長崎市域 におけ る熱環境 の動態調査 とその解析

長崎大学工学部研究報告 第28 巻 第51 号 平成1

0

年

7

月

229

長崎市域 におけ る熱環境 の動態調査 とその解析

松 尾 俊 志* ･古 本 勝 弘**

薦 田 鹿 章**･赤 城

Obs e r va t i onsofThe r ma lEnvi r onme nt i nNa ga s a kiMunl ●● C l pa lAr e aa ndi t sAna l ys ュ ● s

by

SatoshiMATSUO*,KatsuhiroFURUMOTO** HiroakiKOMODA**,MakotoAKAGI***

誠***

Inurbanarea,apeculiarclimateisformedreflectingthecharacteristicofthecityandahumanbeing activity.Aheat‑islandphenomenonisconspicuousinclimatechangesbytheurbanizatiom

Inthispaper,theobservationsoftemperaturethroughayearatnumerouspointsinNagasaki municipalareaanditsanalyticalresultsaredescribed.Moreover,thenumericalsimulationisconductedto beclearonaheat‑islandinthisarea.

I.はじめに

都市では人 口集 中や都市機能集約 な どの人間活動の 高密度化 に伴 い,立地条件や規模 を反映 しなが ら,そ の都市 固有の気候 ( 都市気候)が発生 してい る との報 告が世界各地 でなされ, これにまつわ る問額が惹起 さ れてい る｡ この人問の意志 に よらない都市化 による気 候変化の中で,都市域 におけ る気温 が郊外 と比 して著 しく高 くな る現象 をヒー トアイラン ド現象 とい う｡ こ のヒー トアイ ラン ドの成因 として,冷暖房 や 自動車か らの排熱 な ど,エネルギー消費 が郊外 に比 して都市域 の方 が際立 って大 きい こと,人工構造物 や舗装道路 に よる太陽熱の蓄熱 ,緑被率の減少 に よる水分蒸発量の 低減,大気汚染物質等 に よる温室効果な どが考 え られ る.複雑 な都市の熱環境 を把捉 す るりは非常 に困難で はあ るが,調査研究 を進めてゆ くこ とは,施設 や住宅 地の配置 な ど快適 な都市空間の形成 に際 して必要 であ

る｡

長崎市 は リアス式湾入の長崎湾 を抱 くように して,

山腹の急傾斜 にまで市街地 が発達 してお り,周縁部 は 金比羅 山,稲佐 山な どの標 高400m前後の小高 い山 々 に囲廉 されている｡ この ような地形特性 を有す る長崎 市域 において,年間を通 して気温の同時多点観測 を行 った｡本報文 は,その解析結果 と考察 お よび地形 を考 慮 した風 と気温 の

3

次元数値 シ ミ ュレー シ ョン に よ

り,長崎市域の勲環境 を明 らかに した ものであ る｡

2.

観測概要

本観測 は図

1

に示 す全

20

地点 において, 自記温度計

(MDL :

株式会社

IBC

製)を用いて気温の同時観 測 を行 った｡一部 の測定点 または期間 を除 き,1

995

年

10

月か ら一年 を通 して,1

0

分間隔で連続的 に記録 した｡

気温測定す るにあた っては,放射の影響 を小 さ くす るように発泡 スチ ロールの容器 を加工 し,センサー部 の通風 を よ くした もの を,電柱 や樹幹 の地上

2.5m

程 度 に設置 した｡ また,

MDL

は標準温度計 との検定 を 行 ってい る｡

平成1

0

年

4

月24

日

*国際水道 コンサル タン ト

㈱ (KOKUSAISUIDOU Consultant.LTD)

**社会開発工学科

(DepartmentofCivilEngineering)

***大学院修士課程社会開発工学専攻

(GraduateStudents,DepartmentofCivilEngineering)

230

松尾 俊志 ･古本 勝弘 ･薦 田 鹿章 ･赤城

誠

測定 した気温 デ‑ タは,気温減率

6.5×10 3℃/m

を 用いて標高補正 し,さらにスムージングを施 した｡

市街化 された都市中心部は,測点 P4

,Pl

o

,P13

,

P17

地点が配置 されている辺 りである｡

pl:愛 宕 p6

:神 の 島

pll:長峰 港 p16:春 木 p2:稲佐 山 P7:木 鉢 p12;中の谷 P17:古 川 p3:清 上釈 P8:小 ケ倉 p13:限 町 P18:本河 内 p4:

穐 町

P9

:桜 馬場

p14

:西 山

P19:茂 木 p5:勝 山 PIO:中央棟 p15:浜 平 P20:療養所

図 1 長崎市域 における測定点

3.

