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門脇 正尚; 永井 晴康; 吉田 敏哉*; 寺田 宏明; 都築 克紀; 澤 宏樹*
Journal of Nuclear Science and Technology, 60(10), p.1194 - 1207, 2023/10
被引用回数：2 パーセンタイル：72.91(Nuclear Science & Technology)大気拡散シミュレーションにより原子力事故の緊急対応を支援する場合、予測結果と合わせて結果の不確実性を提供する必要がある。本研究では、予測結果のプルームの拡散方向の不確実性をベイズ機械学習に基づいて推定する手法を開発する。機械学習用のトレーニングデータおよびテストデータは、原子力施設からのセシウム137の仮想放出を考慮したシミュレーションを2015年から2020年の期間で毎日実行することで作成された。不確実性推定に対する本手法の有効性を調べたところ、36時間後の予測においても不確実性の予測可能性は50%を超えたことから、本手法の有効性が確認された。また、不確実性が大きいと判定されたプルームの拡散方向も、本手法によって極めて良好に予測された(予測期間において不確実性を妥当に判定しなかった割合は0.9%-7.9%)。一方で、本手法により不確実性が過大に予測された割合は最大で31.2%となったが、これは許容できると考えられる。これらの結果は、本研究で開発されたベイズ機械学習による不確実性推定の手法が、大気拡散シミュレーションによって予測されたプルームの方向の不確実性を効果的に推定していることを示している。
吉田 敏哉; 永井 晴康; 寺田 宏明; 都築 克紀; 澤 宏樹*
Journal of Nuclear Science and Technology, 59(1), p.55 - 66, 2022/01
被引用回数：3 パーセンタイル：45.99(Nuclear Science & Technology)本研究では、気象予報の不確実性が及ぼす大気拡散予報計算への影響を定量的に評価した。そのために、大気拡散モデルを用いて原子力施設からの放出を想定した過去1年間(2018年)の拡散計算を行った。気象入力条件に解析値を用いた計算と予報値を用いた計算を行い、解析値計算に対する予報値計算の誤差を不確実性とした。不確実性の定量的な大きさは、両者の地表濃度分布の代表的な拡散方向のずれを角度で表すことで算出した。気象庁が配信している気象入力値を使用した場合、その角度は平均的には10
/日で増加した。一方、前後の時刻の不確実性とは関係なく、突発的に4、5倍に増加することも分かった。また、角度の時系列は日変化や季節変化を有していたため、拡散方向の不確実性は気象入力値だけでなく気象条件や地理的条件の影響を受けることが示唆された。さらに、不確実性の主な要因は、解析値と予報値との100kmスケール以上もしくは100kmスケール以下の風向のずれであることを示した。
中山 浩成; 竹見 哲也*; 吉田 敏哉
Atmosphere (Internet), 12(7), p.889_1 - 889_15, 2021/07
被引用回数：2 パーセンタイル：15.02(Environmental Sciences)局所域高分解能大気拡散モデルに気象シミュレーションデータ及び気象観測データを入力値として与え、2003年に米国オクラホマシティー市街地で行われた野外拡散実験を対象にした大気拡散計算をそれぞれ行い、入力条件の違いが拡散予測精度に及ぼす影響を調べた。前者では気象シミュレーションの3次元データを与え、後者では鉛直一次元の気象観測データを水平方向に一様性を仮定して、大気拡散モデルの入力条件として与えた。その結果、気象シミュレーションデータを入力条件とした場合、気象観測データを入力条件とした場合よりも再現性が良かった。ただし、後者の入力条件時における計算結果も、拡散予測精度に関する推奨値(実験値と計算値の比が0.5から2.0倍の範囲内にある割合)と同等の値を示した。以上により、気象シミュレーションデータに加え、定点観測された気象観測データをモデル入力条件とした拡散計算手法も有望であることが示された。
中山 浩成; 吉田 敏哉; 寺田 宏明; 門脇 正尚
Atmosphere (Internet), 12(7), p.899_1 - 899_16, 2021/07
