特集

地震災害と防災・減災（その２）□同時多発火災で発生する火災旋風の発生予測に向けた基礎研究

消防研究センター大規模火災研究室 主幹研究官

篠原雅彦

いる5)。この開発には火災旋風の発生メカニズム

１．はじめにだけでなく、火災旋風の渦の強さや規模が、地上首都直下地震では東京23区内で700か所を超え
1)

風速や火災の規模、発熱速度などによってどのよる火災の発生が危惧されている 。100年前の1923

うに変わるのかという現象を知る必要があり、こ年に起きた関東大震災では東京市で134か所かられまで実験を中心とした研究を進めてきた。

火災が発生し、約５万２千人の人々が火災によっ

ここではまず火災旋風とはどのようなものなのて亡くなった2)。このうちの７割を越える約３万かについて概説した後、発生予測モデルの開発に2８千人の人々が、東京市の全焼失面積35km のわ

必要となる火災旋風の現象について、著者らの最ずか0.2％にあたる６ha（0.06km2）の空き地で亡近の実験によって明らかになってきたことを紹介くなった。この空き地は現在の墨田区にあった工する。

場の跡地で被服廠跡と呼ばれていた。この一か所でこれだけの被害が生じた原因は、ここを襲った火災旋風の影響であると考えられている。一方、

２．火災旋風とは海外では大規模な林野火災が頻発しており、ここ火災旋風とは、火災の内部やその周辺で発生しでも火災旋風が被害を拡大している。強風が木をて激しく回転する竜巻状の渦のことである。火災

裂いて吹き飛ばし、火災の強度を増大させ、死傷旋風は炎を含んだ火柱状の火災旋風（図１）と者を出している3,4)。このようなことから火災旋風して現れることもあれば、炎を含まない火災旋の研究は火災科学者、気象学者、森林学者らによっ風（図２）として現れることもある。図１は実験て国内外で進められている。しかし、いまだにどで再現した火柱状の火災旋風である。旋回していのような条件下でどの程度の威力、規模を持つ火ない火炎にくらべてはるかに背の高い火炎となる。

災旋風が発生するのか解明されていない。そのた

図２は野焼き時に発生した煙状の火災旋風である。

め被害想定も対策も立てられないでいる。

煙や灰、砂ぼこりなどを巻き込んで黒っぽく見え

現在著者は、同時多発火災発生後の延焼火災でているのだと考えられる。

発生が危惧される火災旋風の発生阻止を目指して、

図１のような炎を含む火災旋風が火災の外に出火災の規模を想定した時に発生し得る最も回転のて図２のような炎を含まない火災旋風になること

強い火災旋風の渦の強さと半径を、その発生メカもあれば、逆に炎を含まない火災旋風が近くにあニズムに基づいて予測するモデルの開発を行ってる炎を取り込んだり火災の上を通過したりして、№154 2023（秋季）－15－

炎を含む火災旋風になることもある。
火災旋風が引き起こす被害の多くは、火災旋風の猛烈な風に起因しているようである。この風は火の粉を遠くに飛ばしたり、周囲にまき散らしたりすることで出火点が増加し、急速な延焼拡大を引き起こす。被服廠跡での証言の中には、「強烈なる風吹き来り満場の荷物に一時に点々火が付いた、それと同時に河の方から上方に旋風来り」というものがある6)。また、火災旋風の強風は延焼速度を増加させ、延焼方向を急変させる。さらに人や物を吹きとばして避難を困難にし、死傷者を出すこともある。被服廠跡同様に火災旋風が避難
図１

場所を襲った和歌山市大空襲では、「立ち上がる実験で再現した火柱状の火災旋風ことさえ出来ず、転がされたり、叩きつけられたりして、いつの間にか意識を失ってしまった」という証言がある7)。被服廠跡では焼けトタンが飛んできて避難者の首を切ったという証言がある8)。

