Urban cloud formation; Thermal vs. dynamic effects in a building-resolving LES model

都市における雲の形成; 建物解像LESモデルを用いた力学的/熱的効果の検討

日下 博幸*; 永田 彩*; 佐藤 拓人  

Kusaka, Hiroyuki*; Nagata, Aya*; Sato, Takuto

東京都市圏の風下では、周囲より積雲の形成頻度が多いことが知られている。都市が引き起こす雲や降水は、一般的に熱的・力学的効果の2つによって引き起こされる。特に力学的効果は建物などの障害物によって流れが変形される効果のことであり、建物解像モデルによる力学的効果の解析が有効と思われるもののまだ行われていない。本研究の目的は、建物解像モデルであるCity-LES (Kusaka et al., 2024)を用いて、東京上空にできる雲に対する熱的・力学的効果がどのようなものか紐解くことである。本研究では東京都市圏に着目し、晴れた夏の日中の海風が流入するような条件でのシミュレーションを行った。主要な結果は以下の通りである。・サーマルが形成され、それが南寄りの風によって流されることで、ロール状対流が発生した。・サーマルが持ち上げ凝結高度(LCL)に達した。・地表から上部境界層までよく混合されていた。これらに加えて、熱的効果と力学的効果を分離するための感度実験を行い、以下の結果を得た。・都市がサーマルを強化するという熱的効果が雲の生成を促進した。・ローカルスケールの力学的効果はサーマルの成長を妨げることで雲の生成を阻害した。これは、メソスケールにおける力学的効果と異なる。これらの結果は、都市が引き起こす雲の生成に対して新たな知見を与えるものであり、高解像度の都市気象モデルによって熱的・力学的効果の両方を解像することの重要性を示す結果といえるだろう。

It is well established that the frequency of cumulus cloud formation over the leeward areas of central Tokyo, as well as cumulonimbus development and precipitation, is higher than in surrounding areas. Urban-induced cloud and precipitation generation is generally attributed to two primary mechanisms: thermal and dynamic effects. Here, the dynamic effects involve airflow modification, such as the inhibition of thermals due to obstacles like buildings, which force air parcels to ascend or divert around them. However, the dynamic effect has not been fully investigated using building-resolving models; instead, it has primarily been studied with mesoscale models incorporating urban canopy parameterization schemes. The purpose of this study is to disentangle the thermal and dynamic effects of Tokyo on cloud formation using the building-resolving City-LES model (Kusaka et al., 2024). The study focuses on central Tokyo, with simulations conducted for a clear-sky summer day when a daytime sea breeze reaches the area. The key findings are as follows:- Thermals form and are transported by southerly winds, generating roll convection.- The thermals reach the lifting condensation level (LCL). -The atmospheric boundary layer is well mixed from the surface to the upper planetary boundary layer. Furthermore, sensitivity experiments were conducted to isolate the thermal and dynamic effects of urban areas on cloud formation. The results indicate that - The thermal effect of the city enhances thermal generation, thereby promoting cloud formation. - The local-scale dynamic effect suppresses thermal development and inhibits cloud formation, which may differ from the mesoscale dynamic effect. These findings provide new insights into the mechanisms of urban-induced cloud formation and highlight the importance of resolving both thermal and dynamic processes in high-resolution urban meteorological models.