平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

先端的固体地球シミュレーションコードの開発

発表資料 (4.0MB)

1. プロジェクト名

先端的固体地球シミュレーションコードの開発

Development of Advanced Simulation Tools for Solid Earth Sciences

2. プロジェクト責任者名

陰山 聡 (神戸大学大学院工学研究科教授)

Akira Kageyama

3. プロジェクトの目的

固体地球科学の重要な未解決問題を大規模並列計算機で解くために必要となる先端的なシミュレーション手法とコードを開発すること、そしてそれを実際に応用したシミュレーション研究を行う。これまでに我々は、新しい球面格子「インヤン格子」、マントル対流の新解法「ACuTE法」、粘弾性流体の新しい解法である 「CIP-CSLR-CS 法」の開発に成功した。本年度はこれらのオリジナルの基本計算手法をさらに発展させ、コードの完成度を高めると共に、地球科学への具体的課題に積極的に応用することで手法の課題点と解決策を明らかにする。

4. 今年度当初の計画

  • - 地球ダイナモシミュレーション：前年度までに行った低粘性ダイナモモデルにおいて、我々はコア内における2重対流構造（内側のシート流と外側の円筒状の帯状流）を発見した。本年度はこの流れの安定性やどのような条件下で生じるかについての計算、解析を行う。また低粘性領域におけるダイナモ機構の解明を目指す。
  • - プレート・マントル統合シミュレーション：これまでに開発した、物性値が急激に変化する粘弾性流体をオイラー的に解く新しい高精計算手法CIP-CSLR-CS法を用いて、自由境界表面を扱えるように拡張し、自己重力場でのストークス流体の変形を扱えるようにする。
  • - 地震発生サイクルシミュレーション：前年度までに開発した2次元の準静的地震発生サイクルのシミュレーションコードの計算の効率化、高速化を図るとともに、3次元への拡張を行う。また粗い断層モデルをしようした複数断層での地震発生系列の計算に着手する。

5. 研究計画に沿った利用状況度

  • - 地球ダイナモシミュレーション：帯状流を伴う2重対流構造について詳しく調べるため、粘性率やレイリー数をさまざまに変え対流構造を調べた。また去年度の計算より低解像度であるが、それゆえ長時間計算出来るパラメータを調査した上で計算を実行し、流れの安定性を調べた。さらに、対流実験を模擬した高速回転する箱型容器中における対流の計算も行った。
  • - プレート・マントル統合シミュレーション：コードを拡張し、テスト計算を行った。ES2における実装が完了し、本手法がベクトル化により効率的にソルバーを加速することを確認した。
  • - 地震発生サイクルシミュレーション：前年度までに開発した2次元の準静的地震発生サイクルのシミュレーションコードの計算の効率化、高速化を行った。

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

  • - 地球ダイナモシミュレーション：帯状流を伴う2重対流構造について、より長時間の計算を行い、結果を論文にまとめた。また低粘性モデルにおけるダイナモ機構や磁場構造について調べ、磁場はシート流にのって増幅される事、また南北両半球に経度方向にそったヘリカル磁場構造が形成される事が分かり、成果をまとめ論文を投稿した。箱型対流においては、コードを作成しエクマン数が無限大(回転無し)の場合から10の-5乗程度までのテスト計算を行った。
  • - プレート・マントル統合シミュレーション：本年度は自由境界表面を扱えるように拡張し、自己重力場でのストークス流体の変形を扱える数値手法を開発した。そして、これまでのACuTE手法に基づいたストークス流れのソルバーの改良を行い、鋭く大きな粘性差に対して強固でスケーラブルなソルバーを作成した。
  • - 地震発生サイクルシミュレーション：2次元地震サイクルシミュレーションコードの効率化を行い，計算時 間の大幅な短縮に成功した．具体的には，Δtが極端に小さくなる地震時では粘弾性構造の 影響が無視できることに注目し，弾性不均質の影響のみを抽出し時間積分を行うように改良した．
  • - その他、ACuTE 法の改良の1つとして、流体の圧縮性の効果を取り入れるためのモデルの高度化を行った。具体的には、流体モデルを非圧縮性流体から非弾性流体近似によるものに変更し、地球深部の(静的な)高圧力条件下に伴うマントル物質の断熱圧縮及び粘性散逸の効果を取り入れる事が可能となった。ここで開発・改良したプログラムは、非弾性流体近似に基づいたマントル対流シミュレーションのベンチマークプログラムとして採用された。

