火山ダイナミクスの数値シミュレーション
Numerical Simulations of the Dynamics of Volcanic Phenomena
小屋口 剛博 (東京大学地震研究所)
Takehiro Koyaguchi
本プロジェクトでは、地球内部のマグマ発生から地表におけるマグマ噴出までの火山現象を、相変化・相分離・熱輸送・乱流を伴う流体力学的問題として数値コードを開発し、火山現象の物理過程に関する理解を進める。また、将来的に、数値シミュレーションに基づいた降灰被害等を予測する火山防災上のツール開発を目指す。
今年度は、大気中を上昇する火山噴煙の挙動に焦点を当て、以下の2つの研究を進める。
噴煙が噴煙柱となるか火砕流となるかについてパラメータスタディを行い、火砕流の発生条件の振る舞いについて解析する。特に、噴出圧力が大気圧と等しい場合について、昨年度に継続して大規模なパラメータスタディを行う。また、噴出圧力が大気圧より高い場合および低い場合について計算を行い、衝撃波・膨張波構造の変化やそれらが火砕流の発生条件に与える影響を解析する。
噴煙から火山灰が降下する様子を再現するため、風の効果を含めたモデルと火山灰分離の効果を含めたモデルの開発を行う。
年度前半は、a)の火砕流発生条件を決定するためのパラメータスタディを集中して行い、コンスタントに計算を実行することができた。また、並行してb)の風と火山灰分離の効果を含めたモデル構築を行った。今年度後半は、a)の火砕流発生条件の決定に関する追加計算を行うとともに、年度前半で開発したモデルのうち、特に風の影響を解析するための大規模シミュレーションを行なった。以上より、研究計画に沿って利用できた。
噴出圧力が大気圧と等しい場合について、広範なパラメータスタディに基づいて火砕流発生条件を支配する無次元数（リチャードソン数、マッハ数）を決定した。また、火砕流発生条件付近では、噴煙柱と火砕流が同時に形成する遷移状態や、時間と共に噴煙柱から火砕流に移行する遷移状態が存在することを明らかにした。噴出圧力が大気圧より高い場合と低い場合についても、パラメータスタディによって詳細な火砕流発生条件を求めることができた。特に、噴出物の大気中での減圧が自由膨張となる時の火砕流発生条件が先行研究（１次元・２次元モデル）によって大きく異なっていたが、今回の一連の結果によって、それに決着をつけることができた。さらに、火砕流発生条件近傍で特徴的に発生する強い振動現象を3次元非定常モデルによって初めて記述することができた。
風と火山灰分離の効果を含めた並列計算の基本モデルの構築に成功した。風が噴煙挙動に与える影響に関しては、10セット程度の大規模シミュレーションを行い、風の高さ方向プロファイルや風速によって噴煙高度が変化する様子を初めて捉えることに成功した。また、降灰シミュレーションの予備計算を行い、2011年新燃岳の噴火事例に関し、火山灰分布の観測結果と近い結果を得ることができた。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100%として数値で示してください。複数の目標があった場合は、それぞれについて達成度を数値で示してください。)
a) 火砕流の発生条件 : 90%
b) 降灰モデルの開発 : 80%
年間を通し、ノード時間・記憶容量の計算機資源を効率的に利用できた。ノード時間に関しては、12月末で82％の使用量となっており、年度末に向けて適性な使用ペースとなっていることが分かる。
(ベクトル化、並列化チューニング等、計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載してください。)
主に実行しているパラメータスタディと風の効果を含めた計算コードは、前年度までにベクトル化・並列化チューニングを十分に行っているものをベースとしている。ピーク性能比率は平均して20％前後まで到達しており、計算機資源を十分に有効利用していると考えられる。
該当なし。
該当なし。