PDF/19.0MB - 港湾空港技術研究所

津波即時予測技術の高度化
海洋研究開発機構 地震津波・防災研究プロジェクト
馬場 俊孝
SATREPSチリ 国内研究討論会
2013.04.30
1
もくじ：津波即時予測技術の⾼度化
• 海底水圧計観測網を用いた津波即時予測
• 京コンピュータによる大規模津波計算
2
巨⼤地震のマグニチュードの即時決定に課題：2011年東北沖地震
Mj obtained from the maximum amplitude
sec
near-field
High‐sensitivity seismograph
(near field)
Saturation of
long- period components
Mjma = 7.9
Scale over
(except Ryukyu)
near-field
Broadband seismograph
(near‐field)
far-field
Mw not determined
Data length used in Mw estimation
CMT
overseas
Broadband seismograph
(far‐field)
Origin time Mj7.9
(14:46)
(14:49)
Failure of automatic Mw
calculation
Time (JST)
http://www.seisvol.kishou.go.jp/eq/tsunami_kaizen_benkyokai/benkyokai1/index.html
Mw8.8(15:40)
3
JMA
津波警報（第⼀報）における過⼩評価：2011年東北沖地震
1m
3m
8m
8m
Aomori
1m
3m
10m+
6m
10m+
Iwate
Tsunami
information
+0.2m
3m
6m
+6.7m
10m+
6m
3m
10m+
6m
Miyagi
10m+
3m
Fukushima
3m
①
★
14:49 Mj7.9
14:58 M7.9 from PTWC
★3/11 14:46 earthquake occurred
3m
6m
6m
②
10m+
③
15:40
Mw8.8 15:43 estimated M8.8 from PTWC
① 3min Tsunami warning issued
4min Iwate 3m, Miyagi 6m,
Fukushima 3m (Major Tsunami), Aomori 1m (Tsunami)
②28min Tsunami warning modified
Iwate 6m,Miyagi over 10m,
Fukushima 6m, Aomori 3m
(Major Tsunami)
③44min Tsunami warning modified
again
45min from Iwate to Chiba over 10m, Aomori 8m (Major Tsunami)
x2
x2
Water level (acquired in real
time)
Water level (recovered later)
Water level (unrecovered)
Predicted tsunami height
4
JMA
沖合津波計の記録：2011年東北沖地震
3m
OBPG
?
(1500m)
TM1
OBPG
1000m)
TM2
GPS buoy
(250m)
GPS802
Tide
gauge
Kamaishi
0
5
10
15
20
25
30
35min
25 min
1st warning
Miyagi 6m,
Iwate 3m
2nd Warning
Miyagi 10m+,
Iwate 6m
5
JMA
6
地動センサシステム
強震計(TSA-100S)、 広帯域地震計(CMG-3T.RH)
観測対象
長周期地震動
微小地震
大地震
:
:
:
:
広帯域な現象
0.001 - 0.1 Hz; 1×10-9 m/s2 - (at 0.05Hz)
0.1 - 100 Hz; 1×10-7 m/s2 – (at10Hz)
0.01 - 100 Hz; - 39.2 m/s2 (at 10Hz)
強震計
ジンバル機構
広帯域地震計
7
圧⼒センサシステム
水晶水圧計、微差圧計、ハイドロフォン、温度計
観測対象
: 広帯域な現象
地殻変動
津波
長周期地震波
微小地震
大地震
:
:
:
:
:
1day - 100 sec; >1 Pa
- 100 sec; >1 Pa
0.001 - 0.1 Hz; > 1 Pa
0.1 - 100 Hz; > 1 Pa
0.01 - 100 Hz; > 3 MPa
水晶圧力計
微差圧計
センサー校正用
精密温度計
ハイドロフォン
8
DONETで観測された東北沖地震の津波
 沿岸の検潮所より早く沖合津波波形を検知
 沿岸での津波波高 ＝ 増幅率 ×沖合津波高
尾鷲
熊野
DONET/GPSブイ/検潮記録の津波比較
串本
浦神
熊野
尾鷲
Pressure [hPa] or Wave height [cm]
尾鷲 GPS Buoy
DONET C9
100
Owase
Kumano
GPS Buoy
GPS Buoy
0
DONETC9
DONETC9
-100
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.
100
串本
0
Kushimoto
GPS Buoy
DONETC9
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.
浦神
Uragami
GPS Buoy
DONETC9
津波予測の
精度向上に貢献
-100
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.
0
30
60
90
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.
0
30
120 150 180 210
Time [min.]
