2022/11/19 更新

写真a

ウメダ タカユキ
梅田 隆行
UMEDA, Takayuki
所属
宇宙地球環境研究所 附属統合データサイエンスセンター 准教授
大学院担当
大学院工学研究科
職名
准教授
連絡先
メールアドレス
外部リンク

学位 1

  1. 博士(情報学) ( 2004年3月   京都大学 ) 

研究キーワード 5

  1. 地球科学

  2. 電磁界

  3. ハイパフォーマンスコンピューティング

  4. プラズマ科学

  5. 計算機シミュレーション

研究分野 4

  1. 情報通信 / 計算科学  / 計算科学

  2. エネルギー / プラズマ科学  / プラズマ科学

  3. 自然科学一般 / 宇宙惑星科学  / 超高層物理学

  4. 情報通信 / 高性能計算  / ハイパフォーマンスコンピューティング

現在の研究課題とSDGs 3

  1. ジオスペースの運動論シミュレーション

  2. 第一原理粒子シミュレーションによる無衝突衝撃波の研究

  3. 電磁界シミュレーション手法の開発と応用

経歴 2

  1. カリフォルニア大学ロサンゼルス校 地球物理学研究所 研究員

    2004年4月 - 2006年3月

  2. 日本学術振興会特別研究員(DC1)

    2001年4月 - 2004年3月

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    国名:日本国

学歴 3

  1. 京都大学   情報学研究科   通信情報システム専攻

    2001年4月 - 2004年3月

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    国名: 日本国

  2. 京都大学   情報学研究科   通信情報システム専攻

    1999年4月 - 2001年3月

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    国名: 日本国

  3. 京都大学   工学部   電気電子工学科

    1995年4月 - 1999年3月

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    国名: 日本国

所属学協会 4

  1. 地球電磁気・地球惑星圏学会

    2000年 - 現在

  2. アメリカ地球物理学連合

    2003年 - 現在

  3. 日本地球惑星科学連合

    2009年 - 現在

  4. アイ・トリプル・イー

    2021年2月 - 現在

委員歴 8

  1. 日本学術振興会   特別研究員等審査委員会専門委員  

    2021年4月 - 2022年3月   

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    団体区分:学協会

  2. サイエンティフィック・システム研究会   A64FXシステムアプリ性能検討WG 推進委員  

    2020年11月 - 2022年10月   

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    団体区分:その他

  3. 高度情報科学技術研究機構   HPCIシステム利用研究課題審査委員会レビュアー  

    2019年10月 - 現在   

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    団体区分:学協会

  4. サイエンティフィック・システム研究会   メニーコア時代のアプリ性能検討WG 推進委員  

    2017年1月 - 2018年12月   

  5. 生存圏フォーラム   運営委員  

    2014年6月 - 2018年2月   

  6. サイエンティフィック・システム研究会   ポストペタアプリ性能WG 推進委員  

    2014年3月 - 2016年2月   

  7. 京都大学生存圏研究所   KDK共同利用専門委員  

    2012年4月 - 現在   

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    団体区分:その他

  8. サイエンティフィック・システム研究会   マルチコアクラスタ性能WG 推進委員  

    2010年12月 - 2013年5月   

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受賞 5

  1. 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2018) Poster Prize

    2018年11月   Division of Plasma Physics, Association of Asia Pacific Physical Societies   Non-MHD effects in the nonlinear development of the MHD-scale Rayleigh-Taylor instability

    T. Umeda and Y. Wada

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    受賞区分:国際学会・会議・シンポジウム等の賞 

  2. 科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞

    2015年4月   文部科学省   先端的宇宙プラズマ計算機シミュレーション手法の研究

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    受賞区分:国内外の国際的学術賞  受賞国:日本国

  3. 大林奨励賞

    2012年10月   地球電磁気・地球惑星圏学会   計算機シミュレーション手法の開発とその宇宙プラズマ現象への応用

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    受賞区分:国内学会・会議・シンポジウム等の賞  受賞国:日本国

  4. Best Presentations Award for International Conference of Frontiers in Computational Science 2008 Grant Prix

    2008年11月   Frontiers in Computational Science 2008 Program Committee   Vlasov code simulation of GEM reconnection challenge

    K. Togano, T. Umeda, and T. Ogino

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    受賞区分:国際学会・会議・シンポジウム等の賞  受賞国:日本国

  5. 国際電波科学連合若手研究者賞

    2005年10月   国際電波科学連合  

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    受賞区分:国際学会・会議・シンポジウム等の賞 

 

論文 102

  1. A new integrator for relativistic E-cross-B motion of charged particles 査読有り

    Umeda Takayuki

    JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS   472 巻   2023年1月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Computational Physics  

    A new explicit numerical scheme for integrating the relativistic equations of motion for electrically charged particles is proposed as an alternative to the Boris integrator. It has been known that the original Boris integrator includes a large numerical error in the relativistic motion, although the integrator has been used in particle-in-cell simulations of plasma for a half century. The present integrator approximates the theoretical trajectory of the relativistic E-cross-B motion for a charged particle more accurately than the previous explicit integrators such as the Boris, Vay, and Higuera-Cary ones.

    DOI: 10.1016/j.jcp.2022.111694

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  2. Multicolor reordering for computing moments in particle-in-cell plasma simulations 査読有り

    Umeda Takayuki

    COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS   281 巻   2022年12月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Computer Physics Communications  

    Thread parallelism in the computation of the current density/charge density in particle-in-cell plasma simulations has been performed by using the reduction operation conventionally, which is known to have a larger computational overhead with a larger number of threads. In the present study, two types of multicolor reordering, i.e., loop striding and loop tiling/blocking are introduced for a particle shape function with an arbitrary degree, which is free from the reduction operation. The present performance measurement result suggests that the loop tiling is superior to the loop striding.

    DOI: 10.1016/j.cpc.2022.108499

    Web of Science

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  3. High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest 査読有り

    Yamazaki R., Matsukiyo S., Morita T., Tanaka S. J., Umeda T., Aihara K., Edamoto M., Egashira S., Hatsuyama R., Higuchi T., Hihara T., Horie Y., Hoshino M., Ishii A., Ishizaka N., Itadani Y., Izumi T., Kambayashi S., Kakuchi S., Katsuki N., Kawamura R., Kawamura Y., Kisaka S., Kojima T., Konuma A., Kumar R., Minami T., Miyata I, Moritaka T., Murakami Y., Nagashima K., Nakagawa Y., Nishimoto T., Nishioka Y., Ohira Y., Ohnishi N., Ota M., Ozaki N., Sano T., Sakai K., Sei S., Shiota J., Shoji Y., Sugiyama K., Suzuki D., Takagi M., Toda H., Tomita S., Tomiya S., Yoneda H., Takezaki T., Tomita K., Kuramitsu Y., Sakawa Y.

    PHYSICAL REVIEW E   105 巻 ( 2 )   2022年2月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevE.105.025203

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  4. Multi-scale evolution of Kelvin-Helmholtz waves at the Earth's magnetopause during southward IMF periods 査読有り

    Nakamura T. K. M., Blasl K. A., Hasegawa H., Umeda T., Liu Y-H, Peery S. A., Plaschke F., Nakamura R., Holmes J. C., Stawarz J. E., Nystrom W. D.

    PHYSICS OF PLASMAS   29 巻 ( 1 )   2022年1月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    At the Earth's low-latitude magnetopause, the Kelvin-Helmholtz instability (KHI), driven by the velocity shear between the magnetosheath and magnetosphere, has been frequently observed during northward interplanetary magnetic field (IMF) periods. However, the signatures of the KHI have been much less frequently observed during southward IMF periods, and how the KHI develops under southward IMF has been less explored. Here, we performed a series of realistic 2D and 3D fully kinetic simulations of a KH wave event observed by the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission at the dusk-flank magnetopause during southward IMF on September 23, 2017. The simulations demonstrate that the primary KHI bends the magnetopause current layer and excites the Rayleigh-Taylor instability (RTI), leading to penetration of high-density arms into the magnetospheric side. This arm penetration disturbs the structures of the vortex layer and produces intermittent and irregular variations of the surface waves which significantly reduces the observational probability of the periodic KH waves. The simulations further demonstrate that in the non-linear growth phase of the primary KHI, the lower-hybrid drift instability (LHDI) is induced near the edge of the primary vortices and contributes to an efficient plasma mixing across the magnetopause. The signatures of the large-scale surface waves by the KHI/RTI and the small-scale fluctuations by the LHDI are reasonably consistent with the MMS observations. These results indicate that the multi-scale evolution of the magnetopause KH waves and the resulting plasma transport and mixing as seen in the simulations may occur during southward IMF.

    DOI: 10.1063/5.0067391

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  5. Evaluating higher moments in the transverse Kelvin-Helmholtz instability by full kinetic simulation 査読有り

    Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   27 巻 ( 3 )   2020年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    Approximated forms of the third and fourth moments of a velocity distribution function are derived by using a perturbed velocity distribution function around a characteristic spatial scale on the gyroradius derived by Thompson [Rep. Prog. Phys. 24, 363-424 (1961)]. Then, they are evaluated by using a two-dimensional full kinetic Vlasov simulation result of the transverse Kelvin-Helmholtz instability. It is shown that the derived form of the fourth moment is in agreement with the one calculated from the distribution function data of the Vlasov simulation. On the other hand, the derived form of the third moment is quite different from the one (i.e., heat flux tensor) calculated from the distribution function data of the Vlasov simulation. The results suggest that the perturbed velocity distribution function of Thompson needs an improvement.

    DOI: 10.1063/1.5139442

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  6. Stability of Contact Discontinuities in Electrostatic Hybrid- and Full-Vlasov Simulations 査読有り

    Tsujine Naru, Haruki Takayuki, Umeda Takayuki, Nariyuki Yasuhiro, Sato Masahiro

    PLASMA AND FUSION RESEARCH   15 巻   2020年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1585/pfr.15.1401002

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  7. Disturbance of the Front Region of Magnetic Reconnection Outflow Jets due to the Lower-Hybrid Drift Instability 査読有り

    Nakamura T. K. M., Umeda T., Nakamura R., Fu H. S., Oka M.

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   123 巻 ( 23 )   2019年12月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physical Review Letters  

    A 3D fully kinetic simulation shows that the lower-hybrid drift instability disturbs the front of magnetic reconnection outflow jets and additionally causes energy dissipation. The result is very consistent with a disturbance observed at the dipolarization front (DF) in Earth's magnetotail by the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission. A fully kinetic dispersion relation solver, validated by the MMS observations, further predicts that the disturbance of the reconnection jet front could occur over different parameter regimes in space plasmas including Earth's DF and solar flares.

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.235101

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  8. Mach number and plasma beta dependence of the ion temperature perpendicular to the external magnetic field in the transition region of perpendicular collisionless shocks 査読有り

    Yamazaki Ryo, Shinoda Ayato, Umeda Takayuki, Matsukiyo Shuichi

    AIP ADVANCES   9 巻 ( 12 )   2019年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.5129067

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  9. Vlasov code simulation of contact discontinuities 査読有り

    Umeda Takayuki, Tsujine Naru, Nariyuki Yasuhiro

    PHYSICS OF PLASMAS   26 巻 ( 10 )   2019年10月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    The stability of contact discontinuities formed by the relaxation of two Maxwellian plasmas with different number densities but the same plasma thermal pressure is studied by means of a one-dimensional electrostatic full Vlasov simulation. Our simulation runs with various combinations of ion-to-electron ratios of the high-density and low-density regions showed that transition layers of density and temperature without jump in the plasma thermal pressure are obtained when the electron temperatures in the high-density and low-density regions are almost equal to each other. However, the stable structure of the contact discontinuity with a sharp transition layer on the Debye scale is not maintained. It is suggested that non-Maxwellian velocity distributions are necessary for the stable structure of contact discontinuities.

