| Project/Area Number |
21K03697
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小屋口 剛博 東京大学, 地震研究所, 名誉教授 (80178384)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
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| Keywords | 火山噴火 / 推移予測 / データ同化 / 逆解析理論 / 数値モデル |
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| Outline of Research at the Start |
火山噴火の時間発展は，複雑多様であり，その推移予測が難しい．本研究では，データ同化の理論に基づいて，マグマ噴出率や地殻変動の野外観測量を与えた時に，将来のマグマ噴出率の予測値を確率分布として出力する数値コードを開発する．開発された数値コードは，火山防災上有用であるばかりでなく，「噴火推移予測は原理的に可能か」という学術的問いに対して，数学的に明確な解答を与えるものである．
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| Outline of Annual Research Achievements |
火山噴火の時間発展は複雑かつ多様であり，推移予測が難しい．火山学においては，この難題に対して，野外観測で火山現象をモニタリングすることによって予測精度の向上を図ってきた．その結果，地殻変動や火山噴煙の連続観測によって，噴火中のマグマ溜りの圧力やマグマ噴出率について時系列データを得ることができるようになってきた．一方で，火山噴火を支配する物理過程についても，近年，物理モデルの研究が進んできた．このような学術的背景の中，物理モデルと観測データに基づく「データ同化」による噴火推移予測の手法開発が必要となってきた．本研究では，データ同化による噴火推移予測の基礎理論の構築と数値コードの開発を行う．
本研究課題では，2021年度に，火道と弾性変形するマグマ溜りで構成される「マグマ供給・噴出系モデル」において，地質条件・マグマの岩石学的性質を与えるとマグマ噴出率とマグマ溜りの圧力の時間発展が出力される順問題モデルを構築した．このモデルは，実際に観測される多様な噴火推移の特徴を再現するとともに，噴火推移を支配する物理過程の影響を数理的に明確に表現するものであり，当初計画において設定した条件を満たすものである．また，2022年度においては，不連続な遷移過程を含む非線形逆問題の一般理論をマグマ供給・噴出系モデルに適用することに成功し，噴火時のマグマ噴出率および火山周辺の地殻変動データからマグマ供給・噴出系モデルの主要パラメータ（粘性抵抗，マグマの含水量，火道からの脱ガス効率）を推定する逆問題の理論的枠組みが構築された．2023年度には，本課題で新たに構築した理論の詳細部分について検討し，2022年度までに得られた成果を論文化する作業を進めるとともに，順問題モデルと逆問題数理解析の公開用プログラムを実装する作業を進めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度までに得られた研究成果（噴火推移モデルの構築および逆問題の数理構造の解明）は，複数の論文に分けて公表する内容をもつ．2022年度までに，本研究課題から派生したいくつかの予察的テーマについて論文を公表するとともに，研究課題前半の中核部分についても論文の構想をまとめ終え，2023年度には，その中核部分について本格的な執筆作業を開始する段階に入ることができた．また，データ同化の数理解析プログラムについても，論文と同時に公表することを目標として，論文執筆作業と並行して実装作業を進めた．上記の研究成果は，当初計画以上の学術的内容を持つことが判明しており，その意味において，本研究課題の進捗状況は「当初計画以上に進展している」と判断される．一方，コロナ禍及び研究代表者自身の健康上の理由のため，2021年度，2022年度に引き続き2023年度も国内外の学会に出席することを控えざるを得ず，本研究の成果発表や関連研究者との情報交換について，当初の計画通りに進めることができなかった．ただし，研究課題に直接関わる問題については，オンラインを用いて関連研究者と支障なく学術的議論を進めている．また，今後，論文執筆・プログラム公開に重点をおくことによって，本研究課題の研究成果発表も支障なく行うことができる．以上の研究内容・論文執筆・プログラム実装状況・成果発表の見込みを総合的に勘案し，進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
噴火推移予測の困難は，火山噴火現象の観測精度が限られることや物理モデルのパラメータ（地質条件やマグマの性質に関するパラメータ）が多いことに加えて，順問題モデルが著しい非線形性を持つことに起因している．そこで，本研究課題では，期間内の具体的な目標として，非線形力学系モデルのパラメータ推定に関する一般理論を構築するとともに，多数のパラメータを含む非線形モデルに有効なマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いて，将来のマグマ噴出率の確率分布を出力する数値コードを実装・公表することを目指している．
本研究課題においては，2023年度までの成果として，マグマ供給・噴出系モデルを定式化し，噴火時のマグマ噴出率と地殻変動の時系列データからマグマ供給・噴出系モデルのパラメータを推定する逆問題の数理構造を解明するという，当初の計画を上回る研究成果が得られ，その結果，論文化作業が倍増した．一方，研究計画そのものは順調に進んでおり，研究の推進方策において特に変更すべき事項はない．すなわち，2024年度には，2023年度より着手したMCMC法を用いたモデルパラメータ推定コードを作成し，逆解析を開始する．また，2023年度までの研究成果について，順次論文として公表するとともに，オープンソースの数値コードを公開する作業を進める．さらに，最終年度である2025年度に，モデルパラメータ事後確率分布をマグマ供給・噴出系モデルに代入して将来のマグマ噴出率の推移を確率分布として表す数値コードの開発を終える．
なお，健康上の理由で学会への出席が十分にできない問題については，必要に応じて共同研究者に代理で情報収集を依頼し，支障なく研究を推進する．
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