(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
港外の波浪を予測する推算点に設置された海象観測装置と、該海象観測装置から離間して設けられた基地局とからなり、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信するデータ受信手段と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する予測演算手段と、台風のパラメータから台風内の有義波データを算出する台風内有義波演算手段と、台風内の波浪が上記推算点に到達する時間を計算する到達時間演算手段と、台風内の有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の有義波が推算点に到達したときの推算点における有義波データを予測する推算点有義波演算手段と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する限界判定手段と、を有することを特徴とする港湾における船舶運航限界の予測システム。
【請求項２】
港外の波浪を予測する推算点に設置された海象観測装置と、該海象観測装置から離間して設けられた基地局とからなり、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信するデータ受信手段と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する予測演算手段と、台風のパラメータから台風内の複数点における主方向を算出する主方向算出手段と、上記複数点の各主方向に対し上記推算点が所定の分散角内に位置する関係にある点を伝播源点としてその数をカウントする伝播源数カウント手段と、予測される台風のパラメータから各伝播源点における有義波データを算出する台風内有義波演算手段と、各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する到達有義波演算手段と、台風内の上記複数の伝播源点からの有義波が分散しつつ上記推算点に所定の時点に同時に到達する有義波データを積算する有義波積算手段と、該有義波積算手段が算出した有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の複数の伝播源点からの有義波が分散しながら推算点に到達したときの該推算点における有義波データを予測する推算点有義波演算手段と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する限界判定手段と、を有することを特徴とする港湾における船舶運航限界の予測システム。
【請求項３】
上記有義波データが、有義波高と有義周期とを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の港湾における船舶運航限界の予測システム。
【請求項４】
台風の各パラメータについての情報を得る工程と、該情報から１ステップ後の上記パラメータを予測する工程と、予測されたパラメータを用いて台風内の有義波データを算出する工程と、台風内の波浪が推算点に到達する時間Ｔ２を計算する工程と、推算点における波浪データを取得する工程と、台風内の波浪が推算点に到達した時点における推算点の有義波データを算出する工程と、算出された予測値をもとに港内係留船の安全性を判断する工程と、を有することを特徴とする港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項５】
港外の推算点で波浪を観測する工程と、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信する工程と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する工程と、台風のパラメータから台風内の複数点における主方向を算出する工程と、上記複数点の各主方向に対し上記推算点が所定の分散角内に位置する関係にある点を伝播源点としてその数をカウントする工程と、予測される台風のパラメータから各伝播源点における有義波データを算出する工程と、各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する工程と、台風内の上記複数の伝播源点からの有義波が分散しつつ上記推算点に所定の時点に同時に到達する有義波データを積算する工程と、積算された有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の複数の伝播源点からの有義波が分散しながら推算点に到達したときの該推算点における有義波データを予測する工程と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する工程と、を有することを特徴とする港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項６】
上記各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する工程が、各伝播原点の有義波を方向スペクトルに変換する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項７】
上記複数点が、台風の暴風圏と強風圏の双方に設定されることを特徴とする請求項５又は６記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項８】
複数の台風のそれぞれについて、上記の処理を行うことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項９】
上記１ステップ後の台風のパラメータを予測する方法が、カルマンフィルターを用いることを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項１０】
