hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
階層的空間アプローチによる岩礁潮間帯生物の群集動態の安定性の空間変異性の解明

北海道から鹿児島の太平洋沿岸の6地域、5海岸、5岩礁の計150岩礁において、自然撹乱を模した遷移区(人工裸地)とその対照区(無操作区)で300調査区で固着生物の群集動態データを収集するために、連携研究者と研究分担者と協力して野外調査を行った。また、2003年から2017年までの既存データを用い、親潮海域の3地域(北海道東部、北海道南部、三陸)から得られた67例の15年間の固着生物群集の時系列データにBagchiら(2017)の方法を適用し、地域間で群集の生態学的弾性のタイプが異なるか?生態学的弾性のタイプと地域の違いにより、群集動態の他の安定性尺度(種数と種組成の年変動性)がどのように異なるか?を検討した。その結果、いずれの地域でも、最も多かった生態学的弾性のタイプは「安定的動態」で、これに「線型動態」が続いた。「安定的動態」に分類された群集の割合は、南の地域ほど最も高かった。種数の年変動性と種組成の年変動性は、いずれも三陸が他地域より大きかったが、「安定的動態」と「線型動態」に類別された群集間では明瞭な違いはなかった。以上から、太平洋沿岸の親潮海域では岩礁潮間帯の固着生物群集の生態学的弾性のタイプは「安定的動態」が優占的であり、その割合も南ほど高くなることが明らかになった。また、群集の時間変動性も地域変異したものの、生態学的弾性のタイプと群集の時間変動性の関連は見いだせなかった。また、東北地方太平洋沖地震による巨大津波と沈降が生じた三陸でも、固着生物の群集動態には、その明白な影響は検出されなかった。野外調査では予定したすべてのデータを収集できた。また、全6地域の半分にあたる親潮海域の3地域(北海道東部、北海道南部、三陸)から得られた67例の15年間の固着生物群集の時系列データを用い、予備解析として、Bagchiら(2017)の方法を適用し、地域間で群集の生態学的弾性のタイプが異なるか?生態学的弾性のタイプと地域の違いにより、群集動態の他の安定性尺度(種数と種組成の年変動性)がどのように異なるか?を検討することができた。引き続き、野外調査を継続することで、北海道から鹿児島の太平洋沿岸の6地域、5海岸、5岩礁の計150岩礁において、自然撹乱を模した遷移区(人工裸地)とその対照区(無操作区)で収集した300例の20年の固着生物の群集動態データを構築する。得られたデータを用い、群集動態の安定性の4要素(変化速度、工学的弾性、生態学的弾性、発散/収束性)がさまざまな空間スケールでどのように空間変異するのか?その空間変異の仕方は群集の撹乱履歴(撹乱からの経過時間)や稀少イベント(稀な自然撹乱や外来種の侵入)、環境要因(波あたりと気候)、種プール特性(種多様性と種構成)、によってどのように決まるのか?を明らかにする。

引き続き、野外調査を継続することで、北海道から鹿児島の太平洋沿岸の6地域、5海岸、5岩礁の計150岩礁において、自然撹乱を模した遷移区(人工裸地)とその対照区(無操作区)で収集した300例の20年の固着生物の群集動態データを構築する。得られたデータを用い、群集動態の安定性の4要素(変化速度、工学的弾性、生態学的弾性、発散/収束性)がさまざまな空間スケールでどのように空間変異するのか?その空間変異の仕方は群集の撹乱履歴(撹乱からの経過時間)や稀少イベント(稀な自然撹乱や外来種の侵入)、環境要因(波あたりと気候)、種プール特性(種多様性と種構成)、によってどのように決まるのか?を明らかにする。
事例に基づくHTML文書からXML文書への自動変換法と対話型変換支援システム

平成13年度から3年間の間に,以下の応用・発展研究を行った。1.事例に基づくシリーズ型HTML文書の半自動変換技術とシステムの研究開発2.老若男女だれでも取扱える、WEB自動抽出プログラムの自動合成システムの研究開発。3.意味的対応と場所対応の双方を統一的に取扱えるHTML文書の時間差分検出システムの研究開発。4.リンク元コンテキストを考慮するハイパーリンク最重要個所同定法の開発とプロキシサーバ技術を用いたブラウジング支援システムの開発。5.大規模な時系列テキストデータからのイベント時系列パターンの発見上記1から3に対しては,支援システムとして対話型GUIシステムを開発した。またWEBページの自動収集・変換を支援するシステムの基礎として分散協調型の基礎的特性を調べている.WEBサイト上の時間差分情報を即座にユーザに知らせるためには、携帯情報端末当を用いる必要があるが、一般に携帯端末の画面は非常に小さく、操作性も悪い。第4番目の研究はそれらの問題を解決を目的としたものであり、HTML文書の大きな特徴であるハイパーリンクの構造解析の新しい側面を開くものである。最後のイベント時系列パターンのマイニングは、表面上は関係の見出し難いHTML文書の追跡をおこなうことを目的としたものであり,世界的に見ても前例の無い試みである.平成13年度から3年間の間に,以下の応用・発展研究を行った。最後のイベント時系列パターンのマイニングは、表面上は関係の見出し難いHTML文書の追跡をおこなうことを目的としたものであり,世界的に見ても前例の無い試みである.知識無しにHTML文書をXMLへ変換することは,人間にとっても困難な作業である.各HTMLシリーズに対して個別に変換事例を与えることは,シリーズ固有の意味構造と知識を与えることに相当し,非常に自然で,実際的な手法である.平成13年度には以下の研究を行ってきた1.事例に基づく試作システムの開発と改良:既存の殆どのHTML文書処理システムは,<H>タグで指定される見出し語を抽出・利用して,機械処理を行っている.しかし現実のHTML文書では見出しの表示法は多様で,<H>タグは殆ど利用されていない.そこで我々は<H>タグを利用せず,文字修飾用タグを考慮したTF-IDF重み付けを行い,それにより見出し語情報の抽出を行った.また表現の揺れを吸収するためにシソーラスを導入し,更に意味を表す項ベクターモデルの対雑音性を上げるために,TF-IDFを用いた重要語の絞り込みを行った.これらの効果を実証的に検証した2.アライメンによる論理・意味ブロックの同定:シリーズ中の文書間には必ず記述の追加・欠落,分量の変化がある.その揺れを吸収するためには,文書の論理・意味的な構造を解析し,その上で相似性を判定する必要がある.我々は,蛋白質や遺伝子の配列解析に使用されるアライメント技術に着目し,事例に基づく意味ブロックの抽出へ適用を試みた.より具体的には,事例文書の意味プロックは既知であることから,事例と変換対象文書のアライメントにより,変換対象のHTML文書中の論理的・意味的ブロックを同定・抽出できる.検証実験により90%を超える変換精度が得られることを確認した.以上の成果は既に一編を学会論文誌に発表済であり,また以下の(1)と(2)を口頭発表している.更に2編を国際会議と論文誌へ投稿中である.参考文献(1)鈴木,岩沼,梅原:シリーズ型HTML文書群の事例ベース変換におけるオフライン処理による検索語の絞りこみ,電子情報通信学会技術研究報告人工知能と知識処理,AI2000-70(2001)(2)梅原,岩沼,鍋島:HTMLからXMLへの事例ベース変換における複合テキストブロックの取扱い,電子情報通信学会技術研究報告データ工学研究会,DE2001-6(2001)平成14年度はアライメント技術を駆使した複数の事例文書の選択利用技術を開発し,学習機能を持つ対話型変換支援システムの基礎技術を開発した。また事例文書との類似性判定技術を応用して,WWW上のHTML文書の時間的な変化データを自動抽出する技術を開発した.具体的には1.複数の事例学習による変換の精密化:対話変換支援型システムでは,修正の過程を通してXMLへの変換を次第に精密化していく学習機能を持たせる必要があり、複数の事例の中から適切な事例を選択する技術が必要不可欠である。そのための文書全体のアライメント技術に基づく事例選択法を開発した。

