(57)【要約】【課題】  大気流動場シミュレーションに発生するエラーを最小化するためのものであって、高解像度地形資料と、前記高解像度地形資料から得られる低解像度地形資料間の高度差による影響を、低解像度地形資料を利用した大気流動場シミュレーションに反映することにより、低解像度地形資料から得られる大気流動場シミュレーションにおいて、高解像度地形資料を使用した大気流動場シミュレーションとの誤差を減らすことができるようにした。【解決手段】  地形解像度差による風速のシミュレーション誤差を減らすための大気流動シミュレーション方法であって、前記地形解像度差を地形粗度に導入して、これを地面条件に付加することにより、低解像度地形資料を利用した大気流動場の風速を補正する大気流動シミュレーション方法に関する。【選択図】  図２
2011054144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値模擬技法を活用して、特定高解像度地形高度モデル（ＤＥＭ：Digital Elevation Model）地形図から、高度が平均化された特定低解像度地形高度モデル地形図の一定区間に対する風速をシミュレーションする大気流動場シミュレーション方法であって、
前記高解像度地形高度モデルと前記低解像度地形高度モデル間の前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を獲得するステップと、
前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を利用し、前記一定区間に対する地形解像度変数を得るステップと、
前記一定区間に対する地形解像度変数を前記一定区間に対する地面条件に付加し、前記低解像度地形高度モデルの前記一定区間に対する風速を求めるステップと、
を含む地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法。
【請求項２】
前記地形解像度変数を得るステップは、
前記特定高解像度と前記特定低解像度における地形高度モデル間の高度平均平方根誤差値が互いに異なる２以上の仮想地形を生成するステップと、
前記仮想地形別に地形粗度を獲得するステップと、
前記仮想地形の高度平均平方根誤差と地形粗度値の関係から、高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式を導出する地形粗度定形化ステップと、
前記高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式に前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を代入し、前記一定区間に対する地形粗度を獲得するステップと、を含み、
前記一定区間に対する地形粗度を前記一定区間に対する地形解像度変数として利用することを特徴とする、請求項１に記載の地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法。
【請求項３】
前記風速を求めるステップは、獲得された前記一定区間に対する地形粗度と地面粗度とを比較するステップを含み、
前記地形粗度が地面粗度より大きい場合、地形粗度を地面条件に付加することを特徴とする、請求項２に記載の地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数値模擬技法を活用した大気流動場シミュレーション方法において、地形解像度差による風速のシミュレーション誤差を減らすための大気流動シミュレーション方法であって、さらに詳細には、前記地形解像度差を地形粗度に導入して、これを地面条件に付加することにより、低解像度地形資料を利用した大気流動場の風速を補正する大気流動シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気流動場シミュレーションに広く活用される電算流動シミュレーション法（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）は、複雑な地形による機械的な乱流混合特性を正確にシミュレーションできるという側面で、大気環境、風工学、風力発電など、様々な分野で核心的な予測及び評価手段として位置づけている。
【０００３】
大気流動場の電算流動シミュレーションにおいて、気象場境界条件と共に重要な入力資料は、地形資料である。韓国の場合、地形資料は、国土地理情報院の数値地図の等高線から格子点地形高度を抽出するか、米国地質調査所（ＵＳＧＳ）の９０ｍ解像度地形高度モデル（ＤＥＭ：Digital Elevation Model）であるＳＲＴＭ（Shuttle Radar Topography Mission）を利用する方法が普遍的であり、特別な場合、環境部の１０ｍ解像度ＤＥＭまたは国土地理情報院の１ｍ解像度ＤＥＭを活用することもできる。
【０００４】
