仿真方法、仿真程序以及仿真装置制造方法及图纸

提供可缩短计算时间并能高精度地预测各种自然现象的仿真方法、仿真程序以及仿真装置。仿真装置具有输入单元、数据存储单元、微物理模型运算单元、流体力学模型运算单元及输出单元，对所观测的整个空间内存在的实水滴，当该实水滴彼此在规定体积内在规定时间内以规定概率碰撞时，利用任意数量的属性和将初始时刻的整个空间进行分割的分割空间内的位置坐标来表示实水滴，将包括任意数量的具有预先设定的具有规定的同属性的实水滴的集合设为超水滴，将该任意数量设为该超水滴的多重性，该超水滴将规定概率作为基准以与多重性相应的概率碰撞，在碰撞合并时多重性发生变化的情况下，通过运算与超水滴有关的数据，输出与任意时间后的实水滴有关的数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对粒子、液滴或者水滴的随经过时刻的变化进行仿真的仿真方法、仿真程序以及仿真装置。
技术介绍
以往，为了分析支配云的形成、降雨、降雪、霹雷等自然现象的非常复杂的物理定律，进行使用计算机的数值仿真。通过提高该数值仿真的分析精度，能够在计算机上正确地再现实际发生的自然现象、正确地预测将要发生的自然现象。通常，在这种数值仿真中，当分析支配自然现象的非常复杂的物理定律时，将该自然现象分成两个过程，利用计算机进行运算。两个过程中的一个过程是处理大气流动的云的力学过程，另一个过程是对作为云、雨的结构要素的水滴的移动、状态的变化进行处理的云的微物理过程。此外，这些过程是相互影响的。关于云的力学过程的仿真，使用作为以往方法的流体力学模型来进行，随着计算机的显著的进步，计算精度急速地提高。关于云的微物理过程的仿真，由于每一立方米的云约由109个庞大数量的水滴构成，因此严格地计算该云的全部微物理过程是使用现有的任何计算机都不能实现的，今后也不可能实现。因而，现状是关于云的微物理过程的仿真，使用大胆的近似模型进行数值仿真。在此，关于云的微物理过程的仿真，对具体的现有方法(严格的蒙特卡洛法、改进的蒙特卡洛法、BIN方法(bin method)、整体参数化方法(bulk parameterization method))进行说明。严格的蒙特卡洛法(以下称为严格蒙特卡洛法，参照非专利文献1)，使用随机产生的数值作为云中包含的水滴彼此的碰撞概率，原理上能够正确地仿真云的微物理过程，但是需要庞大的数据存储区域和计算量。对该严格蒙特卡洛法进行了改进的蒙特卡洛法(以下称为改进蒙特卡洛法，参照非专利文献2)是不需要庞大的数据存储区域而进行了大幅度改进的方法，但是依然需要庞大的计算量。在此，对这些严格蒙特卡洛法以及改进蒙特卡洛法的庞大的计算量、概略的计算时间进行说明。根据非专利文献2，文献公开当时的计算机对50[m3]空间中的20分钟的现象进行仿真，需要花费5.5小时。那么，假设计算云的形成、降水现象至少需要对103[km3]＝1012[m3]左右的空间中的2小时左右的现象进行仿真，则文献公开当时的计算机需要花费6.6×1011小时＝7.5×107年。假设计算机的性能提高率按照现状10年内变快100倍，之后若不经过50年还是不能以实用的计算成本进行仿真。BIN方法(参照非专利文献3以及非专利文献4)不是分别地处理在形成云的空间中存在的水滴，而是作为分布函数进行处理，模型化为按水滴的属性(性质)来考虑该分布函数的变化的BIN模型，进行计算。并且，该BIN方法根据现有的计算机，能够以足够的规模对云的形成进行微物理过程的数值仿真。在该BIN方法中，由于不是分别地处理水滴，因此不能保证正确描述由该水滴的粒子性引起的现象。另外，在BIN方法中，将水滴作为分布函数进行处理的结果是当对现有的BIN模型进行精确化并增加所考虑的水滴的属性种类时，可预测到分布函数的维度增加、计算成本和数据存储区域也会变得庞大。假设作为水滴的属性，只将水滴的半径R[m]作为对象的情况下，当处理一维分布函数时，可进行仿真。另外，分布函数是例如数量密度分布函数f(R)，在该f(R)中将f(R)dR定义为具有半径为R与R+dR之间的大小的水滴的数量。在此，说明利用BIN方法来处理水滴的多个属性从而更精确地进行仿真的情况。例如，设想如下状况除了水滴的半径R之外，还对水滴的速度(x、y、z方向的3个分量)、溶解在水滴中的NaCl等凝结核的质量、水滴的温度、水滴所带的电荷这7个属性进行处理。在BIN方法中，当使属性数量增加到7时，原理上需要处理7维分布函数。处理该7维分布函数意味着与1维分布函数相比，数据存储区域为6次方、计算时间为12次方。通常在BIN方法中，设想对d维分布函数进行处理的情况。并且，设与分布函数每1维的BIN的幅度成比例的微小量参数为ε，该微小量参数ε表示仿真的精度，该微小量参数ε的值越小者仿真精度越高。并且，在BIN方法中，数据存储区域与(1/ε)d成比例，计算时间与(1/ε)2d成比例。由此，计算时间随着分布函数的维度d的增加而急剧增加，预测仿真将变得困难。而且，在BIN方法中，如果不仅对水滴的状态进行处理、而且还对水滴(水)的固态即雪、霰、雹等状态进行处理，则属性的数量进一步增加、难度进一步增加。