達成度

  • - 地球ダイナモシミュレーション：90%
  • - プレート・マントル統合シミュレーション：70%
  • - 地震発生サイクルシミュレーション：30%

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • ・M. Furuichi, M. Kameyama, A. Kageyama,
    “Validity test of a Stokes flow solver by fluid rope coiling: Toward plate-mantle simulation” Physics of the Earth and Planetary Interiors, Vol 176, 44—53, 2009
  • ・Mamoru Hyodo and Hori Takane,
    “Modeling of Nankai earthquake cycles: Influence of 3D geometry of the Philippine Sea plate on seismic cycles”, (submitted to JAMSTEC-R)
  • ・Takehiro Miyagoshi, Akira Kageyama, Tetsuya Sato,
    “Zonal flow formation in Earth’s core” Nature, accepted, 2010 (出版日は連絡待ち)
  • ・Takehiro Miyagoshi, Akira Kageyama,
    “Sheet plumes, current coils, and helical magnetic fields in the spherical magnetohydrodynamic dynamo”, Physical Review E (投稿中、2009)
  • ・Nobuaki Ohno, Akira Kageyama:
    "Region-of-Interest Visualization by CAVE VR System with Automatic Control of Level-of-Detail", Computer Physics Communications, doi:10.1016/j.cpc.2009.12.002 (accepted)
  • ・Nobuaki Ohno, Akira Kageyama:
    "Visualization of Spherical Data by Yin-Yang Grid", Computer Physics Communications, Vol.180, Issue 9, pp.1534-1538 (2009)
  • ・Tetsuya Sato, Hiroki Hasegawa, Nobuaki Ohno:
    "Macro-Micro interlocked simulation algorithm: an exemplification for aurora arc evolution", Computational Science and Discovery, 2 (2009) 015007
  • ・Kazuo Kashiyama, Tomosato Takada, Tasuku Yamazaki, Akira Kageyama, Nobuaki Ohno, Hideo Miyachi:
    "Application of VR Technique to Pre- and Post-Processing for Wind Flow Simulation in Urban Area", Proceedings of 9th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality 2009, (5-6 Nov, 2009, Sydney, Australia) (pp.315-322, ISBN 978-1-74210-145-3, 査読付きプロシーディングス)
  • ・S. D. King, C. Lee, P. E. van Keken, W. Leng, S. Zhong, E. Tan,
    N. Tosi, and M. Kameyama, A Community Benchmark for 2D Cartesian Compressible Convection in the Earth's Mantle, Geophys. J. Int., 180, 73-87, 2010.

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • ・鳥山雄司，大野暢亮，陰山聡，高田知学，樫山和男:
    "CAVEを用いた有限要素法メッシュの対話的修正", さいたま（埼玉大学情報メディア基盤センター年報 2008）, pp.52-53 (2009)
  • ・大谷寛明，田村祐一，陰山聡，大野暢亮，水口直紀，伊藤篤史:
    "CAVE型3次元バーチャルリアリティ装置CompleXcopeを用いたサイエンティフィック・ビジュアリゼーション"， アンサンブル（分子シミュレーション研究会会誌），Vol.11, No.2, pp.51-57 (2009)

