International Research Conference on Humanities and Social Sciences

Faculty of Humanities and Social Sciences,
University of Sri Jayewardenepura, Sri Lanka

Plenary Abstract — Prof. Hiroyuki Kusaka

Plenary Abstract — Prof. Hiroyuki Kusaka

Advances in Methods for Urban Climate Research: Observations and Numerical Simulations

Urban climate research can be broadly divided into studies at the city scale (mesoscale) and the city-block scale (microscale). Each requires methods appropriate to the spatial scale of interest.

Mesoscale numerical weather prediction models are well suited to studies of weather and climate at the city scale. The Weather Research and Forecasting (WRF) model, developed by the National Center for Atmospheric Research (NCAR) in the United States, is now widely used worldwide. By calculating atmospheric conditions from the surface to altitudes exceeding 10,000 m, with horizontal resolutions of tens to hundreds of kilometers and vertical resolutions of tens to hundreds of meters, WRF can predict and reproduce atmospheric phenomena across a wide range of spatial and temporal scales, including cumulonimbus clouds, sea breezes, typhoons, and monsoons. Incorporating an urban canopy model (UCM) option also enables accurate simulations of urban weather and climate, including urban heat islands.

Satellite observations, radar measurements, and surface meteorological observations by meteorological agencies are also essential. These observations are indispensable both for understanding actual atmospheric conditions and for validating numerical weather prediction models such as WRF. Observations and numerical models are complementary, like the two wheels of a vehicle.

As examples of research at the city scale, this lecture presents findings on urban impacts on sea breezes and convective precipitation in the Tokyo metropolitan area. It also reports recent findings from studies of Greater Kuala Lumpur on urban impacts on cloud occurrence and interactions between heat waves and urban heat islands.

At the city-block scale, computational fluid dynamics (CFD) models are effective tools for predicting and reproducing air temperature, humidity, wind, radiation, and heat stress at spatial resolutions of a few meters. Because existing surface meteorological observations alone cannot adequately capture atmospheric conditions at this scale, dedicated field measurements and drone-based observations are needed. We have developed our own City-LES model as a method for high-resolution simulations at the city-block scale.

This lecture demonstrates how accurately City-LES can reproduce fine-scale spatial variations in urban surface temperature, airflow, and heat stress. It also explores the potential of heat mitigation measures, such as street trees, green walls, and mist spraying, to support urban adaptation to a warming climate.

日本語訳

都市気候研究は、都市スケール(メソスケール)と街区内スケール(マイクロスケール)に大別される。研究にあたっては、それぞれの空間スケールに適した手法を用いる必要がある。

都市スケールの気象・気候研究には、メソスケールの数値天気予報モデルが適している。現在、米大気研究センター(NCAR)が開発したWRFモデルが世界中で広く利用されている。WRFモデルは、地上から上空1万メートル以上までの大気状態を、水平分解能数十〜数百キロメートル、鉛直分解能数十〜数百メートルで計算することで、積乱雲、海風、台風、モンスーンなど、多様な時空間スケールを持つ気象現象を予測・再現できる。さらに、都市キャノピーモデル(UCM)のオプションを適用することで、ヒートアイランド現象をはじめとする都市特有の気象・気候を高精度にシミュレートすることも可能である。

研究には、人工衛星や気象レーダー、気象機関による地上気象観測データも必要である。これらは実際の大気状況の把握に不可欠であり、なおかつ、WRFなどの数値天気予報モデルの精度検証(バリデーション)にも不可欠である。観測と数値モデルは、車の両輪のようなものである。

本講演では、都市スケールの研究例として、東京都市圏における海風や対流性降水への影響に関する研究成果を紹介する。また、クアラルンプールを対象とした、都市圏が雲の出現頻度に及ぼす影響や、熱波とヒートアイランド現象の相互作用に関する最新の成果についても報告する。

一方、都市街区スケールの気象シミュレーションには、数メートル規模の空間分解能で街区内の気温、湿度、風、放射、熱ストレスを予測・再現できるCFDモデルの利用が有効である。このスケールでは既存の地上気象観測データのみで捉えることが困難なため、独自の地上観測やドローンを用いた観測が求められる。著者らは、高解像度な街区スケールシミュレーション手法として、独自に「City-LES」モデルを開発した。

本講演では、City-LESが都市の地表面温度、気流、暑熱ストレスの微細な空間変動をいかに精密に再現できるかを示す。さらに、街路樹や、壁面緑化、ミスト散布の導入などの暑さ対策が、都市の温暖化適応策を支援する可能性についても展望する。

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