整体参数化方法(参照非专利文献5以及非专利文献6)将云的力学过程与云的微物理过程相结合，是对云的形成、降雨等的自然现象进行仿真的当前主流的方法。该整体参数化方法的特征是将云的微物理过程表现为大幅度简化的参数，调整该参数使得近似地再现现象，在云的力学过程中加入云的微物理过程。因而，在该整体参数化方法中不能直接计算云的状态变化，难以高精度地预测变化多样的自然现象(设想外的气象状况)。这样，在气象学、气候学的研究中，云的微物理过程的处理成为重要的课题之一。并且，还在探索利用BIN方法将云的微物理过程与云的力学过程相结合的方法(参照非专利文献7)。非专利文献1D.T.Gillespie，“An Exact Method forNumerically Simulating the Stochastic C-oalescence Process in aCloud，”J.Ato ms.Sci.，32，1977(1975)非专利文献2M.SeeB「ドイツ語のエスツエツト」elberg，T.Trautmann，and M.Thorn，“Stochastic simulations as a benchmarkfor mathematical methods solving the coalescence equation，”Atmos.Res.，40，33(1996)非专利文献3A.Bott，“A Flux Method for the NumericalSolution of the Stochastic Collection Equation，”J.Atoms.Sci.，55，2284(1998)非专利文献4A.Bott，“A Flux Method for the NumericalSolution of the Stochastic Collection EquationExtension toTwo-Dimensional Particle Distributions，”J.Atoms.Sci.，57，284(2000)非专利文献5E.Kessler，“On the Distribution and Continuityof Water Substance in Atomspheric Circulations，”Met.Monograph，Vol.10，No.32，American Meteorological Society，Boston，84pp非专利文献6M.Murakami，“Numerical Modeling ofDynamical and Microphysical Evolution of an Isolated ConvectiveCloud，”J.Meteor.Soc.Japan，68，107(1990)非专利文献7B.H.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿真方法，用于对所观测的空间内存在的实粒子进行任意仿真时间的仿真，当该实粒子彼此在该空间内的作为规定区域的体积内在规定时间内以规定概率进行碰撞时，　　　　利用任意个数的属性、初始时刻的该属性之一的速度、以及初始时刻的上述空间上的位置坐标来表示上述实粒子，　　　　充满上述空间内的流体通过由从上述初始时刻起的经过时间与上述空间的函数所表示的任意个数的流体场变量而被赋予特征，　　　　该仿真方法包括：　　　　输入步骤，将上述初始时刻、超粒子的属性、上述超粒子的总个数、上述体积、上述超粒子的速度、上述超粒子的位置坐标、以及上述流体场变量作为初始变量进行输入，上述超粒子代表一组任意个数的实粒子，其中上述实粒子具有规定的相同的任意个数的属性；　　　　运算步骤，基于该输入的初始变量，利用属性时间发展方程式、位置坐标时间发展方程式、以及蒙特卡洛运算来运算上述超粒子互相碰撞后的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数，该属性时间发展方程式根据上述体积、上述速度、上述位置坐标以及上述流体场变量，按照上述属性，来确定上述实粒子随着时间的运动，位置坐标时间发展方程式确定上述实粒子的速度和位置坐标之间的关系，在蒙特卡洛运算中，上述超粒子在规定时间内以上述概率互相碰撞，当上述超粒子以基于上述实粒子在上述规定时间中上述体积内互相碰撞的特定概率指定的概率与另一个超粒子碰撞时，作为由上述超粒子代表的实粒子的任意个数的多重性变化，在运算步骤中，利用流体场时间发展方程式运算上述流体场变量，该流体场时间发展方程式根据上述流体场变量、上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数来确定上述流体的变化；以及　　　　输出步骤，在通过重复该运算步骤进行上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数的运算直到到达上述任意仿真时间为止之后，将重复该运算步骤后的结果作为上述任意仿真时间后的上述实粒子的属性、速度、位置坐标以及上述实粒子的总个数而进行输出，并且输出上述任意仿真时间后的上述流体场变量。...