台風のパラメータとして、緯度、経度、中心気圧、暴風半径、強風半径を含み、推算点における波浪データが有義波高、有義周期のデータを含むことを特徴とする請求項４から９のいずれかに記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【請求項１１】
有義波データが、有義波高と有義周期とを含むことを特徴とする請求項４から１０のいずれかに記載の港湾における船舶運航限界の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、外洋性港湾において、離れた位置にある台風から受ける波浪への影響を予測し、入出港する船舶及び港内係留船の安全性を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外洋性港湾では荒天時を中心に波高０．１〜０．４ｍ、周期１〜３分程度の「長周期波」の影響が顕著となり、港内に係留している船舶に大きな動揺が発生する現象が観測されている。これにより、荷役の中断だけでなく、船の係留索や岸壁の係留装置、船体、岸壁等が破損といった事例も報告されている。
【０００３】
この背景から、海岸工学の分野を中心に以下の内容が研究されている。
第１は、港外波浪データを用いた船体動揺のリアルタイム推定方法である。これは、特開平７−２６５３５号で開示されている。ここでは、港外に設置された波浪計から転送される波浪データをもとに、港内に侵入する波浪変形計算、係留船舶の動揺計算をリアルタイムで行うことにより、随時係留の安全性をモニタリングするシステムを提案している。
【０００４】
第２は、係留船舶の動揺を低減させられるような係留システムの検討である。荒天時に港内で長周期船体動揺が卓越する要因は２点ほど存在する。１つ目は、係留索と船で構成されるバネ振動と長周期波の共振現象である。係留中の船舶は船を質量、係留索をバネとする振動系を構成する。前後方向、左右方向への振動周期は船の質量と係留索のバネ定数によって決まる。通常の船舶係留の状況では船型や係留方法の違いは見られるが、概ね１〜３分程度であることが分かっており、荒天時に卓越する長周期波の卓越周期と非常に近い。これによって両者が共振現象を起こし、振幅数メートルもの大きな動揺が発生する。
【０００５】
２つ目は、係留索と岸壁でのゴム緩衝材（防舷材）のバネ定数の非対称性に基づく長周期動揺である。船は係留索と岸壁に設置されたゴム緩衝材（防舷材）によって係留されている。船が係留している状態で波浪による外力がある程度以上強くなると、係留索によるバネ定数と防舷材によるバネ定数が大きく異なることにより、左右方向に振幅数メートルもの大きな動揺が発生する現象も見られる。
【０００６】
これに対し、
▲１▼  振動の共振現象や非対称性を避けるような係留システムを検討する
▲２▼  係留索の材質、配置を変更し、係留索による船体動揺の振動周期を短くする。
▲３▼  防舷材の材質を柔らかくし、バネ定数の比を小さくする。
等の対策が考えられ、実際に上記のような係留システムを変更することにより、冬季の荒天時に船舶係留が大きな問題となっていた日本海に面した港湾において、稼働率のアップが確認された。ただし、このシステムでもある程度以上の外力条件では対応できないという問題点も残されている。さらに港湾設計および運用の現場では係留システムの改善という考え方がまだ浸透していない。
【０００７】
第３は、防波堤の延長である。外洋性港湾での国の基本的な整備方針としては、防波堤を設置することにより港内の波浪を低減させる方法が採用されてきた。しかし、防波堤の延長によって周期が５〜１０秒程度の「短周期波」を大きく低減することができたが、周期１〜３分の「長周期波」の影響を低減し切れていないのが現状である。また、防波堤の建設には膨大なコストが掛かり、実施が困難な場合が多い。
【０００８】
また現行の運用基準では港内での係留が困難と判断された場合、海上保安庁等の指導により、船舶は港外へ避泊するように定められている。荒天時の避泊は港外の波浪が発達するタイミングを見計らった対応が必要となるが、実際には急激に波浪が発達する状況に対応できていない。
【０００９】
以上のことから、船体動揺や波浪を抑制する方策を講じることは、現状では大変困難である。そこで視点を変えて、船が港湾に入港してから係留・荷役、出港に至る局面でどのような予測システムが必要かをまず調べた。
【００１０】
船が港外の海域に到着すると、低気圧や台風の影響を調べ、入港するか否かを判断する。このとき、入港してから出港するまでの間の波浪状況を予測し、入港中に波浪が係留限界を越えないかを、気象情報から判断することになる。
【００１１】
入港すれば、係留後に荷役を開始するが、もし、荷役中に船体の動揺が大きくなれば、荷役を続行するか否かの判断を行う。荷役続行ができない場合には荷役を中断するが、その場合、船体の動揺が大きければ、港外に避泊することとなる。このとき、退避するタイミングが遅れると、船体の動揺により係留装置や船体に損傷を受ける可能性がある。
【００１２】
荷役を中断した場合でも船体の動揺が比較的小さい場合には、港内で待機するが、その後、更に動揺が大きくなることがある、このような場合には、対策の講じようがなく、港外に退避するタイミングが遅れてしまい、係留装置や船体に損傷を受けることになる。
【００１３】
以上から、係留限界乃至は港湾における船舶運航限界の予測が必要となる局面は次の２点であると考えられる。
▲１▼船が入港する前で、入港後から出港予定時までの波浪状況を予測する場合。
▲２▼船が入港した後、気象状況の悪化により荷役中断し、その後の対応を判断するために波浪状況を予測する場合。
【００１４】