観測結果 と考察

図 2は横軸 に 日平均雲量1 0分比 ( 長崎海洋気象台), 縦軸 に気温 日較差 を とり,都市域 ( 能町) と郊外 ( 春 木) とで 1年間にわた ってプロッ トした ものであ る｡

これによる と,雲量が小 さ くなるほ ど気温 日較差が 大 き く,都市域 よ りも郊外の方がその較差が廟著であ るといった相関関係が認め られる｡ これは上下方向の

一一 '一 l O9 tD .一

(a)判さ一書

日

^平

均 ^暮暮

10分 Jt 月平均暮

*1 0

分比‑

( . ) ■ 巾 暮 【P

4:^{暮rr) (b)弗外t}

^{P1 6:}

^事木】

図

2

雲量 と気温 日較差の関係

放射を遮 る雲が少ない ときほ ど放射冷却が顕著 に,漢 た夜間人工排熱の少ない郊外ほ ど気温較差が大 き くな ったため と思われる｡ よって,雲量はヒー トアイラン ド現象の指標 に適 している と考え,晴天 日曇天 日の選 出には票量を採用す ることに した｡

図 3,4は,それぞれ晴天 日と曇天 日におけ る都市 域 ( 能町 ･古川) と郊外 ( 春木 ･療養所)の気温変化 である｡どち らも秋期 におけるものである｡両国 よ り, 昼間 日照のあ る ときは,夜間都市域 と郊外で

2

℃程の 差があ り,都市域が高温状態 にある｡ 日照のない曇天 日では,都市域郊外で形状 にそれほ ど違 いは見受け ら れないが,一 日中,都市域の方が

1

℃程高温状態 にあ る｡太陽放射のない曇天 日においては,地覆物の違い に よる地表付近の気温 に対 す る影響 はない と考 える と,都市域 と郊外の人工的な放熱量の差が表れた もの と思われ る｡

表

1

は都市域 と郊外 におけ る月別平均 日長低気温で ある｡ これ よ り,年間を通 じて都市域 ( 能町 ･古川) の方が郊外 ( 中の谷 ･療養所)に比べ高 くなっている のがわかる.表

2

では年間を通 して曇天 日 ( 雲量 >

9)

24 22 20 sJ

^ 18､ 16 癌 14

｣

瞬 12 10 8 6 4

12:00 18:00 0:00 10/25 10/26

30 28 26 3 24､一■22 癌20 ポ 18 16 14 12 10

6:00 12:00

図

3

時天 日におけ る気温変化

12:00 10/28

18:00 0:00 6:00 10/29

図

4

曇天 日におけ る気温変化

12:00

長崎市域におけ る勲環境の動態調査 とその解析

のみを取 り出 し, 日長低気温 を平均 した｡表

1

と同 じ く,都市域が郊外 よりも高温 となっていたが,その差 は表

1

より小 さい｡図

4

と同様 に,太陽エネルギーの 地表面への直接供給のない秦天 日には,気温への地覆 の影響は小 さい筈であるか ら, この裏か らも人工的放 熱量が都市の高温化の‑要田であるといえる｡

表 1 都市域 と郊外 における

月別平均 日長低気温

(単位 :℃)

徽 町 育 / 中の谷 療養所

3 月 呈 塑 . . . 6. 86 7. 08 4 月 ず ̲ ̲ ̲

̲ <. 8.85 8.93

5 月

i⊥l.. .■ 15.88 15.58

6 月 i < 主 i I蒙 20. 99 20. $ 0 7 月 u ■

x.. I‑ 24.13 23.82 8月 I++ ̲:d=.. 24.75 24.54 9月 l◆吏妻

20. 9

4 20.54

1

0月 a‑;議; :lI 16.14 15.84

1 1

月 hi. 9.08 9

. 26 12 月

≡竜三̲:1X. T+ 4.93 4.$8

1月

敷'窮‑≡ .:i̲奮 3.96

4. 02 2 月

3.52 3.6番

匿 ヨ : 1 番大 きな

値 Eヨ :祷 日に

大 きなせ 蓑 2 都市域 と郊外におけ る年間

曇天 日のみの平均 日長低気温

(単位 :