2.レイアウト解析を目的とした表の構造認識:近年のHTML文書では,レイアウトを指定するために,表を示す<table>タグが多用される.現実のHTML文書の類似性を判断するためには,このような表の入れ子構造の類似性を認識することが必要であり、アライメントにおける表解析技術を開発した。3.HTML文書の時間的な差分データの自動抽出システムへの応用:時間の経過と共に変化していった文書群は相互に大変類似しており,シリーズ型の文書と見なせる.これらの差分の検出は実用的にも非常に重要である.本研究で開発した事例と変換対象2つのHTML文書の類似性を判定する技術を応用してシステムを開発した。以上の成果を既に学会論文誌と国際会議に発表している。また以下の口頭発表を行なった.現在,更に2編を発表準備中である。(1)中村正人、岩沼宏治、鍋島英知:時間差分検出を目的とするHTML文書間の種々の対応関係の検出法、情報アクセスのためのテキスト処理シンポジウム発表論文集pp.17-24(電子情報通信学会言語理解とコミュニケーション研究会)2003平成15年度は,前年までの研究成果を元に以下の応用・発展研究を行った。1.老若男女だれでも取扱える、WEB自動抽出プログラムの自動合成システムの研究開発。2.意味的対応と場所対応の双方を統一的に取扱えるHTML文書の時間差分検出システムの研究開発。3.リンク元コンテキストを考慮するハイパーリンク最重要個所同定法の開発とプロキシサーバ技術を用いたブラウジング支援システムの開発。4.大規模な時系列テキストデータからのイベント時系列パターンの発見上記1と2は、前年度までに開発したHTML文書の意味・論理構造の自動認識技術を応用し成果した研究成果である。また支援システムとして対話型GUIシステムを開発している。WEBサイト上の時間差分情報を即座にユーザに知らせるためには、携帯情報端末当を用いる必要があるが、一般に携帯端末の画面は非常に小さく、操作性も悪い。第3番目の研究はそれらの問題を解決を目的としたものであり、HTML文書の大きな特徴であるハイパーリンクの構造解析の新しい側面を開くものである。最後のイベント時系列パターンのマイニングは、表面上は関係の見出し難いHTML文書の追跡をおこなうことを目的としたものである。
土砂斜面上の落石の運動および衝撃力に及ぼす地盤条件の影響

敷砂緩衝材の密度と厚さ,および落石の形状が落石の衝撃力に及ぼす影響を調査することを目的とした.そのため,落石に見立てた重錘のまさ土上への落下衝撃の室内実験を行った.直径50mmの平底および半球体の重錘(落石に相当する)を,内径200mm,高さ100200mmのモールドに充填した3種類の乾燥密度からなるまさ土(敷砂緩衝材に相当する)上に,落下高1646cm,重錘質量37kgの計16通りの組合せにて落下させ,重錘貫入量,重錘加速度,およびモールド底面土圧を測定した.その結果,以下に示す知見が得られた.緩衝材の密度と厚さの影響1.重錘貫入量は打撃エネルギと強い相関性があり,その増加とともに大きくなる.また,まさ土の密度の増加とともに減少するが,厚さの影響をほとんど受けない.2.重錘の最大衝撃加速度は,重錘の衝突速度を重錘質量で割った値と関係が強い.また,まさ土の密度の増加とともに大きくなるが,厚さの影響はほとんど受けない.3.モールド底面最大土圧は,打撃エネルギの影響を受ける.また,まさ土の密度の増加とともにモールド底面最大土圧は大きくなる.そして,厚さが増加するとともに減少する.4.衝撃圧力伝達率(土の表面に加わった衝撃圧力がモールド底面に到達する割合)は落下高,重錘質量の影響をほとんど受けない.また,まさ土の密度が増加するのとともにわずかに小さくなり,まさ土の厚さの増加とともに減少する.重錘の形状の影響5.重錘貫入量は,半球体の方が平底より大きくなる.これは,半球体は平底に比べ,接地面積が小さくなり,応力が集中するためである.6.重錘の最大衝撃加速度は,半球体の方が平底より小さくなる.これは,平底は半球体に比べ,衝突したときに土からの抵抗が大きく,短時間で減速停止するためである.敷砂緩衝材の密度と厚さ,および落石の形状が落石の衝撃力に及ぼす影響を調査することを目的とした.そのため,落石に見立てた重錘のまさ土上への落下衝撃の室内実験を行った.直径50mmの平底および半球体の重錘(落石に相当する)を,内径200mm,高さ100200mmのモールドに充填した3種類の乾燥密度からなるまさ土(敷砂緩衝材に相当する)上に,落下高1646cm,重錘質量37kgの計16通りの組合せにて落下させ,重錘貫入量,重錘加速度,およびモールド底面土圧を測定した.その結果,以下に示す知見が得られた.緩衝材の密度と厚さの影響1.重錘貫入量は打撃エネルギと強い相関性があり,その増加とともに大きくなる.また,まさ土の密度の増加とともに減少するが,厚さの影響をほとんど受けない.2.重錘の最大衝撃加速度は,重錘の衝突速度を重錘質量で割った値と関係が強い.また,まさ土の密度の増加とともに大きくなるが,厚さの影響はほとんど受けない.3.モールド底面最大土圧は,打撃エネルギの影響を受ける.また,まさ土の密度の増加とともにモールド底面最大土圧は大きくなる.そして,厚さが増加するとともに減少する.4.衝撃圧力伝達率(土の表面に加わった衝撃圧力がモールド底面に到達する割合)は落下高,重錘質量の影響をほとんど受けない.また,まさ土の密度が増加するのとともにわずかに小さくなり,まさ土の厚さの増加とともに減少する.重錘の形状の影響5.重錘貫入量は,半球体の方が平底より大きくなる.これは,半球体は平底に比べ,接地面積が小さくなり,応力が集中するためである.6.重錘の最大衝撃加速度は,半球体の方が平底より小さくなる.これは,平底は半球体に比べ,衝突したときに土からの抵抗が大きく,短時間で減速停止するためである.敷砂緩衝材の密度および厚さが落石の衝撃力に及ぼす影響を調査することを目的とした.そのため,落石に見立てた重錘のまさ土上への落下衝撃の室内実験を行った.直径50mmの平底の重錘(落石に相当する)を,内径200mm,高さ100,150,200mmのモールドに充填した3種類の乾燥密度からなるまさ土(敷砂緩衝材に相当する)上に,落下高1646cm,重錘質量37kgの計16通りの組合せにて落下させ,重錘貫入量,重錘加速度,およびモールド底面土圧を測定した.その結果,以下に示す知見が得られた.1.衝撃加速度波形は,まさ土の密度が小さい場合には波形にピークが2つ現れ,密度が大きい場合には波形にピークが1つしか現れなくなる.そして,まさ土の密度が増加するにつれて加速度は大きくなり,衝撃持続時間は減少する.2.重錘の最大衝撃加速度は,重錘の衝突速度を重錘質量で割った値と関係が強い.また,まさ土の密度の増加とともに大きくなるが,厚さの影響はほとんど受けない.3.モールド底面土圧波形は,まさ土の密度が増加するとともに大きくなり,波形持続時間も増加する.また,モールド土圧波形には2度ピークが生じているが,まさ土の密度が増加するにつれてその大きさの区別がはっきりと現れる.