３．最近の研究でわかってきたこと
3.1

風速と発熱速度が炎を含まない火災旋風にさらに火災旋風は停滞することもあれば、予測与える影響不能な動きもするし、数 km 移動することもある。

「炎を含まない火災旋風」の渦の回転の強さやまた、燃焼速度、火災の強度も増す。次節では、規模が、風に対する火源の向き、風速、火源の発火災旋風の風の強さに直結する渦の回転の強さに熱速度によってどのように変わるかを風洞実験に焦点をあてた実験研究の結果をいくつか紹介する。

よって調べた9,10)。実験では200mm ×20mm の細長いバーナーを用いて火災前線を模擬した。バーナーの長辺を風に直交配置した場合と平行に配置した場合について、風速と火源の発熱速度を変え、

図２

野焼きで発生した「炎を含まない火災旋風」（写真の右端）－16－

消防防災の科学火源周囲に発生する「炎を含まない火災旋風」の強さを調べた。渦度は渦核内の空間平均渦度の絶水平面内の速度場を PIV（粒子画像流速測定法）対値（図３d）によって評価した。その結果、風と呼ばれる方法で測定した。得られた全速度場か速に対する渦の循環の変化は、渦度ではなく渦半ら渦の中心で剛体回転している渦核を抽出し、各径によって決まっていることが分かった。つまり

速度場の渦核内の循環の絶対値が最大の渦核につ風速が減少すると循環の絶対値が大きくなるのは、いて、循環、半径、接線速度、空間平均渦度を求風速の減少に伴い渦核サイズが増大するためであめた。ここで渦度とは、流体中の微小部分の回転り、渦核内の空間平均渦度の変化によるものではの強さを示す量、循環とは、ある領域内の渦度をないということが分かった。

積分した値で、渦の強さを表す量である。結果をでは、低風速下で渦核が大きくなるのはなぜ図３に示す。

か。一つの仮説として流れ場の結果に基づいた考

直交配置の場合、図３a に示すように0.28 m/察を示す。図３b より、どちらの発熱速度の場合s ≤ U ≤ 0.54 m/s の風速範囲では風速の減少に伴も、U = 0.38 m/s と U = 0.48 m/s の間を境に渦核

い循環は増加する。循環は渦核内の渦度を積分し半径が大きく異なっている。渦を可視化して観察て求めたので、風速に対する循環の変化が渦核内した結果と速度場から、渦の動きも U = 0.38 m/の渦度と渦核サイズのどちらによって決まっていs と U = 0.48 m/s の間を境に大きく異なることがるのかを知るために、両者と循環との間の相関の分かった。図４a ～ c に、発熱速度0.84 kW の場

b0.10

循環 |Γ |MAX (m2/s)

0.030

2.23 kW - 直交0.090.08

2.23 kW - 平行

0.070.84 kW - 平行

0.06
0.05
0.04
0.03
0.0200.84 kW - 平行

0.015

0.010

0.20.40.6
風速 (m/s)

0.801
d0.7

2.23 kW - 直交0.84 kW - 直交2.23 kW - 平行
0.84 kW - 平行

0.60.50.20.40.60.810.81

風速 (m/s)
1002.23 kW - 直交0.84 kW - 直交2.23 kW - 平行
0.84 kW - 平行90

空間平均渦度 | | (s-1)| (m/s)
接線速度 |

2.23 kW - 平行

0.020

0.0000.000.40.3
0.20.10.080
7060504030
2010000.20.40.60.81

風速 U (m/s)

図３0.84 kW - 直交

0.005

0.01c

2.23 kW - 直交

0.025

0.84 kW - 直交

半径 r (m)a00.20.40.6

風速 U (m/s)

風速・発熱速度・火源の向きが火災旋風に与える影響（文献10を改変）。(a) 渦核の循環の絶対値の最大値、(b)渦核半径。(c) 渦核の接線速度の絶対値、(d) 渦核内の空間平均渦度の絶対値。図中の各点は56秒間の時間平均値、エラーバーは標準偏差を示す。

