ＩＳＳＮ１３４６－７８３２

独立行政法人港湾空港技術研究所

港湾空港技術研究所
報告
REPORT OF
THE PORT AND AIRPORT RESEARCHINSTITUTE

VOL.53No.2 June

2014

NAGASE,YOKOSUKA,JAPANINDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION,

PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE

港湾空港技術研究所報告（REPORT OF PARI）
第 53 巻

第 2 号（Vol. 53,

目

No. 2）,

2014 年6月（June 2014）

次（CONTENTS）

1. 階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発···················································································· 有川太郎，富田孝史 ·······

3（Development of High Resolution Tsunami Runup Calculation Method Based on a Multi Scale Simulation··························································································· Taro ARIKAWA, Takashi TOMITA）

港湾空港技術研究所報告第 53 巻第 2 号(2014.6)

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発
有川太郎*・富田要

孝史**

旨

津波災害は，特定地域における浸水被害ではなく，広域にわたって破壊を伴う大災害となりうる
ことが，2011 年に生じた東日本大震災によって示された．また，陸域には様々な構造物があること
から，それらの構造物の被害を評価するためには，3 次元的な流体運動を高精細に評価する必要がある．しかし，高精細な 3 次元流体解析は計算コストも大きい．そのため，波源から遡上までを効率良く計算する手法として，STOC(富田ら，2005)ならびに，CADMAS-SURF/3D(有川ら，2005)を接続する手法を開発し，その妥当性を検証することを本研究の目的とする．
妥当性については，東日本大震災時の女川地区の計算を行い，観測データとの比較でその妥当性を確認した．また，建物の流出状況の検討を行った．
キーワード：津波，STOC，CADMAS-SURF，遡上計算，スーパーコンピュータ* 海洋研究領域耐波研究チーム上席研究官** アジア太平洋沿岸防災研究センター 副センター長・事務局長〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬3-1-1
独立行政法人 港湾空港技術研究所
電話：046-844-5043
Fax：046-842-7846
E-mail：arikawa@pari.go.jp-3-

REPORT OF THE PORT AND
AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Vol.53, No.2 (Jun.2014)

Development of High Resolution Tsunami Runup Calculation Method Based on a
Multi Scale Simulation

Taro ARIKAWA*
Takashi TOMITA**

Synopsis
In order to evaluate the damage due to giant tsunamis, influence of destruction of structures,debris, etc. is required. The power of the tsunami is greatly different depending on the place andthe condition. Three dimensional numerical simulator should be required to analyse overflow,
scour, flood into buildings and so on. Because the calculation cost of this kind of simulator is very
high, nesting and coupling methodology with kind of wave equation is needed. So, the system
which connects tsunami propagation simulator and 3-D numerical simulator should be developed.
In this paper, accuracy and effectiveness of this coupling system is discussed by using the fielddata of damage by the Great East Japan Earthquake of March 11, 2011 in Onagawa area.
The STOC-CADMAS system calculates detailed inundation processes occurring in a town from atsunami’s source location.
Applicability of this system verified in Onagawa town. The agreement of observation data
indicated that the system works well and the accuracy of the inundation height is depend on mainly
tsunami source. The CS3D system also calculates the wave pressures and the forces attacking on
the building. So criteria of overturning of building were verified.
Key Words: arrival time, delayed propagation, ocean-water compressibility, solid-earth elasticity, tsunami,
wave dispersion* Research Director, Marine and Structures Group, Coastal and Ocean Eng. Research Division** Deputy Director-General, Managing Director, Asia-Pacific Center for Coastal Disaster Research
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, JapanPort and Airport Research Institute
Phone : +81-46-844-5043
Fax : +81-46-842-7846
E-mail : arikawa@pari.go.jp

-4-

目

要

次

旨 ························································································································

3

1. はじめに ···················································································································

7

2. 実験概要及び計算概要 ································································································

7

2.1

計算システムの概要 ·····························································································

7

2.2

連成方法 ·············································································································

7(1)

通信方法 ··········································································································

7(2)

STOCからCS3Dへの通信 ·······················································································

7(3)

CS3DからSTOCへの通信 ·······················································································

8

テスト計算 ··········································································································

8(1)

計算条件 ··········································································································

8(2)

結果 ················································································································

9

3. 現地地形を用いた津波計算の精度 ················································································

