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

利用数据同化预测火山喷发趋势的理论研究

• 批准号: 21K03697
• 负责人: 小屋口 剛博
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03697/
• 关键词: 火山噴火; 推移予測; データ同化; 逆解析理論; 数値モデル

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．

火山喷发的时间发展是复杂而多样的，因此很难预测趋势。在火山学中，为了应对这一挑战，我们一直在努力通过通过现场观测来监测火山现象来提高预测准确性。结果，可以通过连续观察地壳运动和火山烟来获得有关在喷发过程中岩浆储层的压力和岩浆弹出率的时间序列数据。另一方面，近年来，还研究了有关火山喷发的物理过程。在这种学术背景下，有必要根据物理模型和观察到的数据来开发一种使用“数据同化”来预测喷发趋势的方法。在这项研究中，我们将构建通过数据同化预测喷发进展并开发数值代码的基本理论。关于该研究主题，在2021年，我们为岩浆供应/射血系统模型构建了一个模型，该模型由火路径和弹性变形的岩浆储层组成，其中岩浆弹出率的时间演变以及岩浆储层的压力是当地质条件和地质条件和岩浆的岩石领域时的输出。该模型再现了实际观察到的各种喷发趋势的特征，并且在数学上也清楚地表达了有关喷发趋势的物理过程的影响，从而满足了初始计划中设定的条件。此外，在同一年中，我们成功地应用了非线性反问题的一般理论，包括不连续过渡过程，岩浆供应和射血模型，并建立了逆问题的理论框架，以估算主要参数（粘度，粘度，岩浆水分的效率，以及对岩浆供应量的流动率）的主要参数。在2022财年，我们继续实施了数据同化的数学分析计划，并继续进行讨论到目前为止获得的结果的工作，并讨论了该理论的详细部分。此外，论文已发表在烟流模型上，用于估计各种条件下的弹出率和岩浆上升模型。

项目成果

A physics-based source model for real-time tephra-dispersal forecasting for weak eruption plumes

基于物理的源模型，用于弱喷发羽流的实时火山灰扩散预测

• DOI: 10.1186/s13617-022-00127-w
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Applied Volcanology
• 作者: Ishii Kensuke;Nishijo Akira;Koyaguchi Takehiro;Suzuki Yujiro J.
• 通讯作者: Suzuki Yujiro J.

Dynamics of gas-driven eruption on Ceres as a probe to its interior

• DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115533
• 发表时间: 2023-03
• 期刊: Icarus
• 影响因子: 3.2
• 作者: K. Yumoto;Yuichiro Cho;T. Koyaguchi;S. Sugita

アメリカ地質調査所(米国)

美国地质调查局（美国）