Transcript 融合プロジェクト（傘テーマ） - 極域科学計算機利用者ガイド

融合プロジェクト（傘テーマ）
機能と帰納：情報化時代にめざす科学的推論の形
サブテーマ ③
ダイナミック逆問題
サブサブテーマ ③－１
統計的モデルに基づく地球科学における
逆問題解析手法
代表者： 門倉 昭（極地研）
研究目的
主として極地研が所有する地球科学観測データ
（オーロラ、EISCATレーダー、磁気圏衛星など）
や、シミュレーションデータ（磁気圏粒子シミュ
レーション）に、
統数研や情報研が持つ先端の逆問題解析手
法や画像解析手法を適用することにより、
諸々の地球科学現象を生み出している生成源
（電離圏、磁気圏など）の構造や特徴、そこに働く
物理過程の詳細を定量的に明らかにすることを
目的とする。
主な研究課題
① 一般化オーロラトモグラフィの研究
オーロラ、ＥＩＳＣＡＴレーダー、人工衛星：
逆問題解析
② データ同化による磁気嵐発達過程の研究
磁気圏衛星データ、シミュレーション：
データ同化
③ オーロラの南北共役性の定量的評価の研究
オーロラ地上観測データ ：
画像解析
メンバー
極地研：
麻生武彦、佐藤夏雄、山岸久雄、宮岡宏、門倉昭、
田口真、岡田雅樹、小川泰信
統数研：
樋口知之、上野玄太、中野慎也
情報研：
北本朝展、児玉和也、佐藤真一、孟洋
早稲田大学：
田邊國士
融合プロジェクト研究員： 田中良昌
名大：
野澤悟徳、藤井良一、海老原祐輔
トロムソ大（ノルウェー）： Bjorn Gustavsson, A. Brekke, C. La Hoz, T., Grydeland,
M. Blixt
スウェーデン宇宙物理研究所： Urban Braendstroem, Ingrid Sandahl,
Tima Sergienko
アメリカ ：
M.-C. Fok (GSFC),
S. Ohtani, P. C. Brandt, D. Mitchell (JHU/APL)
研究課題①
一般化オーロラトモグラフィの研究
～ 極域科学における逆問題 ～
A Generalized Computed Aurora Tomography
G-CAT - an inverse problem in polar science
麻生武彦（極地研/総研大）、Bjorn Gustavsson（UiT,ノルウェイ）、
田邉國士（ 早稲田大/統数研）
門倉昭、小川泰信（極地研） 、田中良昌（融合センター）
Ingrid Sandahl, Urban Brandstrom, Tima Sergienko (IRF,スウェーデン)
ALIS (Aurora Large Imaging System)
オーロラ多点観測ネットワーク
IRF, Kiruna, Sweden
キルナ
スウェーデン
ALISデータのみを用いた従来のオーロラトモグラフィ
557.7nm
Phase 1： オーロラトモグラフィの展開
★ 衛星画像も用いた解析
従来のSIRT法（Simultaneous Iterative Reconstruction
Technique) と 事前情報（たとえばオーロラが沿磁力線構造を持
つなど）を用いた手法により
• 上側あるいは横側からの視線データによるトモグラフィー逆
変換結果の改善
• 発光高度プロファイルからの降り込み粒子エネルギースペク
トルの推定
★ 時間発展を追う
• 情報統合とオーロラの動き解析
「れいめい」衛星(２００５年８月打ち上げ）との同時観測
観測器： オーロラカメラ（３波長）、オーロラ粒子観測器
特徴： 高時間＆空間分解能
ＡＬＩＳ－れいめい同時観測キャンペーン
２００５年１０月２５日
残念ながら、れいめい衛星との同時観測は実現出来ず
トモグラフィ解析結果
オーロラ構造の時間発展
２００５年１０月２５日
Phase ２： 一般化オーロラトモグラフィへの展開
れいめい衛星
多種類のデータを組み合わせて
オーロラの３次元構造
電子密度変化の３次元構造
オーロラ粒子のエネルギー
スペクトル
など複数の情報を求める。
f
E
100eV
10keV 100keV
オーロラカメラ
EISCATレーダー
リオメータ
一般化オーロラトモグラフィの定式化
f のエネルギー分布、空
間分布が滑らかであると
いう条件を加える。
以下の関数 pl を最小化するような f を求める。
pl ( f ; w 1 , w 2 , w 3 )  l ( f ; w 1 , w 2 , w 3 )  W ( f )
l (f ; w1, w2 , w3 ) 
w1  P1,i M1f  gi
~
2
~
 w2 P2M2f  ne
2
2
 w3 P3 M2f  b
i
オーロラ画像項
電子密度項
M1 : オーロラ発光強度を計算する行列
