Pi 2型磁場波動への独立成分分析の応用によるオーロラ嵐の総合的診断

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08J05443
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 徳永 旭将 Kyushu University, 宙空環境研究センター, 特別研究員(DC1)
• Keywords: オーロラ嵐 / Pi2型地磁気脈動 / ICA(独立成分分析) / SSA(特異スペクトル分析) / 変化点検出 / 前兆検出

Research Abstract

【1.特異スペクトル分析の応用によるオーロラ嵐の前兆検出アルゴリズムの開発】
オーロラ嵐の基礎研究・予報研究の両面から、地上磁場データからオーロラ嵐の前駆的兆候を捉えることを目的とした変化点検出アルゴリズムの開発を進めた。変化点検出とは、時系列データの時間構造が急激に変化する時刻を推定する問題である。我々が応用を進めているのは、特異スペクトル分析(SSA)を応用したアルゴリズムである。SSAによる変化点検出は、近年工学システムの異常検知などで応用が進んでいる。我々は、本手法の応用により、従来は検出困難だったオーロラ嵐の微細な前兆を、地上磁場データから検出することが可能になると期待している。とくに、従来では一変量時系列の枠組みで行われていた変化点検出を多変量時系列に拡張することにより、従来手法よりも精度良く前駆的兆候が検出できることが分かった。
【2.Pi2型地磁気脈動の生成・伝搬機構解明のための周波数領域独立成分分析(FDICA)の応用】
オーロラ嵐の発生に伴って、Pi2型と呼ばれる突発的な地磁気脈動が汎世界的に観測されることが知られている。一方で、その発生機構や地表面までの伝搬過程は未解明であり、地上に多点展開されている地磁気観測網で得られるデータの統括的な解析・解釈が求められている。しかしながら、地上で観測されるPi2には磁気圏における生成機構と伝搬機構の情報が時空間的に重畳しており、それが地上Pi2の波形の複雑さを助長する要因となっている。我々は独立成分分析(ICA)という新機軸の処理手法をPi2解析に導入し、地上多点観測された出力波形(地磁気脈動)から入力波形(発生領域での元変動)とフィルター効果(伝搬機構による変調)とを分離・抽出する試みを行ってきた。とりわけ、磁気圏における磁気流体波動の伝搬機構を反映した情報を抽出するため、複数の伝搬経路を考慮した周波数領域ICA(FDICA)の導入を進めた。一般的に、FDICAでは前処理として短時間フーリエ変換が用いられるが、Pi2のような突発的な波形にも柔軟に対応できるよう、ウェーブレット変換を用いたバンドパスフィルタをFDICAの前処理として導入した。