しかしながら、電算シミュレーションの負荷のため、シミュレーション領域全体に対して、前記１ｍ解像度ＤＥＭなど、高解像度の地形資料をそのまま活用するには限界がある。したがって、電算流動シミュレーション時、関心部分または地形変化の大きい領域のみに対して地形分解能を高めることは別論として、実際、前記高解像度の地形資料を格子大きさに平均化する過程を経て、低解像度の地形資料に加工して利用するようになる。
【０００５】
図１は、１ｍ解像度ＤＥＭと１００ｍ解像度ＤＥＭを利用して電算流動シミュレーションした結果であって、地表面から高さ１０ｍにおける風速を比較したものである。
【０００６】
図１からみると、１００ｍ解像度ＤＥＭを利用したシミュレーション結果は、地形平均化によって地形が緩やかになり、風速が、１ｍ解像度ＤＥＭを利用したシミュレーション結果より高く表れることを確認することができる。これは、中立大気状態と仮定する場合、地表面付近における鉛直風速分布は地表面抗力、流体の密度に依存するため、当然の結果だと言えるが、ここで特に注目すべき点は、地形高度の平均化により下流地域では、シミュレーション誤差が累積的に大きく増加する現象を確認することができるという点である。特に、風力団地の位置選定のための大気流動場数値模擬時、シミュレーション範囲が数十ｋｍに至る可能性があるという点で、低解像度地形資料を利用したシミュレーション結果は、大きいエラーを内包する危険がある。
【０００７】
このように、前記低解像度の地形資料を使用すると、高解像度地形資料で表現される繊細な地形変化が無視され、地形が平坦化される効果が現れて、これは、特に地表面付近の大気流動場シミュレーションにエラーとして介入する問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記大気流動場シミュレーションに発生するエラーを最小化するためのものである。高解像度地形資料と、前記高解像度地形資料から得られる低解像度地形資料間の高度差による影響を、低解像度地形資料を利用した大気流動場シミュレーションに反映することにより、低解像度地形資料から得られる大気流動場シミュレーションにおいて、高解像度地形資料を使用した大気流動場シミュレーションとの誤差を減らすことができるようにした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、数値模擬技法を活用して、特定高解像度地形高度モデル（ＤＥＭ：Digital Elevation Model）地形図から、高度が平均化された特定低解像度地形高度モデル地形図の一定区間に対する風速をシミュレーションする、地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法であって、前記高解像度地形高度モデルと前記低解像度地形高度モデル間の前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を獲得するステップと、前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を利用し、前記一定区間に対する地形解像度変数を得るステップと、前記一定区間に対する地形解像度変数を前記一定区間に対する地面条件に付加し、前記低解像度地形高度モデルの前記一定区間に対する風速を求めるステップとを含む。
【００１０】
ここで、前記高度平均平方根誤差は、特定高解像度地形高度モデルと前記特定低解像度地形高度モデルでそれぞれ表示された地形図において、高度の差を二乗して求めた平均値の平方根である。
【００１１】
特に、前記地形解像度変数を得るステップは、前記特定高解像度と前記特定低解像度における地形高度モデル間の高度平均平方根誤差値が互いに異なる２以上の仮想地形を生成するステップと、前記仮想地形別に地形粗度を獲得するステップと、前記仮想地形の高度平均平方根誤差と地形粗度値の関係から、高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式を導出する地形粗度定形化ステップと、前記高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式に前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を代入し、前記一定区間に対する地形粗度を獲得するステップとを含み、前記一定区間に対する地形粗度を前記一定区間に対する地形解像度変数として利用することを特徴とする。
【００１２】
一方、前記風速を求めるステップは、獲得された前記一定区間に対する地形粗度と地面粗度とを比較するステップを含み、前記地形粗度が地面粗度より大きい場合、地形粗度を地面条件に付加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による大気流動場シミュレーションを通じて、地形資料の解像度差を地形粗度に導入することにより、大気流動場数値模擬に地形資料の解像度差を考慮することができるようになる。
【００１４】