    DOI: 10.1063/1.5100314

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  10. Multi-step Boris rotation schemes for Lorentz force equation of charged particles 査読有り

    Umeda Takayuki

    COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS   237 巻   頁: 37 - 41   2019年4月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Computer Physics Communications  

    A numerical procedure for integrating the rotation equations of electrically charged particles in magnetic fields with higher accuracy is provided. The proposed n-step rotation schemes have the same accuracy with the standard Boris rotation with 1∕2n−1 time step.

    DOI: 10.1016/j.cpc.2018.11.001

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  11. Full particle-in-cell simulation of the interaction between two plasmas for laboratory experiments on the generation of magnetized collisionless shocks with high-power lasers

    Umeda Takayuki, Yamazaki Ryo, Ohara Yutaka, Ishizaka Natsuki, Kakuchi Shin, Kuramitsu Yasuhiro, Matsukiyo Shuichi, Miyata Itaru, Morita Taichi, Sakawa Youichi, Sano Takayoshi, Sei Shuto, Tanaka Shuta J., Toda Hirohumi, Tomita Sara

    PHYSICS OF PLASMAS   26 巻 ( 3 )   2019年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.5079906

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  12. Magnetosonic/whistler mode turbulence influences on ion dynamics

    Saito S., Nariyuki Y., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   25 巻 ( 12 )   2018年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.5053760

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  13. On the Boris solver in particle-in-cell simulation 査読有り

    Zenitani Seiji, Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   25 巻 ( 11 )   2018年11月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A simple form of the Boris solver in particle-in-cell (PIC) simulation is proposed. It employs an exact solution of the Lorentz-force part, and it is equivalent to the Boris solver with a gyrophase correction. As a favorable property for stable schemes, this form preserves a volume in the phase space. Numerical tests of the Boris solvers are conducted by test-particle simulations and by PIC simulations. The proposed form provides better accuracy than the popular form, while it only requires few additional computation time.

    DOI: 10.1063/1.5051077

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  14. Electromagnetic linear dispersion relation for plasma with a drift across magnetic field revisited 査読有り

    Umeda Takayuki, Nakamura Takuma K. M.

    PHYSICS OF PLASMAS   25 巻 ( 10 )   2018年10月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A current across the magnetic field is formed in various situations in plasma. The relative drift between ions and electrons due to the cross-field current becomes a source of various microscopic instabilities. A fully electromagnetic and kinetic linear dispersion relation for plasma with a drift across magnetic field is derived by assuming a uniform background plasma. The dielectric permittivity tensor for shifted Maxwellian velocity distributions is also presented. Linear dispersion relations obtained by using the new dielectric permittivity tensor were confirmed by comparison with the previous studies and with particle-in-cell simulation results.

    DOI: 10.1063/1.5050542

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  15. Oblique Ion-Scale Magnetotail Flux Ropes Generated by Secondary Tearing Modes 査読有り

    Teh Wai-Leong, Nakamura Takuma, Nakamura Rumi, Umeda Takayuki

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   123 巻 ( 10 ) 頁: 8122 - 8130   2018年10月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Geophysical Research: Space Physics  

    We examine Magnetospheric Multiscale observations of three ion-scale magnetic flux ropes (diameter ~6–9 ion inertial lengths) in the Earth's magnetotail reconnection diffusion region with a small guide field. During the event, the electron reconnection exhaust reversed direction together with the reversal of normal magnetic field component. After that, the three ion-scale flux ropes were observed near the ion diffusion region, in which flat-top distributions were found at the field-aligned electrons (<2 keV). The axis orientation and motion velocity of the flux ropes are determined by minimum variance analysis of the electric field component along the flux rope axis, using single-spacecraft measurements. Results show that the three flux rope axes form 13°, 55°, and 55° to the guide field direction and are mostly tilted toward the direction of the reconnecting field. These results are also validated by multiple-spacecraft analysis methods. It is found that the tilted angles agree reasonably well with the predicted angles for secondary tearing modes, suggesting that these ion-scale flux ropes are likely generated by secondary tearing instabilities as those recently found in the three-dimensional kinetic simulations of turbulent magnetic reconnection.

    DOI: 10.1029/2018JA025775

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  16. Periodic self-reformation of rippled perpendicular collisionless shocks in two dimensions 査読有り

    Umeda Takayuki, Daicho Yuki

    ANNALES GEOPHYSICAE   36 巻 ( 4 ) 頁: 1047 - 1055   2018年8月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Annales Geophysicae  

    Large-scale two-dimensional (2-D) full particle-in-cell (PIC) simulations are carried out for studying periodic self-reformation of a supercritical collisionless perpendicular shock with an Alfvén-Mach number MA ∼ 6. Previous self-consistent one-dimensional (1-D) hybrid and full PIC simulations have demonstrated that the periodic reflection of upstream ions at the shock front is responsible for the formation and vanishing of the shock-foot region on a timescale of the local ion cyclotron period, which was defined as the reformation of span styleCombining double low line"" classCombining double low line"text"(quasi-)perpendicular/span> shocks. The present 2-D full PIC simulations with different ion-to-electron mass ratios show that the dynamics at the shock front is strongly modified by large-amplitude ion-scale fluctuations at the shock overshoot, which are known as ripples. In the run with a small mass ratio, the simultaneous enhancement of the shock magnetic field and the reflected ions take place quasi-periodically, which is identified as the reformation. In the runs with large mass ratios, the simultaneous enhancement of the shock magnetic field and the reflected ions occur randomly in time, and the shock magnetic field is enhanced on a timescale much shorter than the ion cyclotron period. These results indicate a coupling between the shock-front ripples and electromagnetic microinstabilities in the foot region in the runs with large mass ratios.

    DOI: 10.5194/angeo-36-1047-2018

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  17. A three-step Boris integrator for Lorentz force equation of charged particles 査読有り

    Umeda Takayuki

    COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS   228 巻   頁: 1-4   2018年7月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.cpc.2018.03.019

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  18. Decay of nonlinear whistler mode waves: 1D versus 2D 査読有り

    Umeda Takayuki, Saito Shinji, Nariyuki Yasuhiro

    PHYSICS OF PLASMAS   25 巻 ( 7 )   2018年7月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.5031483

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  19. Performance Evaluation and Optimization of MagnetoHydroDynamic Simulation for Planetary Magnetosphere with Xeon Phi KNL 査読有り

    Fukazawa K., Soga T., Umeda T., Nanri T.

    Advances in Parallel Computing   32 巻   頁: 178-187   2018年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.3233/978-1-61499-843-3-178

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  20. Performance Analysis of CPU and DRAM Power Constrained Systems with Magnetohydrodynamic Simulation Code 査読有り

    Fukazawa Keiichiro, Ueda Masatsugu, Inadomi Yuichi, Aoyagi Mutsumi, Umeda Takayuki, Inoue Koji

    IEEE 20TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON HIGH PERFORMANCE COMPUTING AND COMMUNICATIONS / IEEE 16TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SMART CITY / IEEE 4TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON DATA SCIENCE AND SYSTEMS (HPCC/SMARTCITY/DSS)     頁: 626-631   2018年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1109/HPCC/SmartCity/DSS.2018.00113

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  21. Generation of intermittent ion acoustic waves in whistler-mode turbulence 査読有り

    Saito S., Nariyuki Y., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   24 巻 ( 7 )   2017年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A two-dimensional, fully kinetic, electromagnetic, particle-in-cell simulation in a magnetized collisionless plasma has been performed, demonstrating the generation of intermittent ion acoustic waves in finite-amplitude whistler-mode turbulence. The self-consistent simulation shows that ion/ion acoustic instability can be driven as a consequence of the nonlinear evolution of whistler-mode turbulence. The instability triggering the generation of ion acoustic waves occurs intermittently in several local regions. We propose that the nonlinear development of the phase-space density that drives kinetic instabilities must be analyzed with greater care if the dissipation of plasma turbulence is to be understood.

    DOI: 10.1063/1.4990443

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  22. Non-MHD effects in the nonlinear development of the MHD-scale Rayleigh-Taylor instability 査読有り

    Umeda Takayuki, Wada Yasutaka

    PHYSICS OF PLASMAS   24 巻 ( 7 )   2017年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    The nonlinear evolution of the Rayleigh-Taylor instability (RTI) at a density shear layer transverse to magnetic field in a collisionless plasma is investigated by means of a fully kinetic Vlasov simulation with two spatial and two velocity dimensions. The primary RTI in the MHD regime develops symmetrically in a coordinate axis parallel to gravity as seen in the previous MHD simulations. The primary RTI in the Hall-MHD regime develops asymmetrically in a coordinate axis parallel to gravity. A compressible flow is formed at the secondary density shear layer by the Hall effect, which generates a strong scalar pressure gradient of ions. A Hall electric field due to the diamagnetic current results in the asymmetric flow at the tip of the finger structure. In the primary RTI with the ion gyro kinetic effect, secondary RTI with a wavelength shorter than the wavelength of the primary RTI is generated at the saturation stage of the primary RTI. A seed perturbation for the secondary RTI is excited by another secondary instability due to the coupling between the electron stress tensor and the Hall electric field. The heat flux term plays an important role in the time development of the total pressure. On the other hand, the contribution of the ion stress tensor is small in both the electric current and the total pressure.

    DOI: 10.1063/1.4991409

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  23. Rapid decay of nonlinear whistler waves in two dimensions: Full particle simulation 査読有り

    Umeda Takayuki, Saito Shinji, Nariyuki Yasuhiro

    PHYSICS OF PLASMAS   24 巻 ( 5 )   2017年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    The decay of a nonlinear, short-wavelength, and monochromatic electromagnetic whistler wave is investigated by utilizing a two-dimensional (2D) fully relativistic electromagnetic particle-in-cell code. The simulation is performed under a low-beta condition in which the plasma pressure is much lower than the magnetic pressure. It has been shown that the nonlinear (large-amplitude) parent whistler wave decays through the parametric instability in a one-dimensional (1D) system. The present study shows that there is another channel for the decay of the parent whistler wave in 2D, which is much faster than in the timescale of the parametric decay in 1D. The parent whistler wave decays into two sideband daughter whistlers propagating obliquely with respect to the ambient magnetic field with a frequency close to the parent wave and two quasi-perpendicular electromagnetic modes with a frequency close to zero via a 2D decay instability. The two sideband daughter oblique whistlers also enhance a nonlinear longitudinal electrostatic wave via a three-wave interaction as a secondary process.

