hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
岩石の載荷履歴と接線ヤング率の変化に対する諸条件の影響

岩盤中に作用している応力の値を測定するための一手法である接線ヤング率法における諸条件の影響について来待砂岩を用いて検討し、一軸載荷で推定した屈曲点応力をそのまま原位置応力成分とみなすことはできないことがわかった。一方、原位置との温度の差は考慮しなくてよい、また、岩盤応力推定時のひずみ速度は極端に速く/遅くなければ応力の推定結果に大きく影響しない、ということがわかった。1.気乾状態の来待砂岩を12.3MPaの軸応力で1分、または、10分先行載荷した後、いったん徐荷し、試験機から取り外し、0.320.8MPaの4サイクルの繰り返し載荷を行った。繰り返し載荷時における1サイクル目の接線ヤング率には、先行載荷応力よりもやや小さい応力でではあるが、2サイクル目に比べて明らかな屈曲点が認められ、接線ヤング率法の適用が可能なことを確認した。ひずみ差関数にも屈曲点が認められ、DRA法によっても先行応力の推定が可能なことが確認された。クリップゲージに基づく記憶時間は、1分、10分の先行載荷に対して1ヶ月覚えていることを確認した。2.側圧の影響について検討した。封圧020MPa、軸応力12.3MPaの下で1分間先行載荷した供試体を5分後に0.320.8MPaの一軸繰り返し載荷に供した。筆者の開発した超小型三軸セルを用いたので軸圧より封圧が大きい場合の応力径路も簡単に実現できた。先行載荷時の封圧が大きいほど屈曲点応力値は小さくなり、両者の関係はほぼ直線で近似できた。3.先行載荷時の封圧と繰り返し載荷時の封圧を変えて試験を行った。繰り返し載荷時の封圧が大きくても小さくても屈曲点の応力値が減少することが明らかになった。4.含水飽和状態で先行載荷した供試体を含水飽和状態で、あるいは、自然乾燥させて繰り返し載荷を行った。前者には接線ヤング率法が適用できたが、後者では先行載荷応力を正しく読み取ることが極めて困難であった。今年度は、接線ヤング率法において評価される屈曲点応力値に対する間隙水圧について検討した。具体的には、封圧10MPa・軸圧30%強度レベル・間隙水圧5MPaの下で1時間先行載荷した供試体について、(1)間隙水圧のみを増減させて、(2)有効封圧が一定になるように間隙水圧と封圧を同時に増減させて、(3)除荷して被覆を取り除いて、50%強度レベルまでの2回の繰り返し載荷を行い屈曲点応力を求めた。実験の結果、以下が明らかになった。(1)の場合、先行載荷時の間隙水圧の±40%以内の時に、誤差10%以内で先行載荷時の全応力と差応力の値を評価できた。間隙水圧をそれ以上増減させると、評価される応力値が小さくなった。(2)の場合、間隙水圧の増加に伴い全応力/軸差応力は増加/減少し、その傾向は直線近似できた。(3)の場合、先行載荷応力の、全応力で45%、有効応力で58%、差応力で75%の推定値が得られた。これは、一軸状態での推定値をそのまま岩盤応力とみなすことには、かなり問題があることを示している。上記のように、接線ヤング率法においては、間隙水圧の影響を無視できないので、三軸状態での繰り返し載荷試駐を数回行い正しい岩盤応力を評価する方法を提案した。なお、DRA法でもほぼ類似の結果が得られた。このことは、現状でしばしば行われている一軸状態におけるDRA法での推定値をそのまま岩盤応力とみなすことに強い警鐘を鳴らすものである。接線ヤング率法において評価される屈曲点応力値に対する島先行載荷時の封圧・間隙水圧・温度・繰り返し載荷時のひずみ速度の影響について来待砂岩供試体を用いて検討した。所定の封圧・間隙水圧下で先行載荷した供試体を一軸状態で繰り返し載荷すると、屈曲点応力=0.84軸差応力-0.21封圧-0.004間隙水圧となった。これは、一軸載荷で推定した屈曲点応力をそのまま原位置で供試体軸方向に作用していた応力成分とみなすことができないことを示しており、コア法による岩盤応力推定の現状に強い警鐘を鳴らすものである。温度については、摂氏40度80度の水中で先行載荷した供試体を室温の気中で繰り返し載荷し屈曲点応力を求めたところ、この範囲では屈曲点応力に影響しないことがわかった。次に、繰り返し載荷時のひずみ速度については、気乾状態と飽和状態について、0.0036mm/min3.6mm/minであれば、屈曲点応力値と先行応力値の誤差が20%以内におさまることがわかった。それよりも遅い場合には先行載荷応力よりも78割小さい屈曲点応力を得た。

これは、2日以上の載荷となり、岩石が先行載荷の記憶を失いつつあったものと考えられる。上記よりも速い場合には、岩石が載荷途中で破壊してしまったが、これは、載荷装置の制御の限界によるものであり、上限のひずみ速度は明らかにできなかった。いずれにしろ、上記の結果は、限られた条件下においては、接線ヤング率法や類似のコア法の実施にあたって、原位置との温度の差は考慮しなくてよい、また、岩盤応力推定時のひずみ速度は極端に速かったり遅かったりしなければ応力の推定結果に大きく影響するものではない、ということを示しており、コア法の実用化に向けての大きな一歩といえる。
糖尿病合併症における酸化ストレスの関与と食品因子による予防のメカニズムの解析

本研究は、生活習慣病、なかでも、若年層も含めて大きな問題となりつつ糖尿病の合併症で最近特に注目を集めている酸化ストレスの影響について分子レベルでの解明と防御を目的として、まず、酸化ストレス評価法として好中球の過剰発現由来のジチロシンに特異的なモノクローナル抗体、脂質ヒドロペルオキシドによる酸化修飾タンパクやDNAに特異的なモノクローナル抗体の作製に成功した。さらに、明らかな高血糖を呈する2型糖尿病モデルであるAkita mouseの酸化ストレス状態を解析することを目的とし、血液および組織の脂質過酸化やタンパク質の酸化障害を検討した。その結果、脂質過酸化初期反応生成物であるリノール酸13-ヒドロペルオキシドとリジンとの付加体であるNε-(hexanonyl)lysine(HEL)、および、タンパク質の酸化障害のバイオマーカーであるdityrosine(DT)が顕著に増加していることを明らかにした。これらの結果は、高血糖状態が生体内での酸化ストレスを亢進していることを示唆するもので、糖尿病合併症予防の可能性について検討を行う目的で、カレー料理に一般的な香辛料、ターメリックの黄色色素、クルクミンとその生体内代謝物であるテトラヒドロクルクミンの糖尿病合併症予防効果について検討を行った。その結果、オスのSDラット(n=4)に25%ガラクトースを含んだ飼料を与え、同時にクルクミン、テトラヒドロクルクミンは0.2%餌にまぜて摂取させたところ、6週間後に生じた末期的な白内障は顕著に抑制された。そこで、テトラヒドロクルクミンに焦点をあててサルを用いたin vitro糖尿病白内障予防実験を行ったところ、強い抑制効果を見出すことができた。糖尿病の発症と共に血中に排出されると推定されている糖化タンパク質の分解物のメチルグリオキザールに特異的なモノクローナル抗体を作成し、ELISA法を確立することができた。また、糖尿病合併症の発現の原因としての酸化ストレスについて、ミエロぺルオキシダーゼ由来のチロシンの酸化修飾物の生成が糖尿病合併症の重要なバイオマーカーとなりうるとともに、脂質ヒドロぺルオキシドの付加体であるヘキサノイルリジンも重要なマーカーとなりうることを明らかにすることができた。さらに、肥満を伴わない2型糖尿病のモデルである、アキタマウスを用いて、糖尿病進展の過程にどの程度の酸化ストレスが生じるのか、免疫化学的立場からの詳細な検討を行ったところ、生体内メーラード反応最終生成物:Advanced Gly-cation End Products(AGE)と呼ばれる糖化タンパク質や脂質過酸化終期生成物である4-ヒドロキシ-2-ノネナールなどはほとんど差がないにもかかわらず、ジチロシンやヘキサノイルリジンなど、初期の酸化ストレスを認識するモノクローナル抗体で顕著な差を明らかにすることができた。

