2021 Fiscal Year Research-status Report
氷床・棚氷モデルへの高精度輸送スキームの導入とその影響に関する研究
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17K05664
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
齋藤 冬樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 研究員 (60396942)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 氷床モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者が開発を続けてきた氷床流動モデル Ice sheet model for Integrated Earth system Studies (IcIES)の改良を継続した。昨年度までは元々の計画である、力学過程における移流輸送計算方式の改良の試験実装として氷床年代計算への適用を行ってきたが、本年度からその経験を元に熱力学過程への応用に本格移行した。年代計算では単純な移流計算のみであり、また一次元での実装しか行わなかった。一方、熱力学過程では移流項に加え拡散項などが加わり計算がかなり複雑になると考えられ、その上で三次元化を行うことから、設計は時間がかかっている。昨年度試験的に一次元の熱力学計算に、年代計算と同様のRCIP 法(有理関数を用いた Constrained Interpolation Profile) を実装した。その際、方程式中の相変化の項に関連して、人工的な数値解・数値振動が見られることが明らかとなり、その解決方法を検討した。試験実装では熱力学方程式として IcIES の現在の実装である、温度による表現を用いたが、数値振動の解決のためには保留していた polythermal 化(技術的にはエンタルピーを用いた式とすること)を先に行う方がよい可能性があると判断し、再び方針変更して polythermal化を開始した。今後はさらに多くの感度実験を行い、総合的にその効果を明らかにする。加えて、開発したモデルの応用として、RCIP 法による一次元温度計算を行い、氷床コア掘削地点の選定に関する感度実験を行ったが、その結果を投稿論文のためにまとめている。
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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
近年100万年以上の時間スケールの古気候研究が盛んであり、それに伴い高精度古気候復元の機運が高まっている。International Partnerships in Ice Core Sciences (IPICS) の掲げるOldest ice core project がその代表的なものであり、日本でも国立極地研究所を中心に新たな氷床コア掘削地点の選定研究が行われている。氷床モデルによる氷の年代計算は、掘削地点の決定にとって重要な手法の一つであり、より高精度の計算が期待される研究課題である。また掘削地点の決定にとってもう一つ重要な情報は、特に底面における融解の履歴である。融解がある時点で起きた場合、それはすなわち古気候情報の欠損を意味する。期待する期間において融解が無いことが氷床コアの必須の条件となる。この「融解が無い」という特殊な条件を用いることで、開発した RCIP法による年代・温度計算が有効に活用でき、次年度の論文投稿に向けて進んでいる。一方、氷床変動計算においては「融解が生じる」ということを表現することが最も重要な要素の一つである。一次元での熱力学計算を注意深く解析したところ、計算上底面融解が表れた瞬間に内部の温度移流の構造が急激に変わり、融解を打ち消すように作用する場合があることが見られた。この効果自体、定性的には可能性があるが、どのような条件下で生じるのか、その現実的な時間空間スケールはどのようなものか、などの検討が必要である。また、そのためには、融解を底面だけで許容し、内部では固相のみを考慮する現状の実装ではなく、液相も合わせて計算する polytherml 化が必要であると判断した。次年度に実装を行うため、文献調査を元に設計を検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は RCIP 法を実装する前の準備として、熱力学過程の polythermal 化を先に完成させる。従来の伝統的な移流計算を用いて、polythermal 化前後での計算結果の違いを明らかにする。詳細な解析が行いやすい理想的な条件下で感度実験を多量に行い、特に時間発展を含む底面融解の性質の違いに関して議論する。その実装と感度実験・解析が進んだところでRCIP 法の熱力学計算への拡張を再開し、その手法を用いた応用研究(熱力学計算への適用に関する課題、あるいは年代計算と熱力学計算を総合的に組み合わせた課題など)に関して効果を明らかにする。計算手法として RCIP, IDO ともに保存性・非保存性の手法が提唱されているが、比較的簡便な非保存性の RCIP 法の実装を基準に、保存性の手法まで拡張し、それぞれの手法の効果を明らかにしたい。昨年度までの開発と実験は、移流計算の速度分布を外から与える状況下、すなわち力学と熱力学を結合しない相互作用なしの状況下で実験を行っていた。これは問題を簡素化することで議論を整理するためであったが、現実的には氷温度のわずかな違いが氷の粘性の変化を通じ氷の流動へ大きく影響する。一般的な氷床形状の時間発展を解く氷床流動モデルでは、力学・熱力学を結合した非線形の過程としてモデル化することが多い。polythermal 化の有無、移流計算の違い、熱力学・力学の結合の有無という複数の観点とその組み合わせから、氷床変動計算の不確定性を議論し、学会などで発表する。
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| Causes of Carryover |
本年度の使用計画では論文投稿や学会発表などの成果発表に多く使用することとなっていたが、研究中に新たに判明した課題の解決とそれに関する議論や追加の発表のため、補助事業期間延長を申請した。次年度の使用計画としては、IcIES の開発と並行して、学会発表などの成果の発表に使用する。
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