JP2003150889A - 流動シミュレーション表示システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 簡易的に潮流等の流動量と流動方向を表示す
ることのできる流動シミュレーション表示システムを提
供する。 【解決手段】 数値による地理情報を所定の地理データ
形式に変換し、その地理データを地図表示に編集・加工
する地形作成手段４と、前記地形作成手段により作成さ
れた地図表示の必要部分に所定幅のメッシュを生成する
メッシュ作成手段５と、海域の鉛直方向のマップを作成
する水深マップ作成手段６と、画面に表示された内容に
従って値をパラメータとして入力させる演算用データ入
力手段７と、前記メッシュ作成手段と前記水深マップ作
成手段により３次元多層領域について前記演算用データ
入力手段により入力されたパラメータを用いて所定の演
算を行う数値演算手段８と、前記数値演算手段により算
出された各流速値を、そのメッシュの中心位置に流速と
その方向をベクトルとして演算結果表示手段９により前
記表示装置１３に表示するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、潮の満ち引き等に
より生ずる海域（閉鎖性内湾等）における潮流の流速を
演算表示する流動シミュレーション表示システムに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来より、海洋区間の有効利用が唱えら
れ、特に湾内（閉鎖性内湾等）における沿岸海域では浮
遊式海洋構造物の建造計画あるいは建造されている。こ
れは埋立式海洋構造物と比べて周囲の海流の流れに対す
る影響が少なく、停滞域が形成されず海水交換を妨げな
いといった環境面での利点があることによる。また、さ
らに沖合人工島や海上空港といった大型の浮遊式海洋構
造物が出現した場合、その存在によって海流の流れが変
化すると共に日射が遮られ、構造物の周辺海域における
水塊の停滞や水温低下を引き起こすことが予測される。
このような影響は、特に閉鎖性内湾では表層に密度成層
が発達しやすく、貧酸素水塊の形成や青潮の発生など湾
内の水質や生態系に与える影響は大きい。そのため、湾
内に大型の浮遊式海洋構造物が設置された場合、その構
造物が成層期の海況にあたえる影響を予測・評価するこ
とは水質保全や生態系影響を検討の上でも非常に重要と
なる。上記のような水質汚濁や生態系の動態についての
予測・評価を行うに際しては、数値シミュレーションを
行う必要がある。数値シミュレーションを行う為に、特
に流動シミュレーションは非常に重要な役割を演じてい
る。 【０００３】そのため従来より潮流の流動を予測するた
めに、以下に説明する所定の手順によって算出し、その
結果を可視化ソフトウエアによりコンピュータ出力して
いた。図１２から図１５は、従来の潮流の流動を予測す
るための説明図である。このような潮流の流動を求める
手順は、まず、潮流を予測しようとする例えば東京湾に
みられるような閉鎖性内湾の海図に手書きで碁盤状のメ
ッシュを描きマッピングする（図１２参照）。そしてマ
ッピングした個々を所定位置から順番にその水深を読み
取る。つぎに、図１３に示すように、地形データを設定
する。この地形データは、境界条件を含むように設定さ
れる。まず、時間間隔、ｘ及びｙ方向メッシュ間隔を入
力する。次に、各メッシュ中央点の水深を順番に読み込
んでいく。この際、例えば陸地はゼロを、開境界は４０
００をプラスして、境界条件を含むように設定される。
また、図１４に示すように、計算パラメータを決める。
計算パラメータは、（１）渦動粘性係数、海底摩擦係
数、重力加速度、コリオリ、層間摩擦係数及び上述する
ように（２）第１層までの深度、第２層までの深度、第
３層までの深度、・・・第ｎ層までの深度、さらに、
（３）開境界地点１の格子番号、潮位振幅、潮位遅角、
ついで、同様に（４）開境界地点２の格子番号及び当該
格子番号における潮位振幅、潮位遅角、（５）河川の数
ｍ、（６）河川１の格子番号及び流入量・・・河川ｍの
格子番号及び流入量、（７）計算開始時刻、結果出力時
間間隔、出力開始時刻、さらに、（８）計算終了時刻、
潮位出力倍率、流速出力倍率、平均潮位、ｃｍ変換係
数、真北に対する角度、風速、風向、（９）海表面摩擦