4.モールド底面最大土圧は,打撃エネルギーの影響を受ける.また,まさ土の密度の増加とともにモールド底面最大土圧は大きくなる.そして,厚さが増加するとともに減少する.5.衝撃圧力伝達率(土の表面に加わった衝撃圧力がモールド底面に到達する割合)は落下高,重錘質量の影響をほとんど受けない.また,まさ土の密度が増加するのとともにわずかに小さくなり,まさ土の厚さの増加とともに減少する.落石の形状の違いが衝撃力に及ぼす影響を調査することを目的とした.そのため,落石に見立てた重錘のまさ土上への落下衝撃の室内実験を行った.直径50mmの半球体の重錘(落石に相当する)を,内径200mm,高さ100mmのモールドに充填した3種類の乾燥密度からなるまさ土(敷砂緩衝材に相当する)上に,落下高1646cm,重錘質量37kgの計16通りの組合せにて落下させ,重錘貫入量,重錘加速度,およびモールド底面土圧を測定した.その結果,既往の平底の重錘に対する実験結果と比較し,以下に示す知見が得られた.1.重錘貫入量は,半球体の方が平底より大きくなる.これは,半球体は平底に比べ,接地面積が小さくなり,応力が集中するためである.2.重錘の衝撃加速波形は,平底では重錘質量が大きいとき2つのピークが現れるのに対し,半球体では重錘質量に関わらず1つしか現れない.3.重錘の最大衝撃加速度は,半球体の方が平底より小さくなる.これは,平底は半球体に比べ,衝突したときに土からの抵抗が大きく,短時間で減速停止するためである.4.モールド底面最大土圧は,半球体の方が平底より小さくなる.これは,半球体は平底に比べ,重錘の最大衝撃加速度が小さくなるためである.5.衝撃圧力伝達率(土の表面に加わった衝撃圧力がモールド底面に到達する割合)は,半球体の方が平底より小さくなる.落石の形状および敷砂緩衝材の厚さの違いが衝撃力に及ぼす影響を調査することを目的とした。そのため、落石に見立てた重錘のまさ土上への落下衝撃の室内実験を行った。直径50mmの半球体の重錘(落石に相当する)を、内径200mm、厚さ150mmのモールドに充填した3種類の乾燥密度からなるまさ土(敷砂緩衝材に相当する)上に、落下高1646cm、重錘質量37kgの計16通りの組合せにて落下させ、重錘貫入量、重錘加速度を測定した。その結果、既往の平底の重錘に対する実験結果(平成14年度に実施)および平成17年度に行った実験(半球体の重錘で試料厚さ100mm)の結果と比較し、以下に示す知見が得られた。1.重錘貫入量は、半球体の方が平底より大きくなる。これは、半球体は平底に比べ、接地面積が小さくなり、応力が集中するためである。また、試料が厚い場合のほうが、重錘貫入量は大きくなる。2.重錘の衝撃加速度波形は、平底では重錘質量が大きいとき2つのピークが現れるのに対し、半球体では重錘質量に関わらず1つしか現れない。また、平底に比べ半球体の重錘は、波形の立ち上がりが緩やかで、衝撃持続時間が短い。これは、平底は衝突したときの土の抵抗が大きく、短時間で減速するためである。さらに、試料が厚い場合のほうが、重錘の衝撃加速度は小さくなり、緩衝効果が高まる。3.重錘の最大衝撃加速度は、半球体の方が平底より小さくなる。また、試料が厚い場合のほうが、重錘の最大衝撃加速度は小さくなり、緩衝効果が高まる。
2次元微小共振器を利用した微小レーザカオス素子の開発と高速物理乱数生成への応用

