第 23 回数値流体力学シンポジウム D6-2 メソ気象モデル WRF による中立大気接地層の乱流解析 Turbulence Simulation of the Near-Neutral Atmospheric Surface Layer with Weather Forecasting Model WRF ○ 服部康男, （財）電中研, 千葉県我孫子市我孫子 1646, [email protected] 平口博丸, （財）電中研, 千葉県我孫子市我孫子 1646, [email protected] 杉本聡一郎, （財）電中研, 千葉県我孫子市我孫子 1646, [email protected] Chin-Hoh MOENG, NCAR，3450, Michell Lane, Boulder, Colorado, U.S.A., [email protected] 石原修二，（株）DCC，千葉県我孫子市我孫子 1646, [email protected] 須藤仁，（財）電中研, 千葉県我孫子市我孫子 1646, [email protected] Yasuo HATTORI, CRIEPI, 1646, Abiko, Abiko-shi, Chiba, JAPAN Hiromaru HIRAKUCHI, CRIEPI, 1646, Abiko, Abiko-shi, Chiba, JAPAN Soichiro SUGIMOTO, CRIEPI, 1646, Abiko, Abiko-shi, Chiba, JAPAN Chin-Hoh MOENG, NCAR, 3450, Michell Lane, Boulder, Colorado, U.S.A. Shuji ISHIHARA, DCC, 1646, Abiko, Abiko-shi, Chiba, JAPAN Hitoshi SUTO, CRIEPI, 1646, Abiko, Abiko-shi, Chiba, JAPAN We investigated the performance of turbulence structure simulation in the neutral surface layer with a mesoscale meteorological model, WRF. The special attention was paid to the dependence of turbulence modeling and grid resolutions. To clearly understand the basic behavior of WRF, we considered the ideal surface layer. Comparison between large-eddy simulation (LES) and simulation with PBL schemes clearly showed that the turbulence modeling strongly effected predicted turbulence characteristics near the surface. When we used a LES to estimate the turbulence diffusion coefficients, predicted intensities of velocity fluctuations increases with grid resolutions, and these agreed well with those of observations at a high-resolution grid (the horizontal-grid spacing was about 100 m). On the other hand, the intensities predicted with PBL schemes remained small values regardless of grid resolutions. In addition, we revealed that only a LES can capture coherence structures, which mainly control the turbulence transports, near the surface. 代表的なメソ気象モデルの一つである WRF-ARW について，その中立大気接地層の乱流構造再現性を調べた．計算体系として，理想状態を設定した．平坦地形・一様地表面粗度（粗度長 0.1m）とし，Monin-Obukhov の相似則により地表面での運動量フラックスを与えた．東西（x），南北（y）方向には，周期境界条件を課した．計算領域として，鉛直方向 2km，水平方向 6km を設定した．初期条件として，東西（x）方向の地衡風 UG=10ms-1 を一様に与えた．鉛直方向の乱流フラックスの算定に，① LES（TKE タイプ）， ② PBL スキームの一つである MYJ モデル，③ PBL スキームの一つである YSU モデル，の 3 つのモデルを用いた計算を比較した．それぞれの場合で， 4 種類の異なる水平解像度（Δx=50, 100, 300, 1000 m），鉛直層数（nz=40, 80, 120, 200）を用いた計算を行い，格子解像度の影響を議論した．そして，平均風速の対数則を再現するためには，LES による計算では，水平・鉛直ともに高い格子分解能を設定しなければいけない（本計算条件では，水平方向にはΔx=50m，鉛直方向には， nz=80 の解像度を要する）こと．一方，PBL による計算では，格子依存性が小さく，比較的粗い格子を用いた場合でも，良好な平均風速分布を再現することができることを確認した（図 1）．また，変動風速の格子解像スケール（GS）成分での鉛直方向乱流フラックス−<uw>は，平均風速の挙動に呼応し，格子依存性は，LES の計算で顕著となることを示した．そして，PBL の計算においても GS 成分による乱流輸送が必ずしも 0 とはならず有意な値をとることを明らかにした．しかし，PBL の計算ではストリーク構造など組織的な渦生成機構は再現されておらず，十分な格子解像度を有する LES の計算のみがそれを再現することがわかった（図 2）． (a) LES (b) MYJ (c) YSU Fig. 1 Vertical profiles of mean values of horizontal velocity UH (effects of horizontal grid resolution Δx)；solid line: Δx=1000m; broken line: Δx =300m; dash-dot line: Δx =100m; fine-solid line: Δx =50m (a) LES(Δx=50m) (b) MYJ(Δx=50m) (c) YSU(Δx=50m) (a) LES(Δx=300m) (b) MYJ(Δx=300m) (c) YSU(Δx=300m) Fig. 2 Typical example of contour of instantaneous horizontal velocity at z=25 m and isosurface of 2nd invariant with Δx=50 and 300m 1 Copyright © 2009 by JSFM