JP2007292465A - シミュレーション方法、シミュレーションプログラムおよびシミュレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】観測される全体空間内に存在する実水滴において当該実水滴同士が所定体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、実水滴が、任意個数の属性と初期時刻における全体空間を分割した分割空間内の位置座標とで表され、予め設定した所定の同属性を有する実水滴の任意数ごとの集合を超水滴とし、当該任意数を当該超水滴の多重度とし、当該超水滴が所定確率を基準に多重度に応じた確率で衝突し、衝突して併合した際に多重度が変化する場合に、超水滴に関するデータを演算することで、任意時間後の実水滴に関するデータを出力するシミュレーション装置1であって、入力手段3と、データ記憶手段5と、微物理モデル演算手段7と、流体力学モデル演算手段9と、出力手段11とを備えた。
【選択図】図1
Description
雲の微物理過程のシミュレーションに関しては、雲が1立方メートル当たり、約109個の膨大な数の水滴から構成されていることから、当該雲のすべての微物理過程を厳密に計算することは、現存するいかなるコンピュータを用いても実現不可能であり、今後実現される見通しもない。
D.T.Gillespie,"An Exact Method for Numerically Simulating the Stochastic C-oalescence Process in a Cloud,"J.Atoms.Sci.,32,1977(1975) M.SeeB「ドイツ語のエスツェット」elberg,T.Trautmann,and M.Thorn,"Stochastic simulations as a benchmark for mathematical methods solving the coalescence equation,"Atmos.Res.,40,33(1996) A.Bott,"A Flux Method for the Numerical Solution of the Stochastic Collection Equation,"J.Atoms.Sci.,55,2284(1998) A.Bott,"A Flux Method for the Numerical Solution of the Stochastic Collection Equation:Extension to Two-Dimensional Particle Distributions,"J.Atoms.Sci.,57,284(2000) E.Kessler,"On the Distribution and Continuity of Water Substance in Atomspheric Circulations,"Met.Monograph,Vol.10,No.32,American Meteorological Society,Boston,84 pp M.Murakami,"Numerical Modeling of Dynamical and Microphysical Evolution of an Isolated Convective Cloud,"J.Meteor.Soc.Japan,68,107(1990) B.H.Lynn,et al.,"Spectral(Bin) Microphysics Coupled with a Mesoscale Model(MM5).Part I:Model Description and First Results,"Mon.Wea.Rev.,133,44(2005)
(シミュレーション装置の構成)
図1はシミュレーション装置のブロック図である。この図1に示すように、シミュレーション装置1は、実粒子の一形態である水滴に着目し、同属性を有する複数の水滴を超水滴として取り扱う超水滴モデルを用いて、観測される全体空間における経過時間に伴う当該水滴の変化をシミュレーションすることで、雲の形成、降雨等の自然現象を予測するもので、入力手段(変数入力手段)3と、データ記憶手段5と、微物理モデル演算手段7と、流体力学モデル演算手段9と、出力手段11とを備えている。
超水滴の凝結成長は、全体空間内に存在する実水滴が凝結核の量と周辺の湿度に応じて大気中の水蒸気を吸収または放出する法則に従うのと同様に、この法則に従って直接計算することができる。
全体空間は、自然現象が観測される空間、自然現象の動向を予測したい空間の約数キロ範囲を設定することができる。この全体空間は、当該全体空間の体積を特定可能なx軸、y軸およびz軸方向の長さを備えており、任意の大きさを有することができる。なお、この任意の大きさとは、全体空間が数キロ範囲に限定されるものではなく、例えば、数ミリ四方の空間であるとか、数千キロの広範囲に亘る空間であってもよい。また、全体空間の形状は、直方体に限定されず、任意の形状であってもよい。
ROY.METEOR.SOC.98,681(1972)
超水滴衝突併合演算手段7cは、まず、時刻tにおける各超水滴の位置を調べ、各超水滴を分割空間ごとに予め分類しておく。ある分割空間に超水滴がN個存在しているとし、各超水滴l=1,2,・・・,Nはそれぞれnl個(nは任意の整数)の多重度を持つとする。