【技术特征摘要】
JP 2006-4-20 2006-1170641.一种仿真方法，用于对所观测的空间内存在的实粒子进行任意仿真时间的仿真，当该实粒子彼此在该空间内的作为规定区域的体积内在规定时间内以规定概率进行碰撞时，利用任意个数的属性、初始时刻的该属性之一的速度、以及初始时刻的上述空间上的位置坐标来表示上述实粒子，充满上述空间内的流体通过由从上述初始时刻起的经过时间与上述空间的函数所表示的任意个数的流体场变量而被赋予特征，该仿真方法包括输入步骤，将上述初始时刻、超粒子的属性、上述超粒子的总个数、上述体积、上述超粒子的速度、上述超粒子的位置坐标、以及上述流体场变量作为初始变量进行输入，上述超粒子代表一组任意个数的实粒子，其中上述实粒子具有规定的相同的任意个数的属性；运算步骤，基于该输入的初始变量，利用属性时间发展方程式、位置坐标时间发展方程式、以及蒙特卡洛运算来运算上述超粒子互相碰撞后的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数，该属性时间发展方程式根据上述体积、上述速度、上述位置坐标以及上述流体场变量，按照上述属性，来确定上述实粒子随着时间的运动，位置坐标时间发展方程式确定上述实粒子的速度和位置坐标之间的关系，在蒙特卡洛运算中，上述超粒子在规定时间内以上述概率互相碰撞，当上述超粒子以基于上述实粒子在上述规定时间中上述体积内互相碰撞的特定概率指定的概率与另一个超粒子碰撞时，作为由上述超粒子代表的实粒子的任意个数的多重性变化，在运算步骤中，利用流体场时间发展方程式运算上述流体场变量，该流体场时间发展方程式根据上述流体场变量、上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数来确定上述流体的变化；以及输出步骤，在通过重复该运算步骤进行上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数的运算直到到达上述任意仿真时间为止之后，将重复该运算步骤后的结果作为上述任意仿真时间后的上述实粒子的属性、速度、位置坐标以及上述实粒子的总个数而进行输出，并且输出上述任意仿真时间后的上述流体场变量。2.一种仿真程序，其特征在于，用于对所观测的空间内存在的实粒子进行任意仿真时间的仿真，当该实粒子彼此在该空间内的作为规定区域的体积内在规定时间内以规定概率进行碰撞时，利用任意个数的属性、初始时刻的该属性之一的速度、以及初始时刻的上述空间上的位置坐标来表示上述实粒子，充满上述空间内的流体通过由从上述初始时刻起的经过时间与上述空间的函数所表示的任意个数的流体场变量而被赋予特征，上述仿真程序使计算机作为如下单元发挥功能输入单元，将上述初始时刻、超粒子的属性、上述超粒子的总个数、上述体积、上述超粒子的速度、上述超粒子的位置坐标、以及上述流体场变量作为初始变量进行输入，上述超粒子代表一组任意个数的实粒子，其中上述实粒子具有规定的相同的任意个数的属性；运算单元，基于该输入的初始变量，利用属性时间发展方程式、位置坐标时间发展方程式、以及蒙特卡洛运算来运算上述超粒子互相碰撞后的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数，该属性时间发展方程式根据上述体积、上述速度、上述位置坐标以及上述流体场变量，按照上述属性，来确定上述实粒子随着时间的运动，位置坐标时间发展方程式确定上述实粒子的速度和位置坐标之间的关系，在蒙特卡洛运算中，上述超粒子在规定时间内以上述概率互相碰撞，当上述超粒子以基于上述实粒子在上述规定时间中上述体积内互相碰撞的特定概率指定的概率与另一个超粒子碰撞时，作为由上述超粒子代表的实粒子的任意个数的多重性变化，在运算步骤中，利用流体场时间发展方程式运算上述流体场变量，该流体场时间发展方程式根据上述流体场变