9

2.3

3.1

対象とした地形と計算条件 ····················································································

9(1)

計算領域諸元 ····································································································

9(2)

津波波源 ··········································································································

93.2

計算結果 ············································································································· 10(1)

各領域でのスナップショット ············································································· 10(2)

津波伝搬におけるGPS波浪計との比較 ·································································· 11(3)浸水高の比較 ···································································································· 12(4)浸水高と流速の時系列の比較 ············································································· 14(5)波力の検討 ······································································································· 14

4. プログラムの実行性能 ································································································ 15
4.1

各プログラムの同期処理 ······················································································· 15

4.2

プログラムの負荷バランスの検討 ·········································································· 15(1)

検討ケース ······································································································· 15(2)

スレッド並列化による高速化 ············································································· 16(3)各領域の計算負荷のバランスによる高速化 ·························································· 16

5. まとめ ······················································································································ 17
謝辞 ······························································································································ 17
参考文献 ························································································································ 18-5-階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発

1. はじめにSTOC-ML は，圧力を静水圧で近似し，また，水表面の決定を連続式から算出することで，計算コストを下げ

津波災害は，特定地域における浸水被害ではなく，広たシミュレータであり，主に，発生源の近くからある程域にわたって破壊を伴う大災害となりうる可能性がある

度の浅さまでを計算するものである．STOC-IC は，よりことが，2011年に生じた東日本大震災によって示された．

浅く，複雑な地形の変化に対応するため，圧力をポアソ

また，陸域には様々な構造物があることから，それらのン方程式により解くが，水表面は連続式から決定するこ構造物の被害を評価するためには，3次元的な流体運動をとで，若干計算コストを抑え，港付近を計算するシミュ

高精細に評価する必要がある．これまで，線形長波方程レータである．最後に CS3D は，越流や段波といった複式，非線形長波方程式および分散性を含めた方程式を用

雑な表面を持つ遡上域に対応するため，Navier-Stokes 方

いて，津波伝搬・遡上計算をしている研究は数多く存在

程式を解き，また水表面を VOF 法によって決定するシミ

する．一方で，3次元のナビエストークス方程式に基づいュレータである．それらを連成させることで津波の発生た計算手法を用いて，遡上部のみの計算や局所的な地形

源から街中の浸水まで効率よく計算する．

のみの計算も多く存在する．3次元計算において，津波伝
搬から遡上まで一連に解いた計算は，計算コストが大き2.2 連成方法すぎるため，現在までのところその事例はなく，また，(1) 通信方法

波動方程式と接続し，3次元計算を行う場合において，そSTOC-ML，IC ならびに CS3D は図-2.2 のような形でのほとんどが，波動方程式の結果を境界として与える

連成計算される．すべてにおいて MPI 通信で行うことに1way計算であり，双方向の接続を行い，長時間の遡上計なっている．ML，IC，CS3D ともに，その領域を領域分算を行った事例は存在しない．そこで，本研究では，波割することができるが，異なる計算方法が入っている場

源から遡上までを効率良く，かつ双方向計算することで合（たとえば，ML の領域のなかに，IC が入っている場

長時間の津波の挙動を計算する手法として，STOC(富田ら，合）には，異なる計算方法を含む親領域は，分割するこ2005)ならびに，CADMAS-SURF/3D(有川ら，2005)を接続とができない仕組みとなっている．したがって，CS3Dする手法を開発し，その妥当性を検証することを目的との領域がある程度大きくなった場合には，それを包含すする．

る IC も結果として 1 領域で大きくなることとなる．

2. 実験概要および計算概要
2.1 計算システムの概要
STOC-CADMAS システムは，STOC-ML→STOC-IC→CADMAS-SURF/3D(以下，CS3D と呼ぶ)の 3 つの異なる

図-2.2

MPMD 方式による連成シミュレータを連成させることで，津波の発生源から街中に生じる細かな浸水過程を計算するものである（図(2) STOC から CS3D への通信

-2.1）
．

CS3D 側では，領域の最外周部を流速固定境界とみなし，STOC から流入面のセル中心の流速値ならびに VOF
関数の F 値を送信する（図-2.3）．
STOCの境界条件設定位置