また、数式(10)において“´”の付いた量は、衝突併合後に更新された値である。そして、超水滴衝突併合演算手段7cでは、数式(8)および数式(9)に示した演算を全ての分割空間について行って、多重度が0になったら超水滴は除外していく。これによって、時刻tにおける衝突併合の演算は終了し、時刻t+Δtの状態が得られることとなる。
以上説明したように、超水滴衝突併合演算手段7cは、超水滴同士の衝突併合について演算を実行している。
この流体力学モデル演算手段9では、次に示す数式(11)から数式(15)までを用いて、雲の流体力学過程の演算を行っている。
次に、図6に示すフローチャートを参照して、シミュレーション装置1の動作について説明する(適宜、図1参照)。
まず、シミュレーション装置1は、入力手段3に、初期変数が入力され、これにより、当該装置1で演算に必要とされる種々の変数が設定される(ステップS1)。続いて、シミュレーション装置1は、入力手段3によって入力された初期変数を、データ記憶手段5に記憶する(ステップS2)。
次に、シミュレーション装置1による具体的な計算例と、シミュレーション結果について説明する。
まず、シミュレーション装置1に入力される初期変数を、以下のように設定する。初期時刻time=0[sec]、時間ステップΔt=0.2[sec]、総計算時間max_time=5400.0[sec]、分割空間の高さΔz=40[m]、分割空間の幅Δx=50[m]、全体空間の高さmax_z=10[km]、全体空間の幅max_x=12[km]、垂直方向の分割空間の個数iz_max=max_z/Δz=250[個]、水平方向の分割空間の個数ix_max=max_x/Δx=240[個]、超水滴の総個数N=2.4×107[個]を初期変数として設定する。
次に、シミュレーション装置1による演算結果(シミュレーション結果)について、図7から図15を参照して説明する(適宜、図1参照)。
図7から図15までは、横軸に全体空間の幅[m]をとり、縦軸に全体空間の高さ[m]をとり、各時刻における雲の生成状態を示したものである。
これまでのシミュレーション装置1の説明は、実水滴の経過時間における変化を、超水滴モデルを用いてシミュレーションすることについて述べてきた。これより、シミュレーションの対象を実水滴から実粒子に拡張する場合、すなわち、超水滴モデルを用いた方法から超粒子モデルを用いた方法(超粒子法)に拡張する場合について説明する。
或いは、超粒子法において、単体分裂の分裂過程が、衝突併合の過程や衝突分裂の過程よりも支配的な場合、当該超粒子法による数値シミュレーションの際に、全超粒子数が経過時間と共に急激に増加していくことが想定され、計算効率が悪くなる可能性がある。
「q」j´=「q」j、「q」k´=「q」k
ちなみに、超水滴の位置「r」とは、超粒子の「q」に該当している。
まず、雲形成・降雨現象で適用した超水滴においては、衝突併合の結果生成された超水滴の位置「q」´を決定する条件付き確率分布θc(「A」j,「A」k,「q」j,「q」k,「A」´,ΔV;「q」´)の具体的な関数形に重要な物理的意味合いは存在していない。つまり、数値シミュレーションにより、再現される雲形成・降雨現象は、θcの与え方には大きく因らない(超水滴の前提となる、個々の実水滴の位置のΔV程度ずれと雲形成・降雨現象との相関関係はほとんどない)と推測される。
入力手段(変数入力手段)3aは、実粒子の種別、属性等の実粒子に関するデータと、当該実粒子が存在している流体に関するデータ(周辺環境データ、流体変数)と、計算時間に関するデータ(初期時刻、時間ステップ(刻み時刻)、総計算時間)とを初期変数として入力するものである。
超粒子属性更新手段13bは、前記した数式(29)に従った演算を実行し、超粒子の属性について演算するものである。
流体場更新手段13dは、前記した数式(24)および数式(25)に従った演算を実行し、超粒子が存在している流体について演算するものである。
超粒子単体分裂演算手段13fは、超粒子がある確率、或いは決定論に従って2個以上に分裂することについて演算するものである。
前記した雲・降雨の超水滴モデルでは、実水滴が実粒子に当たり、湿潤大気が流体に当たる。そして、実水滴の属性は半径と凝結核の量である。速度は終端速度を与える事にしたので、これは独立な属性でない。また、半径の時間発展は数式(2)で与えられる。凝結核の量は衝突併合の際を除いて時間変化しないので、明示的に書けばdM/dt=0である。また、衝突効率はEjk(Rj,Rk)として与えた。
次に、図17に示すフローチャートを参照して、シミュレーション装置1Aの動作について説明する(適宜、図16参照)。なお、この動作において、超粒子属性更新手段13bおよび流体場更新手段13dによって、超粒子の属性の更新および流体場の更新は適宜行われていくこととして、説明を省略している。
次に、直近の従来技術であるKIVA+拡張NTC法(D.P.Schmidt and C.J.Rutland,”A New Droplet Collision Algorithm,”J.Comput.Phys.,164,62-80(2000))と本願との顕著な差について説明する。
このKIVA+拡張NTC法と超粒子法(超水滴法)との相違点は、衝突併合操作の際のペアの作り方である。超粒子法では、ある分割空間内のN個の超粒子のうち、各超粒子の相手が一つに定まった“[N/2個]”のペアをつくるが、KIVA+拡張NTC法はそういった操作を行わない。
3、3a 入力手段
5、5a データ記憶手段
7 微物理モデル演算手段
7a 超水滴運動演算手段