その結果、オスのSDラット(n=4)に25%ガラクトースを含んだ飼料を与え、同時にクルクミン、テトラヒドロクルクミンは0.2%餌にまぜて摂取させたところ、6週間後に生じた末期的な白内障は顕著に抑制された。そこで、テトラヒドロクルクミンに焦点をあててサルを用いたin vitro糖尿病白内障予防実験を行ったところ、強い抑制効果を見出すことができた。
シリコン酸化薄膜を用いた微細抵抗変化型メモリの研究

本研究では、Siテクノロジーとの親和性に優れたSiOxを用いたReRAMを作成し、ナノメートルスケールの微小素子の基礎特性を明らかにすることと、抵抗変化動作に寄与する導電性パス形成・消失を制御することを目的とした。Niナノドットを電極に活用したナノスケールの素子を作成し、局所領域の抵抗変化特性を調べ、SiOxは素子縮小に対する適合性が高いことを示した。また、積層化による電流制御や、SiOxへの金属ナノドットの埋め込みによる電界集中効果による安定動作を試みた。SiOx膜へのMnやTiナノドットを埋め込みが、ON/OFF抵抗比の向上や動作電圧のばらつき低減に有効であることを明らかにした。シリコン酸化薄膜(SiOx)を抵抗変化誘起層に用いて、Niナノドットを電極として活用したナノスケールのNi/SiOx/Ni MIMダイオードを作成し、局所領域の抵抗変化特性を調べた。また、SiOxに金属ナノドットを埋め込み電界集中効果による低電圧動作化や、SiOxと比誘電率が大きく異なるTiO2の積層による電流制御を試みた。具体的に、SiOx/Ni構造上に電子線ビーム蒸着法により均一な極薄Ni膜を形成し60MHzの高周波電力の誘導結合により励起・生成した高密度水素プラズマに曝すことで、Niナノドットを高密度に一括形成した。プラズマ照射中にNi膜の表面温度の上昇(320oC程度)が実測されることから、表面で原子状水素吸着・再結合が生じ、Ni原子の表面マイグレーション・凝集が促進され、Niナノドットが形成したと解釈できる。プラズマ照射時の圧力と投入電力を調整し、Niナノドットのサイズ分布および密度を制御した。AFM/KFM測定よりドット間が電気的に絶縁分離されていることを確認した試料において、単一のNiナノドット(平均直径:17nm)とAFM用の導電性探針を固定し、さらにAFM測定系と半導体パラメータアナライザを接続することで、電流-電圧測定を行った。初期負バイアス掃引において、フォーミング動作が認められ、その後、印加電圧の極性に依存しない明瞭なユニポーラ型の抵抗変化動作が繰り返し認められた。別途作製したミクロンオーダーのMIMダイオードと特性を比較すると、上部電極サイズが縮小するに従い、OFF電流が徐々に低下しON/OFF抵抗比が増大し、スイッチング回数も増加する傾向があることが明らかになった。本年度は、酸素との反応性が高く複数の結合状態が存在し、その酸化物も抵抗変化層として機能することから、導電パスの消失が促進されることや酸素空孔の生成・消滅の起点となることに期待して、MnナノドットおよびMn極薄層をSiOx膜に埋め込み、抵抗変化特性に及ぼす影響を調べた。下地基板上に、電子線蒸着によりNi下部電極、SiOx、Mn極薄層を順に積層した。続いて、外部非加熱でリモート水素プラズマ処理を行い、面密度が11乗以上のMnナノドットを一括形成した。その後、抵抗変化誘起層としてSiOx (x=1.8)とNi上部電極を形成した。また、比較として、Mn層およびMnナノドット形成プロセスを省略した試料も同時作製した。ダイオードの電流-電圧特性より抵抗変化特性を評価した。Mn薄膜およびMnナノドットの有無に依らず、SETおよびRESET動作後に電流レベルが繰り返しスイッチし、印加電圧の極性に依存しないユニポーラ型の抵抗変化動作が認められた。Mn薄膜およびMnナノドットを埋め込むことで初期電流レベルが大幅に低減し、スイッチング中のON/OFF抵抗比も向上した。XPS分析より、埋め込んだMnの一部が酸化状態であることを確認しており、SiOxだけでなくMnOxも抵抗変化を誘起している可能性が高い。特に、Mnナノドットを埋め込むことでSET電圧とRESET電圧の分布が明瞭に分離し、1.5V以下で安定動作する。さらに、Mnナノドットの埋め込みによる特性改善に注目し、Mnナノドットの平均高さが6nmでほぼ同等で面密度が異なる試料を作成した。Mnナノドットの高密度化に伴いON/OFF抵抗比は増大し、面密度が4.7e11cm-2では約3桁となる。この結果は、ナノドットの高密度化による微細導電性パスの増加に加え、電界集中によるパス形成の高品位化が示唆される。絶縁膜技術・半導体デバイス申請書に提案した金属ナノドットを電極に活用した微小なMIMダイオードを作成しサイズ縮小に伴い顕在化する抵抗変化現象を調べるという初年度の第一の目的は達成することができ、おおよそ順調に研究は進んでいる。当初計画では、Ti系の金属ナノドットを電極に用いる予定であったが、実験を進めるに伴いTi薄膜へのリモート水素プラズマ処理ではナノドット形成が難しいと判断された。