これにより、低解像度地形資料に対する大気流動場数値模擬時に発生するシミュレーション誤差が減少するようになり、特に、広範囲な地域に対する風力団地設計時、大きな誤りを誘発する危険性が減少する長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】１ｍ解像度ＤＥＭと１００ｍ解像度ＤＥＭを利用した電算流動シミュレーショングラフである。
【図２】本発明による地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法の順序図である。
【図３】累積高度絶対誤差と風速絶対誤差の関係グラフである。
【図４】鉛直風速分布式の外挿グラフである。
【図５】仮想地形に対する仮想高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）と仮想地形粗度の関係である。
【図６】本発明による実施例の大気流動シミュレーション結果グラフである。
【図７】本発明による、また他の実施例における、３次元大気流動シミュレーション結果グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、上述のような特徴を有する本発明による地形解像度差を図２の順序図を参考して考慮した大気流動場シミュレーション方法を詳細に説明する。
【００１７】
本発明において、高度平均平方根誤差（Height  Root  Mean  Square  Error：Ｈ＿ＲＭＳＥ）は、相異なる地形高度モデルで表示された地形間の高度の差を二乗して求めた平均値の平方根である。例えば、特定高解像度地形高度モデルで表示された地形の高度（ＨＨ）と前記特定高解像度地形高度モデルから獲得された特定低解像度地形高度モデルで表示された地形の高度（ＨＬ）との差の平均値は、特定低解像度地形高度モデルの高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）として、下記式１のようになる。
【数１】
2011054144.tif 000003
【００１８】
本発明において風速絶対誤差（Wind Speed Absolute Error：Ｕ＿ＡＥ）とは、相異なる地形高度モデルで表示された地形からシミュレーションされた風速分布において、風速の差の絶対値である。特定高解像度地形高度モデルで表示された地形からシミュレーションされた風速（ＵＨ）分布と、前記特定高解像度地形高度モデルから獲得された特定低解像度地形高度モデルで表示された地形からシミュレーションされた風速（ＵＬ）分布との風速絶対誤差（Ｕ＿ＡＥ）は、下記式２のようになる。
【数２】
2011054144.tif 000004
【００１９】
本発明は、数値模擬技法を活用して、特定高解像度地形高度モデル（ＤＥＭ：Digital Elevation Model）地形図から、高度が平均化された特定低解像度地形高度モデル地形図の一定区間に対する風速をシミュレーションする地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法に関する。
【００２０】
大気流動場の数値模擬時は、入力される地形資料による電算負荷を減らすために、特定高解像度地形高度モデル地形図の資料を、格子間隔で平均値を求めて再構成することにより、高度が平均化される特定低解像度地形高度モデル地形図を再構成し、これを使用して風速をシミュレーションする。
【００２１】
この場合、特定高解像度地形高度モデル地形図に比べ比較的緩やかな地形変化を示すようになり、これにより、再構成された特定低解像度地形高度モデルを利用したシミュレーション時は、特定高解像度地形高度モデルを利用したシミュレーション時より風速が増加する誤りが発生する。
【００２２】
一方、特定高解像度地形高度モデルと前記特定高解像度地形高度モデルから得られた特定低解像度地形高度モデルとの累積高度絶対誤差と、前記特定高解像度地形高度モデルと特定低解像度地形高度モデルを利用したシミュレーション結果風速絶対誤差との関係をグラフで示すと図３のようになる。ここで累積高度絶対誤差は、前記累積高度絶対誤差と風速絶対誤差が図３において漸近的線形関係があるとして表れるため、特定地形解像度地形高度モデルの高度誤差を利用して風速誤差を減らすような主要変数として活用することができるようになる。
【００２３】
このために本発明は、図２の順序図に示されたように、前記高解像度地形高度モデルと前記低解像度地形高度モデル間の前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を獲得するステップと、前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を利用し、前記一定区間に対する地形解像度変数を得るステップと、前記一定区間に対する地形解像度変数を前記一定区間に対する地面条件に付加し、前記低解像度地形高度モデルの前記一定区間に対する風速を求めるステップとを含む地形解像度差を考慮した大気流動場シミュレーション方法を提案することにより、地形解像度差によるエラーを減らそうとしたものである。
