Development of a multi-scale meteorological Large-eddy simulation model for urban thermal environmental studies; The "City-LES" Model Version 2.0

都市熱環境研究のためのマルチスケール気象ラージエディシミュレーションモデル「City-LES」version 2.0の開発

日下 博幸*; 池田 亮作*; 佐藤 拓人  ; 飯塚 悟*; 朴 泰祐*

Kusaka, Hiroyuki*; Ikeda, Ryosaku*; Sato, Takuto; Iizuka, Satoru*; Boku, Taisuke*

マイクロスケールの都市気候シミュレーションのための気象学Large-eddy simulation (LES)モデルと数値流体力学(CFD)モデルとのギャップを埋めるために、本研究では都市域を対象とした気象学LESモデルを開発した。このモデルはメソスケール(都市スケール)からマイクロスケール(街区スケール)までの都市機構のシミュレーションを行うことができる。本論文では、このLESモデルの概要を紹介する。このLESモデルは、建物や樹木を解像してマイクロスケールのシミュレーションを行うことができる点で、標準的な数値気象モデルと一線を画していると言える。また、大気成層の影響や物理過程を考慮することも標準的なCFDモデルと異なる点である。本モデルの特筆すべき特徴は、(a)ラジオシティ法による都市キャノピー層内の多重反射の考慮や、建物影・ビル影の考慮など長波放射・短波放射の3次元計算、(b)様々な暑さ指数の出力、(c)ミスト散布や街路樹、高反射舗装やクールルーフ、屋上緑化の効果の評価、(d)3次元並列化の実装によるスーパーコンピュータでの動作と、GPU版の実装である。本研究では、モデルの紹介に続き、対流境界層におけるサーマルや、都市キャノピー内・都市キャノピー上の流れや乱れの様子、都市街区における熱環境・熱ストレスのシミュレーションなど、様々な実験を行いその基本性能を確認した。本研究で開発したモデルは、都市気候学の基礎的・応用的研究に取り組むためのコミュニティツールとなることを目指している。

To bridge the gaps between meteorological large-eddy simulation (LES) models and computational fluid dynamics (CFD) models for microscale urban climate simulations, the present study has developed a meteorological LES model for urban areas. This model simulates urban climates across both mesoscale (city scale) and microscale (city-block scale). The paper offers an overview of this LES model, which distinguishes itself from standard numerical weather prediction models by resolving buildings and trees at the microscale simulations. It also differs from standard CFD models by accounting for atmospheric stratification and physical processes. Noteworthy features of this model include: (a) the calculation of long- and short-wave radiations in three dimensions, incorporating multiple reflections within urban canopy layers using the radiosity method, and accounting for building and tree shadows in the simulations; (b) the provision of various heat stress indices (Universal Thermal Climate Index, Wet Bulb Globe Temperature, MRT, THI); (c) the assessment of the efficacy of heat stress mitigation measures such as dry-mist spraying, roadside trees, cool pavements, and green/cool roofs strategies; (d) the capability to run on supercomputers, with the code parallelized in a three-dimensional manner, and the model can also run on a graphics processing unit cluster. Following the introduction of this model, the study confirms its basic performance through various numerical experiments, including simulations of thermals in the convective boundary layer, coherent structure of turbulence over urban canopy, and thermal environment and heat stress indices in urban districts. The model developed in this study is intended to serve as a community tool for addressing both fundamental and applied studies in urban climatology.