そこで、一部材料を変更するため、第4周期遷移金属に対してドット形成可能か系統的に評価を行い、ナノドット形成が確認できた材料の中でも、比較的Si-ULSIと親和性のあるNiを選択し研究を進めた。今後は、ナノ構造体・界面の局所電子状態を制御し、ナノサイズのダイオードに有効な低消費電力化・多値メモリ化などの特性向上に向けた材料・デバイス設計指針を構築することを目指す。一つの方法として以下のアプローチ考えている。電気抵抗変化は絶縁破壊に類似した現象であり、熱酸化やCVDで形成したSiO2の絶縁破壊が電界で一定であることや、上部・下部電極間に形成される導電性パスの開閉に起因していることを参考にすると、SiOx抵抗変化層への欠陥(酸素欠損)導入もしくは膜厚の薄膜化により低電圧で電気抵抗変化が可能となると考えられる。そこで、薄膜化しつつSiOx中の酸素欠損の形成を促進するために、SiとOの結合よりも結合力の高いNおよびFの微量添加を試みる。このとき、薄膜化や欠陥導入に伴うOFF電流増大を抑制し抵抗変化層へ効率的に電圧を印加するために、SiOxよりもが比誘電率が20倍程度大きくかつEgの小さいTiO2を電流制御層として電極/SiOx界面に挿入する。ミクロンオーダーの素子においては、TiO2を積層することで電流制御できることは確認しており、素子縮小した場合におけるその有効性を検証する。電極/抵抗変化誘起層界面近傍の化学構造の詳細分析を行うと伴に、電極/導電性パス間でのキャリア輸送等を調べ、低電圧・低電流動作や多値化などの性能向上に向け、界面近傍での化学反応・電子状態を制御することを試みる。さらに、X線光電子分光(XPS)により、金属ナノドットの仕事関数、金属ナノドット/SiOx/TiN構造のエネルギーバンド構造を評価し、伝導メカニズムを議論する。ナノスケールまで素子微細化しても、高精度に制御可能な多値値メモリを作成する。
骨盤底筋群運動異常の病態解明と細菌毒・刺激電極を用いた治療法の確立

本研究は,加齢に伴う神経障害に起因する肛門括約筋機能低下や,恥骨直腸筋の異常収縮などの骨盤底筋群運動異常に対して,局所の解剖学的な構造を破壊することなく,比較的容易に行える低侵襲治療の方法を確立し,その治療装置を開発する目的で行った.神経障害に起因する機能不全に対しては,神経原性肛門括約筋機能不全犬モデルを作成して電気刺激の有用性と意義を確認し,具体的な電気刺激の方法論を確立して臨床応用の可能性を検討した.骨盤底筋群異常収縮に対しては,精製ボツリヌス菌毒を用いた局所治療の可能性を検討した.対象となる骨盤底筋群運動異常の病態診断法として,他覚的評価ができる動態撮影が有用と考え,排便機能造影装置を試作して,その有用性を確認すると同時に,コンピューターによる自動解析装置開発の可能性を検討した.陰部神経挫滅後の肛門管静止圧は術前と比較して2週間後56.8%,4週間で68.2%,6週後69.6%,8週後には70.2%と統計上有意な低下(P<0.005)が確認できた.この実験モデルを用いて術後6週と8週の神経障害モデル犬に陰部神経中枢側の電気刺激を行って肛門管内圧の変化を確認後,ネオスチグミン投与による排泄の状態を排便機能造影で観察した.肛門管静止圧は,刺激前に比較して1.4倍まで上昇した.これは陰部神経障害前の肛門管静止圧絶対値の90%以上に相当する値であり,排便機能造影で生理機能的にも失禁の改善が確認できた.骨盤底筋群過剰収縮モデルに対する精製ボツリヌス菌毒による治療実験では,期待した結果が得られなかった.可変式放射線遮蔽装置を試作して直腸,骨盤底筋群の動態をコンピューターで定量認識できるようになった.今後は臨床応用に向けて,直腸,骨盤底筋群の動態を自動解析評価して対象となる病態を選別し,体表より神経刺激できる装置の開発に研究を発展させたい.本研究は,加齢に伴う神経障害に起因する肛門括約筋機能低下や,恥骨直腸筋の異常収縮などの骨盤底筋群運動異常に対して,局所の解剖学的な構造を破壊することなく,比較的容易に行える低侵襲治療の方法を確立し,その治療装置を開発する目的で行った.神経障害に起因する機能不全に対しては,神経原性肛門括約筋機能不全犬モデルを作成して電気刺激の有用性と意義を確認し,具体的な電気刺激の方法論を確立して臨床応用の可能性を検討した.骨盤底筋群異常収縮に対しては,精製ボツリヌス菌毒を用いた局所治療の可能性を検討した.対象となる骨盤底筋群運動異常の病態診断法として,他覚的評価ができる動態撮影が有用と考え,排便機能造影装置を試作して,その有用性を確認すると同時に,コンピューターによる自動解析装置開発の可能性を検討した.陰部神経挫滅後の肛門管静止圧は術前と比較して2週間後56.8%,4週間で68.2%,6週後69.6%,8週後には70.2%と統計上有意な低下(P<0.005)が確認できた.この実験モデルを用いて術後6週と8週の神経障害モデル犬に陰部神経中枢側の電気刺激を行って肛門管内圧の変化を確認後,ネオスチグミン投与による排泄の状態を排便機能造影で観察した.肛門管静止圧は,刺激前に比較して1.4倍まで上昇した.これは陰部神経障害前の肛門管静止圧絶対値の90%以上に相当する値であり,排便機能造影で生理機能的にも失禁の改善が確認できた.骨盤底筋群過剰収縮モデルに対する精製ボツリヌス菌毒による治療実験では,期待した結果が得られなかった.可変式放射線遮蔽装置を試作して直腸,骨盤底筋群の動態をコンピューターで定量認識できるようになった.今後は臨床応用に向けて,直腸,骨盤底筋群の動態を自動解析評価して対象となる病態を選別し,体表より神経刺激できる装置の開発に研究を発展させたい.現有放射線透視撮影装置に装着可能な排便機能造影専用便座を試作し,強度試験等を行いながら臨床使用可能な改良型検査装置を完成した.これを用いてボランティアを含めて正常骨盤底筋群が機能する成人20例の直腸肛門角,排便時の直腸肛門筋群の運動をビデオ撮影し,同時にレントゲン撮影を行って,すでに録画済みの米国人排便機能造影症例とコンピューター画像解析を行って直腸肛門角の経時的変化,排便時の恥骨直腸筋の動態,肛門挙筋の運動状態および肛門括約筋の開閉に至る経緯を比較検討した.いずれの検討においても本邦と米国における各種計測値の間に有意差は認められず,排便時における骨盤底筋群の運動に人種差はないことが確認できた.検査装置は現在,放射線透過度を可変式として,さらに詳細な評価が行える装置へ改良しつつある.機能異常を有する症例は,現在すでに約40例の録画が行われ,その約半数は感覚検査,内圧測定等,既存の検査による結果と比較検討中であり,骨盤神経機能評価および神経刺激の対象となりえる症例の選抜を行いつつある.今後1年間にて総計約150と予測され,このうち局所電気刺激治療の対象例は約15-30%と予想される.ボツリヌス菌毒はすでに精製が行われ,雑種成犬尾筋に局所注入試験を開始した.現在100-500pg/kgにて局所の筋弛緩が得られ,全身的な影響が少ないことは確認できたが,再現性が乏しく,安全域および投与方法の確立には至っていないため,組織学的,電気生理学的実験は開始していない.

