(57)【要約】【課題】干出状態と冠水状態とを通じて熱収支の変化を従来よりも正確にシミュレーションができる干潟の熱収支シミュレーション装置を提供する。【解決手段】干潟の熱収支シミュレーション装置は、二層間算出手段と、三層間算出手段とを有する。二層間算出手段は、潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気と潟土への熱・水輸送を求める。三層間算出手段は、海水表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように海水表面温度を求め、かつ潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気・海水・潟土の各層間の熱・水輸送を求める。所定の潮位未満ならば二層間算出手段で熱収支を求め（ステップＳ１１）、所定の潮位以上ならば三層間算出手段で熱収支を求め（ステップＳ１３）、熱収支の変化をシミュレーションして表示する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌−大気結合モデルに準じて潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気と潟土への熱・水輸送を求める二層間算出手段と、
海水表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように海水表面温度を求め、かつ潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気・海水・潟土の各層間の熱・水輸送を求める三層間算出手段とを有し、
所定の潮位未満のときは前記二層間算出手段によって熱収支を求め、前記所定の潮位以上のときは前記三層間算出手段によって熱収支を求めることにより、干潟における熱収支の変化をシミュレーションして表示する干潟の熱収支シミュレーション装置。
【請求項２】
請求項１に記載した干潟の熱収支シミュレーション装置であって、
三層間算出手段は、海水層については鉛直方向の熱拡散のみを考慮し、かつ飽和状態となる潟土は熱伝導のみを考慮して算出を行う干潟の熱収支シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干潟における熱収支のシミュレーションを行う干潟の熱収支シミュレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、大気と土壌における熱・水輸送過程を地表面で連成させ、同時に解析する土壌−大気結合モデルが知られている（例えば非特許文献１を参照）。このモデルでは、土壌表面において熱エネルギーの収支（放射エネルギー、大気への顕熱・潜熱輸送、地中への熱伝導の和）がゼロとなるように土壌表面温度を求めてから、大気と土壌への熱・水輸送を求めている。
【非特許文献１】H.F.M. ten Berge（九州地下水研究会訳）：裸地表面と低大気層における熱と水分の輸送，森北出版，1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、土壌−大気結合モデルは本来農地を対象としている。そのため、干潟の干出状態では土壌を潟土に置き換えれば、土壌−大気結合モデルを干潟に適用することも可能である。ところが、干出状態と交互に現れる冠水状態では、大気層と潟土層との間に海水層が介在することになり、土壌−大気結合モデルをそのまま干潟に適用しても誤差が著しく現れる。よって、土壌−大気結合モデルに準じて干潟における熱収支の変化をシミュレーションしようとしても実用に適さなかった。