2026年度後期輪読ゼミ（1）

教科書

J. Kämpf の Ocean Modelling for Beginners

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-00820-7?utm_source=chatgpt.com

環境構築

この教科書にはfortranのコードが付属しており，各自で実際にPCで計算を回していただきます。この時、生のWindows環境でfortranの環境構築をしようとすると苦労する場合があります。WSLというLinuxの仮想環境を立てると環境構築は楽なので、利用をおすすめします。いきなりWSL環境を構築するように言われても迷走する場合が多いので、以下に資料を用意しました。もともとサークルの後輩向けに用意した資料がベースなので冗長な点もありますが、1, 2, 3, 6章の手順を一通り進めていただくと必要な環境は揃うかと思います。科学技術計算のためのPC環境構築（Windows）

環境が整ったら、ターミナルで次のコマンドを実行し、Fortran のコンパイラ（gfortran）が使えることを確認してください。

gfortran --version

--version はバージョンを表示するオプションです。GNU Fortran ... と表示されれば使える状態です。

教科書のコードの扱い

教科書のコードは次の2種類からなります。

種類	拡張子	役割	このゼミでの扱い
Fortran 95	`.f95`	数値計算を行い、結果をテキストファイルに書き出す	gfortran でコンパイル・実行する
SciLab スクリプト	`.sce`	計算結果を読み込んで描画する	使わない。描画は Python や MATLAB など、各自の使い慣れた道具で行う

教科書の記述は2009年当時の環境が前提なので、次のように読み替えます。

教科書の記述	このゼミでの対応
コンパイラ `g95`	`gfortran` を使う。`g95` は開発が止まっており、現在は入手が難しい
`g95 file.f95`	`gfortran file.f95 -o 実行ファイル名`
SciLab で `.sce` を実行して描画	Fortran が書き出したテキストファイルを各自で読み込んで描画

よく使うコマンド

コマンド	意味	例
`pwd`	今いる場所を表示する	`pwd`
`ls`	今いるフォルダの中身を一覧表示する	`ls`
`cd`	フォルダを移動する。`cd ..` で1つ上に戻る	`cd exercise1`
`mkdir`	フォルダを作る	`mkdir test`
`cp`	ファイルをコピーする。フォルダごとコピーするときは `-r` を付ける	`cp -r 'Exercise 1' exercise1`
`rm`	ファイルを削除する。フォルダごと削除するときは `-r` を付ける。ごみ箱には入らず元に戻せない	`rm output2.txt`
`unzip`	zip ファイルを解凍する	`unzip file.zip`

-r は「再帰的に（recursive）」という意味で、フォルダの中にあるフォルダも最下層までたどって同じ処理をします。

ファイル

↓ 教科書に付属しているコードをダウンロードしてください。

付属Fortranコード

zip を解凍する

zip ファイルを置いた作業フォルダに移動し、解凍します。

unzip Updated_Exercises_March_2015.zip -x "__MACOSX/" ".DS_Store"

unzip は zip を今いるフォルダに展開するコマンドです
-x "__MACOSX/" ".DS_Store" は、指定したファイルを展開から除外するオプションです。この zip は Mac で作ったため Mac 固有の管理ファイルが含まれており、不要なので除いています
WSL で unzip が見つからないと言われた場合は、先に sudo apt install unzip でインストールします

ls で確認すると、Updated_Exercises_March_2015 フォルダができています。

ls

Updated_Exercises_March_2015		Updated_Exercises_March_2015.zip

中には Exercise 1〜22 と Miscellaneous のフォルダが入っています。

cd Updated_Exercises_March_2015
ls
cd ..

