[論文レビュー] Modeling sea level changes and geodetic variations by glacial isostasy: the improved SELEN code

Giorgio Spada, Daniele Melini+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 18被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、氷床融解に伴うグレーシャル・イソスタティック・アジャストメント（GIA）効果をモデル化するための、数値的にシーレベル方程式（SLE）を解くオープンソースのFortran 90コードであるSELEN 2.9を提示する。改良されたコードは、計算効率、ポータビリティ、および使いやすさを向上させ、過去および現在の地殻変動、相対的海面変化、重力場変化のシミュレーションに適している。応用は、世界中の幹潮儀器ステーションおよび重力場のストークス係数を用いて検証されている。

ABSTRACT

We describe the basic features of SELEN, an open source Fortran 90 program for the numerical solution of the so-called "Sea Level Equation" for a spherical, layered, non-rotating Earth with Maxwell viscoelastic rheology. The Sea Level Equation was introduced in the 70s to model the sea level variations in response to the melting of late-Pleistocene ice-sheets, but it can be also employed for predictions of geodetic quantities such as vertical and horizontal surface displacements and gravity variations on a global and a regional scale. SELEN (acronym of SEa Level EquatioN solver) is particularly oriented to scientists at their first approach to the glacial isostatic adjustment problem and, according to our experience, it can be successfully used in teaching. The current release (2.9) considerably improves the previous versions of the code in terms of computational efficiency, portability and versatility. In this paper we describe the essentials of the theory behind the Sea Level Equation, the purposes of SELEN and its implementation, and we provide practical guidelines for the use of the program. Various examples showing how SELEN can be configured to solve geodynamical problems involving past and present sea level changes and current geodetic variations are also presented and discussed.

研究の動機と目的

• 相対的海面上昇および測地的信号に及ぼすグレーシャル・イソスタティック・アジャストメント（GIA）効果を研究するための、アクセスしやすく、効率的で、ポータブルな数値ソルバーを、シーレベル方程式（SLE）に対して開発すること。
• 特に教育的および研究的応用を念頭に、SELENの以前のバージョンに比べて計算性能とコードの保守性を向上させること。
• 氷床融解に起因する過去および現在の測地的変化（垂直地殻運動、海面上昇、重力場の時間微分）の正確なモデル化を可能にすること。
• 研究者およびGIAモデリングに初めて取り組む学生向けに、使いやすく、自己文書化されたツールを提供すること。実用的な設定例および出力ユーティリティを含む。
• 幹潮儀器ステーションおよび球面調和係数における相対的海面および表面変形の時系列予測を提供することで、測地学的および地球物理学的調査を支援すること。

提案手法

• SELEN 2.9は、マクスウェルの粘弾性リオロジーを用いた、球対称で層状の非回転地球モデルを用いて、SLEを数値的に解く。
• コードは、氷および融雪水による時間変動する表面負荷に対する、粘弾性グリーン関数形式を採用して、表面および重力応答を計算する。
• 地球の重力場のストークス係数の時間微分を、次数ℓ = 9まで計算し、人工衛星測地学と比較可能にする。
• プログラムは、相対的海面上昇、垂直速度、および重力変化の地域的およびグローバルなシミュレーションをサポートする。
• 入力は自己説明的な設定ファイルにより定義され、出力には予測された幹潮儀器の傾きおよび調和係数が含まれる。
• パフォーマンスおよびポータビリティの最適化が図られ、多数のインラインコメントおよびモジュラー構造により、使用および拡張が容易である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SELEN 2.9は、世界中の幹潮儀器ステーションにおいて、現在の相対的海面上昇傾向および垂直地殻運動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 ストークス係数として表現されるGIAに起因する重力場変化が、観測された測地的信号とどの程度一致するか？
• RQ3 SELEN 2.9の向上した計算効率は、グレーシャル・イソスタティック・アジャストメントモデリングにおける大規模または教育的応用をどの程度支援するか？
• RQ4 回転フィードバック、横方向のリオロジー、および海岸線移動を無視したSLE近似の限界は何か？
• RQ5 SELEN 2.9は、バルト海および地中海地域のような長期記録を持つ幹潮儀器ステーションで、観測された測地的傾向を信頼性高く再現できるか？

主な発見

• SELEN 2.9は、120か所以上の幹潮儀器ステーションで、現在の相対的海面上昇傾向および垂直速度を観測値と誤差範囲内で再現した。
• ストックホルムの幹潮儀器では、SELENはGIAに起因する海面上昇を-3.90 mm/yrと予測しており、他の寄与要因を含めた観測傾向（-4.89 mm/yr）と整合的である。
• ストックホルムでは、垂直速度が-4.89 mm/yrであり、95%信頼区間が±0.15 mm/yrの範囲内にあり、モデルの信頼性が非常に高いことを示している。
• ストークス係数の時間微分（ℓ ≤ 9）は、調和次数ごとに体系的な変化を示しており、人工衛星測地学で検出可能な重力場の変化を示している。
• 地中海では、ベニス（P. Salute）におけるGIAに起因する海面上昇傾向は+2.39 mm/yrと予測され、観測傾向と±0.16 mm/yrの誤差範囲内で一致している。
• コードは、フェノスカンジアン地域における強いGIA効果を反映する、ラタンでの高い沈下率（-7.81 mm/yr）を含む、複雑な地域的パターンを効果的にモデル化している。