Research Products

• [Journal Article] STPデータからの異常検出法の開発～オーロラサブストームへの応用 (2010)
  • Author(s): Terumasa Tokunaga, Daisuke Ikeda, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Akimasa Yoshikawa, Teiji Uozumi, Akiko Fujimoto, Akira Morioka, Kiyohumi Yumoto
  • Journal Title: Proceedings of the 6^<th> Space Environment Symposium. Pages: 260-265
• [Journal Article] Progress report on the global development of MAGDAS (2010)
  • Author(s): Yumoto, K., G.Maeda, S.Abe, T.Uozumi, A.Fujimoto, A.Ikeda, T.Tokunaga, Y.Yamazaki, T.Ueno, Y.Hirayama, B.Rabiu, C.B.S.Uiso, P.Baki, K.M.Badi, L.B.Kolawole, T.Afullo, A.Macamo, H.Hweene, MAGDAS/CPMN Group
  • Journal Title: Sun and Geosphere (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Timing relations between high-and low-latitude high-correlation Pi 2 as a function of the magnetic local time : Statistical study of the MAGDAS/CPMN data (2009)
  • Author(s): Teiji Uozumi, S.Abe, K.Kitamura, T.Tokunaga, A.Yoshikawa, H.Kawano, R.Marshall, R.J.Morris, B.M.Shevtsov, S.I.Solovyev, D.J.McNamara, K.Liou, S.Ohtani, M.Itonaga, K.Yumoto
  • Journal Title: J.Geophys.Res. 114, A11207 Pages: doi : 10.1029/2009JA014163
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A detection of substorm precursors on geomagnetic data at auroral latitudes by SSA-based change-point analysis (2009)
  • Author(s): 徳永旭将, 中村和幸, 樋口知之, 吉川顕正, 魚住禎司, 森岡昭, 湯元清文, MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球電磁気・惑星圏学会代126回講演会
  • Place of Presentation: 石川県金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20090927-20090930
• [Presentation] 地上観測されたPi 2型地磁気脈動のグローバルな波動特性解析のための周波数領域独立成分分析の応用 (2009)
  • Author(s): 徳永旭将, 吉川顕正, 魚住禎司, 樋口知之, 中村和幸, 湯元清文, MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球電磁気・惑星圏学会代126回講演会
  • Place of Presentation: 石川県金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20090927-20090930
• [Presentation] Automatic Identification of Pi 2 Pulsations using MAGDAS/CPMN Network-Toward Construction of a new Pi 2 Index- (2009)
  • Author(s): 坂井美菜, 徳永旭将, 魚住禎司, 阿郡修司, 池田昭大, 吉川顕正, 河野英昭, 湯元清文, MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球電磁気・惑星圏学会代126回講演会
  • Place of Presentation: 石川県金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20090927-20090930
• [Presentation] A new interpretation of high-latitude Pi 2 observed at the MAGDAS/CPMN stations (2009)
  • Author(s): 魚住禎司, 阿部修司, 北村健太郎, 徳永旭将, 吉川顕正, 河野英昭, Marshall Richard, Morris R.J., Shevtsov Boris M., Solovyev S.I., McNamara Daniel, Liou Kan, 大谷晋一, 糸長雅弘, 湯元清文
  • Organizer: 地球電磁気・惑星圏学会代126回講演会
  • Place of Presentation: 石川県金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20090927-20090930
• [Presentation] ULTIMA Magnetic Power Spectral Density and its Radial Diffusion Coefficients for Relativistic Electron Enhancement (2009)
  • Author(s): 藤本晶子, 徳永旭将, 阿部修司, 魚住禎司, 吉川顕正, Mann Ian R., Chi Peter J., Engebretson Mark, 湯元清文, MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球電磁気・惑星圏学会代126回講演会
  • Place of Presentation: 石川県金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20090927-20090930
• [Presentation] 時系列データマイニングによる動的ヘテロなシステムからの知識発見-宇宙天気研究における大規模帰納処裡システム構築へ向けて (2009)
  • Author(s): 徳永旭将;中村和幸;樋口知之;池田大輔;大久保翔;藤本晶子;吉川顕正;湯元清文;MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球惑星連合大会2009
  • Place of Presentation: 千葉県幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20090516-20090521
• [Presentation] Pi 2型地磁気脈動の生成・伝播機構解明に関する知見護得のための独立成分分析の応用 (2009)
  • Author(s): 穂永旭将;吉川顕正;魚住禎司;樋口知之;中村和幸;湯元清文;MAGDAS/CPMNグループ湯元清文
  • Organizer: 地球惑星連合大会2009
  • Place of Presentation: 千葉県幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20090516-20090521
• [Presentation] The spatial and temporal behavior of Pc 5 ULF at ULTIMA stations during magnetic storms (2009)
  • Author(s): Akiko Fujimoto[1]; Terumasa Tokunaga[2]; Shuji Abe[3]; Teiji Uozumi[4]; Akimasa Yoshikawa[5]; Ian R.Mann[6]; Peter J.Chi[7]; Mark Engebretson[8]; Archana Bhattacharya[2]; Daniel McNamara[9]; Ronald W.Pollitt[2]; Severino L.G.Dutra[10]; Akeem Babatunde Rabiu[11]; Kiyohumi Yumoto[3]; Yumoto Kiyohumi MAGDAS/CPMN Group[12]
  • Organizer: 地球惑星連合大会2009
  • Place of Presentation: 千葉県幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20090516-20090521
• [Presentation] A Study of Equatorial Pi 2 Pulsations at MAGDAS/CPMN : Toward A New Pi 2-Index (2009)
  • Author(s): Mina Sakai[1]; Yuki Hirayama[1]; Terumasa Tokunaga[2]; Akihiro Ikeda[1]; Teiji Uozumi[3]; Kiyohumi Yumoto[4]; Yumoto Kiyohumi MAGDAS/CPMN Group[5]
  • Organizer: 地球惑星連合大会2009
  • Place of Presentation: 千葉県幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20090516-20090521
• [Presentation] Identification of substorm precursor and expansion onsets by applying Singular Spectrum Transformation to ground-magnetometer data (2009)
  • Author(s): Terumasa Tokunaga, Daisuke Ikeda, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Akimasa Yoshikawa, Teiji Uozumi, Akira Morioka, Kiyohumi Yumoto
  • Organizer: AGU(American Geophysical Union)Fall Meeting 2009
  • Place of Presentation: サンフランシスコ(USA)
  • Year and Date: 2009-12-18
• [Presentation] Pc 5 Spectral Density at ULTIMA stataions and its Radial Diffusion Coefficients for REE (2009)
  • Author(s): A Fujimoto, T Tokunaga, S Abe, T Uozumi, A Yoshikawa, I R Mann, P J Chi, M J Engebretson, K Yumoto
  • Organizer: AGU(American Geophysical Union)Fall Meeting 2009
  • Place of Presentation: サンフランシスコ(USA)
  • Year and Date: 2009-12-18
• [Presentation] STPデータからの異常検出法の開発～オーロラサブストームへの応用 (2009)
  • Author(s): Terumasa Tokunaga, Daisuke Ikeda, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Akimasa Yoshikawa, Teiji Uozumi, Akiko Fujimoto, Akira Morioka, Kiyohumi Yumoto
  • Organizer: 第6回宇宙環境シンポジウム
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場
  • Year and Date: 2009-10-30
• [Presentation] オーロラ嵐に関するデータからの知識発見 (2009)
  • Author(s): 徳永旭将
  • Organizer: 明治大学グローバルCOEプログラム「現象数理学の形成と発展」非線形時系列に対する現象数理学の発展シンポジウム
  • Place of Presentation: 明治大学駿河台キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-25