領域分割線

図-2.1

STOC-CADMAS システムの概念図

CADMASの外周

図-2.3

-7-

STOC から CS3D への変数送信

有川太郎・富田孝史

データサイズは STOC 側のメッシュサイズで 2 次元断図-2.6 のように CADMAS の内側領域の水位の平均値を面分×4 面×4 変数となる．流速値については，STOC かSTOC に送信する．データサイズは 1 次元配列×4 列分

ら受け取った値を対応する複数の位置に一様に与え，Fとなる．

値については，F=0，１の場合にはそのままの値を与え，STOCの境界条件設定位置

0＜F＜１となる場合には，鉛直方向の F 値の積分した値
が，STOC 側の水位と一致するように，水面セルより下は 1，水面セルより上は 0 になるようにして，下から順に F 値を与える．
領域分割線(3) CS3D から STOC への通信
STOC 側では，CS3D 側の１セル分内側の位置を流速固定境界とみなし，CS3D から流入面のセル中心の流速値
CADMASの外周の F 値で重み付けを行った平均値と，流量(HU，HV)の値の合計値を与える（図-2.4，図-2.5）．

図-2.6

CS3D から STOC への変数送信(水位)STOCの格子位置

2.3 テスト計算
平均のU=
ΣF×u×ΔzΣF×Δz(1) 計算条件
図-2.7 に示す計算領域において，左側境界から微小振
幅波（半振幅：0.01m，波長：125.21m，周期：40 秒，水STOCのメッシュ

深:1.0m）を入射させた場合の波で計算を行った．CS3Duは，図-2.7 のうち「CS3D 領域」と示した部分を計算し，

z

x

図-2.4

平均のHU=

STOC は，残りの領域を計算した．

Σγx× ＜F＞×u ×ΔzΣΔz

初期条件は水位を 0m（底面高さは－1m のため，水深は 1m），流速を 0m/s，STOC の z 方向格子点座標として変数の定義(平均流速・流量)z = ( -1.0, -0.75, -0.5, -0.25, 0.0, 0.25, 0.5 )とした．計算時間

STOCの境界条件設定位置

は 0～80 秒とし，格子条件は，格子の粗さによる影響をみるために表-2.1 のとおり 2 ケース行った．また，ケー
ス 1 はΔt=0.025s，ケース 2 はΔt=0.01s とした．
領域分割線

CADMASの外周

図-2.5

STOC から CS3D への変数送信(流速，流量)

HU，HV は，

HU = γ x < F > U(1)

HV = γ y < F > V

(2)

図-2.7

テスト計算領域で定義される法線方向の流量であり，ここで，γx，γy
表-2.1 テスト計算の格子の大きさ

は x および y 方向の面積透過率であり，<F>は F 値の積分値である．データサイズは STOC 側のメッシュサイズ

ケース 1
ケース 2

で 2 次元断面分×4 面×4 変数となる．
また，STOC の運動方程式のセル境界面のフラックス

ケース 1
ケース 2

を計算する際に，表面セルでは水位が必要となるため，-8-

Δx STOC
1.5
0.6
ΔZ STOC
0.25
0.25

Δx CS3D
0.5
0.2
ΔZ CADMAS
0.125
0.125

ΔX 比
1:3
1:3
ΔZ 比
1:2
1:2

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発(2) 結果表-3.1 各領域の諸元

図-2.8 および図-2.9 にそれぞれの計算結果の空間波

領域

形のコン ターのスナップショットを 示す．それぞれ

1
2
3
4
5
6
7
8
9

CS3D の領域で空間格子の細かさにより，シャープな形状になっていることがわかるが，特に境界において，不整合が生じていないことがわかる．また，格子サイズを細かくすれば，その影響が小さくなっていることも見て

格子サ
イズ
(m)
2916
972
324
108
36
12
4
4
1

格
子
比
－
3
3
3
3
3
3
1
4

格子数
X

Y

Z

500
510
405
900
930
1020
870
390
600

365
390
387
600
930
780
627
285
800

1
1
1
1
1
1
1
13
32

全体

計算プロ
グラム名

cpu
数

182500198900156735540000864900795600545490144495015360000

STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-IC
CS3D

1
1
1
1
1
1
1
3
32

とれ，本手法の妥当性が確認できた．

(a) 60s 後
図-2.8(b) 80s 後

ケース 1 の波形の空間分布のスナップショット(a) 1～8 領域(a) 60s 後
図-2.9(b) 80s 後

ケース 2 の波形の空間分布のスナップショット(b) 7 から 9 領域

3. 現地地形を用いた津波計算の精度

図-3.1

計算領域

3.1 対象とした地形と計算条件(2) 津波波源(1) 計算領域諸元

津波波源としては，Fujii et. al.(2011)による ver 4.0 およ2011 年 3 月に生じた東日本大震災による津波を用いて，び ver 8.0 （ web で 公 開 さ れ て お り ， URL は ，女川町を対象として計算を行った．計算領域の格子サイ