60
90
120 150 180 210
9
第⼆期（DONET2）計画
展開案
◆ DONET２
・平成２２年度以降、文部科学省の補助金事業として、当初
は5年×2フェーズの計画 （第Ⅱ期）
>第1フェーズ：H22～H26
>第2フェーズ：H27～H31
・平成24年度予算案において前倒し予算が計上され、平成
25年度末の試験運用開始に向け整備を加速
○DONET１の運用・データ解析も合わせて実施
◆システム構想 (カッコ内はDONET）
・基幹ケーブル長：
・分岐装置：
・ノード：
・観測装置：
約350km
7式
7式
29式
（約250km）
（5式）
（5式）
（20式）+2式
DONET2
※展開案、設置機器内容については、ルート設計のための事
前調査による変更もある。
展 開 案
10
第⼆期（DONET2）構築スケジュール
開発項目
高電圧化
内容
H22
H23
H24
H25
H26
H27
ケーブル長、観測点増などに対応したシス
テム高度化
基幹ケーブルシステ
ケーブル、中継器、拡張用分岐装置（ノー
ム、観測装置等の
ド）、地震計、津波計等
整備
装置の評価試験
海域事前調査
基幹ケーブル等ルート設計、観測機器の
設置場所の選定等に必要なサーベイ
ルート設計
上記事前調査等に基づくルート設計
ケーブル敷設工事
観測装置の設置
観測装置設置等
陸上局舎選定
陸上局舎整備
機能整備
システム運用
システムの保守、データ管理・配信、など
25年度末：試験運⽤開始（予定）
27年度末：本格運⽤開始（予定） 11
⽇本海溝地震津波観測網（防災科研）
Tohoku Array
Schematic figure of the system
In‐lined cable observatory
 Up to 8000m of water depths
 Seismometer and pressure gauges
Large‐scale seafloor observatory for earthquake and tsunami in the area of the 2011 Tohoku earthquake
154 observation points in total Each consists of seismometer and pressure gauge
6 Looped cables
 Continuous data collection in real‐
time over the wide area
 Reveal mechanism the subdcution
zone earthquake
 Rapid earthquake tsunami detection
（NIED)
12
ブイ型新観測システムの開発
単独搬送波位相測位
（Precise Point Positioning：PPP）
GPS
リアルタイム
PPP測位
QZSS
みちびき
LEX信号PPP
メッセージ
イリジウム
GPS
きく８
精密軌道・クロック
情報を生成
データ伝送
地上局
地上
アンテナ
水圧計と海底局を用いて
地殻変動観測
スラック係留方式の採用
スラック比(係留索長：水深比)
1000m長の
通信用ワイヤー
＝ 1.3～1.5程度
ワイヤー下の
トランスデューサ
ナイロン
ロープ
ポリプロピレン
ロープ
潮流に強い
m-tritonブイ
がベース
45ﾟ
切り離し装置
＋
水圧ﾃﾞｰﾀ
衛星を用いたPPP観測
II
海底における地殻変動を
リアルタイムで検出へ
即時展開性に優れたブイ形式
の津波警報システムを展開
（指向性±45ﾟ）
アンカー 5～6t
海底局
（水平変位検出）
海底ユニット
（水圧計による上下変位検出）
①
②
海底に設置した水圧計により
データ検出
陸上インフラに左右されない衛
星を通じて津波・地殻変動デー
13
タをリアルタイム通信
東北地震震源近傍でのオフライン海底⽔圧観測
Slip of the 2011 Tohoku earthquake
JAMSTEC釧路システム
Lay et al. (2011)
釜石ケーブルシステム
Stand‐alone typed bottom pressure gauge
●： 東北地震前からの水圧観測点.
○： 東北地震後の水圧観測点
東北大学提供
14
震源近傍での
海底⽔圧変動
赤: オリジナルデータ
青: 短波長成分除去後のデータ（移
動平均による）
データは東北大学提供
15
移動平均による短周期成分（動⽔圧）の除去
16
移動平均による短周期成分（動⽔圧）の除去
17
津波発⽣時の静⽔圧変動
(c) 発生後
(b) 発生中
(a) 発生前
隆起
海
初期水位
全水深
< 水深
全水深
~ 水深
水深
水圧計
津波伝播
隆起
海底
断層運動
海底水圧と水深は比例関
係
津波発生中は海底水圧（静
的）な変動はない
全水深が減少するため、
海底水圧も減少
1 hPa 〜 1 cm H2O
東北地方太平洋沖地震時に観測さ
れた海底水圧変動（東北大学）
18
Pressure [hPa] or Wave height [cm]
地殻変動⾮分離で津波増幅率を経験的に推定
DONET観測点と海岸の間の津波増幅率推定のために⽤い
た断層（M7.2からM8.4）。これを⽤いた繰り返し津波を
計算した。
⽔圧変化
の絶対値
を平均化
Time [sec]
第⼀ピーク
Time [sec]
あるモデルから計算されたＤＯＮＥＴ観測点での海底⽔圧波形と、ＧＰＳ波浪計、
検潮所での津波波形（左）。右図においては海底⽔圧波形の絶対値をとって平均
化した波形を⻘⾊で⽰している。この第⼀ピークと海岸での最⼤津波⾼の相関を
調べた。
5
12
Max. Inundation Height (m)
DONET観測点での⽔圧の絶対値の平均波形の第⼀ピークと沿岸での最⼤津波⾼さの相関図。
予め浸⽔域を計算し、ＤＢ化しておくこ
とによって、地震発⽣後１０分程度で、
19
⾼精度に浸⽔域も予測可能である。
GPS Buoy
Pressure [hPa] or Wave height [cm]
BPGs
Fault models used for investigation of tsunami amplification factor. Triangles show locations of ocean‐bottom pressure and tsunami observations during the 2011 Japan earthquake
## Bottom pressure data was provided by Dr. Hino of Tohoku University
Tide gauge at coast
Time [sec]
Tsunami records at bottom pressure gauges (BPG), GPS buoy and a coastal ide gauge
Max. Tsunami Height at coast [m]
津波増幅率を⽤いた即時予測
Minamisanriku
First peak of ave. abs. BPG [102 hPa]
Correlation between ocean bottom pressure and coastal tsunami height. This was obtained based on many numerical simulations.