量、上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数来确定上述流体的变化；以及输出单元，在通过重复该运算单元进行的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数的运算直到到达上述任意仿真时间为止之后，将重复该运算单元进行的运算后的结果作为上述任意仿真时间后的上述实粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述实粒子的总个数而进行输出，并且输出上述任意仿真时间后的上述流体场变量。3.一种仿真装置，用于对所观测的空间内存在的实粒子进行任意仿真时间的仿真，当该实粒子彼此在该空间内的作为规定区域的体积内在规定时间内以规定概率进行碰撞时，利用任意个数的属性、初始时刻的该属性之一的速度、以及初始时刻的上述空间上的位置坐标来表示上述实粒子，充满上述空间内的流体通过由从上述初始时刻起的经过时间与上述空间的函数所表示的任意个数的流体场变量而被赋予特征，该仿真装置包括输入单元，将上述初始时刻、超粒子的属性、上述超粒子的总个数、上述体积、上述超粒子的速度、上述超粒子的位置坐标、以及上述流体场变量作为初始变量进行输入，上述超粒子代表一组任意个数的实粒子，其中上述实粒子具有规定的相同的任意个数的属性；运算单元，基于该输入的初始变量，利用属性时间发展方程式、位置坐标时间发展方程式、以及蒙特卡洛运算来运算上述超粒子互相碰撞后的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数，该属性时间发展方程式根据上述体积、上述速度、上述位置坐标以及上述流体场变量，按照上述属性，来确定上述实粒子随着时间的运动，位置坐标时间发展方程式确定上述实粒子的速度和位置坐标之间的关系，在蒙特卡洛运算中，上述超粒子在规定时间内以上述概率互相碰撞，当上述超粒子以基于上述实粒子在上述规定时间中上述体积内互相碰撞的特定概率指定的概率与另一个超粒子碰撞时，作为由上述超粒子代表的实粒子的任意个数的多重性变化，在运算步骤中，利用流体场时间发展方程式运算上述流体场变量，该流体场时间发展方程式根据上述流体场变量、上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数来确定上述流体的变化；以及输出单元，在通过重复该运算单元进行的上述超粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述超粒子的总个数的运算直到到达上述任意仿真时间为止之后，将重复该运算单元进行的运算后的结果作为上述任意仿真时间后的上述实粒子的属性、速度、位置坐标、多重性以及上述实粒子的总个数而进行输出，并且输出上述任意仿真时间后的上述流体场变量。4.一种仿真方法，用于对所观测的整个空间内存在的实水滴进行任意仿真时间的仿真，当该实水滴彼此在规定体积内在规定时间内以规定概率进行碰撞时，利用任意个数的属性与将初始时刻的上述整个空间分割后的分割空间内的位置坐标来表示上述实水滴，该仿真方法包括变量输入步骤，将上述初始时刻、上述超水滴的属性、上述超水滴的总个数、上述整个空间的体积、上述分割空间的体积、上述超水滴的位置坐标、以及作为与每个该分割空间的上述实水滴的周围环境有关的数据的周围环境数据，作为初始变量进行输入，上述超水滴代表一组任意个数的实水滴，其中上述实水滴具有规定的相同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：岛伸一郎，草野完也，杉山彻，河野明男，广濑重信，
申请(专利权)人：独立行政法人海洋研究开发机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]