http://iisee.kenken.go.jp/staff/fujii/OffTohokuPacific2011/tsu

ズや格子の数，各領域の計算システムおよび使用した

nami_ja.html となる．以後，「藤井・佐竹 ver4.0」およびcpu 数について，表-3.1 にまとめた．最大の格子数は「ver8.0」と言う），中央防災会議(2011)ならびに高川・CS3D の領域で，1500 万格子程度であり，使用する cpu

富田(2012)を用い，その違いを検討した．なお，中央防数は，CS3D のみで 32cpu を用いた．

災会議(2011)のモデルと，高川・富田(2012)のモデルにお

ここでは，CS3D の領域について，1m の格子で，格子ける初期波源のスナップショットをそれぞれ図-3.2 お数 1500 万格子程度の計算を行う．なお，各領域におけるよび図-3.3 に示す．これをみると，中央防災会議(2011)

対象範囲を図-3.1 に示す．

モデルのほうがより北側に大きな波源があることがわかる．

-9-

有川太郎・富田孝史

120s 後0～60s

60s～120s

120s～180s

180s 後180s～240s
240s～300s
水位変動量(m)図-3.2 初期波源のスナップショット(中央防災会議(2011)モデル)
240s 後0～35.3s35.3～70.6s

540s 後70.6～105.9s

1140s
後

105.9～139.2s
139.2～174.5s
水位変動量(m)図-3.3 初期波源のスナップショット(高川・富田(2012)モデル)
3.2 計算結果(1) 各領域でのスナップショット
各領域における境界において不整合が生じていないか

1740s
後

どうかについて，空間波形のスナップショットにより確認を行った．ここでは，高川・富田(2012)のモデルを用いたものを図-3.4 および図-3.5 に示す．これらより，各領域の境界での不整合は見られず，うまく接続されてい図-3.4

ることがわかる．

- 10 -

領域 2 全体の波形のスナップショット

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発(2) 津波伝搬における GPS 波浪計との比較
GPS 波浪計（岩手北部(図中の凡例：North of Iwate，以下同じ)，岩手中部(Middle of Iwate)，岩手南部(South of1140s
後Iwate)，宮城北部(North of Miyagi)，宮城中部(Middle of
Miyagi)）および験潮所記録（仙台新港(Sendai)）で観測された値と，各波源モデルのシミュレーション結果を比較した(図-3.6)．これをみると，各モデルにおいて伝搬の波形が異なることがわかる．藤井・佐竹 ver8.0 モデル
では，宮城北部沖の比較において，他のモデルよりも 2m
近く小さくなっている．中央防災会議(2011)と高川・富

1440s
後

田(2012)の比較においては，中央防災会議(2011)モデルのほうが，岩手県の北側をうまく再現していることがわかる．また，高川・富田(2012)モデルでは，仙台新港の波形が切り立ちすぎている．

1740s
後

2040s
後

2340s
後

2640s
後
(a) 藤井・佐竹 ver8.0
図-3.5

領域 7，8，9 の波形のスナップショット- 11 -

有川太郎・富田孝史(c) 高川・富田(2012)
図-3.6

GPS 波浪計および験潮所記録との比較（上から，岩手北部沖，岩手中部沖，岩手南部沖，宮城北部沖，宮城中部沖，仙台新港）(3) 浸水高の比較
図-3.7 は，高川・富田(2012)を用いた浸水場所の津波のスナップショットである．これをみると 1700 秒後あたりから一旦津波が引き始め，その後 2300s 後付近から浸水が開始し，2800s 後ぐらいに最大浸水深となっている
ことがわかった．津波の浸水開始より約 20 分で最大浸水深に到達していることがわかる．
次に，浸水高を，痕跡調査結果と比較した．図-3.8 に比較した場所を示す．図-3.9 は，各モデルによる痕跡高との違いを示すものである．これをみると，藤井・佐竹ver8.0 モデルは，GPS の結果からも言えることであるが，全体的に低い結果となっている．そのため，C-14，C-16などで，本来浸水しても良いところが浸水していない．
一方で，中央防災会議(2011)と高川・富田(2012)のモデル
ではほとんど差がないものの，中央防災会議(2011)のモ
デルのほうが，全体的には少し高めの結果となった．

