都市生態圏 大気圏 水圏における水 エネルギー交換過程の解明研究の背景とねらい 都市生態圏 大気圏 水圏における水 エネルギー交換過程の解明 大気圏 水 エネルギーの輸送 都市生態圏 アジアメガシティ 水圏 研究代表者 東京工業大学大学院 理工学研究科国際開発工学専攻 神田学 ヒートアイランド集中豪

都市生態圏―大気圏―水圏における

水・エネルギー交換過程の解明

研究代表者

東京工業大学大学院・理工学研究科

国際開発工学専攻

神田 学

1

都市生態圏―大気圏―水圏における水・エネルギー交換過程の解明

研究の背景とねらい

水・エネルギーの輸送

水圏

ヒートアイランド

集中豪雨

内湾流動変化

淡水化・高温化

都市生態圏

アジアメガシティ

人工水エネルギー

循環

大気圏

2

淡水フラックス計測

環流系計測

（短波海洋ﾚｰﾀﾞｰ）

水・熱フラックス計測

水・熱フラックス計測

降雨レーダー

Ⅰ．

大気海洋同時観測（定常・集中）

～

都市のフォーシングの実態把握 その（１）

流出

大気圏

都市生態圏

水圏

4

小 大 幾何構造の影響 太陽放射 降雨 流出 熱エネルギー 1m

大気圏

都市生態圏

水圏

蒸発 水収支 放射エネルギー 風 50m 100m 植生配置の影響 道路面 屋根面 蒸散 精密電子天秤 （２）都市植生の蒸散特性 （１）幾何構造と水・エネルギーフラックス

5

Ⅰ．

準実スケールモデル都市実験

～

都市のフォーシングの実態把握 その（２） 不飽和帯 涵養・地下水流出 側方浸透 河川流れ 表面流出 蒸発散 蒸発散 雑排水 降下浸透 中間流出 不圧帯水層 難透水層 被圧帯水層 側方浸透 井戸揚水 窪地貯留 井戸揚水 上水道漏水 下水道浸出 降雨 雨水浸透施設 蒸発 蒸発 短波放射 長波放射 潜熱輸送 潜熱輸送 顕熱輸送 地中熱伝導 人工排熱 人工排熱 下水道処理場へ

「都市生態圏強制力モデル」

気象モデル CIP-CITY （東工大） RAMS （東工大） 沿岸海洋モデル POM （東工大） 蒸発 降雨 流出・遡上 蒸発 降雨・吹送力 水循環モデル WEP（土木研究所） 都市幾何パラメータ 土地利用分布 排水系統 都市活動パラメータ 人口・世帯分布 水・エネルギー消費 量原単位 環境パラメータ 地形、地質、植生 気象 etc.

水圏・大気圏への

水エネルギー強制力

6

Ⅱ．

強制力モデルによる水エネルギーフローの再評価

今日の発表のポイント

他の陸面と比較して、

都市特有と考えられる水文気象の発見と、

その陸面パラメタリゼーションの進展に

大きく寄与したと考えられる

CRESTオリジナルの結果を紹介

１，フラックスネット観測

都市特有の境界層現象の発見

Urban CO

₂

-Flux Towers

Planned, currently operated and discontinued sites with CO

2

-flux measurements in

urban areas. (Grimmond et al.)

Tokyo Urban Flux-net

Tokyo Bay

Residential (Kugahara)

Apartment

(Sakura-zutumi)

Urban Park

(Shinjuku Gyoen)

Instrumentation

Temperature profile

Sonic Anemometer・

Open-path IRGA

Radiation

at 11 heights

Vapor and CO

2

profile

4cm φ50µm φ0.32mm

No-gauged 29-m tower

11 height

成果１

成果１

スカラー輸送についてＭＯ則は成立しない！

スカラー輸送についてＭＯ則は成立しない！

(Moriwaki & Kanda, BLM 2005)

(Moriwaki & Kanda, BLM 2005)

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0

0.5

1

1.5

2

Kugahara

z'/L

r

wq

/r

wT

M.O.S.

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0

0.5

1

1.5

2

z'/L

r

wc

/r

wT

Kugahara

M.O.S.

