気象研究所研究開発課題評価報告

都市気象モデルの開発

終了時評価

• 副課題１ 都市気象全般を表現可能な都市気象モデルの開発
• 副課題２ LESによる都市気象モデルの検証と微気象LESモデルの開発

研究代表者

高薮出（環境・応用気象研究部　第２研究室長）

研究期間

平成21年度～平成25年度

終了時評価の総合所見

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研究の動機・背景

（副課題１）都市気象全般を表現可能な都市気象モデルの開発

気象庁の現業数値予報モデルでの都市の表現は簡単な平板モデルであり，地球環境・海洋部の１層の都市気象モデルが導入されているが，降水過程は含まれていない。非静力学モデルに適合し都市大気層をより定量的に表現する都市気象モデルの作成が早急の課題となっている。

（副課題２）LESによる都市気象モデルの検証と微気象LESモデルの開発

ビル群周辺の大気環境の観測は困難であり，都市気象モデル開発において都市の素過程を検証する観測データがほとんどない。都市の微気象を表現できる都市LESモデルは地上気象観測環境の定量評価の可能性を持つが，多様な観測環境に対応するモデルではない。

研究の成果の到達目標

（副課題１）都市気象全般を表現可能な都市気象モデルの開発

• １層都市キャノピーモデルへの水文過程の導入
• 都市モデルの多層化とモザイク化
• 都市領域の拡散モデルの開発

（副課題２）LESによる都市気象モデルの検証と微気象LESモデルの開発

• 都市大気境界層を表現するLESモデルの開発
• 汎用LESモデルの開発

１．研究結果

（１）成果の概要

（１）－１　全体

本課題では、従来平板でしか表現されてこなかった都市域の陸面過程について、1層都市キャノピーモデル・多層都市キャノピーモデル・LESモデルと階層化されたモデル開発を実施した。これにより都市周辺の気象研究に対して様々なレベルで対応可能なシステムが構築された。全国の都市のヒートアイランド効果の評価には、計算コストが小さいながらも都市域特有の放射・熱環境を表現する主要なパラメータ設定が可能な1層都市気象モデルが用いられ本庁気候情報課に納入された。他方、地球温暖化の監視という観点から近年注目を浴びている観測環境の精査に対しては多層都市モデルやLESモデルが対応可能である。

（１）－２　副課題ごと

（副課題１）都市気象全般を表現可能な都市気象モデルの開発

• １層都市キャノピーモデルの開発とメソ気象モデルNHMへの導入を行った(Aoyagi and Seino 2011, 青栁・清野 2012)。開発には2年間を要しモデルの開発・改良には気象庁本庁屋上における観測データを使用した。地域気候モデルNHRCMへの導入が成功した3年度目からは長期積分による都市効果の気候学的な量の把握にも成功した。このモデルは本庁気候情報課への納入も果たし、ヒートアイランド情報の基礎資料の作成にも生かされている。さらに、4年度目からは生成情報の精緻化を目指して地表面状態のモザイク化に取り組んだ。
• １層都市キャノピーモデルを導入したNHRCMによる気候数値実験では、過去30年間の土地利用変化に伴う地上気温上昇についてその要因別の寄与を調べた。人工排熱の増大は地上気温を平均的に上昇させること、都市域の拡大（すなわち植生域の減少）は特に夏季日中の気温上昇をもたらすこと、都市内部のビル群の高層化による放射収支の変化（特に放射冷却の抑制）は夜間の気温上昇に寄与すること等を定量的に示した(Aoyagi et al. 2012)。
• １層都市キャノピーモデルでも、従来の平板モデルに比すれば都市の効果を多く取り込むことが出来るが、多層化することでより精緻化できる。そのため研究レベルでは多層都市モデルが有用である。まずは放射収支変化を精緻に表現可能となるように無限回の多重反射を考慮した都市多層放射モデルを開発した。このモデルの構築には3年を要した。構築には、やはり気象庁本庁屋上で行っている放射観測の結果を適用しモデルの精度を上げることに成功した。完成した都市多層放射モデルを用い、放射平衡にある都市域地表面においては３次元立体構造があることのみでその平均表面温度が高くなる可能性を見出し、その温度上昇は天空開放度にほぼ比例することを明らかにした(Aoyagi and Takahashi 2012)。
• さらに、温室効果気体を含む大気の放射平衡状態の解釈を通して、表面温度上昇や温室効果気体の増加に伴う都市域上空の気温上昇の可能性について理解を深めた。
• 都市モデルの構築に当たっては、都市域における微気象の観測データが不可欠である。そのため本課題では、本庁観測部及び東管技術課の協力を得て本庁屋上に観測点を設け放射観測を実施した。観測結果は上記に示すようにモデル開発に有効利用されたが、さらにデータの散逸を防ぐためにデータベース化の作業を進めた。