平成12年度研究成果全身麻酔下に雑種成犬5頭を用いて,精製ボツリヌス菌毒500pg/kgを尾筋に局所注入投与し,投与前後における尾筋の生検組織,直腸肛門内圧および筋電図測定を比較検討した.投与前後での生検では組織学的な変化を認めなかったが,内圧は50-80%下がり,全身麻酔覚醒後も6時間から24時間の便失禁があった.しかし同じ個体への複数回投与において,内圧下降程度に差があるのみならず,全く効果が認められない場合があり,その効果発現に未知の要因が関与する可能性が疑われた.筋電図では,散発的な基礎収縮波の低下が認められたものの,複数回投与で筋電図波形が異なり,再現性が認められなかった.精製ボツリヌス菌毒局所投与が全身状態へ及ぼす影響は,心電図,完結的動脈圧測定,直腸内体温測定および前肢の電気刺激に対する筋収縮反応を観察したが,投与前後で変化を認めず,精製ボツリヌス菌毒500pg/kg量は全身的には影響しないと判断した.平成11年度に試作した排便機能造影専用便座に可変式放射線透過度調整装置を装着し,現時点で70例の録画が集積されている.この検査における骨盤底筋群運動異常の所見を直腸肛門内圧測定および筋電図評価と比較した場合,一部において便意発現閾値および直腸最大耐用量と関係があるものの,独立した骨盤底筋群の動態指標と考えられた.また臨床症状との相関性が確認でき,外科的治療の適応判断に有用なため,すでに臨床応用を開始した.初回検査で手術適応外と判断した6例および保存的治療を希望した1例に対してバイオフィードバック治療を行い,内4例は改善したために外科的治療が行われた.したがって,現状では臨床的な骨盤底筋群電気刺激治療の候補者は3名となった.しかし当初,本研究計画時に使用を予定していた人体内に使用可能な刺激電極が製造販売中止となり,現在代用できる電気刺激装置を検討している.平成12年度に行った雑種成犬尾筋への精製ボツリヌス菌毒局所注入で再現性が得られなかったため,ボツリヌス菌毒を変更すると同時に適切な投与法と評価法を再検討した.本邦でも市販A型ボツリヌス菌毒(製品名:ボトックス)が入手可能となり,安定した製剤が使用可能になったので,これを用いてまず30単局所注入で尾筋の近位,および遠位における筋電図を計測し,注入部位によって筋弛緩が異なることが確認できた.注入毒素を50単位に増量すると同時に,近位および遠位の2点注入法に変更することで,尾筋全体の筋弛緩が得られた.また腸管運動との関連が未確認のために,次年度に排便機能造影を雑種成犬に応用するための予備実験を行った.排便機能造影に用いる粘性バリウムを犬腸管内に注入し,ネオスチグミンを投与,X線透視下にてその動態を観察すると同時にビデオ撮影し,正常時の尾筋動作を確認記録した.平成14年度には,植え込み電極を装着して筋電図を測定し,時間的変化と生検による組織学的変化を検討する.平成12年度に試行した排便機能造影は,水溶液を用いた可変式放射線透過度調整装置を用いて一定の透視画像が得られたが,装置の小型化が難しいために固形物質を用いた装置の開発を試みている.排便機能動態撮影自体はすでに臨床的使用を開始し,バイオフィードバック治療にて改善しない骨盤底筋群治療の侯補者は4名となった.しかし当初予定していた神経刺激電極装置が現状では入手困難であり,臨床的応用に関しては当初予定していた研究の継続が困難な状況にあり,次年度は雑種成犬を用いた研究に計画を変更し,研究を継続する.平成12年度から平成13年度に行った雑種成犬尾筋への精製ボツリヌス菌毒局所注入実験を延長し,A型ボツリヌス菌毒(製品名:ボトックス)を尾筋の近位,および遠位に各50単位を2点注入して液状および粘性バリウムを用いた排便機能造影を行った.
マイクロメカニクスに基づいた逆解析に関する基礎的研究

本研究では,地下構造物表面の計測結果から,非弾性挙動する岩盤内部の様子を探る逆解析手法についての基礎的な検討を行った.マイクロメカニクスの分野では,不均質材料を取り扱うのに有効な手法として,アイゲンひずみを用いた等価介在物法がよく知られている.この手法によれば,逆解析における未知数を大幅に減少でき,また本来は非線形である問題を線形化して取り扱うことが可能となる.本研究ではこの手法を適用し,アイゲンひずみを有する均質な弾性材料として岩盤をモデル化した.この場合,アイゲンひずみが未知数となり,解析結果と計測結果の差が最小になるようにアイゲンひずみ分布を求めることになる.しかしながら,この問題自体は一般に適切性の要件に欠け,解の唯一性が保証されない.そのため,非線形挙動が生じるメカニズムを解析に取り入れることを考え,その理論的枠組みを構築し,定式化を行った.具体的には,非線形挙動が生じる条件をペナルティ法で取り込むこととした.さらに,事前情報として確率特性が与えられた場合を想定して,ベイズ推定を適用した逆解析法について提案を行った.そこでは,アイゲンひずみを未知数にとった場合,誘導される基礎方程式がベイズ推定の適用にひじょうに適していることを明らかにしている.またこの研究の一環として,等価介在物を適用した.計算効率のよい弾塑性解析法の開発を行い,計算時間を大幅に減少するアルゴリズムを構築できた.本研究では,地下構造物表面の計測結果から,非弾性挙動する岩盤内部の様子を探る逆解析手法についての基礎的な検討を行った.マイクロメカニクスの分野では,不均質材料を取り扱うのに有効な手法として,アイゲンひずみを用いた等価介在物法がよく知られている.この手法によれば,逆解析における未知数を大幅に減少でき,また本来は非線形である問題を線形化して取り扱うことが可能となる.本研究ではこの手法を適用し,アイゲンひずみを有する均質な弾性材料として岩盤をモデル化した.この場合,アイゲンひずみが未知数となり,解析結果と計測結果の差が最小になるようにアイゲンひずみ分布を求めることになる.しかしながら,この問題自体は一般に適切性の要件に欠け,解の唯一性が保証されない.そのため,非線形挙動が生じるメカニズムを解析に取り入れることを考え,その理論的枠組みを構築し,定式化を行った.具体的には,非線形挙動が生じる条件をペナルティ法で取り込むこととした.さらに,事前情報として確率特性が与えられた場合を想定して,ベイズ推定を適用した逆解析法について提案を行った.そこでは,アイゲンひずみを未知数にとった場合,誘導される基礎方程式がベイズ推定の適用にひじょうに適していることを明らかにしている.またこの研究の一環として,等価介在物を適用した.計算効率のよい弾塑性解析法の開発を行い,計算時間を大幅に減少するアルゴリズムを構築できた.
頂点作用素代数を用いたMckay observationの解明