【００２４】
前記一定区間に対する高度平均平方根誤差は、上述の式１から得られる。
【００２５】
前記一定区間に対する高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）から前記一定区間に対する地形解像度変数を得る過程は、具体的に以下のステップからなる。
前記特定高解像度と前記特定低解像度における地形高度モデル間の高度平均平方根誤差値が互いに異なる２以上の仮想地形を生成するステップ；
前記仮想地形別に地形粗度を獲得するステップ；
前記仮想地形の高度平均平方根誤差と地形粗度値の関係から、高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式を導出する地形粗度定形化ステップ；
前記高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式に前記一定区間に対する高度平均平方根誤差を代入し、前記一定区間に対する地形粗度を獲得するステップ；
前記地形粗度と地面粗度とを比較し、地形粗度が地面粗度より大きい場合、地形粗度を選択して付加するステップ。
【００２６】
まず、２以上の仮想地形を生成する。この際、前記仮想地形は、前記大気流動場シミュレーションで利用する特定高解像度と特定低解像度における地形高度モデル間の高度平均平方根誤差がそれぞれ相異なっている。
【００２７】
仮想地形の数は、後で高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）と地形解像度変数間の線形関係式を求めるためのものであるため、多数であることが有利であるが、２以上であれば十分である。
【００２８】
高度平均平方根誤差がそれぞれ異なる２以上の仮想地形が生成されてから、前記仮想地形に対してそれぞれ地形粗度を求める。仮想地形に対する地形粗度は、鉛直風速分布式から得られる。
【００２９】
具体的に仮想地形の１特定地点を定めて、前記特定地点に式３のような鉛直風速分布式により前記特定地点に対する仮想地形粗度を求めることができる。
【数３】
2011054144.tif 000005
風速（ｕ）と高度（ｚ）に関する式３の鉛直風速分布式において、ｕ＊は、摩擦速度、ｋは、フォンカルマン常数、ｚ０は、地面粗度である。
【００３０】
式３を変数ｌｎ（ｚ）とｕに関する一次式で簡単に示すと、式４のようになる。
【数４】
2011054144.tif 000006
ここで、ｕ＝０になる高度まで最もよく合わせた直線を図４のように外挿することにより、仮想地形の１特定地点に対する地面粗度（ｚ０）を求めることができる。同一な方法により、地形粗度（ｈ０）を地面粗度（ｚ０）に代入することにより、地形粗度を求めることができる。
【００３１】
仮想地形の任意の特定地点毎に、鉛直風速分布に局所的に差が生じ得るという点に鑑みて、仮想地形において２以上の特定地点に対してそれぞれ前記特定地点の仮想地形粗度を求めて、これらの平均値から仮想地形の地形粗度を得ることが好ましい。
【００３２】
前記それぞれの仮想地形に対する地形粗度と前記それぞれの仮想地形に対する高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）との関係をグラフで示すと、図５のような線形関係式（高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式）を導出することにより地形粗度を定形化することができる。
【００３３】
再び前記特定低解像度地形高度モデルの一定区間における風速のシミュレーションに戻って、前記一定区間に対して求めておいた高度平均平方根誤差値を前記高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式に代入することにより、前記一定区間に対する地形粗度値を導出することができる。
【００３４】
この前記一定区間に対する地形粗度は、地形解像度差から生じた値であって、前記一定区間に対する地形解像度変数も使用することができる。前記一定区間に対する地形粗度値を前記一定区間に対する地面条件に付加することにより、シミュレーションされる風速が補正される。
【００３５】
別途に前記特定低解像度地形高度モデルの一定区間の地形粗度値を地面条件に付加する前後の風速シミュレーション結果を、それぞれ前記特定高解像度地形高度モデルを利用した風速シミュレーション結果と比較することにより、補正の効果を確認することができる。
【００３６】
一方、前記風速を求めるステップは、獲得された前記一定区間に対する地形粗度と地面粗度を比較するステップを含み、前記地形粗度が地面粗度より大きい場合、地形粗度を地面条件に付加することが好ましい。
【００３７】