(b) 中央防災会議(2011)

この痕跡値との比較から Aida(1978)による定義の K 値(0.95≦K≦1.05 が必要とされる精度)とκ値(κ<1.45 が必要とされる精度)を計算したところ，中央防災会議(2011)
では，K=0.792，κ=1.208，高川・富田(2012)では，K=0.845，
κ=1.203，藤井・佐竹 ver8.0 では，K=0.921，κ=1.203となった．ただし，藤井・佐竹 ver8.0 では遡上しなかった点（C-14，C-16，C-21）を省いているため，同一の比較とはなっていない．この指標でみても，若干ではあるものの，高川・富田(2012)のモデルのほうが，中央防災会議(2011)のモデルよりも精度良く計算できていることがわかる．

- 12 -

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発

1440s
後

1740s
後
図-3.8

比較対象とした痕跡の場所

2040s
後

図-3.9

痕跡調査との比較(凡例：O；観測値，Cal.(T)；高川・富田(2012)，Cal.(C)；中央防災会議(2011)，Cal.(F)；藤井・佐竹 ver 8.0)
2340s
後

2700s
後

図-3.10

痕跡値と計算値との比較（凡例：図-3.9 と同
様）

2820s
後

ただし，いずれのモデルも，図-3.10 のように浸水高はほぼフラットであり，地形による差異が見られないため，痕跡高が 15m よりも低い場所においては，計算のほ図-3.7

うが高くなっている．この原因については，建物が流れ

CS3D の領域 9 の浸水のスナップショット

ることにより浸水高が止められる可能性などが考えられるが，詳細な原因の追求については今後の課題としたい．

- 13 -

有川太郎・富田孝史(4) 浸水高と流速の時系列の比較
越村ら(2011)はビデオから浸水高と流速の時系列波形を解析しており，それとシミュレーションの結果を比較したものを図-3.11 に示す．これをみると，藤井・佐竹
モデルは，全体的に早く到達しており，ピーク値も小さい．一方で，中央防災会議(2011)モデルと高川・富田(2012)モデルはほぼ同じような挙動をしているが，中央防災会
議モデルのほうが若干ピーク値が大きく，波が引く際にも高川・富田モデルと比較し，遅くなっていることがわ
かる．

図-3.12

図-3.12 および図-3.13 に遡上時と引波時における流

流況（図-3.11 中の浸水流速 6.27m/s の時間帯，2040s 付近）

況を示す．これをみると，引波時もうまく再現計算できており，また，越村ら(2011)による流速ともおおよそ一致していることがわかる．

図-3.13流況（図-3.11 中の浸水流速 6.27m/s の時間帯，

3060s 付近）
(5) 波力の検討
図-3.14 の丸印に示す場所にあった建物に作用する波力について検討した．この建物は津波によって流された
4 階建てのコンクリートビルである（高橋ら，2011）．
図-3.15 に，その建物に生じた前面と背面の圧力の鉛直分布を示す．これをみると，背後の圧力が先に大きくなっているが，これは，道路からの周りこみの影響であると考えられる．一方で，圧力が大きくなると（水位が図-3.11大きくなると），前面側の圧力が大きくなっており，その浸水深と流速のビデオ解析(越村ら，2011)との差が徐々に大きくなっていることがわかる．

比較(凡例：Depth(m)；浸水深のビデオ解析値，vel.；浸水流速のビデオ解析値，Cal.(C)；中央防災会議(2011)，

図-3.16 は，圧力を積分して求めた作用力である．こCal.(T)；高川・富田(2012)， Cal.(F)ver.8；藤井・佐竹 ver

れでみても，計算では，負の力が働いており，これは道8.0，Cal.(F)ver.4；藤井・佐竹 ver 4.0)