モンスター単純群に現れるE_8型Dynkin図形の数学的意義をムーンシャイン頂点作用素代数の対称性に求めるこれまでの研究によって、軌道体構成法による正則な頂点作用素代数の変形理論、特にムーンシャイン頂点作用素代数とLeech格子頂点作用素代数におけるZ2-軌道体構成法との関連が重要であることが分かってきた。この問題はムーンシャイン頂点作用素代数の一意性問題と深い関わりがある。一般に軌道体構成法によって得られる正則な頂点作用素代数がムーンシャイン頂点作用素代数と同型であること示すのは非常に困難であるため、逆の発想としてムーンシャイン頂点作用素代数にZ2-軌道体を施し、得られた頂点作用素代数とLeech格子頂点作用素代数との関連を調べることにした。この軌道体構成法を行うにはまずムーンシャイン頂点作用素代数の自己同型及びその不動点代数を具体的に定める必要があるが、ムーンシャイン頂点作用素代数のイジング枠構造に注目し、ムーンシャイン頂点作用素代数に限らない一般の枠付き頂点作用素代数の構造を詳しく調べ、その枠固定自己同型を二元線形符号だけで記述できるという結果を得て、C.H.Lam氏との共著論文として発表した。この結果は無限次元代数である頂点作用素代数の自己同型を有限な対象である二元線形符号だけで記述できる、頂点作用素代数の対称性を調べる上で非常に興味深い結果と思われる。また、前述の論文では全ての枠付き頂点作用素代数はその二元符号頂点作用素部分代数の単純カレント拡大を成していることも解き明かした。この結果より、任意の枠付き頂点作用素代数はイジング枠から出発して高々2回の単純カレント拡大を行うことで得られることが分かり、正則枠付き頂点作用素代数の分類をほぼ構造符号と呼ばれる二元線形符号の分類問題に帰着することができる。特に中心電荷24の場合には、計算量の問題から構造符号の分類は未だ成されていないが、前述の論文で得られた結果を応用することによって、枠付き頂点作用素代数であって、そのウェイト1の部分空間が自明であるものはムーンシャイン頂点作用素代数に限るという、ムーンシャイン頂点作用素代数の一意性予想の類似結果を得ることができた。この結果はC.H.Lam氏との共著論文としてIMRNに掲載される予定である。この論文における主なアイデアは仮定条件を満たす枠付き頂点作用素代数からLeech格子頂点作用素代数をZ2-軌道体構成法で作り出すことであり、ムーンシャイン頂点作用素代数の一意性予想の解決に貢献している。本研究の目標はモンスター単純群の2AインボリューションとE8型Dynkin図形の間のMcKay observationを項点作用素代数を用いて解き明かすことである。モンスターの2Aインボリューションとムーンシャイン頂点作用素代数における中心電荷1/2の有理型共形元の間には一対一対応があるため、McKayobservationに挑むにあたってはまず中心電荷1/2の有理型共形元を調べることが重要と考えられる。そこで、√2E8型格子に付随した格子頂点作用素代数を考えた場合、中心電荷1/2の有理型共形元がE8型ルート系を用いて自然に構成できる点に注目し、この共形元の性質を調べた。その結果、√2E8型格子に付随した格子頂点作用素代数において二つの共形元が生成する部分代数はウェイト1の部分空間を持たず、それゆえそのウェイト2の部分空間にはいわゆるGriess代数の構造が入ることが分かった。今回の研究で得られたGriess代数はムーンシャイン頂点作用素代数に付随するGriess代数の部分代数になっていることも示した。これはモンスターの2AインボリューションとE8型Dynkin図形の関係が確かなものであることを強く示唆する結果である。この研究を通じて、√2E8型格子に付随する格子頂点作用素代数の持つ対称性とムーンシャイン頂点作用素代数の持つ対称性との間に明確な関係があることを明らかにできた。ここまでに得られた結果はMcKayobservationを解明する上で最初のステップになることを期待しており、Transactions of the AMSに論文で発表した。McKayobservationには他にも興味深い問題があり、その一つにモンスターの2つの2Aインボリューションの中心化群に関する考察があげられる。この問題に関して、頂点作用素代数の対応物であると期待される√2E8型格子に付随する頂点作用素代数の交換団部分代数を調べ、その自己同型群を決定した。この研究も引き続き行い、McKayobservationとの関連を明確にし、いずれ論文にて発表する予定である。McKayによって発見された、モンスター散在型有限単純群に現れるE8型Dynkin図形の数学的意味を探るべく、モンスター単純群をその全自己同型群に持つムーンシャイン頂点作用素代数と√2E8型格子に付随する頂点作用素代数に含まれる中心電気1/2のヴイラソロベクトル(イジング元)との関連について研究をした。その結果、求める自己同型群を引き起こす部分頂点作用素代数を決定することができ、その構造論及び表現論を詳しく調べた。この研究成果はInternational Mathematics Research Papersにて発表した。また、前述したMcKay observationの一般化にあたる、モンスター単純群に関するGlauberman Norton observationの解明を目指す研究にも着手し、対応が予測されるWeyl群(の半分)を自己同型に持つルート系に付随する頂点作用素代数を調べ、そのイジング元の分類を行った。この研究は頂点作用素代数の持つ対称性として実現される3-互換群に関する研究にも関連している。この研究で得られた結果はMathematische Zeitschriftにて掲載されることが決まっている。今後はMcKayobservationの解明の最終ステップとなる、ムーンシャイン頂点作用素代数のZp-軌道体構成法の理論の確立とGlauberman-Norton observationの解明の鍵となるσ-型宮本

対合のτ型へのリフトについて、総合的に研究を続けるつもりである。Zp-軌道体構成法の研究と関連して、ムーンシャイン頂点作用素代数を含む頂点作用素代数のクラスである枠付き頂点作用素代数の枠安定自己同型群についても研究を進めており、単純カレント拡大の重要性を見出す結果を現在までに得ている。この研究成果は近々論文にまとめ、発表する予定である。モンスター単純群に現れるE_8型Dynkin図形の数学的意義をムーンシャイン頂点作用素代数の対称性に求めるこれまでの研究によって、軌道体構成法による正則な頂点作用素代数の変形理論、特にムーンシャイン頂点作用素代数とLeech格子頂点作用素代数におけるZ2-軌道体構成法との関連が重要であることが分かってきた。この問題はムーンシャイン頂点作用素代数の一意性問題と深い関わりがある。一般に軌道体構成法によって得られる正則な頂点作用素代数がムーンシャイン頂点作用素代数と同型であること示すのは非常に困難であるため、逆の発想としてムーンシャイン頂点作用素代数にZ2-軌道体を施し、得られた頂点作用素代数とLeech格子頂点作用素代数との関連を調べることにした。この軌道体構成法を行うにはまずムーンシャイン頂点作用素代数の自己同型及びその不動点代数を具体的に定める必要があるが、ムーンシャイン頂点作用素代数のイジング枠構造に注目し、ムーンシャイン頂点作用素代数に限らない一般の枠付き頂点作用素代数の構造を詳しく調べ、その枠固定自己同型を二元線形符号だけで記述できるという結果を得て、C.H.Lam氏との共著論文として発表した。この結果は無限次元代数である頂点作用素代数の自己同型を有限な対象である二元線形符号だけで記述できる、頂点作用素代数の対称性を調べる上で非常に興味深い結果と思われる。また、前述の論文では全ての枠付き頂点作用素代数はその二元符号頂点作用素部分代数の単純カレント拡大を成していることも解き明かした。この結果より、任意の枠付き頂点作用素代数はイジング枠から出発して高々2回の単純カレント拡大を行うことで得られることが分かり、正則枠付き頂点作用素代数の分類をほぼ構造符号と呼ばれる二元線形符号の分類問題に帰着することができる。特に中心電荷24の場合には、計算量の問題から構造符号の分類は未だ成されていないが、前述の論文で得られた結果を応用することによって、枠付き頂点作用素代数であって、そのウェイト1の部分空間が自明であるものはムーンシャイン頂点作用素代数に限るという、ムーンシャイン頂点作用素代数の一意性予想の類似結果を得ることができた。
骨リモデリングを調節するコンドロイチン硫酸種の同定と機能の解析・骨量の制御

