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Development of a novel data assimilation technique for application to particle-based simulation models

Research Project

Project/Area Number 23K24810
Project/Area Number (Other) 22H03553 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 60030:Statistical science-related
Research InstitutionThe Institute of Statistical Mathematics

Principal Investigator

中野 慎也  統計数理研究所, 学際統計数理研究系, 教授 (40378576)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 齋藤 正也  長崎県立大学, 情報システム学部, 准教授 (00470047)
中野 直人  明治大学, 先端数理科学研究科, 特任准教授 (30612642)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywordsデータ同化 / 粒子シミュレーション / マルチエージェントシミュレーション
Outline of Research at the Start

「データ同化」は,数値シミュレーションモデルと観測データを組み合わせて,現象を再現,予測する研究手法である.但し,既存のデータ同化手法を粒子シミュレーションやマルチエージェントシミュレーションなどの多粒子モデルにそのまま適用することはできない.本研究では,マクロスケールの観測と多粒子モデルの状態との対応づけを可能にする適切な制約を導入することにより,これまで困難であった多粒子モデルへのデータ同化の適用を実現する.さらに,粒子シミュレーションモデルやマルチエージェントモデルなどの実問題に適用し,手法の有効性を検証する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は,[課題A]流れ場による変換を用いた多粒子モデルのためのデータ同化の開発,[課題B]地球磁気圏荷電粒子モデル,感染症伝播モデルなどの多粒子モデルへのデータ同化の応用の2つのサブ課題に分けて研究を進めている.
[課題A]においては,シミュレーション領域全体を網羅する観測が得られている場合を考え,2次元空間上の粒子分布を観測に合うように修正するための流れ場を導出するためのアルゴリズムを開発した.一旦,粒子分布をマクロな密度分布に変換し,分布を修正する流れ場はradial basisi function networkで表現して流れ場のパラメータをアンサンブル変分法で推定することにより,シミュレーションと観測を関連づける粒子分布の変換ができることを確認した.また,流れ場を推定する際の密度分布変換について,流体方程式の古典的な数値解法が十分に機能することも確認できた.
[課題B]に関しては,応用課題で用いる粒子モデルの開発を進めた.地球磁気圏における荷電粒子の動きを模したシミュレーションモデルにおいては,粒子の運動を決める電場分布を適切に与える必要があるが,磁気圏の電場分布は,高度が低い電離圏と呼ばれる領域の電場分布を反映している.今年度は,この電離圏電場分布を予測するモデルの開発に注力し,機械学習モデルを利用して効率的に予測ができるようになった.また,磁気圏,電離圏の突発的な変動を予測するためのモデル開発も行った.一方で,粒子の速度分布を現実的なものにするためのサンプリング手法も検討した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

少なくとも2次元の問題については,粒子分布を修正してデータ同化を行うアプローチを利用できる目処が立った.また,応用問題として利用する粒子シミュレーションについても,実問題に適用するために必要な準備が進んでおり,また関連研究で一定の成果が出ている.

Strategy for Future Research Activity

課題Aにおいては,前年度に開発した2次元の粒子分布を変換する手法を,3次元以上の高次元の問題に拡張し,さらに観測が一部しか得られない状況でも利用できるようにすることを目指してアルゴリズムの改良を行う.また,開発した粒子分布変換手法に基づいて粒子分布の観測への当てはまりを評価する指標を定義し,データ同化を行う手法の開発にも取り組む.実際にデータ同化を行うためのアルゴリズムについては,問題設計が容易な変分法アプローチを利用することを考えているが,実装が容易なアンサンブルカルマンフィルタなどの利用も検討しながら研究を進める.
課題Bに関しては,地球磁気圏荷電粒子シミュレーションモデル,感染症伝播マルチエージェントモデルなどについて,課題Aで開発を進めている粒子分布変換手法の実装を進め,有効性を確認する.また,データ同化の実装方法についても検討を進める.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (36 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 6 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] O+ density distribution in the nightside ionosphere reconstructed from ISS-IMAP/EUVI data2024

    • Author(s)
      Nakano Shin’ya、Hozumi Yuta、Saito Akinori、Yoshikawa Ichiro、Yamazaki Atsushi、Yoshioka Kazuo、Murakami Go
    • Journal Title

      Earth, Planets and Space

      Volume: 76 Issue: 1

    • DOI

      10.1186/s40623-023-01947-9

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Machine Learning‐Based Emulator for the Physics‐Based Simulation of Auroral Current System2024

    • Author(s)
      Kataoka Ryuho、Nakamizo Aoi、Nakano Shinya、Fujita Shigeru
    • Journal Title