被引用回数：1 パーセンタイル：6.52(Environmental Sciences)CLADS補助金事業「ガンマ線画像から大気中3次元核種分布及び放出量を逆解析する手法の開発」において、原子力機構の分担課題として実施する、大気拡散計算と放射線計測を融合して大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を推定する手法開発のために実施するものである。本研究では、福島第一原子力発電所の廃炉工程で発生しうる放射性物質の大気放出を想定した大気拡散予測の精度向上のために、原子力機構内にある建物を原子炉建屋と見なして、その周辺の気流の集中観測と簡易的な拡散実験を実施した。気流の集中観測としては、対象建物よりやや離れた所にドップラーライダーを設置して、上空の風速を3次元的に測定・取得した。また、建物屋根面に超音波風速計を設置して、建屋の影響で生じる非定常性の強い複雑な乱流の情報として、高周波変動風速も測定・取得した。簡易的な拡散実験としては、放射性物質の放出をミスト散布により模擬し、ミストの拡散の様子をビデオカメラで撮影した。次に、建物影響を考慮した詳細乱流計算によるデータベースと気象観測との結合による簡易拡散計算を行った。拡散シミュレーション結果とカメラ撮影したミスト拡散とを比較したところ、各時刻において良好に拡散挙動が再現できていることを確認した。これにより、本研究で提案したフレームワークの有効性を示すことができた。
吉田 敏哉; 竹見 哲也*
Environmental Fluid Mechanics, 21(1), p.129 - 154, 2021/02
被引用回数：5 パーセンタイル：35.49(Environmental Sciences)本研究では、建物高さのばらつきが乱流組織構造の空間特性に及ぼす影響を調べた。そのために、高さのばらつきがない場合、中程度の場合、大きい場合の3ケースの建物群上乱流を対象としたLarge-eddy simulationを実行した。乱流組織構造の統計的特徴を調べるため、強い運動量輸送を伴う低速流および高速流の空間相関分布を算出した。これらの相関分布から組織構造の長さスケールを見積もったところ、高さのばらつきのない建物群では、建物高さ以下における組織構造の主流方向長さは鉛直方向に大きく変化することが分かった。一方、高さのばらつきを伴う建物群では、その主流方向長さはほぼ一定の値を示した。また、長さスケールから算出した水平方向のアスペクト比により、高さのばらつきを伴う建物群上の乱流組織構造は、高さ一定の場合に比べて、より等方的な形状を有することが分かった。
吉田 敏哉; 中山 浩成
日本計算工学会論文集(インターネット), 2020, p.20200013_1 - 20200013_9, 2020/07
都市域で放出された有害物質の拡散を迅速かつ正確に予測するため、large-eddy simulation (LES)モデルで事前計算した流れ場を用いて、Reynolds-averaged Navier-Stokesモデルにより拡散シミュレーションを行う結合モデルを提案した。まず、本モデルを簡易なストリートキャニオン内における物質拡散に適用した。その結合モデルの結果を風洞実験と比較し、乱流スカラーフラックスの経験パラメータを調整した。最適化したパラメータを使用した場合、結合モデルが予測した水平拡散分布はLESモデルの計算結果とよく一致することが分かった。続いて、結合モデルを実在都市上の物質拡散予測へ適用した。その結果、結合モデルは短い計算時間でLESモデルに近い計算精度を示すことができた。以上より、結合モデルは都市域にて危険物質が放出された際の即時評価に対し、有効なモデルになりうると考える。
竹見 哲也*; 吉田 敏哉
no journal, ,
地球温暖化により懸念される台風の強大化に備え、都市での暴風リスク評価が求められている。本研究では、近畿各地で強風被害をもたらした2018年台風21号を想定し、領域気象モデルWRFとLarge Eddy Simulation (LES)モデルを用いた京都市街地での暴風シミュレーションを行った。LESでは定性的な風速分布しか得られないが、WRFの風速出力を用いることで台風上陸時の定量的な風速値を算出した。その結果、高層建物の周囲、公園・広場など開けた場所、南北の大通りといった場所では、50m/s以上の強風が生じることが分かった。また、建物密度と強風の関係から、適度な建物密度を有する領域で最も強風リスクが高まる可能性を示唆した。
