学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

課題番号 jh140014-MD01

首都圏における大気乱流の超高解像度・広域数値計算
神田学（東京工業大学）
概要
本研究は超高解像度（2m）でありながら大規模な組織的乱流構造をカバーできるような広域場（20km x5km）の乱流計算を行い、都市上空で発達する乱流組織構造の性質について検討することに加え、計算結果を用いて地表面近傍の突風率マップを作製し、突風率と建物形状の関係性について検討を行うことを目的とする。本年度は以下の成果が得られた。
（１）無次元乱流統計量について，既往の粗面乱流境界層に関する室内実験結果とほぼ一致する結果が得られ、上空の流れについては地表面形状やスケールに依らずにほぼ相似であることを確認した。（２）筋状の乱流組織構造が建物から発達しており、それが数 km から数十 km 下流へ持続することを確認した。同様の構造を観測でも確認した。また、その幅が地表面から離れるにつれて太くなること、境界層高度の発達に伴い太くなることなどを示し、実験式を提案した。
（３）突風率マップを作成し、高層建物の周辺で大きな突風率となることを確認した。
（４）流れの可視化を行い、大規模構造と、その内部の複雑な動きを同時に確認した。

1.

共同研究に関する情報2.

(1) 共同研究を実施した拠点名

研究の目的と意義

本研究により、超高解像度（2m）でありながら東京工業大学 学術国際情報センター大規模な組織的乱流構造をカバーできるような広(2) 共同研究分野

域場（20km×5km）の乱流計算を行う。都市の乱■

超大規模数値計算系応用分野

流は様々なスケールの乱流を内包している。建物



超大規模データ処理系応用分野などの人工構造物は、数 10m のスケールであり、

超大容量ネットワーク技術分野

それが作り出す剥離渦など解像するには、１オー

超大規模情報システム関連研究分野

ダー小さい 1～2m の空間解像度が必要となる。一方、申請者がここ 10 年以上に亘って行ってきた都(3) 参加研究者の役割分担

本研究は、都市気象を専門とする研究代表者の市域でのタワー観測や、屋外都市模型実験施設に神田及び稲垣、Huda と、計算機科学および大規おけるデータから見積もられる大規模な乱流組織

模 GPU 計算を専門とする副代表の青木を中心と構造は、建物の 100 倍程度、すなわち数 km に及した共同研究体制になっている。さらに、乱流解ぶため、10km×10kmm 程度の広域場の解析が必析手法を専門とする小野寺は平成 24 年度秋期の要となる。このような超高解像度・広域計算例は、

TSUBAME グランドチャレンジ制度にて 4032 台

本申請課題で使用する予定の数値解析モデルによの GPU を用いて東京都心１m 解像度の 10km 四る実績しかなく、今回、これと同程度の大規模計方計算に成功した計算コードの開発者であり、大算を行い、その乱流データを詳細に検討すること

規模計算の実施に対するコード側からのサポートにより、都市域の乱流の階層的構造を把握し、都を行う。

市気象学における広範な環境問題解決のための重・神田 学

計算およびデータ解析

要な基礎情報を与えることを目的とする。昨年度、・青木 尊之

計算コード修正・効率化

本研究課題で１ケースの試験的計算に成功してい・小野寺 直幸

計算コード修正・効率化

るが、本年度はその計算結果の解析を進める。ま・稲垣 厚至計算及びデータ解析

た、さらに複数の気象条件下で同様の大規模・高・Nurul Huda Ahmad 計算及びデータ解析

解像度計算を行う。
1

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

図 1 計算領域の建物高さ分布

3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義（２）については、東工大所有のスーパーコンピ

本研究申請は、以下の点できわめて意義深いもュータ TSUBAME2.5 の GPU900 コアを用いた大のと思われる。

規模並列 GPU 計算により、東京都臨海部の水平（１）関心の高い研究テーマでありながら、同様19.2km×4.8km、鉛直 1km の 3 次元空間を 2mのチャレンジは世界的に存在してない。の空間解像度で解像した流体計算を実施した。格（２）代表者は、都市気象学において多くの世界子数は 9600×2400×500 点（約 120 億点）とな的成果・実績を上げてきており、かつ、現在、東る。地表面幾何には航空機観測に基づき得られた工大キャンパス内でコヒーレント・ドップラーラ実際の建物分布を与え、2m 格子で解像されていイダーによる都市上空における長期連続乱流観測る。図 1 に計算に用いた地表面建物高さ分布を示を行っており、部分的な比較検証が可能である。

