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論文

Role of advection in atmospheric ammonia; A Case study at a Japanese lake basin influenced by agricultural ammonia sources

久保田 智大; 黒田 久雄*; 渡邊 未来*; 高橋 晃子*; 中里 亮治*; 樽井 美香*; 松本 俊一*; 中川 圭太*; 沼田 康子*; 大内 孝雄*; et al.

Atmospheric Environment, 243, p.117856_1 - 117856_9, 2020/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:10.2(Environmental Sciences)

大気アンモニア(NH$$_{3}$$)の乾性沈着は水圏生態系への窒素負荷経路の1つである。アジア諸国におけるNH$$_{3}$$の最大の排出源の一つである農業・畜産は、NH$$_{3}$$濃度の空間的及び季節的変動を引き起こし、乾性及び湿性沈着により湖沼流域へ影響を与えることが知られている。しかし、観測ネットワークの不足から、流域スケールでのNH$$_{3}$$濃度の空間分布はよく知られていない。本稿では、農業・畜産が盛んな流域(霞ヶ浦流域)でのNH$$_{3}$$濃度の空間的及び季節的変動の支配的要因を明らかにすることを目的とした。観測は2018年10月10日から2020年1月14日まで、合計36地点で行った。観測期間中の平均NH$$_{3}$$濃度は、農用地,湖,住宅地,森林の順に高かった。畜舎近傍で観測されたNH$$_{3}$$濃度は夏季より冬季の方が高く、気温に依存する揮発プロセスに基づくNH$$_{3}$$排出量の季節変化と異なった。農用地や湖のNH$$_{3}$$濃度と気象要素との比較から、排出源からのNH$$_{3}$$の移流の季節変化の重要性が示唆された。湖上のNH$$_{3}$$の乾性沈着量を推定したところ、全窒素の湿性沈着量を上回る可能性がある。湖への乾性沈着は植物プランクトンの増殖プロセスに関連することが知られており、水圏生態系の管理を行う上でNH$$_{3}$$の移流を考慮するべきである。

論文

量子多体系・高精度シミュレーションの研究開発; 密度行列繰り込み群法の超並列化と大規模計算

山田 進; 五十嵐 亮; 奥村 雅彦*; 今村 俊幸*; 町田 昌彦

応用数理, 20(2), p.132 - 147, 2010/06

本論文は、CREST及び科学研究費補助金の研究計画に従い、量子多体系のシミュレーション手法である密度行列繰り込み群(DMRG)法の並列化に関する研究成果の発表である。特筆すべき成果は、超並列計算機を想定し、問題の物理的性質を考慮した並列化手法を提案した点にあり、実際に東京大学のT2Kクラスタシステムを利用したシミュレーションにより1000を超えるコア数でも並列化の効果が得られることを確認した。この結果から、本成果は次世代計算機のような超並列計算機の性能を有効に利用するための、重要な1つの並列化の指針になることが期待される。

論文

Simulation study on unfolding methods for diagnostic X-rays and mixed $$gamma$$ rays

橋本 周; 大高 雅彦; 荒 邦章; 神野 郁夫; 今邨 亮*; 三上 研太*; 野宮 聖一郎*; 尾鍋 秀明*

Journal of Nuclear Science and Technology, 46(1), p.76 - 82, 2009/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

X線のエネルギー分布を測定する光子検出器について、先に報告したが、ここでは、その検出器を用いた、診療X線と$$^{137}$$Csと$$^{60}$$Coの混合$$gamma$$線源の測定に用いるアンフォウルディング手法について論じる。さまざまな診療X線に対する応答関数は相互の区別がほとんどつかず、誤差低減法によるアンフォウルディング手法は十分に機能しない。この場合、スペクトルサーベイ手法が有効である。しかしながら、混合$$gamma$$線の測定では誤差低減法は適用可能である。両ケースにおいて、ニューラルネットワーク手法の適用が期待できることも示された。

論文

Application of MpCCI to a wing aeroclaticity problem; Report on in-progress work

大西 亮一*; Guo, Z.*; 今村 俊幸; 平山 俊雄

GMD Report 132, 1 Pages, 2001/04

原研計算科学技術推進センターでは多原理統合手法に基づいたシミュレーションの統合の研究が進められている。緩連結(loosely coupled)した流体-構造コードは、その先駆的なコードとして原研で開発され、さらに複数並列計算機を統合した環境下でその効果が確認されている。これまでの研究では、複数コードの連結には独自に開発したインターフェースを利用してきたが、ドイツ情報処理研究所(GMD)が開発したMpCCI(Mesh based Parallel Code Coupling Interface)を利用することにより複数アプリケーションの結合を各アプリケーションと分離した形で取り扱うことができるようになる。本報告では構造解析部分にMECANOとよばれる商用コードを利用しており、商用コードとのインターフェイスを準備することで商用コード間の結合がなされたことを示す。また、原研が開発してきた異機種並列計算機間通信ライブラリStampiとMpCCIを結合させた新たなライブラリの利用を通じて、将来異機種環境での効率的なアプリケーションの実行を計画していることも併せて報告する。