係数、風速に関するデータ、ｘ方向拡散係数、ｙ方向拡
散係数、ｚ方向拡散係数などの外、また、（１０）１０
層分の水温初期値、塩分初期値、（１１）時間単位で入
力する計算終了時間を設定する。 【０００４】これら地形データと計算パラメータによ
り、コンピュータ等を用いて所定の演算を行うと、図１
５に示すような結果が得られる。すなわち、パラメータ
として、ｘ方向メッシュ数を４３，ｙ方向メッシュ数を
６１とした場合の９時間経過時（最大下げ潮時）の第１
層のｘ方向の流速とすると、図１５に示すように、各層
についてのマッピング位置の潮流の値が得られる。これ
を例えば可視化ソフトウエア等を用いてベクトルで表し
ていた。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな潮流予測の方法は、海域をマッピングしたり、水深
を読み取ったり、パラメータの設定等を手作業で行わな
ければならず、非常に大変な作業であった。また、手作
業による設定ミスが生じることもあるといった問題が生
じていた。また、このような潮流等の流動シミュレーシ
ョンを行うコンピュータシステムにより演算すると、上
記図１５に示したような各メッシュ毎に正確な数値とし
て結果が得られるものであったが、例えばそれを用紙に
プリントして、どの位置がどのような値かを確認し、そ
の数値によって流速が判るのみであった。そのため、流
動方向を得るためには、その数値を基に別の可視化アプ
リケーションソフト等を用いて方向を記載する等の作業
を要していた。そのため、多量のデータと複雑な演算を
行わなければならず、そのような計算を専門に行ってい
るシステムセンター等に依頼する必要があるとともに、
流動シミュレーションの演算結果を得るまでに時間（数
日）がかかるといった問題があり、さらに莫大な費用を
要していた。 【０００６】そこで、本発明は、上記従来の事情に鑑み
てなされ、ＧＩＳ（Geography Information Systemの
略：地理情報システム）に流動シミュレーションを適用
して、簡易的に潮流等の流速の大きさと方向を表示する
ことのできる流動シミュレーション表示システムを提供
することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本願請求項１に係る発明
は、流動シミュレーション表示システムにおいて、入力
装置、演算装置および表示装置を備え、ＧＩＳ（Geogra
phic Information Systemの略）アプリケーションソフ
トウエアに所定の指示をする制御手段を有するコンピュ
ータからなる流動シミュレーション表示システムであっ
て、数値による地理情報を所定の地理データ形式に変換
し、その地理データを地図表示に編集・加工する地形作
成手段と、前記地形作成手段により作成された地図表示
の必要部分に所定幅のメッシュを生成するメッシュ作成
手段と、前記地形作成手段により作成された地理データ
に水深データを付加し、メッシュについての鉛直方向の
マップを作成する水深マップ作成手段と、所定の入力様
式で画面に表示し、少なくともHorizontal Mesh Size
（水平方向メッシュサイズ）、Vertical Mesh（鉛直方
向メッシュサイズ）、Friction Coefficient of Bottom
（海底摩擦係数）、Drag Coefficient（層間摩擦係
数）、Horizontal Eddy Viscosity（水平方向渦動粘性
係数）、Vertical Eddy Viscosity（鉛直方向渦動粘性
係数）、Time Interval（時間間隔）、Coriolis Parame
ter（コリオリ力のパラメータ）、Open Boundary Condi
tion（開境界条件）の各値をパラメータとして入力させ
る演算用データ入力手段と、前記メッシュ作成手段と前
記水深マップ作成手段と、前記演算用データ入力手段に
より入力されたパラメータを用いて、式１ 式２ の差分化演算を行う数値演算手段と、前記数値演算手段
により算出された演算結果を、前記メッシュ作成手段に
より作成された各メッシュ毎に、そのメッシュの中心位
置に流速の大きさと方向を可変ベクトルとして前記表示
装置に表示する演算結果表示手段と、からなることを特
