2001 年 3 月 28 日　京都大学 防災研究所

ＬＥＳを用いた局地的風況予測モデルの開発

○ 内田　孝紀，大屋　裕二 （九州大学　応用力学研究所）

日本の地勢を概観すると，欧米とは著しく異なり，多様性に富む複雑地形がほとんどである．

日本国内において，

１）風力発電の適地選定（風力エネルギーの利用）２）立地後の日々の発電予測　（強い風⇒風車稼動，弱い風⇒風車停止）

などを考えた場合，地形起伏の影響を受けた風況特性を把握することが極めて重要となる．

本研究の背景（１）

本研究の背景（２）

欧米で汎用的に使用されている線形数値モデル（ Jackson-Hunt モデル， Mass-Consistent モデル

など）

国内の局所風況予測に適用した場合，⇒ その予測精度は著しく低下する．

（原因）流れの剥離を伴わない比較的なだらかな地形を対象にしているから．

本研究の背景（３）

日本の地勢に適した，すなわち，急峻な地形起伏に起因して生じる剥離流や，あるいはその周辺の風況変化を高精度に予測できる局地的風況予測モデルの確立が強く期待されている．

このような社会的，工学的要請があるにも関わらず，十分な予測精度を有する数値モデルは未だ確立されておらず，各方面で精力的な研究が行われている．

本研究の目的

差分法 (FDM ： Finite-Difference Method) を用いて，数百 m ～数十 km 程度の空間スケールを対象にした局地的風況予測モデルの開発を行う．

RIAM-COMPACT

Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Computational Prediction of Airflow over Complex Terrain

◎ 局所的な風の増速域の推定◎ 増速率の把握◎ 強風発生のメカニズム解明

直交座標系 一般曲線座標系＋ ＋

スタガード格子 コロケート格子

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（１）～２種類の計算格子を適宜選択可能

CPU 時間はほぼ同じ

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（２）～ＬＥＳにより非定常乱流場の計算

乱流場大小様々な渦の流れ

粗視化(coarse graining)

グリッドスケール (GS)⇒ 直接解く

サブグリッドスケール (SGS)⇒ モデル化する

u

xi

i0

SGS s sC f S b g2

f zs 1 25exp /e jS S Sij ij 21 2d i /

Su

x

u

xiji

j

j

i

FHG

IKJ

1

2

h h hx y zd i1 3/

u

tu

u

x

p

x

u

x x x Fri

ji

j i

i

j j

ij

j

i1 23

2Re

t

ux x x

h

xwj

j j j

j

j

1 2

Re Pr

hxj

SGS

SGS j

Pr

スマゴリンスキーモデル

dθB/dz=1ブシネスク近似

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（２）～ＬＥＳの支配方程式

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（３）～ネスティング手法の導入

広域 (Grid 1) から注目する局所域 (Grid 2)まで多段階で効率良く計算することが可能

one way nesting

Grid 1

Grid 2

Flow

  CodeⅠ CodeⅡ

Coordinate system Orthogonal coordinate Generalized curvilinear coordinate

Variable arrangement Staggered arrangement Collocated arrangement

Discretization method Finite-difference method (FDM)

Coupling algorithm Fractional step method

Time advancement method Euler explicit method

Poisson equation for pressure Successive over relaxation (SOR) method

Convective terms 3rd-order upwind scheme based on an interpolation method(α=0.5)

Other spatial derivative terms 2nd-order central scheme

SGS model Smagorinsky model　＋　Wall damping function

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの数値計算法

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの計算精度の検証　～壁面せん断乱流場

壁面せん断乱流場のＬＥＳを行い，ＤＮＳデータベースとの比較を行う．◎レイノルズ数： Reτ(=uτδ/ν)=180

◎計算領域： 2πδ(x)×πδ(y)×δ(z) 　但し， zが鉛直方向を示す

◎ 格子点数： 129(x)×129(y)×65(z)点

◎ 速度の境界条件：　 主流方向 (x) と主流直交方向 (y) は周期境界条件，　　上部境界は滑り条件，地表面は粘着条件

◎ スマゴリンスキー定数： CS=0.1

◎無次元時間刻み： Δt=1×10-4

z

x2πδ

δ

スタガード格子

z

y

δ

πδ

コロケート格子

壁面せん断乱流場の流れの可視化(瞬間場， Rear view， Reτ=180)