CSが破骨細胞の分化と機能に与える影響とその機構を解析した。検索したCS種のうちCS-E処理群では破骨細胞への分化が強く抑制され、骨吸収部位の面積も陽性対照と比較して有意に減少した。CSと破骨細胞分化関連因子との結合性を解析すると、CSは破骨細胞分化に必須な因子であるRANKLと結合したが、その受容体のRANKや破骨細胞の生存に必要なM-CSFとは結合しなかった。またRANKシグナル伝達がCS添加で抑制されていた。これらのことからCSはRANKLと結合してRANK-RANKL複合体の形成を阻害し、RANKシグナルの活性化を抑制することで破骨細胞の分化を調節し、骨吸収活性を抑制したと結論した。破骨細胞の分化は、骨芽細胞に由来するRANKLと、破骨細胞前駆細胞の細胞膜上受容体のRANKとが結合することによって誘導される。また、RANKLはRANKと結合することによって分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ(MAPK)を活性化する。さらに破骨細胞前駆細胞の生存にはマクロファージコロニー刺激因子(M-CSF)が必要とされている。実験初年度では、破骨細胞分化抑制活性が最も強いコンドロイチン硫酸(CS)はCS-Eであることを明らかにした(CS-A, B, C, DおよびE間での比較)。この結果を受けて、実験2年度目は破骨細胞分化関連因子(RANK、RANKLおよびM-CSF)にCS-Eが作用し、破骨細胞分化を抑制していると考え、CS-Eの結合能を水晶発振子マイクロバランス法を用いて解析した。測定の結果、CS-EとRANKLとの結合が認められた。また、RANKLよりは弱いもののCS-EとRANKとの結合も認められた。しかし、CS-EとM-CSFとの結合は確認できなかった。これらから、CS-EはRANKあるいはRANKLと結合して、RANK-RANKL結合を阻害することで破骨細胞分化を抑制していると考えられた。また、破骨前駆細胞と蛍光標識CS-Eを反応させたところ、同細胞の表面が標識された。このことは、CS-Eが破骨前駆細胞表面に分布・存在する因子(RANKと推測)と結合していることを示唆する。昨年度の実験では破骨細胞数はCS-E添加によって減少した。しかし、今年度の実験ではCS-EとM-CSFとの結合は確認できなかった。よって、CS-EはM-CSFの機能(破骨細胞前駆細胞の生存)を阻害しないと考えた。実験最終年度は、CSの生体内での機能を確認するために骨粗鬆症マウスを実験的に作成した後にCSを投与し骨組織に惹起される反応を検索した。卵巣摘出および低カルシウムの餌を与えることで骨粗鬆症マウス(OVX)を作成した。OVX処置後一部のマウスにはCS(5mg/kg)を7日ごとに腹腔内に投与し、9週間後に血清および大腿骨を採取した。血清はELISA測定に、骨は形態計測に用いた。血清中のI型コラーゲン架橋Nテロペプチド(NTx;破骨細胞の活性マーカー)の値はOVX群では高い値を示し、また、RANKLも有意に高い値を示した。形態学的にも骨梁の面積はOVX群では有意に低い値を示していた。一方、OVXマウスにCSを投与すると(OVX/CS群)、NTxおよびRANKLの値はともにOVX群と比較して低値を示すようになり、また、OVX/CS群の骨梁の面積はSham群とほぼ同値まで回復した。一方で、骨芽細胞の機能を反映するオステオカルシンやALPの値は、OVXの処置、無処置にかかわらず、CS投与によって上昇したことから、CSは骨芽細胞に作用してこれら因子の産生機能を亢進させていると考えられた。以上よりCSは骨芽細胞の骨形成能を亢進させ、その一方で、破骨細胞の骨分解能を抑制する因子であることが明らかになった。これらから骨粗鬆症の予防や治療にCSが利用できる可能性が示された。実験初年度は、破骨細胞の分化への関与が濃厚と考えられるコンドロイチン硫酸(CS)種を選定し、その存在下で破骨細胞に分化誘導し、得られた細胞の応答と性状を比較解析し、破骨細胞への分化を強力に抑制する糖鎖(CS)を決定するとともに、分化誘導した細胞の性状を解析した。CS-A,B,C,DおよびEの存在下で破骨細胞前駆細胞であるRAW264細胞を破骨細胞に分化誘導したところ、CS-Eを加えた細胞は破骨細胞への分化(多核かつ酒石酸耐性酸性フォスファターゼ:TRAP陽性を指標)が有意に抑制されていた。また、同時に行ったpitアッセイでは形成されるハウシップ窩数はおよび面積が低値を示した。

CS-Eが破骨細胞へ分化を強力に抑制することが明らかになった。一方、CS-0(硫酸基修飾がないCS鎖)の存在下で破骨細胞への分化誘導を試みたところ、誘導した細胞は多核でTRAP陽性のものが多数あったが、ハウシップ窩の形成は有意に抑制されていた。したがってCS-0は破骨細胞の形態的な分化には影響しないが、機能的な分化、すなわち骨吸収機能の発現は抑制する因子であると考えられた。申請書に記載した内容におおむね添って実験を行い、CS-EとRANK、または、RANKLと結合することで、破骨細胞の分化を抑制している可能性を明らかにできたため。申請書に記載した内容におおむね添って実験を行い、CS-Eが破骨細胞の分化の抑制活性を具備していることを解明できたため。CS-Eを間葉系幹細胞に作用させ、骨芽細胞に分化させる。骨芽細胞が発現・産生する破骨細胞分化関連因子の発現動態をマイクロアレイで網羅的に解析し、CS-Eが骨芽細胞の分化および機能発現に及ぼす影響を解明する。さらに、CS-Eによって誘導される骨芽細胞活性の亢進と破骨細胞の分化抑制作用を応用して骨増量を試みる。すなわち、骨粗鬆症モデル動物を作成し、動物体内にCS-E担体を注入し骨でCS-Eが惹起する反応を検証する。CS-EおよびCS-0を間葉系幹細胞に作用させ、骨芽細胞に分化させる。骨芽細胞が発現・産生する破骨細胞分化関連因子の発現動態をマイクロアレイで網羅的に解析し、CSが骨芽細胞の分化および機能発現に及ぼす影響を解明する。マイクロアレイ解析に不具合が生じた場合は、CSの影響が今まで解明されていない主要因子にターゲットを絞り、産生・分布の変動を解析することで解明する。加えて、破骨細胞分化に関連するリガンドや受容体、基質とCS-EおよびCS-0との結合能を解析しこれらCSの破骨細胞分化での作用部位を明らかにする予定である。さらには、CSによって誘導される骨芽細胞活性の亢進と破骨細胞の分化抑制作用を応用して、骨増量を試みる。骨粗鬆症モデル動物を作成し、動物体内にCS含有ミクロスフェアを注入し、骨中でCSが惹起する反応を検証する。該当なし消耗品費は、骨芽細胞分化を解析する試薬(抗体やELISAキット)、細胞培養の関連器具、糖鎖結合アッセイのための試薬、論文別刷り等の購入に充てる予定である。旅費は、本研究で得られた研究成果の発表および最新知見の収集のために国内学術集会への参加を予定している。また、研究成果を学会誌に投稿するための費用も計上している。
西部亜寒帯海域における海洋渦についての研究

