 0～1m/s で風が吹いており（図 10(1)(a)）、各周波数帯のパワーも比較的小さい（図 10(1)(b),(c)）。鉛直方向成分（図 11(1)）も、上昇・下降とも概ね 1m/s 以下で静穏な状態にある事がわかる。海風が確認され始めた 9 時台の結果をみると、風速の北西-南東方向成 分は、図10(2)(a)をみると、より海側の 700m 地点において 9 時半頃まで北西風と海風が入り混じる状況となっており、 凡そ9 時半以降は海風が主体となっている。また、風速値は 1m/s 未満である。都市中心部に近い 100m 地点では、 9 時 45 分以降になると北西方向成分が計測されなくなる。パワースペクトル（図 10(2)(b),(c)）は、特に 100m 地点にお いて約0.001Hz の低周波帯のパワーが増大する。また、0.002～0.005Hz のパワーも、8 時台と比較すると約 2 倍程度 に増加している（図10(2)(b),(c)）。鉛直方向成分をみると、両方の高さにおいて 9 時 10 分以降に 1m/s を超える下降 15 20 25 30 35 0: 00 2: 00 4: 00 6: 00 8: 00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 気温 [℃ ] Point 1（海側） Point 2（中心部） Point 3（内陸側）
(1) 8 時台 (2) 9 時台 (3) 10 時台 図8 ドップラーライダーによる水平 Positioning 計測結果 (1) 8 時台 (2) 9 時台 (3) 10 時台 図9 ドップラーライダーによる鉛直 Positioning 計測結果 8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Di stan ce[m ] 8 0 -8 [m/s] 16 -4 4 12 9:00 9:10 9:20 9:30 9:40 9:50 10:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Di stan ce[m ] 8 0 -8 [m/s] 16 -4 4 12 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Di stan ce[m ] 8 0 -8 [m/s] 16 -4 4 12 上昇 下降 [m/s] 3 -3 0 up dn 8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Hei gh t[m ] 9:00 9:10 9:20 9:30 9:40 9:50 10:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Hei gh t[m ] 上昇 下降 [m/s] 3 -3 0 up dn 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 2,000 1,500 1,000 500 0 Hei gh t[m ] 上昇 下降 [m/s] 3 -3 0 up dn
流が確認され、その後 5 分程度継続する上昇流・下降流が生じている（図 11(2)(a)）。図 11(2)(b),(c)に示すパワース ペクトルをみると、北西-南東方向成分と同様に、0.001～0.002Hz の低周波帯のパワーが増大しており、海風前線部 における、継続時間が長く高風速である流れのパワーに当たると考えられる。海風が支配的となった10 時台に関して、 風速の北西-南東方向成分のパワースペクトル（図 10(3)(b),(c)）をみると、大きなパワーが比較的低周波の 0.001～ 0.003Hz でみられ、その値は 9 時台と比べて約 2～3 倍となっている。鉛直方向成分の結果（図 11(3)(a)）から、継続時 間が 10 分程度にもなる上昇流・下降流が確認でき、地表付近の空気と市街地上空の空気の活発な混合が発生して いると考えられる。高さによる風速の差は殆ど見られず、大規模な鉛直方向の流れを有する海風の層内部の性状が 計測できたものと考えられる。またパワースペクトル（図 11(3)(b),(c)）をみると、風速の北西-南東方向成分と同様に、 大きなパワーを持つ波が高周波数側に移動しており、0.005Hz 近くまで高いパワーが発現している。 ５．まとめ 2 台のドップラーライダー計測と温湿度の多点同時測定を同時に実施し、仙台の夏季の気候特性について気流性 状と温湿度への影響の観点から分析した。さらにパワースペクトル分析により風速変動を定量的に評価した。中心市 街地内部において、海風前線部のスケールの大きい風速変動により気温上昇が抑えられたと考えられる。 (a) 風速の北西-南東成分の時刻変化（1 目盛:1[m/s]） (b) 水平距離100m (c) 水平距離700m (1) 8 時から 9 時における風速の北西-南東成分の時刻変化及びパワースペクトル (a) 風速の北西-南東成分の時刻変化（1 目盛:1[m/s]） (b) 水平距離100m (c) 水平距離700m (2) 9 時から 10 時における風速の北西-南東成分の時刻変化及びパワースペクトル (a) 風速の北西-南東成分の時刻変化（1 目盛:1[m/s]） (b) 水平距離100m (c) 水平距離700m (3) 10 時から 11 時における風速の北西-南東成分の時刻変化及びパワースペクトル 図10 各水平距離での風速の北西-南東成分の時刻変化及びパワースペクトル -10-8 -6 -4 -20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 8: 00 8: 05 8: 10 8: 15 8: 20 8: 25 8: 30 8: 35 8: 40 8: 45 8: 50 8: 55 9: 00 北西 南東 北西 南東 700m 100m 