流れはこちらへ

壁面せん断乱流場の乱流統計量

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60 70 80

urms

vrms

wrms

Staggered gridCollocated gridDNS (Kawamura)

平均速度分布 乱流強度分布

0

5

10

15

20

1 10 100

Staggered gridCollocated gridDNS (Kawamura)

ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの計算精度の検証　～孤立地形周りの安定成層流

一様近寄り流速に対する流れの増速率とその発生場所を精度良く予測できるかどうかに注目する．◎レイノルズ数： Re(=Uh/ν)=3000

◎フルード数： Fr(=U/Nh)=∞(中立成層流 ) ， 1 ， 0.5， 0.1（安定成層流）

◎ 格子点数： 221(x)×121(y)×81(z)点， Δzmin=2×10-3h

◎ 地形の断面形状： z(x, y)=cos2(π(x2 + y2) 1/2 /2L) 　但し， L=2.5

◎ 速度の境界条件：　　　流入境界は一様流入条件，側面と上部境界は滑り条件，　　　流出境界は対流型流出条件，地表面は粘着条件

◎ モデル定数： CS=0.1, PrSGS=0.5

孤立地形の周辺風況場，コロケート格子(瞬間場， Re=3000 ， Fr=∞， 1 ， 0.5，0.1)

流線 主流方向の速度成分

Fr=∞(中立成層流 )

Fr=1(安定成層流 )

Fr=0.5(安定成層流 )

Fr=0.1(安定成層流 )

実地形上の風況場予測 (中立成層流 )～九州大学新キャンパス移転地周辺

福岡市

糸島半島 博多湾

海の中道

志賀島

能古島

福岡平野

九州大学六本松地区

九州大学箱崎地区

九州大学筑紫地区

広域地形の風況シミュレーション　～移転地に対する火山と可也山の影響

移転地

計算パラメータの設定，コロケート格子

◎実地形の形状：国土地理院の数値地図データ (50m メッシュ )

◎ 格子点数： 196(x)×157(y)×81(z)点　　水平方向は等間隔 (Δx=Δy=50m ，すなわち， Δx=Δy=0.14h)　　鉛直方向は不等間隔 (Δz=1.78 ～ 178m ，すなわち， Δz=5×10-3h～ 0.5h)

◎レイノルズ数： Re(=U∞h/ν)=2.5×104

　可也山 (365m) を高さ h とし，流入境界面での高さ h における風速 U∞ に基づく

◎ 速度の境界条件：　　流入境界は一様流，側面と上部境界は滑り条件，　　流出境界は対流型流出条件，地表面は粘着条件

◎無次元時間刻み： Δt=1×10-3

◎ スマゴリンスキー定数： CS=0.1

U∞=5 (m/s) とするとΔt=0.073 (sec)T=100h/U∞ ではTime ＝ 7300 (sec) ≒ 2 (hour)

計算結果と考察（１）～時間平均流 (水平断面 )

z*=60m z*=100mキャンパス移転地に対して，可也山に起因した乱れの影響はほとんどない．

計算結果と考察（２）～乱流統計量の鉛直分布

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

100

200

300

400

500

600

PQRS

0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600

PQRS

地表

面か

らの

高さ

z*

(m)

平均速度（ <u>/U∞ ）

乱れ強さ（ σu ）

速度欠損⇒火山後流の影響

乱れの極大値 火山の頂部

増速

ネストグリッドを用いた風況シミュレーション～キャンパス移転地の高解像度計算

移転地(水平分解能50m)

(水平分解能 25m)