口頭

Next-generation quantum many-body simulation project toward petaflops computing; Density matrix renormalization group method on massively parallel computer

山田 進; 今村 俊幸*; 奥村 雅彦; 五十嵐 亮; 町田 昌彦

no journal, , 

高温超伝導物質などの物性調査には、ミクロレベルでの大規模な計算が必要であり、その計算法の1つに密度行列繰り込み群(DMRG)法がある。DMRG法は本来1次元構造のモデル用に開発された方法であるが、実際の物質の多くの構造は2次元であり、手法を準2次元モデル用に拡張することが望まれている。しかし、高精度を保ったままDMRG法を準2次元モデル用に適用すると、計算量が指数関数的に増加する。そこで、次世代計算機の利用を想定し、モデルの物理的性質から導出される並列性を利用してDMRG法を並列化した。実際に東京大学のT2Kスーパークラスタシステムを利用して性能評価を実施し、512コアを用いた並列計算においても、並列化の効果が得られることを確認した。また、準2次元モデルを現実的な計算時間でシミュレーションすることに成功した。本発表では、これらの並列化手法と並列化性能について報告する。

口頭

密度行列繰り込み群法における大規模固有値計算の並列化

山田 進; 今村 俊幸*; 奥村 雅彦; 五十嵐 亮; 町田 昌彦

no journal, , 

量子効果が強く第一原理計算が有効に利用できない物質群の物性を調査するシミュレーション方法の1つに密度行列繰り込み群(DMRG)法がある。高温超伝導などの興味深い現象を示す物質の多くは2次元の構造をしているため、本来1次元に粒子が並んだ量子モデル用に開発されたシミュレーション手法であるDMRG法を準2次元モデル用に拡張することが望まれている。しかし、準2次元モデル用への拡張に伴って計算量やメモリ量が指数関数的に増加するため、この拡張には並列化が必須である。そこで、本研究では超並列計算機の利用を想定し、モデルの物理的性質から導出される並列性を利用した並列化を提案した。実際に東京大学のT2Kスーパークラスタシステムで現実的な準2次元モデルを並列計算したところ、1024コアを利用しても、並列計算の効果が得られ、高速化することが確認できた。

口頭

ペタフロップスマシンに向けた密度行列繰り込み群法の大規模並列化手法

山田 進; 今村 俊幸*; 奥村 雅彦; 五十嵐 亮; 町田 昌彦

no journal, , 

第一原理計算が有効に利用できない量子効果の強い物質群の物性を調査するシミュレーション手法の1つに集行列繰り込み群法(DMRG法)がある。このDMRG法は本来1次元の格子モデル用に開発された方法である。しかし、高温超伝導などの興味深い現象を示す物質の多くは2次元構造をしているため、DMRG法を準2次元モデル用に拡張することが望まれている。しかし、高精度を保ったまま、DMRG法を準2次元モデル用に拡張すると計算量やメモリ使用量が指数関数的に増加するため、2次元化のためには並列計算が必須となる。そこで、発表者らは、物理モデルの並列性を利用し、次世代計算機のような超並列計算の利用を想定した並列計算手法を提案した。実際に、東京大学のT2Kクラスタシステムを利用して準2次元モデルを並列計算したところ、1000コアを超える並列計算においても、並列化の効果が得られ、高速化することが確認できた。この結果から、本並列計算手法が超並列計算機向きであることが示せた。

口頭

High performance computing of density matrix renormalization group method for 2-dimensional model; Parallelization strategy toward peta computing

山田 進; 今村 俊幸*; 奥村 雅彦*; 五十嵐 亮; 大西 弘明; 町田 昌彦

no journal, , 

本発表では、CREST及び科研費の研究計画に従い、実施した量子多体問題の高精度数値計算手法の並列化及び高速化について発表する。発表内容は準2次元の量子問題用に拡張した密度行列繰り込み群(DMRG)法を大規模並列計算機で高速に実行する方法に関する研究成果である。DMRG法を並列化すると全プロセッサ間での通信が必要になるが、この通信はペタコンピュータのような大規模な並列計算機では性能低下の原因になる。そこで、問題の物理的性質に着目し、通信パターンを適切に組合せることで、全プロセッサ間での通信が不要になる通信アルゴリズムを提案した。実際に、原子力機構のBX900及び東京大学のT2Kを利用したテスト計算から、これまでの通信量とほぼ変わらないにもかかわらず、通信時間は3分の1から4分の1程度に減少することを確認した。なお、本成果は科学技術振興機構・受託研究「超伝導新奇応用のためのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション基盤の構築」の研究成果である一方、原子力材料のマルチスケールシミュレーション研究開発にも資する成果である。