本研究では、北太平洋西部亜寒帯海域における渦の構造・変動の実態を明らかにするとともに、その機構をモデルを用いて考察した。海洋観測から、千島列島ウルップ海峡の南方のほぼ同じ位置に、毎年夏季に時計回りの高気圧性渦流が観測された。この高気圧性渦は、低温の核を持つが、低塩分のために中心付近が低密度となり、高気圧性の渦となっていた。また渦核は密度26.8を中心に低渦位となっていた。これらの水塊構造は、この渦がオホーツク海から流出した水塊によって形成されていることを示していた。一方、人工衛星海面高度計資料を丹念に調べた結果、この高気圧性渦は、ウルップ海峡南方で局所的に形成される場合と、日本付近に存在した黒潮系暖水塊がウルップ海峡付近まで移動し、そこでオホーツク海水の供給を受けて強化されるという、2つの形成過程があることが明らかとなった。渦の強化はいずれの場合でも夏季から秋季に生じており、冬季から春季には渦は北東方向に移動しながら減衰した。この年変動は亜寒帯循環の年変動と良く対応していた。これら渦の形成・強化、移動を説明しうる、理論モデルを開発した。黒潮暖水塊、および、千島渦の千島カムチャッカ海溝最深部に沿った北東方向への移動は、移動経路の深層流が北東向きであることに起因する疑似β効果による可能性を始めて指摘した。ウルップ海峡南での高気圧性渦の形成・強化については、海峡から流出する低渦位水による渦形成理論を適用し、オホーツク海からの流出がある閾値を越えると渦が形成される、ということを明らかにした。この閾値は、本研究からも明らかにされた西部亜寒帯循環の年変動に対応して増減し、西部亜寒帯循環が弱まる夏季から秋季に閾値が減少し、渦が形成され、西部亜寒帯循環が強化される冬から春季にかけて閾値が増加し、渦の強化が終わり減衰するという、観測結果を良く説明する理論を提案することができた。この理論から得られる閾値は、北太平洋中層水の形成に必要とされる親潮流量3-7Svと非常によい対応(4-6Sv)を示した。西部阿寒帯海域は北太平洋中層水の形成場所の候補として挙げられ、気候変動を引き起こす海域と考えられるが、ロシタ200海里内であり海洋観測資料がなく海洋に関する理解が遅れている。本年度は北太平洋西部亜寒帯循環域における渦の挙動と海洋構造を捉えるため、海洋観測データを収集・解析を行った。夏季に7県水産試験場によって行われる、サンマの資源・漁場調査における海洋観測資料を基に、次のようなことが明らかとなった。(1)毎年夏季にウルップ海峡付近に大きな時計回りの渦が存在すること、(2)この渦の中心は、低温低塩分低渦位となっており、(3)オホーツク起源の水の影響を強く受けている。

さらに、人工衛星海面高度計資料により渦の変動過程を追跡した結果、ウルップ海峡付近の渦の形成は、(4)オホーツク海からの流出水が海峡付近にとどまって形成される場合と、(5)黒潮から切離された暖水塊が変質しながら北上し、ウルップ海峡付近でオホーツク海からの流出水の影響を受けて強化される、という2つの場合があることが明らかとなった。本研究では、北太平洋西部亜寒帯海域における渦の構造・変動の実態を明らかにするとともに、その機構をモデルを用いて考察した。海洋観測から、千島列島ウルップ海峡の南方のほぼ同じ位置に、毎年夏季に時計回りの高気圧性渦流が観測された。この高気圧性渦は、低温の核を持つが、低塩分のために中心付近が低密度となり、高気圧性の渦となっていた。また渦核は密度26.8を中心に低渦位となっていた。これらの水塊構造は、この渦がオホーツク海から流出した水塊によって形成されていることを示していた。一方、人工衛星海面高度計資料を丹念に調べた結果、この高気圧性渦は、ウルップ海峡南方で局所的に形成される場合と、日本付近に存在した黒潮系暖氷塊がウルップ海峡付近まで移動し、そこでオホーツク海水の供給を受けて強化されるという、2つの形成過程があることが明らかとなった。渦の強化はいずれの場合でも夏季から秋季に生じており、冬季から春季には渦は北東方向に移動しながら減衰した。この年変動は亜寒帯循環の年変動と良く対応していた。これら渦の形成・強化、移動を説明しうる、理論モデルを開発した。黒潮暖水塊、および、千島渦の千島カムチャッカ海溝最深部に沿った北東方向への移動は、移動経路の深層流が北東向きであることに起因する疑似β効果による可能性を始めて指摘した。ウルップ海峡南での高気圧性渦の形成・強化については、海峡から流出する低渦位水による渦形成理論を適用し、オホーツク海からの流出がある閾値を越えると渦が形成される、ということを明らかにした。この閾値は、本研究からも明らかにされた西部亜寒帯循環の年変動に対応して増減し、西部亜寒帯循環が弱まる夏季から秋季に閾値が減少し、渦が形成され、西部亜寒帯循環が強化される冬から春季にかけて閾値が増加し、渦の強化が終わり減衰するという、観測結果を良く説明する理論を提案することができた。この理論から得られる閾値は、北太平洋中層水の形成に必要とされる親潮流量3-7Svと非常によい対応(4-6Sv)を示した。
水同位体比データ同化システムを用いた大気・陸面水循環過程の詳細解明