ところで、船の係留期間は、貨物船で１〜４日、コンテナ船では半日〜１日、旅客船の場合は１〜２日、エネルギー運搬船であれば１〜３日程度である。すなわち、概ね１〜３日後の波浪状況が予測できれば▲１▼▲２▼の局面に実用が可能となると考えられる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、このような事実に鑑み、港湾における船舶運航限界の予測システム及び港湾における船舶運航限界の予測方法を提案することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の港湾における船舶運航限界の予測システムは、港外の波浪を予測する推算点に設置された海象観測装置と、該海象観測装置から離間して設けられた基地局とからなり、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信するデータ受信手段と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する予測演算手段と、台風のパラメータから台風内の有義波データを算出する台風内有義波演算手段と、台風内の波浪が上記推算点に到達する時間Ｔ２を計算する到達時間演算手段と、台風内の有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の有義波が推算点に到達したときの推算点における有義波データを予測する推算点有義波演算手段と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する限界判定手段と、を有することを特徴としている。
【００１７】
又は、港外の波浪を予測する推算点に設置された海象観測装置と、該海象観測装置から離間して設けられた基地局とからなり、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信するデータ受信手段と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する予測演算手段と、台風のパラメータから台風内の複数点における主方向を算出する主方向算出手段と、上記複数点の各主方向に対し上記推算点が所定の分散角内に位置する関係にある点を伝播源点としてその数をカウントする伝播源数カウント手段と、予測される台風のパラメータから各伝播源点における有義波データを算出する台風内有義波演算手段と、各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する到達有義波演算手段と、台風内の上記複数の伝播源点からの有義波が分散しつつ上記推算点に所定の時点に同時に到達する有義波データを積算する有義波積算手段と、該有義波積算手段が算出した有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の複数の伝播源点からの有義波が分散しながら推算点に到達したときの該推算点における有義波データを予測する推算点有義波演算手段と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する限界判定手段と、を有することを特徴としている。上記有義波データが、有義波高と有義周期とを含む構成とすることができる。
【００１８】
上記の目的を達成するために本発明の港湾における船舶運航限界の予測方法は、台風の各パラメータについての情報を得る工程と、該情報から１ステップ後の上記パラメータを予測する工程と、予測されたパラメータを用いて台風内の有義波データを算出する工程と、台風内の波浪が推算点に到達する時間Ｔ２を計算する工程と、推算点における波浪データを取得する工程と、台風内の波浪が推算点に到達した時点における推算点の有義波データを算出する工程と、算出された予測値をもとに港内係留船の安全性を判断する工程と、を有することを特徴としている。
【００１９】
又は、港外の推算点で波浪を観測する工程と、該基地局が、台風のパラメータについてのデータ及び上記海象観測装置からの波浪データを受信する工程と、台風のパラメータから１ステップ後の上記パラメータを予測する工程と、台風のパラメータから台風内の複数点における主方向を算出する工程と、上記複数点の各主方向に対し上記推算点が所定の分散角内に位置する関係にある点を伝播源点としてその数をカウントする工程と、予測される台風のパラメータから各伝播源点における有義波データを算出する工程と、各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する工程と、台風内の上記複数の伝播源点からの有義波が分散しつつ上記推算点に所定の時点に同時に到達する有義波データを積算する工程と、積算された有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の複数の伝播源点からの有義波が分散しながら推算点に到達したときの該推算点における有義波データを予測する工程と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する工程と、を有することを特徴としている。
【００２０】
上記各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する工程が、各伝播原点の有義波を方向スペクトルに変換する工程を含む構成としたり、上記複数点が、台風の暴風圏と強風圏の双方に設定されたり、複数の台風のそれぞれについて、上記の処理を行うこととしたり、上記１ステップ後の台風のパラメータを予測する方法が、カルマンフィルターを用いていたり、台風のパラメータとして、緯度、経度、中心気圧、暴風半径、強風半径を含み、推算点における波浪データが有義波高、有義周期のデータを含むこととしたり、有義波データが、有義波高と有義周期とを含むこととすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を説明する。
〔第１実施例〕
船舶の港湾における船舶運航限界を考える場合、最も支配的な要因は、上述したように、長周期波と考えられる。このような長周期波は、港外の海域における有義波高および有義周期が予測できれば極めて高精度に回帰推定できる。
【００２２】
ここに、有義波とは、波高について高い順に並べた波の上位１／３についての波高の平均値をいう。また、有義周期とは、波高について高い順に並べた波の上位１／３についての周期の平均値をいう。
【００２３】
実際の海の波は、一波ごとの波高、周期が異なる不規則波であり、様々な周期の波が重なって構成されている。通常、我々が眼で視認している波浪は、周期が５〜１５秒程度の波浪で、短周期波と言われている。このような短周期波の卓越している周期は、有義周期にほぼ近く、風波の場合は、４〜８秒程度、台風など遠方から伝播してきたうねりでは、１０〜１６秒程度と言われている。
