平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

宇宙・地球表層・地球内部の相関モデリング

発表資料 (3.3MB)

1. プロジェクト名

宇宙・地球表層・地球内部の相関モデリング

Space and Earth System Modeling

2. プロジェクト責任者名

草野 完也 (海洋研究開発機構　地球内部ダイナミクス領域)

Kanya Kusano

3. プロジェクトの目的

地球システムは内部（地殻、マントル、コア）、表層（大気海洋）および外部（宇宙）が互いに影響を及ぼしながら変動進化する相関システムである。本研究は、地球シミュレータセンターが行ってきたESプロジェクト「連結階層シミュレーションアルゴリズムの開発」の成果を発展させ、複合相関地球システムの変動をとらえることができる先進的なシミュレーションの開発を目指すものである。このため、第1に分子動力学モデル、超水滴雲微物理モデル、雲解像モデル、全球モデルの連結階層シミュレーションを行い、宇宙線と分子クラスターの環境影響を定量的に探る。第2に、地球深部に取り込まれる水の影響を取り込んだマントル対流シミュレーションを実施し、表層環境と内部の相互関係を探る。第3に天体衝突における脱ガスと雲生成過程をモデル化する。最終的に、これらの研究を総合して全球凍結など地球史における大規模環境変動のメカニズムを明らかにする。

4. 今年度当初の計画

本年度は以下のサブモデルの開発をそれぞれ行うことにより、宇宙・地球表層・地球内部の相関モデルの基礎を築く。

(1) 宇宙地球環境結合モデル：雲微物理・雲分解モデル：世界初の粒子ベース雲計算アルゴリズムである超水滴法を雲解像モデルCReSSに導入し、雲形成におけるエアロゾル効果を計算可能とするモデルの開発を実施する。雲核成長モデル：電荷変動型分子動力学モデルを水と硫酸に適用し、硫酸エアロゾルとなる分子クラスターの凝縮形成過程に関するシミュレーションを実施する。宇宙線伝搬モデル：太陽観測データに基づいて太陽圏全体の電磁流体環境を再現すると共に、粒子流体連結手法を用いて地球に至る宇宙線の加速と伝搬を計算することができるモデル開発を行う。

(2) 地球内部表層結合モデル：表層からの水の取り込みとメルティングおよび化学反応を取り込んだマントル対流化学モデルの開発を実施する。ただし、本モデル開発は別課題として申請されるプロジェクトとの共同研究であるため、本課題としてESの資源を利用しない。

(3) 天体衝突モデル：高速衝突に伴う地殻の力学的および熱力学的変動を化学反応も含んで柔軟に計算することができるモデル開発を実施する。

(4) 多階層地球環境モデル： 超水滴雲モデルをCReSSを介して全球大気海洋結合モデルCFESに導入し、雲のパラメタリゼーションを連携階層手法用いて実現するためのモデル開発を行う。

5. 研究計画に沿った利用状況度

利用状況システムの更新に対応する為、年度当初はモデルの開発、最適化に時間を費やしたが、その後ほぼ計画通りの利用を続けており、年度末までに配分資源（26,000時間ノード積）をほぼ使い切る予定である。月別利用時間ノード積（累積値）は右図の通りである。

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

超水滴法を雲解像モデルCReSSに導入した先進的な雲モデルの開発を行い、新地球シミュレータへの最適化を実施した。128ノードでベクトル化率 99.54%, 並列化率99.977%を達成している。さらに、この新モデルを用いて、宮古島で観測された再発達を伴う海洋性孤立対流雲の変動に関する再現実験を、雲核（エアロゾル）の効果に注目して実施した。その結果、観測をほぼ再現すると共に、孤立対流雲の再生成過程が雲核数に強く依存することを初めて明らかにした。その成果は今後、宇宙線影響の定量的解明にもつながるものである。また、硫酸エアロゾルの核形成過程を古典的分子動力学と量子効果を考慮した熱力学モデルを用いて考察し、核生成におけるイオン効果の解明につながる基礎的知見を得た。計算モデルの検証のために、電離誘起核生成に関する実験室実験の準備を進め、予備実験を行った。天体衝突モデル、多階層地球環境モデルに関しては、新規開発のための調査研究を実施している。

