資料 計６４－（７）ＤＯＮＥＴによる津波検知・予測金田義行
海洋研究開発機構
地震津波・防災研究プロジェクトリーダー
調査観測計画部会@2013.12.02

科学・技術の統合

観測ネットワーク設置海域

南海地震
震源域

東南海地
震
震源域

東海地震
想定震源域

第Ⅰ期
（H18～H21）

日向灘地
震
震源域

第Ⅱ期
（H22以降）3

地震・津波観測監視システムのコンセプト
高信頼性：

広域展開のためのシステム高度化

20年程度の定常連続観測を実現可能なシステムデザイン
基幹ケーブルシステムには、高信頼設計を基本とする商用海底通信技術を用いるとともに、必要に応じて、高信頼性コンポーネントの新規開発を実施。（給電岐路ケーブル、制御回路の高信頼性IC等）

冗長構成：
外的要因による障害、もしくは想定外の内因による部分的な障害の発生に対して耐力のあるシステムデザイン
基幹ケーブルの両端を陸揚げし、それぞれの端から直流定電流給電をかけ、時計回り、反時計回りの2経路の伝送路を確保することにより冗長構成を実現。

中電圧システム(DONET1)

さらに開発

高電圧システム(DONET2)電圧システム： 3千V → 1万V
ケーブル長： 300km → 1000km
DONETタイプノード：
5式 → 10式

置換機能：
障害を起こしたり老朽化したコンポーネントについて適宜、交換・整備・アップグレード等の置換が可能なシステムデザイン
ノードや観測装置はそのインターフェースに水中着脱式コネクタを搭載することで海中で着脱を可能にする。

海洋調査船「かいよう」
海底で設置作業を行うROV

4

観測装置の構成
地動センサシステム

圧力センサシステム

5

地動センサシステム

ADコンバーター/観測装置
伝送部等周辺装置
耐圧容器にパッケージング
広帯域地震計

強震計

ジンバル上にセンサーを組み付け
地動センサーシステム完成

圧力センサシステム
水晶水圧計

すべてのセンサを油漬けにし、脱気を行う
ハイドロフォン

微差圧計

精密温度計

フレームに組み込み水圧センサーシステム完成

統合データベースアプリケーション- seiscomp3の導入 -リアルタイムで地震を検出、震源決定、マグニチュード評価

統合データベースアプリケーション- 自治体向けデータ表示システム開発 -••••リアルタイムで確実に地震計と水圧計の記録が見えること
最新の震源情報が受け取れること
振幅値が読み取れること（津波増幅率の導入に向けて）
JAMSTECのセキュリティに損害を与えないこと

9防災・減災に向けたDONETデータ活用- 地域に特化したシステム構築実現に向けて DONETリアルタイム伝送構想 海陽町まぜのおか陸上局（徳島県海陽町）
データ受信・配信室
戸ジオパーク
陸上局

古江陸上局

（ＤＯＮ
Ｅ
（Ｄ ＴＯ １Ｎ ）ＥＴ２）

衛星回線による冗長化

尾鷲市防災センター

DONETデータ
リアルタイム波形表示

Webによる計算結果の配信専用線（GIGA STREAM）
win32フォーマット 0.1秒パケット
局舎設計図

局舎建設地

中部電力

広帯域地震計 3 ch (200 Hz)
強震計 High/Low Gain 6 ch (200Hz)
ハイドロフォン 1 ch (200 Hz)
微差圧計 1 ch (200 Hz)
水晶水圧計1 ch (10 Hz)
精密温度計 1 ch (1 Hz)
広帯域地震計3 ch (100 Hz)
強震計3 ch (100 Hz)
水圧計1 ch震源メカニズム決定
津波の波動伝播計算
防災科研/
気象庁の陸上観測点データ（南海トラフ沿い約200観測点）
地震計、水圧計

EarthLAN

緊急地震速報津波警報

10中部電力・尾鷲市/和歌山県との共同事業計画- DONETデータ利用と通信網の冗長化 -尾鷲市防災ネットワーク回線、衛星利用で通信網冗長化実現へ
和歌山県へのリアルタイムデータ伝送も計画
11地震及び津波の即時検知能力の向上

赤色の領域で地震が発生した場合、陸域観測網よりも早くＰ波を検知する

赤色の領域で津波が発生した場合、沿岸の検潮所よりも早く津波を検知する
12

沖合津波波形と沿岸波高 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 ×DONETデータ

2011年 東北地震津波の例

熊野：約2.75倍

尾鷲：約3.5倍

Pressure [hPa] or Wave height [cm]100DONET/GPSブイ/検潮記録の津波比較

Owase

尾鷲Kumano

GPS Buoy

熊野

GPS Buoy

0浦神

DONETC9DONETC9DONETデータの初動と-100
検潮所データの最大値とBandpass filtered between 100 – 10000 sec.
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.の比は6～10倍

串本：約2.5倍
100串本

尾鷲
GPS Buoy

DONET C9浦神：約3.2倍
UragamiKushimoto
GPS Buoy

GPS Buoy

津波予測の精度向上に貢献

0DONETC9DONETC9-100
Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

Bandpass filtered between 100 – 10000 sec.