水田に、本研究で開発した水蒸気安定同位体比連続計測システムおよび自動降水サンプラーを導入し、水蒸気や降水、水田湛水等の同位体比の高頻度連続観測を3年間にわたって行った。その結果に基づき、蒸発散・蒸散・蒸発の同位体比をそれぞれ求め、水田上での蒸散寄与率を導いたところ、葉面積指数と蒸散寄与率に良い相関があることを発見した。これまでの研究報告では、20%から90%と非常に大きな不確実性を示していた、全球陸域の蒸発散量に対する植生からの蒸散量の寄与について、これまでに出版された60以上の観測に基づく論文を精査し、葉面積指数との関係性を導いた上で、57%±7%であると定量化できた。また、申請者が分担者の金とともに2013年6月より行っているつくば市真瀬の試験水田での水蒸気同位体比観測を継続した。降水や土壌水分の同位体比分析を行うための新たなレーザー分光分析計(L2120-i)を導入した。世界で初めての水田上での年間を通した水蒸気同位体比観測を行い、蒸発散フラックスの成分分離を試みたところ、LAI(葉面積指数)の増加と共に蒸散寄与率FTが上昇するが、その上昇率はLAIが低い時により大きいことが分かった(FT=0.67*LAI**0.25)。この研究成果はWater Resources Research誌に投稿し、現在改訂中である(Wei et al., submitted)。また、本研究の応用として、アフリカ西部ニアメで観測された水蒸気同位体比の時間変化について、モデルシミュレーションを行い、季節進行に伴った同位体比の変動がENSOの影響でパターンが変化することを発見した。このことは、この特徴を用いることでニアメ付近のプロキシーデータからENSO記録を復元できる可能性があることを示唆している。この研究は、Atmospheric Chemistry and Physics誌に掲載された(Okazaki et al., 2015)。「気候学・気象学及び水文学における水の安定同位体:レビュー」というタイトルの総説論文を発表した(原文は英語;Yoshimura, 2015)。これは、本基盤研究を含めたこれまでの水同位体を用いた研究を、特に観測技術とモデリング技術の進展に伴って急速に拡がっている利用価値に触れつつ、広くレビューするものである。加えて今後の方向性の例として、同位体プロキシデータを用いた気候モデルの直接的な検証と同位体情報を用いたデータ同化の可能性を挙げた。また、本基盤研究で行っているつくば市真瀬の水田での水同位体観測を継続し、3期分の極めて質の良いデータを入手した。すでに報告した水田における植生経由の蒸散の寄与率については、Water Resources Research誌に投稿した論文が採択され(Wei et al., 2015)、加えて、観測から得られた水蒸気同位体比の変動要因と、大規模な大気中の水蒸気輸送過程との関係を分析し、真瀬上空おける水蒸気へのローカルな地表面から寄与は年平均で16.0±12.3%、夏平均で20.5±12.9%と推算され、大気中の大規模な水蒸気輸送過程が水蒸気同位体比変動の第一の要因であることを明らかにした。この後半部分に関する論文は、Journal of Hydrology誌に投稿し、採択された(Wei et al., 2016)。さらに、植生のLAIと蒸散寄与率の関係性をヒントに、60以上の文献をあたり、様々な手法で得られた蒸散寄与率とLAIとの関係を調べた。その結果、6つの植生タイプにおけるLAIと蒸散寄与率の関係を定量化した。その式を、植生の全球分布及び水収支式から求めた蒸発散分布に適用することで、蒸散寄与率の全球分布及び平均値を求めた。その結果は、50-60%であり、近年複数発表された同位体比を用いた研究による値よりはかなり小さく、一般的な地表面モデルによる推定値により近い値であった。この研究については、2016年4月現在投稿準備中である。主だった論文を4編出版したほか、関連論文として9編の論文を出版することができた。また、同位体観測も順調に進み、3年分のデータを蓄積することができた。概ね順調に進んでいるとみてよいと考えている。"Development and evaluation of a system of proxy dataassimilation for paleoclimate reconstruction"というタイトルの論文をClimate of the Past誌にて発表した(Okazaki and Yoshimura, 2017)。この論文は、これまで経験的な手法から復元した気候情報を入力情報として使用していた古気候データ同化手法に対してのパラダイムシフトを提案するものである。その新たなやり方とは、同位体比等のプロキシ物質からの測定データを、直接の入力情報としてデータ同化に用いるものである。これにより、経験的な復元に伴う不確実性の影響を除外することができる。本研究では,気候プロキシのひとつである水同位体を対象に,気候プロキシデータ同化の実現可能性を理想化実験の枠組みにおいて検討した.その結果、129地点のデータを同化するだけで30%以上の面積における気温を有意に再現することができ、特にエルニーニョ南方振動(ENSO)の再現性は相関係数0.6(p < 0.01)以上を得ることができた。また、「水同位体比情報を用いたデータ同化」というタイトルの総説論文を水文科学会誌にて発表した。この論文では、2つの異なるスケールでの水同位体比情報のデータについて議論している。

一つは水蒸気同位体比のリモートセンシング測定のような、全球規模で時空間的に密な観測についてであり、それを用いる場合には大気循環の日々の移り変わりを拘束できることを述べている。2つ目は、セルロースやサンゴ・アイスコアなど、時空間解像度が比較的疎なデータを用いることであり、数百年・数千年規模での気候の移り変わりを拘束することが可能となる。水田に、本研究で開発した水蒸気安定同位体比連続計測システムおよび自動降水サンプラーを導入し、水蒸気や降水、水田湛水等の同位体比の高頻度連続観測を3年間にわたって行った。その結果に基づき、蒸発散・蒸散・蒸発の同位体比をそれぞれ求め、水田上での蒸散寄与率を導いたところ、葉面積指数と蒸散寄与率に良い相関があることを発見した。これまでの研究報告では、20%から90%と非常に大きな不確実性を示していた、全球陸域の蒸発散量に対する植生からの蒸散量の寄与について、これまでに出版された60以上の観測に基づく論文を精査し、葉面積指数との関係性を導いた上で、57%±7%であると定量化できた。主だった論文(謝辞付)を3篇(うち投稿中1篇)、関連した論文を10篇以上出版することができたほか、水田での水蒸気同位体比観測及びその解析も順調に進み、概ね計画通りに進んでいる。前年度に引き続きつくば市真瀬の試験水田での水蒸気・表層水同位体比観測を継続する。そういったレーザー分光計を用いた水蒸気同位体比観測は世界各地にて行われており、それらのデータを収集し、データ同化システムへの投入データとして整備する。また、同位体領域モデル(IsoRSM)を用いた水同位体比データ同化システムを構築し、全球版で行った理想実験を実施する。さらに、現在のIsoGSMでは地表面モデルにNOAHモデルを用いているが、同位体については蒸発散時の無分別を仮定しており、蒸発・蒸散割合の同定には使えない。従って、IsoMATSIRO(Yoshimura et al., 2006)など、蒸散時の非定常同位体分別過程を組み込んだ同位体陸面モデルをIsoGSMに組み込むか、NOAHに同位体過程を組み込んだIsoNOAHを作成するかのどちらかを選択し、データ同化システムに取り入れる。最終年度であるため、それぞれの研究項目の成果を論文に取りまとめると同時に、同位体データ同化に関する国際会合を開催する。28年度が最終年度であるため、記入しない。同位体気象学モデル結果からシミュレートした理想的な観測ではなく、実際に上記の測器から得られた観測データを同化システムに投入し、現実の気象場の解析を行う。しかしながら、使用する同位体大循環モデルと衛星から得られる水蒸気同位体比データには無視できないバイアスが存在するため(Yoshimura et al. 2011)、その対処に多くの実験と根本的なシステム改良が必要になる可能性が考えられる。一つはアノマリ同化(バイアスは無視して偏差成分のみで同化する)手法の利用である。総観規模での大気場の時空間変動の再現を目的とするような場合はうまく働く可能性がある。さらに、降水同位体比をデータ同化する手法について検討する。