JP4336959B2 - 海洋環境解析方法／プログラム／プログラム記録媒体／装置 - Google Patents

Description

本発明は、日本周辺に発生する中規模渦と海底地形の相互作用を明らかにするための海洋環境解析技術に関する。

海洋物理学の研究において、黒潮などの西岸境界流に見られる大蛇行などの変動には、日本周辺海域で発生する中規模渦と海底凹凸の相互作用が寄与すると言われている（非特許文献１参照）。

従来、中規模渦と海底地形の相互作用を解析する場合、数値海洋モデル（非特許文献２、３参照）の海底地形を種々変化させ、対応して得られる、数値海洋モデルによる流れ場の計算結果と観測結果との類似性を議論するといった試行錯誤的な方法が取られていた。
Ｔ．Ｅｎｄｏｈ ａｎｄ Ｔ．Ｈｉｂｉｙａ, "Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｕｒｏｓｈｉｏ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｍｅａｎｄｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｏｕｔｈ ｏｆ Ｊａｐａｎ"， Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ． １０６， ２６８３３−２６８５０（２００１）． Ｇ．Ｌ．Ｍｅｌｌｏｒ, "Ｕｓｅｒｓ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ａ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ， ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｏｃｅａｎ ｍｏｄｅｌ （Ｊｕｌｙ １９９８ ｖｅｒｓｉｏｎ）"，Ｒｅｐ．， Ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎ Ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｎｄ Ｏｃｅａｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ， ｐｐ．４１（１９９８）． Ｇ．Ｌ．Ｍｅｌｌｏｒ， Ｔ．Ｅｚｅｒ， ａｎｄ Ｌ．−Ｙ．Ｏｅｙ，"Ｔｈｅ ｐｒｅｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｏｎｕｎｄｒｕｍ ｏｆ ｓｉｇｍａ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｃｅａｎ ｍｏｄｅｌｓ"， Ｊ． Ａｔｏｍｓ． Ｏｃｅａｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌ． １１, １１２６-１１３４（１９９４）．

しかしながら、従来の方法は、流れの場が海底地形によってどのような影響を受けるかを明らかにし、その結果として、渦発生の物理過程を明確に示すことができないという問題があった。

そこで本発明の目的は、流れの場が海底地形によってどのような影響を受けるかを明らかにし、その結果として、渦発生の物理過程を明確に示すことのできる海洋環境解析方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の海洋環境解析方法は、数値海洋モデルの海底形状を任意に設定し、数値海洋モデルにもとづき、水温、塩分、流速などの海洋環境の時空間データを算出する。そして、海洋環境の時空間データにもとづき、ポテンシャルエネルギー、運動エネルギー、エネルギー変換率を算出する。これらのパラメータに関して、異なる海底地形によるものどうしで差分をとり、差分結果を表示する。

本発明では、任意に設定した異なる２つの海底地形にもとづいて実行される数値海洋モデルの算出結果について、ポテンシャルエネルギー、運動エネルギー、エネルギー変換率、２つの海底地形に関するこれらエネルギーパラメータの差分値を算出して表示することによって、海底地形によるエネルギー分布およびエネルギー変換の物理過程を相対的に把握することができる。

以上説明したように、本発明によれば、海底地形によるエネルギー分布および変換過程を相対的に把握し、渦発生の物理過程を明確にすることができる。具体的には次のとおりである。

エネルギーパラメータの空間的な変化傾向の時間変化を表示できるので、エネルギーおよびエネルギー変換率が顕著な領域を確認できる。

エネルギーパラメータの空間平均値の時間変化を表示できるので、季節によるエネルギー変化の原因を推定できる。

エネルギー収支の時間変化を確認できるので、どのエネルギーからどのエネルギーへの変換が顕著か確認できる。

エネルギーパラメータに関し、２つの異なる海底地形の数値海洋モデルによる差異を確認できるので、エネルギー変換に寄与する海底地形の特徴を推定することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１を参照すると、本発明の一実施形態の海洋環境解析装置は、海底地形データ入力部１と、数値海洋モデル部２と、エネルギー算出部３と、エネルギー変換率算出部４と、エネルギーパラメータ差分算出部５と、エネルギーパラメータ表示部６を含む。

海底地形データ入力部１は、オペレータ入力または既存の数値海底地形データを入力・平滑化する。そして、海底地形データ１１を数値海洋モデル部２に出力する。

数値海洋モデル部２は、海底地形データ１１を受け取り、水温、塩分、流速などの海洋環境の時空間データを算出する。そして、海洋環境データ１２を、エネルギー算出部３とエネルギー変換率算出部４に出力する。