00306090120 150 180 210

306090120 150 180

210Time [min.]

津波増幅率は、津波の入射方向や震源距離、地域によって異なる

13

津波発生時における静水圧変動(a) 発生前(b) 発生中
隆起

海海底

海底水圧と水深は比例関係

初期水位
全水深~ 水深

水深水圧計(c) 発生後
津波伝播

全水深
< 水深

隆起
断層運動
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）

14

Pressure [hPa] or Wave height [cm]

DONETと沿岸の間の津波増幅率の推定

DONET観測点と海岸の間の津波増幅率推定のために用いた小断層。これらを組み合わせることによって、M7.2からM8.4の地震を発生させ、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青色で示している。この第一ピークと海岸での最大津波高の相関を調べた。

512Max. 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、高精度に浸水域も予測可能である。

15

近地津波の海面変動と水圧変動
海面変動

Assumed fault parameters used in the calculation
are Magnitude 8.4, Fault Length: 223.87 km,
Fault Width: 112.2 km, Fault strike: 240 degrees,
Fault dip: 25 degrees,
Depths of upper edge of the fault: 5 km,
Rake: 90 degrees, Slip amount: 12.59 m.

海底水圧変動•震源域では津波発生後数分のうちに200 – 300 hPa 程度の急激な水圧低下が発生する。

•

水圧が急激に低下している領域をマッピングできれば、断層長（地震の規模）を大まかに推定できる可能性がある。
16海面変動と海底水圧変動（DONET1波形）
DONET全観測点の真の海面変動

Abs. Ave.

ライズタイムライズタイム

2m

0m

4m

2m

DONET全観測点での水圧変動-2 m

破壊開始後１分程度で有意な水圧変動を記録

0m

2分で最大2.5m
平均1m変化＆
増加傾向
２分
2分

地震による地面の隆起

３分
３分

４分
４分

１分
1分

平均の3-6倍増幅→最大6m超の可能性

2m

4m

１分
1分

２分
2分

志摩

0m

尾鷲

２分

５分

室戸
白浜

海陽
１分

４分
４分

5分で最大4.2m
平均1.6m変化＆増加傾向

平均の3-6倍増幅→最大10m超の可能性

串本

３分
３分

３分

４分

1分以内検知＆5分以内津波高予測可能５分

６分

７分

沿岸での津波高
８分

９分

6分位までいずれも50cm未満

17強震計記録から、海底の変位を即時検知できないか？
(1) 発生前(2) 発生中
隆起

初期水位

海

全水深
~ 水深

水深
水圧計

強震計

隆起

強震計の上下動加速度
記録を積分し、地震による海底の永久変位を推定できるはず。

海底断層運動
水深分の海底水圧

津波発生中は静水圧変
動はほぼゼロ(3) 津波伝搬中
津波伝播(4) 発生後

全水深
< 水深

水圧計

地震計
（強震計、広帯域地震計）

全水深が減少するため、静水圧も減少

地殻変動分の水圧が減少

馬場ほか（2013JpGU）に加筆

K-netから推定した変位記録とGPSの変位記録との比較
2011年東北沖地震（本震）

1Hz-GPS
強震計(Fukahata et al., 2012, EPS)

加速度記録に混入するオフセットを適切に補正することにより、地震による永久変位を即時に推定することが可能に津波の波源推定に有効な手法
中野ほか（2013SSJ）

高速津波シミュレータの開発
Tune 1. 論理トーラス形状の指定

大規模並列津波コード（ＪＡＧＵＲＳ）

・Tofu構造の指定と適したネスト間通信(MPI_Allreduce)の使用により、4.5h→3.5h(5184ノード)
MPI_Allreduce

MPI_Alltoallv
original

MPI_Alltoallv■非線形長波近似の式（平面二次元の差分法）■使用グリッド（高知県全域5m格子）・2秒グリッド 2億5千万格子、2/3秒グリッド 6千万格子、2/9秒グリッド 3億7千万 計6.8億格子■計算結果
・京5,184ノード使用、5時間のシミュレーション
・dt = 0.015秒
・計算時間は4:28:20（チューニング前）→ 1:27:42（チューニング後）Tune1: MPI_Allreduce

