超高解像度数値シミュレーションが明らかにした「つくば竜巻」の内部構造

2018年8月27日

益子　渉（気象庁気象研究所予報研究部　主任研究官）
新野　宏（東京大学大気海洋研究所　客員教授）

研究紹介

発表のポイント

◆2012年5月6日に発生し、茨城県つくば市を中心に甚大な被害をもたらした竜巻（以下、「つくば竜巻」という）の事例について現実の竜巻としては世界初の格子間隔10mという超高解像度の数値モデルで再現することに成功し、構造物の被害に大きな影響を与える竜巻の内部構造を解析した。
◆再現された竜巻は、観測と同様、その内部に多重渦と呼ばれる多数の小スケールの渦（吸い込み渦と呼ばれる）を伴う構造を持つ時と、吸い込み渦を伴わない単一渦の構造を示す時があり、多重渦構造を示す時には、吸い込み渦の通過に伴い、地表付近の気圧や風も大きく変化することが示された。
◆ただし、竜巻に伴う水平風や上昇流が最も強まるのは、竜巻が水平的に収縮した単一渦構造を持つ時であった。
◆今回再現された竜巻渦の微細構造は、移動する竜巻渦に関する気象学的知見に留まらず、風工学分野における建築物に対する竜巻の風の影響評価にも役立てられることが期待される。

発表概要

竜巻の地表付近の構造は未だ十分に理解されていない。今回、理化学研究所計算科学研究センターの「京」コンピュータを用いることにより、「つくば竜巻」の事例について、現実竜巻としては世界初の格子間隔10mという超高解像度の数値モデルを用いて、竜巻の再現実験を行った。その結果、観測で見られたのと同様、内部に多重渦と呼ばれる多数の小スケールの渦を伴い激しく時間変動する竜巻の再現に成功し、これらの渦に伴い地表付近の風の強さも大きく変動することが示された。本研究で得られた知見は、移動する竜巻の構造に関する気象学的理解だけでなく、風工学分野における建築物に対する竜巻の風の影響評価にも有益な情報を提供すると期待される。

発表内容

[研究の背景]
竜巻による突風災害への対策を立てる上で、竜巻の地表付近の風の特徴を知ることは極めて重要である。しかし、時空間スケールが小さく、発生頻度も少ない竜巻は観測機会が限られているだけでなく、最新の可搬型気象レーダーを用いても、危険な至近距離まで近づかないと地表付近の風の状態を測ることは困難である。一方、数値シミュレーションを用いた研究においても、計算機資源の制約からこれまでは50m程度の解像度の実験にとどまり、竜巻の詳細な構造を再現することは不可能であった。このため竜巻の地表付近の構造については今なお理解が不十分である。

今回、理化学研究所計算科学研究センターの「京」コンピュータを用いることにより、実事例の竜巻を対象とした解析ではこれまで例がない水平格子間隔10mという超高解像度の数値モデルを用いて、「つくば竜巻」を対象に現実的な環境場における再現実験を行った。「つくば竜巻」はスーパーセル（注1）とよばれる特殊な積乱雲に伴って発生した竜巻で、藤田スケール（注2）で国内最強クラスの3と推定され、つくば市を中心に甚大な被害をもたらしたものである。超高解像度の数値実験を解析した結果、竜巻の詳細な内部構造が明らかになった。

[研究内容]
気象庁非静力学モデルを用いて、水平解像度5kmの気象庁メソ解析値を初期値・境界値にして、水平解像度1km、250m、50m、10mのモデルを段階的にネスティングすることで高解像度実験を行った。水平解像度10mの実験では、水平格子数が4001（東西）×3001（南北）、鉛直には250層をとっており、これまでにない大規模な計算となっている。

その結果、再現された竜巻の内部構造はさまざまな形態を示して激しく時間変化し、地表付近の風の強さもこれに伴い大きく変化することが明らかになった（図1、図2）。すなわち、その形態は強い竜巻にしばしば見られ、「つくば竜巻」でも観測された、竜巻渦の中に複数の小スケールの渦（吸い込み渦と呼ばれる）が埋め込まれた多重渦構造（図2右）や、吸い込み渦を伴わない単一渦構造などの間で不規則な変動を繰り返すことが示された。このうち、多重渦構造を持つ時には、竜巻渦の水平スケールが大きくなり、竜巻渦の中心付近では地表近くまで下降流が占めるようになった。また、吸い込み渦は、竜巻スケールの風の場との重ね合わせによって局所的に水平風を強めるだけではなく、地表付近でも数10m/sという極めて強い上昇流を伴うことが示された（図3）。しかし、水平風・上昇流ともに最も強くなるのは、竜巻が水平的に収縮した単一渦構造をもつ時であった（図1、図2左）。このような地表付近における強い上昇流は水平風の強化と共に、構造物の被害に無視できない影響を持つと考えられる。

[社会的意義・今後の予定]
今回得られた実験結果や知見は竜巻の構造の理解に資するだけではなく、建物を解像した耐風工学の数値シミュレーションにも利用され、建築物に対する竜巻の風の影響評価に役立てられる予定である。

発表雑誌

雑誌名：SOLA, 13, 135-139 （2017年7月）
論文タイトル：Super High-Resolution Simulation of the 6 May 2012 Tsukuba Supercell Tornado: Near-Surface Structure and Its Evolution.
著者：Wataru Mashiko*, and Hiroshi Niino.
DOI番号：　10.2151/sola.2017-025
アブストラクトURL：https://www.jstage.jst.go.jp/article/sola/13/0/13_2017-025/_article/-char/en

問い合わせ先

気象庁気象研究所予報研究部　主任研究官　益子　渉
TEL：029-853-8636
Email：wmashiko◎mri-jma.go.jp　　　　　※「◎」は「@」に変換して下さい。

用語解説

注1： スーパーセル

スーパーセルとは、上空にメソサイクロンと呼ばれる直径数kmの渦を伴った巨大積乱雲を指す。強い竜巻の多くはスーパーセルに伴って発生する。

注2： 藤田スケール

竜巻などの激しい突風をもたらす現象は水平規模が小さく、既存の風速計から風速の実測値を得ることは困難である。このため、1971年にシカゴ大学の藤田哲也博士により、竜巻やダウンバーストなどの突風により発生した被害の状況から風速を大まかに推定する藤田スケール（Ｆスケール）が考案された。

添付資料

図1　格子間隔10mの数値モデルを用いて「京」コンピュータで再現された竜巻に伴う地表付近の風の最大値の時系列（緑は水平風、青は上昇流）。薄い青色の色付けは多重渦構造が顕在化した時間帯を示す。（発表雑誌、図1から）

図2　格子間隔10mの数値モデルによって再現された竜巻の構造の時間変化。白色は強い渦、赤色は特に強い渦の領域を示す。下面の矢印は3次元の風の向きと強さを示す。

図3　格子間隔10mの数値モデルによって再現された地表付近の竜巻の構造。左は色で渦の強さ、右は強い上昇流域を示す。矢印は竜巻に伴う風の乱れの強さと向きを示す。黒いコンターは気圧、青い点線のコンターは水平風の特に強い領域を示す。竜巻の渦の中に複数の小渦があることが分かる。（発表雑誌、図5から）

謝辞

本研究の一部は、気象研究所重点基礎「メソスケール気象予測の改善と防災気象情報の高度化に関する研究」と「顕著現象監視予測技術の高度化に関する研究」、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発　重点課題④「観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化」、科研費「二重偏波レーダーと数値シミュレーションを用いたスーパーセル竜巻の前兆現象の解明」と「竜巻等突風現象を生ずる低気圧の内部構造と力学」の成果である。