エネルギー算出部３は、数値海洋モデル部２の算出による海洋環境データ１２にもとづき、平均場および渦場におけるポテンシャルエネルギーおよび運動エネルギーを算出する。そして、算出したエネルギー１３を、エネルギー変換率算出部４とエネルギーパラメータ差分算出部５とエネルギーパラメータ表示部６に出力する。

エネルギー変換率算出部４は、数値海洋モデル部２の算出による海洋環境データ１２およびエネルギー算出部３によるエネルギー１３にもとづき、エネルギー変換率関連パラメータを算出する。そして、算出したエネルギー変換率１４をエネルギーパラメータ差分算出部５とエネルギーパラメータ表示部６に出力する。

エネルギーパラメータ差分算出部５は、異なる２つの海底地形データにもとづいてエネルギー算出部３およびエネルギー変換率算出部４が算出した各パラメータどうしの差分値を算出する。そして、算出したエネルギー差分値１５とエネルギー変換率差分値１６を、エネルギーパラメータ表示部６に出力する。

エネルギーパラメータ表示部６は、エネルギー算出部３、エネルギー変換率算出部４およびエネルギーパラメータ差分算出部５が算出した各パラメータの空間分布および空間平均値の時系列データを表示する。

次に、本実施形態の海洋環境解析装置の動作について、図面を参照して詳細に説明する。

海底地形データ入力部１は、オペレータ入力もしくは既存の海底地形データを入力・平滑化する。図２は、オペレータによる海底地形データの具体的な入力方法を示したものである。二次元画面上で計算格子上の任意の点を指定することにより深度データを入力する方法や、任意に指定した２点間を結ぶ線分下の深度データを入力する方法などがある。また、既存の数値海底地形データを電子的に入力し、平滑化を行う。平滑化に当たっては、非特許文献３（Ｇ．Ｌ．Ｍｅｌｌｏｒ， Ｔ．Ｅｚｅｒ， ａｎｄ Ｌ．−Ｙ．Ｏｅｙ，“Ｔｈｅ ｐｒｅｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｏｎｕｎｄｒｕｍ ｏｆ ｓｉｇｍａ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｃｅａｎ ｍｏｄｅｌｓ”， Ｊ． Ａｔｏｍｓ． Ｏｃｅａｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌ． １１, １１２６-１１３４（１９９４）．）による式（１）のクライテリアを満足するように設定し、数値海洋モデル部２による算出に支障が生じないような方法を含む。

ここで、Ｈ_i+1およびＨ_iは、近接する２点間における深度データ、αは傾斜ファクターである。

数値海洋モデル部２は、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｏｃｅａｎ Ｍｏｄｅｌ、Ｍｏｄｕｌａｒ Ｏｃｅａｎ Ｍｏｄｅｌなどの数値海洋モデルにもとづき、水温、塩分、流速といった海洋環境データを３次元空間、任意の時間について算出し、計算格子データとしてすべての格子上に設定する。算出の原理は、回転地球上の海水の運動方程式、質量保存式、熱量保存式、塩分保存式を数値的に算出するものであり、詳細は非特許文献２（Ｇ．Ｌ．Ｍｅｌｌｏｒ, “Ｕｓｅｒｓ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ａ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ， ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｏｃｅａｎ ｍｏｄｅｌ （Ｊｕｌｙ １９９８ ｖｅｒｓｉｏｎ）”，Ｒｅｐ．， Ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎ Ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｎｄ Ｏｃｅａｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ， ｐｐ．４１（１９９８）．）によるほか、下記のホームページで開示されている。

Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｏｃｅａｎ Ｍｏｄｅｌ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｏｓ．ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ．ｅｄｕ／ＷＷＷＰＵＢＬＩＣ／ｈｔｄｏｃｓ．ｐｏｍ
Ｍｏｄｕｌａｒ Ｏｃｅａｎ Ｍｏｄｅｌ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｆｄｌ．ｇｏｖ／〜ｓｍｇ／ＭＯＭ／ＭＯＮ．ｈｔｍｌ。

エネルギー算出部３は、数値海洋モデル部２の算出による時空間データにもとづき、次のエネルギーを算出する。

平均場のポテンシャルエネルギー（Ｐｍ）
渦場のポテンシャルエネルギー（Ｐｅ）
平均場の運動エネルギー（Ｋｍ）
渦場の運動エネルギー（Ｋｅ）。

また、エネルギー算出部３は、上記の各エネルギー関連パラメータの空間平均値を式（２）により時間ごとに算出する。

ここで、ｉは経度方向の格子点番号、ｊは緯度方向の格子点番号、Ｘ（ｉ，ｊ）はエネルギーパラメータ、Ｍは経度方向の格子点数、Ｎは緯度方向の格子点数を示す。

エネルギー変換率算出部４は、数値海洋モデル部２による時空間データおよびエネルギー算出部３による各エネルギー項目にもとづき、緯度、経度、時間ごとに次のエネルギー変換率関連パラメータを算出する。