本研究では,2次元微小共振器を用いたサブミリサイズのレーザカオスデバイスを開発し,その物理乱数生成応用を検討した.主な成果は,次のとおりである.(1)光を周回遅延させる環状型2次元微小共振器を有するレーザデバイスを設計・試作し,周波数帯域が約1 GHzのレーザカオス信号の生成に成功した.(2)また,そのレーザカオス出力を0.78 GHzの間隔でサンプリングしたデータから生成したビット列がDiehardテストの全ての項目に合格することを示した.本研究の目的は,2次元微小共振器を用いてサブミリサイズのレーザカオスデバイスを実現し,小型・高速物理乱数生成器への応用可能性を検証することである.平成26年度における研究実績の概要は以下のとおりである:1.物理乱数の高速生成に適したカオス現象を発生させるサブミリサイズのデバイスを設計し,GaAs/AlGaAs屈折率分布型分離閉じ込め単一量子井戸構造のウェーハに作製した.このデバイスは擬似スタジアム型のレーザと環状型の2次元外部共振器から構成されており,全体の大きさは350μmx720μm以内である.環状2次元共振器部では,入力ポートから入射されるガウシアンビームを共振器内で周回させ,再びレーザ側へ戻すように設計されており,共振器径の約10倍の長さの光路を形成可能となる.本研究では,レーザと2次元共振器間の結合長を変化させた複数の素子を試作し,共振器中の光周回について調べた.その結果,光スペクトル及び遠視野像の解析を通じて,結合長が1μmの素子が最適であることが判明した.また,結合長が1μmの時に環状2次元共振器部からレーザへの戻り光の効果を確認することができた.2.次に,本デバイスからの出力光強度のダイナミクスを調べた結果,環状2次元共振器部への注入電流の増加に伴い,定常発振状態,リミットサイクル発振状態,そしてカオス的発振状態へ遷移することを明らかにした.特に,2次元微小共振器を発振させ,戻り光による不安定化だけでなくレーザ間の非線形結合の効果を合わせた場合に,帯域1GHz程度のカオス現象が発生することを明らかにした.本研究では,高速・小型物理乱数生成器への応用を目的として,2次元微小共振器を用いてサブミリサイズのレーザカオスデバイスを開発する.昨年度の主な成果は,微小領域に長い光路を形成可能な環状2次元共振器を設計・試作したこと,更に,その環状2次元共振器と疑似スタジアム型共振器を結合させたレーザデバイスを試作し,約1 GHzの帯域を有するカオス信号を得たことである.今年度の主な成果は,上述のレーザカオスデバイスを用いて乱数生成実験に成功したことである.約0.78 GHzのサンプリングレートで取得したカオス信号をビット列に変換し,18種類の統計テストで構成されるDiehardテストを実施したところ,有意水準0.01で全てのテストに合格することを確認した.この結果は,2次元微小共振器レーザの乱数生成応用の可能性を示唆するものである.また,レーザカオスデバイスの更なる小型化を目的の一つとして,カオス信号を生成可能な2次元微小共振器の形状に関する条件も探索した.特に,カオス共振器と呼ばれる,光線カオスを示す共振器と非カオス的共振器の2種類を作製し,共振器の変形度,大きさ,注入電流値に対する依存性を系統的に調べた.その結果,カオス共振器では,共振器形状の詳細に依存せず,カオス信号を全く生成しない安定な単一モード発振が可能となることを明らかにした.一方,非カオス共振器では,カオス的出力の条件である多モード発振を示すことがわかった.これらの発振状態の違いは,共振器の共鳴モード間の結合の大きさに依存するモード競合現象に起因することも明らかにした.本研究では,2次元微小共振器を用いたサブミリサイズのレーザカオスデバイスを開発し,その物理乱数生成応用を検討した.主な成果は,次のとおりである.(1)光を周回遅延させる環状型2次元微小共振器を有するレーザデバイスを設計・試作し,周波数帯域が約1 GHzのレーザカオス信号の生成に成功した.(2)また,そのレーザカオス出力を0.78 GHzの間隔でサンプリングしたデータから生成したビット列がDiehardテストの全ての項目に合格することを示した.当該年度は,当初の研究実施計画に従い,長光路を有する2次元微小共振器とレーザを結合したレーザカオス発生素子を設計・試作し,その基礎特性を評価した.その結果として,レーザ光が2次元微小共振器中を伝搬しレーザにうまく戻ることを光スペクトル解析等を通じて明らかにした.この結果は,カオス生成に必要となる戻り光の存在を示しただけでなく,微小領域中に効率的に長光路を形成できることを示した結果であるため,今後の研究に繋がる成果といえる.また,乱数生成に必要となるレーザカオス発生の駆動条件を調べた結果,2次元微小共振器を発振させ,戻り光による不安定化だけでなくレーザ間の非線形結合の効果を合わせたときに,最も広帯域なカオス信号を得ることができた.以上のとおり,次年度の研究実施計画に向けておおむね順調に研究を推進できた.しかし,本研究の目標を達成のためにカオス生成の発生に関する検討は引き続き必要と考えている.光工学・光量子科学平成27年度は,前年度に引き続き,高品質な乱数生成に適したカオス信号を得るための条件について調べる予定である.

具体的には,相関のない乱数を生成するために,カオス信号のサンプリングレートを自己相関関数を解析して決定する予定である.次に,本レーザ素子から出力されるカオス信号を光検出器で捉え,AD変換によりビット信号に変換し,排他的論理和をとることでランダムビット列を生成する.生成したランダムビット列の統計的性質は標準的な乱数の検定を行い,本素子における乱数生成速度を明らかにする.得られた結果を踏まえて,本研究課題である,2次元微小共振器を用いたレーザカオス素子の乱数生成応用の有効性を検討し,研究内容をまとめる予定である.当初の計画では,乱数生成の検討を行うための機器の購入にあてる計画であったが,その手配は可能となった.一方,複数の素子を効率的に詳細に評価することが必要となったため,観察系の改良に必要な治具及び光学部品・機器の購入にあてる予定である.観察系の改良に必要な治具及び光学部品・機器の購入にあてる予定である.
Textonを用いる低解像度画像の高精細化と画像配信への応用

本研究では,動画像に対し高速に適用可能な解像度劣化復元処理(超解像)を目指し,画素単位で並列処理可能な手法を構築した.超解像処理は従来動画像の特性であるフレーム間の連続性を考慮していないものが多かったが,本研究では空間的な隣接関係から時間的な変化も学習することで従来手法を改良し,動画像に対しても有効に処理できるようにした.さらに,時間方向の隣接フレームを探索することによる超解像手法も開発し,画素数を大幅に削減した動画像から超解像処理によって,実際の高解像度画像に近い画質で動画像を生成することを可能とした.また,その画質は信号の復元率であるPSNRでは真の高解像度動画像より劣っているが,主観評価実験においてはほぼ同程度の評価となっており十分であることを確認できた.少ない情報量の画像からより大きな画像を復元できるこの技術は,帯域制限が存在するネットワークによる利用や,低コストカメラ,画像圧縮において重要であると考えられる.画像に生ずる解像度以外の劣化要因として,ノイズや手ぶれや焦点ズレなどのぼやけが存在するが,撮影に用いたカメラの情報は撮影画像に含まれるメタ情報(Exifなど)によって得られるとの仮定のもと,カメラ固有のノイズモデルやぼやけモデルを構築し,それらを利用することによって,撮影された画像のみから効率よくノイズやぼやけを除去出来ることを示した.これらは,解像度劣化復元や圧縮の効率を向上するための前処理として非常に重要である.本研究では,動画像に対し高速に適用可能な解像度劣化復元処理(超解像)を目指し,画素単位で並列処理可能な手法を構築した.超解像処理は従来動画像の特性であるフレーム間の連続性を考慮していないものが多かったが,本研究では空間的な隣接関係から時間的な変化も学習することで従来手法を改良し,動画像に対しても有効に処理できるようにした.さらに,時間方向の隣接フレームを探索することによる超解像手法も開発し,画素数を大幅に削減した動画像から超解像処理によって,実際の高解像度画像に近い画質で動画像を生成することを可能とした.また,その画質は信号の復元率であるPSNRでは真の高解像度動画像より劣っているが,主観評価実験においてはほぼ同程度の評価となっており十分であることを確認できた.少ない情報量の画像からより大きな画像を復元できるこの技術は,帯域制限が存在するネットワークによる利用や,低コストカメラ,画像圧縮において重要であると考えられる.画像に生ずる解像度以外の劣化要因として,ノイズや手ぶれや焦点ズレなどのぼやけが存在するが,撮影に用いたカメラの情報は撮影画像に含まれるメタ情報(Exifなど)によって得られるとの仮定のもと,カメラ固有のノイズモデルやぼやけモデルを構築し,それらを利用することによって,撮影された画像のみから効率よくノイズやぼやけを除去出来ることを示した.これらは,解像度劣化復元や圧縮の効率を向上するための前処理として非常に重要である.
食道癌手術時の吻合をより安全にするための適切な血管作動性物質投与法を解明する研究