（副課題２）LESによる都市気象モデルの検証と微気象LESモデルの開発

• 都市の詳細な気象状況を再現できるLESモデルの導入は観測環境の検証のためにも必要である。本研究ではLESモデル導入に際して問題となる諸点を3年間にわたり風洞を用いた実験により研究した(Kurita and Kanda 2009)。
• 第4年度に、オープンソースのLESモデルを所内計算機システムに導入することに成功し、風洞実験結果の再現計算を行いモデル計算結果の検証を実施した。
• 微気象スケールでみた観測環境の変化はときに観測データの極値に影響を与え、さらには長期変化傾向としても顕在化する場合がある。観測環境変化の影響を受けたデータはメソモデル検証の際の誤差要因となり得る。このため3年度目以降において、観測データのメタデータを整備し検証環境を整備した。その結果、アメダス降雪量データの精度を上げることに成功しモデル検証の精度を向上させることに成功した。
• 都市域に設置されている観測所の周辺環境については国内外の設置状況や研究動向等を調査した。その中の１例として明治の東京観測所の観測開始期における環境について詳しく調査・検討を行い、当時の観測所周辺の土地利用・周辺起伏等を明らかにすることができた。
• そのほか、都市や観測所など近傍の気温分布を効率的に測定する新手法の検討や、シーロメータデータを利用した都市境界層の立体構造観測の可能性について検討を行った。
• 観測露場の周辺数10mスケールにおいて瞬間的あるいは季節平均としてどの程度気温差が生じ得るかを調査するため、東京管区気象台の露場敷地内の植栽に囲まれた場所に新たに強制通風式温湿度計を設置して通年観測を実施した。得られたデータと気象庁の現業観測データを比較した結果、同一露場敷地内であっても、周囲数10mが開けた場所と植栽等に囲まれた場所とでは、夏季日中に月平均で最大0.6℃の気温差が生じていること、その気温差は日射量が大きいほど拡大することを見出した。

（２）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）

乱流スキームそのものの研究や気象業務における観測環境の研究に集中するため，数値風洞としての汎用LESモデルのベースにオープンソースパッケージを利用するように研究の流れを微修正した。都市領域の拡散モデルの開発に関しては，本研究課題単独でのモデル開発とはせず，環境・応用気象研究部第1研究室及び第4研究室で行われているJMA-NHM用化学輸送モデル (NHM-CHEM) の開発に合流し，作業の効率化を図ることとした。本研究課題では，NHM-CHEMを都市スケールの現象に適用した研究に注力した。

副課題１で推進した都市気象モデルの検証を進める中で、都市域では地上観測データの特性が観測地点周囲の観測環境に影響を受けやすいこと、モデルの性能評価や改良のためには、そうした影響を考慮したモデル対観測の比較が必要であることが明らかとなった。そこで、モデルにおいて地表面状態のモザイク化に取り組むとともに観測環境がデータに及ぼす影響の実態把握のため都市観測点周辺での観測にも取り組んだ。