【００２４】
一方、この短周期波とは別に、波浪中には、周期が２０秒以上の「長周期波」と呼ばれる波浪成分が存在している。特に、１〜３分程度の長周期波が、係留している船を大きく動揺させる主原因となっている。これらの波浪成分の発生要因には幾つかの説があるが、有義波高や有義周期が有る程度以上に上昇してきた場合に、波浪の不規則性によって物理現象のうなりのような「波群」を形成し、この波群中に非線形なメカニズムが作用して波高数センチから数十センチ、周期が数分の「長周期波」が発生するという説が有力である。
【００２５】
すなわち、長周期波は、荒天時における波浪中に二次的要因として発生する波浪といえ、船舶の係留ではこれが最も困難な問題となっている。
本発明では、荒天時の港外における有義波と有義周期とを予測するモデルを構築し、さらに当該地点における有義波と長周期波の関係を波浪観測データによって構築し、これによって港内係留船の最適な運用を支援できるシステムを構築するものである。
【００２６】
ここでは対象とする海域および気象状況を次のように限定した。
・海域は太平洋に面する海域の港湾
・台風に起因する高波浪、うねりによる係留限界の予測
【００２７】
気象状況を台風に限定しているのは、過去における係留中の事故は、その大部分が台風によるものであることによる。現状では現場での経験と勘に依存した予測をもとに運用しているため、港外避泊するとしてもそのタイミングを逸しているケースも少なくないと考えられる。
【００２８】
なお、この場合の台風は、接近する台風だけでなく、遠方にあるものも含めている。遠方にある台風からのうねりが伝搬して係留限界を越える状況も多いからである。
【００２９】
図１は、本発明における港湾における船舶運航限界の予測システムの構成と、予測の概略の流れを示す図である。このシステムは、港外の波浪を予測する推算点に設置された海象観測装置１と、基地局２とからなる。
海象観測装置１は、測定点における波高、周期、波向等を観測し、観測したデータを無線により基地局２に送信する。この送信は、リアルタイムでもよいが、リアルタイムに限定されるものではない。
【００３０】
基地局２では、インターネット等で気象庁に接続し、気象庁から台風についてのデータを取得する。また、海象観測装置１の観測データから有義波、長周期波、スペクトル分析等を演算する。これらのデータに基づき、予測モデルを用い、基地局２のコンピュータに予めインストールされているプログラムに従って計算を行い、海象観測装置１が設置されている推算点において予測される有義波高（Ｈ1/3）、や有義周期（Ｔ1/3）を求め、高波浪、うねりの予測値を計算し、入港船及び係留船の安全性、係留限界についての予測を行うことになる。予測の結果は、現場の運用者に予測情報として提供され、各船舶では、荷役、係留、運航スケジュールの検討を行う。
【００３１】
図２は、基地局２の内部構成を示すブロック図である。基地局２は、コンピュータを主体として構成されるが、このコンピュータは、海象観測装置１からのデータと、気象庁から台風のパラメータについてのデータとを取得するデータ受信手段２１と、取得した台風のパラメータから１ステップ後の各パラメータを予測する予測演算手段２２と、台風のパラメータから台風内の有義波高と有義周期とを算出する台風内有義波演算手段２３と、台風内の波浪が上記推算点に到達する時間を計算する到達時間演算手段２４と、台風内の有義波データと上記海象観測装置１の測定データとから台風内の有義波が推算点に到達したときの推算点における有義波を予測する推算点有義波演算手段２５と、予測された有義波から港湾における船舶運航限界を判定する限界判定手段２６と、から構成されている。
【００３２】
図３は、波浪予測方法のフローチャートを示す。基地局２内のデータ受信手段２１は、海象観測装置１から波高、周期、波向等のデータを取得し、気象庁から、台風の緯度、経度、中心気圧、眼の半径、暴風半径、強風半径、移動速度と方向等のパラメータについてのデータを取得する（＃１０１）。
【００３３】
次に、予測演算手段２２が、カルマンフィルターを用いて、Ｔ１時間（１ステップ）経過後における上記台風の各パラメータを予測する（＃１０２）。具体的には、次の式（１）及び式（２）による。１ステップとしては、特に限定しないが、この実施例では、２時間としている。
【００３４】
【数１】
0004027748.tif 000002
ここに、
：時点ｋから一期先のｋ＋１の時点で予測される状態ベクトル
：時点ｋからｋ＋１への推移マトリックス
：時点ｋの状態ベクトル
：状態雑音
：時点ｋの観測値
：推移マトリックス
：観測雑音
を示す。
【００３５】
すなわち、式（２）において、気象庁から得た台風の各パラメータｘiから、観測雑音を排除した観測値ｙiを求め、式（１）により一期先（Ｔ１時間後）の各パラメータｘiを予測する。
【００３６】
ここで、
【数２】
0004027748.tif 000003
カルマンフィルターの状態方程式で用いるもので、時点ｋからｋ＋１へと推移する場合の関係をマトリックス表示するものである。このマトリックスの決め方につては、様々な方法が知られている。ここでは予測対象とする５変数（緯度、経度、中心気圧、暴風半径、強風半径）についてそれぞれ重回帰分析の回帰式を以下のように立て、時点ｋと時点ｋ＋１における重回帰式の組み合わせを以下のように考えた。
【００３７】
【数３】
0004027748.tif 000004
ここで、
LAT：緯度
LONG：経度
AP：中心気圧
RW25：風速２５ｍ以上の暴風半径
RW15：風速１５ｍ以上の強風半径
を示す。
【００３８】
式中にかかるａ〜ｅの係数は重回帰分析によってそれぞれ求める。すなわち、現時点の1ステップ前までの時系列データを用いて各係数を決定する。これより、状態方程式をマトリックス表示すると以下のようになる。
【数４】
0004027748.tif 000005
【００３９】
状態雑音ｖｉｋ及びｗｉｋの決め方についてもいくつかあるが、ここでは以下のように逐次変動するように設定した。
【数５】
0004027748.tif 000006