℃) 日 徽 町 古 川 中の谷 療養所

9 2

15.14 15.06

図 5,6は,中央橋 と賑町におけ る48時間気温変化 である｡ この

2

地点は都市域に位置 し,数十

m

程度の 距離 しか離れていない｡但 し,中央橋は交通量の多い 大通 り沿いの街路樹の中に

MDL

を設置 してお り,逮 りの先には川があって 日射 を遮 るものがな く陽当た り が良い｡一方,賑町はビルに囲まれた電柱 に設置 して お り, 日照の少ない地点である｡

図 5よ り, 日没後は 2地点の変動 にそれほ ど違 いは ないが, 日の出 とともに中央橋の方が急激 に気温上昇 しているのがわかる｡ これは陽当た りの良い中央橋の 方が先に陽が射 し始めるためであろう｡つ ぎに,両地 点 ともに 日照のあ る 日長高気温 の出現 す る時間帯 で は,賑町の方が高温 になっている｡ これは中央橋の方 の

MDL

を街路樹 に設置 したために,植生の蒸散作用

231

による気温上昇抑制効果が生 じた もの と考 えられる｡

図 6か ら曇天 日におけ る 2地点の違 いはほ とん どな いことがわかる｡曇天 日には植物の蒸散は起 こりに く い筈であるか ら,図

5

の ところで述べた植生効果が, 都市の高温化抑制に効果的であるといえる｡

42 40 38 36

i〜3‑)1

d 32 1只30 28 26 24 22

12:00 0:00

7/30 12:00 0:00 7/31

図

5

晴天 日の中央橋(

Plo)

と賑町(

P13)

の気温変化

26 24 22 20 e l°

d 16 蝶 14 12 10 8 6

12:00 0:00 3/29

12:00 0:00 3/30

12:00

図

6

曇天 日の中央橋

(Plo)

と賑町

(P13)

の気温変化 以上の図表か ら,都市の熱環境 を改善する手段 とし て,人工排熱の削減,つま り省エネルギーの推進 と街 路樹や公園な どで植生地を増や し,且つ上手 く配置 さ せることな どが考 えられる｡

従美音分布 図の凡例

1

● 3仙

( 人)

●2W

+ )(榔

● ⁵

^0W

●2000

･ low

発 以後 この凡例は省略す る

図7‑図1

1は,実測 値に基づいて描いた等 温線である｡同国の背 景に従業者分布図を描 いているが,従業者数 の多い所 を都市化 され た地域 と考 えてよい｡

従業者分布図の凡例

を左 に示す｡

232

松尾 俊志 ･古本 勝弘 ･薦 田 鹿章 ･赤城 誠

●

● ●

● ●

● ‑

‑ ● ‑ ● ●

●

● ● ● ■ ●

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‑

● ■ ● ■ ● ● .

:● ‑

● l ● ● ●

●

●● ● ●:● ●

●

● ●;

●

● ● ● ●

● 王

●

:

●

● ● ● ● ● ● ● ●

● ‑ ●

●

図

7

従業者分布 と等温線 [ 単位 :

℃]

晴天 日

('95.10.20 2 :00)

･ 三. ‑

● ●

● ●

●

● ‑ ● ‑ ●

● ‑ ‑ ■

● ● ●

●

王● ● ● ●

● ● ● ●●●

王● ●三● I

●;

●

●●● ●● ●

●

● ●; I ●

■ ●

●王

●

● ●

● ● ●

● ‑ ●

●

図

8

従業者分布 と等温線 [ 単位 :

℃]

晴天 日

('95.10.20 5:00)

図

7

は秋期晴天 日の夜間,図

8

はその

3

時間後の等 温線である｡両国 ともヒー トアイラン ドが出ている｡

図

7

の段 階 で既 にヒー トア イ ラン ドが形成 されてお り,その後全領域 が形状 と強度 をほぼ維持 しなが ら, 緩やかに気温 を低下 させた もの と思われる｡