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、干出状態と冠水状態とを通じて干潟における熱収支の変化を従来よりも正確にシミュレーションができる干潟の熱収支シミュレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、土壌−大気結合モデルに準じて潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気と潟土への熱・水輸送を求める二層間算出手段と、海水表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように海水表面温度を求め、かつ潟土表面における熱エネルギーの収支がゼロとなるように潟土表面温度を求めてから、大気・海水・潟土の各層間の熱・水輸送を求める三層間算出手段とを有し、所定の潮位未満のときは前記二層間算出手段によって熱収支を求め、前記所定の潮位以上のときは前記三層間算出手段によって熱収支を求めることにより、干潟における熱収支の変化をシミュレーションして表示することを要旨とする。
【０００６】
解決手段１によれば、所定の潮位未満（例えば１ミリメートル未満すなわち干出状態）のときは、二層間算出手段によって土壌−大気結合モデルに準じて熱収支を求める。一方、所定の潮位以上（例えば１ミリメートル以上すなわち冠水状態）のときは、三層間算出手段によって大気・海水・潟土の相互間の熱・水輸送を求めて熱収支を求める。よって、干出状態と冠水状態が交互に現れる干潟における熱収支の変化を従来よりも正確にシミュレーションして表示することができる。
【０００７】
（２）解決手段２は、解決手段１に記載した干潟の熱収支シミュレーション装置であって、三層間算出手段は、海水層については鉛直方向の熱拡散のみを考慮し、かつ飽和状態となる潟土は熱伝導のみを考慮して算出を行うことを要旨とする。
【０００８】
解決手段２によれば、海水層について水平方向の熱拡散を無視し、潟土では熱伝導以外の輸送を無視する。このような無視を行ったとしても全体の熱収支に与える影響はほとんど無く、かつ無視に伴う計算量を減らせるのでシミュレーションに必要な時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所定の潮位未満のときは二層間算出手段によって熱収支を求め、所定の潮位以上のときは三層間算出手段によって熱収支を求めるので、干出状態と冠水状態が交互に現れる干潟における熱収支の変化を従来よりも正確にシミュレーションして表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
潟土の熱水分状態は干潟の環境を評価する上で基本的かつ重要な要素である。図１には干潟における熱輸送の概略図を表す。具体的には、干出状態を図１（Ａ）に表し、冠水状態を図１（Ｂ）に表す。
【００１２】
図１（Ａ）の干出状態において、正味放射Ｒｎとして潟土表面に入射した熱は、顕熱Ｈや潜熱ＬＥとして大気に輸送され、熱伝導により潟土中に輸送される。干出状態の土中水分は、潜熱輸送による乾燥や、地下水位に低下により変化する。
【００１３】
図１（Ｂ）冠水状態において、海水表面に届く正味放射Ｒｎは海水表面での熱収支に寄与するとともに、一部は海水中にも透過して海水に吸収され、潟土表面（すなわち海底面）に到達したものは潟土表面での熱収支に寄与する。また海水表面では、顕熱Ｈや潜熱ＬＥとしての大気への熱輸送と、熱伝導により海水への熱輸送があり、海中では移流・拡散による熱輸送があり、海底面では海水と潟土の間で熱交換が行われる。また、冠水により潟土中に海水の浸透が生じる。このように干潟での熱環境は、干出状態と冠水状態との変化に伴って構成要素が大きく変化し、熱輸送形態も変化する。
【００１４】
そこで、次に示す仮定や方針を設けて簡単化し、干潟をモデル化した。
（ａ）干出状態と冠水状態でそれぞれにモデル化を行い、潮位（すなわち海水位）に応じてモデルを切り替える。
（ｂ）大気層−海水層、海水層−潟土層などの異なる要素間の界面での熱収支がゼロとなるように両者を達成させて同時に解く。
（ｃ）冠水状態の正味放射は海水面の熱収支だけに寄与する。
（ｄ）潟土中の熱・水分の移動は鉛直方向成分のみを考え、水平方向成分を無視する。
【００１５】