ブタによる動物実で血管作動性物質であるPGElやlipo-PGElの投与により胃管阻血部での組織血流量の有意な増加が認められ、PGEl群は投与終了IG分後で有意に血流量が減少したにも関わらずlipo-P6El群では、その作用は持続していた。さらに、lipo-PGEl投与群での組織血流量の持続時間の検討にて投与終了後120分でも血流量は有意に増加していることが認められ、lipo-PGEl投与がPGEl持続投与に比較してコスト的に安価であることが解った。以上より、lipo-PGElの陥欠投与によりQOLを損なわずに縫合不全のリスクを低下させ得る可能性が示唆された。血管作動性物質であるPGE1は末梢血管を拡張し阻血部の血流を改善すると報告されているが、速やかに肺で失活されるため持続投与が壁に集積する作用のため1日1回の静注で作用としては十分であるといわれている。今回、lipo-PGE1の一回投与の効果の持続時間とPGE1血中濃度について動物実験で行ったので報告する。【対象と方法】ブタ5匹を全身麻酔下に開腹し大弯側胃管を作製し短胃動静脈と大腿動脈に採血ルートを確保した。血流は、組織血流計(ALF21:アドバンス社、東京)を用いて胃管先端から4cmの部位の組織血液量を阻血部として測定した。PGE1濃度はProstaglandin Enzyme Immunoassay Kit(AssayDesigns,inc.Ann Arbor, USA)を用いて測定した。lipo-PGE1を、0.05μg/kg/minで10分間投与し、投与前、投与中、投与終了10、20、30、60、120分後に血流量を測定し、各ポイントで採血した。【結果】薬剤投与前血流量は、8.1±1.0mlであり、薬剤投与中血流は13.5±1.4mlと有意に増加した(p<0.01)。また、投与終了10分後でも13.0±1.3mlと増加したままであった。以後徐々に低下したが、120分後でも10.2±1.0mlと投与前と比較し有意に増加していた(p<0.05)。血中PGE1濃度は、投与中は投与前78±22pg/mlから233±22 pg/mlと有意に上昇したが、投与終了30分後で大腿動脈血、短胃動脈血は投与前値と同じ80±12 pg/mlまでに低下していた。しかし、短胃静脈血のPGE1濃度は155±24 pg/mlであり投与終了120分値においても134±17 pg/mlと投与前値のよりも有意に高かった。【まとめ】血管作動性物質でlipo-PGE1の投与により阻血部での組織血流量の有意な増加が認められ投与終了120分間持続していた。大腿動脈や短胃動脈のPGE1濃度は投与終了30分後で投与前値までに低下していた。一方、短胃静脈血のPGE1濃度は投与終了120分値でも投与前値より有意に高く、阻血部の組織中に集積し効果を持続する要因になっているとことが示唆された。【はじめに】血管作動性物質であるPGE1は末梢血管を拡張し阻血部の血流を改善すると報告されているが、速やかに肺で失活されるため持続投与が必要となる。一方、lipo-PGE1は、レシチンでおおわれた直径約0.2μmの脂肪微粒子中にPGE1を封入したリポ製剤であり、肺での失活を軽減し担体となった脂肪粒子が障害血管壁に集積する作用のため1日1回の静注で作用としては十分であるといわれている。PGE1やlipo-PGE1の投与により胃管阻血部での組織血流量の増加が認められ、lipo-PGE1でその作用は投与終了10分後でも持続する事を既に報告した。【対象と方法】ブタ15匹を全身麻酔下に開腹し大弯側胃管を作製し短胃動静脈と大腿動脈に採血ルートを確保した。生食・PGE1・lipo-PGE1を、それぞれ0.05μg/kg/minで10分間投与し、投与前、投与終了直後、投与終了10、20、30、60、120分後に血流量を測定した。【結果】生食投与群では、阻血部の血流に変化は認められなかった。

PGE1・lipo-PGE1などの薬剤投与群では、前血流量は、7.8±0.5ml・8.1±1.Omlであった。薬剤投与終了直後の血流は13.3±1.3ml・13.6±1.3mlと有意に増加した(p<0.Ol)。PGE1投与群の血流量は、投与終了10分で8.1±1.0mlと有意に減少したがlipo-PGE1群では投与終了10分後でも13.0±1.3mlと増加したままであった。lipo-PGE1群の血流量は以後徐々に低下したが、120分後でも10.2±1.0mlと投与前と比較し有意に増加していた(p<0.05)。【まとめ】血管作動性物質でlipo-PGE1の投与により阻血部での組織血流量の有意な増加が認められ投与終了120分間持続していた。lipo-PGE1の間欠的投与により胃管阻血部の血流を改善させ、縫合不全を減少させ得る可能性が示唆された。
慢性閉塞性肺疾患の早期発見のための質問票診断ツールの開発と検証

慢性閉塞性肺疾患(chronic obstructive pulmonary disease : COPD)は潜在患者が多く、発症予防や治療介入のためCOPDを早期発見することは重要な課題である。本研究では、COPDをより簡便かつ精度が高くスクリーニングできる症状に基づいた診断支援ツール(Symptom-Based Questionnaire : SBQ)の作成を目標にした。先行研究では既にSBQの候補項目となる11項目の質問項目の候補を選定しており、平成24年度は、これらから2項目を選定し、性別、年齢、喫煙歴を加えた計5項目のSBQ(新規SBQ)の開発を行い、プライマリケア外来にて新規SBQの検証を行う予定であった。項目の選定にあたっては、9名の呼吸器専門医もしくは総合内科専門医を選定しデルファイ変法を用いて最も臨床的あるいは質問項目として適切である項目を選定し、新規SBQの開発を目指すものであった。専門的意見の聴取や、昨今のエビデンスの収集のため、本年度は国内学会参加を行い、これまで作成した質問項目については新たな修正や追加は必要ないことを確認したごその後、新規SBQ作成のための専門医の選定、検証のためのプライマリケア外来の選定を行うところであったが、平成24年7月31日付で研究代表者が所属研究機関を辞することとなり、科学研究費助成事業の応募資格を失うため、本研究については継続困難であり、本事業廃止を申請するところとなった。
立方晶安定化ジルコニアの照射下構造安定性:選択的はじき出し損傷と蓄積電荷の効果