7b 超水滴凝結成長演算手段
7c 超水滴衝突併合演算手段
9 流体力学モデル演算手段
11、11a 出力手段
13 演算手段
13a 超粒子運動演算手段
13b 超粒子属性更新手段
13c 超粒子衝突併合演算手段
13d 流体場更新手段
13e 超粒子衝突分裂演算手段
13f 超粒子単体分裂演算手段
Claims (10)
- 観測される空間内に存在する実粒子において当該実粒子同士が当該空間内における所定区画とする体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実粒子が、任意個数の属性と初期時刻における当該属性の1つである速度と初期時刻における前記空間上の位置座標とで表され、
前記空間内を満たす流体が前記初期時刻からの経過時間と前記空間との関数で表される任意個数の流体場変数によって特徴付けられ、
予め設定した所定の同属性を有する前記実粒子の任意数ごとの集合を超粒子とし、当該任意数を当該超粒子の多重度とし、当該超粒子が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超粒子に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実粒子に関するデータを出力するシミュレーション方法であって、
前記初期時刻と前記超粒子の属性と前記超粒子の総個数と前記体積と前記超粒子の速度と前記超粒子の位置座標と前記流体場変数とを初期変数として入力する入力ステップと、
この入力ステップにて入力された初期変数に基づいて、前記経過時間に伴った実粒子の運動が前記体積と前記速度と前記位置座標と前記流体場変数とに従って前記属性ごとに規定される属性時間発展方程式、前記実粒子の速度と位置座標との関係を規定した位置座標時間発展方程式および所定時間内に前記超粒子同士が前記確率で衝突するとしたモンテカルロ演算により、衝突した後の前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度を演算すると共に、前記流体の変化が前記流体場変数および前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度に基づいて規定される流体場時間発展方程式により、前記流体場変数を演算する演算ステップと、
この演算ステップにより前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度の演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記実粒子の任意時間後の属性、速度、位置座標および個数に関するデータとして出力すると共に、前記流体に関するデータを出力する出力ステップと、
を含むことを特徴とするシミュレーション方法。 - 観測される空間内に存在する実粒子において当該実粒子同士が当該空間内における所定区画とする体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実粒子が、任意個数の属性と初期時刻における当該属性の1つである速度と初期時刻における前記空間上の位置座標とで表され、
前記空間内を満たす流体が前記初期時刻からの経過時間と前記空間との関数で表される任意個数の流体場変数によって特徴付けられ、
予め設定した所定の同属性を有する前記実粒子の任意数ごとの集合を超粒子とし、当該任意数を当該超粒子の多重度とし、当該超粒子が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超粒子に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実粒子に関するデータを出力するために、コンピュータを、
前記初期時刻と前記超粒子の属性と前記超粒子の総個数と前記体積と前記超粒子の速度と前記超粒子の位置座標と前記流体場変数とを初期変数として入力する入力手段、
この入力手段で入力された初期変数に基づいて、前記経過時間に伴った実粒子の運動が前記体積と前記速度と前記位置座標と前記流体場変数とに従って前記属性ごとに規定される属性時間発展方程式、前記実粒子の速度と位置座標との関係を規定した位置座標時間発展方程式および所定時間内に前記超粒子同士が前記確率で衝突するとしたモンテカルロ演算により、衝突した後の前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度を演算すると共に、前記流体の変化が前記流体場変数および前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度に基づいて規定される流体場時間発展方程式により、前記流体場変数を演算する演算手段、
この演算手段により前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度の演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記実粒子の任意時間後の属性、速度、位置座標および個数に関するデータとして出力すると共に、前記流体に関するデータを出力する出力手段、
として機能させることを特徴とするシミュレーションプログラム。 - 観測される空間内に存在する実粒子において当該実粒子同士が当該空間内における所定区画とする体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実粒子が、任意個数の属性と初期時刻における当該属性の1つである速度と初期時刻における前記空間上の位置座標とで表され、