（ｂ）の方針について、潟土表面や海水表面における熱収支の構成要素である潜熱輸送や顕熱輸送の計算は、一般的にはバルク（Bergel）式が利用されることが多い。しかし、バルク式は大気側の温度や比湿が観測値などで与えられており、大気の安定度などで変化するバルク係数が予め判っている場合に用いることができるが、そうでない場合は適用が難しい。潜熱・顕熱輸送は、大気・海水・潟土それぞれの状態によって相互に影響し合うため、この相互作用を表現するためには同時に達成して解く必要がある。この場合、大気側も数値的に解く必要があるが、反面、対象地点直上の観測値が必要ないという利点がある。大気と潟土・海水を達成して解く方法として土壌−大気結合（Soil-Atmosphere Linking Simulation Algorithm：SALSA）モデルを参考とし、大気の計算もこれに倣って鉛直一次元モデルとした。
【００１６】
（ｃ）の仮定については、水中への放射の透過の影響を無視するものである。水深３０−５０ｃｍと比較的小さい場合でも、日射のほとんどが水中に吸収され、透過の影響は表面近傍に限られると考えられるので、簡単化のために設定した。
（ｄ）の仮定については、過去の観測値をみる限り、干潟の地下水位の変動は海水面とほぼ同じであることが多い。通常の干潟は勾配が水平に近いため、水平方向の水の移流はもっぱら海中で行われ、地下浸透は鉛直方向が主であると考えに基づいて設定した。
【００１７】
（ａ）の方針に従って、熱・水輸送についてモデル化したものを図２と図３に表す。図２には、土壌−大気結合モデルに準じて大気層（大気）と潟土層（潟土）との二層間で熱・水輸送を求めるモデルを模式図で表す。図３には、大気層（大気）・海水層（海水）・潟土層（潟土）の三層間で熱・水輸送を求めるモデルを模式図で表す。
【００１８】
図２に表す二層間モデルは、大気に対応する大気層Ａと、土壌に対応する潟土層Ｄと、これらの境界にそれぞれ対応する大気境界層Ｂおよび潟土境界層Ｃとからなる。この二層間モデルでは、土壌−大気結合（SALSA）モデルに準じて、大気層Ａと潟土層Ｄにおける熱・水輸送過程を潟土表面Ｆで連成させ、同時に解析する。すなわち、潟土表面Ｆにおいて熱エネルギーの収支（放射エネルギー、大気層Ａへの顕熱・潜熱輸送、潟土層Ｄへの熱伝導の和）がゼロとなるように潟土層Ｄの表面温度ＴSを求めてから、大気層Ａと潟土層Ｄへの熱・水輸送を求める。
【００１９】
潟土表面Ｆにより二つの半無限区間に分割された鉛直一次元システムにおいて、主たる状態変数である潟土層Ｄにおける潟土温度Ｔg1と潟土水分率θg1、大気層Ａにおける温位（すなわち気温Ｔa1）と比湿（すなわち表面比湿ｑa1）に加え、大気中の鉛直方向の熱輸送に影響を与える水平風速と乱れの運動エネルギーを考慮する。大気分割層の厚さは潟土表面Ｆの近くで１[ｍ]程度のオーダーであり、大気層Ａの上層部では数百[ｍ]のオーダーとなる。潟土層Ｄ中では、潟土表面Ｆの近くで数[ｍ]のオーダーから数[cm]程度のオーダーとなる。大気層Ａの上層においてこれらの状態量の境界値および全天日射量を与えることで、潟土表面Ｆの近傍の熱・水分状態の解析を行う。
【００２０】
図３に表す三層間モデルは、大気層Ａと、海水に対応する海水層Ｍと、潟土層Ｄと、大気層Ａと海水層Ｍの境界にそれぞれ対応する大気境界層Ｂおよび海水境界上層Ｊと、海水層Ｍと潟土層Ｄの境界にそれぞれ対応する海水境界下層Ｎおよび潟土境界層Ｃとからなる。この三層間モデルでは、海水表面Ｐと海底面（すなわち潟土表面Ｆ）とにより三つの区間に分割された鉛直一次元システムにおいて、主たる状態変数である潟土層Ｄと海水層Ｍにおける温度（すなわち潟土温度ＴS1と海水温度Ｔsea1）、大気層Ａにおける温位（すなわち気温Ｔa1）と比湿（すなわち表面比湿ｑa1）を考慮する。
【００２１】
また土壌−大気結合モデルに準じて、大気中の鉛直方向の熱輸送に影響を与える水平風速と乱れの運動エネルギーを考慮する。大気層Ａと海水層Ｍの境界面における熱・水分輸送は、海水表面Ｐにおいて熱エネルギー収支がゼロとなるように求める。海水層Ｍの部分も鉛直一次元として水平方向の移流は考慮せず、鉛直方向の熱拡散のみを考慮する。冠水状態では潟土層Ｄも飽和状態となるため、熱伝導のみを考慮する。海水層Ｍと潟土層Ｄ間の熱輸送も熱エネルギー収支もゼロとなるようにする。なお、放射エネルギーは全て海水表面Ｐ上の熱収支バランスで考慮し、海水層Ｍへの透過は無視する。