熱と水蒸気の輸送効率比

熱と二酸化炭素の輸送効率比

0

1

2

3

4

0

0.5

1

1.5

-u'w'

z/h

都市接地層での運動量吸収 Æ個々の建物による形状抵抗

2

/

1

)

'

'

(

u

w

z

h

u

_τ

=

−

=

surfaceスケーリング

(

)

1/2 *local

u

'

w

'

local

u

=

−

localスケーリング

摩擦速度

u

_τ

を 屋根面高さhで定義

フラックスのプロファイルを線形外挿

成果２

成果２

風速プロファイルには

風速プロファイルには

“

“

Surface

Surface

スケーリング

スケーリング

”

”

が有効

が有効

(Moriwaki & Kanda. TAC, 2005)

(Moriwaki & Kanda. TAC, 2005)

0

1

2

3

4

0

5

10

U/u

*(local)

z/

z

h

unstable

neutral

stable

Local スケーリング

Results

Results

–

–

風速プロファイル

風速プロファイル

0

5

10

U/u

_τ

unstable

neutral

stable

0

1

2

3

4

z/

z

h

Surface スケーリング

正味放射量Rnと地中熱流量Gの相関図

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-200

0

200

400

600

800

Net radiation flux (Wm

-2

)

S

tor

ag

e h

e

at

fl

ux

(

W

m

-2

)

Jul

Dec

成果３

成果３

都市の貯熱は季節（純放射・太陽高度）に依存しない！

都市の貯熱は季節（純放射・太陽高度）に依存しない！

(Moriwaki & Kanda, JAM 2004)

(Moriwaki & Kanda, JAM 2004)

July

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

(W

m

-2

)

Rn

H

lE

G

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Time (hour)

緑被率22%

成果４

成果４

都市域の蒸発には顕著なオアシス効果が認められる

都市域の蒸発には顕著なオアシス効果が認められる

(Moriwaki and Kanda, JAM 2004)

(Moriwaki and Kanda, JAM 2004)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 60 120 180 240 300 360 Julian day Z/Z H 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 6.0℃ 8.0℃ Time H e ight 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 6.0℃ 8.0℃ 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 6.0℃ 8.0℃ Time H e ight 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 12.5℃ 14.5℃ H ei ght Time 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 12.5℃ 14.5℃ 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 12.5℃ 14.5℃ H ei ght Time 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 18.03 20.03 Time Heigh t 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 18.03 20.03 12 13 14 15 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 18.03 20.03 Time Heigh t

成果５

成果５

熱のソース高さに明確な季節依存性が認められる

熱のソース高さに明確な季節依存性が認められる

(Kanda et al

(Kanda et al

.,

.,

BLM 2005)

BLM 2005)

0 1 2 3 0 0.5 1 (T-TZ=3H )/ΔT Z/ ZH 0 1 2 3 0 0.5 1 (T-TZ=3H )/ΔT Z/ ZH 0 1 2 3 0 0.5 1 (T-TZ=3H )/ΔT Z/ ZH

夏期

春・秋期

冬期

温位プロファイル

0

1

2

3

4

z/

z

h 夜 昼

10

11

12

13

14

15

温位 [℃]

安定

不安定

日中（14:00）

夜間（19:00）

表面温度分布

屋根面が最も冷える

サーモグラフィによる

成果６

成果６

都市キャノピー内における夜間の

都市キャノピー内における夜間の

“

“

冷気流

冷気流

”

”

沈降の存在

沈降の存在

夜

昼

冷気湖

の生成

「都市キャノピー冷気流」（概念図）

「放射冷却」により屋根面が優先的に冷却される

冷気流の

重力沈降

420 510 [ppm]

z/

z

h

CO

2 Interval: 10 19：30 20：00 20：30 21：00 1 3 2 4 19：00

3

2

1

0

4

風速 [ m/s ]

１．主に家庭から排出さ

れるCO

2

２．屋根面からの冷気流

溜まる、高濃度

夜間

冷

CO

2

集積

成果７

成果７

夜間の高濃度ＣＯ

夜間の高濃度ＣＯ

_２２

の集積

の集積

(Moriwaki et al

(Moriwaki et al

.,

.,

Atmos

Atmos

.

.

Env

Env

.,

.,

2005)

2005)

大田区久が原

久が原タワー

区立久が原公園 区立久が原南台児童公園 月極駐車場 無線タワー

交差点の

北東側

交差点の

北西側

東西道路の

北側

東西道路の

南側

1

2

3

4

0

フラックスの空間分散観測

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Wind speed fl u x M

運動量FLUXの空間分散と風速

顕熱FLUXの空間分散と風速

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Wind speed fl uxT

成果８

成果８

乱流量の空間分散は森林と同程度、ただし顕熱は別！

乱流量の空間分散は森林と同程度、ただし顕熱は別！

(Kanda et al

(Kanda et al

.,

.,

BLM 2005)

