建物ダウンウォッシュ発生時の大気拡散モデル「ISC-PRIME」についてエンジニアリング本部 都市・地域計画部

飯塚 俊明

１. はじめに煙突からの排出ガスが近傍の建物背後に発生に、煙突から排出されたガスが建物の影響を受けずに拡散していく様子を示している。

する渦に巻き込まれて降下する現象（建物ダウン

煙突近傍の建物の影響を考慮するモデルとしてウォッシュ。ダウンドラフトともいう）が発生する際のは、経済産業省による低煙源工場拡散モデル

拡散計算を行うモデルの一つである、ISC-PRIME「METI-LIS」や、排出ガスの有効煙突高についてを紹介する。

Huber の式によりプルーム主軸の低下分を減じた

ISC-PRIME ( Plume Rise Model Enhancements )とは EPA（米国環境保護庁）が開発した大気拡散うえで、通常のプルームモデルによる拡散計算を行う方法もある。

モデルで、ISC モデル（Industrial Source Complex

なお、煙突からの排出ガスが煙突自体の空気力Model）を基に、建物ダウンウォッシュを扱えるよう学的影響による渦にとりこまれる場合があるが、こに改良したものである。

れを煙突ダウンウォッシュといい、建物ダウンウォッ

なお、ISC-PRIME のプログラムソース、実行ファ
イルは EPA のホームページで公開されている。

シュとは区別されるものであり、ISC-PRIME では考慮しない。

(http://www.epa.gov/ttn/scram/dispersion_alt.ht
m#iscprime )２. ISC-PRIME の計算手順

図 1 の左側に示すように、建物近傍にある煙突

ISC-PRIME は正規型プルーム拡散モデルを基（この図では建屋の直上）から排出されたガスは、本としており、建物ダウンウォッシュの影響を以下建物背後の乱流域（near wake）に引き込まれて降の手順により計算する。

下し、地上付近の大気汚染物質が高濃度となることがある。図の右側は、建物が煙突から遠いため

２．１ 建物ダウンウォッシュの発生条件
建物の寸法および煙突と建物の配置について、①建物高さと建物の風向方向投影幅の小さい方の 1.5 倍に建物高さを加えたものより煙突高さが低い。②煙突と建物との距離が建物高さと建物の風向方向投影幅の小さい方の 5 倍以内である。こ図 1 建物ダウンウォッシュの模式図

れら両方の条件を満たす場合に建物の影響を考慮する。
－25－

２．２ 建物背後乱流域・遠方後流域の大きさ
風の流れる方向に存在する建物について、建L物背後に生じる乱流域（near wake 領域）および遠H方の後流域（far wake 領域）の、風下方向の距離

HWにおける幅（ WC，WW）を求める（図 2 参照）。

）と高さ（ HC，のとき、
R2R
⁄

R2⁄

HW
2

図 2 建物背後に生じる乱流域の模式図

W2

建物の風下方向の投影幅が W(m)、風下方向に沿った長さが L(m)、高さが H(m)のとき、W と H の小さいほうを BS、大きい方を BL とし、建物長の尺度を

⁄B

⁄

R
31.8W

0.3 、L⁄HのときはL⁄HのときはL⁄Hとする。

このとき、建物の風上側の面からの距離 x における near wake 領域の高さ HC と幅 WC および nearwake 領域の最高高さ HR は以下の式により求められる。のとき、R3の式により求められる。

で定義する。このとき、建物で与えられる。ただし、L⁄H3R

また、far wake 領域の高さ HW と幅 WW は、以下の風下側の面からの near wake 領域の長さは、

L H

⁄

W2x
R

R x
3 R

H1.2R

⁄

⁄

２．３ 仮想煙源
仮想煙源の高さについて、まず流線の傾きを図3 に示す区分毎に表 1 に示す式により求め、
B およびH に対しては、流線の上昇域（図 3 の○C ）では○E ）では
び○－26－⁄R⁄RD およを、下降域（○を流線の傾きに掛ける。プルームの上昇分については質量・エネ
ルギー・運動量の保存則に従い計算する。また、C� �

拡散幅を乱流強度に基づいて求める。

C� �f

図 3 流線の傾きを求める区分

B

表 1 流線の傾きを求める式

Us区分dz

流線の傾き �z � H�x � �RB
�○dx

�R � x � �C○D○

E○2�H� � H��x � R�R�2xdz ���H� � H� � R � 1�
�dxR� � x � R ⁄2z ���R�� ��Hx � �� � �� � R�πU� σ�� σ��：near wake 領域に取り込まれたプルームの割合：near wake 内の濃度の再循環係数(=3)：大気汚染物質の排出量：煙突高さにおける風速(m/s)

WB' ：風向方向の建物投影幅（下限値=HB/3、上限値=3HB ）HB ：建物高さ(m)yy：風向に直角な水平距離(m/s)：水平方向の拡散パラメータ(m)yc ：仮想排出源の水平方向の拡散パラメータ(m)zc ：仮想排出源の鉛直方向の拡散パラメータ(m)２．５ 乱流域境界での接続
near wake 領域と far wake 領域の境界の前後一定の区間については、建物背後からの距離に応じて CN と CF とを線形に加重平均する。
２．６ near wake に取り込まれなかったプルーム

x � � � ��

near wake 領域に取り込まれなかったプルームからの far wake 領域に対する濃度(CP)を以下の式により求め、CF に加える。

２．４ near wake に取り込まれたプルーム

C� �

プルームのうち near wake 領域に取り込まれたz

れた点煙源としてモデル化し、拡散計算によりnear wake と far wake の各領域に対する濃度(CN�

1 y �1 H
�1 � f�Q�xp �� � � � � �xp �� � � �2 σ�
2 σ�
πσ� σ� U�

Hp ：仮想排出源の高さ(m/s)

体積源については、建物背後の地表面上に置かおよび CF )を以下の式により求める。

1 y �fQ�xp �� � � �2 σ�

Hc ：near wake 領域の高さ(m)dz �H� � H��R � 2x� z ����
� �R⁄2 � x � � � ��dxR � H�� � �� � �
2dz �2�H� � H��Rdx
� � �� �
2U� H� W��

UH ：建物高さにおける風速(m/s)

風下方向の距離A��○dxdz

Q

1 y �
BfQ�xp �� � � �2 σ��：鉛直方向の拡散パラメータ(m)その他は前述のとおり。

３. モデル使用上の留意点EPA によるオリジナルモデルは米国で入手可能な諸条件を用いることが前提とされているため、国－27－

内の業務でこのモデルによる予測計算を行う場合３．３ 土地状況には注意が必要である。主な留意点は以下のとお計算対象となる土地の状況に合わせて、りであるが、これらの中には ISC-PRIME に特有のRURAL（田園地域）か URBAN（都市域）のどちらものではなく、元々の ISC モデルに由来するものであるかを設定する必要がある。

も含まれている。

拡散パラメータの設定においては、土地状況がRURAL の場合には Pasquill-Guifford 線図の近似３．１ 計算方向式を、URBAN の場合には Briggs の内挿式を用い

ISC-PRIME のオリジナルモデルでは、計算のるものとされている。

方向は北を基準に 10 度刻みになっており、風向方向における建物の投影幅や建物長さも 10 度毎３．４ 風速の高さ補正のためのべき指数に設定される。

煙源高さにおける風速は、観測高さでの風速を

国内の環境影響評価業務では通常 16 方位に基に以下の式により補正する。

よる風向・風速の観測結果が用いられるが、例え

00p

U ：煙源高さにおける風速(m/s)
U0 ：観測高さにおける風速(m/s)
H ：煙源高さ(m)H0 ：風速観測高さ(m)p ：大気安定度に応じた値

ば北東の風の場合では風向が 45 度となり、風向に対する建物の投影幅や建物長さは 10 度刻みで設定した場合とは一致しない。このような場合についても建物の投影幅や長さを精密に設定したうえでの計算をしたいときには、風向に合わせて建物このとき用いられるべき指数 p は、大気安定度や予測点の座標を回転するか、あるいはプログラ別、風速階級別に任意の値を設定することができムを改変するなどで対応する必要がある。

