〔論1091：304（接地層；都市気候；地面温度）文〕

都市における各種地表面温度の敏感度解析＊
菅原広史＊＊・近藤純正＊＊＊
要旨都市の各種地表面について，熱収支モデルを用いて地表面温度と気象条件，地表面のパラメータとの関係について調べた．

気象条件では日射量が地表面温度に与える影響は大きく，建物の日陰の地表面温度は日向と比べてかなり低い．
一方，気温や大気の比湿は地表面温度にあまり影響を与えないことがわかった．

都市と郊外（アスファルト面と芝生面）を比較すると地表面温度には地表面の湿潤度が最も大きな影響を与えている．また地中の熱物理係数は地表面温度の位相，振幅を変化させ，場合によっては日中にクールアイランドが形㌧成される可能性があることを示した．

ランドの形成に大きくかかわっていると思われる．

1．はじめにヒートアイランド現象は次のような理由から，そのまた杉本・近藤（1994）は仙台市における気温の水解明が必要とされている．第1に都市は人間の生活の平分布を，自動車による移動観測により測定した．こ場であり，生活に直接関係すること．第2にグローバれによると市街地と郊外（水田）との境界では大きなルな地球温暖化を考える際，測定データに含まれる気温のギャップがあり，仙台市におけるヒートアイラローカルな都市温暖化の影響を取り除く必要があるこ

ンドは都市と郊外での土地利用の違いが大きな原因でとである．

あるとした．

しかし，ヒートアイランドに代表される都市温暖化現象は，そのメカニズムが正確につかめているとはい

そこで本研究では，ある特定の都市に注目するのではなく，都市を構成する部品つまり地表面に着目し，えない．木村（1992）は，ヒートアイランド現象の原その温度について考える．都市の地表面にはアスファ因として主に次のようなものをあげている．1．人為

ルトやコンクリートだけでなく公園や街路樹などの植的な放熱，2．舗装による潜熱の減少，3．日中に地中に蓄えられた熱が夜間に放出される，4．建物等に生地もあり，それぞれが異なった表面温度を示す．地

よる日射の吸収効果の増大．このような様々な要因が面を加熱し，加熱された地表面が大気を加熱する．し影響しているため，都市の気温形成のメカニズムは複たがってヒートアイランドについて理解するために表面の熱収支を考えれば，太陽からの日射はまず地表は，このような様々な地面での表面温度の形成過程を雑になっている．

Oke（1978，p．257）によるとヒートアイランドの強つかむ必要がある．本研究では地表面の熱収支を解く

度と都市の人口との間には比例関係があり，その比例線形モデルを使って，気象条件や地表面のパラメータ係数はヨーロッパ大陸と北米大陸で異なっている．こと地表面温度との関係を調べる．なお，人為的な放熱れらのことから都市の構造や地形的要因がヒートアイもヒートアイランドの原因として見逃すことはできな
いが，本研究では扱わない．

＊Sensitivity＊＊Hirofumi

testofurban

surfacetemperature．

Sugawara，東北大学理学部（現，防衛大学校地球科学科）．

＊＊＊Junsei

Kondo，東北大学理学部．

1995年4月4日受領
1995年9月5日受理◎1995

日本気象学会

1995年12月

2．モデルの説明
計算モデル（近藤1992）の概略を説明する．このモデルは日射量や気温を入力条件として地表面での熱収支を解き，地表面温度を求めるものである．第1図に示すように地表面には太陽からの日射量Sと大気3814

都市における各種地表面温度の敏感度解析
50計算

日射、大気放射（1一α）3LH〃（＼ぐ＼40

顕熱潜熱IEノノσ禦

ヤヤ！／

1γ．＿

ハリ
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遡 30
四σ

20

地中伝導熱・篭＝＝づク
10

第1図

地表面熱収支モデルの概念図．

40る．つまりαをアルベードとすれば，次のような熱収ハリ（1）る．

一気温△、→＿裸地〆／〆・べ尽一一心一一アスファルト ／＼、一→｝一コンクリート1／丹、rネ、

し
遡 30
鱒

20

H＝6ρρCHU（7㍗一7と）（2）

認二ゆβCHU（σ，α云（怨）一σ、）

（3）

」

受ノ

ヤー一＼1006121824

時刻

ただし，C。Uは顕熱の輸送速度，βは地表面の湿潤度（蒸発効率），ゐは地表面温度，7』は気温，g。は大気〆＼緊＼、︑顕熱，潜熱輸送量はバルク式を用いて次のように表せ