徴とする。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態にお
ける流動シミュレーション表示システムについて図面を
参照して説明する。図１は、本発明に係る流動シミュレ
ーション表示システム１の概略構成図である。図１中、
２は、当該流動シミュレーション１を実行するためのパ
ーソナルコンピュータ、３は、予測を行う海域の地理情
報を作成、加工、管理、分析等によって編集や管理を行
うＧＩＳアプリケーションソフトウエア、４は、地形作
成手段、５は、メッシュ作成手段、６は、水深マップ作
成手段、７は、演算用データ入力手段、８は、数値演算
手段、９は、演算結果表示手段である。また、１０は、
測定データや演算結果を記憶する記憶手段、１１は、所
定の演算処理を行う制御手段としてのＣＰＵであり、こ
のＣＰＵ１１にはＲＡＭ１１ａおよびＲＯＭ１１ｂが設
けられている。また、１２は、前記パーソナルコンピュ
ータに接続され、所定のデータ等の入力や処理指示を行
うためのキーボードやマウス等からなる入力装置、１３
は、前記パーソナルコンピュータに接続され、データの
入力画面や流動シミュレーションの途中経過や結果を表
示するためのＣＲＴや液晶等からなる表示装置である。 【０００９】パーソナルコンピュータ１は、本願発明の
流動シミュレーションシステム１を実行するためのもの
であり、本実施の形態では、ウインドウズ（マイクロソ
フト社の登録商標）が稼動し、つぎに説明するＧＩＳア
プリケーションソフトウエア３により求められるもので
ある。ＧＩＳアプリケーションソフトウエア３は、本実
施の形態では、例えば、ＡｒｃＶｉｅｗ３．ｘ（株式会
社パスコ社製の地理情報システムの製品名）であり、こ
のＧＩＳ３を使用して、流動シミュレーションを行う閉
鎖性内湾の地理と測定データ等を編集あるいは加工して
出力するものである。すなわち、地形作成手段４、メッ
シュ作成手段５、水深マップ作成手段６、演算用データ
入力手段７、数値演算手段８、演算結果表示手段９は、
該ＧＩＳアプリケーションソフトウエア３によりコント
ロールされ、それぞれ実行される。 【００１０】ここで、本実施の形態に係る流動シミュレ
ーションの数値モデルについて図２を参照して説明す
る。図２は、所定の閉鎖性内湾の水深を鉛直方向に層分
割し、各層の座標系モデル図である。この流動シミュレ
ーションの数値モデルは、所定の閉鎖性内湾の水深を鉛
直方向に層分割した３次元多層モデルにおいて求められ
るシミュレーションモデルである。図２において、ｈは
層厚、ｕ、ｖ、ｗはそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向の流速、ｔ
は時間、ｆはコリオリ力、ρは海水密度、ｐは圧力、Ａ
ｘ、Ａｙ、Ａｚは、ｘ、ｙ、ｚ方向の渦動粘性計数、ζ
は、水位である。上記流動シミュレーション数値モデル
は、これらの変数を用いて、基礎方程式として、次の非
圧縮性粘性流体の運動方程式（式１）および連続の式
（式２）によって表される。 【００１１】 【式１】 【００１２】 【式２】 【００１３】このような基礎方程式をもとに、上記ＧＩ
Ｓアプリケーションソフトウエア３（以下、単に「ＧＩ
Ｓ」として説明する。）を使用して、図３から図９を参
照し、以下の手段によって流動シミュレーションを行
い、その結果を表示する。 【００１４】地形作成手段４は、予め設定された所定の
閉鎖性内湾（本実施の形態では東京湾をモデルとする）
の数値地図をＧＩＳ３に適合するようにシェープファイ
ル（３次元データとＡｒｃｌｎｆｏダイナミックセグメ
ンテーションに対応）にファイル変換して、地形を生成
する。図３は所定の閉鎖性内湾の地理情報データを表示
したものである。これは、対象とする海域を含むように
標準地域メッシュの２次メッシュ地域を選択する。そし
てこれらを空間結合し、さらに分解処理を行って不要な
境界線等を削除して陸地地形を生成する。 【００１５】メッシュ作成手段５は、前記地形作成手段
４により作成された所定海域の地理情報に数値演算用の
メッシュを生成するものである。すなわち対象とする海
域の水平方向のメッシュを、例えば、１ｋｍ×１ｋｍと
して、最初にメッシュの始点を決定する。つぎにこのメ
ッシュは、開境界を含むこととして、開境界を描画す