№154 2023（秋季）－17－b)c)

x [mm]a)

火 源

y [mm]

風

火 源

火 源

風

風

150 (s-1)

-150

図４

発熱速度0.84 kW の場合の瞬時速度場と渦度 : (a) 風速 U = 0.28 m/s; (b) U = 0.38 m/s; (c) U = 0.48 m/s. 図の上が風下。
（a), c) は文献９を改変）合について U = 0.28、0.38、0.48 m/s における火３a ～ c）。また、平行配置の場合は直交配置の場

源風下の瞬時速度場と渦度場を示す。0.38 m/s ま合とは逆に、風速の増加に対して渦の循環の絶対では渦はバーナー風下に定在する時間が長いが、値が増加傾向にある（図３a）。

0.48 m/s 以上では、渦は定在せずすぐに風下に流循環と半径が共に大きい渦、つまり危険な火災される。つまり低風速下では渦はバーナーのすぐ旋風は図３a, b から分かるとおり、直交配置の低風下に定在しており渦サイズは大きい。高風速下

風速下で発熱速度が大きい場合に発生する。このでは渦はすぐに流出し渦サイズは小さい。よって

時の渦は、火源の風下に逆方向に回転する渦のペ

高風速下では渦が短時間で流出するため、渦内へアーとして現れ、ほぼ定在する。図５はこの最もの渦度の蓄積が少なく渦が大規模化できず、低風強い渦を煙で可視化した様子である。

速下では渦が流出せず定在するため、渦内への渦

低風速下で強く大きな火災旋風が発生するとい度の蓄積が多くなり、渦が大規模化できると考えう実験結果は、林野火災や野焼き時には風が強いることができる。ここで渦度が周囲から火源風下時よりも風の弱い時に、より多くの火災旋風が報にやってくるような説明をしたが、渦度の供給元は床面に接する速度境界層だと過去の研究から考えている。
直交配置の場合、渦の接線速度も循環同様に風速が減少するほど増加する（図３c）。この主な原因も、風速の減少に伴い渦の半径が増加する傾向にあるためである。また、発熱速度が増加すると循環が増加する（図３a）。これは、発熱速度が増加しても渦核サイズは変わらないが、渦核内の空間平均渦度は増加するためである。
平行配置の場合の渦の循環の絶対値、渦サイズ、接線速度は、直交配置の場合に比べて小さい（図図５－18－

全実験条件下で最も強い渦を煙で可視化した写真

消防防災の科学告されてきたという結果と矛盾しない。なぜなら能性が高く12,13)、この定在渦が前節で明らかにば、回転が強く大規模な火災旋風は、そうでないなった強い渦の正体である可能性が高い10） とい火災旋風に比べて、おそらく、より目撃されやすうことが明らかになった。定在渦が CVP の最下く記録に残りやすいからである。ただし野焼きに部であることは図７を見れば当たり前のように思関しては、延焼防止のため強風下を避けて行われえるが、火災のすぐ風下の地上部には煙や砂や炎るので、風が弱い時の観察例が多いというデータなど空気の流れを可視化するものがない限り、定11)のかたよりは存在する 。火災の発熱速度が最も在渦は見えない。また、CVP もいつもその全貌強いのは火災の側面でも後面でもなく燃え進んでが明確に見えるとは限らない。そのため、図８のいく前面（火災前線）である。したがって、「循

ように定在渦と CVP を同時に可視化して、あら環と半径が共に大きい渦は、低風速の風に直交す

ゆる角度から観察しなければ CVP と定在渦がつる発熱速度の大きい火源の風下に、逆方向に回転ながっているのかどうかということが分からなする渦のペアーとして現れ、ほぼ定在する」といかったのである。

うこの実験結果は、回転が強く大規模な火災旋風

火炎の風下部では火柱状の火災旋風が発生するは、図６に示すように風と直交する火災前線の風こともある。この火柱状の火災旋風は、定在渦の下部に弱風下で発生することを示唆している。