    DOI: 10.1063/1.4982609

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  24. Secondary instabilities in the collisionless Rayleigh-Taylor instability: Full kinetic simulation 査読有り

    Umeda Takayuki, Wada Yasutaka

    PHYSICS OF PLASMAS   23 巻 ( 11 ) 頁: 112117 (8pp.)   2016年11月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    The nonlinear evolution of the Rayleigh-Taylor instability (RTI) at a density shear layer transverse to magnetic field in collisionless plasma is investigated by means of a fully kinetic Vlasov simulation with two spatial and two velocity dimensions. The primary RTI in the MHD regime develops symmetrically in a coordinate axis parallel to gravity as seen in the previous MHD simulations. Small-scale secondary instabilities are generated due to secondary velocity shear layers formed by the nonlinear development of the primary RTI. The secondary instabilities take place asymmetrically in the coordinate axis parallel to gravity. It is suggested that these secondary instabilities correspond to the electron Kelvin-Helmholtz instability generated by the electron velocity shear, whose development depends on the polarity of the inner product between the magnetic field and the vorticity of the velocity shear layer.

    DOI: 10.1063/1.4967859

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  25. Three-dimensional development of front region of plasma jets generated by magnetic reconnection 査読有り

    Nakamura T. K. M., Nakamura R., Baumjohann W., Umeda T., Shinohara I.

    GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS   43 巻 ( 16 ) 頁: 8356-8364   2016年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1002/2016GL070215

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  26. Evaluating gyro-viscosity in the Kelvin-Helmholtz instability by kinetic simulations 査読有り

    Umeda Takayuki, Yamauchi Natsuki, Wada Yasutaka, Ueno Satoshi

    PHYSICS OF PLASMAS   23 巻 ( 5 ) 頁: 054506 (4pp.)   2016年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    In the present paper, the finite-Larmor-radius (gyro-viscous) term [K. V. Roberts and J. B. Taylor, Phys. Rev. Lett. 8, 197-198 (1962)] is evaluated by using a full kinetic Vlasov simulation result of the Kelvin-Helmholtz instability (KHI). The velocity field and the pressure tensor are calculated from the high-resolution data of the velocity distribution functions obtained by the Vlasov simulation, which are used to approximate the Finite-Larmor-Radius (FLR) term according to Roberts and Taylor [Phys. Rev. Lett. 8, 197-198 (1962)]. The direct comparison between the pressure tensor and the FLR term shows an agreement. It is also shown that the anisotropic pressure gradient enhanced the linear growth of the KHI when the inner product between the vorticity of the primary velocity shear layer and the magnetic field is negative, which is consistent with the previous FLR-magnetohydrodynamic simulation result. This result suggests that it is not sufficient for reproducing the kinetic simulation result by fluid simulations to include the FLR term (or the pressure tensor) only in the equation of motion for fluid.

    DOI: 10.1063/1.4952632

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  27. Performance comparison of Eulerian kinetic Vlasov code between flat-MPI parallelism and hybrid parallelism on Fujitsu FX100 supercomputer

    Umeda Takayuki, Fukazawa Keiichiro

    PROCEEDINGS OF THE 23RD EUROPEAN MPI USERS' GROUP MEETING (EUROMPI 2016)   25-28-September-2016 巻   頁: 218-221   2016年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1145/2966884.2966891

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  28. Toward the Generation of Magnetized Collisionless Shocks with High-Power Lasers

    Shoji Yoshitaka, Yamazaki Ryo, Tomita Sara, Kawamura Yushiro, Ohira Yutaka, Tomiya Satoshi, Sakawa Yoichi, Sano Takayoshi, Hara Yukiko, Kondo Sarana, Shimogawara Hiroshi, Matsukiyo Shuichi, Morita Taichi, Tomita Kentaro, Yoneda Hitoki, Nagamine Kazunori, Kuramitsu Yasuhiro, Moritaka Toseo, Ohnishi Naofumi, Umeda Takayuki, Takabe Hideaki

    PLASMA AND FUSION RESEARCH   11 巻 ( 2 )   2016年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1585/pfr.11.3401031

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  29. Hybrid Parallelization of Hyper-Dimensional Vlasov Code with OpenMP Loop Collapse Directive 査読有り

    Umeda Takayuki, Fukazawa Keiichiro

    PARALLEL COMPUTING: ON THE ROAD TO EXASCALE   27 巻   頁: 265 - 274   2016年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Advances in Parallel Computing  

    Space plasma is a collisionless, multi-scale, and highly nonlinear medium. Computer simulations with the first-principle kinetic equation are essential for space plasma studies. In the present study, a hyper-dimensional Vlasov (collisionless Boltzmann) simulation code, which is a first-principle method for collisionless space plasma, is parallelized with two-level hybrid MPI and OpenMP and is benchmarked on massively-parallel supercomputer systems. The benchmark result shows that the loop "collapse" directive option of the OpenMP reduces threading overhead of multiple loops. It is also shown that the hybrid parallelism with MPI and OpenMP is useful to reduce the communication time of MPI collective communication subroutines.

    DOI: 10.3233/978-1-61499-621-7-265

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  30. Note on one-fluid modeling of low-frequency Alfvenic fluctuations in a solar wind plasma with multi-ion components 査読有り

    Nariyuki Y., Umeda T., Suzuki T. K., Hada T.

    PHYSICS OF PLASMAS   22 巻 ( 12 ) 頁: 124502 (4pp.)   2015年12月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A simple point of view that non-zero Alfvén ratio (residual energy) appears as a consequence of one-fluid modeling of uni-directional Alfvén waves in a solar wind plasma is presented. Since relative speeds among ions are incorporated into the one-fluid model as a pressure anisotropy, the Alfvén ratio can be finite due to the decrease in the phase velocity. It is shown that a proton beam component typically found in the solar wind plasma can contribute to generating non-zero Alfvén ratio observed in the solar wind plasma. Local equilibrium velocity distribution functions of each ion component are also discussed by using maximum entropy principle.

    DOI: 10.1063/1.4936798

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  31. Nonlinear damping of a finite amplitude whistler wave due to modified two stream instability 査読有り

    Saito Shinji, Nariyuki Yasuhiro, Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   22 巻 ( 7 ) 頁: 072105 (7pp.)   2015年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A two-dimensional, fully kinetic, particle-in-cell simulation is used to investigate the nonlinear development of a parallel propagating finite amplitude whistler wave (parent wave) with a wavelength longer than an ion inertial length. The cross field current of the parent wave generates short-scale whistler waves propagating highly oblique directions to the ambient magnetic field through the modified two-stream instability (MTSI) which scatters electrons and ions parallel and perpendicular to the magnetic field, respectively. The parent wave is largely damped during a time comparable to the wave period. The MTSI-driven damping process is proposed as a cause of nonlinear dissipation of kinetic turbulence in the solar wind.

    DOI: 10.1063/1.4926523

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  32. A high-resolution global Vlasov simulation of a small dielectric body with a weak intrinsic magnetic field on the K computer 査読有り

    Umeda Takayuki, Fukazawa Keiichiro

    EARTH PLANETS AND SPACE   67 巻 ( 1 ) 頁: 49   2015年4月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Earth, Planets and Space  

    The interaction between the solar wind and solar system bodies, such as planets, satellites, and asteroids, is one of the fundamental global-scale phenomena in space plasma physics. In the present study, the electromagnetic environment around a small dielectric body with a weak intrinsic magnetic field is studied by means of a first-principle kinetic plasma simulation, which is a challenging task in space plasma physics as well as high-performance computing. Due to several computational limitations, five-dimensional full electromagnetic Vlasov simulations with two configuration space and three velocity space coordinates are performed with two different spatial resolutions. The Debye-scale charge separation is not solved correctly in the simulation run with a low spatial resolution, while all the physical processes in collisionless plasma are included in the simulation run with a high spatial resolution. The direction comparison of electromagnetic fields between the two runs shows that there is small difference in the structure of magnetic field lines. On the other hand, small-scale fine structures of electrostatic fields are enhanced by the electric charge separation and the charge accumulation on the surface of the body in the high-resolution run, while these structures are absent in the low-resolution runs. These results are consistent with the conventional understanding of plasma physics that the structure and dynamics of global magnetic fields, which are generally described by the magneto-hydro-dynamics (MHD) equations, are not affected by electron-scale microphysics.

    DOI: 10.1186/s40623-015-0216-0

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  33. Performance comparison of open-source parallel sorting with OpenMP

    Umeda Takayuki, Oya Shuhei

    PROCEEDINGS OF 2015 THIRD INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON COMPUTING AND NETWORKING (CANDAR)     頁: 334-340   2015年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1109/CANDAR.2015.25

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  34. Performance tuning of Vlasov code for space plasma on the K computer

    T. Umeda, K. Fukazawa

    AsiaSim 2014, Communications in Computer and Information Science   474 巻   頁: 127-138   2014年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  35. ELECTRON ACCELERATION DURING THE DECAY OF NONLINEAR WHISTLER WAVES IN LOW-BETA ELECTRON ION PLASMA 査読有り

    Umeda Takayuki, Saito Shinji, Nariyuki Yasuhiro

    ASTROPHYSICAL JOURNAL   794 巻 ( 1 ) 頁: 63 (10pp.)   2014年10月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Astrophysical Journal  

    Relativistic electron acceleration through dissipation of a nonlinear, short-wavelength, and monochromatic electromagnetic whistler wave in low-beta plasma is investigated by utilizing a one-dimensional fully relativistic electromagnetic particle-in-cell code. The nonlinear (large-amplitude) parent whistler wave decays through the parametric instability which enhances electrostatic ion acoustic waves and electromagnetic whistler waves. These waves satisfy the condition of three-wave coupling. Through the decay instability, the energy of electron bulk velocity supporting the parent wave is converted to the thermal energy perpendicular to the background magnetic field. Increase of the perpendicular temperature triggers the electron temperature anisotropy instability which generates broadband whistler waves and heats electrons in the parallel direction. The broadband whistler waves are inverse-cascaded during the relaxation of the electron temperature anisotropy. In lower-beta conditions, electrons with a pitch angle of about 90° are successively accelerated by inverse-cascaded whistler waves, and selected electrons are accelerated to over a Lorentz factor of 10. The result implies that the nonlinear dissipation of a finite-amplitude and short-wavelength whistler wave plays an important role in producing relativistic nonthermal electrons over a few MeV especially at lower beta plasmas.

    DOI: 10.1088/0004-637X/794/1/63

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  36. Ion kinetic effects on nonlinear processes of the Kelvin-Helmholtz instability 査読有り

    Umeda Takayuki, Ueno Satoshi, Nakamura Takuma K. M.

    PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION   56 巻 ( 7 ) 頁: 075006 (11pp.)   2014年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Plasma Physics and Controlled Fusion  

    The nonlinear evolution of the Kelvin-Helmholtz (KH) instability at a transverse velocity shear layer in an inhomogeneous space plasma is investigated by means of a four-dimensional (two spatial and two velocity dimensions) electromagnetic Vlasov simulation. When the rotation direction of the primary KH vortex and the direction of ion gyro motion are the same (i.e., the inner product between the vorticity of the primary velocity shear and the magnetic field vector is negative) there exists a strong ion cyclotron damping. In this case, spatial inhomogeneity inside the primary KH vortex is smoothed and the secondary Rayleigh-Taylor/KH instabilities are suppressed. It is also found that another secondary instability on the electron inertial scale is simultaneously generated at secondary shear layers for both cases, but at different locations. The small-scale secondary instability takes place only when the inner product between the vorticity of the secondary shear layer and the magnetic field vector is positive, suggesting the damping of small-scale processes by ion gyro motion. These results indicate that secondary instabilities occurring in the nonlinear stage of the primary KHI show different evolutions depending on the sign of the inner product between the magnetic field and the vorticity of the velocity shear layer. © 2014 IOP Publishing Ltd.