Exercise 1	Exercise 13	Exercise 17	Exercise 20	Exercise 4	Exercise 8
Exercise 10	Exercise 14	Exercise 18	Exercise 21	Exercise 5	Exercise 9
Exercise 11	Exercise 15	Exercise 19	Exercise 22	Exercise 6	Information.txt
Exercise 12	Exercise 16	Exercise 2	Exercise 3	Exercise 7	Miscellaneous

Exercise 1 を作業用にコピーする

配布されたコードは元のまま残しておき、コピーしたものを書き換えて使います。

cp -r 'Updated_Exercises_March_2015/Exercise 1' exercise1

フォルダ名に空白が含まれる（Exercise 1）ため、引用符(')で囲みます。囲まないと Exercise と 1 という2つの別のものとして扱われます。フォルダをコピーするので -r が必要です。付けないと cp: ... is a directory (not copied). というエラーになり、コピーされません。コピー先の名前を空白なしの exercise1 にしておくと、以降は引用符なしで扱えます。

コピーしたフォルダに移動して中身を確認します。

cd exercise1
ls

winethief.f95

コードの修正

コンパイラのバージョンがgfortran 10 以降の場合ではエラーが発生するコードがあるため修正が必要です。

対象：Exercise 11 の euler.f95 と、Exercise 13〜22 の sub.f95（Exercise 16 は Case 1・2 の両方）
原因：移流スキーム（Super-C）の1行 MIN(2.0*r/cfl,1) です。実数と整数（1）を混ぜて書いており、gfortran 10 以降はこれをエラーにします。
修正：1 を 1.0 にするだけです。計算の意味は変わりません。tools/fix_kampf2009.sh がまとめて直します。

sub.f95 がコンパイルできないと、続く main.f95 も「sub.mod が開けない」というエラーになります。そのため、見かけ上はエラーが2つ出ます。

Fortran コードの実行（Exercise 1）

Exercise 1 の winethief.f95 は、濃度が時間とともに減衰していく問題を解くコードです。

① コンパイルする

② できた実行ファイルを動かす

③ 出力ファイルを確認する

④ 結果を描画する

Exercise 1 は「コードの修正」の対象外なので、配布されたコードのままコンパイルできます。

1. コンパイルする

exercise1 フォルダの中で実行します。

gfortran winethief.f95 -o decay

gfortran は Fortran のコンパイラです。人間が書いたソースコード（.f95）を、計算機が実行できるファイルに変換します。-o decay は、できあがる実行ファイルの名前を decay にするオプションです。付けない場合は a.out という名前になります。教科書に出てくる g95 はgfortran に読み替えます。

何も表示されずにプロンプトが戻ってくれば成功です。ls で decay ができていることを確認します。

ls

decay		winethief.f95

2. 実行する

./decay

./ は「今いるフォルダにある」という意味です。自分で作った実行ファイルは、./ を付けて実行します。

次のように1時間ごとのメッセージが24行表示されます。

 Data output at time =    1.00000000      hours
 Data output at time =    2.00000000      hours
 Data output at time =    3.00000000      hours
 （中略）
 Data output at time =    24.0000000      hours

3. 出力ファイルを確認する

計算結果は output2.txt に書き出されます。

ls
head output2.txt

head はファイルの先頭10行を表示するコマンドです

           0   100.000000       100.000000    
   1.00000000       73.5294113       69.7676392    
   2.00000000       54.0657425       48.6752281    
   3.00000000       39.7542229       33.9595566

3列の意味は次のとおりです。全部で25行（初期値 + 24時間分）あります。

列	内容
1列目	時刻（時間）
2列目	数値計算で求めた濃度
3列目	解析解（厳密解）の濃度

4. 結果を描画する

output2.txt を読み込み、2列目（数値解）と3列目（解析解）を重ねて描くと、両者のずれを確認できます。描画に使う道具は自由です。数値が空白で区切られただけのテキストファイルなので、Python、MATLAB、Excel など、どれでも読み込めます。

ここでは Python の例を示します。numpy と matplotlib が必要です（環境構築の資料では5章が Python の導入です）。次の内容を plot_decay.py という名前で、output2.txt と同じフォルダ（exercise1）に保存します。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.rcParams["font.size"] = 14

