資料 計６４－（８）2013.12.2 地震調査研究推進本部政策委員会調査観測計画部会資料「リアルタイム津波波源推定に関する研究」の概要

HPCI戦略プログラム 分野3防災・減災に資する地球変動予測
地震・津波の予測精度高度化に関する研究「津波の予測精度の高度化に関する研究」グループ

目次
１ 背景
1-1 沖合で津波を観測する様々な施設いろいろ
1-2 沖合の津波の観測を用いた様々な津波予測方法の研究
1-3 実装済・実用間近の予測方法の例

２ HPCIプログラムでの研究成果紹介
2-1 波源推定に用いる理論津波波形DB制作と高度化（気象研）
2-2 tFISHプロトタイプシステムを用いた予測実験の例（気象研）
2-3 京コンピュータ向けの津波数値計算コードの開発（JAMSTEC）
2-4 高解像度の浸水計算の例（JAMSTEC）

１ 背景
1-1 沖合で津波を観測する様々な施設いろいろ1 2 沖合の津波の観測を用いた様々な津波予測方法の研究
1-2
1-3 実装済・実用間近の予測方法の例– 沖合からの津波増幅率を用いた海岸の津波の高さの予測（気象研・JAMSTEC）– tFISHプロトタイプシステムの概要と予測実験例（気象研）– GPS波浪計からの波源推定とGPGPUコンピューティングによるリアルタイム
GPS波浪計からの波源推定とGPGPUコンピ
ティングによるリアルタイム
浸水域予測の概要（港空研）

1-1 沖合で津波を観測する様々な施設
注） 図の他に、海洋短波
レーダが沖合の津波を面的に捕捉した実績がある

通信衛星

GPS衛星

海面高度計を搭載した衛星

GPS信号
陸上基地局

DART式
ブイ

検潮所等
RTK-GPSブイ>10m>1000m

波浪計
水圧センサ

水圧センサ

ケーブル式水圧計
20 – 200km沖

約5km沖

Illustrated by Fumi Hayashi

1-2 沖合の津波の観測を用いる様々な津波予測研究
②
②
津波波源

沖合津波解析

沖合津波データ①
沿岸での津波

津波を水の波として直接観測① 沖合と沿岸沖合と沿岸の津波高の関係式
津波高 関係式 ((Baba et al.,, 2004;; 林，林，2010;; Baba et al.,, 2013))② 津波波形逆解析 (Titov et al., 2005; 安田・他，2007; Tsushima et al., 2009;
辰巳・富田，2010; Takagawa & Tomita, 2012)① 波動場の実況把握＆データ同化 (前田・他，2012, 地震学会秋季大会)②’ GPSとの統合解析 (対馬, 2009; 対馬・他，2012, 地震学会秋季大会)
赤字は当グループ所属研究者による研究成果

1-3 実装済or実装計画がある予測方法の例• 沖合からの津波増幅率を用いた海岸の津波の高さの予測（気象研, JAMSTEC）• tFISHプロトタイプシステムの概要と予測実験例（気象研）• GPS波浪計からの波源推定とGPGPUコンピューティング
によるリアルタイム浸水域予測の概要（港空研）

沖合津波観測データ同化システムの開発
東北沖地震までに気象研で開発していた津波即時予測手法
 実用化に近づけるためにシステム化(試作版)
システムに組み込んだ津波即時予測手法

tFISH解析の主要部：波形逆解析と予測波形合成
波形逆解析
tFISH：
線形解析に基づくグリーン関数
初期水位(未知量)

沖合の観測
津波波形
空間的に滑らか津波の線形モデル化
海面を小領域に分割

上下変位

震央付近の初期水位が大きい

a(xi)

初期水位分布 が求まるâ

海面要素 i
各小領域からの津波波形

観測点 (x = xj)
における津波波形

Gij(t) a(xi)f obs(xj, t)

予測波形合成f pred (x j ;t)  Gij (t)â  x i i

グリーン関数((単位変位への応答))