（３） 成果の他の研究への波及状況

• 「温暖化への対応策検討に資するための日本域の気候変化予測に関する研究」（代表者：環境・応用3研　佐々木室長）において、NHRCM計算結果の検証に本研究計画で高精度化した観測データが利用された。また、次世代高精度モデルの開発にあたり、本研究計画で開発した都市サブモデルが導入された。
• 「顕著現象の機構解明に関する解析的・統計的研究」（代表者：予報3研　加藤輝之室長、平成22年度〜平成23年度は予報3研藤部文昭室長（当時））の副課題３「都市効果が顕著現象に及ぼす影響の評価」において、本研究計画において開発された1層都市キャノピーモデルを組み込んだNHMが顕著現象発生時の事例解析や都市の高温化が降水に与える影響を調べるための数値実験に活用された。

（４）今後の課題

• 1層都市キャノピーモデルを含む陸面過程のモザイク化を進め、観測値の再現精度をより高める必要がある。
• モデル検証のために一層稠密な都市域の観測データを得る必要がある。

２．自己点検

（１）到達目標に対する達成度

開発した1層都市気象モデルは，その利便性から本庁気候情報課が毎年出しているヒートアイランド情報の基礎資料算出に適しているということが認められた。一方，その本庁納入のために人的資源を割くことになりLESモデル開発が遅延した。そのため、LESモデルに関しては風洞基礎実験の成果を取り入れる形で既存のオープンソースモデルを導入して対応した。都市モデルの放射過程の多層化はほぼ計画通りに進んだ。以上の結果、現業に利用できる1層都市気象モデルが開発されるとともに多層都市放射モデル・LES モデルの基盤的な枠組みが整備されることになった。これらのモデルの整備と適用に関する知見の蓄積という面において、本研究課題の当初の目標は十分クリアーしていると考える。

（２）研究手法及び到達目標の設定の妥当性

基礎的・基盤的研究をうたっていながら、研究期間中に本庁のオペレーショナルモデルとして採用されるなど想定外の事が生じたため、若干の設定変更はあったが、5年間で目標にはおおむね到達でき、目標設定は妥当だったと考えられる。

（３）成果の施策への活用・学術的意義

本庁気候情報課への1層都市気象モデルの納入：本モデルの計算結果は「ヒートアイランド監視報告」の基礎資料として用いられた。

気候変動による温暖化研究の進展に伴い注目を集めている「観測環境問題」に、露場の微気象の研究により学術的・行政的に貢献した。

気候変動による温暖化研究における、都市化の効果の研究に対して、長時間安定して走る都市モデルは寄与した。

（４）総合評価

シームレスとは言わないまでも階層的な複数の都市モデルの構築は、今後都市気象の研究にあたり隙の無いモデルシステムを構築したと言える。本課題はそのタイトルと見比べて成功と言える。

３．参考資料

３．１　研究成果リスト

（１）査読論文

1. Kurita and Kanda, 2009: Characteristics of Boundary layer over a Sequence of Small Localized Urban Canopied with Various Heights Obtained by Wind-Tunnel Experiment, JMSJ , 87, 705-719.

2. Aoyagi, T. and N. Seino, 2011: A Square Prism Urban Canopy Scheme for the NHM and Its Validation on Summer Conditions in the Tokyo Metropolitan Area, Japan, J. Appl. Meteorol. Climatol., 50, 1476-1496.

4. Aoyagi, T. and S. Takahashi, 2012: Development of an Urban Multilayer Radiation Scheme and Its Application to the Urban Surface Warming Potential, Bound.-Layer Meteor., 142, 305-328.

5. Aoyagi, T., N. Kayaba, and N. Seino, 2012: Numerical Simulation of the Surface Air Temperature Change Caused by Increases of Urban Area, Anthropogenic Heat, and Building Aspect Ratio in the Kanto-Koshin Area, J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 11-31.

6. Bai, Y., I. Kaneko, H. Kobayashi, K. Kurihara, I. Takayabu, H. Sasaki, and A. Murata, 2013: A geographic information system (GIS)-based approach to adaptation to regional climate change: a case study of Okutama-machi, Tokyo, Japan.

7. 高橋潔, 高薮出, 石﨑紀子, 塩竈秀夫, 松井哲哉, 田中信行, 江守正多, 2013: ３種の力学的ダウンスケーリングシナリオを用いた我が国のブナ林分布適域の変化予測。土木学会論文集G（環境）, 69,5,I_161-I_170.

