2022 Fiscal Year Research-status Report
データ同化による火山噴火推移予測に関する理論的研究
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21K03697
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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, 教授 (80178384)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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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 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，数値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．
本研究課題については，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，同年度においては，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概ねできた．2022年度には，これらの成果を基礎として，データ同化の数理解析プログラムを実装する作業を進めるとともに，これまでに得られた成果を論文化する作業を進め，理論の詳細部分について検討した．また，噴出率推定のための噴煙モデルや幅広い条件下でのマグマ上昇モデルについて，論文を公表した．
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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
2021年度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年度においては，本研究課題から派生したいくつかの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，本格的な執筆作業を開始する段階に入った．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ている．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年度に引き続き2022年度も予定していた国内外の学会に出席することができず，本研究の成果発表や関連研究者との情報交換を計画通りに進めることができなかった．具体的には，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が，国内外の学会に出席できない状況下で，幅広い研究者との情報交換については，必ずしも効率良く進めることができていない．このことは，間接的に今後の論文執筆・プログラム実装の作業を遅らせる可能性がある．以上のプラス面とマイナス面を総合的に勘案し，進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断した．
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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，2021年度と2022年度の成果として，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，2023年度には，本年度より着手したMCMC法を用いたモデルパラメータ推定コード開発を本格的に進める．2023年度末を目標として，モデルパラメータ推定コードを作成し，2024年度に，上記コードを用いた逆解析を実践する．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完成させる．さらに，以上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．
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予定である．
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| Causes of Carryover |
2021年度2022年度においては，コロナ禍及び健康上の理由によって，国内外の学会出席や関連研究者との研究打ち合わせを見合わせることとなった．一方，同年度においては，非線形逆問題の一般理論を確立した上でそれをマグマ供給・噴出系モデルに適用するという，本研究課題の根幹に関わる複数の成果が得られた．これらの成果について，複数の論文に分けて公表するためには，2023年度以降に当初計画を大きく上回る論文掲載料およびオープンアクセスの費用を支出することになると予想される．以上の理由で，2021年度2022年度に計画していた学会出席などの経費を大幅に節約し，2023年度以降の論文掲載料およびオープンアクセスの費用に流用することとした．
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Research Products
(2 results)