口頭

次世代計算機「京」での高性能並列計算に向けた密度行列繰り込み群法の超大規模並列化

山田 進; 今村 俊幸*; 奥村 雅彦; 五十嵐 亮; 山本 篤史; 町田 昌彦

no journal, , 

本発表は、CREST及び科研費研究の計画に従い実施した密度行列繰り込み群法(DMRG法)の次世代計算機「京」向きの並列化に関する研究成果である。特筆すべき成果は、並列DMRG法の通信アルゴリズムに着目し、数万個のプロセッサで効率的な通信を可能にする通信アルゴリズムを提案し、実際に原子力機構のFujitsu PRIMERGY BX900で1000を超える並列数でも有効な通信アルゴリズムであることを確認したことである。この結果から、実際に次世代計算機「京」の性能を有効に利用できると期待される。なお、本成果は科学技術振興機構・受託研究「超伝導新奇応用のためのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション基盤の構築」の研究成果である一方、原子力材料のマルチスケールシミュレーション研究開発にも資する成果である。

口頭

Structural characteristics of the active site of $$beta$$-Lactamase TOHO-1 determined by combined high-resolution neutron and X-ray crystallography

栗原 和男; 角南 智子; 山田 貢; 似内 靖*; 岡崎 伸生; 安達 基泰; 玉田 太郎; 島村 達郎*; 宮野 雅司*; 石井 良和*; et al.

no journal, , 

$$beta$$-ラクタマーゼの活性を議論するため、$$beta$$-ラクタマーゼToho-1・R274N/R276N変異体(Toho-1/NN)結晶(サイズ: 2.6$$times$$2.5$$times$$1.3mm$$^{3}$$)に対してリガンドが結合していない状態の中性子/X線結晶構造解析を高分解能(中性子: 1.5${AA}$, X線: 1.4${AA}$)で行うことに成功した。プログラムPHENIXを用い構造精密化を行った結果(R-factor: 19.7%)、Glu166はLys73のアミノ基(-NH3$$_{+}$$)の正電荷に隣接した位置にもかかわらずpH7においてもプロトン化していることが示された。また、プロトン化したGlu166とSer70・Ser237の主鎖の窒素原子によって形成されるオキシアニオンホールとの間を繋ぐ水和水ネットワークの存在を見いだした。さらに、Glu166とSer70間を繋ぐ触媒水と推定されている水分子の詳細な配置が明らかになった。これらの観察結果は、$$beta$$-ラクタマーゼToho-1の触媒反応機構の理解のために重要である。

口頭

移流の重要性; 農業系アンモニア揮散の影響を受けた霞ヶ浦流域における事例研究

堅田 元喜*; 久保田 智大; 黒田 久雄*; 渡邊 未来*; 高橋 晃子*; 中里 亮治*; 樽井 美香*; 松本 俊一*; 中川 圭太*; 沼田 康子*; et al.

no journal, , 

大気アンモニア(NH$$_{3}$$)の乾性および湿性沈着は、湖沼の富栄養化の原因を明らかにする上で考慮すべき重要な窒素負荷経路である。作物や畜産などの農業系はアジア諸国における最大のNH$$_{3}$$排出源の一つであり、空間的にも時間的にも変動が大きい。一般に、NH$$_{3}$$の揮散(排出)速度は夏季や施肥の時期に最大になることが知られているが、多くのアジア諸国ではNH$$_{3}$$濃度のモニタリングは限定的であり、流域スケール(数10から数100km$$^{2}$$)のNH$$_{3}$$濃度の支配的要因はわかっていない。本研究では、富栄養湖である茨城県霞ヶ浦の流域とその周辺でNH$$_{3}$$濃度の多地点観測を実施し、地上気象データや既往のNH$$_{3}$$排出量マップとの比較から、その空間分布や季節変動を決定している要因を検討した。そのために、霞ヶ浦流域を網羅する36地点に拡散型パッシブサンプラー(小川商会製)を設置し、2018年6月から2020年1月まで月平均NH$$_{3}$$濃度の観測を行い、得られたNH$$_{3}$$濃度と全国1kmメッシュのNH$$_{3}$$排出量推計マップ・地上気象データとの関係を比較した。その結果、排出量推計値が最大である地域では、NH$$_{3}$$濃度が夏季に比べて冬季の方が高かった。これは、気温上昇や施肥などの揮散プロセスをNH$$_{3}$$の空間分布の支配的要因とする既往の研究に対して、本研究のような流域スケールでは風向の季節変動が支配的になりうる可能性が示された。

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