即ち、地形解像度差を補正するための地形解像度変数値として、地形粗度が地面粗度より小さい値であれば、却って地面粗度をそのまま地面条件に適用することがシミュレーションに好ましく、地形粗度が地面粗度より大きい値であれば、本発明により提案された地形粗度を地面条件に付加することにより、地面粗度以上に影響を及ぼす地形解像度差を、平準化された低解像度地形高度モデルにも反映することができるのである。
【００３８】
前記特定低解像度地形高度モデルの一定区間の風速シミュレーションにおいて、前記区間全体に対して一つの地形解像度変数を適用する例を説明したが、前記一定区間をさらに小さい単位の微細区間に分割して、各微細区間に対する高度平均平方根誤差から各微細区間の地形解像度変数をそれぞれ求めて適用する場合、さらに精密な補正結果を得ることができる。
【００３９】
以下、本発明による大気流動場シミュレーション方法による数値模擬を、２次元地形シミュレーションの実施例を通じて詳細に説明する。
【実施例】
【００４０】
特定高解像度地形高度モデルとして国土地理情報院の１ｍ解像度ＤＥＭを使用して、韓国の済州島の海岸地形の大気流動場をシミュレーションする。前記１ｍ解像度ＤＥＭ１ｋｍから、１００ｍ格子大きさで平均化された１００ｍ解像度ＤＥＭ特定低解像度地形高度モデル２ｋｍを再構成した。前記再構成された１００ｍ解像度ＤＥＭ地形高度モデルを２００ｍ単位で分割して、１０個の各微細区間の高度平均平方根誤差を求めておく。
【００４１】
以下、地形粗度を定形化するために、１ｍ解像度と１００ｍ解像度間の高度平均平方根誤差（H_RMSE）が０．２７６ｍ、０．５６８ｍ、０．８３１ｍ、１．１３８ｍである四つの仮想地形１ｋｍをそれぞれ生成した。
【００４２】
高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）が０．２７６ｍである仮想地形１ｋｍにおいて、３地点（５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ）における鉛直風速分布から各個別地点の地形粗度を求める。高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）が０．５６８ｍ、０．８３１ｍ、１．１３８ｍである仮想地形に対しても、それぞれ上記と同一な方法によりそれぞれの地形粗度を求める。
【００４３】
図５は、前記仮想地形に対する高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＭＡＥ）と地形粗度値をグラフで示したもので、その関係が線形的であって、これから高度平均平方根誤差−地形粗度線形関係式を求めた。
【００４４】
予め求めておいた前記１００ｍ解像度地形高度モデル２ｋｍの１０個区間に対するそれぞれの高度平均平方根誤差（Ｈ＿ＲＭＳＥ）を前記線形関係式に代入した結果、下記表１のようなそれぞれの区間別地形粗度（ｈ０）値を得た。図３の線形関係式では、Ｈ＿ＲＭＳＥが約０．２７以下である時、０より小さい地形粗度が存在するようになるが、地形粗度は、０より小さいことはありえないため、Ｈ＿ＲＭＳＥが０．２７より小さい区間は、広かつな平地における粗度を示す０．００１を付加してシミュレーションする。
【００４５】
【表１】
2011054144.tif 000007
【００４６】
前記１００ｍ解像度地形高度モデル２ｋｍの各１０個区間別地形粗度値を地形解像度変数として地面条件に付加する補正過程を経てシミュレーションした大気流動シミュレーション結果は、図６に示した。
【００４７】
図６には、補正過程無しに、前記１ｍ解像度地形高度モデルと１００ｍ解像度地形高度モデルを利用した大気流動シミュレーション結果が一緒に示されており、補正がない場合、全体２ｋｍに対する高さ１０ｍにおける風速平均絶対誤差が０．９６ｍ／ｓであったが、本発明による補正を経た結果、風速平均絶対誤差が０．１４ｍ／ｓに減っていることが分かる。
【００４８】
一方、本発明による地形解像度を考慮した大気流動場シミュレーション方法は、上記の２次元地形シミュレーションの実施例だけではなく、以下の３次元地形シミュレーションにも適用できる。
【００４９】
図７は、本発明による大気流動場シミュレーション方法によって、特定高解像度地形高度モデルとしての国土地理情報院の１ｍ解像度ＤＥＭから、１０ｍ格子大きさに平均化された１０ｍ解像度ＤＥＭ特定低解像度地形高度モデル１００ｍｍを再構成した後、３次元電算流動シミュレーションを行った実施例である。図７のように、３次元地形シミュレーションにおいても同様に適用可能であり、結果として風速平均絶対誤差が非常に減っていることが分かる。
【００５０】
本発明は、上記の実施例に限定されることなく、適用範囲が多様であることは自明であり、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく多様な変形実施が可能であることは明らかである。
【図１】
2011054144.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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