【００４０】
次に、こうして予測されたパラメータを用いて、台風内有義波演算手段２３が、次のようにして台風内の風の場を算出する（＃１０３）。
台風内の風の場を求めるにあたり、台風中心からｒkm離れた地点における傾度風Ｆ（ｒ）（台風円から３０゜の角度を持って内側へ吹き込む風）を次式から計算する。これは台風内のどの位置から対象地点へ波が伝播してるか、すなわち、波向を求めることと、台風内の最大有義波を求めるのに必要な台風眼の半径ｒ0を収束計算で求めるのに用いる。
【００４１】
【数６】
0004027748.tif 000007
ここで、
r：台風中心から算出点までの距離(km)
Ω：地球自転の角速度（7.29×10-5sec-1）
ψ：台風中心の緯度（°）
ρ：空気の密度（1.1×10-3g/cm3）
Δp：気圧の深さ（hPa）（＝1013−pc）
ｒ0：台風眼の半径（km）
を示す。
【００４２】
一方、通常の台風は速度を持って移動しているため、移動速度およびそのベクトルを考慮した場の風を求める必要がある。傾度風をもとにした風速U1および場の風をもとにした風速U2は次式で表される。
【００４３】
【数７】
0004027748.tif 000008
ここで、C1、C2：定数、V：台風の移動速度(km/h)を示す。場の風と中心対称風の合成によって生ずる風はU1とU2をベクトル的に合成することによって求められる。
【００４４】
【数８】
0004027748.tif 000009
ここで、
M＝V／F(r0)
θ：台風の位置・進行ベクトルおよび推算点の関係から決まる角度で、台風の中心と推算点Ｐとを結ぶ線が、緯度と成す角度を示す。
これらをもとにUを計算していけば、移動している台風内の風速分布が求められる。
【００４５】
この風速分布は、強風域の端と中心との風速の関係から台風眼の半径を求めるアルゴリズム（コンピューターで一定値以内に収束するまで数値的に求める）に利用することができる。
【００４６】
図４は、台風内の有義波が伝播する主方向の求め方を説明する図である。図の円は、風速２５ｍ／sec以上の暴風圏を示す。この円上のＡ点において円に接線ａを引き、この接線に対して３０゜の傾きを持つ直線ｂを引く。この直線ｂが傾度風Ｆ（ｒ）の方向で、Ａ点における傾度風の風速は２５ｍ／secとなる。一方、台風Ｘの速度ベクトルをＶｍ／secとすると、これと傾度風の風速のベクトルの２つのベクトルを合成したものが、合成風ベクトルＷとなる。合成風ベクトルＷを延長した直線ｃに沿って有義波が伝播すると考える。そして、この直線ｃが主方向であり、この主方向ｃ上に推算点Ｐ点が重なる。
以上は、２５ｍ／secの暴風圏で計算したものであるが、１５ｍ／secの強風圏として同様に合成風ベクトルを求めることができる。
【００４７】
次に、＃１０４において、このＡ点における有義波高(Ｈ1/3)Tと、有義周期(Ｔ1/3)Tとを求める。この有義波が主方向ｃに沿って進み、推算点Ｐに達すると考えるのである。
【００４８】
具体的には、まず、＃１０２において、式（１）で求めたＴ１時間経過後における台風の各パラメータｘiを用いて、台風内有義波演算手段２３が、台風内のＡ点における有義波データとして有義波高(Ｈ1/3)Tと、有義周期(Ｔ1/3)Tとを算出する（＃１０４）。これは、図５に示す井島等が１９７０年に発表した「台風域内での波高・周期と台風の関係」に示す線図により算出することができる。
【００４９】
図５の横軸は、ｒO1/4ΔＰ3/4／Ｖ２の値を対数で表示し、縦軸は、Ｔ1/3／Ｖ又はＨ1/3／Ｖ２を対数で表示している。○は台風の緯度が１０゜の場合で、●は３０゜の場合を示す。また、上段は有義周期Ｔ1/3を示し、下段は有義波高Ｈ1/3を示している。各線は、横軸が０．５のところを境に２つの直線から構成されている。
【００５０】
この図５において、
ｒ０：台風の眼の半径（km）
ΔＰ：台風の中心気圧の深さ（hPa）（1013−Ｐc）（Ｐcは台風の中心気圧）
Ｖ：台風の速度（km/h）
ψ：台風の中心の緯度（゜）
を示す。これらは全て既知数であるから、図５の横軸の座標が算出でき、横軸の座標から垂直に上げて斜めの直線と交叉した縦軸の座標を求めればよい。これは、予めコンピュータに計算式として入力しておくことで、各数値を与えることによって、図４のＡ点における有義波高(Ｈ1/3)Tと、有義周期(Ｔ1/3)Tとを求めることができる。
【００５１】
具体的に式を書けば、次のとおりである。
【数９】
0004027748.tif 000010
【００５２】
こうしてＡ点における有義波高(Ｈ1/3)Tと、有義周期(Ｔ1/3)Tとが求まったら、推算点有義波演算手段２５が、次の式（14）、式（15）に示すBretshneiderの式よって、推算点Ｐ、すなわち、海象観測装置１を設置している観測地点、に伝播する有義波高(Ｈ1/3)Ｄと有義周期(Ｔ1/3)Ｄとを算出する（＃１０５）。
【００５３】
【数１０】
0004027748.tif 000011
ここで、Ｄは風域（ここでは、風速２５ｍ以上となる暴風域とした）終端から沿岸までの距離、Ｆminは、最小吹送距離を示す。最小吹送距離とは、台風域内で風が吹き続けることにより波浪が発達するが、最大波浪が発生するために必要な風の吹く距離のことである。ここでは、風速２５ｍ以上となる暴風半径を使用している。この暴風半径は、気象庁から提供される台風情報に含まれているものである。
【００５４】
次に、到達時間演算手段２４が、台風から推算点Ｐ（海象観測装置１のある位置）までの伝播時間Ｔ２を次式（１６）から算出する（＃１０６）。
【００５５】
【数１１】
0004027748.tif 000012
式（１６）において、ｇは重力加速度である。
【００５６】
式（１４），（１５）で求めた推算点Ｐの有義波高(Ｈ1/3)Ｄと有義周期(Ｔ1/3)Ｄとは、推算点Ｐの波高が０で、周期も０という状態のとき、台風から伝播する波高と周期を示すことになる。しかし、推算点Ｐには、本来の波浪があり、これを逐一計測してそのデータを取り込んでいる。
【００５７】