す。流入条件としては海から入る比較的乱れの少（３）副代表者は、各種大規模数値計算コードのない流れを想定し、一様流として与えた。この結開発において多くの世界的成果・実績をあげてき果、境界層高度が流入端から 15km 程度の奥に進ており、計算コードおよび東工大大規模計算機のんだところで 300m 程度まで達した。

効率的使用のスペシャリストである。

（３）については、まず PALM を用いて突風率の定義について検討し、外部風速に依存せず、局所4. 前年度までに得られた研究成果の概要的な風速場の影響を受けないような定義を考案し前年度に得られた主な研究成果は、（１）本計算た。これは本研究目的が都市街区のような流れ場で使用する格子ボルツマン法 LES モデルと風洞の空間非一様性が強い場所での突風率の空間分布実験結果及び、これまで多くの大気境界層研究にについて検討するためである。この定義を採用し用 いられ てき た数値 計算 モデル である PALMて、（２）の計算結果に基づき、高度 2m における（parallelized large eddy simulation model）と10 分間最大風速を外層風速で除した値として定比較を行ったこと、（２）上記モデルを使用した大義された「突風率」の空間分布マップを作成した規模計算を実施したこと、（３）突風率マップの作（図１）。地表面が一様な場では突風率は統計的に成を行ったこと、の 3 点である。

一定になるが、本研究対象である都市街区内では（１）については立方体周りの流れについて風洞建物による流れの遮蔽効果及び収束効果により突実験、PALM を用いた数値実験と、格子ボルツマ風率が地点によって大きく変わる。この突風率のン法 LES の結果を比較し、両計算モデルは概ね同空間分布と建物幾何形状の定性的な関係を明らか程度の再現性を持つことを示し、従来用いられてにすることが本研究の目的であるが、これについいる都市気象場の計算設定（格子解像度等）が本ては今後の検討項目である．

モデルにも適用できることを示した。
2学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

1.6

1.6

1st1.4

1.4

2nd

1.2

4th

4th

0.8

0.8

0.6

0.6

0.6

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0024

3rd

10.8

02nd

1.2

3rd

1

1st

1.4

2nd

1.2

3rd

1

1.6

1st4th0024024

図 2 無次元速度変動の標準偏差の鉛直分布（1st~4th は x 方向に 4 分割された各計算領域）

図 3 10 分平均した主流方向風速の水平断面分布（高度 54m）値から推定し、境界層高度は外層風速の 99%の風

5. 今年度の研究成果の詳細
今年度の主な成果は、乱流統計量の相似性の検速と一致する高度として定義した。得られた結果

証、乱流構造の空間スケールの検討、地上観測とを粗面乱 流境界層の統計量（例 えば Raupachの比較、突風率と建物形状の関係の検討、流れの1981 による風洞実験）と比べると概ね値の一致が可視化、の 5 点であり、そのうち地上観測との比確認でき、都市のように流れのスケールが数オー

較については中間報告で述べた通りであるため、ダー大きく、かつ複雑な地表面幾何形状を有する

その後進捗のあった他 4 点について述べる。

場でも、室内実験で見られる乱流境界層が発達す(1) 乱流統計量の相似性の検証ることを確認した。

まず昨年度より風速が大きな計算を実施し、さ(2) 乱流構造の空間スケールらにより長い計算を行うことでより安定した時間

次に風速の水平断面分布に着目し、乱流構造の平均統計量が得られた。図 2 は各 3 次元速度成分大きさについて検討を行った。図 3 は高度 54m にに対する風速変動の標準偏差を摩擦速度で無次元おける 10 分間の時間平均した主流風速の水平分化し、それを境界層高度で無次元化した鉛直座標

