Separating urban heat island circulation and convective cells through dynamic mode decomposition

動的モード分解による都市ヒートアイランド循環と対流セルの分離

佐藤 拓人  ; 日野 英逸*; 日下 博幸*

Sato, Takuto; Hino, Hideitsu*; Kusaka, Hiroyuki*

本研究では、都市ヒートアイランド循環(UHIC)とサーマルの3次元シミュレーション結果に動的モード分解(dynamic mode decomposition; DMD)を適用した。本研究の目的は、流れ場の時間変化の特徴に基づいて、これらの現象がどのように共存しているかを再検討することである。そのために、DMDを用いて支配的な空間パターンとその時間変化を調査した。水平風のモードのひとつは、時間変化しない(振動や増幅がない)モードで、UHICの空間パターンを示した。このUHICモードには、都市に向かう大規模な収束に加えて、相対的に小さい筋状構造が見られた。他のモードは時間変化(振動と衰退)しており、サーマルのような空間スケールの小さな現象の特徴を示した。各モードの周波数は幅広い値を取り、中には一般的なサーマルの寿命より低いものもあった。これらの低周波数モードのうちひとつには、UHICモードで観測されたものと同様の筋状構造が見られた。これらの結果は、UHICとサーマルが、比較的長い時間スケールで変化する成分を通じて互いに変形を及ぼし合って共存していることを示唆している。

This study applies dynamic mode decomposition (DMD) to three-dimensional simulation results of urban heat island circulation (UHIC, which is horizontal circulation) and thermals (vertical convections). The aim of this study is to revisit how these phenomena coexist based on the characteristics of temporal changes in the flow field. We used DMD to obtain the dominant spatial patterns and information on temporal changes. One of the modes of horizontal wind, which does not change temporally (no oscillation or amplification), exhibits a spatial UHIC pattern. The unique feature of this UHIC mode is that there are small-scale striated structures (150-200 m) and large-scale convergence. The other modes are time-varying (oscillating and decaying) and represent smaller spatial-scale phenomena (150-250 m), such as thermals. The frequency of each mode takes various values, some of which are lower than the lifetime of thermals in accordance with the Deardorff convective scale (10 min). These low-frequency modes showed striated structures similar to that observed in the UHIC modes. These results suggest that UHIC and thermals deform each other through components that vary in long temporal scales.