大自由度モデルに基づくデータ同化のための革新的４次元変分法の開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01703
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長尾 大道 東京大学, 地震研究所, 准教授 (80435833)
• 研究分担者: 堀 高峰 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(地震津波予測研究開発センター), センター長 (00359176) ; 中野 慎也 統計数理研究所, モデリング研究系, 准教授 (40378576) ; 伊藤 耕介 琉球大学, 理学部, 准教授 (10634123) ; 福田 淳一 東京大学, 地震研究所, 助教 (70569714) ; 永田 賢二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 統合型材料開発・情報基盤部門, 主任研究員 (10556062) ; 桑谷 立 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(火山・地球内部研究センター), 副主任研究員 (60646785)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: データ同化 / 4次元変分法 / マルコフ連鎖モンテカルロ法 / 最適化 / 不確実性評価 / 地震波 / 摩擦 / Ginzburg-Landau方程式

研究実績の概要

令和元年度および2年度は、まずは本研究で開発した革新的4次元変分法（革新的4DVar）の数理的内容を論文としてまとめ、国際誌に出版した。また、革新的4DVarを2次元空間内における地震波伝播シミュレーションコードに実装し、数値実験によって地下構造に関する物性パラメータを正しく推定されることを確認し、かつその不確実性評価までが可能であることを示した。さらには、南海トラフ地震発生想定域のプレート境界におけるゆっくりすべりをモデル化した準静的運動方程式および摩擦構成則からなる数値シミュレーションコードに対して革新的4DVarを実装し、数値実験によってゆっくりすべりを再現する摩擦パラメータの推定ならびにその不確実性評価が可能となることを示した。これらの成果については、日本地球惑星科学連合大会のや米国物理学連合秋季大会をはじめとする国内外の学会において発表を行った。本研究の新たな展開として、薄層近似の下での磁性体や岩石内における磁化パターンの時空間変化を記述する時間依存Ginzburg-Landau方程式の数値シミュレーションコードを新たに開発した。この成果については、日本物理学会ならびに応用物理学会において発表するとともに、論文としてまとめ、国際誌に出版した。今後はこれに革新的4DVarを実装することにより、固体地球科学分野のみならず、幅広い学問分野に応用が可能なデータ同化手法として展開していく予定である。
日本地球惑星科学連合大会および統計関連学会連合大会においては、本研究とも深く関連するセッションを開催し、本研究の成果を国内外に広く知らしめることができた。本研究で開発した革新的4DVarのソースコードについては、現在、公開に向けた準備を進めている。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Forecasting temporal variation of aftershocks immediately after a main shock using Gaussian process regression (2021)
  • 著者名/発表者名: Morikawa, K., H. Nagao, S. Ito, Y. Terada, S. Sakai, and N. Hirata
  • 雑誌名: Geophysical Journal International 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1093/gji/ggab124
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase prediction method for pattern formation in time-dependent Ginzburg-Landau dynamics for kinetic Ising model without a priori assumptions of domain patterns (2021)
  • 著者名/発表者名: Anzaki, R., S. Ito, H. Nagao, M. Mizumaki, M. Okada, and I. Akai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094408
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Data-Driven System in Materials Integration (2020)
  • 著者名/発表者名: Inoue, J., M. Okada, H. Nagao, H. Yokota, and Y. Adachi
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 61 ページ: 2058-2066
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MA2020006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 時間依存Ginzburg-Landau方程式による2次元スピン系でのパターン形成に関する理論的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安崎 遼路，伊藤 伸一，長尾 大道，水牧 仁一朗，岡田 真人，赤井 一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 双極子間相互作用を含む時間依存Ginzburg-Landau方程式によるパターン形成における相分類の提案と解析的な相予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安崎 遼路，伊藤 伸一，長尾 大道，水牧 仁一朗，岡田 真人，赤井 一郎
  • 学会等名: 第68回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Twin experiment of 4DVar capable of uncertainty quantification based on seismic wavefield propagation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao, H., S. Ito, M. Kano, and M. Matsumura
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2020年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Decomposition of multiple seasonal components in a seasonal adjustment model (2020)
  • 著者名/発表者名: Haba, T., H. Nagao, and S. Ito
  • 学会等名: Joint Statistical Meetings
  • 国際学会
• [学会発表] データ同化によるフェーズフィールドモデリングの深化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長尾 大道，伊藤 伸一，糟谷 正，井上 純哉
  • 学会等名: 第33回 日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 畳み込みニューラルネットワークに基づく地震波形画像からの深部低周波微動検出に向けた数値実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金子 亮介，長尾 大道，伊藤 伸一，小原 一成，鶴岡 弘