布である。この図より，高層建物の背後から筋状についてプロットした図である。摩擦速度はレイの低速領域が出ていることが確認でき、またそのノルズ応力の鉛直直線分布を地表面まで外層した影響は大きいもので数 km 持続していることが分3

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図 4 主流風速の水平断面分布（コンター）と低速域のピーク（白線）（高度 54m）(a)[m]

15010050z=54m00500010000z=98m

z=198m

15000

20000

15000

20000[m]500(b) 400
300200[m] 100005000

10000[m]図 5 (a)筋状構造の幅（高度：黒 54m, 青 100m, 赤 200m）と(b)境界層高度の流下方向変化かる。特に(x,y)=(9km,3km)付近から延びる低速領

図 5 は上記の手法で抽出したスパン方向卓越波

域は計算領域の下流端まで少なくとも 10km 以上長を流れ方向距離に対してプロットしたものであに渡ることが確認できる。乱流境界層の下層約る。境界層の発達に伴い構造の幅が大きくなって10%の高度かつ、建物のような巨大な粗度が配置いることが確認できる。中立の乱流境界層におけされた環境においても高層建物は下流に大きな影る筋状構造の幅は境界層高度に依存することが指響を及ぼしていることを示唆している。なお、前摘されている（例えば Marusic and Hutchins,

年度行った風速の異なる計算においても同じ場所2008）。また、Garratt (1980)乱流境界層の高さはから発生する巨大な筋状低速構造を確認している。 吹送距離𝑥の 0.8 乗に比例することを実験的に示
次に筋状構造の大きさを定量的に解析するため、 している。これらに基づき乱流構造の幅を以下のウェーブレットを用いて構造の幅を定量化した。

式計でフィッティングした。

図 4 は高度 54m の瞬間主流風速分布である。この𝜆𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 0.8スパン方向のウェーブレットスペクトル強度を計

ここで、𝜆𝑦 は筋状構造の代表幅、𝑎, 𝑏は定数である。

算し、卓越波長に相当する波形の負のピーク（低図 5a はその結果であり、3 つの高度についてプ速領域）を、同図の白線としてプロットした。概ロットした。高度が高くなるほど構造の幅が大きね白線と低速領域が一致していることが確認できくなるが、流下方向への変化量はあまり変わらなる。

い。式(1)へのフィッティングの結果として、𝑎の4(1)学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

TitechAreaMeguroStreet

図 6 高度 2m における突風率の空間分布

図 7 目黒通り周辺の突風率分布（高度 2m）

図 8 目黒通り沿いで大きな突風率を観測した地点の突風率（カラー）と建物高さ（白黒）分布
値は地面から離れるほど大きくなり、𝑏の値は地面しない値が得られること確認している（平成 25との距離にあまり依存しないことが分かった。

年度最終報告書参照）。
図 6 より、流入側で突風率が大きくなっている(3) 突風率と建物形状の関係
図 6 は高度 2m の突風率の空間分布である。突が、これは境界層高度が低いため容易に外層の空風率は以下の式で定義される。
𝐺=

𝑈𝑚𝑎𝑥
𝑈𝑟𝑒𝑝

気塊が下層へ侵入してくるためと考えられる。つ
まり下流へいくに従いその影響が小さくなり、建(2)物幾何の影響がより顕著になってくると考えられ

ここで𝑈𝑚𝑎𝑥 はある地点における 10 分間の最大風る。そこで建物幾何と突風率の関係について調べ

速、𝑈𝑟𝑒𝑝 は代表風速であり、本研究では外層風速るため、境界層が 500m 程度まで発達した𝑥＝を用いた。これによって外層風速の大きさに依存

17km 付近にある目黒通り沿いの突風率について5

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要素として地形の起伏の効果を取り込んだ解析を行うことが挙げられる。地形の効果として、例えば都内における東京湾からの海風が都市の建物粗度の影響に加え、地形（海岸線及び起伏）のため、場所によって進入速度が変わることなどが指摘されている。海風は都市集中豪雨のトリガーとなりうる現象であることからその予測及び基礎的な発達メカニズムを検証することは重要であり、本プ
図 9 大規模都市気流計算結果の可視化 （建物形ログラムのような大規模計算が最も貢献できる分状とパッシブトレーサーを可視化した）野の一つである。