中に火炎が巻き込まれたもの、つまり CVP の下部に火炎が巻き込まれて発生しているということ

未燃領域
焼失領域

風も実験で分かった13)。
&93（逆回転渦対）

火災旋風

出火点
図６

火炎

実験結果から示唆される「火炎を含まない回転後流渦の強い大規模な火災旋風」の発生位置

3.2

定在渦

最も強い渦の正体
図７

ではこの最も強い渦は何者なのだろうか。図７

火災の風下で目撃されてきた渦に示すように、火災風下の地上部には定在渦と書いたほぼ一か所に留まる渦や、後流渦と書いCVPた次々と風下に流れていく渦が火災旋風として目撃されてきた。さらに火災風下の上空全体を覆う CVP と書かれた渦も古くから知られてきた。
CVP は Counter-rotating Vortex Pair の略で、直訳すれば逆回転渦対となる。火災から発生する上昇気流が風を受けると風下に傾く。この上昇気流は定在渦二股に分かれ、互いに逆方向に回転する渦のペアーである CVP を形成する。

図８

実験の結果、定在渦は CVP の最下部である可№154 2023（秋季）－19－

CVP の最下部である可能性が高い「火炎風下の定在渦」

実火災に比べればはるかに小さい数 cm から数m の火炎を用いた実験の結果ではあるが、定在渦が CVP の最下部である可能性が高いという実験
結果は、大規模な林野火災を高解像度気象用レーダーで観測した結果とも一致することが最近明らかにされた14) 。
図７に示した後流渦（Wake vortex）は、しばしば逆方向に回転する渦のペアーとして火炎風下に現れ、周期的に風下に流されていく。火炎の風下に定在する CVP もたまに流れ出すことが林野火災での報告15) や実験12) でわかっている。
CVP の上部の風の流れは図７の矢印から分かる通り、一般風と直交する方向に向かう。そのため、この流れは火の粉を側方に飛ばすため、林野火災を側面から消火する消防隊員にとって危険な現象であることが指摘されている16）。火の粉の飛散分布が CVP に大きく左右されることはシミュ
レーションでも示されている17)。2016年に起きた
糸魚川市大規模火災では、地上と上空から撮影された映像に、火災域の上空を覆う煙によって可視化された CVP が映っていた。飛び火が多発する直前の上空の煙、つまり CVP の輪郭を地図に落とすと、その輪郭付近でその後、多くの飛び火が発生していた。これも CVP が火の粉の飛散に影響を与えたためではないかと考えている18）。
CVP の発生メカニズムは古くからいくつかの仮説が提唱されており、現在この発生メカニズムと、図３で示した実験から明らかになった強い火災旋風の発生状況などに基づいて発生予測モデルを開発している。

４.

おわりに現在作成中の火災旋風発生予測モデルの基礎となる実験の結果についていくつか紹介した。今後さらにモデルの適用範囲を広げるための実験を行い、実規模火災旋風を予測できるモデルに拡張することを目指している。

【参考文献】
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(accepted)．
６）藤原咲平：関東大震災調査報告（気象編），中央気象台，1924.
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10) Shinohara, M., Vortex strength and size of firewhirls without flames around a long narrow firesource, Fire Safety Journal, Vol. 129, 103561, 2022.
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15) Haines, D. A., Smith, M.C., Simulation of thecollapse of bent-over vortex pairs observed inwildland ﬁres, Forest. Sci. 38 (1992) 68–79.
16) Haines, D. A., Smith, M. C., Simulation of theCollapse of Bent-Over Vortex Pairs Observed in
Wildland Fires., Forest Science, Vol. 38, No. 1,pp.68-79, 1992.
17) Thurston, W. et al. The contribution of turbulent
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18) 篠原雅彦，飛び火と上空の煙の位置に関する考察，火災，No. 373, pp.39-42, 2021.

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消防防災の科学