2418

観測

潜熱IE，地中伝導熱（｝，長波放射量σ丁急に分配され（1一α）S＋五二H＋IE＋G＋σ丁急12
時刻50放射量五が入力し，そのエネルギーが顕熱瓦蒸発の支式が成り立つ．

60〜幅『第2図モデルの検証．上図：計算値，下図：観測結果1993年9月27日．の比湿，σ，、オ（怨）は7』に対する飽和比湿である．

ここで，地表面温度の日変化を時間孟の三角関数で展開し，地中での熱伝導方程式を解くことにより地中

β二〇，裸地では伝導熱Gを解析的に表す．同様にS7とについても

β二〇．38，芝生ではCHU二〇．011m／s（Uニ1．7m／s），CHU＝0．0095m／s（U＝2．6m／s），

時間！の三角関数で表し，熱収支式（1）を地表面温β二〇．49とした．計算ではCHUやβに一定値を与えていることを考慮すれば，観測値をよく再現している．

度端について解く．
計算に必要な気象条件は日射量，長波放射量，気温，大気の比湿であり，地表面のパラメータはアルベード

他の観測日についても同様に計算値は観測結果をよく再現した．

α，顕熱の輸送速度C。α地表面の湿潤度β，地中の熱第2図を見るとアスファルト面の地表面温度は芝生物理係数6gρgλg（比熱×密度×熱伝導率）である．地面に比べて昼夜を通して高い．特に夜間にも地表面温表面のパラメータは日変化せず一定値をとるとした．

度は気温よりも高く，したがって顕熱も正のまま推移

なお地表面温度や気温日射量の展開には日変化の波する．アスファルト面は夜間も大気を加熱しているこ数4の成分まで使った．典型的な日変化はこの程度のとがわかる．これは18時過ぎには地表面温度が気温よ波数で十分に表せる．

り低くなる芝生面と比べて大きな違いである．このよ

3．モデルの検証

る．しかし，これは様々なパラメータが関与した結果この計算モデルを杉本・近藤（1994）による観測結であり，どのパラメータが重要であるのかはっきりし果によって検証した．彼らの観測は季節ごとに計12日ない．そこで次節では，敏感度の計算によってパラメーについて行われている．第2図にその一例として1993

タの1つ1つについて地表面温度への影響を調べる．

うに各地面において表面温度は異なった日変化を見せ

年9月27日の結果を示す．上段は計算，下段は観測による地表面温度の日変化である．アスファルト，コン

4．地表面温度の各種パラメータヘの依存性クリートではCHU＝0．0095m／s（風速U＝2．6m／s），

このモデルによって地表面のパラメータ，気象条件

4

黙天気42．12．

815

都市における各種地表面温度の敏感度解析
5050・へ．

＼ダ、、、

40
ハ940ハ9、

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100，ノ、冥4、て一一612，ル」トゆφφ、ヤノ ヂノノロヤヤヤノ！ノ、・磯ノ！ ，一、、＼＼182024

時刻
第3図 気温を変えたときの地表面温度（夏の条件）．点線：基準となる気温，実線：基準条件の場合の地表面温度，破線：平均気温を2。C下げた場合の地表面温度，一点鎖線：気温の振幅を1／2にした場合の地100

612時刻

1824

第4図 日射量を変えたときの地表面温度（夏の条件）．実線：気温，破線：地表面温度，＋は快晴日の場合でこれから10％ずつ日射量を減らし，一番下の破線は日射が全くない場合の地表面温度．

表面温度を変えたとき，地表面温度の日変化がどのように反応合の地表面温度（一点鎖線）も同様であり，同じ計算するかを調べる．まず夏の日，冬の日の代表的な条件でC。Uを2倍にしても地表面温度の差はこの程度でを設定する．東北大学理学部における実測値及び理科あった．この気温による地表面温度の違いは後に述べ年表をもとに快晴日の値とした．設定した条件の日平