本研究では、立方晶安定化ジルコニア(YSZ)中の照射欠陥集合体の形成・成長過程を調べ、イオン結晶中の点欠陥の離合集散過程に及ぼす選択的はじき出し損傷と蓄積電荷の効果について検討した。100keV He^+、300keV O^+または4keV Ar^+イオンを照射したYSZ試料に高強度電子線を照射すると、非常に強い歪みコントラストを有する特異な欠陥集合体が形成される。この欠陥集合体形成はイオンのみを照射したときには観察されず、電子線照射に特有な現象である。さらに特徴的な現象として、この欠陥集合体は臨界直径(約1.0-1.5μm)に到達すると転位線へと変遷する。継続した電子照射を行なうと、同様な欠陥集合体の核形成、成長、および転位線への変遷過程が、照射欠陥や転位近傍などひずみ場を有する場所で優先的に生じた。この欠陥集合体について、申請者らは酸素イオンの板状集合体である可能性が最も高いと結論した。すなわち、酸素イオンの選択的はじき出し損傷により生成した酸素イオン格子間原子が集合したものであると考察した。選択的はじき出し損傷の機構に関する検討も行い、弾性的はじき出し損傷に加えて非弾性的はじき出し損傷(すなわち、電子励起に伴うはじき出し損傷)の可能性も考慮する必要があることがわかった。しかしながら現時点では、いずれに機構が支配的であるかは結論できていない。いずれの機構に従うにしても、本研究は安定化ジルコニアの点欠陥挙動において、酸素イオンの選択的はじき出し損傷の重要性を実験的に示した最初の研究である。この成果は、ジルコニアのような構成元素の質量が大きく異なる結晶、および/あるいはイオン性の強い結晶の照射損傷過程の理解に重要な指針を与える。酸素イオンの集合、すなわち同種のイオンの集合は電荷の蓄積を伴う。本研究では、蓄積電荷が欠陥集合体周辺に付加的な応力・ひずみ場を誘起すること、またその応力場は転位を生成するに十分なものになりうることを計算機実験により示した。つまり、実験により観察された臨界直径での転位への変遷は、転位形成によるひずみの開放によることを示唆している。立方晶安定化ジルコニアは次世代の軽水炉燃料(岩石型プルトニウム燃料)母相材料および放射性廃棄物の変換処理用材料として期待されている。本研究では、立方晶安定化ジルコニア(YSZ)中の照射欠陥集合体の形成・成長過程を調べ、この材料の照射下における微細構造の安定性を明らかにする。100keV He^+、300keV O^+または4keVAr^+イオン照射した試料に電子顕微鏡内で集束した電子を照射すると、非常に強い歪みコントラストを有する欠陥集合体が形成される。一方、この欠陥集合体はイオンのみを照射したときには観察されない。これに対して、イオン照射を行わずに集束電子を照射しても同様の欠陥集合体の形成は認められるが、イオン照射後の試料と比較すると、欠陥集合体は明らかに形成され難い。成長した欠陥集合体は、臨界直径(約1.2mm)に到達すると転位を生成し、その後の電子照射に伴って転位線上で同様な欠陥集合体の核形成、成長、および転位の生成を繰り返す。この特異な成長過程は、欠陥集合体の形成機構を考察する上で重要と考えられる。また昭射下におけるYSZ中の新しい転位生成機構としても興味深い。従来の報告では、この欠陥集合体は(1)定比性を保った格子間型転位ループ、あるいは(2)YSZ中に不純物として含有される窒素の析出物(ZrN)であると考察されている。これに対して、我々はこの欠陥集合体は酸素イオンの集合体であると考察している。O^<2->イオンが板状に集合したと仮定して評価した欠陥集合体周辺の蓄積静電エネルギーは非常に大きく、観察した欠陥集合体のように大きな歪み場を誘起することが解った。YSZのように質量の大きく異なる構成元素からなる化合物においては、軽元素イオンのみが弾性衝突によって選択的にはじき出される可能性がある。また電子励起効果によって酸素イオンが選択的にはじき出される可能性も考えられる。いずれの機構が支配的であるかについては現時点では明らかでない。この点を次年度に追求する。

選択的はじき出し損傷の機構に関する検討も行い、弾性的はじき出し損傷に加えて非弾性的はじき出し損傷(すなわち、電子励起に伴うはじき出し損傷)の可能性も考慮する必要があることがわかった。しかしながら現時点では、いずれに機構が支配的であるかは結論できていない。いずれの機構に従うにしても、本研究は安定化ジルコニアの点欠陥挙動において、酸素イオンの選択的はじき出し損傷の重要性を実験的に示した最初の研究である。この成果は、ジルコニアのような構成元素の質量が大きく異なる結晶、および/あるいはイオン性の強い結晶の照射損傷過程の理解に重要な指針を与える。酸素イオンの集合、すなわち同種のイオンの集合は電荷の蓄積を伴う。本研究では、蓄積電荷が欠陥集合体周辺に付加的な応力・ひずみ場を誘起すること、またその応力場は転位を生成するに十分なものになりうることを計算機実験により示した。つまり、実験により観察された臨界直径での転位への変遷は、転位形成によるひずみの開放によることを示唆している。
慢性糸球体腎炎進行の分子機序としての熱ショック蛋白の機能解析