    DOI: 10.1088/0741-3335/56/7/075006

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  37. Entry of solar-wind ions into the wake of a small body with a magnetic anomaly: A global Vlasov simulation 査読有り

    Umeda Takayuki, Ito Yosuke

    PLANETARY AND SPACE SCIENCE   93-94 巻   頁: 35 - 40   2014年4月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Planetary and Space Science  

    The interaction between a plasma flow and a small dielectric body with a weak intrinsic global magnetic field is studied by means of a five-dimensional full electromagnetic Vlasov simulation with two configuration spaces and three velocity spaces. In the present study, entry processes of ions into the nightside wake tail are examined. The simulation result shows that the bow shock and the magnetopause are formed on the dayside. However, most of solar-wind ions are reflected at the dayside magnetopause and are picked up by the interplanetary magnetic field. Then, a small part of the reflected ions are taken into the deep wake tail near the body by the E×B cycloid motion. © 2014 Elsevier Ltd.

    DOI: 10.1016/j.pss.2014.02.002

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  38. Some remarks on the diffusion regions in magnetic reconnection 査読有り

    Zenitani Seiji, Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   21 巻 ( 3 ) 頁: 034503 (5pp.)   2014年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    The structure of the diffusion regions in antiparallel magnetic reconnection is investigated by means of a theory and a Vlasov simulation. The magnetic diffusion is considered as relaxation to the frozen-in state, which depends on a reference velocity field. A field-aligned component of the frozen-in condition is proposed to evaluate a diffusion-like process. Diffusion signatures with respect to ion and electron bulk flows indicate the ion and electron diffusion regions near the reconnection site. The electron diffusion region resembles the energy dissipation region. These results are favorable to a previous expectation that an electron-scale dissipation region is surrounded by an ion-scale Hall-physics region. © 2014 AIP Publishing LLC.

    DOI: 10.1063/1.4869717

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  39. Dynamics and microinstabilities at perpendicular collisionless shock: A comparison of large-scale two-dimensional full particle simulations with different ion to electron mass ratio 査読有り

    Umeda Takayuki, Kidani Yoshitaka, Matsukiyo Shuichi, Yamazaki Ryo

    PHYSICS OF PLASMAS   21 巻 ( 2 ) 頁: 022102 (10pp.)   2014年2月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    Large-scale two-dimensional (2D) full particle-in-cell (PIC) simulations are carried out for studying the relationship between the dynamics of a perpendicular shock and microinstabilities generated at the shock foot. The structure and dynamics of collisionless shocks are generally determined by Alfven Mach number and plasma beta, while microinstabilities at the shock foot are controlled by the ratio of the upstream bulk velocity to the electron thermal velocity and the ratio of the plasma-to-cyclotron frequency. With a fixed Alfven Mach number and plasma beta, the ratio of the upstream bulk velocity to the electron thermal velocity is given as a function of the ion-to-electron mass ratio. The present 2D full PIC simulations with a relatively low Alfven Mach number (MA ∼ 6) show that the modified two-stream instability is dominant with higher ion-to-electron mass ratios. It is also confirmed that waves propagating downstream are more enhanced at the shock foot near the shock ramp as the mass ratio becomes higher. The result suggests that these waves play a role in the modification of the dynamics of collisionless shocks through the interaction with shock front ripples. © 2014 AIP Publishing LLC.

    DOI: 10.1063/1.4863836

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  40. Performance tuning of Vlasov code for space plasma on the K computer

    Umeda T., Fukazawa K.

    Communications in Computer and Information Science   474 巻   頁: 127-138   2014年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  41. Ion acceleration by parallel propagating nonlinear Alfven wave packets in a radially expanding plasma 査読有り

    Nariyuki Y., Umeda T., Suzuki T. K., Hada T.

    NONLINEAR PROCESSES IN GEOPHYSICS   21 巻 ( 1 ) 頁: 339 - 346   2014年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nonlinear Processes in Geophysics  

    The numerical simulation of the nonlinear evolution of the parallel propagating Alfvén waves in a radially expanding plasma is performed by using a kinetic-fluid model (the Vlasov-MHD model). In our study, both the nonlinear evolution of the Alfvén waves and the radial evolution of the velocity distribution function (VDF) are treated simultaneously. On the other hand, important ion kinetic effects such as ion cyclotron damping and instabilities driven by the non-equilibrium ion velocity distributions are not included in the present model. The results indicate that the steepened Alfvén wave packets outwardly accelerate ions, which can be observed as the beam components in the interplanetary space. The energy of imposed Alfvén waves is converted into the longitudinal fluctuations by the nonlinear steepening and the nonlinear Landau damping. The wave shoaling due to the inhomogeneity of the phase velocity is also observed. © Author(s) 2014.

    DOI: 10.5194/npg-21-339-2014

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  42. Performance Measurements of MHD Simulation for Planetary Magnetosphere on Peta-Scale Computer FX10 査読有り

    Fukazawaa Keiichiro, Nanri Takeshi, Umeda Takayuki

    PARALLEL COMPUTING: ACCELERATING COMPUTATIONAL SCIENCE AND ENGINEERING (CSE)   25 巻   頁: 387 - 394   2014年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Advances in Parallel Computing  

    Magnetohydrodynamic (MHD) simulations are often applied to study the global dynamics and configuration of the planetary magnetosphere. The computational performance of an MHD code is evaluated on a massive parallel scalar type supercomputer system with one PFlops ideal performance. We have made the performance tuning of our three-dimensional MHD code for the planetary magnetosphere on the FX10 which has 76,800 cores, distributed on 4,800 SPARC64 IXfx nodes. For the parallelization of the MHD code, we use four different methods, i.e. one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional regular domain decomposition methods and a cache-hit type of three-dimensional domain decomposition method. We found that the cache-hit type of three-dimensional decomposition of the MHD model is suitable for the FX10 system. We also found the pack/unpack operation for the inter-node communications decreases the execution efficiency by 2 %. After asynchronous communication is introduced and the pack/unpack operation is overlapped, we achieved a computing performance of 230 TFlops and an efficiency of almost 20 % for the MHD code. © 2014 The authors and IOS Press.

    DOI: 10.3233/978-1-61499-381-0-387

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  43. Performance evaluation of magnetohydrodynamics simulation for magnetosphere on K computer 査読有り

    K. Fukazawa, T. Nanri, T. Umeda

    AsiaSim 2013, Communications in Computer and Information Science   402 巻   頁: 570-576   2013年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  44. Performance measurement of parallel Vlasov code for space plasma on scalar-type supercomputer systems with large number of cores 査読有り

    T. Umeda, K. Fukazawa

    AsiaSim 2013, Communications in Computer and Information Science   402 巻   頁: 561-569   2013年11月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  45. A primitive kinetic-fluid model for quasi-parallel propagating magnetohydrodynamic waves

    Nariyuki Y., Saito S., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   20 巻 ( 7 )   2013年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.4816809

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    J-GLOBAL

  46. Global Vlasov simulation on magnetospheres of astronomical objects 査読有り

    Umeda Takayuki, Ito Yosuke, Fukazawa Keiichiro

    24TH IUPAP CONFERENCE ON COMPUTATIONAL PHYSICS (IUPAP-CCP 2012)   454 巻 ( 1 )   2013年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Physics: Conference Series  

    Space plasma is a collisionless, multi-scale, and highly nonlinear medium. There are various types of self-consistent computer simulations that treat space plasma according to various approximations. We develop numerical schemes for solving the Vlasov (collisionless Boltzmann) equation, which is the first-principle kinetic equation for collisionless plasma. The weak-scaling benchmark test shows that our parallel Vlasov code achieves a high performance and a high scalability. Currently, we use more than 1000 cores for parallel computations and apply the present parallel Vlasov code to various cross-scale processes in space plasma, such as a global simulation on the interaction between solar/stellar wind and magnetospheres of astronomical objects.

    DOI: 10.1088/1742-6596/454/1/012005

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  47. Performance measurement of magnetohydrodynamic code for space plasma on typical scalar-type supercomputer systems with a large number of cores 査読有り

    Fukazawa Keiichiro, Umeda Takayuki

    INTERNATIONAL JOURNAL OF HIGH PERFORMANCE COMPUTING APPLICATIONS   26 巻 ( 3 ) 頁: 310 - 318   2012年8月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:International Journal of High Performance Computing Applications  

    The computational performance of magnetohydrodynamic (MHD) code is evaluated on two typical scalar-type supercomputer systems. We have carried out performance tuning of a three-dimensional MHD code for space plasma simulations on the HA8000 (with 8192 cores) and SR16000/L2 (with 1344 cores) supercomputer systems. For parallelization of the MHD code, we use four different methods, that is, regular one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional domain decomposition methods and a cache-hit type of three-dimensional domain decomposition method. We found that the regular three-dimensional decomposition of the MHD model is suitable for the HA8000 system, and the cache-hit type of three-dimensional decomposition is suitable for SR16000/L2 systems. As a result of these runs, we achieved a performance efficiency of almost 15% on the HA8000 and 20% on the SR16000/L2 for MHD code. © The Author(s) 2012.

    DOI: 10.1177/1094342011434813

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  48. A numerical electromagnetic linear dispersion relation for Maxwellian ring-beam velocity distributions 査読有り

    Umeda Takayuki, Matsukiyo Shuichi, Amano Takanobu, Miyoshi Yoshizumi

    PHYSICS OF PLASMAS   19 巻 ( 7 ) 頁: 072107   2012年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A positive slope in a velocity distribution function perpendicular to the ambient magnetic field, such as due to a loss cone or ring velocity distribution, can become a free energy source for the excitation of various plasma waves. Since there exists no analytic expression for integrals of Maxwellian ring velocity distribution functions, their linear properties have previously been studied using several approximations or modeled distributions. In this paper, a numerical method for analyzing the linear dispersion relation for Maxwellian ring-beam velocity distributions is developed. The obtained linear properties are confirmed by direct comparison with full particle simulation results. © 2012 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.4736848

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  49. Vlasov simulation of electrostatic solitary structures in multi-component plasmas 査読有り

    Umeda Takayuki, Ashour-Abdalla Maha, Pickett Jolene S., Goldstein Melvyn L.

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   117 巻 ( 5 ) 頁: A05223   2012年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Geophysical Research: Space Physics  

    Electrostatic solitary structures have been observed in the Earth's magnetosheath by the Cluster spacecraft. Recent theoretical work has suggested that these solitary structures are modeled by electron acoustic solitary waves existing in a four-component plasma system consisting of core electrons, two counter-streaming electron beams, and one species of background ions. In this paper, the excitation of electron acoustic waves and the formation of solitary structures are studied by means of a one-dimensional electrostatic Vlasov simulation. The present result first shows that either electron acoustic solitary waves with negative potential or electron phase-space holes with positive potential are excited in four-component plasma systems. However, these electrostatic solitary structures have longer duration times and higher wave amplitudes than the solitary structures observed in the magnetosheath. The result indicates that a high-speed and small free energy source may be needed as a fifth component. An additional simulation of a five-component plasma consisting of a stable four-component plasma and a weak electron beam shows the generation of small and fast electron phase-space holes by the bump-on-tail instability. The physical properties of the small and fast electron phase-space holes are very similar to those obtained by the previous theoretical analysis. The amplitude and duration time of solitary structures in the simulation are also in agreement with the Cluster observation.