る。その後、始点、開境界を通るようにメッシュ（４５
×６１）を生成する（図４参照）。そして、メッシュと
陸地部分とクリッピングを行い（図５参照）、次に陸地
部分の除去を行う（図６参照）。この図６に示したよう
な所定海域のメッシュを数値演算に適合するメッシュと
するために、ＧＩＳ３により修正を行い、演算用のメッ
シュとする。この修正作業は、ＧＩＳ３により、前記図
５、図６に示したようにクリッピングと陸地部分の除去
を繰り返すことにより行う。 【００１６】水深マップ作成手段６は、水深データに基
づいてグリッドに変換するものである。図７は、グリッ
ドに変換した水深データをＧＩＳ３を用いてコンター図
として表したものである。この図７に示すコンター図
は、コンターが密となる水深が急激に変化する部分があ
るため、数値演算が不可能となるため、ＧＩＳ３を用い
て修正を行う。その修正を行ったものが図８に示すコン
ター図として表すことができる。 【００１７】演算用データ入力手段７は、数値演算を行
うために必要な計算パラメータを入力するものであり、
本実施の形態では、例えば、プログラム言語ソフト（例
えば、「ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ」）を使用して図９
（ａ）に示すような入力画面により、図９（ｂ）の表
（Table）に示すデータを入力し、データファイルの作
成を行う。そして、データが入力され生成されたデータ
ファイルは、前記記憶手段１０に記憶される。図９
（ｂ）の表（Table）に示すデータは、例えば、本実施
の形態における対象海域として、東京湾と岩井袋と城ヶ
島を結ぶ線上を開境界としたものである。入力データと
して、例えば、格子間隔は、１０００ｍ、鉛直方向は不
等間隔で１０層に分割し、１、２層は、層厚１ｍ、３、
４層は、２ｍ、５、６層は、３ｍ、７、８層は、５ｍ、
９層は１０ｍ、１０層はそれ以下とする。また、他の計
算条件としてのパラメータは、図９の表に示すように、
Horizontal Mesh Size（水平方向メッシュサイズ）が１
０００（ｍ）、Vertical Mesh（鉛直方向メッシュサイ
ズ）が１ｓｔLevel=1(m),10Level Division、 Friction
Coefficient of Bottom（海底摩擦係数）が、０．００
２６、Drag Coefficient（層間摩擦係数）が０．００１
６、Horizontal Eddy Viscosity（水平方向渦動粘性係
数）が３００（ｍ^２／ｓｅｃ）、Vertical Eddy Viscos
ity（鉛直方向渦動粘性係数）が ０．０００１（ｍ^２／
ｓｅｃ）、Time Interval（時間間隔）が１２０（ｓｅ
ｃ）、Coriolis Parameter(at Tokyo Bay)（東京湾のコ
リオリ力のパラメータ）が８．４２×１０^−５（ｓｅｃ
^−１）、Open Boundary Condition（開境界条件）にお
いてJogashima（城ヶ島）のAmplitude（潮位の振幅）が
３８（ｃｍ）、Phase Delay（位相遅角）が１４６（ｄ
ｅｇ）、Iwaifukuro（岩井袋）のAmplitudeが３５（ｃ
ｍ）、Phase Delayが１５２（ｄｅｇ）を設定する。 【００１８】数値演算手段８は、上述した式１の運動方
程式および式２の連続の式に、上記の値が、いわゆるパ
ラメータとして与えられ、それに基づいて、前記ＣＰＵ
１１により予め作成された実行形式演算用プログラムを
用いて演算実行する。演算結果は、前記記憶手段１０に
所定の識別可能な名称（例えば日付や作成者の名前等）
を付して記憶しておく。なお、本実施の形態では、例え
ばプログラム言語ソフト（例えば「Ｖｉｓｕａｌ Ｆｏ
ｒｔｒａｎ」）を使用する。 【００１９】演算結果表示手段９は、上記データを数値
演算手段８によって演算を行った結果データを前記記憶
手段１０から読み出し、ベクトルを用いて流れの方向と
大きさを表示するものである。すなわち、前記演算結果
は、前記メッシュ作成手段５により作成された所定海域
の各メッシュの中心部を基準としたｘ方向の流速とｙ方
向の流速であり、これらから潮流の流速の大きさとその
方向をベクトルに変換する。そして、得られた結果に基
づいて、これを各層について次の隣接する各メッシュに