【００２２】
上述した二層間モデルおよび三層間モデルについて干出状態と冠水状態とで切り替えながら計算を行うことにより、干潟における熱収支の変化についてシミュレーションを行って結果を表示する。具体的には図４に表すように、所定の潮位（例えば１ミリメートル）未満であれば（ステップＳ１０でＹＥＳ）、干出状態として二層間モデルに従って計算を行う〔ステップＳ１１〕。一方、所定の潮位以上であれば（ステップＳ１０でＮＯ）、冠水状態として三層間モデルに従って計算を行う〔ステップＳ１３〕。こうした処理をシミュレーションを終えるまで継続して繰り返す〔ステップＳ１２〕。
【００２３】
各層間モデルの計算は、図２および図３にそれぞれ示した各要素に対応する物理的現象の理論式に従って図５に表す手続きで行う。すなわちシミュレーションに必要な初期条件を設定し〔ステップＳ２１〕、純放射量，気温，風速等のように時系列で変化する気象データの測定値を入力する〔ステップＳ２２〕。こうして計算の準備が整うと、干出状態および冠水状態における潟土表面Ｆや冠水状態のみにおける海水表面Ｐのような境界面でのエネルギー収支を計算し〔ステップＳ２３〕、大気層Ａの計算を行い〔ステップＳ２４〕、潟土層Ｄの計算を行う〔ステップＳ２５〕。ステップＳ２２からステップＳ２５までの処理を時間ステップごとに繰り返し行い〔ステップＳ２７〕、解析結果を表示装置や印刷装置等に出力して表示する〔ステップＳ２６〕。
【００２４】
図２および図３にそれぞれ示した各要素にかかる理論式は既知であるので省略するが、当該理論式の一例は次の各式のようになる。
【００２５】
１．放射エネルギーＲN
【数１】
2009098096.tif 000003
ここで、ＲS↓は全天放射、ＲS↑は潟土表面Ｆまたは海水表面Ｐでの反射放射、ＲL↑は潟土表面Ｆまたは海水表面Ｐからの長波放射、ＲL↓は大気からの長波放射である。
【００２６】
２．潟土表面Ｆまたは海水表面Ｐ、低層大気の物質輸送（図２に表す潟土層Ｄの表面温度ＴSや、図３に表す海水表面Ｐの表面温度ＴSと潟土層Ｄの表面温度Ｔsea-gの計算）
【数２】
2009098096.tif 000004
ここで、Ｈは顕熱、Ｅは蒸発／凝結量、運動量τの輸送量、Ｋh，Ｋw，Ｋm[m2s-1]はそれぞれの拡散係数、Ｃpは空気の定圧比熱[1004Jkg-1K-1]、ρaは空気の密度（約１．２[kgm-3]）、Ｅは蒸気の潜熱Ｌ（約２．４５[kgm-3]）をかけてＬＥとすると潜熱の輸送量になる。拡散係数Ｋh，Ｋw，Ｋmは大気の状態によって変化する。
【００２７】
３．高層大気の輸送
【数３】
2009098096.tif 000005
ここで、上記式は３次元直交座標系における運動方程式の水平方向成分を表す。すなわち、水平方向の移流成分を省略し、鉛直方向平均流の方程式はｗがｗ'に比較して無視できるとし、大気中での運動量輸送は分子間の相互作用の影響は小さいとして分子粘性項を省略している。なお、ｕ，ｖは平均風速成分、ｕ'，ｖ'は変動風速成分、ｆはコリコリ力、ｕg，ｖgは地衝風である。
【００２８】
４．潟土（土壌）中の輸送（潟土温度ＴS1の計算）
【数４】
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ここで、Ｔは地温[K]、λは熱伝導率[Wm-1K-1]、Ｃは体積熱容量[Jm-3K-1]、Ｊvは蒸気のフラックス、ΔＨvは蒸発潜熱である。右辺第１項は熱伝導、右辺第２項は蒸発・凝結による輸送である。
【００２９】
上述した実施の形態によれば、以下に表す各効果を得ることができる。
（１）所定の潮位未満のときは二層間モデルに従って熱収支を求め（図４のステップＳ１１；二層間算出手段に相当）、所定の潮位以上のときは三層間モデルに従って熱収支を求めた（図４のステップＳ１３；三層間算出手段に相当）。したがって、干出状態と冠水状態が交互に現れる干潟における熱収支の変化を従来よりも正確にシミュレーションして表示することができる。
【００３０】