      Space Weather

      Volume: 22 Issue: 1

    • DOI

      10.1029/2023sw003720

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Machine learning emulator for physics-based prediction of ionospheric potential response to solar wind variations2023

    • Author(s)
      Kataoka Ryuho、Nakano Shinya、Fujita Shigeru
    • Journal Title

      Earth, Planets and Space

      Volume: 75 Issue: 1

    • DOI

      10.1186/s40623-023-01896-3

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Loading Loss‐Cone Distributions in Particle Simulations2023

    • Author(s)
      Zenitani Seiji、Nakano Shin'ya
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Space Physics

      Volume: 128 Issue: 10

    • DOI

      10.1029/2023ja031983

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  • [Journal Article] Probabilistic modelling of substorm occurrences with an echo state network2023

    • Author(s)
      Nakano, S., R. Kataoka, M. Nose, and J. W. Gjerloev
    • Journal Title

      Annales Geophysicae

      Volume: 41 Issue: 2 Pages: 529-539

    • DOI

      10.5194/angeo-41-529-2023

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    • Author(s)
      Haruna Junichi、Toshio Riki、Nakano Naoto
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 107 Issue: 3 Pages: 034306-034306

    • DOI

      10.1103/physreve.107.034306

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      Seiji Zenitani, Shin'ya Nakano
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 29 Issue: 11 Pages: 113904-113904

    • DOI

      10.1063/5.0117628

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  • [Journal Article] アンサンブルを用いた変分法データ同化と計数データのための拡張2022

    • Author(s)
      中野 慎也
    • Journal Title

      統計数理

      Volume: 70 Pages: 235-250

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      斎藤正也,谷川清隆
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  • [Presentation] Path integral approach to universal dynamics of reservoir computers2024

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      N. Nakano
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      ANZIAM Conference 2024
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    • Author(s)
      S. Nakano, R. Kataoka, and M. Nose
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      第154回 地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
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    • Author(s)
      銭谷 誠司, 中野 慎也
    • Organizer
      第154回 地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
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  • [Presentation] Reservoir computing におけるランダムネットワークの普遍性と計算性能2023

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      中野直人, 春名純一, 兎子尾理貴
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      第26回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2023)
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  • [Presentation] Emulator of global MHD simulation of magnetosphere-ionosphere system and data assimilation2023

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      S. Nakano, R. Kataoka, and S. Fujita
    • Organizer
      第14回データ同化ワークショップ
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    • Author(s)
      S. Nakano, R. Kataoka, and S. Fujita
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      28th IUGG General Assembly
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Machine learning emulator for physics-based prediction of ionospheric response to solar wind variations2023

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      中野 慎也, 片岡 龍峰, 藤田 茂
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      日本地球惑星科学連合2023年大会
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      藤田 茂, 中野 慎也, 門倉 昭, 田中 良昌, 片岡 龍峰, 中溝 葵, 細川敬祐, 才田聡子
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  • [Presentation] Data assimilation into a machine learning-based emulator of global MHD simulation2023

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      中野 慎也, 片岡 龍峰, 藤田 茂
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  • [Presentation] Loading kappa-type distributions in particle simulations2023

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      S. Zenitani, S. Nakano
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      EGU General Assembly 2023
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      S. Nakano, S. Fujita, A. Kadokura, Y. Tanaka, R. Kataoka, A. Nakamizo, K. Hosokawa, S. Saita
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  • [Presentation] The ionospheric conductivity distribution of the global MHD simulation code determined by the data assimilation2022

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      S. Fujita, S. Nakano, A. Kadokura, Y. Tanaka, R. Kataoka, A. Nakamizo, K. Hosokawa, and S. Saita
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      Shin'ya Nakano, Shigeru Fujita, Akira Kadokura, Yoshimasa Tanaka, Ryuho Kataoka, Aoi Nakamizo, Keisuke Hosokawa, and Satoko Saita
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      中野 慎也, 穂積 裕太, 齊藤 昭則, 吉川 一朗, 山崎 敦, 吉岡 和夫, 村上 豪
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      中野 慎也, 穂積 裕太, 齊藤 昭則, 吉川 一朗, 山崎 敦, 吉岡 和夫, 村上 豪
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  • [Presentation] Preliminary results of the data assimilation applied to the global MHD simulation code toward reanalysis of the space weather phenomena2022

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      藤田 茂, 中野 慎也, 門倉 昭, 田中 良昌, 片岡 龍峰, 中溝 葵, 久保田 康文, 細川 敬祐, 才田 聡子
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    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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