路の影響ではないかと考えられる．
建物は，幅 7.1m，奥行 5.3m，高さ 13.8m であり，単位面積当たりの重量を 12kN/m2 とすると
気中重量：2019 kN
水中重量：1177 kNとなる．計算された波力は，水中重量と気中重量の範囲内に収まっており，妥当な結果ではないかと考えられる．
なお，写真等から少なくとも 7～8m の浸水時では残存していることはわかっている．

- 14 -

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発

CADMAS

STOC-IC

Start

Start

Start

初期化

初期化

初期化

step ループ

step ループ
VF_V1CAL

STOC-MLstep ループ
QBICGS

CLUEQ

CP_RCVML2NS

CP_RCVML2NS

VF_T1CAL

CVUEQ

VF_S1CAL
VF_K1CAL
VF_F1CAL同期
MPI_ALLREDUCE

同期
MPI_ALLREDUCE

終了化

終了化

終了化

END

END

END

図-4.1

波力の検討を行った建物

STOC-ICとの同期
COM_DRIFT4

CADMASとのSTOC-ICとの図-3.14

STOC-MLとの同期
COM_DRIFT4

各プログラムのフロー図と同期の位置

4.2 プログラムの負荷バランスの検討(1) 検討ケース
各プログラムの負荷バランスを検討するために，CS3Dの領域を大・中・小の異なる 3 ケースで検討を行った．
各ケースの計算格子情報（表-4.1～表-4.3）と最内側を含む計算領域図（図-4.2～図-4.4）を示す．領域 1～7までは，各ケースともに同じとし，8 番目以降の領域について，領域 8 を STOC-ML として，IC の領域を広くとり，CS3D の領域を狭くとったものがケース 1，IC の領
図-3.15域と同程度の CS3D の領域としたものをケース 2 とした．

建物に作用した建物前後の圧力（点線は最下

そして，領域 8 を STOC-IC としたものがケース 3 となる．

層，実線は中央，破線は最上部の点となる）

表-4.1 ケース 1 の格子情報

図-3.16

建物に作用した波力

領
域

格子
サイ
ズ(m)

格
子
比

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

5400
1800
600
200
100
50
10
5
5
1

－
3
3
3
2
2
5
2
1
5

格子数
X

Y

Z

256
78
48
108
166
240
1100
1970
790
350

205
177
75
141
110
150
690
1000
364
350

1
1
1
1
1
1
1
1
11
38

全体

計算プロ
グラム名

52,48013,8063,600
15,22818,26036,000759,000
1,970,000
3,163,160
4,655,000

STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-IC
CS3D

4. プログラムの実行性能
4.1 各プログラムの同期処理
STOC-ML，IC，ならびに CS3D は，図-4.1 に示すよ
うに，それぞれの計算が終了すると，境界でのデータの受け渡しを行うため，データの同期をとる．従って，たとえば，STOC-ML の領域では，計算が終了していたとしても，STOC-IC もしくは CS3D の領域の計算が終了していなければ，同期するために，その計算機は同期待ちの状態になる仕組みとなっている．

図-4.2

従って，計算全体の速度を向上させるためには，各プ
ログラムの計算負荷のバランスを検討する必要がある．

- 15 -

ケース 1 の最内側領域

ノ
ー
ド
数
1
1
1
1
1
1
1
2
4
9

有川太郎・富田孝史て，計算する CPU の数を多くし，さらに，スレッド並列

表-4.2 ケース 2 の格子情報
領
域
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

格子
サイ
ズ(m)
5400
1800
600
200
100
50
10
5
5
1

格
子
比
－
3
3
3
2
2
5
2
1
5

格子数
X

Y

256
78
48
108
166
240
1100
1970
480
2000

205
177
75
141
110
150
690
1000
360
1500

Z

全体
1
1
1
1
1
1
1
1
13
40

52,48013,8063,600
15,22818,26036,000759,000
1,970,000
2,246,400
120,000,0
00

計算プログ
ラム名

ノード
数

STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-IC
CS3D

1
1
1
1
1
1
1
2
1
48

化して高速化した結果を図-4.6 に示す．これをみると，
今度は CS3D の計算時間は短くなったものの，IC の計算
時間が相対的に大きくなったため，結果として，他のプ
ログラムが同期待ちとなる状態となった．従って，このケースではこれ以上の高速化を行うことが困難となる．