る他のパラメータの影響と比べると小さいものであ均値は以下の通りである．

る．杉本・近藤（1994），その他の過去の研究によれば，

夏：日射量二329Wm−2，大気放射量二366Wm−2，気温＝23．1。C，比湿二〇．0145kg／kg（相対湿度83％），

冬：日射量＝100Wm−2，実際の都市と郊外との気温差は数。C程度で，気温の違いは地表面温度にあまり影響しないことがわかる．
なお図は示さないが，大気の比湿の変化も地表面温度に与える影響は小さい．相対湿度を60％から100％へ変化させても地表面温度は3。C高くなる程度であった．

大気放射量二224Wm−2，4．2地表面温度と日射量気温二1．9。C，比湿二〇．00293kg／kg

第4図は日射量を変えたときの地表面温度で，日射（相対湿度68％）．

地表面のパラメータは杉本・近藤（1994）による観測結果から裸地面における代表的な値を求め，夏と冬とで一定であるとして
CHU二〇．0089m／s（風速U＝2．Om／sに相当），
β二〇．3，α二〇．20，

69ρ9λ9二3．00×105J2s−1K−2m−4を使用した．これらのパラメータのうちひとつを変化させて，地表面温度への影響を見る．

量は快晴日の値から10％ずつ変化させた．第4図において破線のそれぞれは等間隔であり，地表面温度は日射量に対して線形的に変化することがわかる．

夏の正午の値についてみると，日射量の10％の減少
で地表面温度は2．50C，冬の正午（図は省略）では1．5。C低くなる．晴れたり曇ったりすることで日射量は数10％の範囲で変動しており，現実的にも日射量が地表面温度に与える影響は大きい．

このことから，アルベードも地表面温度に大きな影

4．1地表面温度と気温響を与えることがわかる．たとえばアスファルトと新気温を基準条件から変えた場合の地表面温度を第3雪に相当するアルベードの概略値0．1と0．4では地表面図に示す．夏と冬では大きな違いがないので夏の場合温度（夏，正午）に10℃の差ができる．

についてのみ示す．平均気温が2。C違う場合，地表面実際の都市の地表面を考えると，建物に囲まれてあ温度の差（実線と破線）は1。C以下，冬の場合は2。Cまり日がささない．この場合の地表面温度について考以下である．気温の日変化の振幅を2分の1にした場えるため計算及び観測を行った．第5図は東北大学理1995年12月

5

都市における各種地表面温度の敏感度解析

816

60

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20、つ、、、、、〃を二きN＼、轟灘（40Q

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18

9／20

第5図

24

時刻

6ヤやい§ミミ愈＼20、0100

106

ヤ！、ノ〆zンヘき、＼＼、し囲／ヤノ！ ノ・・、・β＝0・0
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126189／21

1824182440

建物の間の地表面温度．丸印：観測値

冬（1994年9月20〜21日），実線：計算値，一点鎖線：計算による日向での地表面温度．

30

（りし

学部構内で2つの建物（物理A棟とB棟）に南北をは

12
時刻

憾朗

20

麟轍αo10

さまれたアスファルト面の地表面温度である．この場

1．00所で測定した結果，日射量は平地での20％であった．

白丸が地表面温度の観測値（1994年9月20〜21日），実線が計算による再現値，一点鎖線が日向での地表面温度の計算値である．実線と一点鎖線の違いは日射量だけであり，日が差さないことで地表面温度が日中20。C

一100612時刻

第6図 地表面の湿潤度βを変えたときの地表面温度，上図は夏，下図は冬．実線：気温，破線：地表面温度で，βの変化は0〜1の範囲で0．1刻みで与えた．

も低くなることがわかる．このことから，建物が密集した都市ではクールアイランドが形成される可能性があることが理解できる．

4．3地表面温度と地表面の湿潤度β対して指数関数的に変化するためであり，ボーエン比

第6図はβを変えて計算した地表面温度で上図がの気温依存性の原因として知られている．

夏，下図が冬の場合である．地面が湿ってβが大きくなると地表面温度は低くなる．アスファルトと水田に相当するβの概略値（0，0．7）では夏の日中に20。Cもこの2つの理由から地表面温度はβに対して非線形的に反応する．

4．4

地表面温度と顕熱の輸送速度C。Uの温度差ができることがわかる．冬はボーエン比の気第7図にC。Uを変えて計算した地表面温度を示し

温依存性により（近藤，1994，pp．142−146），顕熱輸送た．図中の破線は上から順にChU二〇．0058，0．0089，0．012，

量に比べて潜熱輸送量が小さくなるためβの効果は0．015，0．018m／sのときの地表面温度である．この（溢U夏より小さい．の値は裸地において大気安定度が中立の時，風速がそ