8. Aoyagi, T., 2013: Numerical Simulation on the Urban Warming Induced by Land Use Modification during Recent 30 Years. A Dissertation submitted to the University of Tsukuba for the degree of Ph.D. in Science.

（２）査読論文以外の著作物（翻訳、著書、解説）

1. 藤部文昭, 青栁曉典, 竹見哲也, 中山浩成, 2009: 第8回都市環境シンポジウム参加報告，天気，56，799-806

2. 高藪出, 2010：地域気候モデルによる温暖化予測. 天気, 57, 546-550.

3. 佐藤友徳, 石崎紀子, 石崎安洋, 稲津将, 岡田直資, 仲江川敏之, 高藪出, 芳村圭, 金光正郎, 2011：第１０回RSMに関する国際ワークショップ開催・参加報告, 天気58, 41-45.

4. 萱場亙起, 青栁曉典, 高橋俊二, 2010：重回帰分析による人工排熱量の推定, 測候時報, 77, 137-153.

5. 青栁曉典, 足立幸穂, 伊東瑠衣, 近藤裕昭, 日下博幸, 小田僚子, 大橋唯太, 清野直子，2013：第8回都市気候会議の報告. 天気，60, 97-104.

6. 青栁曉典, 清野直子，2012：メソ数値予報モデルと都市．気象研究ノート，224， 273-301．

7. 山本哲， 2013：温室効果気体はどのようにして大気を暖めているのか，天気，60，385-389．

（３）学会等発表

ア．口頭発表

・国際的な会議・学会等：７件

1. Takayabu, I., 2010: Downscaling of Climate Projections in Japan. Japan 1st international workshop on economics of climate change and low carbon growth strategies in northeast Asia. (アジア開発銀行, 20 April at Tokyo).

2. Aoyagi, T. and N. Seino, 2010: Single-layer urban canopy scheme for the mesoscale model of JMA – As an adaptation planning tool for the future urbanization -. Proc. International Workshop on Urban Climate Projection for better Adaptation Plan, 15-16. (June 2010 at Tsukuba)

3. Seino, N. and T. Aoyagi, 2010: Urban Climate Research with a Mesoscale Model JMA-NHM. Proc. International Workshop on Urban Climate Projection for better Adaptation Plan, 6. (June 2010 at Tsukuba)

4. Takayabu, I., 2010: Down-scaling system applied for representing local climate in Japan, 10th international RSM workshop, Japan, Aug. 2010.

5. Takayabu, I., 2011: Design of a downscaling project of climate projections in Japan, Aug. 2011 at Vietnam, The second International MAHASRI/HyARC Workshop on Asian Monsoon and Water Cycle.

6. Takayabu, I., 2013: Introduction of a new program in Japan for research on risk assessment of climate change. 6th China-Korea-Japan Joint Conference on Meteorology, 24-25 October 2013, Nanjing, China.

7. Hibino, K., T. Nakaegawa, and I. Takayabu, 2013: The climate analogues of the cities in East Asian Asia at the end of 21st century. 6th China-Korea-Japan Joint Conference on Meteorology, 24-25 October 2013, Nanjing, China.

・国内の会議・学会等：１３件

1. 清野直子, 青栁曉典, 2009: 東京における強雨事例のシミュレーション －2007年8月の事例における都市の効果－．2009年度日本気象学会秋季大会, B301．2009.11.27（福岡）．

2. 青栁曉典, 清野直子, 2009: NHM用単層都市キャノピースキーム導入前後の地上気温検証. 第11回非静力学モデルに関するワークショップ, 講演予稿集 H-2.2009. 9. 25.（弘前）

3. 清野直子, 青栁暁典, 津口裕茂, 加藤輝之, 2010: 東京における強雨事例のシミュレーション（２）―2010年7月5日の事例解析―, 気象学会2010年秋季大会講演要旨集C355, 2010年10月.

4. 高藪出, 2011：「力学的ダウンスケーリングとは？」。グリーン社会ICTライフインフラプロジェクト　第３回全体会議, 2011年9月.