図-4.5

図-4.3

ケース 2 の最内側領域

表-4.3 ケース 3 の格子情報
領
域

格子
サイ
ズ(m)

格
子
比

1
2
3
4
5
6
7
8
9

5400
1800
600
200
100
50
10
5
5

－
3
3
3
2
2
5
2
1

ケース 1 の計算負荷バランス

図-4.6

格子数
X

Y

Z

全体

計算プロ
グラム名

256
78
48
108
166
240
1100
1970
8500

205
177
75
141
110
150
690
1000
3600

1
1
1
1
1
1
1
1
40

52,48013,8063,600
15,22818,26036,000759,000
1,970,000
1,224,000,000

STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-ML
STOC-IC
CS3D

ノ
ー
ド
数
1
1
1
1
1
1
1
1
510

ケース 1 の計算負荷バランス(CS を高速化)(3) 各領域の計算負荷のバランスによる高速化
STOC-ML，IC，CS3D の各システムを高速化すること
は全体の高速化につながるものの，各システム同士の計
算負荷のバランスで，計算時間の短縮が頭打ちになることがわかった．そこで，ケース 2 では，CS3D の領域を
STOC-IC と同程度の大きさとすることで，高速化の限界を検討した．
図-4.7 は，表-4.2 のように ML, IC には各担当領域に
1 ノードに 1 つずつ CPU を割り当て，CS3D に 48CPU 割り当てたときの結果である．横軸は 1step あたりにかかる時間となる．これをみると，CS3D の計算時間がもっとも遅く 6s/step であり，その他のシステムが同期待ちしていることがわかる．

図-4.4

ケース 3 の最内側領域(2) スレッド並列化による高速化
ケース 1 を検討したところ，図-4.5 のような計算負荷バランスとなり，ML，IC における計算時間が短く，CS3D

図-4.7の計算時間が長いため，ML，IC で同期待ちしている状態であることがわかった．そこで，CS3D の領域に対し- 16 -

ケース 2 の計算負荷バランス

階層型シミュレーションによる高精細津波遡上計算手法の開発

そこで，スレッド並列化し，1 プロセスを 8 スレッド

2.0s/Step となり，ケース 2 と同程度の時間で計算できるで並列化した結果を図-4.8 に示す．これをみると，各シことがわかった．このとき，CS3D の各ノードが担当しステムともにスレッド並列化をしたことにより，およそている計算格子数は，15 万格子/ノードとなる．これは，3 倍の速度向上がみられたが，まだ，CS3D の計算を他の1.2 億格子数から 12 億格子数とすることで，行列の収束システムが待っている状態であることがわかる．

計算が 10 倍程度多くなっていることを意味している．つまり，10 倍の格子数であった場合，10 倍のノード数を用いても，同程度の計算速度にならず，100 倍のノード数が必要となることを意味している．
まとめると，計算速度全体を向上させるためには，本手法を採用する限りにおいては，STOC-ML の計算領域
を可能な限り小さくとり，CS3D を可能な限り大きくとり，計算ノード数を同期待ちが無くなるまで多くするこ

図-4.8とが重要であることがわかる．

ケース 2 の計算負荷バランス(スレッド並列)

本条件では 2s/step 程度の計算時間となり，1m の格子
そこで，最後に，CS3D の計算 cpu を 48 ノードから 90

幅であれば，
時間間隔は平均 0.005s/step 程度であるので，ノードにして計算の負荷バランスを見たところ，図-4.91s の積分時間を計算するのに，400s 必要であり，1 時間のようになり，ほぼどのシステムも同期待ちをしていなの積分時間を計算するには，400 時間，およそ 17 日程度

いことがわかる．この場合においては，CS3D の各ノー必要となることがわかる．

ドが担当する格子数は，1.2 億/90 ノード=133 万/ノード

5. まとめ

格子数程度となる．これにより，STOC-ML，IC，CS3Dの計算実行時間が一致したことになる．
この同期待ちの削除により，最終的には，6.0s/step で本研究では，津波・高潮シミュレータ(STOC)と 3 次元

あったものが，1.7s/step 程度となり，3.5 倍程度まで速度

数値波動水槽(CADMAS-SURF/3D)を接続し，津波の波源が向上した．ただし，これ以上の速度を向上させるためから遡上まで双方向で効率よく計算できる手法を開発し，には，さらにおのおのの計算プログラムの速度を向上さ

