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【発表のポイント】
・過去に関東南部で晴天乱気流（注1）が発生した事例を高解像数値気象シミュレーション（注2）で再現。
・スーパーコンピュータ「富岳」（注3）で大気中の流体運動の不安定により発生した、細かい渦の再現に成功。
・実際にその場を飛行した飛行機のデータと、計算データの比較により、飛行機を揺らしたのがこれらの細かい渦である可能性が高いと示された。
【概要】
高い高度を飛ぶ飛行機に乗っているとき、窓の外は雲もなく晴れているのに、突然機内が激しく揺れる経験をすることがあります。これは晴天乱気流によりもたらされています。晴天乱気流は雲のない晴天で発生する、気流の急激な変化のことを指します。
名古屋大学宇宙地球環境研究所特任助教の吉村僚一氏（研究当時：東北大学流体科学研究所・東北大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻）および東北大学流体科学研究所の焼野藍子助教、同大学大学院理学研究科の伊藤純至准教授らは、冬季の東京湾上空3-4 kmでしばしば発生する晴天乱気流事例について、数値気象モデル（注2）で格子幅を35 mまで狭めた超高解像シミュレーションを実施し、乱気流の様子を再現しました。また、当時の飛行機が記録した揺れデータと比較することで、再現した乱気流が正しいかを調べました。35 m級の解像度で再現した高高度の大気中の乱流現象を観測データにより検証する取り組みはなく、世界初の成果です。高高度で発生した現実の乱気流事例を対象とした乱気流の計算例は少なく、実際の乱気流の観測データとの比較は初めての試みです。
高解像シミュレーションにより、乱気流の発生原理・仕組みの解明や、乱気流が飛行機へ及ぼす影響をさらに詳しく調べることにつながると考えられます。また、航空事業者向けにより精度の高い乱気流予報を行えるようになることも期待できます。本研究成果は6月21日（現地時間）、American Geophysical Union の論文誌 Geophysical Research Letters に掲載されました。
図1 (a) 当日に乱気流の遭遇が報告された地点。四角Aは(b)の領域を示している。(b)高度3kmのシミュレーションの結果。赤・青は上昇・下降に向かう風の速度を示している。(c) 図bの線分Y-Y’に沿った鉛直断面。同じく赤・青は上昇・下降気流を示している。
図2 (a) 再現した乱気流の中でフライトシミュレータを用いて計算した揺れ、最も高解像度な計算では、周波数が高く、大きな揺れが出ている。(b) 実際に記録された3便分の揺れ。
【用語説明】
注1. 関東南部の晴天乱気流
関東南部では冬季にしばしば晴天乱気流が発生することが知られており、乱気流への遭遇が頻繁に記録される。発生高度は2～4 kmであり、羽田・成田離着陸便による交通流が多く、高度変更による回避の難しい場所であるため遭遇が多くなる。一般的に、乱気流により飛行機が揺動すると乗員・乗客の怪我や、機内・機体の状況に応じて目的地変更や着陸やり直しの実施につながる場合があり、安全かつ効率的な運航の障壁となる。渦が生じて流れが乱れた状態を乱流と呼び、大気中では乱気流と呼ばれる。これらの渦が飛行機を大きく揺らすことが問題となる。
注2. 数値気象モデル
数値気象モデル物理法則に基づき、大気状態の変化を計算するコンピュータモデル。地表付近から上空までの大気の運動に加え、水の相変化や放射の効果も考慮し、空間的・時間的な変化を解く。日々の天気予報のために数値気象モデルによる予測が行われている。本研究では数値気象モデルで使用する計算格子の解像度を35mまで高めた高解像数値気象シミュレーションを実施している。
注3. スーパーコンピュータ「富岳」
理化学研究所と富士通が共同開発したスーパーコンピュータ。2020年6月にスパコンの性能ランキング「TOP500」「HPCG」「HPL-AI」「Graph500」の4部門で世界第1位を獲得した。
注4. ケルビン・ヘルムホルツ不安定
流体運動の不安定の１つ。密度が異なる２つの流体の層が互いに異なる速度で運動するときに発生する。
＜関連リンク＞
東北大学プレスリリース
大林・焼野研究室ウェブサイト
＜問い合わせ先＞
（研究に関すること）
東北大学流体科学研究所
助教 焼野 藍子
電話 022-217-5218
E-mail：aiko.yakeno*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学流体科学研究所
広報戦略室
Tel: 022-217-5873
E-mail: ifs-koho*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