詳しく見ていく。目黒通りは本計算領域内におい7.てスパン方向に伸びていることから、通り沿いの(1) 学術論文

全地点で吹送距離が同じであり、風上の条件が全[1] Ahmad,

研究成果リスト
H.,

Inagaki,A.,

Kanda,M.,

Onodera, N. and Aoki, T.: LARGE EDDY

地点でほぼ独立であるなどの利点がある。
図 7 は目黒通り周辺の突風率分布を拡大したもSIMULATION OF THE GUST FACTORのである。ほぼスパン方向に一様に伸びているに

USING LATTICE BOLTZMANN METHOD

も関わらず場所に依る大きな偏差が存在するのは

WITHIN建物の影響に他ならない。これについてさらに詳RESOLUTION URBAN AREA OF TOKYO,

しく見るため、突風率が極めて大きな値をとった

Journal of Japan Society of Civil Engineers,

4 つの地点についてさらに拡大してみると（図 8）、Ser.B1(Hydraulic

これらは高層建物を迂回してくる流れに相当する

No.4, I_37-I_42, 2015AHUGEANDEngineering),ことが分かった。

(2) 国際会議プロシーディングス(4) 流れの可視化[1] Ahmad,H.,

Inagaki,A.,

HIGH

Vol.71,Kanda,

M.,

高度 10m からパッシブトレーサーを散布してOnodera, N. and Aoki, T.: A Huge and High

流れの可視化を行った（図 9）。これにより視覚的Resolution Large Eddy Simulation Domainに流れの様子を理解することができた。個々の建of Tokyo Urban Area by using Lattice

物後流に巻き込まれて複雑に動く粒子の挙動に加Boltzmann Method, Proceedings of the

え、先に示したような大規模な筋状の流れもこの

Academy for Co-creative Education of

トレーサーによって可視化することができた。大Environment規模構造の中で、個々の粒子は非常に乱れた動き

December 13-16, 2014
[2] Ahmad,をする一方で、それらが群をなして形成される大H.,

andInagaki,Energy
A.,

Science,Kanda,M.,

規模な筋状構造についてはよりゆっくりとした変Onodera, N. and Aoki, T.: Simulation of the

形速度を持って流れていることなどを同時に確認

Gust Factor in Highly Dense Urban Area in

できた。

Tokyo, 1st International Conference on
Computational Engineering and Science for6.

Safety

今年度の進捗状況と今後の展望

andEnvironmentalProblems

これまでは中立大気安定度、平坦な地面の仮定(COMSAFE 2014), Sendai Internationalの下で計算を行ったが、今後の課題としてはよりCenter, Sendai, Japan, April 13-16,2014.

実際に近い大気環境での計算が望まれる。その一[3] Onodera N., Aoki T.: Peta-scale large-eddy
6学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

simulation using lattice Boltzmann method

KSME-JSMEon

Computational Mechanics & CAE 2014 attheTSUBAME

KSME-JSME

Joint

supercomputer.
Symposium

on

Joint

Symposiumon

JEJU, Korea, 2014.

Computational Mechanics & CAE 2014 at[4] Onodera N, Aoki T, Shimokawabe T,

JEJU, Korea, 2014.