熱ショック蛋白は、分子シャペロンとして細胞内で諸蛋白の高次構造維持、変性蛋白の回復等の作用を有する。本研究においては、慢性糸球体腎炎あるいは特発性ネフローゼ症候群患者における末梢血単核球の熱ショック蛋白質発現について解析を加えた。患者末梢血リンパ球よりtotaI RNAを抽出し、RT-PCR法で増幅したcDNA用いてグルココルチコイド受容体(GR)、熱ショック蛋白(HSP)-90、-70、サイクロフィリン(CYP)40、FKBP52(HSP56)をGAPDHに対する相対発現量として半定量した。対象は2から22歳の健常児(13例)および特発性ネフローゼ症候群(20例)で、特発性ネフローゼ症候群例はm5例がステロイド反応性、8例が頻回再発型、7例がステロイド抵抗性であった。ステロイド抵抗性群においてGR、HSP90、ならびにCYP40のmRNA発現は、他の3群に対して有意に低値を示した。一方HSC70、HSP70、FKBP52発現は変化を認めなかった。ステロイド抵抗性群3例では、GR発現は常に低値を示した。一方、FKBP52は、変化を認めなかった。ステロイド抵抗性群においてGR発現量が低下している原因について、GR遺伝子の配列を解析したが配列異常を認めなかった。GRならびにHSP90発現量の低下した症例の末梢血リンパ球に、LLTV-LTR-luciferase(ステロイド応答性レポーター遺伝子)を導入したとき、ステロイド薬にたいする転写活性は健常仁に対して有意に減弱していた。グルココルチコイド作用発現にはGRと相互作用を持つ様々な蛋白が関与するが、本研究によりステロイド抵抗性ネフローゼ症候群において、これらの蛋白の一部に発現の変化を認めステロイド感受性の変化が生じたことが明らかになった。分子シャペロン(Molecular chaperones)は蛋白-蛋白相互作用により、細胞内蛋白の高次構造(すなわち非天然構造、non-native conformations)の形成・保持そして細胞内移動を助ける機能を持つ一群の蛋白である。これまでに知られている分子シャペロンの多くは熱ショック蛋白(Heat shock proteins,Hsp)に属する。熱ショック蛋白はHsp-100、90、70、60、47、28等のファミリーに分類され、また構成型と誘導型の発現形態が明らかにされている。糸球体疾患における分子シャペロンの役割はまだ明らかでないが、これまでに知られている生理的および病態での分子シャペロンの機能から推定されるのは:1)病態の防御因子としての機能;2)病態の促進因子としての機能;3)治癒機転規定因子としての機能、の3点である。1)の防御因子としての分子シャペロンの機能は、熱ショック蛋白の一部が細胞へのストレスで誘導されること、また変性を受けた蛋白の高次構造回復に関与することが明らかにされている。2)の病態促進因子としての作用は、Hsp47による細胞外基質(コラーゲン)の増加、Hsp70および60によるT細胞の活性化等が知られている。3)については、熱ショック蛋白やイミュノフィリンがグルココルチコイドレセプターや免疫抑制剤(シクロスポリン、FK506、デオキシスパーガリン)と結合することより、これら糸球体疾患に対して用いられるホルモン・薬剤の分子作用に関与することが考えられる。糸球体疾患発症進展機序として転写調節を中心とする遺伝子発現制御の解析が進められているが、蛋白発現のもう一つの規定因子である翻訳後調節についてはまだ不明の点が多い。分子シャペロンは転写調節因子・情報伝達物質を含む細胞内諸蛋白の回転に重要な役割を果たすことから、腎疾患病態における翻訳後調節因子として重要な意義を持つと考えられ今後の解析が望まれる。
バルプロ酸の薬理作用と脳内代謝機能に及ぼす影響に関する研究

バルプロ酸の臨床作用機序を、バルプロ酸のglycogen synthase kinase3β(GSK3β)に対する阻害作用に注目して検討した。実験動物の海馬歯状回におけるGSK3βの発現を抑制したところ、強制水泳試験および尾懸垂試験において抗うつ様効果観察された。従って、バルプロ酸のGSK3β阻害作用が、バルプロ酸の臨床作用機序と関係している可能性が示唆された。次に、バルプロ酸の中枢神経系における副作用の発症機序を、脳ミトコンドリア機能への直接的な影響に注目して検討した。実験動物の脳切片にバルプロ酸を投与すると、ミトコンドリア機能は低下した。従って、バルプロ酸はミトコンドリアを傷害して中枢神経系副作用を引き起こす可能性があることが示唆された。バルプロ酸の作用機序および中枢神経系副作用(Reye症候群などの代謝性脳症やパーキンソン症候群など)のメカニズムを探るため、ラット新鮮脳切片に対してdynamic positron autoradiography technique (dPAT)を用いた[^<18>F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose ([^<18>F]FDG)取り込み実験およびテトラゾリウム塩WST-1を用いた比色分析法によるミトコンドリア機能の測定を行い、バルプロ酸による脳内代謝活動(グルコース代謝、ミトコンドリア機能)への直接的な影響について評価した。その結果、10mM以上のバルプロ酸を投与した場合、対照群に比べ[^<18>F]FDG取り込みが増加した。テトラゾリウム塩WST-1は、ミトコンドリアの呼吸鎖に属する脱水素酵素(succinate-tetrazolium reductaseシステム)により還元され、水溶性ホルマザン色素を生じる。この発色を比色定量することにより、バルプロ酸による脳切片のミトコンドリア機能の変化を測定した。バルプロ酸およびWST-1を含む灌流液で脳切片をインキュベートし、組織中の発色を分光光度計で測定した。その結果、30mM以上のバルプロ酸を投与した場合、ミトコンドリア機能が対照群に比べて有意に低下した。以上の結果から、バルプロ酸によりミトコンドリアでの好気的糖代謝が低下したため、代償的に嫌気的糖代謝が亢進したと考えられた。これら脳内代謝活動の変化が、バルプロ酸の作用機序および中枢神経系副作用(Reye症候群などの代謝性脳症やパーキンソン症候群など)の発症機序に何らかの形で関与することが想定された。バルプロ酸やリチウムといった気分安定薬は、躁うつ病をはじめとする気分障害の代表的な治療薬である。これら気分安定薬の作用機序として近年、glycogen synthase kinase 3β(GSK3β)の阻害効果が注目されている。そこで我々は、レンチウイルスシステムを用いたin vivoでのRNA interference (RNAi)によるGSK3β阻害の抗うつ様効果を検討した。マウスに対して抗GSK3βshort hairpin RNA (shRNA)を誘導するレンチウイルス液を、気分障害との関係で注目されている脳部位の一つである海馬歯状回に投与した。どのRNAも阻害しないscrambled shRNAを誘導するレンチウイルスを投与したコントロール群と比較すると、強制水泳試験および尾懸垂試験において無動時間が短縮し、GSK3β阻害の抗うつ様効果が観察された。免疫組織化学法を用いて抗GSK3βshRNAによるGSK3βの発現抑制を確認したところ、特に歯状回顆粒細胞下層でのGSK3β発現抑制が認められた。以上より、気分安定薬の作用機序には歯状回におけるGSK-3βの持続的な抑制が関与している可能性が示唆された。
地球磁場形状に適合した全球電離圏モデルによる数百ｋｍスケール擾乱要因の研究