Ｐｍ→Ｋｍ変換率（ＰｍＫｍ）
Ｐｍ→Ｐｅ変換率（ＰｍＰｅ）
Ｋｍ→Ｋｅ変換率（ＫｍＫｅ）
Ｐｅ→Ｋｅ変換率（ＰｅＫｅ）
平均場のエネルギー散逸（Ｄｍ）
渦場のエネルギー散逸（Ｄｅ）
外力による平均場のエネルギー源（Ｆｍ）
外力による渦場のエネルギー源（Ｆｅ）
その他変換率関連パラメータ。

また、エネルギー変換率算出部４は、上記の各エネルギー変換率関連パラメータの空間平均値を時間ごとに算出する。算出は式（２）と同様である。

エネルギーパラメータ差分算出部５は、異なる２つの海底地形データにもとづいてエネルギー算出部３およびエネルギー変換率算出部４が算出した各パラメータどうしの差分値を算出する。差分値算出に当たっては、式（３）によりエネルギーパラメータの各水平格子について算出する。

ここで、Ｘ₁（ｉ，ｊ）およびＸ₂（ｉ，ｊ）は、異なる２つの海底地形データにもとづいて算出されたエネルギーパラメータを示す。

エネルギーパラメータ表示部６は、エネルギー算出部３、エネルギー変換率算出部４およびエネルギーパラメータ差分算出部５が算出した各パラメータの空間分布および空間平均値の時系列データを表示する。

図３は、エネルギーパラメータまたはエネルギーパラメータ差分値の空間分布の表示例を示す。オペレータ操作によりエネルギーパラメータ名、経度、緯度、時間点を設定することにより、設定された時間点において、横軸に経度、縦軸に緯度としてエネルギーパラメータの空間分布を表示する。また、設定した時間点が複数の場合、複数の時間点におけるエネルギーパラメータの空間分布をアニメーションで表示することも可能である。このように、エネルギーパラメータの空間的な変化傾向の時間変化を表示できるので、エネルギーおよびエネルギー変換率が顕著な領域を確認できる。

図４は、エネルギーパラメータまたはエネルギーパラメータ差分値の空間平均値の時系列表示例を示す。オペレータ操作により、エネルギーパラメータ名、時間点を設定することにより、設定された時間点におけるエネルギーパラメータの空間平均値の時系列データを表示する。このように、エネルギーパラメータの空間平均値の時間変化を表示できるので、季節によるエネルギー変化の原因を推定できる。

図５は、エネルギー収支のブロックダイヤグラムを示す。オペレータ操作により時間点を設定することにより、設定された時間点におけるエネルギー収支のブロックダイヤグラムを表示する。このように、エネルギー収支の時間変化を確認できるので、どのエネルギーからどのエネルギーへの変換が顕著か確認できる。

なお、海洋環境解析装置は、専用のハードウェアにより実現する以外に、その機能を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取りが可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムを海洋環境解析装置となるべきコンピュータシステムに読み込ませて実行することにより、実現するものでもよい。コンピュータ読み取りが可能な記録媒体とは、フロッピーディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク装置等の記憶装置を指す。さらに、コンピュータ読み取りが可能な記録媒体とは、インターネットを介してプログラムを送信する場合のように、短時間の間に、動的にプログラムを保持するもの（伝送媒体もしくは伝送波）、コンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含む。

本発明の一実施形態の海洋環境解析装置の構成を示す図である。 オペレータによる海底地形データの入力例である。 エネルギーパラメータまたはエネルギーパラメータ差分値の空間分布の表示例である。 エネルギーパラメータまたはエネルギーパラメータ差分値の空間平均値の時系列表示例である。 エネルギー収支のブロックダイヤグラムである。

符号の説明

１ 海底地形データ入力部
２ 数値海洋モデル部
３ エネルギー算出部
４ エネルギー変換率算出部
５ エネルギーパラメータ差分算出部
６ エネルギーパラメータ表示部
１１ 海底地形データ
１２ 海洋環境データ
１３ エネルギー
１４ エネルギー変換率
１５ エネルギー差分値
１６ エネルギー変換率差分値
２１ 海底地形データの任意点入力
２２ 海底地形データの線分入力
３１ エネルギーパラメータの空間分布
４１ エネルギーパラメータの空間平均値の時系列
５１ 平均場の運動エネルギーＫｍ
５２ 平均場のポテンシャルエネルギーＰｍ
５３ 渦場の運動エネルギーＫｅ
５４ 渦場のポテンシャルエネルギーＰｅ
５０１ Ｐｍ→Ｋｍ変換率
５０２ Ｋｍ→Ｋｅ変換率
５０３ Ｐｍ→Ｐｅ変換率
５０４ Ｐｅ→Ｋｅ変換率
５０５ 平均場のエネルギー散逸Ｄｍ
５０６ 渦場のエネルギー散逸Ｄｅ
５０７ 外力による平均場のエネルギー源
５０８ 外力による渦場のエネルギー源

