はじめに
洋上風力発電の普及に伴い、高精度な風況情報の重要性が増しています。本研究は、メソ気象モデルWRF（the Weather Research and Forecasting model）の風速推定における地表面粗度長の影響を検討するものです。具体的には、むつ小川原（青森県）と波崎桟橋（茨城県）の2地点における風況観測データを基に、粗度長の違いによって、既知の問題であった陸風時における風速の過大評価傾向2)をどの程度改善するかを評価しました。
粗度長とは、地表面の摩擦特性を表す指標で、地表風速の精度に大きな影響を与えます。洋上風況マップNeoWins1)の開発に使用されたWRFシミュレーションには、初期設定のUSGS（米国地質調査所）の土地利用データを基にした粗度長が使用されていました。今回は、より高精度な結果を得るために、気象庁の気象モデルNHM（Non-Hydrostatic Model; 非静力学モデル）の粗度長を一部修正し、利用しました。
方法
本研究では、ドップラーライダー観測データとWRFシミュレーションを比較し、2つの粗度長設定（USGSと気象庁）を使用して感度分析を行いました。表１に、風況観測の概要を示します。
| サイト | むつ小川原 | 波崎桟橋 |
|---|---|---|
| 計測機種 | DIABREZZA | Windcube V1 |
| 観測期間 | 2017/06–2018/05 | 2015/10–2016/09 |
| 観測高度 | 58–254m（5m 間隔） | 47-207m（20m 間隔） |
今回は、NeoWins等を参考にして、500m解像度の計算領域でWRFシミュレーションを実施しました。図1に、WRF計算領域を示します。
観測地点、方位セクタの定義、およびWRF計算領域※
※ 赤点は観測地点、赤点線は方位セクタの境界線である。
WRFシミュレーションについては、以下の2ケースを比較しました。
- WRF-CTRL：USGSの24種別土地利用に基づく粗度長を用いたケース
- WRF-JMA：WRF-CTRLをベースに、粗度長だけNHMの設定（のうち一部修正）に基づくケース
本研究では、大気の安定度が中立条件となるケースを選定し、力学的要因（粗度長）によるWRF風速の誤差傾向を検証しました。
結果と考察
表2に、むつ小川原と波崎桟橋の大気中立・陸風時におけるWRF風速の平均誤差を示します。従来の設定（WRF-CTRL）は、陸風時に風速を過大評価する傾向が示されました。一方、WRF-JMAの設定を使用することで、陸風時の過大評価が大幅に改善されました。
| サイト（地表高さ） | WRF-CTRL | WRF-JMA |
|---|---|---|
| むつ小川原（99m） | 27.0% | +10.3% |
| 波崎桟橋（95m） | +13.9% | +3.0% |
大気中立・陸風時におけるWRF風速の平均誤差
図2に、海抜100m高におけるWRF風速の平均値の相対差の分布を示します。WRF-CTRLとWRF-JMAの風速を比較すると、粗度長の変更により、沿岸域での風速勾配が改善されることが示唆されました。これは、粗度長の違いが風速の減速効果によるものと考えられます。
WRF風速の平均値の相対差：WRF-JMA minus WRF-CTRL）の分布※
※ 灰領域は海抜が100mよりも高い領域である。
まとめと今後の展望
本研究では、WRFの粗度長設定を変更することで、風速推定の過大評価傾向を改善できることを明らかにしました。しかし、誤差の改善にはさらなる研究が必要です。今後は、以下の点に注力する予定です。
- 熱力学的要因の改善：地表温度や海面水温の最新データを用いたさらなる精度向上。
- ゼロ面変位の考慮：海岸防風林など、詳細な地形情報の反映。
参考文献
- NEDO, 洋上風況マップNeoWins
URL: https://appwdc1.infoc.nedo.go.jp/Nedo_Webgis/top.html（アクセス：2024/12/20） - Misaki, T., Ohsawa, T., Konagaya, M., Shimada, S., Takeyama, Y., Nakamura, S., Accuracy comparison of coastal wind speeds between WRF simulations using different input datasets in Japan. Energies, 2019, 12(14), 2754.