達成度

全体　80% (2009年12月時点)

内訳　宇宙地球環境結合モデル　90％、地球内部表層結合モデル（ＥＳを利用する計画が無いため評価対象外）、天体衝突モデル40%、多階層地球環境モデル40% (2009年12月時点)

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)

  • S. Shima, K. Kusano, A. Kawano, T. Sugiyama, S. Kawahara. The super-droplet method for the numerical simulation of clouds and precipitation: a particle-based and probabilistic microphysics model coupled with a non-hydrostatic mod, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 135, 642, 1307-1320, 10.1002/qj.441-, 7/2009, 出版済み
  • R. Kataoka, T. Ebisuzaki, K. Kusano, D. Shiota, S. Inoue, T. Yamamoto, M. Tokumaru. Three-dimensional MHD modeling of the solar wind structures associated with 13 December 2006 coronal mass ejection, Journal of Geophysical Research -Space Physics, 114, A10, 10102. 10.1029/2009JA014167-, 10/2009, 出版済み
  • Shigenobu Hirose, Julian H.Krolik, Omer Blaes. Radiation-Dominated Disks are Thermally Stable, The Astrophysical Journal, 691, 1, 16-31, 1/2009, 出版済み
  • Shigenobu Hirose, Omer Blaes, Julian H. Krolik. Turbulent Stresses in Local Simulations of Radiation-Dominated Accretion Disks, and the Possibility of the LIghtman-Eardley Instability, The Astrophysical Journal, 704, , 781-, /2009, 出版済み
  • Daikou Shiota, Kanya Kusano, Takahiro Miyoshi, Kazunari Shibata,　MHD modeling for Formation Process of Coronal Mass Ejections:　Interaction between Ejecting Flux Rope and Ambient Field　(投稿中 The Astrophysical Journal)

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • 草野完也「太陽活動は回復するか？」パリティ、2010年1月号
  • 草野完也「太陽活動の理解のための観測と地上実験の相互連携」ながれ　28 (2009) 381-389
  • 草野完也「小特集：連結階層モデルによって見えてきたプラズマシミュレーションの新たな展開　１．はじめに」プラズマ・核融合学会誌　(Journal Plasma and Fusion Research) Vol.85, No.9 (2009) 577-579
  • 草野完也「小特集：連結階層モデルによって見えてきたプラズマシミュレーションの新たな展開　４．おわりに」プラズマ・核融合学会誌　(Journal Plasma and Fusion Research) Vol.85, No.9 (2009) 611-612
  • Tooru Sugiyama. 連結階層プラズマシミュレーションと衝撃波粒子加速への適用, プラズマ・核融合学会誌, 580-584, 9/2009, 出版済み