f obs (x j ;t)   Gij (t)a  x i i

対象点の予測津波波形

グリーン関数沖合津波観測データ同化システムの構成
処理装置

沖合津波観測データ同化ソフトウェア
リアルタイム津波予測解析••••

観測波形からの津波成分の抽出
津波波形逆解析
予測波形合成予測結果の画⾯表⽰

tFISH

経験的な津波⾼増幅率

理論津波波形データベース（DB）

サーバ群• リアルタイム津波予測解析の制御• 理論津波波形DBの管理

津波波形逆解析及び予測波形合成の実施に必要な⼤量のグリーン関数群
グ
千島・⽇本海溝沿い

⼤容量外部記憶装置• 理論津波波形DBを収録

南海トラフ沿い9

リアルタイム津波ハザードマップシステム
8水位（m）

6御前崎沖
御前崎沖
伊勢湾口
伊勢湾口

4

時間的・空間的な不均一性を考慮した津波波源の推定

5秒

GPS波浪計による沖合での津波観測

津波波源逆推定

2

名古屋港

線形近似

0‐22 010‐420画像処理演算装置（GPU）による高速計算

地震発生からの時間 （分）対象地震（継続時間：5分）

GPS波浪計30

逆推定に使用した区間（6分間の観測波形）

第一波到達の80分前に浸水状況を予測

75秒
波の非線形性
浸水観測
targetpredicted
予測（地震発生6分後時点）

水位（m）

420‐2‐401234

地震発生からの時間 （時間）56

シミュレ ションによるシステムの検証
シミュレーションによるシステムの検証
対象地震: 南海トラフ地震（M9.1、内閣府ケース①)
対象地点：名古屋港
入力：震央位置（地震波観測から推定されるものを利用）
8基のGPS波浪計による沖合での津波観測波形
出力：津波浸水状況の時系列変化を推定（解像度30m）
出力のタイミング： 地震発生の8分後 （地震収束の3分後）（8分の内訳：津波観測6分、予測計算2分）
名古屋港における第1波押し波到達の80分前
精度：第一波の高さの誤差は 4 % 到達時間の誤差は 2 %※実際には観測誤差等の影響により精度が低下する可能性があります２ HPCIプログラムでの研究成果紹介
2-1 波源推定に用いる理論津波波形DB制作と高度化 （気象研）
2-2 tFISHプロトタイプシステムを用いた予測実験の例 （気象研）
2-3 京コンピュータ向けの津波数値計算コードの開発 （JAMSTEC）
2-4 高解像度の浸水計算の例 （JAMSTEC）

理論津波波形DB (グリーン関数DB) 気象研＆国際航業
津波データ同化ソフトウェアによる線形解析(逆解析と波形合成)で使⽤
⼩波源(単位海⾯波源)：⼆次元ガウス関数

・ 対象海域のうち地震に伴う津波の波源域になる可能性があると⾒込まれる範囲に配置
・ 3つのサイズ：σ= 10,10 20,
20 40 km (A,(A B
B, C)・ 隣の⼩波源とオーバーラップさせて配置

津波伝播計算・ 線形⻑波式．差分法(TUNAMI-N2改良版）
・ 海底地形：600, 200, 50 mネスティング・ 積分時間：3時間(A, B)，6時間(C)・ 品質管理(計算結果の点検)
⾃動点検プログラム及び可視化した計算結果の⽬視

津波波源設定範囲
日本海溝・千島海溝周辺

計算対象とした小波源数
小波源A 小波源B 小波源C
1,740

437

109

計
2,286

南海トラフ周辺

810

199

50

1 059
1,059

計

2,550

636

159

3,345

計算結果の例

配置例(東⽇本, A)

DBの収録内容（⼤容量記憶装置） … 数⼗TB・ 観測点の⽔位時系列(沖合，沿岸，FP)
0.60.4

水位(m)

0.2
0-0.2
-0.4
-0.6
0

30

60

90

120

150

180
時間(min)

210

240

270

300

330360・ 10メッシュ間隔毎の地点の⽔位時系列
東・⻄⽇本で  将来新たな観測点が追加された際，そこでのグリーン関数を，内挿等に計664点よって合成可能にするため

ケース：広範囲な稠密沖合津波観測網

東北地方太平洋沖地震を指す
1) 本震時配置
東北地方太平洋沖地震の発生時に設置されていた沖合津波計：142) 稠密配置
本震時配置＋74観測点(50 km間隔)
配置2の有用性の判断
・・配置1による予測結果と比較

予測結果 ‐‐ 稠密配置 ‐‐北海道から千葉県にかけての予測点全てにおいて，予測波高が観測波高に非常に近くなる．

地震後10分

予測結果 ‐‐ 稠密配置 ‐‐

地震後5分

地震後20分の本震時配置の結果よりも予測精度の高い予測点もある．

京向け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 ド)
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)

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）

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

京向け高速津波シミュレータの開発
14000

x1.92 speedup on 5,184 nodes

ＪＡＧＵＲＳモデル

12000

Elapsed Time[s]10000 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 (Satake1995)
 ネスティンググリッド化 (Jakeman et al.,2010)
 OpenMP&MPI並列化（本研究） 高速化チューニング（本研究）

6000

12717
9522

40006625
2000

0
Tune2

A2A3DA2A3D & SINGLE_A2A

Parallelization ratio is 99.98 %7000

高速化チューニングの内容

6000
5000
Elapsed Time[ss]1. ＳＩＭＤ化、パイプライニング
2. 適切な論理トーラス形状の使用
3. 論理トーラス形状にノード間通信をフィットするように変更

8000

4000
3000

6625
5262

2000
1000

当初、４時間半かかっていた大規模計算が、１時間半に短縮

05184

8748
Num. of Nodes

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）

18

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）
京8,748ノード使用 5時間の伝搬計算 (dt=0.015s) 計算時間は1.5時間

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）

19

高知県全域5m格子津波計算

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）

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：高川・富田
高 富 (2012)()■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

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）

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非線形分散波モデルによる東北地方太平洋沖地震
津波シミュレーション
非線形長波モデル

非線形分散波モデル

馬場俊孝（ＪＡＭＳＴＥＣ）