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワー Pw (f) [ m 2/s ] 周波数f [Hz] -10-8 -6 -4 -20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 9: 00 9:05 9:10 9:15 9:20 9:25 9:30 9:35 9:40 9:45 9:50 9:55 10: 00 北西 南東 北西 南東 700m 100m 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワ ー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワー Pw (f) [ m 2/s ] 周波数f [Hz] -10-8 -6 -4 -20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 10: 00 10: 05 10: 10 10 :1 5 10: 20 10: 25 10 :3 0 10: 35 10: 40 10: 45 10: 50 10: 55 11: 00 北西 南東 北西 南東 700m 100m 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パ ワ ー Pw (f) [ m 2/s ] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワ ー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz]
(a) 風速の鉛直成分の時刻変化（1目盛:1[m/s]） (b) 高さ200m (c) 高さ400m (1) 8 時から 9 時における風速の鉛直成分の時刻変化及びパワースペクトル (a) 風速の鉛直成分の時刻変化（1目盛:1[m/s]） (b) 高さ200m (c) 高さ400m (2) 9 時から 10 時における各高さでの風速の鉛直成分の時刻変化及びパワースペクトル (a) 風速の鉛直成分の時刻変化（1目盛:1[m/s]） (b) 高さ200m (c) 高さ400m (3) 10 時から 11 時における各高さでの風速の鉛直成分の時刻変化及びパワースペクトル 図11 各高さでの風速の鉛直成分の時刻変化及びパワースペクトル 注釈 注1) SgurrEnergy 社(英国)製 Galion G4000 を使用した。レーザーは長波 1.55μm（クラス 1M、アイセーフ）、パルス周波数 100MHz、パルス繰り返し周波数 15kHz である。測定可能風速範囲は 70m/s で精度は±0.1m/s である。
注2) 1998 年から 2017 年に仙台管区気象台で観測された風向（時別値）、図は Google Earth ©2018 ZENRIN の画像を使用して作成し た。 謝辞 本研究は科研費（課題番号：17H03349、研究代表者：持田灯、課題番号：18K04453、研究代表者：石田泰之）の助成により行われた ものである。また、ライダー設置場所として電力ビル、東北電力本店ビル屋上を東日本興業株式会社に提供していただいた。記してここ に謝意を表する。 参考文献 1) 国土交通省 都市局都市計画課，2013.12 2) 橋本他：日本建築学会計画系論文集，66，545，pp.65-70，2001.7 3) 成田他：日本建築学会環境系論文集，75，653，pp.637-644，2010.7 4) 十二村他：日本建築学会環境系論文集，72，612，pp.83-88，2007.2 5) Iwai et al.：Boundary-Layer Meteorology, 141, 1, pp.117-142, 2011
6) Nakane et al.：Journal of the Meteorological Society of Japan, 64, 5, pp.787-792, 1986.10
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 8: 00 8: 05 8: 10 8: 15 8: 20 8: 25 8: 30 8: 35 8: 40 8: 45 8: 50 8: 55 9: 00 400m 200m 上昇 下降 上昇 下降 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パ ワ ー Pw (f) [ m 2/s ] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 9: 00 9:05 9:10 9:15 9:20 9:25 9:30 9:35 9:40 9:45 9:50 9:55 10: 00 400m 200m 上昇 下降 上昇 下降 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワ ー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワ ー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 10: 00 10: 05 10: 10 10: 15 10: 20 10: 25 10: 30 10: 35 10: 40 10 :4 5 10: 50 10 :5 5 11: 00 400m 200m 上昇 下降 上昇 下降 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワ ー Pw (f) [ m 2/s] 周波数f [Hz] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.005 0.01 パワー Pw (f) [ m 2/s ] 周波数f [Hz]