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • 草野完也 Space Weather Modeling of the Solar Terrestrial Connection Event in December 2006: From the Sun to the Interplanetary Space, Space Weather Workshop 2009/4/29 招待講演
  • 草野完也 The Trigger Mechanism of Magnetic Reconnection in Solar Eruption , 17th Cluster Workshop 2009/5/12 招待講演
  • 草野完也 太陽面爆発と宇宙天気の 予知可能性に関するモデリング研究 日本地球惑星科学連合大会 2009/5/16
  • 草野完也 宇宙地球環境システムにおける エアロゾルの役割について 山岳大気エアロゾル研究会主催　第３回シンポジウム 「天からエアロゾルを考える」 2009/7/4 招待講演
  • 草野完也 太陽フレアとCMEの予測 シミュレーションへ向けた取り組み 太陽地球惑星系科学シミュレーション技法勉強会　＆NICT計算機シミュレーション研究会 " 2009/8/4
  • 草野完也 Data-driven Simulation of Sun-Earth Connection Events, IAU XXVII-GA, JD16 2009/8/12 招待講演
  • 草野完也 宇宙環境の数値シミュレーション 日本オペレーションズ・リサーチ学会第62回シンポジウム, 2009/9/8 招待講演
  • 草野完也 非線形フォース・フリー磁場モデルを利用した数値実験に基づくフレア発生機構の研究 日本天文学会2009年秋季年会 2009/9/16
  • 草野完也 太陽磁場観測に駆動された太陽地球結合モデルによる宇宙天気予知の可能性について 第126回 SGEPSS総会および講演会 2009/9/27
  • 草野完也 太陽フレアはなぜ起きる？ －プラズマにおける突発現象の物理について－ 名古屋大学素粒子宇宙GCOE （分野３）分野横断セミナー 2009/10/7
  • 草野完也 多階層連結現象の理解へ向けた シミュレーションの試み 第7回流体力学会中部支部講演会 2009/10/16 招待講演
  • 草野完也 太陽フレア発生機構 京都大学基礎物理学研究会2009/11/17
  • 草野完也 Numerical experiments of the 2006 Dec. 13 flare based on Hinode vector magnetograms, The 3rd Hinode Science Meeting, 2009/12/3
  • Akio Kawano, Yoji Kawamura, Kanya Kusano. Quantum Chemical Investigation of Cluster Ions as Atmospheric Aerosol Formation Precursors, AGU fall meeting, 12/2009, English
  • 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", 12/2009, English
  • HIROKI HASEGAWA, TOORU SUGIYAMA(Earth Simulator Center(ESC)) , AKIRA KAGEYAMA(Earth Simulator Center(ESC)) , NOBUAKI OHNO(Earth Simulator Center(ESC)) , SHIGENOBU HIROSE(Earth Simulator Center(ESC)) , KANYA KUSANO(Earth Simulator Center(ESC)) , TETSUYA SATO(Earth Simulator Center(ESC)). Auroral Arc Simulation by Macro-Micro Interlocked Model, n/a, 2/2009, English
  • Shigenobu Hirose, Neal Turner. Thermodynamical Structure of Protoplanetary Disks, AGU Fall Meeting 2009, 12/2009, English
  • Shigenobu Hirose. Thermodynamical Structure of Protoplanetary Disks, Spitzer 2009, 10/2009, English
  • Shin-ichiro Shima. Micro-Macro Interlocked Simulation of Clouds and Precipitation, MAS seminar, 7/2009, English
  • Tooru Sugiyama, Kanya Kusano, Daiko Shiota. Ion acceleration around shocks using multi-physics simulation model, 21st International Conference on Numerical Simulation of Plasmas 2009, 10/2009, English
  • TORU SUGIYAMA, Kanya Kusano. MHD-PIC interlocked simulation model in space plasma, Voyagers in the Heliosheath, 1/2009, English
  • 河野 明男, 河村 洋史, 草野 完也. クラスターイオン誘起による大気エアロゾル生成メカニズムの計算化学的研究, 日本コンピュータ化学会2009年秋期年会, 11/2009, Japanese
  • 河野 明男, 河村 洋史, 草野 完也. 大気核生成前駆体としてのクラスターイオンの量子化学的研究, 第15回大気化学討論会, 10/2009, Japanese
  • 塩田 大幸, 片岡 龍峰, 杉山 徹, 草野 完也. CME前面衝撃波起源SEPの数値モデリングの試み, 日本地球惑星科学連合2009年大会, 5/2009, Japanese
  • DAIKOU SHIOTA, Kanya Kusano(Earth Simulator Center(ESC)) , Satoshi Inoue(Earth Simulator Center(ESC)) , Ryuho Kataoka(RIKEN) , Eiji Asano(Kyoto University) , Takuma Matsumoto(Kyoto University) , Takahiro Miyoshi(Hiroshima University) , Tatsuki Ogino(Nagoya University) , Kazunari Shibata(Kyoto University). n/a, n/a, 1/2009, Japanese
  • DAIKOU SHIOTA, Kanya Kusano(Earth Simulator Center(ESC)) , Takahiro Miyoshi(Hiroshima University) , Kazunari Shibata(Kyoto University). n/a, n/a, 3/2009, Japanese