対して順次行うことにより、各層についての流れの大き
さと方向が得られる。そして、図１０に示すように、流
れの大きさとその方向をベクトルに変換して、前記表示
装置１３に表示する。操作者は、この表示された結果を
見て、必要に応じて前記演算用データ入力手段７、数値
演算手段８により再演算を行うことができ、その結果を
即座に修正・表示することができる。 【００２０】つぎに、上記構成の流動シミュレーション
システム１を実行する手順を図１１のフローチャートに
基づいて説明する。予め計測された例えば上記演算用デ
ータ入力手段７により入力するデータ等を用意する（ス
テップＳ１）。つぎに、パーソナルコンピュータ２に設
定されているＧＩＳ３を起動する（ステップＳ２）。こ
のＧＩＳ３を用いて、流動シミュレーションを行う地形
図を地理情報により作成する（ステップＳ３）。この地
形に対して所定幅の水平方向のメッシュを描き（ステッ
プＳ４）、演算を行う地形以外に描かれたメッシュを削
除する（ステップＳ５）。つぎに、水深データに基づい
て水深をコンター図として描く（ステップＳ６）。描か
れたコンター図を確認し（ステップＳ７）、急勾配があ
る場合には水深データを修正し（ステップＳ８）、ステ
ップＳ６の処理を繰り返して行い、そのままでよい場合
にはつぎの処理を行う。 【００２１】地形図に水平方向のメッシュと水深のコン
ターが作成されると、つぎに、計算パラメータを入力す
る入力画面を表示する（ステップＳ９）。表示された入
力画面に従って所定のパラメータ（あるいはデータ）を
入力する（ステップＳ１０）。計算パラメータの入力が
終わると、数値演算手段８により演算を行う（ステップ
Ｓ１１）。その演算結果を記憶手段１０に記憶し、演算
結果表示手段９により演算結果を前記地理情報（流動シ
ミュレーションを行う海域等の地形図）にベクトル表示
する（ステップＳ１２）。表示された内容に変更がある
場合には（ステップＳ１３）、ステップＳ９の処理に戻
り、変更が無い場合には、必要に応じてプリンタに出力
するなどを行い処理を終了する。 【００２２】このように、ＧＩＳ３を使用して、予め計
測された計算用のパラメータを入力するのみで容易に流
動シミュレーションを行い、流速とその方向を示すベク
トルを記載した地形図を容易に作成することができる。 【００２３】なお、上記実施の形態では、閉鎖性内湾の
海域における潮流の流動シミュレーション表示システム
として説明したが、例えば、上記閉鎖性内湾に浮遊構造
物が設けられた場合には、浮遊構造物の喫水を第一層の
層厚と同じにして浮遊構造物側面では完全反射の条件を
用いて浮遊構造物底面での鉛直流速を求め、水位が変化
しても浮遊構造物自体は上下運動しないと仮定し、上記
連続の式（式１）を用いて浮遊構造物が配置された場合
の潮流の演算結果を表示するようにしてもよい。 【００２４】 【発明の効果】本発明の流動シミュレーション表示シス
テムによると、ＧＩＳが有する地理情報を基に、所定の
パラメータを入力するといった作業のみで容易に所望と
する所定海域（特に閉鎖性内湾等）の流動シミュレーシ
ョン結果として流速と方向を有する３次元多層モデルと
してベクトルで即座に表示することができる。また、表
示された流動シミュレーション結果を視認し、開境界の
潮位高の入力パラメータを再入力することにより、例え
ば天候等の変化による海洋状況にあった流動シミュレー
ションを即座に再度表示することができるといった利点
がある。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムの概略構成図である。 【図２】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムで使用する海域を鉛直方向に多層分割
した３次元多層モデルの説明図である。 【図３】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムで使用するための数値地図をＧＩＳ用
に変換し表示した地形の説明図である。 【図４】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける地形にメッシュ作成を行った