る。オリジナルプログラムでのデフォルト値は表 3のようになっている。

３．２ 大気安定度の区分
大気安定度は A～F の 6 区分となっている。

表 3 風速補正に係るべき指数の初期設定値

Pasquill の安定度階級分類法では、A と B、B と C、大気安定度

A

C と D のそれぞれの間の区分を設けているが、土地 URBAN
状況 RURAL

0.150.150.200.070.070.10

ISC-PRIME を用いる場合は表 2 のように集約するのが一般的である。

表 2 大気安定度の集約例
集約前のA AB
大気安定度
集約後のA
大気安定度

B

BCB

B

C

DE

F

0.25

0.30

0.30

0.150.35

0.350.250.30

参考：CDM 注） で0.10 0.15 0.20 0.25
示されている値注） EPA による長期濃度シミュレーションモデル

３．５ 混合層高度

C CD

DEC

DEFGF

気象条件として混合層高度を入力する必要があるが、混合層高度は日本における気象観測では通常得られるデータではない。「窒素酸化物総量－28－

規制マニュアル（新版）」には、混合層高度が観測

表 5 計算条件
項目時刻までの積分日射量の 1/2 乗に比例することが条件

煙突高さ，口径

H=60m ，φ=5m示されているが、比例係数は日あるいは地点によ排出ガス温度120℃りかなり異なるとされている。また、(独)産業技術総排出ガス吐出速度10m/s

NOx 排出量

20Nm3/h合研究所が開発した化学物質の大気環境濃度推定及び暴露評価モデルである「ADMER」では、関東地方における気象データの解析結果を基に混土地状況

RURAL

気象条件のケース

①②③

大気安定度

AB

C

べき指数

0.07

0.070.10

合層高度のデフォルト値として表 4 に示す値を採混合層高度600m

500m400m用している。

煙突高さでの風速

2m/s

2m/s

3m/s

風向

西から東

表 4 混合層高度の設定例
大気安定度
混合層高度(m)A600B500C400D200E,F70

地上高さにおける風下方向の濃度分布は図 5に示すとおりである。

４. 計算例

大気安定度がいずれのケースでも、ISC-PRIME煙突近傍に建物がある場合として、以下に示すによる計算結果は通常のプルームモデルによる計条件について ISC-PRIME による拡散計算を行っ算結果と比較して、最大着地濃度が高く、また、遠た。気象条件は大気安定度と風速の組み合わせ３距離まで濃度の高い状態が続いている。これは、ケースとした。また、比較のため通常のプルームモ

ISC-PRIME を用いた計算では建物の背後に生じデルによる計算も行った。

る乱流域に排出ガスが引き込まれて下降し、大気煙突と建物との位置関係を図 4 に、計算条件を汚染物質の濃度が高くなる現象が再現されている

表 5 に示す。

ことを示すものである。
このように、ISC-PRIME による拡散計算では、通常のプルームモデルよりも風下方向の大気汚染物質濃度が高く計算される。そのため、建物ダウンウォッシュが生じる可能性がある場合については、煙突からの排出ガスの影響が過小評価とならないために、ISC-PRIME などの煙突近傍の建物を考慮できるモデルによる拡散計算を行うことが望まし

図 4 煙突および建物の配置図

いと言える。

－29－

大気汚染を予測するモデルは数多くあるが、安易に利用するのではなく、モデルの特性や、利用するデータおよびパラメータ等を十分に検討した上で、適切に使用することが重要である。

＜参考文献＞
1）「Development and evaluation of the PRIME plume rise and building downwash model 」（ Journal of the Air & Waste Management
Association ， 2000 年 5 月 ， Air & Waste
Management Association ）2）「窒素酸化物総量規制マニュアル（新版）」（平成 12 年 12 月，公害研究対策センター）

3）「暴露・リスク評価大気拡散モデル(ADMER)の開発」 （大気環境学会誌 第 38 巻 第 2号，2003 年 3 月，(社)大気環境学会）

図 5 計算結果

５. あとがき
火力発電所の設置に係る環境影響評価事業等
においては、建物ダウンウォッシュ発生時の短期高濃度について ISC-PRIME による検討を求められることが多い。ISC-PRIME は無償で利用でき、建物の影響を考慮した大気の拡散計算を簡易に行うことができるモデルであるが、米国において開発されたものであるため、国内の案件に適用するには、以下の点について留意する必要がある。
① 計算の方向が 10 度刻みになっているため、16 方位での風向観測データを用いる際に工夫が必要である。
② 混合層高度等、日本では一般的に測定されていないパラメータについては、なんらかの方法により設定する必要がある。
③ 大気安定度や風速の補正係数等が日本で通常使うモデルと若干異なるので、状況に合わせてパラメータを適切に設定する必要がある。

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