我々は、これまで地表から熱圏までの中性大気領域と電離圏を統合した地球全大気モデルGAIAを開発してきた。本研究では、将来的な数値予測に向けてGAIAの精緻化と現実の現象を再現するための開発を実施した。具体的には、空間分解能を1度(100km)に向上させるとともに、地球磁場に沿った電離圏の振る舞いを表現できるように数値手法を改良した。また、気象再解析データを利用した現実ベースのシミュレーションを19年分実施し、観測や他のモデルとの比較を通じて検証を行った。精緻化されたGAIAでは、近年観測される数100kmスケールの現象が再現されており、今後同スケールの電離圏現象の解明に有用となりうる。本研究では、これまで開発してきた大気圏ー電離圏統合モデルを高精度化し、現実に観測されるSED、MSTID、LSWSなど数100kmスケール電離圏現象の再現を目指す。そして、全球統合モデルの利点を活かし、現象の全貌解明に迫る。本年度は以下の研究開発項目を実施した。(1)-ii.地球磁場形状に適合したシミュレーション格子の開発、(1)-iii.高高度領域のダイナミクスの導入(差分方程式・スキームの変更):地球磁力線に沿った電離圏プラズマの運動を安定かつ正確に再現するため、磁力線に沿ったシミュレーション格子の配置および時間微分項の導入を進めている。今年度は詳細の検討と実装を進めた。全て磁力線座標にすると磁力線と垂直な方向の輸送について計算精度が悪化することが解り、従来の球座標と磁力線座標の併用の方針で進めている。(2)-i.モデルの検証(モデル間比較)、(2)-ii.モデルの検証(現実指向型シミュレーションの実行と観測との比較):今年度はコードの並列高速化を進め、過去18年間分の気象再解析データを導入した大気圏-電離圏シミュレーションを行うことができた。そして、観測と比較検証を行った。中層大気においては、過去に発生した成層圏昇温とそれに伴う大気ダイナミクスの変動が再現されていることを確認した。そのうちの1つのイベントについては、米国グループとのモデル間比較研究も行った。そして、モデルに依らない現象の描像を明らかにするとともに、重力波パラメータなどの違いの影響などモデル開発の課題を明らかにした。また、電離圏においては、イオノゾンデによる観測との比較を行い、太陽活動度や太陽自転に伴う変動から下層大気に由来する変動がそれぞれ再現されていることを確認した。しかし、特に半年から太陽活動サイクルに伴う変動の振幅が観測に比べて数十%小さいことが解り、今後の開発課題が明らかになった。(1)-i.既存の電離圏モデルの整備:本研究で拡張を予定している電離圏モデルは、長年に渡って複数の開発者が「上書き式」に更新を繰り返してきたため、内容把握が困難な上に計算環境や仕方の変更に応じて計算エラーが生じる状況であった。そこで、本研究の第1段階としてコードの中身を精査して構成や細部を整備し、各ルーチンのオブジェクト化を行った。これにより、コードの可読性と拡張性が改善されると同時に計算も安定化し、本研究の開発基盤が整った。(1)-iv.高空間分解能化:電離圏モデルの空間分解能を可変にする拡張を行い、当初の5倍となる分解能(経度1度×緯度1度)の計算も可能となった。これにより、分解能上は数100kmスケールの電離圏現象を再現する目標に近づいた。一方で計算量が増大するため、並列計算技術(MPIおよびSMP)の導入も併せて行い、現時点で当初の6倍程度の計算速度に改善した。(2)-ii.現実指向型シミュレーションの実行と観測との比較:大気圏-電離圏統合モデル(拡張前のバージョン)の低層部分に気象庁から提供される客観解析データを組み込み、現実ベースの大気圏・電離圏シミュレーションを実施した。そして同期間の衛星観測との比較を行い検証した。特に2009年1月に発生した成層圏突然昇温のような大規模なイベントに関して、中層大気から電離圏までの特徴的な振る舞いがモデルで再現されており、データ解析を通じて大気間の結合過程を明らかにすることが出来た(Jin et al., 2012; Liu et al., 2013)。本研究では、これまで開発してきた大気圏ー電離圏統合モデルを高精度化し、現実に観測されるSED、MSTID、LSWSなど数100kmスケール電離圏現象の再現を目指すものである。本年度は以下の開発項目を実施した。(2) - ii.モデルの検証(現実志向型シミュレーションの実行と観測との比較):今年度は、昨年度までに構築した気象再解析データおよび太陽放射強度(F10.7指数)を入力とする大気圏-電離圏統合モデルの長期間計算データについて、電離圏観測や全球経験モデル(IRI、MSIS、HWM)との比較を行った。イベントベースでなく、太陽サイクル、季節に跨って検証を行うことにより、モデルの特性が明らかとなった。特に太陽活動度が高い時に、電離圏の高高度ダイナミクスや電子温度に関する数値手法が問題となり、実際の電子密度分布と大きくずれることが解った。

また、長期間計算データについては、他の研究で利用できると有用であろうとのアドバイスを頂き、標準フォーマットであるNetCDF4形式のデータベースを作成し。国内外の研究者に利用され始めいる。(1) - ii.地球磁場形状に適合したシミュレーション格子の開発、(1) - iii.高高度領域のダイナミクスの導入(差分方程式・スキームの変更):前述したように、電離圏高高度ダイナミクスについての数値的な扱いに由来する観測とのずれが大きいため、差分式の改良を行った。具体的には、イオン運動量の方程式において、従来は運動の慣性を表す項(時間微分項)を無視できるほど小さいと見做し省略してきたところを、今回新たに手法を検討し、磁力線に沿ったイオンの慣性を導入した。その結果、観測とずれが大きかった電子密度分布について大きく改善することが解った。今後は、電子温度についての数値手法の改良と、未導入である現実的な地球磁場形状を取り入れる方針である。本研究では、これまで開発してきた大気圏ー電離圏統合モデルを高精度化し、現実に観測されるSED、MSTID、LSWSなど数100kmスケール電離圏現象の再現を目指すものである。本年度は以下の開発項目を実施した。(1)-iii.「高高度領域のダイナミクスの導入」:前年度に引き続き、大気圏ー電離圏統合モデルについて数値的な取扱いの改良を実施した。具体的には、これまで鉛直1次元でしか考慮していなかった電子温度の方程式について、磁力線に沿った3次元の拡散を解けるようにモデルを改良した。数値解法上は、差分式を陰解法で解く必要があり、現実的な時間で計算できるよう並列分散化するなど工夫を施した。本改良により、F層の電子温度だけでなく密度分布についても、シミュレーション結果と(観測に基づく)国際標準電離圏モデルとのずれが小さくなった。本成果については2016年5月に開催の日本地球惑星連合大会にて発表する予定である。(3)「数100kmスケール現象(SED、MSTID、LSWS)の再現と解析」:ここ数年の電離圏観測では局所的な擾乱源から数100kmスケールで同心円状に広がる電離圏擾乱が観測されており、中規模電離圏擾乱(MSTID)の研究が進展しつつある。本研究では大気圏ー電離圏統合モデルの検証を行いつつ、数値解法上の改良と高分解能化を行ってきたが、それらを統合して計算結果を見たところ、同じ規模の同心円状の擾乱の広がりが再現されていることが分った。未だ解析は初期段階であり、詳細な解析や論文への投稿など今後行う予定である。我々は、これまで地表から熱圏までの中性大気領域と電離圏を統合した地球全大気モデルGAIAを開発してきた。本研究では、将来的な数値予測に向けてGAIAの精緻化と現実の現象を再現するための開発を実施した。具体的には、空間分解能を1度(100km)に向上させるとともに、地球磁場に沿った電離圏の振る舞いを表現できるように数値手法を改良した。また、気象再解析データを利用した現実ベースのシミュレーションを19年分実施し、観測や他のモデルとの比較を通じて検証を行った。精緻化されたGAIAでは、近年観測される数100kmスケールの現象が再現されており、今後同スケールの電離圏現象の解明に有用となりうる。交付申請書に掲げた研究実施計画のうち、(1)-iii.「高高度領域の電離圏ダイナミクスの導入」、(2)-ii.