（２）三層間算出手段は、海水層については鉛直方向の熱拡散のみを考慮し、かつ飽和状態となる潟土は熱伝導のみを考慮して算出した。このように計算しても全体の熱収支に与える影響はほとんど無く、かつ計算量を減らせるのでシミュレーションに必要な時間を短縮することができる。
【実施例】
【００３１】
上述した図４と図５のフローチャートをコンピュータで実行するにあたって必要な計算条件の一例を次の表１〜表３に示す。表１には大気・水温・地温の計算範囲を表す。表２には主な設定パラメータを表す。表３には図５のステップＳ２１で設定する初期条件を表す。
【００３２】
【表１】
2009098096.tif 000007
【００３３】
【表２】
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【００３４】
【表３】
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【００３５】
ここで、風速・風向の観測結果を図６に表し、気温・比湿・表面温度の観測結果を図７に表す。これらの観測結果に対応して、上記計算条件により行ったシミュレーションの結果を図８に表す。図６〜図８では、いずれも縦軸を風速または温度とし、横軸を時間の経過とした変化を表す。１５日の観測結果とシミュレーション結果を比べてみると、風速は日中で約５[m/s]となる点で一致し、気温も日中で約１２[℃]となる点で一致している。
【００３６】
また、潟土（地中）温度の観測結果を図９に表し、上記計算条件により行ったシミュレーションの結果を図１０に表す。図９と図１０では、いずれも縦軸を潟土の地中温度とし、横軸を時間の経過とした変化を表す。地下４[cm]の観測結果とシミュレーション結果を比べてみると、最高温度が約１２[℃]、最低温度が約７[℃]でほぼ一致している。干潟に特有の冠水に伴う急激な温度変化もほぼ一致している。
【００３７】
表面温度はシミュレーション結果の変動が観測結果よりも大きくなっており、地下１０[cm]以下ではシミュレーション結果の変動が観測結果よりも小さくなっている。これはシミュレーションの計算における表面温度は境界層の温度（すなわち図３に表す海水潟土表面温度Ｔsea-g）であり、水温計で観測される表面温度とは正確には同じでない。また、地下１０[cm]以下におけるシミュレーション結果の温度変化が小さいのは、設定した熱伝導率が実際よりも小さかった主な原因である。したがって、実際に見合う値を熱伝導率として設定すれば、シミュレーション結果も観測結果とほぼ一致するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】干潟における熱輸送の概略を表す図である。
【図２】二層間モデルを表す模式図である。
【図３】三層間モデルを表す模式図である。
【図４】シミュレーション処理の一例を表すフローチャートである。
【図５】層間モデル処理の一例を表すフローチャートである。
【図６】風速・風向の観測結果を表すグラフ図である。
【図７】気温・比湿・表面温度の観測結果を表すグラフ図である。
【図８】シミュレーションの結果を表すグラフ図である。
【図９】潟土（地中）温度の観測結果を表すグラフ図である。
【図１０】シミュレーションの結果を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  大気層（大気）
Ｂ  大気境界層
Ｃ  潟土境界層
Ｄ  潟土層（潟土）
Ｆ  潟土表面
Ｈ  顕熱
Ｊ  海水境界上層
Ｋh，Ｋm，Ｋw  拡散係数
Ｌ，ＬＥ  潜熱
Ｍ  海水層（海水）
Ｎ  海水境界下層
Ｐ  海水表面
ＲN  放射エネルギー
Ｒｎ  正味放射
ＴS  表面温度
ＴS1  潟土温度
Ｔa1  気温
Ｔg1  潟土温度
Ｔsea  表面温度
Ｔsea1  海水温度
ｑa1  表面比湿
θg1  潟土水分率
τ  運動量
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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