図中の破線は等間隔ではなく，βが小さいところほれぞれLO，2．0，3．0，4．0，5．Om／sの場合に対応する．たどβの変化は地表面温度に大きな影響を与える．これ

だし風が弱い時，CHUは地表面温度と気温の差の関数は次のような理由による．地面が乾燥したところではとなる（近藤，1994，p．113）．

地表面温度が高く，地表面の飽和比湿と大気の比湿のCHUが大きくなると地表面温度は気温に近づく．こ差が大きい．したがってβが少し変化することで潜熱のCHUの範囲では夏の日中で最大18。C，冬の場合は輸送量，地表面温度が大きく変化する．一方，地表面6℃の差が生じる．ただし，その応答は先ほどのβとが湿った場合には比湿の差は小さく，βの変化に対し同様に非線形的で，CHUが小さいときほど地表面温度て潜熱輸送量や地表面温度の変化は相対的に小さい．の変化は大きい．

また，一般に潜熱輸送量は地表面温度の変化に対し大気は，地表面からの顕熱によって加熱されている．て非線形的に変化する．それは飽和比湿9、、，が温度に顕熱は地表面温度と気温との差およびCHUに比例す6

天気42．12．

817

都市における各種地表面温度の敏感度解析
70

60
ノノ

ヤヤ

CHU＝0．0058／50，
ノノノノ（40⇔

ずノノず

ジゆコしヤ

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612ガ／一、〜〜薪1ンハ、二ここここここコ

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ヤヤヤヤ ヤヤヤヤヤ ヤ／引凝、

8＼，〆〆へy

聯話。18＼黛＼遡Cgρ9入9＝10ハ／〃ニィニニ：：：：：爵愚＼

181024、ぐ、、』層一r−』「」『8』「」『60時刻1218時刻24第8図 Cgρgλgを変えたときの地表面温度

第7図 C。Uを変えたときの地表面温度（夏の条

実線：気温，破線：地表面温度で各々件）．実線：気温，破線：上から順にC貢U
二〇．0058，0．0089，0．012，0．015，0．018m／s

cgρgλg＝＝104，105，106，107，108」2s−1K一名m−4のときの地表面温度（裸地面で大気安の場合．

定度が中立のときU＝1．0，2．0，3．0，4．0，5．O

20m／sに対応）．

一郊外CgP9入9＝104……・郊外CgP9λ9＝10515

るため，第7図のように地表面温度が低くなってもそれに比例して顕熱が小さくなるとは限らない．また，

C。Uに対する顕熱の変化は地表面の湿潤度βの値にハしQCHUに反比例する（Kondo

網4．5地表面温度と地中の熱物理係数6gρgλg
第8図はOgρgλg（比熱×密度×熱伝導率）を104，105，106，107，108J2s『1K2m『4と変えた時の地表面温度である．6gρgλgが大きいほど地表面温度は日中小さく，夜間は大きくなる．これは地面が昼間に，より多くの熱…一郊塩岬・ン1＿＼e 5 〜＿胚鮨層Watanabe，1992）．

…郊外Cgρg入gニ1・7／へ＼10欄

よっても変わり，βとCHUが共に大きい時，顕熱はahd

一一一郊外Cgρ9λ9＝1060／ノ＿．一＞派＿ノ一5．．＿！
一10＼＼＼≧＿＿く、06＼＿＿／・＼一．＿12

時刻

1824

第9図 Cgρgλgの違いによる地表面温度の差．

都市（cgρgλg＝106」2s−1K−2m−4）と郊外との差．

を蓄え，それを夜に放出することを意味する．
ここで09ρ9λ9の値（単位はJ2s『1K−2m−4）はおおよ
そ次のような地表面に相当する（近藤，1994，p．152）．

軸は都市と郊外との地表面温度の差（都市一郊外）に●Ogρgλg二104

新雪相当する．郊外が6旨ρ9λ9＝105J2s−1K2m−4（古雪，乾●09ρ9λ9二105

古雪，乾燥裸地面燥裸地面）の場合，日中は郊外のほうが4。Cほど地表●6gρgλg二106

アスファルト面温度が高い．したがって例えば砂漠の中に都市があ●69ρ9λ9＝107

湿潤裸地面，水面り，都市と郊外の違いが地中の熱物理係数だけであっこの図はβ二〇．3の場合であり，地表面温度の差は最大た場合，クールアイランドが形成される可能性がある．