Claims (8)

1. コンピュータが、流れの場が海底地形によってどのような影響を受けるかを明らかにし、その結果として、渦発生の物理過程を明確に示す海洋環境解析方法であって、
   前記コンピュータが、２つの異なる海底地形データの入力を受け付ける第１のステップと、
   前記コンピュータが、前記第１のステップで受け付けた海底地形データを数値海洋モデルに適用して、任意の空間位置および任意の時間についての海洋環境データを生成する第２のステップと、
   前記コンピュータが、前記第２のステップで生成された海洋環境データにもとづいて、任意の空間位置および任意の時間についての各種エネルギーを計算する第３のステップと、
   前記コンピュータが、前記第３のステップで計算された各種エネルギーの、前記２つの異なる海底地形に関する差分データを計算する第４のステップと、
   前記コンピュータが、前記第３のステップで計算された各種エネルギーと、前記第４のステップで計算された差分データを、表示手段に表示させる第５のステップを有する方法。
2. 前記コンピュータが、前記第２のステップで生成された海洋環境データと、前記第３のステップで計算された各種エネルギーにもとづいて、任意の空間位置および任意の時間について、エネルギー間の変換率を計算する第６のステップと、
   前記コンピュータが、前記第６のステップで計算されたエネルギー間の変換率の、前記２つの異なる海底地形に関する差分データを計算する第７のステップと、
   前記コンピュータが、前記第６のステップで計算されたエネルギー間の変換率と、前記第７のステップで計算された差分データを、前記表示手段に表示させる第８のステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記コンピュータが、前記第３のステップで計算された各種エネルギーおよび／または前記第６のステップで計算されたエネルギー間の変換率の、任意の時間における空間平均データを計算する第９のステップと、
   前記コンピュータが、前記第９のステップで計算された空間平均データの、前記２つの異なる海底地形に関する差分データを計算する第１０のステップと、
   前記コンピュータが、前記第９のステップで計算された空間平均データと、前記第１０のステップで計算された差分データを、前記表示手段に表示させる第１１のステップをさらに有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の各ステップを、コンピュータに実行させるプログラム。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の各ステップを、コンピュータに実行させるプログラムを記録した、コンピュータ読み取りが可能な記録媒体。
6. 流れの場が海底地形によってどのような影響を受けるかを明らかにし、その結果として、渦発生の物理過程を明確に示す海洋環境解析装置であって、
   ２つの異なる海底地形データの入力を受け付ける第１の手段と、
   前記第１の手段が受け付けた海底地形データを数値海洋モデルに適用して、任意の空間位置および任意の時間についての海洋環境データを生成する第２の手段と、
   前記第２の手段が生成した海洋環境データにもとづいて、任意の空間位置および任意の時間についての各種エネルギーを計算する第３の手段と、
   前記第３の手段が計算した各種エネルギーの、前記２つの異なる海底地形に関する差分データを計算する第４の手段と、
   前記第３の手段が計算した各種エネルギーと、前記第４の手段が計算した差分データを、表示手段に表示させる第５の手段を有する装置。
7. 前記第２の手段が生成した海洋環境データと、前記第３の手段が計算した各種エネルギーにもとづいて、任意の空間位置および任意の時間について、エネルギー間の変換率を計算する第６の手段をさらに有し、
   前記第４の手段は、前記第６の手段が計算したエネルギー間の変換率の、前記２つの異なる海底地形に関する差分データをさらに計算し、
   前記第５の手段は、前記第６の手段が計算したエネルギー間の変換率と、前記第４の手段が計算した差分データを、前記表示手段にさらに表示させる、請求項６に記載の装置。
8. 前記第３の手段は、計算した各種エネルギーの、任意の時間における空間平均データをさらに計算し、
   前記第６の手段は、計算したエネルギー間の変換率の、任意の時間における空間平均データをさらに計算し、
   前記第４の手段は、前記第３の手段および／または前記第６の手段が計算した空間平均データの、前記２つの異なる海底地形に関する差分データをさらに計算し、
   前記第５の手段は、前記第３の手段および／または前記第６の手段が計算した空間平均データと、前記第４の手段が計算した差分データを、前記表示手段にさらに表示させる、請求項６または７に記載の装置。

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