Miyashita T, Kobayashi H, Large-Eddy[4] Onodera N, Aoki T, Shimokawabe T,

Simulation of Fluid-Structure Interaction

Miyashita T, Kobayashi H, Large-Eddy

using

Simulation of Fluid-Structure Interaction

Multi-GPU clusters, 5TH ASIA PACIFICusing

CONGRESS

LatticeBoltzmann

Methodon

LatticeBoltzmann
ONMethodon

COMPUTATIONAL

Multi-GPU clusters, 5TH ASIA PACIFICMECHANICS & 4TH INTERNATIONALCONGRESSSYMPOSIUMONCOMPUTATIONALMECHANICS & 4TH INTERNATIONALSYMPOSIUMON

ON

COMPUTATIONALMECHANICS (SINGAPORE), 2013.

COMPUTATIONAL[5] Onodera N., Aoki T.: Large-eddy simulation

MECHANICS (SINGAPORE), 2013.

of turbulent flow around a car body using[5] Onodera N., Aoki T.: Large-eddy simulation

latticeBoltzmannmethodontheof turbulent flow around a car body using

TSUBAME supercomputer. 11th. World

lattice

Congress on Computational Mechanics

BoltzmannmethodontheTSUBAME supercomputer. 11th. World(WCCM XI), Barcelona, Spain, 2014.

Congress on Computational Mechanics(4) 国内会議発表(WCCM XI), Barcelona, Spain, 2014.

[1] 稲垣厚至，Ahmad Nurul Huda，神田 学，
小野寺直幸，青木尊之：格子ボルツマン法 LES(3) 国際会議発表[1] Ahmad,H.,

Inagaki,M.,を用いた都市気流の大規模計算，日本流体力

Onodera, N. and Aoki, T.: A Huge and High学会年会 2014，東北大学，15-17 Sep 2014

Resolution Large Eddy Simulation Domain[2] 小野寺直幸、青木尊之、泉田康太，ピンポンof Tokyo Urban Area by using Lattice

玉の運動のスパコンによる大規模流体構造連Boltzmann Method, Proceedings of the成解析，第 92 期 日本機械学会流体工学部門，

Academy for Co-creative Education of

富山 2014/10/26

EnvironmentandA.,

Kanda,Energy[3] 小野寺直幸、青木尊之、下川辺隆史、杉原健

Science,

December 13-16, 2014
[2] Ahmad,

H.,

Inagaki,太、宮下達治、泉田康太，GPU を用いた大規A.,

Kanda,M.,

模アプリケーションの最適化および可視化，

Onodera, N. and Aoki, T.: Simulation of the

日本原子力学会「2014 年秋の大会」、計算科

Gust Factor in Highly Dense Urban Area in

学技術部門企画セッション「解析結果可視化

Tokyo, 1st International Conference onの最前線」，京都 2014/9/8【原子力学会計算Computational Engineering and Science for

科学技術部会 CG 賞】

Problems[4] 小野寺直幸, 青木尊之,下川辺: 複数 GPU を(COMSAFE 2014), Sendai International

用いた格子ボルツマン法による卓球競技のピCenter, Sendai, Japan, April 13-16,2014.

ンポン玉のシミュレーション. 計算工学講演

SafetyandEnvironmental会, 広島, 2014.

[3] Onodera N., Aoki T.: Peta-scale large-eddy[5] 小野寺直幸: TSUBAME の GPU を用いた格

simulation using lattice Boltzmann method
ontheTSUBAME

supercomputer.

子ボルツマン法による大規模ラージエディ・
7

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

流体工学[7] 小野寺直幸、青木尊之、泉田康太: 格子ボルツ

格子ボルツマン法の基礎と応用に関すマン法を用いたピンポン玉の運動の大規模ラシミュレーション. 日本機械学会
部門

る研究会, 京都, 2014.

ージエディ・シミュレーション. 日本流体力[6] 小野寺直幸、青木尊之、下川辺隆史、小林宏

学会年会 2014, 仙台, 2014.

充: 複数 GPU を用いた格子ボルツマン法に(5) その他（特許，プレス発表，著書等）

よる大規模流体・構造連成解析－卓球競技になし

おけるピンポン玉の軌道の解析－. 学術大規
模情報基盤共同利用・共同研究拠点

第６回

シンポジウム, 東京, 2014.

8