様子の説明図である。 【図５】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける地形の陸地部分とのクリッピ
ングを行う様子の説明図である。 【図６】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける陸地部分のメッシュの削除を
行う様子の説明図である。 【図７】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける水深データに基づいたコンタ
ー図である。 【図８】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける水深を修正したコンター図で
ある。 【図９】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレーシ
ョン表示システムにおける計算用パラメータの入力画面
と入力データの説明図である。 【図１０】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレー
ション表示システムにより流量とその方向が表示された
結果の説明図である。 【図１１】本発明の一実施の形態に係る流動シミュレー
ション表示システムを実行する様子のフローチャートで
ある。 【図１２】従来の流動シミュレーションを行うためにメ
ッシュを描いた海図の説明図である。 【図１３】従来の流動シミュレーションを行うための地
形データの説明図である。 【図１４】従来の流動シミュレーションを行う計算パラ
メータの説明図である。 【図１５】従来の流動シミュレーションを行った演算結
果の説明図である。 【符号の説明】 １・・流動シミュレーションシステム ２・・パーソナルコンピュータ ３・・ＧＩＳアプリケーションソフトウエア ４・・地形作成手段 ５・・メッシュ作成手段 ６・・水深マップ作成手段 ７・・演算用データ入力手段 ８・・数値演算手段 ９・・演算結果表示手段 １０・・記憶手段 １１・・ＣＰＵ（制御手段） １２・・入力装置 １３・・表示装置 １４・・出力装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 入力装置、演算装置および表示装置を備
   え、ＧＩＳ（Geographic Information Systemの略）ア
   プリケーションソフトウエアに所定の指示をする制御手
   段を有するコンピュータからなる流動シミュレーション
   表示システムであって、 数値による地理情報を所定の地理データ形式に変換し、
   その地理データを地図表示に編集・加工する地形作成手
   段と、 前記地形作成手段により作成された地図表示の必要部分
   に所定幅のメッシュを生成するメッシュ作成手段と、 前記地形作成手段により作成された地理データに水深デ
   ータを付加し、メッシュについての鉛直方向のマップを
   作成する水深マップ作成手段と、 所定の入力様式で画面に表示し、少なくともHorizontal
   Mesh Size（水平方向メッシュサイズ）、Vertical Mes
   h（鉛直方向メッシュサイズ）、Friction Coefficient
   of Bottom（海底摩擦係数）、Drag Coefficient（層間
   摩擦係数）、Horizontal Eddy Viscosity（水平方向渦
   動粘性係数）、Vertical Eddy Viscosity（鉛直方向渦
   動粘性係数）、Time Interval（時間間隔）、Coriolis
   Parameter（コリオリ力のパラメータ）、Open Boundary
   Condition（開境界条件）の各値をパラメータとして入
   力させる演算用データ入力手段と、 前記メッシュ作成手段と前記水深マップ作成手段と、 前記演算用データ入力手段により入力されたパラメータ
   を用いて、 式１ 式２ の差分化演算を行う数値演算手段と、 前記数値演算手段により算出された演算結果を、前記メ
   ッシュ作成手段により作成された各メッシュ毎に、その
   メッシュの中心位置に流速の大きさと方向を可変ベクト
   ルとして前記表示装置に表示する演算結果表示手段と、
   からなることを特徴とする流動シミュレーション表示シ
   ステム。