そこで、推算点有義波演算手段２５は、式（１４），（１５）で求めた有義波高(Ｈ1/3)Ｄと有義周期(Ｔ1/3)Ｄに、波高計で測定した波浪データの有義波高(Ｈ1/3)Ｐと有義周期(Ｔ1/3)Ｐを加算して、推算点Ｐにおける実際の有義波高(Ｈ1/3)と有義周期(Ｔ1/3)とを算出する（＃１０７）。このとき用いる波高計のデータ、有義波高(Ｈ1/3)Ｐと有義周期(Ｔ1/3)Ｐ等は、台風の影響を受けないときのデータを用いる。
【００５８】
沿岸の推算点Ｐで観測される波
＝台風で発生し伝播してきた波＋台風以外の要因で発生した波（海象観測装置１で測定した台風の影響を受けないときの波）
と考えることができる。
【００５９】
有義波高(Ｈ1/3)については、両者を足し合わせることで、実測値に近い値が得られた。すなわち推算点で観測される有義波高(Ｈ1/3)は、
【数１２】
0004027748.tif 000013
により予測することができる。
【００６０】
次に、有義周期(Ｔ1/3)であるが、推算点Ｐで観測される有義周期(Ｔ1/3)は、不規則波のため、スペクトルで考える必要がある。
台風から伝播してきた波の波スペクトルをＳD(f)とし、台風の影響を受けない状態における推算点の波スペクトルをＳP(f)とすれば、推算点Ｐで観測される台風の影響を受けた波のスペクトルＳ(f)は、
【数１３】
0004027748.tif 000014
となる。このうちＳP(f)は海象観測装置１で計測したデータから求めることができるが、台風からの波浪スペクトルＳD(f)は分からない。しかし、これはたとえば、次に示すJONSWAPのスペクトルの式で近似することができる。
【数１４】
0004027748.tif 000015
ここで、係数αは、
【数１５】
0004027748.tif 000016
γは、JONSWAPのスペクトルとPlerson-Moskowitzスペクトルの最大値の比である。これは、短い吹送距離のところに強風が吹いて急に波浪が発達した場合に、スペクトルは鋭く尖ったピークを持つことを示している。ここでは試行錯誤的に求めて、γ＝3.3とした。
ｆPは卓越周波数で、次の式により算出される。
【数１６】
0004027748.tif 000017
以上によりｆの関数としてＳD(f)を求めることができ、式(１８)により合成されたスペクトルＳ(f)を求めることができる。
Ｓ(f)が求められたら、以下のようにして有義周期(Ｔ1/3)を求める。
【数１７】
0004027748.tif 000018
ここにＴave：平均周期である。
ここで、（Ｔ1/3）とＴaveとの関係は、
(Ｔ1/3)≒1.1Ｔave
厳密には、ばらつきが存在するため、
(Ｔ1/3)≒（1.07±0.08）Ｔave
として、(Ｔ1/3)を求めることができる。
【００６１】
＃１０７で限界判定手段２６は、予測された有義波高(Ｈ1/3)と有義周期(Ｔ1/3)を、予め決めておいた閾値（この実施例では、(Ｈ1/3)＞２ｍ、(Ｔ1/3)＞１０secとした）と比較し、閾値を越えた場合は、波高が０．１〜０．４ｍで、周期が１〜３分程度を越える規模の長周期波が発生すると判断して、係留限界を越えたと判定する（＃１０８）。
【００６２】
この後、＃１０２に戻り、さらにＴ１時間経過後の有義波高(Ｈ1/3)と有義周期(Ｔ1/3)を予測する。以下＃１０８までを台風が消滅するまで繰り返す。
【００６３】
この波浪予測方法を実際の港湾で利用した結果、２０ケース中、７０％程度のケースで１〜３日後の波浪の予測が的中した。従来、このような１〜３日後の簡易的な予測はほとんどできなかったのであるが、本発明により極力少ないデータによる簡易的な予測がある程度可能になった。
【００６４】
〔第２実施例〕
上記の第１実施例では、台風から伝播する波浪について、有義波として取り扱ってはいるが、波向に関しては図４に示すように、主方向ｃのみを考慮した一方向としていた。しかし、実際には図６（ａ）に示すように、主方向ｃの両側にｃ１やｃ２のような分散角δ１，δ２を持った分散波となって多方向に伝播する。これを逆に推算点Ｐから見れば、図６（ｂ）に示すように、台風上の多方向から様々な強さの波浪ｄ１，ｄ２，ｄ３が伝播してくるように見える。
【００６５】
図７は、台風から推算点Ｐに伝播する波浪の経路を示す図である。半径ｒ２５の円は風速２５ｍ／sec以上の暴風円を示し、半径ｒ１５の円は風速１５ｍ／sec以上の強風円を示す。
【００６６】
図７において、実線は、暴風円からの複数の波浪経路を示し、点線は強風円からの複数の波浪経路を示す。台風内の１点からの波浪が推算点Ｐに伝播するのではなく、多数の点からの波浪が伝播することを示している。同図では暴風円、強風円でそれぞれ２点ずつ例示しているが、これら２点を含む多数の点からの波浪が伝播しているとして計算を行う。
【００６７】
特に、台風が接近する場合には、ｒ２５内の暴風域だけでなく、ｒ１５内の強風域から推算点Ｐに伝播する波浪の影響も大きく、両者が重ね合わされた波浪として考慮すべきである。
【００６８】
また、複数の台風が同時に存在することもあり、これらの影響も考慮すべきである。第２実施例では、第１実施例のこれらの点についての修正を行ったものである。
【００６９】
図８は、第２実施例における基地局３の内部の構成を示すブロック図である。図２に示す第１実施例の基地局２と同様に、コンピュータを主体とした構成であるが、内部の構成とインストールされたプログラムとは第１実施例とは１部で共通する部分もあるが、異なる部分もある。
【００７０】
図９は、本発明の第２実施例で波浪予測方法を実施するフローチャートである。図８、図９により本発明の波浪予測方法を説明する。
【００７１】
基地局３のデータ受信手段３１が気象庁等から台風の各パラメータｘiを取得し（＃２０１）、予測演算手段３２が、これらの各パラメータｘiについて、式（１），（２）によって、１ステップ先（Ｔ１時間後）の各パラメータｘiを予測する（＃２０２）。これは、上記の第１実施例の＃１０１，＃１０２と同じである。ただし、この第２実施例では、１ステップとなるＴ１時間は、第１実施例の２時間に対し、６時間と長くした。これによって、最低でも６時間後の予測が可能となり、係留船舶が港外に緊急避泊する際に必要とされる所要時間が２〜３時間であることから、第１実施例よりも避泊に関する時間的な余裕を増加させることができる。