前記空間内を満たす流体が前記初期時刻からの経過時間と前記空間との関数で表される任意個数の流体場変数によって特徴付けられ、
予め設定した所定の同属性を有する前記実粒子の任意数ごとの集合を超粒子とし、当該任意数を当該超粒子の多重度とし、当該超粒子が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超粒子に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実粒子に関するデータを出力するシミュレーション装置であって、
前記初期時刻と前記超粒子の属性と前記超粒子の総個数と前記体積と前記超粒子の速度と前記超粒子の位置座標と前記流体場変数とを初期変数として入力する入力手段と、
この入力手段で入力された初期変数に基づいて、前記経過時間に伴った実粒子の運動が前記体積と前記速度と前記位置座標と前記流体場変数とに従って前記属性ごとに規定される属性時間発展方程式、前記実粒子の速度と位置座標との関係を規定した位置座標時間発展方程式および所定時間内に前記超粒子同士が前記確率で衝突するとしたモンテカルロ演算により、衝突した後の前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度を演算すると共に、前記流体の変化が前記流体場変数および前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度に基づいて規定される流体場時間発展方程式により、前記流体場変数を演算する演算手段と、
この演算手段により前記超粒子の属性、速度、位置座標、個数および多重度の演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記実粒子の任意時間後の属性、速度、位置座標および個数に関するデータとして出力すると共に、前記流体に関するデータを出力する出力手段と、
を備えることを特徴とするシミュレーション装置。 - 観測される全体空間内に存在する実水滴において当該実水滴同士が所定体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実水滴が、任意個数の属性と初期時刻における前記全体空間を分割した分割空間内の位置座標とで表され、
予め設定した所定の同属性を有する前記実水滴の任意数ごとの集合を超水滴とし、当該任意数を当該超水滴の多重度とし、当該超水滴が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突して併合した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超水滴に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実水滴に関するデータを出力するシミュレーション方法であって、
前記初期時刻と前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積と前記超水滴の位置座標と当該分割空間ごとの前記実水滴の周辺環境に関するデータである周辺環境データとを、初期変数として入力する変数入力ステップと、
前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積とに基づいて、前記全体空間内における前記超水滴の運動による位置変化、前記超水滴の凝結成長による水量変化および前記超水滴同士の衝突併合による超水滴の属性、多重度および個数変化を演算し、当該超水滴に基づいて規定される実水滴の質量を求め、当該実水滴の質量に基づき前記超水滴から大気への相互作用量を得る微物理モデル演算ステップと、
この微物理モデル演算ステップにて得られた前記相互作用量および前記周辺環境データに基づいて、前記実水滴の存在する大気の流体力学過程の演算を行うと共に、この演算結果を前記微物理モデル演算ステップにフィードバックする流体力学モデル演算ステップと、
この流体力学モデル演算ステップと前記微物理モデル演算ステップとによる演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記任意時間後の前記実水滴に関するデータとして出力すると共に、前記任意時間後の前記周辺環境データを出力する出力ステップと、
を含むことを特徴とするシミュレーション方法。 - 観測される全体空間内に存在する実水滴において当該実水滴同士が所定体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実水滴が、任意個数の属性と初期時刻における前記全体空間を分割した分割空間内の位置座標とで表され、
予め設定した所定の同属性を有する前記実水滴の任意数ごとの集合を超水滴とし、当該任意数を当該超水滴の多重度とし、当該超水滴が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突して併合した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超水滴に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実水滴に関するデータを出力するために、コンピュータを、