・過去に関東南部で晴天乱気流（注1）が発生した事例を高解像数値気象シミュレーション（注2）で再現。
・スーパーコンピュータ「富岳」（注3）で大気中の流体運動の不安定により発生した、細かい渦の再現に成功。
・実際にその場を飛行した飛行機のデータと、計算データの比較により、飛行機を揺らしたのがこれらの細かい渦である可能性が高いと示された。
【概要】
高い高度を飛ぶ飛行機に乗っているとき、窓の外は雲もなく晴れているのに、突然機内が激しく揺れる経験をすることがあります。これは晴天乱気流によりもたらされています。晴天乱気流は雲のない晴天で発生する、気流の急激な変化のことを指します。
名古屋大学宇宙地球環境研究所特任助教の吉村僚一氏（研究当時：東北大学流体科学研究所・東北大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻）および東北大学流体科学研究所の焼野藍子助教、同大学大学院理学研究科の伊藤純至准教授らは、冬季の東京湾上空3-4 kmでしばしば発生する晴天乱気流事例について、数値気象モデル（注2）で格子幅を35 mまで狭めた超高解像シミュレーションを実施し、乱気流の様子を再現しました。また、当時の飛行機が記録した揺れデータと比較することで、再現した乱気流が正しいかを調べました。35 m級の解像度で再現した高高度の大気中の乱流現象を観測データにより検証する取り組みはなく、世界初の成果です。高高度で発生した現実の乱気流事例を対象とした乱気流の計算例は少なく、実際の乱気流の観測データとの比較は初めての試みです。
高解像シミュレーションにより、乱気流の発生原理・仕組みの解明や、乱気流が飛行機へ及ぼす影響をさらに詳しく調べることにつながると考えられます。また、航空事業者向けにより精度の高い乱気流予報を行えるようになることも期待できます。本研究成果は6月21日（現地時間）、American Geophysical Union の論文誌 Geophysical Research Letters に掲載されました。
図1 (a) 当日に乱気流の遭遇が報告された地点。四角Aは(b)の領域を示している。(b)高度3kmのシミュレーションの結果。赤・青は上昇・下降に向かう風の速度を示している。(c) 図bの線分Y-Y’に沿った鉛直断面。同じく赤・青は上昇・下降気流を示している。
図2 (a) 再現した乱気流の中でフライトシミュレータを用いて計算した揺れ、最も高解像度な計算では、周波数が高く、大きな揺れが出ている。(b) 実際に記録された3便分の揺れ。
【用語説明】
注1. 関東南部の晴天乱気流
関東南部では冬季にしばしば晴天乱気流が発生することが知られており、乱気流への遭遇が頻繁に記録される。発生高度は2～4 kmであり、羽田・成田離着陸便による交通流が多く、高度変更による回避の難しい場所であるため遭遇が多くなる。一般的に、乱気流により飛行機が揺動すると乗員・乗客の怪我や、機内・機体の状況に応じて目的地変更や着陸やり直しの実施につながる場合があり、安全かつ効率的な運航の障壁となる。渦が生じて流れが乱れた状態を乱流と呼び、大気中では乱気流と呼ばれる。これらの渦が飛行機を大きく揺らすことが問題となる。
注2. 数値気象モデル
数値気象モデル物理法則に基づき、大気状態の変化を計算するコンピュータモデル。地表付近から上空までの大気の運動に加え、水の相変化や放射の効果も考慮し、空間的・時間的な変化を解く。日々の天気予報のために数値気象モデルによる予測が行われている。本研究では数値気象モデルで使用する計算格子の解像度を35mまで高めた高解像数値気象シミュレーションを実施している。
注3. スーパーコンピュータ「富岳」
理化学研究所と富士通が共同開発したスーパーコンピュータ。2020年6月にスパコンの性能ランキング「TOP500」「HPCG」「HPL-AI」「Graph500」の4部門で世界第1位を獲得した。
注4. ケルビン・ヘルムホルツ不安定
流体運動の不安定の１つ。密度が異なる２つの流体の層が互いに異なる速度で運動するときに発生する。
＜関連リンク＞
東北大学プレスリリース
大林・焼野研究室ウェブサイト
＜問い合わせ先＞
（研究に関すること）
東北大学流体科学研究所
助教 焼野 藍子
電話 022-217-5218
E-mail：aiko.yakeno*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学流体科学研究所
広報戦略室
Tel: 022-217-5873
E-mail: ifs-koho*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）