【００７２】
次に、主方向算出手段３３が、台風のたとえば、２５ｍ／secの暴風圏を示す円上に中心角が１゜の間隔で３６０個の点を定める。各点における傾度風の風速ベクトルと台風の速度ベクトルとが既知であるから、３６０個の点のそれぞれについて、図４のＡ点において求めたのと同様にして主方向ｃを求める（＃２０３）。同様のことを１５ｍ／secの強風圏についても行う。また、台風が複数あれば、台風ごとに行う。
【００７３】
図１０は、上記３６０個の点の任意の点Ｑからその主方向ｃに沿って伝播する波浪と、ｃ１やｃ２のように徐々に分散する波浪とを示す図である。そして主方向ｃに対し分散角δが±３０゜以内の波ｃ１とｃ２との間に推算点Ｐがあれば、推算点Ｐには点Ｑからの波浪の伝播があると考え、推算点Ｐ’のように分散角±３０゜の範囲から外れれば、点Ｑからの波浪の伝播はないと考える。
【００７４】
なお、この第２実施例において、暴風圏や強風圏を決めその円上に１゜刻みで３６０個の点を決めたり、波浪の伝播される分散角を±３０゜としているが、これらは一例に過ぎず、暴風圏や強風圏以外の考えを用いたり、３６０個の点の数を増減するなどしてもよく、実施例に限定されるものではない。
【００７５】
こうして伝播源数カウント手段３４が、３６０個の点の内、推算点Ｐに波浪の伝播をする点を伝播源点として選び出し、この伝播源点の数をカウントしてその数をＮＤとする（＃２０４）。同時に各点について主方向ｃと推算点Ｐとの成す角δを求める。
【００７６】
次に、台風内有義波演算手段３５が、上記ＮＤ個の伝播源点におけるＴｉ時間後の有義波高(Ｈ1/3)Tと、有義周期(Ｔ1/3)Tを算出する（＃２０５）。これは、第１実施例の＃１０４で説明した井島等の線図（図５）により求めることができる。
【００７７】
こうして求めた有義波が推算点Ｐに達するのであるが、有義波は前述した通り、主方向ｃを中心として両側に分散しながら伝播するので、さらに台風内有義波演算手段３５が、有義波の形で求められる台風内の波浪を以下のようにして方向スペクトルに変換する。
【数１８】
0004027748.tif 000019
ここで、
ＤＳ（ｆ，δｉ）：方向スペクトル
ｆ：台風内の波浪及び台風から伝播する波浪の周波数
δｉ：ｉ番目の点の主方向ｃに対して推算点Ｐの成す角（図８参照）
ＮＤ：波の方向数（３６０個の点の内、推算点Ｐに届く波が発生する点の数）
Ｓ（ｆ）：周波数スペクトル  式（１８），（１９），（２０）により求める。ただし、式（１９），（２０）において、(Ｈ1/3)には、上述した(Ｈ1/3)Tをまた、(Ｔ1/3)Ｄには、上述した(Ｔ1/3)Tを代入する。
Ｇ（ｆ，δｉ）：九州大学の光易教授（当時）の提案する方向関数で、次式（２５）による。
【数１９】
0004027748.tif 000020
ここで、Γ(λ)：ガンマ関数で、Sは方向集中度を表すパラメーターである。
ガンマ関数Γ(λ)は、次式（２６）による。
【数２０】
0004027748.tif 000021
上記の式（２６）において、パラメータλはＳ＋１又は２Ｓ＋１、ｅは自然対数である。また、方向集中度Ｓは、次式で表される。
【数２１】
0004027748.tif 000022
ここで、卓越周波数ｆｐは、式（２０）において、(Ｔ1/3)Ｄに(Ｔ1/3)Tを代入して求める。Smaxは、方向集中度パラメーターを示す。これは暫定的に以下のように定められている。
【数２２】
0004027748.tif 000023
【００７８】
これらの式は、風波のように周期が短い波浪の場合には方向分散が大きく（Smaxが小さい）、うねりのように周期が長い波浪の場合には方向分散が小さい（Smaxが大きい）ことを示している。すなわち前者は波の主方向ｃに対してエネルギー分散が大きく、後者は波の主方向ｃに対してエネルギー分散が小さい。この実施例では、伝播する波浪は台風からのうねりであるので、Smax＝７５とした。
【００７９】
分散を考慮したＴｉ時間後の有義波高(Ｈ1/3)Tiと、有義周期(Ｔ1/3)Tiとは、次式より求めることができる（＃２０６）。
【数２３】
0004027748.tif 000024
（ｆＰ）iは、ＤＳ（ｆ，δi）のδiごとの卓越周波数である。
【００８０】
こうして分散を考慮した有義波高(Ｈ1/3)Tiと、有義周期(Ｔ1/3)Tiを求めたら、到達有義波演算手段３６が、これらを前述した式（１４）、式（１５）に示すBretshneiderの式の(Ｈ1/3)T，（Ｔ1/3)Tに代入し、推算点Ｐに達するときの有義波高(Ｈ1/3)Ｄiと、有義周期(Ｔ1/3)Ｄiとを求める（＃２０７）。
【００８１】
ところで、上記の有義波高(Ｈ1/3)Ｄiと、有義周期(Ｔ1/3)Ｄiとは、δの関数となり、方向ごとの有義波となっている。そこで、これらの有義波のうち、推算点Ｐに伝播する時間の等しいもの同士を足し合わせ、さらに推算点Ｐ自身の有義波を加えると、推算点Ｐにおけるある時間の有義波高(Ｈ1/3)と、有義周期(Ｔ1/3)を求めることができる。
【００８２】
推算点有義波演算手段３８は、式（１６）の(Ｔ1/3)Ｄに(Ｔ1/3)Ｄiを代入することにより波の伝播時間ｔＤを算出する。ここでは、式（１６）のＴ２の代わりにｔＤを用いている。なお、ここで得られた波の伝播時間ｔＤは、定数ではなく、ｉ＝１〜ＮＤと、各波毎に算出されることになる。また、各波毎に伝播距離が異なるので、
波の出発点の時刻＋伝播時間＝波の伝播した時刻
となる。すなわち、推算点Ｐへの到達時間ｔａ＝予測時間ｔｋ＋予測ステップΔｔ＋波の伝播時間ｔＤとなる。
【００８３】
これを基準に、有義波積算手段３７は、以下のように成分波ごとおよび台風ごとに重ね合わせることで予測時点から（ｔａ−ｔ）だけ先の予測値｛(Ｈ1/3)Ｄｊ，（Ｔ1/3）｝ｔ＝ｔｋを求めることができる（＃２０８）。
【数２４】
0004027748.tif 000025
【００８４】
ここで、
｛(Ｈ1/3)Ｄｊ，（Ｔ1/3）Ｄｊ｝ｔ＝ｔｋ：台風からｔ＝ｔｋの時点で推算点Ｐに伝播するｊ番目の有義波高および有義周期
ＮＤｉ：ｉ番目の台風からｔ＝ｔｋの時点に推算点Ｐへ伝播する成分波の総数
ＮＴ：台風の数
をそれぞれ示す。
【００８５】