    DOI: 10.1029/2011JA017181

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  50. A Scalable Full-Electromagnetic Vlasov Solver for Cross-Scale Coupling in Space Plasma 査読有り

    Umeda Takayuki, Fukazawa Keiichiro, Nariyuki Yasuhiro, Ogino Tatsuki

    IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE   40 巻 ( 5 ) 頁: 1421 - 1428   2012年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IEEE Transactions on Plasma Science  

    Numerical schemes for solving the Vlasov-Maxwell system equations are studied. For studies of cross-scale coupling between fluid-scale dynamics and particle-scale kinetics in collisionless plasma, both highly scalable kinetic code and huge supercomputer are essential. In the present study, a new parallel Vlasov-Maxwell solver is developed by adopting a stable but less dissipative scheme for time integration of conservation laws. The new code has successfully achieved a high scalability on massively parallel supercomputers with multicore scalar processors. The new code has been applied to 2P3V (two dimensions for position and three dimensions for velocity) problems of cross-scale plasma processes such as magnetic reconnection, Kelvin-Helmholtz instability, and interaction between the solar wind and an asteroid. © 1973-2012 IEEE.

    DOI: 10.1109/TPS.2012.2188141

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  51. A non-oscillatory and conservative semi-Lagrangian scheme with fourth-degree polynomial interpolation for solving the Vlasov equation

    Umeda Takayuki, Nariyuki Yasuhiro, Kariya Daichi

    COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS   183 巻 ( 5 ) 頁: 1094-1100   2012年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.cpc.2012.01.011

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  52. Microinstabilities at perpendicular collisionless shocks: A comparison of full particle simulations with different ion to electron mass ratio 査読有り

    Umeda Takayuki, Kidani Yoshitaka, Matsukiyo Shuichi, Yamazaki Ryo

    PHYSICS OF PLASMAS   19 巻 ( 4 ) 頁: 042109   2012年4月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    A full particle simulation study is carried out for studying microinstabilities generated at the shock front of perpendicular collisionless shocks. The structure and dynamics of shock waves are determined by Alfvén Mach number and plasma beta, while microinstabilities are controlled by the ratio of the upstream bulk velocity to the electron thermal velocity and the plasma-to-cyclotron frequency. Thus, growth rates of microinstabilities are changed by the ion-to-electron mass ratio, even with the same Mach number and plasma beta. The present two-dimensional simulations show that the electron cyclotron drift instability is dominant for a lower mass ratio, and electrostatic electron cyclotron harmonic waves are excited. For a higher mass ratio, the modified two-stream instability is dominant and oblique electromagnetic whistler waves are excited, which can affect the structure and dynamics of collisionless shocks by modifying shock magnetic fields. © 2012 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.3703319

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  53. Modified two-stream instability at perpendicular collisionless shocks: Full particle simulations 査読有り

    Umeda Takayuki, Kidani Yoshitaka, Matsukiyo Shuichi, Yamazaki Ryo

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   117 巻 ( 3 ) 頁: A03206   2012年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Geophysical Research: Space Physics  

    A full particle simulation study is carried out for studying microinstabilities generated in self-consistently excited perpendicular collisionless shocks. The present two-dimensional simulation with a high ion-to-electron mass ratio shows that the modified two-stream instability can be generated by the interaction of incoming and reflected ions with electromagnetic whistler mode waves propagating in the direction quasi-perpendicular to the ambient magnetic field. Properties of the excited whistler mode waves are consistent with the linear dispersion analysis based on the simulated velocity distribution functions. It is also found that the excited waves have an electron-scale wavelength in the shock-normal direction and an ion-scale wavelength in the shock-tangential direction, suggesting that the electron-scale microturbulences and the ion-scale shock structures are coupled with each other through the modified two-stream instability. Copyright 2012 by the American Geophysical Union.

    DOI: 10.1029/2011JA017182

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  54. Effect of ion cyclotron motion on the structure of wakes: A Vlasov simulation 査読有り

    Umeda Takayuki

    EARTH PLANETS AND SPACE   64 巻 ( 2 ) 頁: 231 - 236   2012年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Earth, Planets and Space  

    The global structure of wake fields behind an unmagnetized object in the solar wind is studied by means of a 2.5-dimensional full electromagnetic Vlasov simulation. The interaction of a plasma flow with an unmagnetized object is quite different from that with a magnetized object such as the Earth. Due to the absence of the global magnetic field, the unmagnetized object absorbs plasma particles which reach the surface, generating a plasma cavity called a wake on the anti-solar side of the object. The interaction between the solar wind with an out-of-plane interplanetary magnetic field and an unmagnetized object of ion-gyro scale is examined to study the effect of the ion cyclotron motion on the structure of wake fields. It is shown that the wake boundary layer is broadened when the inner product of the electric force and the density gradient of the wake boundary layer is negative. On the other hand, a steep wake boundary layer is formed with a negative inner product. The result suggests that the structures of wake fields become asymmetric due to the in-plane E cross B drift motion of ions. Copyright © The Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences (SGEPSS).

    DOI: 10.5047/eps.2011.05.035

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  55. Relativistic electron shock drift acceleration in low Mach number galaxy cluster shocks 査読有り

    S. Matsukiyo, Y. Ohira, R. Yamazaki, T. Umeda

    Astrophysical Journal   742 巻 ( 1 ) 頁: 47   2011年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  56. SUPPRESSION OF REFLECTED ELECTRONS BY KINETIC ALFVEN TURBULENCE IN A QUASI-PERPENDICULAR SHOCK: PARTICLE-IN-CELL SIMULATIONS 査読有り

    Saito S., Umeda T.

    ASTROPHYSICAL JOURNAL   736 巻 ( 1 )   2011年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Astrophysical Journal  

    Shock drift acceleration is one of the important mechanisms for electron acceleration associated with magnetic mirror reflection along the magnetic field in a quasi-perpendicular collisionless shock. We study the influence of a rippled shock surface in the in-plane magnetic field on the magnetic mirror reflection of electrons. Simulation results show that the number of reflected electrons reduces after generation of the rippled shock surface. Electric and magnetic wavenumber spectra of the generated fluctuations in the shock transition region indicate the existence of kinetic Alfvén turbulence. The kinetic Alfvén turbulence decreases the electron pitch angle by parallel scattering, which reduces the magnetic mirror force acting on the electrons. These results suggest that the shock-generated kinetic Alfvén turbulence suppresses the magnetic mirror reflection of electrons during the shock drift acceleration. © 2011. The American Astronomical Society. All rights reserved.

    DOI: 10.1088/0004-637X/736/1/35

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  57. Nonlinear evolution of parallel propagating Alfven waves: Vlasov-MHD simulation 査読有り

    Y. Nariyuki, T. Umeda, T. Kumashiro, T. Hada

    Planetary and Space Science   59 巻 ( 8 ) 頁: 767-771   2011年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  58. A new numerical method for simulating the solar wind Alfven waves: Development of the Vlasov-MHD model

    Nariyuki Y., Umeda T., Kumashiro T., Hada T.

    PLANETARY AND SPACE SCIENCE   59 巻 ( 8 ) 頁: 767-771   2011年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.pss.2011.02.017

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  59. Cross-scale coupling at a perpendicular collisionless shock

    Umeda Takayuki, Yamao Masahiro, Yamazaki Ryo

    PLANETARY AND SPACE SCIENCE   59 巻 ( 7 ) 頁: 449-455   2011年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.pss.2010.01.007

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  60. Quasilinear theory and simulation of Buneman instability

    Pavan J., Yoon P. H., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   18 巻 ( 4 ) 頁: 42307   2011年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3574359

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  61. Self-consistent kinetic numerical simulation model for ring current particles in the Earth's inner magnetosphere

    Amano Takanobu, Seki Kanako, Miyoshi Yoshizumi, Umeda Takayuki, Matsumoto Yosuke, Ebihara Yusuke, Saito Shinji

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   116 巻 ( 2 ) 頁: 2216   2011年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2010JA015682

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  62. Modeling nonlinear development of Buneman instability with linear dispersion theory 査読有り

    Jain Neeraj, Umeda Takayuki, Yoon Peter H.

    PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION   53 巻 ( 2 )   2011年2月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Plasma Physics and Controlled Fusion  

    In this paper, spectra in the nonlinear phases of the Buneman instability are described by instantaneous linear dispersion theory. One-dimensional Vlasov simulation of the Buneman instability shows that nonlinear development is characterized by particle trapping in large-amplitude waves. Trapped particles form counter-streaming beam distribution function in velocity space. In addition to the low-frequency Buneman mode, the simulation also shows excitations of high-frequency electron plasma waves as well as wave modes propagating in the direction opposite to the original electron beam. The actual physics of the wave dynamics is very complicated to analyze. However, by employing linear dispersion theory on the basis of instantaneous electron distributions it is possible to relate the generation of waves to the particle distribution. Specifically, it is shown that excitations of various waves are intimately related to the counter-streaming electron beam distribution. The present approach can be a useful diagnostic tool based upon which an intuitive understanding of the complicated nonlinear physics can be attained. © 2011 IOP Publishing Ltd Printed in the UK & the USA.

    DOI: 10.1088/0741-3335/53/2/025010

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  63. Vlasov simulation of the interaction between the solar wind and a dielectric body

    Umeda Takayuki, Kimura Tetsuya, Togano Kentaro, Fukazawa Keiichiro, Matsumoto Yosuke, Miyoshi Takahiro, Terada Naoki, Nakamura Takuma K. M., Ogino Tatsuki

    PHYSICS OF PLASMAS   18 巻 ( 1 ) 頁: 12908   2011年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3551510

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  64. Vlasov Code Simulation of Cross-scale Coupling in Space Plasmas

    Umeda Takayuki, Matsumoto Yosuke, Nakamura Takuma K. M., Fukazawa Keiichiro, Ogino Tatsuki

    NUMERICAL MODELING OF SPACE PLASMA FLOWS - ASTRONUM 2010   444 巻   頁: 182-+   2011年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  65. Nonlinear turbulence theory and simulation of Buneman instability

    Yoon P. H., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   17 巻 ( 11 ) 頁: 112317   2010年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3517103

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  66. On the reformation at quasi- and exactly perpendicular shocks: Full particle-in-cell simulations

    Umeda Takayuki, Kidani Yoshitaka, Yamao Masahiro, Matsukiyo Shuichi, Yamazaki Ryo

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   115 巻 ( 10 ) 頁: 10250   2010年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2010JA015458

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  67. Comparative Study of Global MHD Simulations of the Terrestrial Magnetosphere With Different Numerical Schemes

    Matsumoto Yosuke, Terada Naoki, Miyoshi Takahiro, Fukazawa Keiichiro, Umeda Takayuki, Ogino Tatsuki, Seki Kanako

    IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE   38 巻 ( 9 ) 頁: 2229-2235   2010年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1109/TPS.2010.2056704

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  68. Performance Measurement of Magnetohydrodynamic Code for Space Plasma on the Various Scalar-Type Supercomputer Systems

    Fukazawa Keiichiro, Umeda Takayuki, Miyoshi Takahiro, Terada Naoki, Matsumoto Yosuke, Ogino Tatsuki

    IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE   38 巻 ( 9 ) 頁: 2254-2259   2010年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1109/TPS.2010.2055162

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  69. The HLLD Approximate Riemann Solver for Magnetospheric Simulation

    Miyoshi Takahiro, Terada Naoki, Matsumoto Yosuke, Fukazawa Keiichiro, Umeda Takayuki, Kusano Kanya

    IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE   38 巻 ( 9 ) 頁: 2236-2242   2010年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1109/TPS.2010.2057451

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  70. Full electromagnetic Vlasov code simulation of the Kelvin-Helmholtz instability

    Umeda Takayuki, Miwa Jun-ichiro, Matsumoto Yosuke, Nakamura Takuma K. M., Togano Kentaro, Fukazawa Keiichiro, Shinohara Iku

    PHYSICS OF PLASMAS   17 巻 ( 5 ) 頁: 52311   2010年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3422547

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  71. On the nonlinearity of the Langmuir turbulence excited by a weak electron beam-plasma interaction

    Nariyuki Y., Umeda T.