# 3列のデータを読み込む（時刻, 数値解, 解析解）
time, c_num, c_true = np.loadtxt("output2.txt", unpack=True)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5.5))
ax.plot(time, c_true, "-", color="black", linewidth=2, label="Analytical")
ax.plot(time, c_num, "o--", color="tab:red", label="Numerical")
ax.set_xlabel("Time (hours)")
ax.set_ylabel("Concentration")
ax.grid(True, alpha=0.3)
ax.legend()

fig.tight_layout()
fig.savefig("decay.png", dpi=300)  # 画像ファイルに保存
plt.show()                         # ウィンドウに表示

np.loadtxt は数値が並んだテキストファイルを読み込む関数です。unpack=True を付けると、列ごとに別々の変数で受け取れます
fig.savefig で、同じフォルダに decay.png が保存されます。dpi=300 は画像の解像度の指定です

exercise1 フォルダの中で実行します。

python plot_decay.py

次のような図が表示され、decay.png にも保存されます。黒の実線が解析解、赤の点が数値解です。配布時の設定（陰解法、時間刻み1時間）では、数値解が解析解より少し上を通ります。

Exercise 1 の計算結果（数値解と解析解）

MATLAB の場合は、data = load('output2.txt'); で3列の行列として読み込めるので、plot(data(:,1), data(:,2)) のように列を指定して描きます。

5. パラメータを変えて再実行する

winethief.f95 を VS Code で開き、初期化部分の値を書き換えて保存します。

変数	意味	配布時の値
`mode`	計算スキーム。`1` が陽解法、`2` が陰解法	`2`
`dt`	時間刻み（秒）	`3600.`
`kappa`	減衰定数	`0.0001`
`CZERO`	濃度の初期値	`100.0`

書き換えたら、もう一度コンパイルしてから実行します。

gfortran winethief.f95 -o decay
./decay

Fortran を書き換えたら、必ずコンパイルし直してから実行します。 実行ファイルは古いソースコードから作られたままなので、再コンパイルしないと結果は変わりません
出力ファイルの名前は mode で変わります。mode = 1 のときは output1.txt、mode = 2 のときは output2.txt です
同じ名前の出力ファイルがすでにある場合は上書きされます。残しておきたい結果は、cp output2.txt output2_dt3600.txt のように別名でコピーしておきます
mode = 1 の結果を描くときは、描画スクリプトの "output2.txt" を "output1.txt" に書き換えます

よくあるトラブル

症状	原因と対処
`gfortran: command not found`	gfortran が入っていません。`sudo apt install gfortran` でインストールします
`cp: ... is a directory (not copied).`	フォルダをコピーするのに `-r` を付けていません
`cd: too many arguments`	フォルダ名の空白が原因です。`cd 'Exercise 1'` のように引用符で囲みます
`./decay: No such file or directory`	コンパイルしていないか、別のフォルダにいます。`pwd` と `ls` で確認します
編集したのに結果が変わらない	VS Code で保存していない（タブに ● が付いている）か、再コンパイルしていません
`output2.txt not found.`（Python）	描画スクリプトを `output2.txt` と別のフォルダで実行しています。または `mode = 1` で計算したため、出力が `output1.txt` になっています
`ModuleNotFoundError: No module named 'matplotlib'`	numpy や matplotlib が入っていません。各自の Python 環境に追加します
図のウィンドウが出ない	`decay.png` は保存されているので、そちらを開いて確認します

教科書

J. Kämpf の Ocean Modelling for Beginners

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-00820-7?utm_source=chatgpt.com

環境構築

環境が整ったら、ターミナルで次のコマンドを実行し、Fortran のコンパイラ（gfortran）が使えることを確認してください。

gfortran --version

--version はバージョンを表示するオプションです。GNU Fortran ... と表示されれば使える状態です。

教科書のコードの扱い

教科書のコードは次の2種類からなります。

種類	拡張子	役割	このゼミでの扱い
Fortran 95	`.f95`	数値計算を行い、結果をテキストファイルに書き出す	gfortran でコンパイル・実行する
SciLab スクリプト	`.sce`	計算結果を読み込んで描画する	使わない。描画は Python や MATLAB など、各自の使い慣れた道具で行う

教科書の記述は2009年当時の環境が前提なので、次のように読み替えます。

教科書の記述	このゼミでの対応
コンパイラ `g95`	`gfortran` を使う。`g95` は開発が止まっており、現在は入手が難しい
`g95 file.f95`	`gfortran file.f95 -o 実行ファイル名`
SciLab で `.sce` を実行して描画	Fortran が書き出したテキストファイルを各自で読み込んで描画

