XBeachをはじめてみる

Xbeachとは

Xbeachは，オランダのデルフト工科大学を中心とするグループにより開発された2次元の波や海浜における土砂の輸送，地形変化をシミュレーションすることができるソフトウェア．

導入

ここからダウンロード可能（※Deltaresアカウントが必要）．precompiled buildsを使えば環境構築などをせずすぐに使用可能．
今回は，precompiled buildのXBeach_v1.24_Halloween_win64_netcdf.zipをダウンロードする．
_netCDFバージョンは，netCDF形式のデータの入出力が可能．

計算のしかた

ダウンロード後，zipを解凍すればすぐに実行可能．
実行ファイルは，xbeach.exe．

param.txt

XBeachの実行にはこのparams.txtというファイルが必要（xbeach.exeと同じディレクトリに格納）．
このファイル内には，格子や地形，水理条件などの情報が，keyward=valueの形式で格納されている．
各行あたり1つのパラメータを記述可能であり，=のない行はコメントとして扱われる．

以下例

params.txt

%%%                            %%%                       
%%%  date:  01-Jan-2015  12:00 %%%
%%%  function:  xb_write_params %%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 

%%% Grid parameters %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
depfile  =  bed.dep
posdwn  =  0
nx  =  265
ny  =  0
alfa  =  0
vardx  =  1
xfile  =  x.grd
yfile  =  y.grd
thetamin  =  -90
thetamax  =  90
dtheta  =  15
thetanaut  =  0 
%%%  Model  time  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 

tstop  =  3600

%%%  Physical  constants  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 

rho  =  1025

%%% Tide boundary conditions %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

tideloc  =  2
zs0file  =  tide.txt

%%% Wave boundary condition parameters %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
wbctype  =  jons
bcfile  =  filelist.txt 

%%%  Output  variables  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
outputformat  =  netcdf 
tint  =  3600
tstart  =  0 
nglobalvar  =  3 
zb
zs
H

モデルを動作させるために必要なパラメータは限定的で，必須パラメータ以外にはデフォルト値が自動的に適用される．
JONSWAPスペクトル（沿岸域での波を表す波浪スペクトルモデルの）を使った波浪シミュレーションを実施する際に必要な入力は，以下の5個．

1. 格子
   XbeachフォーマットもしくはDelft3Dフォーマットを使用可能．Xbeachフォーマットの場合は，keyword: xfile, yfileを指定．Delft3Dフォーマットの場合は，keyword: xyfileを指定．また，keyword: nx, nyで格子の幅を指定する必要がある．

2. 地形ファイル
   格子ファイルとして指定したファイルに適合するファイルをkeyword: depfileに指定．

3. 計算時間
   シミュレーション時間をtstopで指定する．

4. 波向き
   thetamin, thetamax, dthetaに最小・最大角とビン幅を指定．ここでの向きというのは，波が進む向きである．仮に西から波が来る場合は，thetanaut=0（x軸正方向すなわち東が0°）-90°～90°を指定しておけばいい．

5. 計算モードの指定
   wbctype（Wave Boundary Condition Type）にjonsを指定すると，JONSWAPスペクトルを計算に使用する．（ほかのスペクトルを使う場合はここを変更．）※instat=jonsを要求してくる．
   bcfileは具体的な波の条件（ピーク周期，有義波高など）を記載したファイルを指定する．

できるだけ，入力するパラメータ数は少なくすることが推奨されている．
ログファイル（XBlog.txt）に，設定したパラメータとデフォルト値が使用されたパラメータが出力される．

各種物理過程

XBeachでは，各種パラメータをON/OFFすることで多様な物理過程のシミュレーションが可能．

パラメータ名	説明	デフォルト値	値の範囲
advection	移流項を含める	1	0-1
avalanching	斜面崩壊の有効化	1	0-1
cyclic	周期境界条件の有効化	0	0-1
flow	流れの計算の有効化	1	0-1
Iwave	短波の作用を含める	1	0-1
morphology	地形変化を有効化	0	0-1
q3d	準3次元の土砂輸送を有効化	0	0-1
sedtrans	土砂輸送を有効化	1	0-1
setbathy	与えられた地形変化の時系列を入力	0	0-1
swave	短波を有効化	1	0-1

など

格子と水深

格子点数は，nx（岸沖方向）, ny(沿岸方向)によって定義される．
したがって，計算格子の大きさは(nx+1)×(ny+1)になる．
水深は，depfileで指定されるファイルから与えられる．このファイルは，(nx+1)×(ny+1)で作成する．
各セルに対して水深が与えられ，各行が岸沖方向のトランセクトに対応する．
値は正の値が水深を意味する．（posdwnにより変更可能`）

格子の種類

1. Fast 1D grid

沿岸方向のセルは1つだけ．ny=0とし，depfileは1行になる．

2. 1D grid

沿岸方向のセルは3つで，ny=2とする．depfileは3行になる．

3. 2DH grid

沿岸方向のセルは3つより多く，ny>2とする．

地形ファイルは，スペース区切りで作成する．

格子は等間隔はもちろん非等間隔にも設定可能．

• 等間隔の場合
  格子サイズをdx, dyで指定
• 非等間隔の場合
  vardx=1とする．
  格子内のx,y座標は，xfile, yfileから与える．
  （Delft3D用の格子も使用可能．その場合はgridform=delft3Dとし，xyfileに格子ファイルを与える．）

波向き用の方向格子も設定する必要がある．
最小角度（thetamin）、最大角度（thetamax）、方向ビン幅（dtheta）を設定する．
thetanautで角度の設定方法を定義する．0のときCartesian convention（計算格子のx軸に対する角度），1のときNautical convention（北を基準とする角度）．

波のインプット

XBeachでは，外洋側の境界に波を強制的に与えることでモデリングを行う．
入射される波は，

• wave action balance
• wave dissipation model
• wave roller model
  により記述される．

XBeachではいろいろな境界条件を持つ波に対応している．それは，大きく2種類（定常型とスペクトル型）に分けられる．
wbctypeによって，波の境界条件を選択できる．どんなタイプの波を使うべきかは，以下の画像に従って選択．

時間的空間的に変化する入力を行うことも可能．

スペクトル波境界条件

wbctypeをjons, swan, vardens, または jons_tableにすると有効になる．
bcfileで定義した別のファイルのパラメータをもとに，スペクトル波を生成する．
rtが生成する時系列の長さで，dtbcが生成する波の分解能になる．

JONSWAPスペクトル

wbctype = jonsとすると，JONSWAPスペクトルで波が作られ，その性質はbcfileで指定される．bcfileの例は以下の通り．

jonswap.txt

Hm0 = 0.8
Tp = 8
mainang = 285.
gammajsp = 3.3
s = 10.
fnyq = 0.3

各種パラメータはすべてoptionalで，指定されなかった場合はデフォルト値が適用される．
wbctype = jons_tableとすることで，波の性質を時間変化させることも可能．この場合は，必要な全パラメータが記載されている必要あり．（詳細はマニュアル参照）

1Dシミュレーション時のparams.txtとjonswap.txtのオランダの場合の入力例は以下から確認できる．

基本的にはこのパラメータを使用し，地域に応じて適切に値を変更する．
ほかにもチュートリアルや例がマニュアルに多数掲載されているので，それをもとにパラメータを設定するとよい．