    PHYSICS OF PLASMAS   17 巻 ( 5 ) 頁: 54506   2010年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3425872

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  72. Structures of diffusion regions in collisionless magnetic reconnection

    Umeda Takayuki, Togano Kentaro, Ogino Tatsuki

    PHYSICS OF PLASMAS   17 巻 ( 5 ) 頁: 52103   2010年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.3403345

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  73. Electromagnetic plasma emission during beam-plasma interaction: Parametric decay versus induced scattering

    Umeda Takayuki

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   115 巻 ( 1 ) 頁: 1204   2010年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2009JA014643

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  74. Vlasov simulation of finite amplitude magnetohydrodynamic waves in the solar wind: Development of Vlasov-Hall-MHD code

    T. Kumashiro, T. Hada, Y. Nariyuki, T. Umeda

    Journal of Plasma and Fusion Research SERIES   8 巻   頁: 831-836   2009年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  75. Implementation of non-oscillatory and conservative scheme into magnetohydrodynamic equations

    S. Tanaka, T. Umeda, Y. Matsumoto, T. Miyoshi, T. Ogino

    Earth, Planets and Space   61 巻 ( 7 ) 頁: 895-903   2009年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  76. Cluster observations and numerical modeling of energy-dispersed ionospheric H+ ions bouncing at the plasma sheet boundary layer

    Bosqued J. M., Ashour-Abdalla M., Umeda T., El Alaoui M., Peroomian V., Frey H. U., Marchaudon A., Laakso H.

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   114 巻 ( 4 )   2009年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2008JA013562

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  77. Electron acceleration at a low-Mach-number perpendicular collisionless shock 査読有り

    T. Umeda, M. Yamao, R. Yamazaki

    Astrophysical Journal   695 巻 ( 1 ) 頁: 574-579   2009年4月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    A full particle simulation study is carried out on the electron acceleration at a collisionless, relatively low Alfven Mach number (M_A = 5), perpendicular shock. Recent self-consistent hybrid shock simulations have demonstrated that the shock front of perpendicular shocks has a dynamic rippled character along the shock surface of low Mach number perpendicular shocks. In this paper, the effect of the rippling of perpendicular shocks on the electron acceleration is examined by means of large-scale (ion-scale) two-dimensional full particle simulations. It has been shown that a large-amplitude electric field is excited at the shock front in association with the ion-scale rippling, and that reflected ions are accelerated upstream at a localized region where the shock-normal electric field of the rippled structure is polarized upstream. The current-driven instability caused by the highly accelerated reflected ions has a high growth rate of up to large-amplitude electrostatic waves. Energetic electrons are then generated by the large-amplitude electrostatic waves via electron surfing acceleration at the leading edge of the shock-transition region. The present result suggests that the electron surfing acceleration is also a common feature at low Mach number perpendicular collisionless shocks.

  78. Two-dimensional full-electromagnetic Vlasov code with conservative scheme and its application to magnetic reconnection

    Umeda Takayuki, Togano Kentaro, Ogino Tatsuki

    COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS   180 巻 ( 3 ) 頁: 365-374   2009年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    A detailed procedure of full-electromagnetic Vlasov simulation technique is presented. Our new unsplitting conservative scheme exactly satisfies the continuity equation for charge. The implicit Finite Difference Time Domain method is also adopted for computation of electromagnetic fields, which is not restricted by the CFL condition for light. The Geospace Environment Modeling magnetic reconnection challenge problem is adopted as a benchmark test. The characteristics of the present Vlasov code are studied by varying the resolution in configuration space.

    DOI: 10.1016/j.cpc.2008.11.001

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  79. Vlasov simulation of Langmuir decay instability

    Umeda Takayuki, Ito Tetsuya

    PHYSICS OF PLASMAS   15 巻 ( 8 ) 頁: 84503   2008年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.2965494

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  80. Two-dimensional full particle simulation of a perpendicular collisionless shock with a shock-rest-frame model

    Umeda Takayuki, Yamao Masahiro, Yamazaki Ryo

    ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS   681 巻 ( 2 ) 頁: L85-L88   2008年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  81. Generation of low-frequency electrostatic and electromagnetic waves as nonlinear consequences of beam-plasma interactions 査読有り

    Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   15 巻 ( 6 )   2008年6月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    Nonlinear evolution of the electron two-stream instability in a current-carrying plasma is examined by using a two-dimensional electromagnetic particle-in-cell simulation. Formation of electron phase-space holes is observed as an early nonlinear consequence of electron-beam-plasma interactions. Lower-hybrid waves, electrostatic, and electromagnetic whistler mode waves are also excited by different mechanisms during the ensuing nonlinear wave-particle interactions. It is shown by the present computer simulation with a large simulation domain and a long simulation time that these low-frequency waves can disturb the electrostatic equilibrium of electron phase-space holes, suggesting that the lifetime of electron phase-space holes sometimes becomes shorter in a current-carrying plasma. © 2008 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2937818

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  82. Modeling PSBL high speed ion beams observed by Cluster and Double Star

    Ashour-Abdalla Maha, Bosqued Jean-Michel, El-Alaoui Mostafa, Peroomian Vahe, Umeda Takayuki, Walker Raymond J.

    ADVANCES IN SPACE RESEARCH   41 巻 ( 10 ) 頁: 1598-1610   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.018

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  83. A conservative and non-oscillatory scheme for Vlasov code simulations 査読有り

    Umeda Takayuki

    EARTH PLANETS AND SPACE   60 巻 ( 7 ) 頁: 773 - 779   2008年

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  84. Parametric decay of circularly polarized Alfven waves in the radially expanding solar wind

    Tanaka Shin, Ogino Tatsuki, Umeda Takayuki

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   112 巻 ( A10 ) 頁: 10110   2007年10月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2007JA012513

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  85. Turbulent acceleration of superthermal electrons

    Ryu C.-M., Rhee T., Umeda T., Yoon P. H., Omura Y.

    PHYSICS OF PLASMAS   14 巻 ( 10 ) 頁: 100701   2007年10月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/1.2779282

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  86. Particle-in-cell simulation of Maxwellian ring velocity distribution

    Umeda Takayuki, Ashour-Abdalla Maha, Schriver David, Richard Robert L., Coroniti Ferdinand V.

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   112 巻 ( A4 ) 頁: 4212   2007年4月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2006JA012124

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  87. Vlasov simulation of Langmuir wave packets

    Umeda T.

    Nonlinear Processes in Geophysics   14 巻 ( 5 ) 頁: 671-679   2007年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.5194/npg-14-671-2007

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  88. Numerical study of electrostatic electron cyclotron harmonic waves due to Maxwellian ring velocity distributions

    Umeda Takayuki

    EARTH PLANETS AND SPACE   59 巻 ( 11 ) 頁: 1205-1210   2007年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  89. Comparison of numerical interpolation schemes for one-dimensional electrostatic Vlasov code

    Umeda Takayuki, Ashour-Abdalla Maha, Schriver David

    JOURNAL OF PLASMA PHYSICS   72 巻 ( 6 ) 頁: 1057-1060   2006年12月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1017/S0022377806005228

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  90. Nonlinear evolution of the electron two-stream instability: Two-dimensional particle simulations

    Umeda Takayuki, Omura Yoshiharu, Miyake Taketoshi, Matsumoto Hiroshi, Ashour-Abdalla Maha

    JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS   111 巻 ( A10 ) 頁: 10206-10206   2006年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2006JA011762

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  91. Vlasov simulation of amplitude-modulated Langmuir waves 査読有り

    Umeda Takayuki

    PHYSICS OF PLASMAS   13 巻 ( 9 )   2006年9月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics of Plasmas  

    Mechanisms for the generation of Langmuir wave packets are studied by performing a one-dimensional electrostatic Vlasov simulation. The present simulation of a weak-electron-beam instability without ion dynamics suggests two new processes for the amplitude modulation of Langmuir waves. The beam instability excites Langmuir modes over a wide wave number range, but the saturation of the most unstable Langmuir mode "filters" the growth of sideband modes. Specific upper and lower sideband modes linearly grow to a high saturation level. Then the primary Langmuir mode is amplified and strongly modulated through interaction with the sideband modes. © 2006 American Institute of Physics.

    DOI: 10.1063/1.2348088

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  92. Cluster observations of energetic ionospheric ion beams in the auroral region: Acceleration and associated energy-dispersed precipitation

    Geophysical Research Letters   33 巻 ( 12 ) 頁: 12102-12102   2006年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1029/2006GL025708

    Scopus

    J-GLOBAL

  93. Full particle simulation of a perpendicular collisionless shock: A shock-rest-frame model 査読有り

    Umeda T.

    Earth, Planets and Space   58 巻 ( 10 )   2006年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Earth, Planets and Space  

    DOI: 10.1186/bf03352617

    Scopus

  94. Two-dimensional particle simulation of electromagnetic field signature associated with electrostatic solitary waves 査読有り

    T. Umeda, Y. Omura, H. Matsumoto

    Journal of Geophysical Research   109 巻 ( A2 ) 頁: A02207   2004年2月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  95. A new charge conservation method in electromagnetic particle-in-cell simulations 査読有り

    T. Umeda, Y. Omura, T. Tominaga, H. Matsumoto

    Computer Physics Communication   156 巻 ( 1 ) 頁: 73-85   2003年12月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  96. Particle simulation of plasma response to an applied electric field parallel to magnetic field lines 査読有り

    Y. Omura, W. J. Heikkila, T. Umeda, K. Ninomiya, H. Matsumoto

    Journal of Geophysical Research   108 巻 ( A5 ) 頁: 1197   2003年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  97. Harmonic Langmuir waves. III. Vlasov simulation 査読有り

    T. Umeda, Y. Omura, P. H. Yoon, R. Gaelzer, H. Matsumoto

    Physics of Plasmas   10 巻 ( 2 ) 頁: 382-391   2003年2月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  98. Harmonic Langmuir waves. I. Nonlinear dispersion relation 査読有り

    P. H. Yoon, R. Gaelzer, T. Umeda, Y. Omura, H. Matsumoto

    Physics of Plasmas   10 巻 ( 2 ) 頁: 364-372   2003年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  99. Harmonic Langmuir waves. II. Turbulence spectrum 査読有り

    R. Gaelzer, P. H. Yoon, T. Umeda, Y. Omura, H. Matsumoto

    Physics of Plasmas   10 巻 ( 2 ) 頁: 373-381   2003年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  100. Formation of electrostatic solitary waves in space plasmas: Particle simulations with open boundary conditions 査読有り

    T. Umeda, Y. Omura, H. Matsumoto, H. Usui

    Journal of Geophysical Research   107 巻 ( A12 ) 頁: 1449   2002年12月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  101. An improved masking method for absorbing boundaries in electromagnetic particle simulations 査読有り