Tune1

Tune 2. 流速更新ループの最適化
SIMD化、ハイプライニングによる最適化
ループブロッキング、ループ分割、if文の削除→1000ノードぐらいまでは効果が確認できるが、それ以上のノード数ではあまり効果的でない

Tune2

Tune 3. ネスト間通信の最適化①
Tofu構造に合うようにMPI_Alltoallvを３方向に分割
3.5h→2.6h(5184ノード)

Tune2
高知県全域5m格子計算

Tune 4. ネスト間通信の最適化②まとめられるMPI_Alltoallv通信はひとつにまとめる。
2.6h→1.8h(5184ノード)

Tune4によってさらに多くのノードでも性能が向上
1.8h(5184ノード)→1.5h(8748ノード）

Tune3
Tune4

準リアルタイム津波解析 （ソロモン諸島:M8.0）
Observed tsunamis from M8.0 - 76km W of Lata,
Solomon Islands 2013-02-06 10:12:27 JST

Pressure (Pa)

E20
E19
E18
E17
D16
D15
D14
D13C12C11C10C09
B08
B07
B06
B05
A04
A03
A02
A01

1000-10001234Time since 18:00 JST (hr)

津波到達前に津波解析を完了。
予測値とほぼ同程度の約1cmの津波をDONETで観測。

56Maximum tsunami height

Simulated tsunami waveform at DONET

1cm3hrs非線形分散波モデルの開発
東北地方太平洋沖地震津波の仙台湾におけるソリトン分裂波を再現■計算モデル：非線形分散波理論の式■波源モデル：Saito et al. (2011)■地形ネスティング数：５層■グリッド数：計２１１９万 18秒格子（360万）→6秒（103万）→2秒（385万）→2/3秒（323万）→2/9秒（約5m、948万）■積分時間：3時間■時間ステップ：0.1秒
非線形長波

非線形分散波

右図の星印ポイントでの波形の比較
東北地方太平洋沖地震津波の非線形長波（左）、非線形分散波（右）シミュレーション

新たな津波ブイシステム
イリジウムGPS

QZSS
みちびきリアルタイム
PPP測位

きく８

データ伝送

精密軌道・クロック
情報を生成
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
1000m長の通信用ワイヤー
ワイヤー下のトランスデューサ
ポリプロピレン
ロープ
切り離し装置ナイロン
ロープ＋スラック係留方式の採用

衛星を用いたPPP観測

スラック比

II

(係留索長：水深比)

海底における地殻変動をリアルタイムで検出へ＝ 1.3～1.5程度

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

45ﾟ
海底局（水平変位検出）

アンカー
5～6t

水圧ﾃﾞｰﾀ・指向性±45°

海底ユニット（GPS/音響測距による地殻変動観測）①②③

海底に設置した水圧計によりデータ検出
GPS/音響測距による地殻変動観測
陸上インフラに左右されない衛星を通じて津波・地殻変動データをリアルタイム通信今後の課題• 海域観測網のさらなる拡充• 他機関データとの統合処理による波源の高精度推定• 沖合津波データを用いた予測の遂次更新海域観測網のさらなる拡充-ＤＯＮＥＴ３プランニングー

他機関データとの統合処理による波源の高精度推定DONET・
津波ブイデータ

GPS波浪計（国交省）

東北ケーブルデータ（防災科研）
波源の設定

1HzGPS
データの即時解

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統合処理システム
幅広いデータからに基づき断層（波源）を設定

沖合津波データを用いた予測の遂次更新特定地域の浸水予測（第１報）
１回約2分

１．高速津波計算もしくはＤＢ検索（第１報）

２．沖合津波
データの結合処理による波源の更新（第２報以降）GPS波浪計波源の設定

DONET海底水圧計

8
観測
予測

6

水位変動（m）

時
間の流れ

沖合津波データの観測

4
2
0-2-4

逆解析
高精度で波源が求まるまで観測データを増やして繰り返す

0

15

30

45

60

75
90105120
地震発生後の経過時間（分）

135

150

165

180

特定地域の浸水予測（更新後）
１回約2分

その都度浸水予測も改定

波源の更新

ご清聴
ありがとうございました。

Earthquake and Tsunami Research Project for
Disaster Prevention