こうして求めた(Ｈ1/3)Ｄｊを推算点有義波演算手段３８は、式（１７）の(Ｈ1/3)Ｄに代入し、推算点Ｐで観測した(Ｈ1/3)Ｐを用いて(Ｈ1/3)を算出することができる。
【００８６】
次に、（Ｔ1/3）の求め方を説明する。上述のようにして(Ｈ1/3)を求めた、式（１８）〜式（２０）でＳ(f)を求める。卓越周波数ｆｐは、式（２７）、（２８）で用いたものと同じものである。このＳ(f)を式（２１）、（２２）に代入して式（２３）によってＴaveを求める。これに１．１を乗じてＴ1/3を求める（＃２０９）。
【００８７】
限界判定手段３９は、第１実施例と同様に、予測された有義波高(Ｈ1/3)と有義周期(Ｔ1/3)を、予め決めておいた閾値（この実施例では、(Ｈ1/3)＞２ｍ、(Ｔ1/3)＞１０secとした）と比較し、閾値を越えた場合は、波高が０．１〜０．４ｍで、周期が１〜３分程度を越える規模の長周期波が発生すると判断して、係留限界を越えたと判定する（＃２１０）。
さらに１ステップ、Ｔ１時間経過後の有義波高(Ｈ1/3)と有義周期(Ｔ1/3)を予測し、これを台風が消滅するまで繰り返す。
この第２実施例によれば、６時間〜５０時間後の係留限界を時間遅れなく予測できた。
【００８８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、台風の各パラメータについての情報を得て、該情報から１ステップ後の上記パラメータを予測し、予測されたパラメータを用いて台風内の有義波データを算出し、台風内の波浪が推算点に到達する時間Ｔ２を計算し、推算点における波浪データを取得し、台風内の波浪が推算点に到達した時点における推算点の有義波データを算出し、算出された予測値をもとに港内係留船の安全性を判断するので、外洋性港湾における長周期波の予測を１〜３日後まで極力少ないデータ数で有る程度精度良く行うことができる。したがって、港湾に入港しようとする船舶が、入港するか否かの判断が容易にできるようになった。
【００８９】
台風のパラメータから台風内の複数点における主方向を算出する主方向算出手段と、上記複数点の各主方向に対し上記推算点が所定の分散角内に位置する関係にある点を伝播源点としてその数をカウントする伝播源数カウント手段と、予測される台風のパラメータから各伝播源点における有義波データを算出する台風内有義波演算手段と、各伝播源点の有義波が分散されながら推算点に達するときの推算点における有義波データを予測する到達有義波演算手段と、台風内の上記複数の伝播源点からの有義波が分散しつつ上記推算点に所定の時点に同時に到達する有義波データを積算する有義波積算手段と、該有義波積算手段が算出した有義波データと上記海象観測装置の波浪データとから台風内の複数の伝播源点からの有義波が分散しながら推算点に到達したときの該推算点における有義波データを予測する推算点有義波演算手段と、予測された有義波データを予め決められた閾値と比較して港内係留船の安全性を予測する限界判定手段と、を有する構成とすれば、台風内の複数の伝播源点から分散しながら伝播する波浪を考慮して港内係留船の安全性を予測することができるようになるので、より正確な予測が可能となる。
【００９０】
また、伝播源点として風速１５ｍ／secの強風域を計算に入れると、特に発達しながら接近する台風の影響の予測に効果的である。また複数の台風が発生した場合、それぞれの台風について上記の方法を適用することによって、合成された波浪の予測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における係留限界の予測システムの構成と、予測の概略の流れを示す図である。
【図２】基地局の内部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施例で波浪予測方法を実施するフローチャートである。
【図４】台風内の有義波が伝播する主方向の求め方を説明する図である。
【図５】台風のパラメータと、台風内の有義波高及び有義周期との関係を示す線図である。
【図６】（ａ）は、台風内で発生した波が、主方向ｃに対して、ｃ１やｃ２のような分散角δ１，δ２を持って多方向に伝播する状態を示す図、（ｂ）は、これを逆に推算点Ｐから見た状態を示す図である。
【図７】台風から推算点Ｐに伝播する波浪の経路を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例における基地局の内部の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施例で波浪予測方法を実施するフローチャートである。
【図１０】台風域上１゜毎に取った３６０個の点の任意の点Ｑからその主方向ｃに沿って伝播する波浪と、ｃ１やｃ２のように徐々に分散する波浪とを示す図である。
【符号の説明】
１      海象観測装置
２，３      基地局
２１，３１    データ受信手段
２２，３２    予測演算手段
２３    台風内有義波演算手段
２４    到達時間演算手段
２５，３８    推算点有義波演算手段
２６，３９    限界判定手段
３３    主方向算出手段
３４    伝播源数カウント手段
３５    台風内有義波演算手段
３６    到達有義波演算手段
３７    有義波積算手段
【図１】
0004027748.tif 000026
【図２】
0004027748.tif 000027
【図３】
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【図４】
0004027748.tif 000029
【図５】
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【図６】
0004027748.tif 000031
【図７】
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【図８】
0004027748.tif 000033
【図９】
0004027748.tif 000034
【図１０】
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