    T. Umeda, Y. Omura, H. Matsumoto

    Computer Physics Communication   137 巻 ( 2 ) 頁: 286-299   2001年6月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  102. Observational evidence of dissipative small scale processes: Geotail spacecraft observation and simulation of electrostatic solitary waves 査読有り

    Y. Omura, H. Kojima, T. Umeda, H. Matsumoto

    Astrophysics and Space Science   277 巻 ( 1 ) 頁: 45-57   2001年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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書籍等出版物 3

  1. Simulation of collisionless plasma with the vlasov method

    Umeda T.( 担当: 単著)

    Computer Physics  2012年12月  ( ISBN:9781613247907

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    記述言語:日本語

    Numerical schemes for solving the Vlasov-Maxwell system of equations are presented. Our Universe is filled with collisionless plasma, which is a dielectric medium with nonlinear interactions between charged particles and electromagnetic fields. Thus computer simulations play an essential role in studies of such highly nonlinear systems. The full kinetics of collisionless plasma is described by the Vlasov-Maxwell equations. Since the Vlasov equation treats charged particles as position-velocity phase-space distribution functions in hyper dimensions, huge supercomputers and highly-scalable parallel codes are essential. Recently, a new parallel Vlasov-Maxwell solver is developed by adopting a stable but less-dissipative scheme for time integration of conservation laws, which has successfully achieved a high scalability on massively parallel supercomputers with multi-core scalar processors. The new code has applied to 2P3V (two dimensions for position and three dimensions for velocity) problems of cross-scale plasma processes such as magnetic reconnection, Kelvin-Helmholtz instability and the interaction between the solar wind and an asteroid. © 2012 Nova Science Publishers, Inc. All rights reserved.

    Scopus

  2. Electromagnetic waves in plasma

    T. Umeda( 担当: 単著)

    In Tech  2011年3月  ( ISBN:978-953-307-275-3

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    記述言語:日本語

  3. Simulation of electron beam instabilities and nonlinear potential structures

    Y. Omura, T. Umeda, and H. Matsumoto( 担当: 共著)

    Springer-Verlag Berlin Heidelberg  2003年6月  ( ISBN:978-354-000-698-2

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    記述言語:英語

講演・口頭発表等 39

  1. Paradigm shift in program structure of particle-in-cell simulations

    Umeda T.

    Advances in Parallel Computing 

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    開催年月日: 2020年

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.3233/APC200072

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  2. Performance Comparison of Eulerian Kinetic Vlasov Code Between Xeon Phi KNL and Xeon Broadwell

    Umeda T.

    Communications in Computer and Information Science 

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    開催年月日: 2018年

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.1007/978-981-13-2853-4_12

    Scopus

  3. Hybrid parallelization of hyper-dimensional Vlasov code with OpenMP loop collapse directive

    Umeda T.

    Advances in Parallel Computing 

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    開催年月日: 2016年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.3233/978-1-61499-621-7-265

    Scopus

  4. Performance measurements of MHD simulation for planetary magnetosphere on peta-scale computer FX10

    Fukazawa K.

    Advances in Parallel Computing 

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    開催年月日: 2014年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.3233/978-1-61499-381-0-387

    Scopus

  5. Performance evaluation of magnetohydrodynamics simulation for magnetosphere on K computer

    Fukazawa K.

    Communications in Computer and Information Science 

     詳細を見る

    開催年月日: 2013年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.1007/978-3-642-45037-2_61

    Scopus

  6. Performance measurement of parallel vlasov code for space plasma on scalar-type supercomputer systems with large number of cores

    Umeda T.

    Communications in Computer and Information Science 

     詳細を見る

    開催年月日: 2013年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.1007/978-3-642-45037-2_60

    Scopus

  7. Performance measurement of parallel Vlasov code for space plasma on various scalar-type supercomputer systems

    Umeda T.

    Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 

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    開催年月日: 2012年10月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.1007/978-3-642-33078-0_17

    Scopus

  8. On the reformation at perpendicular shocks

    T. Umeda, Y. Kidani, S. Matsukiyo

    American Geophysical Union 2011 Fall meeting 

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    開催年月日: 2011年12月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  9. Dynamics of quasi-perpendicular shocks: Recent results issued from 2D PIC simulation

    Umeda T.

    2011 30th URSI General Assembly and Scientific Symposium, URSIGASS 2011 

     詳細を見る

    開催年月日: 2011年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    DOI: 10.1109/URSIGASS.2011.6051058

    Scopus

  10. Study of the moon-solar wind interaction with parallel kinetic plasma simulations

    T. Umeda, Y. Ito, Y. Kidani, K. Fukazawa

    International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis 2011 

     詳細を見る

    開催年月日: 2011年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Seattle  

  11. Dynamics of quasi-perpendicular shocks: Recent results issued from 2D PIC simulation

    T. Umeda, Y. Kidani, S. Matsukiyo

    30th General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI) 

     詳細を見る

    開催年月日: 2011年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Istanbul Lutfi Kirdar Convention & Exhibition Centre  

  12. Recent Advancement in Vlasov code simulations

    T. Umeda

    10th International School for Space Simulations (ISSS-10) 

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    開催年月日: 2011年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:Banff Conference Centre  

  13. Highly scalable full electromagnetic Vlasov solver for cross-scale coupling in space plasma

    T. Umeda, K. Fukazawa, Y. Nariyuki, Y. Matsumoto, T. K. M. Nakamura

    International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis 2010 

     詳細を見る

    開催年月日: 2010年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    開催地:New Orleans  

  14. Effect of ion cyclotron motion on the structure of wakes 国際会議

    5th Alfven Conference on Plasma Interaction with Non-magnetized Planets/Moons and its Influence on Planetary Evolution 

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    開催年月日: 2010年10月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  15. Electromagnetic plasma emission during beam-plasma interaction 国際会議

    2010 Asia-Pacific Radio Science Conference 

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    開催年月日: 2010年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  16. Cross-scale coupling at a collisionless shock

    38th COSPAR Scientific Assembly 

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    開催年月日: 2010年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  17. Vlasov code simulation of cross-scale coupling in space plasmas 国際会議

    5th International Conference on Numerical Modeling of Space Plasma Flows 

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    開催年月日: 2010年6月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  18. STPシミュレーションの過去・現在・未来

    梅田 隆行

    宇宙地球惑星科学若手会 2009年夏の学校 

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    開催年月日: 2009年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  19. Cross-scale coupling at a collisionless shock 国際会議

    International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) 11th Scientific Assembly 

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    開催年月日: 2009年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  20. New Vlasov simulation techniques for multi-scale dynamics of magnetosphere 国際会議

     詳細を見る

    開催年月日: 2009年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  21. Simulations and numerical linear analyses of kinetic instabilities 国際会議

    9th International School for Space Simulations 

     詳細を見る

    開催年月日: 2009年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  22. ブラソフシミュレーションでジオスペースを解く

    梅田 隆行

     詳細を見る

    開催年月日: 2009年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  23. New Vlasov simulation techniques for scale coupling in the plasma universe 国際会議

    Workshop on Cross-Scale Coupling in Plasmas 

     詳細を見る

    開催年月日: 2009年3月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  24. Status of Japanese young simulationists 国際会議

    ERG, SCOPE and Beyond 

     詳細を見る

    開催年月日: 2008年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  25. STPシミュレーションコード開発の将来展望

    梅田 隆行, 寺田 直樹, 杉山 徹, 三好 隆博, 松本 洋介, 加藤 雄人, 深沢 圭一郎, 篠原 育, 中村琢磨

    第124回地球電磁気・地球惑星圏学会 

     詳細を見る

    開催年月日: 2008年10月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  26. Two-dimensional Vlasov code simulation of magnetic reconnection 国際会議

    US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection 2008 

     詳細を見る

    開催年月日: 2008年3月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  27. ブラソフシミュレーションで拓く太陽地球惑星科学

    梅田 隆行, 寺田 直樹, 杉山 徹, 三好 隆博, 松本 洋介, 加藤 雄人, 深沢 圭一郎, 篠原 育

    第21回数値流体力学シンポジウム 

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    開催年月日: 2007年12月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  28. Full particle simulation of perpendicular collisionless shocks with a shock-rest-frame model 国際会議

    American Geophysical Union 2007 Fall meeting 

     詳細を見る

    開催年月日: 2007年12月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  29. Vlasov simulation of beam-plasma interactions 国際会議

    8th International School/Symposium for Space Simulations 

     詳細を見る

    開催年月日: 2007年2月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  30. Polynomial interpolation for hyperbolic conservation laws (PIC) scheme: Application to Vlasov Simulations 国際会議

    CAWSES International Workshop on Space Weather Modeling 

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    開催年月日: 2006年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  31. Vlasov simulation of amplitude-modulated Langmuir waves 国際会議

    6th International Workshop on Nonlinear Waves and Turbulence in Space Plasmas 

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    開催年月日: 2006年10月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

    国名:日本国  

  32. Nonlinear evolution of electron two-stream instability: Two-dimensional particle simulation 国際会議

    28th General Assembly of the International Union of Radio Science 

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    開催年月日: 2005年10月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  33. Generation of electron cyclotron harmonic (ECH) waves due to loss cone distribution functions 国際会議

    American Geophysical Union 2004 Fall meeting 

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    開催年月日: 2004年12月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  34. Particle simulations of electrostatic solitary waves in space plasmas 国際会議

    7th International Workshop on the Interrelationship between Plasma Experiments in Laboratory and Space 

     詳細を見る

    開催年月日: 2004年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  35. Particle simulations of electromagnetic emissions from electrostatic solitary waves 国際会議

    23rd General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics 

     詳細を見る

    開催年月日: 2003年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  36. Particle simulations of electromagnetic emissions from electrostatic solitary waves 国際会議

    27th General Assembly of the International Union of Radio Science 

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    開催年月日: 2002年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  37. Formation of electrostatic solitary waves: Two-dimensional particle simulation with open boundary conditions 国際会議

    2002 Western Pacific Geophysics Meeting 

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    開催年月日: 2002年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  38. An improved masking method for absorbing boundaries in electromagnetic particle simulations 国際会議

    6th International School/Symposium for Space Simulations 

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    開催年月日: 2001年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  39. Electromagnetic particle simulation of electron beam instabilities in 2-D open system 国際会議

    2001 Asia-Pacific Radio Science Conference 

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    開催年月日: 2001年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

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科研費 8

  1. 流体シミュレーションで運動論的物理過程はどこまで再現できるか?