で18℃近くになる．βを変えた計算によると，62ρgλg

5．アスファルトと芝生面の地表面温度の違いの影響はβが小さい時ほど大きい．

また，第8図を見ると地表面温度の位相は6gρgλgが以上の敏感度の計算をまとめる．都市を代表する地大きいほど遅くなることがわかる．その度合いはChU

表面としてアスファルト，郊外を代表するものとして（第7図）やβ（第6図）による位相の早め方よりもは芝生を考える．各パラメータがアスファルトの値をとった場合と，芝生の値をとった場合の地表面温度のるかに大きい．

第8図においてアスファルトに相当する

Ogρgλg二最大値の差（アスファルト面一芝生面）を第1表に示

106J2s−1K一2m一4と他の値の場合との温度差を第9図

す．アルベードαの値は実測値を用い，β，CHαo＆ρgλgに示す．ここで仮想的に都市と郊外での地表面の違いは杉本・近藤（1994）による観測結果から推定した値が6gρgλgの値のみであるとしよう．このとき図中の縦とした．β，6gρgλgの値は土壌水分量によって変化す1995年12月

7818

都市における各種地表面温度の敏感度解析

第1表 パラメータの違いによる地表面温度の差．69ρ9λ9の単位はJ2s−1K2m−4，CHU（m／s）は中立大気でU二1．Om／sに相当する．

温度差△T、（℃）

パラメータの値
芝生

アスファルト

0．23

0．12

α
β

0．3〜0．669ρ9λ9105〜107

C旨U

0．00873．5

2．00

12．3〜18．8

2．2〜4．0

106−2．1〜十5．6−3．2〜十4．9

8．0

2．00．0058

第2表気象条件の違いによる地表面温度の差（1日の中での差の最大値）．

気象条件の変化

冬

夏

温度差△T，（℃）●地表面の湿潤度βの効果は特に乾燥状態で大きくなる．アルファルトと芝生面の地表面温度を比較するとβによる差が一番大きく，ヒートアイラ

夏冬ンドの形成に深く関与していると考えられる．

日射量

一10％

一2．5

一1．5

気温（平均）
気温（振幅）

一2。C〜1．0−1．5●顕熱の輸送速度CHUも同様に地表面温度と非線−50％＋10％

−1．0

−1．5

十〇．5

十〇．2

相対湿度

形の関係にある．つまりCHUはその値が小さい
ときほど地表面温度に与える影響は大きい．
●地中の熱物理係数6gρgλgは地表面温度の振幅と，位相を変化させる．βが小さいときほどその効果る．CHUは安定度が中立でU二1．Om／sのときに相当は大きい．この値によっては，たとえば郊外の地する値である．この表によるとβの効果が非常に大き面が熱物理係数の小さい砂漠のようなものであっ

く，ついでCHαOgρgλgの効果が大きいことがわかる．

た場合，日中はクールアイランドが，夜間はヒー

芝生面とアスファルト面ではアルベードの値が大きく違わないため地表面温度に及ぽす影響は比較的小さい．

また冬は夏と比べて気温と日射量が小さいために地表面温度の変化も小さい．

トアイランドが形成される可能性がある．

●地表面温度の位相についてみると，影響を与えるのは主に6gρgλgであり，ChUやβによる影響は小さい．

気象条件に対する地表面温度の敏感度を第2表に示す．基準となる値は仙台における典型的な快晴日の値とした．気象条件では日射量が地表面温度に与える影響が大きいことがわかる．

6．結論
地表面の熱収支モデルにより，各パラメータに対する地表面温度の敏感度を調べ，都市域での地表面温度について考えた．気象条件では気温や大気の比湿は地表面温度にあまり影響を与えないが，日射量は地表面温度に大きな影響を与える．そのため，建物の日陰で日射量が日向の20％ほどしかないところでの地表面温度は日中20。Cも低くなる．
地表面のパラメータでは●アルベードの変化0．1に対して地表面温度は2〜3。C変化する．Aida（1982）によれば建物のような地表面の凸凹によってアルベードは0．2程度減

8

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少する．このとき地表面温度は4〜6。C高くなるこイランドと各種地表面温度の日変化の観測，天気，とがわかる．

41，

541−544．

天気42．12．

司