平成28（2016）年度　一般研究１実施報告書

課題番号	28−共研−1002	分野分類		統計数理研究所内分野分類		a
				主要研究分野分類		4
研究課題名	固体地球科学のシミュレーションモデルと観測データに適用可能なデータ同化法の開発
フリガナ 代表者氏名	ナガオ ヒロミチ 長尾 大道		ローマ字		Nagao Hiromichi
所属機関	東京大学
所属部局	地震研究所
職　　名	准教授

研究目的と成果（経過）の概要

　データ同化はベイズ統計学や最適化理論を基礎として数値シミュレーションモデルの状態変数やパラメータを推定する手法であり、気象学・海洋学・統計科学等の分野で手法開発や応用研究が広く行われてきた。近年、地震学においても、断層すべりのシミュレーションモデルに対するGNSSデータ同化や地震活動データ同化などの研究が進展しつつあるが、これまでの研究は比較的小自由度の問題に対する既存の同化手法の適用にとどまっていた。より現実的なモデルに対するデータ同化を可能にするためには、強非線形性への対応や大自由度系に適用可能な手法の開発が必要となる。本課題では、データ同化手法に詳しい気象学・海洋学・統計科学の研究者とモデル・観測データに詳しい固体地球科学の研究者が共同研究を行うことにより、大自由度モデルや強非線形性を持つモデルに適用可能なデータ同化手法の開発を行う。モデルとしては、これまでにO(103)程度以下の小〜中自由度モデルを用いた研究が進展している準静的な断層すべりのシミュレーションモデルをはじめ、地震活動モデルや火山噴火モデル等を対象とする。このような手法の開発は、固体地球科学分野で現実的なモデルを用いたデータ同化を実現するための基礎となる。
　平成28年度の主な研究成果としては、(1)大自由度系シミュレーションモデルに基づくデータ同化を効率的に実施するための新しい4次元変分法アルゴリズムの構築、(2)データ同化に向けた余効変動の物理モデルの構築などが挙げられる。
　平成28年度は6月30日、9月2日、及び3月27日に地震研究所においてミーティングを開催し、観測ノイズ分散共分散行列のパラメータ推定手法、スパースモデリングに基づく断層すべり推定手法、物理モデルに基づく火山におけるマグマ供給レート推定手法の検討などを行った。

当該研究に関する情報源（論文発表、学会発表、プレプリント、ホームページ等）

■論文発表
Kano, M., H. Nagao, D. Ishikawa, S. Ito, S. Sakai, S. Nakagawa, M. Hori, and N. Hirata, Seismic wavefield imaging based on the replica exchange Monte Carlo method, Geophys. J. Int., 208, 529-545, doi:10.1093/gji/ggw410, 2017.

Ito, S., H. Nagao, A. Yamanaka, Y. Tsukada, T. Koyama, M. Kano, and J. Inoue, Data assimilation for massive autonomous systems based on a second-order adjoint method, Phys. Rev. E, 94, 043307, doi:10.1103/PhysRevE.94.043307, 2016.

伊藤伸一, 長尾大道, 山中晃徳, 塚田祐貴, 小山敏幸, 加納将行, 井上純哉, 大規模自由度系におけるデータ同化のための2nd-order adjoint法に基づく不確実評価法, 月刊海洋, 号外 No. 59, 76-82, 2017.

■学会発表
Ito, S., H. Nagao, A. Yamanaka, Y. Tsukada, T. Koyama, M. Kano, and J. Inoue, Uncertainty quantification based on second-order adjoint method for data assimilation using massive autonomous systems, RIKEN International Symposium on Data Assimilation (RISDA) 2017, Kobe, Japan, Feb. 28, 2017.

Nagao, H., Data assimilation for massive autonomous systems based on a second-order adjoint method, RIKEN Data Assimilation Seminar, RIKEN Advanced Institute for Computational Science, Kobe, Japan, Feb. 7, 2017.

Kano, M., H. Nagao, S. Ito, D. Ishikawa, S. Sakai, S. Nakagawa, M. Hori, and N. Hirata, Seismic wavefield imaging based on the replica exchange Monte Carlo method: Application to MeSO-net data, Tokyo metropolitan area, Japan, American Geophysical Union Fall Meeting 2016, San Francisco, USA, Dec. 14, 2016.

研究会を開催した場合は、テーマ・日時・場所・参加者数を記入してください。

1. 観測ノイズ分散共分散行列のパラメータ推定手法, 2016年6月30日, 東京大学地震研究所
2. スパースモデリングに基づく断層すべり推定手法, 2016年9月2日, 東京大学地震研究所
3. 物理モデルに基づく火山におけるマグマ供給レート推定手法の検討, 2017年3月27日, 東京大学地震研究所

研究参加者一覧
氏名	所属機関
伊藤 耕介	琉球大学
岩田 貴樹	常磐大学
小屋口 剛博	東京大学
庄 建倉	統計数理研究所
鶴岡 弘	東京大学
中野 慎也	統計数理研究所
福田 淳一	東京大学