M2 : 電子密度増加を計算する行列
P１, P2, P3 : 各観測データへの投影を表す行列
w1, w2, w3 : 各観測データの重みを表すパラメータ
Ω : 正則化項
M1
高度
~ 2
CNA項
f (φ)
M2
ne2
Λ
E
E
1 cm-2s-1ster-1eV-1の単一
エネルギー入射電子に対
する放射率と電子密度
解析の概念図
オーロラCT
画像データ
降りこみ電子エ
ネルギースペク
トルモデル
f(E,z,t)
事前分布
Prior
EISCAT電子
密度データ
イメージングリオ
メタ吸収データ
先験的知識
φの出方について観測
データを見なくても
知っていること
Π ( )
データの確率密度関数
データ固定
尤度関数
L( g~, )
実現確率
~ : 観測データ
g
 : f のモデルパラメタ
事後分布
Posterior
Πˆ (, g~)
“データの発生機構を近似する確率モデル族の
中から最も適合するものを措定”
一般化オーロラトモグラフィ研究：現状
f
エネルギー分布
高度？km
オーロラ発光モデル
電子密度増加モデル
E
M
順問題
逆問題
ベイズ推定
観測データへの投影
オーロラ画像
P
電子密度
CNA
現状： オーロラ画像のみを用いた再構成
EP (特性エネルギー)
Q0 (全エネルギーフラックス)
入力
EP (特性エネルギー)
Q0 (全エネルギーフラックス)
再構成
結果
eV
mW/m2
mW/m2
eV
研究課題②
磁気圏物理学分野のデータ同化の研究
データ同化と数値シミュレーションによる
磁気嵐発達過程の研究
中野慎也、上野玄太、樋口知之（統数研）、
海老原祐輔（名大）、岡田雅樹（極地研）、
M.-C. Fok (GSFC/NASA),
S. Ohtani, P. C. Brandt, D. Mitchell (JHU/APL)
目的
IMAGE衛星で観測されたEnergetic Neutral
Atom (ENA) のデータを、Comprehensive
Ring Current Model (CRCM) [Fok et al.,
2001] に同化し、
磁気嵐時の、磁気圏環電流（リングカレント）
の空間構造・時間変化の現実的なモデリン
グを行う。
IMAGE衛星ＥＮＡデータ
磁気圏リングカレント粒子領域の撮像
CRCM (Comprehensive Ring Current Model)
磁力線に沿って平均化されたボルツマン方程式を解き、
2次元面内における位相空間密度 f の空間分布を求
め、ＩＭＡＧＥ衛星方向のフラックスを計算し、ＥＮＡ観測
と比較する。
必要なパラメータ
磁気圏磁場、電場、
中性粒子密度、
境界条件
データ同化に用いる各パラメータ
同化対象
同化対象
同化対象
モデルで与える
シミュレーション結果
モデルで与える
シミュレーション結果
衛星観測
データ同化の手順
① Simulationで次のステップの状態を予測．
② Simulationの予測結果から観測されるべき物理量の
値を推定．
③ 推定した観測を実際のデータと比較．
④ 比較結果に基づいてSimulation上のパラメータを修正．
Particle filter 法
State
Observation
①
②
状態の確率分布を考える．
観測と比較し，条件付き確率を計算することで，確率分布を更新
イベント解析例
2000年8月12日の磁気嵐
解析期間
データ同化の結果：時間変化 (09:00-12:00 UT)
16–27 keV
39–50 keV
粒子分布と電位分布
（同化計算結果）
ＥＮＡ分布（計算）
ＥＮＡ分布（観測）
研究課題③
オーロラの南北共役性の定量的評価の研究
昭和基地ーアイスランド地磁気共役点で観
測された様々なオーロラ活動の共役性・非
共役性を定量的に評価するための解析手
法の開発を行う。
佐藤夏雄、門倉昭、田口真、山岸久雄（極地研） 、
海老原祐輔（名大）、北本朝展（情報研）、
樋口知之（統数研）
昭和基地ーアイスランド地磁気共役点オーロラ観測
史上最も共役性の良いイベント： 2003年9月26日
脈動オーロラの共役性の解析
脈動オーロラの共役性： 自己相関係数
Sep. 26, 2003
アイス
ランド
（上、中） 形と位置の共役性は良い
（下）
完全に非共役（アイスランドのみ）
昭和
基地
Watanabe et al.
(GRL, 2007)
脈動オーロラの共役性： 周期
Sep. 26, 2003
昭和
基地
アイス
ランド
9.6 秒
5.5 秒
相互相関最大値 : 0.1
（上、中） 形は似ているが周期は異なる
（下）
完全に非共役（アイスランドのみ）
Watanabe et al.
(GRL, 2007)