その妥当性を検証したものである．その結果以下のこと

せる必要があることがわかる．

が明らかになった．
・STOC と CADMAS-SURF/3D の接続方法を確立し，その計算手法の妥当性を女川における遡上計算で確認した
ところ，ビデオ解析結果や測量された痕跡高と比較的よく一致した．
・波源モデルを藤井・佐竹（ver4×1.5 倍，ver8），高川・富田（2012），中央防災会議（2011）で比較したところ，

図-4.9

各モデルで精度が異なり，特に，遡上高としては中央防

ケース 2 の計算負荷バランス(CS3D の計算ノー

災会議のものが，遡上のシャープさとしては高川モデル

ド数を 90 とした)の精度が良かった．
つまり，各システムの格子数のバランスが表-4.2 のよ・STOC-ML，IC，CADMAS のそれぞれの同期待ちが発うな場合には，これ以上の速度の向上は難しい．
そこで，生することで計算効率が頭打ちとなることがわかり，そケース 3 のように，
約 12 億の格子数の計算を行った．510

れぞれのシステムのロードバランスが大事であることがノードで実行したところ，システム全体の計算時間は示された．
（2014 年 1 月 24 日受付）

16s/step であったが，そのうち，待ち時間が 14s/Step であり，ほとんど時間が CS3D を待っていることがわかった．
そこで，スレッド並列を行い，待ち時間から同期待ちが謝辞

なくなるプロセス数を計算すると 8000 ノードであった

本研究の一部は，HPCI 戦略プログラム分野 3 防災・ため，それで計算を行ったところ，待ち時間が 0.01s/Step

減災に資する地球変動予測のプロジェクトの一環としてとなり， ほぼゼロとなった．そのと きの計算時間は行われた．ここに記し，感謝の意を表す．

- 17 -

有川太郎・富田孝史

参考文献
有川太郎・山田文則・秋山実（2005）：3 次元数値波

動水槽における津波波力に関する適用性の検討，海岸工学論文集，第 52 巻，pp.46-50.
中央防災会議（2011）: 東北地方太平洋沖地震を教訓とした地震・津波対策に関する専門調査会,
http://www.bousai.go.jp/kaigirep/chousakai/tohokukyoku
n/index.html
富田孝史・柿沼太郎（2005）：海水流動の３次元性を考慮した高潮・津波数値シミュレータＳＴＯＣの開発と津波解析への適用，港湾空港技術研究所報告，vol.
044, No.02-05
高橋重雄，戸田和彦，菊池喜昭，菅野高弘，栗山善昭，
山﨑浩之，長尾毅，下迫健一郎，根木貴史，菅野甚活，富田孝史，河合弘泰，中川康之，野津厚，岡本修，鈴木高二朗，森川嘉之，有川太郎，岩波光保，
水谷崇亮，小濱英司，山路徹，熊谷兼太郎，辰巳大介，鷲崎誠，泉山拓也，関克己，廉慶善，竹信正寛，
加島寬章，伴野雅之，福永勇介，作中淳一郎，渡邉祐二(2011)：2011 年東日本大震災による港湾・海岸・空港の地震・津波被害に関する調査速報，港湾空港
技術研究所資料，No.1231.
Fujii, Y., K. Satake, S. Sakai, M. Shinohara and T. Kanazawa,
2011, Tsunami source of the 2011 off the Pacific coast of
Tohoku, Japan earthquake, EPS special issue- 18 -

港湾空港技術研究所報告第 53 巻第 2 号

２０１４．６

編集兼発行人

独立行政法人港湾空港技術研究所

発

行

所

独立行政法人港湾空港技術研究所
横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

印

刷

所

株 式 会 社 シ ー ケ ン

C （2014）by PARI
Copyright ○All rights reserved. No part of this book must be reproduced by any means without the written
permission of the President of PARI
この資料は、港湾空港技術研究所理事長の承認を得て刊行したものである。したがって、本報告書の全部または一部の転載、複写は港湾空港技術研究所理事長の文書による承認を得ずしてこれを行ってはならない。
E

A

CONTENTS
1. Development of High Resolution Tsunami Runup Calculation Method Based on a Multi Scale Simulation········································································· Taro ARIKAWA, Takashi TOMITA ··············

3