図

9

は冬期曇天 日の夜間における等温線で,昼間 日 照がなかったに もかかわ らず,都市域が多少高温化 し ている｡ これは,先 に も述べた ように,人工的な要因 が考 え られる｡

図1

0

は冬期晴天 日の夜間 日出前の等温線であ る｡左 側 に高 温 域 が あ る｡ 稲 佐 山付 近 で逆 転 層 の報 告

1)

‑ ● ●

● ●

● ● ● ● ● ■ ●

● ● ● ■ ●

● ●

f 3 .

■

こ● ●三 ●‡ ･ ● ● . I ● ● ● ● ●

● ●

●● ● ● ●

● ● ●

●

●

● ●

● ● I ● ●

●

‑ ● ● ●

●

● ● ●

●

●●● ●;● ● ● ●

● ● ●三 .

●;

図

9

従業者分布 と等温線 [ 単位 :

℃]

曇天 日

('96.1.15 0 :00)

● ●

● ● ●

●: ●:●

● ● ●

●

● ● ■● ●

● ■

● ● ●

● ' ● 一 f

^‑ ●

●; q ●l;●

●…

●

● ●● ● ● ● ● ●

●

:

●

:

●

● ●

●

●‑

● ● ● ●

●

図1

0

従業者分布 と等温線 [ 単位 :

℃]

晴天 日

('95.12.27 5 :00)

がされていることを考 える と納得で きる｡但 し,逆転 層は鉛直方 向で比較 しなければな らないので,標高補 正済みの この図に表現 された逆転層の規模ほ ど,実際 はそ こまで大 きな ものではない｡それで も,逆転層が 発生する と大気汚染 に繋がる恐れがあるので十分注意 が必要である｡

図1 1は夏期晴天 日の 目出前の等温線である｡ これ よ

り,夏期 に もヒー トアイラン ドは形成 されることがわ

かる｡ しか し,雲量の面か らみて も,快晴 日といえる

日は秋冬期が多 く,一般的にいわれるように,ヒー ト

アイラン ドは秋冬期 に顕著 になる｡

長崎市域 におけ る熱環境 の動態調査 とその解析

図11 従業者分布 と等温線 [単位 :℃]

晴天 日 ('96.7.31 5 :00)

4.数値モデルの概要

都市の熱環境 が注 目され る中,その特性 を分析 ･評 価 す るためには,都市の気温分布 を把握 す るこ とがま ず必要 となる｡ しか し,実際 には,観測点の数 や頻度 な どに限界があ り,気温の面的分布 を作成す るに足 る 数の観測点 を設 け気温分布 を得 るのは,多大 な労力 と 時間を妻す る｡ そ こで,地形 の起伏の効果が反映 され る ような鉛 直座標Z事を導 入 した3次元 モ デル を用 い て数値 シ ミュレーシ ョンを行 った｡

基礎方程式 は,Navier‑Stokesの運動方程式 ,連続 式 お よび熱 の輸 送 方 程 式 で あ る｡ 空 間的 にはstag‑

gered gridを用 いて離散化 した (中間差分)｡計算対 象領域 は,北経 32055′00〝,東経129⁰41'15〝の点 と北 緯32035′30",東経130003′00〝の点 を対角 に もつ39km

x291皿の矩形領域であ る｡水平方 向の各格子間隔は, それぞれ一様 にlb とし,39×29の格子 を有す る格子 網 を配 した｡但 し地表面標 高 に関 しては,500tnメ ッ シ ュ間隔で入力す る｡鉛直方 向の大気層 については, 接地境界層の厚 さを50mとし,その上部 に30メ ッシ ュ のエクマン層 を配 した｡ エクマン層 は最下層の メ ッシ ュの厚 さのみ100m,それ よ り上部 の メ ッシ ュ厚 さは 一様 に150mとす る｡ したが って,鉛直方 向の計算領 域の上限は4500mとな り,計算対象領域の大気層の格 子点総数は地表面 を含めて40×30×32であ る｡一方 , 地 中の鉛直格子 は,5C恥 15C恥 35cmの位置 に置 き,75cm の深 さでは地温 の変動 はない もの とみなす｡ また初期 条件 としては,快晴で無風状態の静止成層大気 を考 え, 海水面温度 は秋季 (10月下旬) を想定 して昼夜 を問わ ず一定 (22℃) と仮定す る｡地表面温度は以下 に示す