BLM 2005)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0600

0900

1200

1500

1800

Japan Standard Time

()

s

RV

H

*

u

u

σ

日の出・日没前後に顕熱の空間分散が大きくなる

日の出・日没前後に顕熱の空間分散が大きくなる

東京湾フラックス観測

東京湾フラックス観測

長短波放射計 3軸音波風速 センサー 2,2 CO H Oアナ ライザー 長短波放射計 3軸音波風速 センサー 2,2 CO H Oアナ ライザー 長短波放射計 長短波放射計 3軸音波風速 センサー 3軸音波風速 センサー 3軸音波風速 センサー 軸音波風速 センサー 2,2 CO H Oアナ ライザー 2,2 CO H Oアナ ライザー 2,2 CO H Oアナ ライザー CO H Oアナ ライザー

観測場

所

都市

東西・南北方向それぞれ約1kmに

渡ってほぼ均一で一様な低層住宅街

（平均建物高さ:7.3m）の一角に建設

したタワーにおいて、地表面上29mの

高さで計測

東京都大田区久が原（N35.6°, E139.7°）

都市

都市

東西・南北方向それぞれ約1kmに

渡ってほぼ均一で一様な低層住宅街

（平均建物高さ:7.3m）の一角に建設

したタワーにおいて、地表面上29mの

高さで計測

東京都大田区久が原（N35.6°, E139.7°）

東西・南北方向それぞれ約1kmに

渡ってほぼ均一で一様な低層住宅街

（平均建物高さ:7.3m）の一角に建設

したタワーにおいて、地表面上29mの

高さで計測

東京都大田区久が原（N35.6°, E139.7°）

東京湾

千葉波浪観測塔（N35.6°, E140.0°）

平均潮位から約12mの高さで計測

甲板から測器を張り出し、完全な

る海上のデータを取得

電源装置：太陽電池

東京湾

東京湾

千葉波浪観測塔（N35.6°, E140.0°）

平均潮位から約12mの高さで計測

甲板から測器を張り出し、完全な

る海上のデータを取得

電源装置：太陽電池

千葉波浪観測塔（N35.6°, E140.0°）

平均潮位から約12mの高さで計測

甲板から測器を張り出し、完全な

る海上のデータを取得

電源装置：太陽電池

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 5 10 15 20 wind speed (ms-1 ) mg m -2s -1 Tokyo Bay Kugahara

CO

2

Flux – JST (04/12-05/01)

CO

2

Flux – Wind speed

(04/12-05/01)

都市

； 正のフラックス

東京湾

； 負のフラックス

都市ではCO

2

を放出

東京湾ではCO

2

を吸収

Sink/Sourceの関係

CO2 CO2 _CO 2 CO2 高濃度CO2の 移流 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 5 10 15 20 wind speed (ms-1 ) mg m -2s -1 Tokyo Bay Kugahara Tokyo Bay(N) Tokyo Bay(S)

東京湾では風速が増す

ほどCO

2

吸収量が増す

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Japan Standard Time (hour)

mg m -2s -1 Tokyo Bay Kugahara

成果９

成果９

ＣＯ

ＣＯ

_２２

のシンク機能

のシンク機能

Latent heat Flux – JST (04/12-05/01)

Latent heat Flux – Wind speed (04/12-05/01)

都市

; 潜熱の放出⇒小

日射強制力に依存

東京湾

; 潜熱の放出⇒大

風速に依存

乾燥空気

lE

lE

乾燥空気

lE

lE

-50 50 150 250 350 450 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Japan Standard Time (hour)

Wm -2 Tokyo Bay Kugahara -100 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 20 wind speed (ms-1) Wm -2 T okyo Bay Kugahara -100 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 20 wind speed (ms-1 ) Wm -2 T okyo Bay Kugahara T okyo Bay(N) T okyo Bay(S)

成果１０

成果１０

水蒸気の大量放出

水蒸気の大量放出

成果１１

成果１１

顕熱フラックスの季節変化

顕熱フラックスの季節変化

～

～

夏季は熱のシンク

夏季は熱のシンク

-200 -100 0 100 200 300 400 Dec-04 Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Wm -2 Tokyo Bay Kugahara -200 -100 0 100 200 300 400 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Japan Standard Time

Wm -2 -6 -3 0 3 6 9 12 ℃ Tokyo Bay (H) Kugahara (H) Tokyo Bay (Ts-T) Kugahara (Ts-T)