竹見 哲也*; 吉田 敏哉; Duan, G.*
no journal, ,
近畿地方に上陸した2018年21号台風は、甚大な強風災害を大阪市内で引き起こした。都市域の人工構造物群は局所的な突風の強度に大きく影響する。そのため、都市構造物群による潜在的な風災害リスクを理解することが求められている。本研究では、2018年21号台風が上陸した期間を対象に、大阪市の都市構造物群が及ぼす突風への影響を、領域気象モデルとLarge Eddy Simulationを用いて評価した。解析結果から、大阪市の地表最大風速は推定60-70m/sであり、この風速値は300m上空の風速値に匹敵することが分かった。さらに、瞬間的な突風と建物密度の関係性を解析し、適度な建物密度を有する場所で最も突風の強度が高いことが分かった。
中山 浩成; 門脇 正尚; 吉田 敏哉
no journal, ,
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。
吉田 敏哉; 中山 浩成; 寺田 宏明
no journal, ,
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、現実気象条件下の詳細大気拡散予測に向けた局所域高分解能大気拡散モデルの高度化を目指している。大気拡散予測の精度向上には、大気拡散モデルに対して精緻な境界条件を用意する必要がある。大気拡散モデルに境界条件を与える方法として、気象シミュレーションモデルもしくは気象観測により得られた気象データを用いる手法が考案されてきた。ただし、両手法の妥当性はいまだ十分明らかになっていない。そこで、本研究では両手法を用いた大気拡散モデルを実際の原子力施設周辺の大気拡散に適用し、その計算精度を検証した。1つ目の手法では、気象モデルWRF(Weather Research and Forecasting)から得た気象場データを境界条件に与える。2つ目の手法では、放出源近傍で得られた気象観測データを境界条件に適用する。両手法を用いて六ケ所再処理施設から放出されるKr-85の大気拡散計算を実行し、施設周辺のモニタリングポストで得られたKr-85空気中濃度と比較し精度を検証した。
吉田 敏哉; 永井 晴康; 寺田 宏明; 都築 克紀; 澤 宏樹*
no journal, ,
原子力災害時、大気拡散モデルの予測結果を有効活用するには、その不確実性を適切に判断することが重要である。本研究では、気象予報の不確実性が及ぼす大気拡散予測への影響を客観的に判断可能な指標を検討した。そのために、WSPEEDIデータベースシステムを用いて原子力施設からの放出を想定した過去1年間(2018年)の拡散計算を行った。不確実性の大きさは、地表大気中放射能濃度について真値となる解析値計算と予報値計算を比較することで評価した。両者の比較結果について、代表的な拡散方向および拡散分布形状を表す定量的な指標で評価したところ、不確実性の特徴は3種類のパターンに大別できることが分かった。この結果は、過去事例の不確実性情報をデータベース化することで、将来予測においても経験的に不確実性情報を付加できること示唆するものである。
門脇 正尚; 永井 晴康; 吉田 敏哉*; 寺田 宏明; 都築 克紀
no journal, ,
大気拡散予測における放射性物質のプルーム拡散方向の不確実性を、長期間の予測計算結果を蓄積したデータベースにベイズ機械学習を適用して得られた解析モデルにより定量的に推定する手法を開発している。本手法では、気象場の解析値を用いた大気拡散計算(解析値計算)を真値と定義し、予測値を用いた大気拡散計算(予測値計算)のプルーム拡散方向の不確実性を、解析値計算と予測値計算によるプルーム中心の差とベイズ機械学習に基づいて評価した。本手法の試験を行うために、原子力機構で開発した大気拡散データベースシステムWSPEEDI-DBを用いて、茨城県の原子力科学研究所から仮想的にセシウム137を大気放出した大気拡散計算を実施し、計算結果を用いた解析により本手法が大気拡散モデルにより予測されたプルーム拡散方向の不確実性を有効に推定にできることを示した。
