LES analysis on impact of the forest canopy arrangement on dry deposition

森林分布構造が乾性沈着に与える影響に関するLES解析

中山 浩成   ; 門脇 正尚   ; 吉田 敏哉   

Nakayama, Hiromasa; Kadowaki, Masanao; Yoshida, Toshiya

CLADS補助金事業「ガンマ線画像から大気中3次元核種分布及び流出量を逆解析する手法の開発」において、原子炉建屋の影響に加え森林分布構造の影響を受けた気流場および拡散・沈着過程を詳細に再現できる計算手法の高度化を目指している。一般に、広域を対象とした気象モデルでは、数十種類に類型化された土地利用形態に基づいて各計算格子の乾性沈着量を予測する。しかしながら、実空間における森林はしばしばパッチ状に広がっており、サブグリッドスケールの森林分布の非一様性は土地利用形態には十分に考慮されていない。森林分布の影響を考慮して詳細に乾性沈着を調べる手法として、観測と計算流体力学(CFD)モデルが挙げられる。観測は信頼性の高いデータを得る合理的な手法であるが、時間や費用などが膨大にかかり、空間分布の詳細な把握も難しい。一方で、CFDは近年の計算機能力の発達により有効なツールとして認識されている。特に、非定常現象解析に優れたlarge-eddy simulation (LES)を基本とするCFDモデルは、乱流と拡散の正確なデータを提供できる有効なモデルである。そこで本研究では、LESモデルを用いて、水平の森林面積一定の条件下で2次元の森林の水平配置パターンを変えた乱流・拡散・沈着計算を行い、森林構造が乾性沈着量に与える影響を調べた。その結果、同じ森林面積であっても、森林が疎らになり森林端の総面積が大きくなるにしたがい、沈着量も大きくなる傾向を示した。本研究成果から、気象モデルで広域スケールでの乾性沈着計算を行う際、サブグリッドスケールの森林分布構造を考慮することで計算精度の向上が期待できることが示唆された。

Dry deposition is a phenomenon that gaseous and particulate substances deposit onto ground surfaces by atmospheric turbulence and/or gravity settling. Because forest areas have larger surface areas than those over grass or bare soil, air pollutants are efficiently deposited onto them. Especially, in the upstream edge of forest canopy, total amount of dry deposition becomes highly large by the effects of active advective and turbulence transport and large dry deposition velocity. In general, meso-scale meteorological simulation (MMS) models predict deposited amount at each computational grid based on several tens kinds of land use categories. However, real forest areas consist of various scale of forest patches. Such inhomogeneous forest canopy arrangements are not considered in sub-grid scale in MMS models. There are various methods of investigating dry deposition under the influence of forest area arrangements in detail, e.g., observations and computational fluid dynamics (CFD). It is well known that observations are a rational tool to provide reliable data. However, those are time-consuming, costly, and have a limitation of capturing detailed spatial distributions. On the other hand, the CFD technique has been recognized as a helpful tool with the rapid development of computational technology. In this study, we conducted LESs of turbulent flows, dispersion and dry deposition for different arrangements of two-dimensional forest canopy under a condition of the same area, and investigated the influence of forest canopy arrangements on dry deposition. It is found that the total amount of dry deposition shows a tendency to become larger as the forest canopy is arranged more sparsely and the total area of the canopy edge becomes larger. Our simulation results imply that it is expected to improve computational accuracy by considering the forest canopy arrangements in sub-grid scale when predicting dry deposition by MMS models.