顕熱フラックスの季節変化

顕熱フラックスの経時変化

成果１２

成果１２

フラックスの長期変動

フラックスの長期変動

夏季、熱のシンクになるのは近年の出来事！

夏季、熱のシンクになるのは近年の出来事！

ソース

から

シンク

へ

ソースが減少

２，スケールモデル関連

都市陸面パラメーターの進展

-0.161 σ 0.128 σ

1.00

σ 0.208 σ 0.187 σ 0.186 σ 0.149 σ

1.35 AVE1.26AVE1.11 AVE1.06 AVE AVE1.59 AVE1.40 AVE

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 単木 疎 密外周S 密外周N 密中S 密中N 密コア 蒸散量 比（各 エ リア /密コ ア ）

成果１３

成果１３

実験による植生オアシス効果の実証

実験による植生オアシス効果の実証

(

(

Hagishima

Hagishima

et al

et al

.,

.,

HP 2006)

HP 2006)

A Comprehensive Outdoor Scale Model

Experiment for Urban Climate (

COSMO

)

(1) エネルギー収支

(2) 物理相似則

(3) 乱流構造

1.5 m

cube model

0.15 m

cube model

0.15m cube array

1.5m cube array

12m Towers

100 m

50 m

Wind

Direction

1/200

Drain and orifice

屋外におけるミニチュア都市実験

放射

---流れ

---熱慣性

---

×

物理相似則のチェック

(1)放射の相似性（アルベド）

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

3

6

9

12

15

18

21

24

Local time

Ca

nop

y a

lbe

do

Albedo(1/5)

Albedo(1/50)

（２）流れの相似性（抵抗係数）

2

2

*

C

U

u

=

_d

=

ρ

τ

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0

2

4

6

8

Wind Velocity (m s

-1

)

C

d

:Friction Velocity

u

d

ρ

τ

:Reynolds Stress

:Air Density

:Drag Coefficient

:Wind Velocity

U

C

u

d *

ρ

τ

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Wind velocity (m/s) CD , C H CD CH(day)

運動量と熱のバルク係数

Wind Wind Wind Wind

+ 0

+ 10mm

+ 50mm

+ 30mm

0.38 0. 47 0. 59 0.80 0. 98 1 .1 2 1 .1 6 1 .1 2 1 .4 2 1 .1 4 0 .9 6 0 .9 4 0.9 2 0 .9 3 0 .91 0. 64 0. 74 0.89 0. 95 0.66 0 .5 1 0 .6 80 .8 7 0 .9 50 .7 5 0 .3 70 .5 2 0 .6 2 0 .6 2 0.4 8 0. 53 0.59 0. 63 0. 58 0. 35 0. 55 0.57 1. 09 0. 67 0. 90 1. 09 1. 11 0 .5 4 0 .6 30 .8 3 0 .8 6 0 .5 7 0 .5 4 0 .6 30 .8 3 0 .8 6 0 .5 7 1 .2 9 1 .16 1.13 1.121 .0 7 0. 57 0. 66 0. 82 0.84 0. 62 1 .2 91 .1 6 1 .1 3 1 .1 2 1.0 7 0.4 6 0.64 0. 87 1. 28 1. 40 0. 46 0.64 0. 87 1. 28 1.40 0.57 0. 66 0. 82 0.84 0. 62 0 .9 5 0 .9 4 0 .9 5 0 .9 5 0 .9 4 0. 99 0. 94 1.01 1. 00 0. 74 0 .5 70 .7 40 .8 9 0 .9 3 0.7 7 1 .1 4 1 .2 1 1 .1 9 1 .1 9 1 .1 5 0 .3 7 0 .4 7 0 .4 5 0 .4 0 x 0. 31 0. 48 0.5 3 0.56 0. 64 0. 35 0.47 0. 64 0 .62 0.64 0. 64 0. 64 0.75 0. 66 0. 78 0. 81 0.99 1.0 6 1. 08 1.13 1. 43 0 .6 2 0 .7 10 .8 3 0 .8 30 .6 5 0 .7 9 0 .8 2 0 .8 40 .9 2 0 .85 1.07 1.01 1. 02 0.93 0. 71 1 .1 2 1 .1 3 1 .07 1.0 8 1.1 2 0 .3 7 0 .4 5 0 .4 4 0 .4 4 0 .3 50.34 0. 51 0. 55 0.6 1 0. 67 0. 33 0. 42 0. 49 0. 650.59 0.6 0 0. 63 0. 62 0. 61 0.7 0 0. 67 0.75 0. 740.80 0. 91 0.97 1.04 1. 08 1. 11 1. 35