  • 学会等名: 日本地震学会2020年度秋季大会
• [学会発表] Uncertainty quantification for parameters and time series forecasting based on data assimilation (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao, H. and S. Ito
  • 学会等名: 12th International Conference on the ERCIM WG on Computational and Methodological Statistics (CMStatistics 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Uncertainty quantification based on 4DVar data assimilation for massive simulation models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., M. Kano, and H. Nagao
  • 学会等名: 11th International Workshop on Statistical Seismology (StatSei11)
  • 国際学会
• [学会発表] Bayesian inference of grain growth prediction via multi-phase-field models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., Nagao, H., T. Kurokawa, T. Kasuya, and J. Inoue
  • 学会等名: 16th Annual Meeting, Asia Oceania Geosciences Society (AOGS)
  • 国際学会
• [学会発表] Decomposition of multiple seasonal components in a seasonal adjustment model (2019)
  • 著者名/発表者名: Haba, T., H. Nagao, and S. Ito
  • 学会等名: 16th Annual Meeting, Asia Oceania Geosciences Society (AOGS)
  • 国際学会
• [学会発表] Bayesian inference for phase-field models with non-time-series data (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao, H. and S. Ito
  • 学会等名: 27th International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Bayesian inference of grain growth prediction via multi-phase-field models (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao, H., S. Ito, T. Kurokawa, T. Kasuya, and J. Inoue
  • 学会等名: European Geosciences Union (EGU) General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Uncertainty quantification for inhomogeneous frictional features in a slow-slipping fault based on a large-scale four-dimensional variational data assimilation (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., M. Kano, and Nagao, H.
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Implementation of replica exchange Monte Carlo on 4DVar for global optimization (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao, H., S. Ito, K. Hasegawa, M. Kano, M. Okada, H. Hino, K. Nagata, and N. Hirata
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Bayesian inference of grain growth prediction via multi-phase-field models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., Nagao, H., T. Kurokawa, T. Kasuya, and J. Inoue
  • 学会等名: NIMS WEEK 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Uncertainty quantification based on 4DVar data assimilation for massive simulation models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S. and H. Nagao
  • 学会等名: Frontiers of Statistical Physics (FSP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 4次元変分法データ同化の新展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長尾 大道，伊藤 伸一，長谷川 慶
  • 学会等名: 統計関連学会連合大会
  • 招待講演
• [学会発表] Uncertainty quantification based on 4DVar data assimilation for massive simulation models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., M. Kano, and Nagao, H.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 大規模４次元変分法データ同化に基づくスロースリップ断層面における摩擦特性不均一性の不確実性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 伸一，加納 将行，長尾 大道
  • 学会等名: 日本地震学会2019年度秋季大会
• [学会発表] Bayesian inference of grain growth prediction via multi-phase-field models (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., Nagao, H., T. Kurokawa, T. Kasuya, and J. Inoue
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [図書] Active Geophysical Monitoring (2nd Edition) (2019)
  • 著者名/発表者名: Junzo Kasahara, Michael S. Zhdanov, Hitoshi Mikada（編）, Hiromichi Nagao（分担執筆）
  • 総ページ数: 646
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 978-0081026847
• [備考] 東京大学地震研究所 長尾・伊藤研究室
  • URL: https://www.eri.u-tokyo.ac.jp/people/nagaoh/