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

2

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 CO2-Flux Towers

Planned, currently operated and discontinued sites with CO2-flux measurements in urban areas. (Grimmond et al.)

Tokyo Urban Flux-net

Tokyo BayResidential (Kugahara)

Apartment (Sakura-zutumi)

Urban Park(Shinjuku Gyoen)

Instrumentation

Temperature profile

Sonic Anemometer・Open-path IRGA

Radiation

at 11 heights

Vapor and CO2 profile

4cm

φ50µmφ0.32mmNo-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 00

0.5

1

1.5

2

Kugahara

z'/L

r wq/

r wT

M.O.S.

-2 -1.5 -1 -0.5 00

0.5

1

1.5

2

z'/L

r wc/r

wT

KugaharaM.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

3

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 個々の建物による形状抵抗

2/1)''( hzwuu =−=τ

surfaceスケーリング

( ) 2/1

* '' locallocal wuu −=localスケーリング

摩擦速度 uτ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““SurfaceSurface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/uτ

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)

Sto

rage

heat

flu

x (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

0100200300400500600700800

(Wm

-2)

RnHlEG

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/ZH

12 13 14 15 16468101214161820

6.0℃ 8.0℃ Time

Hei

ght

12 13 14 15 16468101214161820

6.0℃ 8.0℃

12 13 14 15 16468101214161820

6.0℃ 8.0℃ Time

Hei

ght

12 13 14 15 16468101214161820

12.5℃ 14.5℃

Hei

ght

Time12 13 14 15 16468101214161820

12.5℃ 14.5℃

12 13 14 15 16468101214161820

12.5℃ 14.5℃

Hei

ght

Time12 13 14 15 16468101214161820

18.03 20.03 Time

Hei

ght

12 13 14 15 16468101214161820

18.03 20.03

12 13 14 15 16468101214161820

18.03 20.03 Time

Hei

ght

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/Z

H

0

1

2

3

0 0.5 1

(T-TZ=3H )/ΔT

Z/Z

H

夏期 春・秋期 冬期

4

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

CO2

Interval: 10

19：30 20：00 20：30 21：00

1

3

2

4

19：00

3210

4風速[ m/s ]

１．主に家庭から排出されるCO2

２．屋根面からの冷気流

溜まる、高濃度

夜間

冷CO2集積

成果７成果７ 夜間の高濃度ＣＯ夜間の高濃度ＣＯ２２の集積の集積(Moriwaki et al(Moriwaki et al.,., AtmosAtmos. . EnvEnv.,., 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

23 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

fluxM

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

fluxT

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 1800Japan Standard Time

() s

RV

H*u

uσ

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

5

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, 2CO 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, 2CO 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, 2CO H Oアナライザー

2, 2CO H Oアナライザー

2, 2CO 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

-0.50.00.5

1.01.5

0 5 10 15 20wind speed (ms-1)

mgm

-2s-1

Tokyo BayKugahara

CO2 Flux – JST (04/12-05/01)

CO2 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CO2を放出東京湾ではCO2を吸収

Sink/Sourceの関係

CO2CO2 CO2CO2

高濃度CO2の

移流

-1.5

-1.0-0.5

0.0

0.51.0

1.5

0 5 10 15 20wind speed (ms-1)

mgm

-2s-1

Tokyo BayKugaharaTokyo Bay(N)Tokyo Bay(S)

東京湾では風速が増すほどCO2吸収量が増す

-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5

0 3 6 9 12 15 18 21 24Japan Standard Time (hour)

mgm

-2s-1

Tokyo BayKugahara

成果９成果９ ＣＯＣＯ２２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

lElE

乾燥空気

lElE

-50

50

150

250

350

450

0 3 6 9 12 15 18 21 24Japan Standard Time (hour)

Wm

-2

Tokyo BayKugahara

-1000

100200300400500

0 5 10 15 20wind speed (ms-1)

Wm

-2

Tokyo BayKugahara

-1000

100200300400500

0 5 10 15 20wind speed (ms-1)

Wm

-2

T okyo BayKugaharaTokyo Bay(N)Tokyo 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 BayKugahara

-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

6

-0.161 σ 0.128 σ

1.00

σ 0.208 σ 0.187 σ 0.186 σ 0.149 σ

1.35 1.26 1.11 1.06AVE AVE AVE AVEAVE AVE AVE1.59 1.40

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((HagishimaHagishima et alet 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

With Wind Continuous Method No Wind Continuous Method

7

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

Can

opy

albe

do

Albedo(1/5)Albedo(1/50)

（２）流れの相似性（抵抗係数）

22* UCu d==

ρτ

0.000.020.040.060.080.10

0 2 4 6 8

Wind Velocity (m s-1)