5. 栗田進, 2011：粗度：ゼロ面変位の安定度依存性と, そのキャノピー内乱流との関係について（観測的研究への適用に向けて）, ユーラシア・アジアモンスーン地域の気候－陸域相互作用研究会

6. 青栁曉典, 清野直子，2012：都市温暖化と地上風速の関係－過去30年間の土地利用変化に伴う気候変化シミュレーション－．第10回環境研究シンポジウム，一橋講堂（千代田区），2012年11月14日．

7. 山本哲, 2013：世界気象機関（WMO）地上観測設置環境分類の導入．2013年度日本気象学会春季大会, D158．2013.5.15（東京）．

8. 志藤文武, 清野直子, 藤部文昭, 青栁曉典, 山本哲，2013：観測露場内で生じる気温差の通年観測－東京管区気象台（千代田区大手町）の場合－, 2013年度日本気象学会春季大会, D159．2013.5.15（東京）．

9. 清野直子, 青栁曉典, ほか3名, 2013： 都市における下向き赤外放射量の観測, 2013年度日本気象学会春季大会、D156．2013.5.15（東京）．

10. 山本哲, 2013：東京気象台1875（明治8）年観測開始期のメタ情報．第232回生存圏シンポジウム．2013.8.20（立川）．

11. 山本哲, 2013：東京気象台1875（明治8）年観測開始期のメタ情報．2013年度日本気象学会秋季大会, D204．2013.11.20（仙台）．

12. 青栁曉典, 清野直子, 志藤文武, 佐々木秀孝, 2013：NHRCM4kmへの都市キャノピースキーム導入実験－現在気候（2001年～2006年）再現実験の検証－．日本気象学会2013年度秋季大会講演予稿集，A216，仙台国際センター（仙台市），2013年11月20日．

13. 藤部文昭, 2013: 長期観測データから見る日本の気候変動の実態と問題点. 日本気象学会関西支部2013年度四国地区例会予稿集, 高松第2地方合同庁舎（高松市）, 2013年12月20日．

イ．ポスター発表

・国際的な会議・学会等：７件

1. Aoyagi, T. and N. Seino, 2009: The Development of a Single Layer Urban Canopy Scheme for the Japan Meteorological Agency Nonhydrostatic Mesoscale Model. The 7th International Conference on Urban Climate, P3-8. 2009.7.1 (Yokohama, Japan)

2. N. Seino and T. Aoyagi, 2009: Urban Influences on Precipitation in the Tokyo Area: Numerical Simulation on a Heavy Rainfall Event. The 7th International Conference on Urban Climate, P3-44. 2009.7.1 (Yokohama, Japan)

3. Aoyagi, T., N. Kayaba and N. Seino, 2011: A simulation of climatic change on summer induced by land use modification from 1976 to 2006 over Tokyo metropolitan area, Japan. 23rd Conference on Climate Variability and Change, P497.

4. Aoyagi, T., S.A. Adachi, H. Kusaka, K. Tanaka, and N. Seino, 2011: Near-term Prediction of Urban Climate Based on Urban Growth Scenarios in the Tokyo Metropolitan Area, 第5回日中韓気象学会共催国際会議, 釜山国際展示場（大韓民国・釜山市）, 10月24日.

5. Aoyagi, T. and N. Seino, 2012: Relationship Between Urban Warming and Surface Wind Speed –A Numerical Study on Climatic Changes Induced by Land Surface Modifications. 92nd American Meteorological Society Annual Meeting, Ernest N. Memorial Convention Center (ニューオーリンズ, 米国), 2012年1月25日.

6. Aoyagi, T. and N. Seino, 2012: Relationship between urban warming and surface wind speed from a simulation on local climate change induced by the spread of urban land during 30 years in the Tokyo metropolitan area. 8th International Conference on Urban Climate, University College Dublin (Dublin), 2012年8月9日.

7. Aoyagi, T., N. Seino, F. Shido, and H. Sasaki, 2013: Impact of the urban land surface parameterization on the reproduction of present climate (2001-2006). 6th China-Korea-Japan Joint Conference on Meteorology, 24-25 October 2013, Nanjing, China.