  • HIROKI HASEGAWA, NOBUAKI OHNO(Earth Simulator Center(ESC)) , TOORU SUGIYAMA(Institute for Research on Earth Evolution (IFREE)) , AKIRA KAGEYAMA(Kobe University) , SHIGENOBU HIROSE(Institute for Research on Earth Evolution (IFREE)) , KANYA KUSANO(Institute for Research on Earth Evolution (IFREE)) , TETSUYA SATO(University of Hyogo). Effect of Accelerated Electrons on Quiet Auroral Arc Formation, Japan Geoscience Union Meeting 2009 , 5/2009, Japanese
  • 長谷川 裕記, 大野 暢亮 (地球シミュレータセンター), 杉山 徹, 陰山 聡 (神戸大学), 廣瀬 重信, 草野 完也, 佐藤 哲也 (兵庫県立大学). 静穏時オーロラアーク形成シミュレーション, 第3回シミュレーション科学シンポジウム, 9/2009, Japanese
  • HIROKI HASEGAWA, TOORU SUGIYAMA(Earth Simulator Center(ESC)) , AKIRA KAGEYAMA(Earth Simulator Center(ESC)) , NOBUAKI OHNO(Earth Simulator Center(ESC)) , SHIGENOBU HIROSE(Earth Simulator Center(ESC)) , KANYA KUSANO(Earth Simulator Center(ESC)) , TETSUYA SATO(Earth Simulator Center(ESC)). Effect of microscopic instability on Macroscopic Arc Formation of Quiet Aurora, The Physical Society of Japan 64th Annual Meeting , 3/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose, Omer Blaes, Julian Krolik. Thermal Equilibrium Curves of MRI Accretion Disks, Annual Meeting of Astronomical Society of Japan, 9/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Micro-Macro Interlocked Simulation of Friction Dynamics, GA09, 5/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Micro-Macro Interlocked Simulation of Friction Dynamics, GASST, 3/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Stability of Differentially Rotating Flows and Its Implications for the Earth Formation, IFREE ALL Seminar, 1/2009, English
  • Shigenobu Hirose. Standard Accretion Disks Driven by MRI Stress, Colloquium, National Astronomical Observatory, 5/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Standard Accretion Disks Driven by MRI Stress, Komaba Seminar, University of Tokyo, 5/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Standard Accretion Disks Driven by MRI Stress, MRI 2009, 4/2009, English
  • Shigenobu Hirose. Standard Accretion Disks Driven by MRI Stress, Workshop on MRI in Protoplanetary Disks, 6/2009, English
  • Shigenobu Hirose. Thermal Equilibrium Curves of MRI Accretion Disks, Frontier of Astrophysical Fluid Dynamics, 11/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Thermal Equilibrium Model of Standard Accretion Disks Driven by MRI Stress, Colloquium, Kyoto University, 10/2009, Japanese
  • Shigenobu Hirose. Thermodynamical Structure of Protoplanetary Disks Determined by Radiation MHD Simulation, Workshop on Protoplanetary Disks, 9/2009, Japanese
  • Shin-ichiro Shima. Micro-Macro Interlocked Simulation of Clouds and Precipitation, Long-term Workshop "Time-series analysis and statistics of hierarchical dynamics with large degrees of freedom, RIKEN Wako Campus , 5/2009, Japanese
  • 杉山 徹, 草野 完也. 連結階層プラズマシミュレーションを用いた無衝突衝撃波による粒子加速現象の解析, 日本地球惑星科学連合2009年大会, 5/2009, Japanese
  • 杉山 徹. 無衝突衝撃波による粒子加速現象の解析, 地球電磁気・地球惑星圏学会　２００９年秋学会, 9/2009, Japanese
  • 杉山 徹. 衝撃波での粒子加速の解析, STEシミュレーション研究会, 10/2009, Japanese

d. 講演

  • 草野完也 宇宙天気予報を目指した/太陽嵐のモデリング研究 宇宙天気研究会 2009/8/18 講演
  • 草野完也 地球環境変動と温暖化ー宇宙気候学の視点からー, 筑波大学電子物理工学セミナー 2009/9/4 講演
  • 草野完也 太陽圏シミュレーション エネルギー科学における多階層連結コンピューティング＠国際高等研究所 2009/10/2 講演
  • 草野完也 宇宙線と雲 国際高等研究所研究プロジェクト「宇宙における生命の総合的考察とその研究戦略 2009/12/19 招待講演

e. 新聞、雑誌での掲載記事

  • 2009/06/27 皆既日食はこう見える 日経新聞（夕刊）
  • 2009/07/03 科学「温暖化バトル 懐疑論は本当か」 朝日新聞
  • 2009/08/04 科学アート　見えない世界に潜む美　科学アート　朝日新聞