前記初期時刻と前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積と前記超水滴の位置座標と当該分割空間ごとの前記実水滴の周辺環境に関するデータである周辺環境データとを、初期変数として入力する変数入力手段、
前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積とに基づいて、前記全体空間内における前記超水滴の運動による位置変化、前記超水滴の凝結成長による水量変化および前記超水滴同士の衝突併合による超水滴の属性、多重度および個数変化を演算し、当該超水滴に基づいて規定される実水滴の質量を求め、当該実水滴の質量に基づき前記超水滴から大気への相互作用量を得る微物理モデル演算手段、
この微物理モデル演算手段で得られた前記相互作用量および前記周辺環境データに基づいて、前記実水滴の存在する大気の流体力学過程の演算を行うと共に、この演算結果を前記微物理モデル演算手段にフィードバックする流体力学モデル演算手段、
この流体力学モデル演算手段と前記微物理モデル演算手段とによる演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記任意時間後の前記実水滴に関するデータとして出力すると共に、前記任意時間後の前記周辺環境データを出力する出力手段、
として機能させることを特徴とするシミュレーションプログラム。 - 前記微物理モデル演算手段は、
前記超水滴にかかる重力および空気抵抗が釣り合った状態で、前記超水滴の運動が風速によって変化し、当該風速に対して一定の相対速度である終端速度で運動するものとして、当該終端速度を演算する超水滴運動演算手段と、
前記超水滴に含まれる水量が前記周辺環境データに含まれる湿度によって変化するものとして、当該水量を演算する超水滴凝結成長演算手段と、
前記超水滴同士が衝突する任意のペアを設定し、当該ペアが衝突併合する確率を衝突併合確率とし、前記ペアの数を所定数に削減すると共に前記衝突併合確率を所定幅上昇させて、前記超水滴同士の衝突併合による超水滴の属性、多重度および個数を演算する超水滴衝突併合演算手段と、
を有することを特徴とする請求項5に記載のシミュレーションプログラム。 - 超水滴衝突併合演算手段は、前記衝突併合の過程をモンテカルロ法による数値シミュレーションに従って演算することを特徴とする請求項6に記載のシミュレーションプログラム。
- 観測される全体空間内に存在する実水滴において当該実水滴同士が所定体積内で所定時間内に所定確率で衝突する際に、
前記実水滴が、任意個数の属性と初期時刻における前記全体空間を分割した分割空間内の位置座標とで表され、
予め設定した所定の同属性を有する前記実水滴の任意数ごとの集合を超水滴とし、当該任意数を当該超水滴の多重度とし、当該超水滴が前記所定確率を基準に前記多重度に応じた確率で衝突し、衝突して併合した際に前記多重度が変化する場合に、
前記超水滴に関するデータを演算することで、任意時間後の前記実水滴に関するデータを出力するシミュレーション装置であって、
前記初期時刻と前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積と前記超水滴の位置座標と当該分割空間ごとの前記実水滴の周辺環境に関するデータである周辺環境データとを、初期変数として入力する変数入力手段と、
前記超水滴の属性と前記超水滴の総個数と前記全体空間の体積と前記分割空間の体積とに基づいて、前記全体空間内における前記超水滴の運動による位置変化、前記超水滴の凝結成長による水量変化および前記超水滴同士の衝突併合による超水滴の属性、多重度および個数変化を演算し、当該超水滴に基づいて規定される実水滴の質量を求め、当該実水滴の質量に基づき前記超水滴から大気への相互作用量を得る微物理モデル演算手段と、
この微物理モデル演算手段で得られた前記相互作用量および前記周辺環境データに基づいて、前記実水滴の存在する大気の流体力学過程の演算を行うと共に、この演算結果を前記微物理モデル演算手段にフィードバックする流体力学モデル演算手段と、
この流体力学モデル演算手段と前記微物理モデル演算手段とによる演算を、前記任意時間に達するまで繰り返した後に、繰り返した後の結果を前記任意時間後の前記実水滴に関するデータとして出力すると共に、前記任意時間後の前記周辺環境データを出力する出力手段と、
を備えることを特徴とするシミュレーション装置。 - 前記微物理モデル演算手段は、
前記超水滴にかかる重力および空気抵抗が釣り合った状態で、前記超水滴の運動が風速によって変化し、当該風速に対して一定の相対速度である終端速度で運動するものとして、当該終端速度を演算する超水滴運動演算手段と、
前記超水滴に含まれる水量が前記周辺環境データに含まれる湿度によって変化するものとして、当該水量を演算する超水滴凝結成長演算手段と、
前記超水滴同士が衝突する任意のペアを設定し、当該ペアが衝突併合する確率を衝突併合確率とし、前記ペアの数を所定数に削減すると共に前記衝突併合確率を所定幅上昇させて、前記超水滴同士の衝突併合よる超水滴の属性、多重度および個数を演算する超水滴衝突併合演算手段と、
を有することを特徴とする請求項8に記載のシミュレーション装置。 - 前記超水滴衝突併合演算手段は、前記衝突併合の過程をモンテカルロ法による数値シミュレーションに従って演算することを特徴とする請求項9に記載のシミュレーション装置。
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