Cd

:Friction Velocity

ud

ρτ

:Reynolds Stress:Air Density

:Drag Coefficient:Wind VelocityU

Cu

d*

ρτ

00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Wind velocity (m/s)

CD

, CH

CDCH(day)

運動量と熱のバルク係数

Wind

Wind

Wind

Wind

+ 0

+ 10mm

+ 50mm

+ 30mm

0.3

80

.47

0.5

90

.80

0.9

8

1 .1 2 1 .16 1 .12

1 .421 .14

0 .96 0 .9 4 0 .9 2 0 .9 3 0 .91

0.6

40

.74

0.8

90

.95

0.6

6

0 .5 10 .68

0 .87 0 .950 .7 5

0 .3 70 .5 2 0 .62 0 .6 2

0 .4 8

0.5

30

.59

0.6

30

.58

0.3

50

.55

0.5

7

1.0

9

0.6

70

.90

1.0

91

.11

0 .54 0 .630 .83 0 .86

0 .57 0 .5 4 0 .630 .83 0 .8 6

0 .5 7

1 .29 1 .16 1 .13 1 .12 1 .07

0.5

70

.66

0.8

20

.84

0.6

2

1 .2 91 .1 6 1 .13 1 .12 1 .0 7

0.4

60

.64

0.8

7

1.2

81

.40

0.4

60

.64

0.8

7

1.2

81

.40

0.5

70

.66

0.8

20

.84

0.6

2

0 .95 0 .94 0 .95 0 .95 0 .94

0.9

90

.94

1.0

11

.00

0.7

4

0 .570 .7 4

0 .89 0 .930 .7 7

1 .14 1 .21 1 .19 1 .19 1 .15

0 .3 7 0 .47 0 .45 0 .4 0

x

0.3

10

.48

0.5

30

.56

0.6

4

0.3

50

.47

0.6

40

.62

0.6

40

.64

0.6

40

.75

0.6

60

.78

0.8

10

.99

1.0

61

.08

1.1

3

1.4

3

0 .62 0 .710 .8 3 0 .83

0 .65

0 .79 0 .8 2 0 .8 4 0 .9 2 0 .85

1.0

71

.01

1.0

20

.93

0.7

1

1 .12 1 .1 3 1 .07 1 .0 8 1 .1 2

0 .37 0 .45 0 .44 0 .4 4 0 .3 5

0.3

40

.51

0.5

50

.61

0.6

7

0.3

30

.42

0.4

90

.65

0.5

90

.60

0.6

30

.62

0.6

10

.70

0.6

70

.75

0.7

40

.80

0.9

10

.97

1.0

41

.08

1.1

11

.35

0

4

Barlow 2004Narita2005Meinders1998

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

5432 // RePrcNu ⋅⋅=平板乱流の無次元式

5432 // ReSccSh ⋅⋅=

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

100

101

102

103

104

Sh/ S

c(2

/3) ,

Nu

/ Pr(2

/3)

103 104 105 106 107

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15wind speed U [m/s]

Ce, C

h [×

10-3

]

Narita 2000, islated cubeBarlow 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)

8

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 2 3H/W

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)

CH(

wal

l)/C

H(R

oof)

& C

E(w

all)/

CE(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

Rad

iatio

n Te

mpe

ratu

re　

(o C)

-200

-100

0

100

200

300

400

-200 0 200 400 600

Net allwave radiation (W/㎡)

Con

duct

ive

hea

t flux

(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

RnHlEG

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 +

lE (W

m-2

)

H + LE < Rn- G

9

熱収支の風速依存性

40

60

80

100

0 1 2 3 4

Wind Velocity (m s-1)

G R

net-1

(%)

0.010

0.020

0.030

0.040

-50 -25 0 25 50

Wind Direction (deg)

Cd

-45(deg) -45(deg)0(deg)

Cd 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

012345

4 4.5 5 5.5 6Temperature ( C)

o

1h

2h

3h

4h

5h

Scale ModelSurroundings

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

CYG81000TR-90AH(DA600)

TOS COMPARISON

(2) Surface layers (Adrian et al., 2001 JFM)

(1) Vegetation layers (Kanda and Hino., 1994 BLM)

10

Scale Model

(multi sonic)

Large Eddy

Simulation

y （m） Roughness block

-2

2

0

(m/s) 15 30 45 6000

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2005/9/717：39～

t （sec）

Mean windy （m） Roughness block

-2

2

0

(m/s) 15 30 45 6000

9

15

21

3

'u

15 30 45 6000

9

15

21

3

'w

-1

1

0

(m/s)

15 30 45 6000

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