John Ludwig（CHAM London）、2023/April
はじめに
PHOENICSおよびPHOENICS-FLAIRは、汚染物質の拡散、都市の風環境（快適性）評価、風力発電所の配置最適化といった風工学分野において、大気境界層（ABL）のモデリングに広く利用されています。こうした解析において、風の流入分布や関連する境界条件は、VRメニュー内の「WINDオブジェクト」を使用することで自動的に設定可能ですが、これまでは温度が一様な中立大気条件に限られていました。PHOENICS-2023では、広く用いられているパスキル（Pasquill）の安定度クラス [1,2] をPHOENICSのサブルーチンGXBLINに組み込むことで、WINDオブジェクトの機能を拡張し、安定および不安定な大気条件にも対応できるようになりました。この区分は、風速、日射量、および雲量に基づき、大気の安定度をAからFまでの6段階に分類するものです。
表1：パスキル安定度クラス：A（極めて不安定）、B（中程度に不安定）、C（やや不安定）、D（中立）、E（やや安定）、F（中程度に安定）
大気安定度が「不安定」な区分では、地表が太陽光で加熱されて地表付近の気温が上昇し、空気の密度が低下するため、鉛直方向の混合が活発になります。一方、中立（区分D）は、太陽光による加熱がほとんどなく、風速が鉛直混合を支配する早朝や夕方に生じます。「安定」な区分では、通常夜間に見られる地表の冷却が太陽光による加熱を上回り、地表付近の空気密度が高まるため、鉛直方向の混合が抑制されます。有害ガスの拡散をモデル化する際、大気中での混合や希釈が不十分となる「安定」な気象条件は、最悪のシナリオを想定するケースとして用いられます。特に区分Fは、英国などで土地利用計画を策定する際の有毒物質拡散モデルにおいて、標準的な気象条件として採用されています。
PHOENICSにおける実装は、重力や風の方向に関して汎用的なものとなっており、境界条件の設定にモニン・オブホフの相似則（MOST）[3, 4]を用いることで、パスキル安定度区分AからFまでを網羅しています。今回の初期リリースでは、乱流輸送方程式や壁面関数においてMOSTは考慮されておらず、温位を用いたエネルギー方程式を解く機能も実装されていません。これらの拡張機能は、今後のリリースで追加される予定です。
アクティベーション
必要なパスキル安定度クラスは、WINDオブジェクトのダイアログから直接選択できます。
図1 安定度クラスの選定
デフォルト設定は「均一温度プロファイル」です。等温の場合、「安定度クラス」の項目は表示されません。
パスキル・クラスとモニン・オブホフ長
モニン・オブホフ（MO）長 L は、乱流の浮力生成とせん断応力による乱流生成が同程度となる高さの目安です。これは観測値から推定可能であり、安定な大気境界層（ABL）では正、不安定な境界層では負、中立な境界層では無限大となります。実際には L の値は通常未知であるため、例えばパスキル安定度クラスのうち最も危険なものや卓越するものを用いるなどして推定する必要があります。
PHOENICSでは、MO長（モニン・オブコフ長）の値が既知であれば、それを直接指定することができます。値が不明な場合は、パスキル（Pasquill）の安定度クラスを用い、2種類の式のいずれかによって自動的に推定されます。1つ目はBosch [5]によるTNOの式を用いる方法です。2つ目は、Golderのノモグラム [6]から導出可能なべき乗則の式を用いてMO長を推定する方法です。
MO長の選択は、不均一な温度プロファイルが選択された後にのみ表示されます。
図２ オブコフ長の選択
まとめ
PHOENICSでは現在、安定および不安定成層を伴うABL（大気境界層）のシミュレーションにおいて、パスキル（Pasquill）の安定度区分を利用する機能が実装されています。この初期リリースは、今後以下の機能を可能にするよう段階的にアップグレードされる予定です。
参考文献
1.Pasquill, F, The Estimation of the Dispersion of Windborne Material. Meteorological Magazine 90: 33?49, (1961).
2.Pasquill, F & Smith, F.B, Atmospheric Dispersion, 3rd Edition, Ellis Horwood Ltd, (1983).
3.Monin, A.S & Obukhov, A.M, Basic laws of turbulent mixing in the surface layer of the atmosphere. Contrib. Geophys. Inst. Acad. Sci. USSR, pages 163?187, (1954).
4.Foken, T, 50 years of the Monin?Obukhov similarity theory. Boundary-Layer Meteorology, 119, 431?447, (2006). (1954).
5.Bosch, C. J. H. van den, Weterings, R. A. P. M. (Ed), 2005, Methods for the calculation of physical effects ? due to releases of hazardous materials, CPR 14E. (TNO Yellow Book) 3rd edition, 2nd print, TNO, The Hague, The Netherlands, (2005)
6.Golder, D, Relations among stability parameters in the surface layer, Boundary-Layer Meteorology, 3, 47-58, (1972).
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