・国内の会議・学会等：13件

1. 清野直子, 青栁曉典, 高橋俊二，2009: 気象庁屋上における放射収支観測．2009年度日本気象学会春季大会, P118．

2. 青栁曉典, 高橋俊二, 2009: 格子状ブロック群の実効アルベド／実効射出率を考慮した放射平衡温度. 2009年度日本気象学会秋季大会, P329．

3. 青栁曉典, 清野直子, 2009: 人工排熱・建物構造・粗度長が都市域の地上気温に与える影響について－単層都市キャノピースキームを導入したNHMによる感度実験－．2009年度日本気象学会秋季大会, P162．2009.11.25（福岡）

4. 栗田進, 2010: 新しい都市境界層の考え方－都市スケールと街区スケールを結びつけるもの－, 気象学会2010年春季大会講演要旨集P330.

5. 青栁暁典, 萱場瓦起, 清野直子, 2010年: 土地利用変化に伴う都市域地上気温の上昇に関する数値シミュレーション, 日本ヒートアイランド学会第５回全国大会, A-17.

6. 青栁暁典, 萱場瓦起, 清野直子, 2010年: 土地利用変化による夏季関東域の気候変化に関する数値シミュレーション, 気象学会2010年秋季大会講演要旨集P301.

7. 栗田進, 2011：粗度・ゼロ面変位の安定度依存性など新たな地表面過程からみた気象・気候モデルの高分解能化に伴う問題点, 気象学会2011年秋季大会講演要旨集P110

8. 青栁曉典, 高橋俊二, 2011: 都市多層放射モデルによる都市表面温度上昇ポテンシャルの評価, 日本ヒートアイランド学会第6回全国大会, 筑波大学（つくば市）, 7月23日.

9. 青栁曉典, 高橋俊二, 2011: 多層都市キャノピーモデルの開発－多層放射モデル－, 気象学会2011年秋季大会講演要旨集P109.

10. 青栁曉典, 足立幸穂, 日下博幸, 田中賢治, 清野直子，2012: 都市シナリオを考慮した近未来気候シミュレーション－夏季気温の変化に着目して－．日本ヒートアイランド学会第7回全国大会，京都大学（京都市），2012年7月23日．

11. 青栁曉典, 清野直子，2012: 都市温暖化と地上風速変化の相関－関東甲信地方の土地利用変化に伴う気候変化シミュレーション－．日本気象学会2012年度秋季大会講演予稿集，P136，北海道大学（札幌市），2012年10月3日．

12. 志藤文武, 清野直子, 藤部文昭, 青栁曉典, 山本哲, 高薮出, 2013: 観測露場周辺の気温の通年観測（第2報）－東京（千代田区大手町）の場合－, P106．2013.11.19（仙台）．

13. 小堀佳奈子, 加藤央之, 藤部文昭, 2013: 日本の過去100年間の気温観測値における広域変動成分と都市化成分の特性. 日本気象学会2013年度秋季大会予稿集, P154, 仙台国際センター（仙台市），2013年11月19日．

３．２　報道・記事

特段なし

３．３　その他（１（３）「成果の他の研究への波及状況」関連）

• 環境省地球環境研究総合推進費S-5-3温暖化影響評価のためのマルチモデルアンサンブルとダウンスケーリングの研究（代表：高薮出）において、マルチ都市気候モデルの1員として、本研究計画で作成した1層都市気象モデルが参加した。温暖化評価にあたり都市化の効果を峻別することに成功した。
• 環境省地球環境研究総合推進費S-5-4統合システム解析による空間詳細な排出・土地利用変化シナリオの開発に関する研究 (代表： CMIP5 6.0Wシナリオ担当機関，山形与志樹) において作成された、あり得べき複数の将来都市シナリオに対し当研究計画で開発した1層都市気象モデルを適用し、都市計画の持つ気候学的効果を算出した。
• 文部科学省気候変動リスク情報創生プログラムテーマC 「気候変動リスク情報の基盤技術開発」（代表：高薮出）において用いる次期地域気候モデルへ、本研究計画で開発した都市モデルの導入を進めている。