7才,

^ L

I ;

‑ . ノ ー

一台

ヽ ■ ●

+ ∴

∫

･

g 4‑ 垂

ー ̲ : ̲ ■ l 一 ■

L

233

S

図12 計算対象領域

熱収支式 に よって決定 す る｡

Rs+R^Ll‑R^L†‑H‑EE‑G+QA‑ 0

ここに,Rsは太陽か らの短波放射量,R^LJは大気 か らの長波放射量,札 †ほ地表面 か ら上空 への長波放 射量 ,Hは顕熱輸送量

,C E

は潜熱輸送量,Gは地 中 への熱輸送量,QAは人工排熱 に よ り地表面 へ加わ る 熱量 であ る｡接地境界層では熱の鉛直方 向の輸送量 が 高度 に よらず一定 とみな し,その層 内におけ る風速 と 温度の鉛直分布 にMonin‑Obukhovの相似則 を適用 さ せ る｡平均風速 お よび平均温度の鉛直勾配は,普遍関 数中を用 い,仮 の安定度 スケールLを決定 す る｡ これ らの値 を もとに,上式 をNewton‑Raphson法 で収束 計算 を行 い,地表面温度Tsを補正 す る｡

境界条件 は,地表面 で u,Ⅴ,W*‑ 0とし,計算領 域 での上限では,水平運動 はない もの とみな し,u, V,∂W'/∂Z',e',n:'‑Oとする. また,対象領域の 外側境界 では法線方 向に各物理量の変化はない もの と す る. u,V,W'はそれぞれの風速成分, 0',A:'はそ れぞれ温位 お よびExner関数 の平均値 か らの変動 量 であ る｡

短波放射量の計算 に必妻 な太陽の天頂角は,10月下 旬の視赤緑 ,長崎市の緯度 を用 いて計算 した｡

時 間積 分 に関 して は3段 階 のIeap‑frog法 を採 用 し,時間差分間隔は6秒 とした｡

人工排熱 については,正確 に把握 す ることが困難 な ので ,人 口が多 い都市域 または住 宅地 域 は どエネル

234

松尾

俊志 ･古本 勝弘 ･薦 田

鹿章 ･赤城

ギー消費量 が大 きいであろ うとい うこ とを考慮 して, 以下の ように して与 えた｡

11

皿メ ッシ ュ内の消費 エネルギーを,その メ ッシ ュ 内の居住者数 と従業者数の和 ( P :最大 で約

45,000

人)

と仮の消費量係数

(cc‑0.0005 W/

諺/ 人)の積 で与 えた｡ よって,時間変動 は考慮 されてい. ない｡

土地利 用状況 を人 口

(P)

分･ 布 よ り推定 して

3

区分 し,潜熱 ･顕熱の割合

(Bowen

比)で差 をつけた｡

5.

計算結果 と考察

06:00LST

を計算開始時刻 とし

,48

時間の計算 を行 った｡最後の

24

時間の値 を もって計算結果 とした｡ 出 力 された気温値 か ら,図

12

の着色範 囲 ( 図

1

と同 じ範 田) を取 り出 し,観測 デー タ と同様標高補正 を施 して 評価 す る｡一例 として

,00:00LST

と

05:00LST

の等 温線 をそれぞれ図

13,14

に示 す｡ また,同時刻 の土地 利用状 況 を考慮 しない場 合の等温線 を図

15,16

に, さ らに,土地利用状況 ･人工排熱 を考慮 しない場合の等 温線 を図

17,18

に示 す｡但 し,土地利 用状況 を考慮 し ない とい うのは,一様 に植生地 であ るこ とを示 す｡

図

13,14

よ り,夜 間 におけ る気温 の分布状況は,形 状の面 ではおお よそ表現で きてい るように思われ る｡

値 に関 しては,人工排熱の与 え方,土地利用状況の分 け方 お よび潜熱顧熱 の割合の決定方法 を細 か く設定す ることがで きれば,再現精度 は向上す るであろ うO