よく使うコマンド

コマンド	意味	例
`pwd`	今いる場所を表示する	`pwd`
`ls`	今いるフォルダの中身を一覧表示する	`ls`
`cd`	フォルダを移動する。`cd ..` で1つ上に戻る	`cd exercise1`
`mkdir`	フォルダを作る	`mkdir test`
`cp`	ファイルをコピーする。フォルダごとコピーするときは `-r` を付ける	`cp -r 'Exercise 1' exercise1`
`rm`	ファイルを削除する。フォルダごと削除するときは `-r` を付ける。ごみ箱には入らず元に戻せない	`rm output2.txt`
`unzip`	zip ファイルを解凍する	`unzip file.zip`

-r は「再帰的に（recursive）」という意味で、フォルダの中にあるフォルダも最下層までたどって同じ処理をします。

ファイル

↓ 教科書に付属しているコードをダウンロードしてください。

付属Fortranコード

zip を解凍する

zip ファイルを置いた作業フォルダに移動し、解凍します。

unzip Updated_Exercises_March_2015.zip -x "__MACOSX/" ".DS_Store"

unzip は zip を今いるフォルダに展開するコマンドです
-x "__MACOSX/" ".DS_Store" は、指定したファイルを展開から除外するオプションです。この zip は Mac で作ったため Mac 固有の管理ファイルが含まれており、不要なので除いています
WSL で unzip が見つからないと言われた場合は、先に sudo apt install unzip でインストールします

ls で確認すると、Updated_Exercises_March_2015 フォルダができています。

ls

Updated_Exercises_March_2015		Updated_Exercises_March_2015.zip

中には Exercise 1〜22 と Miscellaneous のフォルダが入っています。

cd Updated_Exercises_March_2015
ls
cd ..

Exercise 1	Exercise 13	Exercise 17	Exercise 20	Exercise 4	Exercise 8
Exercise 10	Exercise 14	Exercise 18	Exercise 21	Exercise 5	Exercise 9
Exercise 11	Exercise 15	Exercise 19	Exercise 22	Exercise 6	Information.txt
Exercise 12	Exercise 16	Exercise 2	Exercise 3	Exercise 7	Miscellaneous

Exercise 1 を作業用にコピーする

配布されたコードは元のまま残しておき、コピーしたものを書き換えて使います。

cp -r 'Updated_Exercises_March_2015/Exercise 1' exercise1

コピーしたフォルダに移動して中身を確認します。

cd exercise1
ls

winethief.f95

コードの修正

コンパイラのバージョンがgfortran 10 以降の場合ではエラーが発生するコードがあるため修正が必要です。

対象：Exercise 11 の euler.f95 と、Exercise 13〜22 の sub.f95（Exercise 16 は Case 1・2 の両方）
原因：移流スキーム（Super-C）の1行 MIN(2.0*r/cfl,1) です。実数と整数（1）を混ぜて書いており、gfortran 10 以降はこれをエラーにします。
修正：1 を 1.0 にするだけです。計算の意味は変わりません。tools/fix_kampf2009.sh がまとめて直します。

sub.f95 がコンパイルできないと、続く main.f95 も「sub.mod が開けない」というエラーになります。そのため、見かけ上はエラーが2つ出ます。

Fortran コードの実行（Exercise 1）

Exercise 1 の winethief.f95 は、濃度が時間とともに減衰していく問題を解くコードです。

① コンパイルする

② できた実行ファイルを動かす

③ 出力ファイルを確認する

④ 結果を描画する

Exercise 1 は「コードの修正」の対象外なので、配布されたコードのままコンパイルできます。

1. コンパイルする

exercise1 フォルダの中で実行します。

gfortran winethief.f95 -o decay

何も表示されずにプロンプトが戻ってくれば成功です。ls で decay ができていることを確認します。

ls

decay		winethief.f95

2. 実行する

./decay

./ は「今いるフォルダにある」という意味です。自分で作った実行ファイルは、./ を付けて実行します。

次のように1時間ごとのメッセージが24行表示されます。

 Data output at time =    1.00000000      hours
 Data output at time =    2.00000000      hours
 Data output at time =    3.00000000      hours
 （中略）
 Data output at time =    24.0000000      hours