420 hPa
GPS Buoy
Ave. abs. BPG
Tide gauge at coast
13 min.
Time [sec]
Take average absolute value of BPG so that easily compare with the coastal tsunami height
15
20
Max. Inundation Height (m)
Predicted tsunami inundation map in case of that ave. abs. of bottom pressure stations is 420 hPa. 20
Purple lines show inundation limit of the March 11, 2011 Tohoku earthquake (GSI, 2011). 地震発⽣直後の急激な静⽔圧変動域
地震発⽣直後の静⽔圧変動
地震発生後、急激に水圧が変動しているエリア＝震源域（断層長）
21
発災時の津波即時予測に求められるスピード
• 数分以内
津波警報に役立つようなスピードで津波を予測
• 数時間以内
救助作業、救援物資の輸送など初動対応のディ
シジョンメイキングに役立つスピードで津波浸水
を予測
– 大規模津波災害の全貌をつかむのは容易ではない
– 夜間・悪天候ならなおさら
22
発災時の津波即時予測に求められるスピード
Parallelized Tsunami Code (JAGURS)
OpenMP OpenMP
+ MPI
○底面摩擦を考慮した非線形長波式理
論に基づく平面2次元モデル (Satake
1995)
○線形ネスティンググリッド化 (Jakeman
et al., 2010)
○非線形ネスティンググリッド化
○OpenMP&MPIによる並列化
○ArcGIS viewerへのインターフェースの
開発
22,120 13,284 10000
計算時間 (秒）
並列性能評価に用いたモデル
○5層の地形のネスティング
第1層の格子数 1501 x 1801
第2層の格子数 901 x 1351
第3層の格子数 1711 x 2251
第4層の格子数 1891 x 1711
第5層の格子数 3511 x 2701
総格子点数
約2.0 x 107
○最小格子間隔は2/9秒（約5m）
○地震発生から10分を、時間間隔0.05秒で、12000ス
テップ計算
○1200ステップ毎にすべての波高を出力
○使用計算機
SGI ICE X (Inte Xeon E5‐2670 2.6GHz)
16core/node, 64GB/node
100000
214倍高速化
(5日のジョブが30分に）
7,074 3,858 2,489 1,441 1000
722 377 191 121 103 100
10
1
2
4
8
16
32
64 128 256 512 1024
コア数（個）
23
京コンピュータ
神戸市 独立行政法人理化学研究所
計算科学研究機構（RIKEN AICS）
24
航空レーザー測量
Lidar measurements are energetically being carried out along the Japanese coast since the March 11
disaster by Geospatial Information Authority of Japan (GSI)
Measured 60 percent of Japan so far
High‐resolution DEM data
1st Extra budgets in 2011
3rd extra budgets in 2011
3rd extra budgets in 2011
3rd extra budgets in 2011
GSI (~ 2011)
Regional Development Bureau (Coast) (~2011)
25
Regional Development Bureau (River) (~2011)
京コンピュータによる⼤規模実時間津波計算
（⾼知県全域5m分解能、計6.8億格⼦）
京5,184ノード使用
5時間の伝搬計算
(dt=0.01s)
計算時間は7時間
26
京コンピュータによる⼤規模実時間津波計算
（⾼知県全域5m分解能、計6.8億格⼦）
27
地上⾼データ
AGL contains all above ground objects such as trees and bridges that do not obstruct tsunamis, which were removed by referring the government’s fundamental geospatial data to obtain 3D building data. 28
三次元建物データ
29
三次元建物データ
あり・なしによる
津波予測
建物なし
非線形長波モデル
分解能2m
建物あり
30
避難シミュレーションとの連携
堀宗朗（東京大学地震研究所）
避難シミュレーションとの連
携により、住民避難行動の
促進
31
まとめ：津波即時予測技術の⾼度化
• 沖合観測システムの大規模展開・開発
– ＤＯＮＥＴ、東北ケーブル、新型ブイ
• 津波即時予測のための新たな技術
– ①震源域直上の海底水圧変動に対応した津波
予測手法の開発（津波増幅率）
– ②京コンピュータを用いた広域詳細な津波浸水
シミュレーション
32
33