0

4

Barlow 2004

Narita2005

Meinders1998

Sc数,Nu数とRe数の関係

代表長さ:面サイズ

風洞

実験

小林1994,

3階建物屋根の熱伝達率

5 4 3 2/

_Re

/

Pr

c

Nu

=

⋅

⋅

平板乱流の無次元式

5 4 3 2/ /

Re

Sc

c

Sh

=

⋅

⋅

物質伝達率測定

2Dキャノピー屋根

熱伝達率測定

3Dキャノピー屋根

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

Sh

/

Sc

(2 /3 )

,

Nu

/

Pr

(2 /3 )

10

3

₁₀

4

₁₀

5

₁₀

6

₁₀

7

0

2

4

6

8

10

0

5

10

15

wind speed U [m/s]

Ce

, C

h

[

×

10

-3

]

Narita 2000, islated cube

Barlow 2004, 2D (H/W=0.6)

Narita2005, 2D(H/W=0.5)

風速とバルク係数の関係

小林1994,

3階建物屋根の熱伝達率

風洞実験

（屋根の物質伝達率測定)

2次元キャノピー伝達率とH/Wの関係

（H/W=1の屋根の値で無次元化)

(N)

:Narita 2005, BLM submitted, 濾紙紙蒸発法, Re≒12,000

(B)

:Barlow et al. 2004, BLM, ナフタレン昇華法, U≒4,000～10,000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

1

H/W

2

3

物質伝達率

roof(N)

leew ard(N)

w indw ard(N)

roof(B)

leew ard(B)

w indw ard(B)

street(B)

street

windward

leeward

roof

W

H

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0

30

60

90

120

150

180

Wind direction (deg)

C

H

(w

a

ll)

/C

H

(R

o

o

f) &

C

E

(w

a

ll)/

C

E

(R

oof

)

CH(sunlit)

CH(shadow)

CH(night)

CE

CE(Wind Tunnel)

(3)熱慣性の相似性（放射温度）

0.0

5.0

10.0

15.0

0000

0600

1200

1800

0000

Japan Standard Time

R

adi

a

ti

on Tem

per

a

tur

e

　

(

o

C)

-200

-100

0

100

200

300

400

-200

0

200

400

600

Net allwave radiation (W/㎡)

C

ond

uc

ti

ve

he

at

f

lu

x (W/

㎡

)

G(1/5)

G(1/50)

スケールモデルのエネルギー収支

-200

-100

0

100

200

300

0000

0600

1200

1800

0000

Japan Standard Time

W m

-2

Rn

H

lE

G

エネルギーインバランス

0

50

100

150

200

250

0

50

100

150

200

250

Rn - G (W m

-2

)

H +

l

E

(

W m

-2

)

H + LE < Rn- G

熱収支の風速依存性

40

60

80

100

0

1

2

3

4

Wind Velocity (m s

-1

)

G Rn

et

-1

(%

)

0.010 0.020 0.030 0.040 -50 -25 0 25 50

Wind Direction (deg)

Cd

-45(deg)

0(deg)

-45(deg)

C

d

has wind direction

dependency

抵抗係数の風向依存性

0

2

4

6

8

10

0

5

10

15

20

Ta-TH

ln

(z

0

/z

T

)

運動量と熱の粗度比ー温度依存性

クロスオーバー現象

0

1

2

3

4

5

4

4.5

5

5.5

6

Temperature ( C)

o

1h

2h

3h

4h

5h

Scale Model

Surroundings

80 m （25ブロック）

N

水平分布観測

超音波風速計 （Kaijo TR-90AH, Young CYG81000） 3m 0.75m 1.5m 3m CYG81000 TR-90AH (DA600)

TOS COMPARISON

(2)

Surface layers

(Adrian et al., 2001 JFM)

(1)

Vegetation layers

(Kanda and Hino., 1994 BLM)

Scale Model

(multi sonic)

Large Eddy

Simulation

y （m） Roughness block -2 2 0 (m/s) 00 15 30 45 60 9 15 21 3

'

u

大規模乱流構造

大規模乱流構造

平均風速 2.2 m/s 高度 2H 観測日時 2005/9/7 17：39～ t （sec） Mean wind y （m） Roughness block -2 2 0 (m/s) 00 15 30 45 60 9 15 21 3

'

u

15 30 45 60 0 0 9 15 21 3

'

w

-1 1 0 (m/s) 15 30 45 60 0 0 9 15 21 3

'

T

-1 1 0 (K) t （sec） t （sec） y （m） y （m）

まとめ

(1) 観測 都市表面特有の物理現象の発見

(2) 実験 都市面パラメータのデータベース

都市からのフラックス（大気圏＋水圏へ）

算定のためのモデル化