    研究課題/研究課題番号:19H01868  2019年4月 - 2024年3月

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:16510000円 ( 直接経費:12700000円 、 間接経費:3810000円 )

    宇宙プラズマ環境変動の予測において計算機シミュレーションは今後不可欠な手段となる。既存の磁気流体力学(MHD)方程式に基づくプラズマ流体シミュレーションでは、慣性効果、圧力テンソルの非対角成分、熱輸送テンソルや四次以上の高次モーメント量などの非MHD項は無視されている。本研究では、第一原理運動論プラズマシミュレーションと流体ミュレーションとの直接比較によって、非MHD項である高次モーメント量が従来のMHD量に対してどのくらいの強度を持つのかを定量的に評価し、非MHD項の各項の重要性を議論する。また高次モーメント量を導入した新たな電磁流体方程式系を導出し、その数値シミュレーション手法を開発する。
    Thompson [1961]のジャイロ平均した速度分布関数の近似式に基づいて、三次及び四次モーメント量の近似式を導出した。また、ケルヴィン・ヘルムホルツ不安定性の2次元full-Vlasovシミュレーション結果より三次及び四次モーメント量を計算し、導出した近似式との直接比較を行った。その結果、四次モーメント量はよく近似できていることに対し、三次モーメント量はほどんど近似できていないことを示した。本研究グループの過去の研究において二次モーメント量もよく近似できていることを示した[Umeda et al. 2016]ため、この結果はThompson [1961]の奇数モーメント量の近似式を見直す必要があることを示唆する。
    1次元full-Vlasovシミュレーションによる接触不連続のパラメータサーベイを行い、Maxwell速度分布を持つプラズマ中ではMHD平衡解としての接触不連続が存在しないことを示唆した。更に、full-Vlasovシミュレーションと全く同一パラメータを用いた1次元hybrid-Vlasovシミュレーションとの直接比較を行い、接触不連続の崩壊の要因が三次モーメント量である熱輸送量であることを示した。この結果は、流体と運動論の差を作る要因の1つが三次モーメント量であることを示唆する。
    高次モーメント量を含む電磁流体方程式を導出し、差分化のための格子系の検討を行った。また、staggered格子系の方程式についての高次精度化スキームの検討を行い、1次元Maxwell方程式について従来のFDTD法を四次精度に拡張した。
    令和元年度の課題として設定した3つのうち、境界層の多次元full-Vlasovシミュレーションは順調に進んでいる。また磁場に沿った円柱座標系の回転方向に平均化したVlasov方程式を用いたThompson[1961]のモーメント近似法について、3次モーメント量である熱輸送テンソルの近似精度が悪いことを示した研究結果を出版した。4次モーメントまでを含んだ電磁流体方程式を導出し、計算手法の検討を行っている最中である。
    Vlasovシミュレーションについては計算を継続する。また磁場に沿った円柱座標系の回転方向に平均化したVlasov方程式を用いたThompson 1961のモーメント近似法について、平均化したVlasov方程式そのものについて、導出過程から見直す。四次モーメントまでを含んだ電磁流体方程式については、計算手法の検討を引き続き行い、また磁場に対するガウスの法則(磁場の無発散)を満たすため、staggered格子系の導入を試みる。

  2. 電磁プラズマ流体シミュレーションの共通数値解法の開発:MHDから多流体まで

    研究課題/研究課題番号:15K13572  2015年4月 - 2018年3月

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:3510000円 ( 直接経費:2700000円 、 間接経費:810000円 )

    ケルヴィン・ヘルムホルツ不安定性およびレイリー・テイラー不安定性の非線形発展について、2次元ブラソフシミュレーションにより研究を行った。初期勾配層の幅に対するイオン慣性長やイオンジャイロ半径を変化させたシミュレーションを行い、ホール効果およびジャイロ運動効果などの非MHD効果の寄与を議論した。非MHD効果があまり効かない場合にはMHDシミュレーションと同様の対称的な不安定性の発達が見られ、ホール効果が影響する場合には、非対称に発達することが分かった。またジャイロ運動効果が影響する場合には、イオンジャイロ半径スケールの新たな不安定性が生じ、不安定性の構造の成長を阻害することが分かった。

  3. ハイブリッド粒子コードを用いた無衝突衝撃波における宇宙線陽子の生成過程の研究

    研究課題/研究課題番号:26287041  2014年4月 - 2018年3月

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:15470000円 ( 直接経費:11900000円 、 間接経費:3570000円 )

    計数ソートを用いた粒子データの並べ替えと座標配列に従属した粒子データ構造への変更により、Particle-In-Cell型のプラズマ粒子コードの高速化を行った。高速化したコードによる大規模2次元粒子シミュレーションにより、垂直衝撃波の非定常性である再形成について研究を行い、その存在が衝撃波遷移層における微視的不安定性の成長モードに依存することを示唆した。
    衝撃波遷移層における大振幅ホイッスラーモード波の発展について、1次元および2次元粒子シミュレーションを行った。1次元では波の発展ともなって電子が相対論的に加速されたが、2次元では新たな不安定性により波が急速に減衰し、電子加速は起こらなかった。

  4. 6次元プラズマシミュレーション

    研究課題/研究課題番号:25610144  2013年4月 - 2015年3月

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:3250000円 ( 直接経費:2500000円 、 間接経費:750000円 )

    6次元電磁ブラソフコードの開発を行った。実空間の移流計算の際に、6次元分布関数のデータの並びを速度-位置から位置-速度に転置することにより、使用メモリ量を大幅に削減した。また転置により、インテル系Xeonプロセッサにおいては、従来のコードよりも大幅に性能向上できた。一方で、富士通FX10及び京コンピュータにおいては、従来の5次元コードに比べて1割ほど実効効率が落ちたため、今後更なるチューニングを施す必要がある。
    本研究ではさらに、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性や弱磁化小天体の大規模シミュレーションを行い、磁気流体スケールとイオンスケール及び電子スケールについて、物理過程の分離を行った。

  5. 大規模ブラソフシミュレーションによる宇宙プラズマのスケール間結合の研究

    研究課題/研究課題番号:23740367  2011年 - 2012年

    梅田 隆行

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:3900000円 ( 直接経費:3000000円 、 間接経費:900000円 )

    ポストペタフロップスコンピュータ用プラズマシミュレーション技術である第一原理ブラソフコードの研究開発を行った。超多次元保存則である無衝突ボルツマン(ブラソフ)方程式を高精度かつ安定に解き進めることかできる数値解法を開発し、10,000コア以上のスカラ型超並列計算機に向けた並列化を行った。また宇宙プラズマ中の様々なマルチスケール現象に対して適用を行い、世界で初めて磁化天体のグローバルブラソフシミュレーションに成功するとともに、速度シア層におけるケルビン-ヘルムホルツ不安定性において、流体スケールの境界層渦構造の発展が、粒子スケールのイオンジャイロ運動に大きく影響を受ける結果を得た。

  6. 次世代第一原理粒子シミュレーションによる無衝突衝撃波の粒子加速機構の解明

    研究課題/研究課題番号:21200050  2009年 - 2011年

    新学術領域研究(研究課題提案型)

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:27040000円 ( 直接経費:20800000円 、 間接経費:6240000円 )

    大規模な2次元全粒子シミュレーションにより、垂直衝撃波の非定常性について研究を行い、以下の成果を得た。衝撃波面におけるイオンの反射によってイオンと電子に相対速度が生じ、電子スケールの変形不安定性によって電磁ホイッスラー波動が励起する。このホイッスラー波動はリップルと呼ばれるイオンスケールの衝撃波面の変動と磁気的相互作用し、互いに強め合う。その結果、衝撃波面に入射する上流イオンと波面で反射するイオンが激しく散乱され、周期的かつコヒーレントなイオンの反射を抑制し、衝撃波の再形成が消滅する。以上により、垂直衝撃波の非定常性の1つである再形成の存在の有無が、電子スケールの微視的不安定性にコントロールされていることを明らかにし、電子-イオン-流体間のスケール間結合過程が存在することを示した。

  7. 次世代スーパーコンピュータに向けたブラソフシミュレーション手法の研究

    研究課題/研究課題番号:21740352  2009年 - 2010年

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:3510000円 ( 直接経費:2700000円 、 間接経費:810000円 )

    次々世代宇宙プラズマシミュレーション技術である第一原理ブラソフコードの研究開発を行った。超多次元保存則である無衝突ボルツマン(ブラソフ)方程式を高精度かつ安定に解き進めることかできる数値解法を開発した。スカラ型超並列計算機に向けた並列化を行い、1,000以上のコアを用いた場合でも80%を超える並列計算効率を得ることに成功した。また宇宙プラズマ中の様々なマルチスケール現象に対して適用を行い、流体スケールと粒子スケール間の結合を示唆する結果を得た。

  8. 革新的なブラソフシミュレーション手法の研究

    研究課題/研究課題番号:19840024  2007年 - 2008年

    若手研究(スタートアップ)

    梅田 隆行

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:3105000円 ( 直接経費:2700000円 、 間接経費:405000円 )

    次世代宇宙プラズマシミュレーション技術である第一原理ブラソフコードの研究開発を行った。連続体の多次元発展方程式である無衝突ボルツマン(ブラソフ)方程式を高精度かつ安定に解き進めることかできる数値解法を開発し、宇宙プラズマ中の様々なマルチスケール現象に対してベンチマークテストを行った。その結果、新たに開発したコードは従来のブラソフコードよりもはるかにロバストであることがわかった。次世代スーパーコンピュータに向けた高速化および超並列化が今後の課題である

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産業財産権 1

  1. 相対論的運動方程式に基づく荷電粒子の運動解析方法

    梅田隆行

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    出願番号:2022-032260  出願日:2022年3月

 

担当経験のある科目 (本学) 32

  1. 電気回路論及び演習

    2020

  2. データ解析処理論演習

    2020

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  3. データ解析処理論演習

    2019

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  4. 電気回路論演習

    2019

  5. 宇宙情報処理特論

    2019

  6. 企業・研究所見学B

    2019

  7. 実世界データ処理学

    2019

  8. 電気回路論演習

    2018

  9. データ解析処理論演習

    2018

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  10. 電気回路論演習

    2017

  11. データ解析処理論演習

    2017

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  12. 電気回路論演習

    2016

  13. データ解析処理論演習

    2016

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  14. 電気回路論演習

    2015

  15. データ解析処理論演習

    2015

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  16. 電気回路論演習

    2014

  17. データ解析処理論演習

    2014

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  18. 電気回路論演習

    2013

  19. データ解析処理論演習

    2013

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  20. 電気回路論演習

    2012

  21. データ解析処理論演習

    2012

     詳細を見る

    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  22. データ解析処理論演習

    2011

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  23. 電気回路論演習

    2011

  24. データ解析処理論演習

    2010

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  25. 電子情報回路工学演習

    2010

  26. 電子情報回路工学演習

    2009

  27. データ解析処理論演習

    2009

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  28. 電子情報回路工学演習

    2008

  29. データ解析処理論演習

    2008

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  30. データ解析処理論演習

    2007

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

  31. 電子情報回路工学演習

    2007

  32. データ解析処理論演習

    2006

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    数値解析ソフトScilabの使用法を習得し、人工衛星が観測したデータを解析する

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社会貢献活動 3

  1. 平成27年度「京」における高速化ワークショップ

    役割:講師

    2015年12月

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    対象: 大学院生, 研究者, 学術団体, 企業

    種別:セミナー・ワークショップ

    宇宙プラズマの第一原理ブラソフコードの性能評価

  2. サイエンティフィック・システム研究会 科学技術計算分科会 2013年度会合「ペタからエクサへの課題」

    役割:講師

    サイエンティフィック・システム研究会  2013年10月

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    対象: 教育関係者, 研究者, 学術団体, 企業, 行政機関

    種別:講演会

    京コンピュータを用いた宇宙プラズマの第一原理ブラソフシミュレーション

  3. 公開講座「宇宙」

    役割:講師

    2010年8月

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    対象: 高校生, 大学生, 大学院生, 教育関係者, 保護者, 社会人・一般

    種別:講演会

    「宇宙科学とコンピュータシミュレーション」と題して、高校生、高専生及び一般向けの公開講座を高知高専において行った。