計算結果と考察（１）， Grid 2～移転地周辺の時間平均流 (水平断面 )

z*=20m z*=60m

火山と可也山の谷部下流域にあたる石ヶ岳山頂付近において，一様流入速度に対して約 20パーセントの増速が確認される．

石ヶ岳石ヶ岳

計算結果と考察（２）～平均速度の鉛直分布

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

100

200

300

400

500

600

PQRS

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

100

200

300

400

500

600

P

Q

R

S

Grid 2(25m 分解能 )Grid 1(50m 分解能 )

地表

面か

らの

高さ

z*

(m)

計算結果と考察（３）～乱れ強さの鉛直分布

0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600

PQRS

0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600

P

Q

R

S

地表

面か

らの

高さ

z*

(m)

Grid 2(25m 分解能 )Grid 1(50m 分解能 )

計算結果と考察（４）～キャンパス移転地周辺の風況特性

1)Bird’s-eye view2)Top view

西の風

石ヶ岳山頂付近：一様流入速度に対して約 20パーセントの増速

乱れ大⇒火山の　 後流域乱れ小

⇒火山と　 可也山　 の谷部

風洞実験による計算結果の検証

◎1/5000 の地形模型を大型風洞内（幅 3.6m×高さ 2.0m×長さ 15m ）に設置

◎ 地形への流入風 ： 一様流（計算と同じ状況を再現， 325mm持ち上げる）

◎可也山（ 365m ）を基準高さとしたレイノルズ数 ： Re=1.6×104

◎ I 型熱線風速計による気流特性の計測（風の増速域や増速率など）

◎ スモークワイヤー法による流れの可視化

移転地 地形模型

325

4500

3m/s

（単位： mm ）

一様流

地球大気動態シミュレーション装置( 大型境界層風洞 )

測定胴

単回路回流式風速： 0.5～ 30[m/s]測定胴： 3.6[m] 幅　　　 ×2.0[m]高　　　 ×15[m] 長全体図

風洞実験の様子

* 地形模型は九州大学 新キャンパス推進室所有

測定胴内に設置した1/5000 の地形模型 *

キャンパス移転地周辺

数値計算と風洞実験の比較～平均速度の鉛直分布

地表

面か

らの

高さ

z*

(m)

数値計算風洞実験0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0

100

200

300

400

500

600

P

Q

R

S

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

100

200

300

400

500

600

PQRS

速度欠損 速度欠損

有意な差異

スモークワイヤー法による流れの可視化

火山の頂部を過ぎる流れ

火山と可也山の谷部を過ぎる流れ

Flow

　数百 m ～数十 km 程度の小規模から中規模な空間スケールを対象にした局地的風況予測モデル (RIAM-COMPACT) の特徴を示し，計算コードの検証を行った．　次に，九州大学新キャンパス移転地周辺の風況場予測を行った．また平行して風洞実験を行い，計算コードの有効性および計算結果の妥当性を検証した．

まとめ

今後の課題

１ ) 地面境界条件の精緻化

２ )実際の流入気流が有する速度勾配と乱れ効果の再現

３ ) 大気成層乱流に適した SGSモデルの改良

４ )RIAM-COMPACTにおける境界条件を適切に設定する　 ための，広域スケールを対象にした地域気象モデル　 (CSU-RAMS) との接続法の開発

５ ) 局所風況観測網 (NeWMeK) を利用した局所風況予測

地域気象モデル (CSU-RAMS) との接続～広域な気象場を反映した局所風況予測

ECMWF( ヨーロッパ中期予報センター )の客観解析気象データをナッジング

CSU-RAMS(Grid 1)

CSU-RAMS(Grid 2)

RIAM-COMPACTへの接続 (境界条件 )

RIAM-COMPACTによる局所風況予測

局所風況観測網 (NeWMeK) との接続～局所域の気象観測データを利用した風況予測

NeWMeK (Network for WindMesurement of Kyushu)九州広域高密度風観測システム

RIAM-COMPACTへの接続 (境界条件 )

RIAM-COMPACTによる局所風況予測NeWMeK site NeWMeK 風速分布図