図

15,16

を図

13,14

と比較 す る と,郊外 ではそれほ ど 違 いはみ られないが,都市域 では約

1

℃は ど気温 が下

が っている｡

図13 00:00LST

におけ る等温線 [ 単位 :℃]

誠

図14 05:00LST

におけ る等温線 [ 単位 :℃]

図15 00:00LST

におけ る等温線 [ 単位 :℃]

※土地利用区分けな し

図

16 05:00LST

におけ る等温線 [ 単位 :℃]

※土地利用区分けな し

長崎市域 におけ る熱環境 の動態調査 とその解析

図17 00:00LSTにおけ る等温線 [単位 :℃]

※土地利用区分け ･人工排熱 な し

図18 05:00LSTにおけ る等温線 [単位 :

℃]

※土地利用区分け ･人工排熱 な し

図17,18では,都市域の高温化はな くな っている｡

実際の現象で も, この ように省エネルギー .緑地の 増大 を推進 すれば,都市域高温化 を抑制 で きるであろ う｡ただ,人工排熱 と緑地 の減少の どち らが都市の高 温化 に よ り寄与 してい るかは明言 しかね る ものの, ど ち らとも都市の熱環境 において重要 な要素 といえる｡

6.

まとめ

今回の観測か ら,都市域 では郊外 に比 べ 日長低気温 が高 くな る傾 向が明 らかにな った｡ これは,ヒー トア

235

イラン ド現象の特徴 の一つであ り,等温線 よ り確認す ることがで きた｡但 し,条件 が揃 えばの話であ る｡逆 転層の発生な どを考 える と,鉛直方 向の観測 も必要 で あろ う｡規模 に関 しては,対象領域 が狭いため判断は 難 しいが,大都市 に比べれば小 さい ものであ る｡

現在 まだ開発中ではあ るが,秋期の長崎市域 におけ る気温の シ ミュレー シ ョン計算 を試 み,大雑把 ではあ るが気温の分布状況 を再現 した｡複雑 な都市の気温 に 対 す る影響 を把握す るのは非常 に困難 ではあ るが,そ れを計算上 に どう表現 し反映 させてゆ くかが今後の課 題 といえる｡

一般的 に もいわれてい るこ とであ るが,今回の観測 お よびシ ミュレー シ ョン結果 か らも,都市の熱環境改 善策 として,街路樹 や公園な ど緑地 を上手 く配置す る こ とや省エネルギーの推進 な どが有効 な手段 であ る と 考 える｡

参 考 文 献

1)荒生公雄 ･西永 優 ･横 山秀敏 :長崎 におけ る接 地逆転層の気象学的特性 ,長崎大学教育学部 自然 科学研究報告 第31号 (1980) 別冊,pp.33‑47

2

)荒生公雄 ･松崎秀信 ･近藤 功 ･松 田真人 :長崎

市の気温逆転層 とその解消過程 ,長崎大学教育学 部 自然科学研究報告 第33号 (1982)別冊,pp.57

‑64

3)平成二年 国勢調査 に関す る地域 メ ッシ ュ統計地 図 一世帯総数 ･人 口総数 ‑ (西 日本編),総務庁統 計局,p.31

4

)平成三年事業所統計調査 に関す る地域 メ ッシ ュ統 計地 図 一全産 業事 業所 数 ･従業者 数 ‑ (西 日本 編),総務庁統計局,p.31

5)薦 田鹿章 ･古本勝弘 ･武政剛弘 ･吉永哲典 :長崎 県南西地域 におけ る風の 日変化特性 ,第14回風工 学 シンポジウム論文集,pp.37‑42,1996 6)薦 田鹿章 ･古本勝弘 ･武政剛弘 ･吉永哲典 :長崎

県南部地域 におけ る夏季の地表風の特性 ,水工学 論文集 第41巻 ,土木学会 ･水理委員会,pp.329

‑336,1997

7)榊原保志 :越谷市 に見 られるヒー トアイラン ド強 度 一郊外 が水 田の場合 ‑,天気

41

.

9

, 日本気象 学会,pp.13‑20,1994