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • ・陰山 聡（招待講演）
    「地球ダイナモにおける速度場・磁場・電流場構造の形成」, 自然科学研究機構連携プロジェクト「自然科学に於ける階層と全体」平成21年度シンポジウム, TKP熱海研修センター (2009.12.25)
  • ・陰山 聡, 「太陽及び天体のダイナモ」,
    宇宙磁気流体力学のフロンティア, 京都大学 基礎物理学研究所 湯川記念館 (2009.11.16)
  • ・兵藤守, 堀高峰
    「南海トラフ巨大地震発生サイクルのモデリング -規模に依存 した再来間隔の大きな変化-」,日本地震学会2009年度秋季大会 (ポスター発表)
  • ・M. Furuichi,
    “Development of Stokes flow solver against a large contrast in viscosity”, American Geophysical Union 2009 Fall meeting (2009年12月17日、サンフランシスコ) (ポスター)
  • ・M. Furuichi,
    ‘Development of Stokes flow solver with AMG techniques: toward plate-mantle simulation with free surface’, 11th International Workshop on Modeling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics (平成21年6月30日、スイス) (ポスター)
  • ・Takehiro Miyagoshi and Akira Kageyama
    “Formation of sheet convection and helical current coils in geodynamo simulation with low Ekman number” 日本地球惑星科学連合2009年大会、5/19(火)、幕張メッセ国際会議場
  • ・宮腰剛広（Jamstec）、陰山聡（神戸大学）　
    「高解像度地球ダイナモシミュレーション」 第3回シミュレーション科学シンポジウム（核融合科学研究所主催）、核融合科学研究所、2009年9月18日　（招待講演）
  • ・井上真志（九州大）、宮腰剛広(海洋機構)、陰山聡(神戸大学)
    「液体金属熱対流実験の計算機シミュレーション」、プラズマ・核融合学会　第１３回九州・沖縄・山口支部大会、2009年12月22日-23日、山口大学常盤台キャンパス（宇部市）
  • ・N. Ohno, H. Ohtani, R. Horiuchi:
    "Visualization of Particle Trajectories in Time-Varying Electromagnetic Fields by CAVE-type Virtual Reality System", APFA/APPTC2009, 27-30 October, 2009, Aomori, Japan (Poster)
  • ・N.Ohno:
    "Use of Virtual Reality in Numerical Simulations: A Tutorial Approach", The 9th International School for Space Simulations, 3-10 July 2009, Saint-Quentin-en-Yvelines, France (Invited)
  • ・山崎輔, 樫山和男, 陰山聡, 大野暢亮:
    "VR技術を用いた非構造格子に基づく対話的可視化システムの構築", 第23回数値流体シンポジウム, 2009年12月18日
  • ・Hiroaki Ohtani, Nobuaki Ohno, Ritoku Horiuchi:
    "Particle Simulation Analysis by Virtual Reality System", US-Japan The Joint Institute for Fusion Theory (JIFT) Workshop 2009 "Advanced Simulation Methods in Plasma Physics",14-16 December, 2009, Toki, JAPAN
  • ・H. Ohtani, N. Ohno, N. Mizuguchi, M. Shoji, S. Ishiguro:
    "Simulation Data Analysis by Virtual Reality System", 19th International Toki Conference (ITC19), 8 ? 11 December, 2009, Toki, Japan (Poster)
  • ・大谷寛明，堀内利得，大野暢亮:
    "開放系３次元粒子シミュレーションと没入型バーチャルリアリティ装置による磁気リコネクション研究", プラズマ核融合学会 第26回年会（招待講演）
  • ・Kazuo Kashiyama, Tomosato Takada, Tasuku Yamazaki, Akira Kageyama, Nobuaki Ohno, Hideo Miyachi:
    "Application of VR Technique to Pre- and Post-Processing for Wind Flow Simulation in Urban Area", 9th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality 2009, 5-6 November, 2009, Sydney, Australia
  • ・H. Ohtani, N. Ohno, R. Horiuchi:
    "Role of Particle Kinetic Effects on Magnetic Reconnection by Analysis of Virtual Reality System", APFA/APPTC2009, 27-30 October, 2009, Aomori, Japan
  • ・山崎輔，樫山和男，陰山聡，大野暢亮:
    "非構造格子に基づく流れ解析のためのVR技術に基づく対話的可視化システムの構築", 2009年度土木情報利用技術講演集, Vol.34, pp.45-48 (2009), 2009年10月22日
  • ・H. Ohtani, N. Ohno, R. Horiuchi:
    "Scientific Visualization of Particle Simulation Data by Virtual Reality System", 21st International Conference on Numerical Simulation of Plasmas 2009 (ICNSP09), 6-9 October, 2009, Lisbon, Portugal
  • ・林田憲治, 大野暢亮, 陰山聡, 樫山和男:
    "多面型VR装置を用いた有限要素法メッシュの対話的修正手法の開発", 情報処理学会 関西支部 支部大会, 2009年9月29日
  • ・大谷寛明，大野暢亮，陰山聡，堀内利得:
    "3次元バーチャルリアリティ装置におけるプラズマ粒子シミュレーションデータの可視化２", 日本物理学会2009年秋季大会, 2009年9月25日
  • ・Hiroki Hasegawa, Nobuaki Ohno, Tooru Sugiyama, Akira Kageyama, Shigenobu Hirose, Kanya Kusano, Tetsuya Sato:
    "Holistic Simulation of Auroral Arcs Formation", US-Japan The Joint Institute for Fusion Theory (JIFT) Workshop 2009 "Advanced Simulation Methods in Plasma Physics",14-16 December, 2009, Toki, JAPAN
  • ・Hiroki Hasegawa, Nobuaki Ohno, Tooru Sugiyama, Akira Kageyama, Shigenobu Hirose, Kanya Kusano, Tetsuya Sato:
    "Simulation of Quiet Auroral Arcs Formation", 第3回シミュレーション科学シンポジウム, 2009年9月17日(ポスター)
  • ・長谷川裕記, 大野暢亮, 杉山徹, 陰山聡, 廣瀬 重信, 草野完也, 佐藤哲也:
    "Effect of Accelerated Electrons on Quiet Auroral Arc Formation", 日本地球惑星科学連合2009年大会, 2009年5月20日(ポスター)
  • ・M. Kameyama and Y. Kato,
    “Numerical modelling of subducting slabs by three-dimensional mantle conection with trench migration”, 日本地球惑星科学連合2009年大会 (平成21年5月18日、千葉) (ポスター)
  • ・M. Kameyama and Y. Kato,
    “Numerical Simulations on Dynamic Behaviors of Subducting Slabs: Toward Three-Dimensional Modelling”, 11th International Workshop on Modeling of Mantle Convection and Lithospheric Dynamics (平成21年6月30日、スイス) (ポスター)
  • ・H. Ichikawa, S. J. Labrosse, and M. Kameyama,
    “Thermal Distribution Resulting from Planetary Core Formation by Iron Rain in a Magma Ocean”, American Geophysical Union 2008 Fall meeting (平成21年12月14日、サンフランシスコ) (ポスター)
  • ・M. Kameyama and H. Ichikawa,
    “Onset of Thermal Convection of a Fluid with Strongly Temperature-dependent Viscosity in a Spherical Shell”, American Geophysical Union 2008 Fall meeting (平成21年12月17日、サンフランシスコ) (ポスター)

d. 講演

  • ・M. Furuichi,
    “Development of an Eulerian numerical procedure towards plate-mantle simulation for high performance computers”, ETH Geophysical Fluid Dynamics & Numerical Modelling Seminar （2009年5月13日スイス）
  • ・M. Furuichi,
    “GPGPU: what is possible/impossible in fluid simulations?”, ETH Geophysical Fluid Dynamics & Numerical Modelling Seminar （2009年11月6日スイス）　

e. 新聞、雑誌での掲載記事

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