3. 出力ファイルを確認する

計算結果は output2.txt に書き出されます。

ls
head output2.txt

head はファイルの先頭10行を表示するコマンドです

           0   100.000000       100.000000    
   1.00000000       73.5294113       69.7676392    
   2.00000000       54.0657425       48.6752281    
   3.00000000       39.7542229       33.9595566

3列の意味は次のとおりです。全部で25行（初期値 + 24時間分）あります。

列	内容
1列目	時刻（時間）
2列目	数値計算で求めた濃度
3列目	解析解（厳密解）の濃度

4. 結果を描画する

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.rcParams["font.size"] = 14

# 3列のデータを読み込む（時刻, 数値解, 解析解）
time, c_num, c_true = np.loadtxt("output2.txt", unpack=True)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5.5))
ax.plot(time, c_true, "-", color="black", linewidth=2, label="Analytical")
ax.plot(time, c_num, "o--", color="tab:red", label="Numerical")
ax.set_xlabel("Time (hours)")
ax.set_ylabel("Concentration")
ax.grid(True, alpha=0.3)
ax.legend()

fig.tight_layout()
fig.savefig("decay.png", dpi=300)  # 画像ファイルに保存
plt.show()                         # ウィンドウに表示

np.loadtxt は数値が並んだテキストファイルを読み込む関数です。unpack=True を付けると、列ごとに別々の変数で受け取れます
fig.savefig で、同じフォルダに decay.png が保存されます。dpi=300 は画像の解像度の指定です

exercise1 フォルダの中で実行します。

python plot_decay.py

Exercise 1 の計算結果（数値解と解析解）

MATLAB の場合は、data = load('output2.txt'); で3列の行列として読み込めるので、plot(data(:,1), data(:,2)) のように列を指定して描きます。

5. パラメータを変えて再実行する

winethief.f95 を VS Code で開き、初期化部分の値を書き換えて保存します。

変数	意味	配布時の値
`mode`	計算スキーム。`1` が陽解法、`2` が陰解法	`2`
`dt`	時間刻み（秒）	`3600.`
`kappa`	減衰定数	`0.0001`
`CZERO`	濃度の初期値	`100.0`

書き換えたら、もう一度コンパイルしてから実行します。

gfortran winethief.f95 -o decay
./decay

Fortran を書き換えたら、必ずコンパイルし直してから実行します。 実行ファイルは古いソースコードから作られたままなので、再コンパイルしないと結果は変わりません
出力ファイルの名前は mode で変わります。mode = 1 のときは output1.txt、mode = 2 のときは output2.txt です
同じ名前の出力ファイルがすでにある場合は上書きされます。残しておきたい結果は、cp output2.txt output2_dt3600.txt のように別名でコピーしておきます
mode = 1 の結果を描くときは、描画スクリプトの "output2.txt" を "output1.txt" に書き換えます

よくあるトラブル

症状	原因と対処
`gfortran: command not found`	gfortran が入っていません。`sudo apt install gfortran` でインストールします
`cp: ... is a directory (not copied).`	フォルダをコピーするのに `-r` を付けていません
`cd: too many arguments`	フォルダ名の空白が原因です。`cd 'Exercise 1'` のように引用符で囲みます
`./decay: No such file or directory`	コンパイルしていないか、別のフォルダにいます。`pwd` と `ls` で確認します
編集したのに結果が変わらない	VS Code で保存していない（タブに ● が付いている）か、再コンパイルしていません
`output2.txt not found.`（Python）	描画スクリプトを `output2.txt` と別のフォルダで実行しています。または `mode = 1` で計算したため、出力が `output1.txt` になっています
`ModuleNotFoundError: No module named 'matplotlib'`	numpy や matplotlib が入っていません。各自の Python 環境に追加します
図のウィンドウが出ない	`decay.png` は保存されているので、そちらを開いて確認します