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MATSUSHIMA Toshiki
Graduate School of Science
Assistant Professor

Researcher basic information

■ Research Areas
  • Natural sciences / Atmospheric and hydrospheric science

Research activity information

■ Paper
  • Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima
    Nov. 2023, Geoscientific Model Development
    [Refereed]
    Scientific journal

  • Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima
    Abstract. A particle-based cloud model was developed for ultrahigh-resolution numerical simulation of warm clouds. Simplified cloud microphysics schemes have already made meter-scale numerical experiments feasible; however, such schemes are based on empirical assumptions, and hence, they contain huge uncertainties. The super-droplet method (SDM) is promising for cloud microphysical process modeling; it is based on a particle-based approach and does not make any assumptions for the droplet size distributions. However, meter-scale numerical experiments using the SDM are not feasible even on the existing high-end supercomputers because of its high computational cost. In the present study, we optimized and sophisticated the SDM for ultrahigh resolution simulations. The contributions of our work are as follows: (1) The uniform sampling method is not suitable when dealing with a large number of super-droplets (SDs). Hence, we developed a new initialization method for sampling SDs from a real droplet population. These SDs can be used for simulating spatial resolutions between centimeter and meter scales. (2) We improved the SDM algorithm to achieve high performance by reducing data movement and simplifying loop bodies by applying the concept of effective resolution. The improved algorithms can be applied to Fujitsu A64FX processor, and most of them are also effective on other many-core CPUs and graphics processing units (GPUs). Warm bubble experiments revealed that the particle-steps per time for the improved algorithms is 57.6 times faster than those for the original SDM. In the case of shallow cumuli, the simulation times when using the new SDM with 64–128 SDs per cell are shorter than those for a bin method with 32 bins and are comparable to those for a two-moment bulk method. (3) Using supercomputer Fugaku, we demonstrated that a numerical experiment with 2 m resolution and 128 SDs per cell covering 13,8242 × 3,072 m3 domain is possible. The number of grids and SDs are 104 and 442 times, respectively, those of the current state-of-the-art experiment. Our numerical model exhibited perfect weak scaling up to 36,864 nodes, which account for 23 % of the total system. The simulation achieves 7.97 PFLOPS, 7.04 % of peak ratio for overall performance, and the simulation time for SDM is 2.86 × 1013 particle·steps/s. Several challenges, such as optimization for mixed-phase clouds, inclusion of terrain, and long-time integrations, still remain, and our study will also contribute toward solving them. The developed model enables us to study turbulence and microphysics processes over a wide range of scales using combinations of DNS, laboratory experiments, and field studies. We believe that our approach advances the scientific understanding of clouds and contributes to reducing the uncertainties of weather simulation and climate projection.
    Copernicus {GmbH}, Mar. 2023
    Scientific journal

  • Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima, Wojciech Grabowski
    Nov. 2021

  • Toshiki Matsushima, Keiichi Ishioka
    Apr. 2017, FLUID DYNAMICS RESEARCH, 49(2) (2), English
    [Refereed]
    Scientific journal

  • サリバン渦の安定性について—Stability of Sullivan vortex
    松嶋 俊樹, 石岡 圭一
    日本流体力学会, Feb. 2014, ながれ : 日本流体力学会誌 = Nagare : journal of Japan Society of Fluid Mechanics, 33(1) (1), 47 - 60, Japanese
    [Refereed]

■ Lectures, oral presentations, etc.
  • A Tracer Advection Scheme Based on the Particle-in-Cell Method on the 2-Sphere
    Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima
    JpGU2025, May 2025, Japanese
    Oral presentation

  • Preliminary Steps Toward Data Assimilation Using the Radiation-Coupled AFES-Venus
    Toshiki Matsushima, Hiroki Kashimura, Yoshiyuki O. Takahashi, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Yoshi-Yuki Hayashi
    JpGU2025, May 2025, English
    Poster presentation

  • 放射伝達過程を導入した金星大気 GCM による大循環の力学・熱力学 的構造:既存研究との比較の観点から
    松嶋 俊樹, 樫村 博基, 高橋 芳幸, 林 祥介, 杉本 憲彦, 高木 征弘
    日本気象学会2024年度秋季大会, Nov. 2024, Japanese
    Oral presentation

  • 二次元球面上での Particle-in-Cell 法に基づくトレーサー移流
    松嶋 俊樹, 西澤 誠也, 島 伸一郎
    日本気象学会2024年度秋季大会, Nov. 2024, Japanese
    Oral presentation

  • Dynamical and thermodynamical structure in cloud layer simulated by a GCM with correlated-k distribution radiative transfer model
    Toshiki Matsushima, Hiroki Kashimura, Yoshiyuki O. Takahashi, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Yoshi-Yuki Hayashi
    Japan GeoScience Union Meeting 2024, May 2024, English
    [Invited]
    Poster presentation

  • Dynamical and thermodynamical structure in cloud layer simulated by a GCM with correlated-k distribution radiative transfer model
    Toshiki Matsushima, Hiroki Kashimura, Yoshiyuki O. Takahashi, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Yoshi-Yuki Hayashi
    Workshop on Venus and other related atmospheres, Mar. 2024, English
    Oral presentation

