2014 Fiscal Year Annual Research Report
３次元噴煙モデルとレーダー観測による火山灰拡散降下モデルの高度化
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24244069
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
眞木 雅之 鹿児島大学, 地域防災教育研究センター, 特任教授 (10360364)
鈴木 雄治郎 東京大学, 地震研究所, 助教 (30392939)
小園 誠史 東北大学, 理学研究科, 助教 (40506747)
萬年 一剛 神奈川県温泉地学研究所, 研究課, 主任研究員 (70416080)
前坂 剛 独立行政法人防災科学技術研究所, 観測予測研究領域, 主任研究員 (70450260)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 火山噴煙 / 火山灰降下 / 数値計算 / 気象レーダー観測 / 火山防災 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
爆発的噴火に伴う火山灰拡散・降下は，航空機航行障害などの原因となるため，その高精度観測と予測が急がれている． 本研究は，申請者らが開発した3次元噴煙モデルとレーダ観測技術を応用し，新たに「供給源の物理過程を考慮した移流拡散モデル」を開発することを目的とする．具体的には，3次元噴煙モデルを発展させた噴煙ダイナミクス・火山灰輸送カップリングモデル（以下「カップリリングモデル」）を開発するとともに，火山灰移流拡散モデル（以下「移流拡散モデル」）に基づく逆解析手法，さらにMPレーダ観測による空中火山灰粒子分布の推定法の開発を行う．
平成26年度には，前年度までに開発・チューニングを行ったカップリングモデルを用い，大規模数値シミュレーションを行った．数値モデルで扱う粒子数を数十万個まで増やした計算を実行し，大気中の風速が一定の場合・高さによって変化する場合・風向が高さによって変化する場合，など様々な風の条件における火山灰堆積パターンを再現した．
移流拡散モデルについては，大気中の一点から同一粒径の火山灰を放出する数値シミュレーションを行い，風による噴煙の湾曲が堆積物の分布に与える影響を定量的に評価した．また，前年度に開発した，移流拡散モデルに基づく逆解析スキームについて霧島火山新燃岳2011年噴火に適用し，当該スキームの問題点を検討した．
レーダ観測データによる空中火山灰粒子分布の推定法の開発については，平成26年度は，火山灰雲のレーダデータの統計解析を行い，ふるい分け効果の存在を確認した．また，パーシベルによる現地観測と採取した火山灰の落下実験から火山灰粒子の終端速度式と粒径分布を求めた．これらに加え、霧島山新燃岳2011年噴火における気象レーダ観測と地殻変動観測から推定される噴煙高度とマグマ溜まり収縮率の関係を詳細に調べ，噴煙観測に基づく噴火条件推定の可能性について検討した．
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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
降灰予測のための移流拡散モデルの高度化には，上述の「カップリングモデル」で噴煙内の火山灰分布を統計的に表現する必要がある．平成26年度には，カップリングモデル計算よる多量の大規模計算を実行し，本課題で開発・高精度化を目指している移流拡散モデルの検証と経験パラメータ決定の基礎データを得ることができた．具体的には，多様な粒子サイズに対し，堆積までの粒子移動の軌跡と堆積分布のデータを約20パターンの風の条件に関して蓄積でき，研究計画をほぼ達成することができた．
移流拡散モデルについては，霧島火山新燃岳2011年噴火事例に基づいて，既存の「Tephra2モデル」の問題点を認識することができた．さらに，移流拡散モデルにおいて火山灰供給源の形状が堆積物分布に与える影響が無視できない条件を定量的に明らかにすることができた，これらの研究により、Tephra2のような火口から垂直にあがる給源を仮定するモデルに基づく降灰予想や逆解析手法を改善する手がかりが得られた．
レーダ観測データによる空中火山灰粒子分布の推定法の開発については，散乱特性モデル開発そのものに対する平成26年度までの達成度は60%程度であるが，レーダデータの統計解析やパーシベルによる現地観測からの知見を散乱計算に組み込むことで，火山灰の判別手法や降灰量や火山灰粒径分布の推定法の信頼性を向上した点で進捗があった．また，霧島山新燃岳2011年噴火における気象レーダ観測と地殻変動観測から噴煙高度とマグマ溜まり収縮率の相関関係を推定する研究成果によって，噴煙観測からマグマ供給系に対して制約を与えることができることが明らかになり，気象レーダによる火山噴煙観測の有用性を示すことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
カップリングモデルについては，平成26年度に蓄積した基礎データを基に，大気中での粒子数分布を求め，噴煙から分離し地表に堆積するまでの粒子サイズの確率分布変化を見積もる．統計的扱いを容易にするために，粒子数を現在の数十万個から数百万個へと増やし，移流拡散モデルの検証を可能にする．
移流拡散モデルについては，これまでの研究成果によって，鉛直方向の拡散の影響及び噴煙の形状の影響について明らかになってきた．平成27年度は，堆積物の分布から火山灰供給源である噴煙の情報を逆解析するうえで，これらの要因がどのような影響を与えるのかについて理論的に明らかにする．また，本プロジェクトの最終プロダクトとしての「高度化された移流拡散モデル」の完成に向けて，ラグランジュ法による移流拡散モデル（PUFFモデル）とカップリングモデルの計算結果との整合性の確認作業を開始する．
レーダ観測データによる空中火山灰粒子分布の推定法の開発については，これまでに収集した火山噴火事例のレーダデータに基づいて，火山灰の定量的推定式の検証と改良，MPレーダによる火山灰粒径分布の推定手法の検証と改良，拡散モデルの初期値作成，桜島火山におけるパーシベルによる降灰連続観測を行い，レーダー散乱特性モデルの開発を進める．
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