  • 超水滴法による革新的な雲のシミュレーション:メートルからサブメートルスケール解像度の実現および、全球領域への応用に向けて
    松嶋 俊樹, 西澤誠也, 島 伸一郎
    第3回「富岳」成果創出加速プログラム研究交流会, Mar. 2024, Japanese
    Poster presentation

  • AFES-Venus への精緻な放射モデルの導入 : 雲層での力学・熱力学的構造
    松嶋 俊樹, 樫村 博基, 高橋 芳幸, 杉本 憲彦, 高木 征弘, 林 祥介
    日本気象学会2023年度秋季大会, Oct. 2023, Japanese
    Oral presentation

  • AFESへの精緻な放射スキームの導入に向けて
    松嶋 俊樹, 樫村 博基, 高橋 芳幸, 林 祥介
    金星大気の観測・シミュレーション・データ同化に関する研究会, Mar. 2023, Japanese
    Oral presentation

  • Numerical model to enable ultra-high-resolution simulations of shallow clouds using the super-droplet method
    Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima
    103rd AMS Annual Meeting, Jan. 2023, English
    Oral presentation

  • Numerical model to enable ultra-high-resolution simulations of shallow clouds using the super-droplet method
    Toshiki Matsushima, Seiya Nishizawa, Shin-ichiro Shima
    AGU fall meeting, Dec. 2022, English
    Poster presentation

  • 超水滴法による浅い雲の超高解像度実験を可能にする数値モデルの開発
    松嶋俊樹,西澤 誠也, 島 伸一郎
    日本気象学会2022年度秋季大会, Oct. 2022, Japanese
    Oral presentation

■ Research Themes
  • 全球ラグランジュ的輸送モデルを用いた金星の流体・物質輸送過程の解明
    松嶋 俊樹
    日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 基盤研究(C), 神戸大学, Apr. 2025 - Mar. 2029

  • 雲微物理解像の雲全体計算に向けた先端的数値計算手法の開発
    松嶋 俊樹
    日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究, 若手研究, 国立研究開発法人理化学研究所, 01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2024
    2021年度は、本課題における主要な目的である、雲微物理解像の先端的数値モデルの開発を目指し、力学コアおよび雲微物理法の両方の研究開発を行った。 力学コアに関しては、従来は水平方向の空間二次元分割によって並列化することが一般的であるところを、空間三次元分割を行って通信量を削減し、より並列度の高い計算が行えるようにした。一方、雲微物理の計算は鉛直方向に計算量が変わるので、空間二次元分割を採用した。また、富岳におけるノード形状を意識したハロ通信を実装し、計算と通信をオーバーラップすることで、超高解像度の数値実験に耐えうるように改良した。 雲微物理に関しては、基盤アルゴリズムに多くの改良を加え、その高速化を行った。例えば速度場の粒子位置への補間に、格子場の発散を保存する二次精度の補間を開発した。また、粒子の初期化に疑似乱数ではなく超一様分布列を用いるようにし、粒子のサンプリングのための提案分布は、予測のばらつきを低減するように設計した。さらに、「富岳」での性能を向上させるため、格子場・粒子のキャッシュブロッキングを導入した。キャッシュブロッキングのために分割された小さな空間を利用して、計算量の劇的削減と最適化を促進する新規の方法を導入した。 これらの研究開発によって、計算のトータルの経過時間を、従来用いられてきた雲のバルク的性質のみを解く方法と同程度にまで高速化することができた。さらに、「富岳」上での大規模実験を行い、全系の約25%を用いて、混合精度演算により7.9PFLOPS、最適化前のボトルネックであった凝結成長の計算では18PFLOPSの速度が得られた。この速度を維持した2m解像度のラージ・エディ・シミュレーションによって、小さな積雲集団を数値計算することに成功した。

  • 理想化モデルを用いた, 竜巻を模した渦の力学に関する研究
    松嶋 俊樹
    日本学術振興会, 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費, 特別研究員奨励費, 京都大学, 24 Apr. 2015 - 31 Mar. 2017
    発達した竜巻やダストデビルは、渦の中心に下端境界まで到達する下降流域の存在する2セル構造や多重渦構造を持つことが知られている。本研究の目的は、そのような渦に関する数値実験を柔軟な条件設定のもとで行うことを可能にする、平面の上方に広がる半無限領域においてナヴィエ・ストークス方程式を解くスペクトル法モデルの新しい手法に基づいた開発と、開発した数値モデルを用いて竜巻を模した渦の数値実験および渦の構造に関する解析を行い、竜巻やダストデビルのもつ渦の力学を明らかにすることである。 本年度は、まず昨年度に行った、渦度の積分制約条件を利用した高精度半無限領域のスペクトル法による数値モデルの開発と、その検証のために行った高レイノルズ数での渦輪の壁衝突に関する数値実験についての研究を論文にまとめて投稿し、受理・掲載された。次に、開発した半無限領域のスペクトル法モデルを用いて竜巻を模した渦の二次元および三次元の数値実験を行った。その結果、二次元の数値実験では、開発した数値モデルの定式化に基づいた解析を行うことによって、竜巻を模した渦の2セル構造の軸対称力学が非常に明快に理解できることを明らかにした。また、三次元の数値実験では、開発した数値モデルを用いることで、竜巻を模した多重渦構造をもつ数値解が得られることを示した。最後に、これまでに行った研究を博士論文「大気中の微細渦の力学に関する数値的研究」にまとめた。

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