箱根火山大涌谷における二酸化硫黄放出率~2021 年 6 月までの推移 ~安部祐希 *1・原田昌武 *1・板寺一洋 *1・高木朗充 *2・藤松淳 *1

Sulfur dioxide emission rate at Owakudani, Hakone volcano, Japan- Its temporal transition through June 2021 byYuki ABE , Masatake HARADA , Kazuhiro ITADERA*1, Akimichi TAKAGI*2 and Jun FUJIMATSU*1
*1

1.

*1

はじめに心方向の仰角を変更して観測を試みた。それにより、大火山活動が活発な箱根火山 ( 図１) では、2001 年以降

きい仰角で走査すると二酸化硫黄放出率が少なく推定さ数年に一度の頻度で群発地震が発生しており、2015 年れるという相関が明らかになった。おそらく、上昇するには大涌谷 ( 図１) においてごく小規模な水蒸気噴火が二酸化硫黄の中には、途中で降下に転じるかあるいは噴発生した ( 原田ほか , 2015; Mannen et al., 2018)。温泉

気中の水に溶解して除去されるものがある程度含まれ地学研究所 ( 以降、当所 ) では、箱根火山の活動への理ると考えられる。安部ほか (2018) は、直線近似の正当解を深めるために、2017 年 3 月 29 日より大涌谷にお性を疑いつつも、その放出率と仰角の相関を直線で近似いて二酸化硫黄放出率を繰り返し測定してきた ( 安部ほすることで噴気地帯から放出された二酸化硫黄の量を推か , 2017)。放出率の変化を捉え、火山活動の推移を考測した。しかしこの手法を用いると、もし近似がふさわ察するには、放出率を正確に推定する必要がある。安部

しくなければ放出率の推定に大きな誤差が含まれかねな

ほか (2018) では、それまで当所で行ってきた観測・解い。そこで、2020 年 4 月以降はパンニング観測を中止

析の手法について紹介したが、本報告ではさらに正確なしトラバース観測のみを行うこととし、トラバース観測測定を行うための改良を提案し、新たな手順で二酸化硫の結果から推定した二酸化硫黄放出率のみを用いてその黄の放出率を推定してその時間推移を示した。

推移を観察した。

2.

2.2.

手法の改善について

ドリフトの補正について本研究も安部ほか (2017, 2018) と同様に、アイリッ

図 2 に 2020 年 8 月 7 日に得られた二酸化硫黄カラム

クス社製の二酸化硫黄濃度遠隔観測 DOAS (Differential濃度の時系列を示した。図 2 を見るとベースラインの値

Optical Absorption Spectroscopy) システムを用い、噴( 二酸化硫黄を捉えていないと考えられる時刻の値 ) が気を通過する自然光の波長分布を観測し、それにより推徐々に変化しているのがわかる。

定した光の到来方向に存在する二酸化硫黄のカラム濃度

その原因として、分光器の状態変化が考えられる。具に基づいてその放出率を推定した。この章では、本研究

体的には、観測中に機器の温度などが変化することで、の観測・解析手順について、安部ほか (2018) からの改検量線を得た時の機器の状態から歪が生じ、それにより善点について説明する。

分光がその波長に対応するディテクターからずれた位置に届くことでドリフトが発生すると考えられる。また、

2.1.

パンニング法による観測の廃止について

太陽の位置が変化することでバックグラウンドの紫外線

安部ほか (2018) は、大涌谷で放出される噴気が上昇の波長分布が変化することも、一因となる可能性がある。

している場合に限り、箱根ロープウェイ大涌谷駅舎 ( 図

そこで本研究では、観測期間中に数回、噴気の影響のな

1) 前の不動の観測点において、上昇する噴気を水平方い場所において集光口に校正用セルを取り付けてカラム向に走査するパンニング観測を行った。安部ほか (2018)

濃度を測定し、それをもとにドリフトを補正した。具体ではいくつかのパンニング観測で、走査ごとに走査の中的には、ドリフト除去前のカラム濃度を a(t)、校正用セ*1

神奈川県温泉地学研究所*2

気象研究所火山研究部〒 250-0032〒 305-0052

神奈川県小田原市入生田 586
茨城県つくば市長峰 1-1

報告 , 神奈川県温泉地学研究所報告 , 第 53 巻 , 55-60, 2021
- 55 -125̊E45̊N

130̊E

135̊E

140̊E

138.95̊E(a)

139̊E(b)139.05̊E 139.1̊E
箱根カルデラ箱根火山

40̊N

35.3̊N35.25̊N35̊N

標高(m)
2000
1500
1000
500
0

芦ノ湖

35.2̊N

30̊N

県

(c)

道

4号線

73

5号線

上湯バス停

73

道
県

姥子駅

緑の村入り口大涌谷1000 m
図１

早雲山駅

大涌谷駅

(a) 箱根火山の位置。 (b) 箱根カルデラの地形図。四角形で囲まれた領域の詳細を c に示す。(c) 大涌谷とその周辺の航空写真 (Google Earth により 2017 年 6 月 17 日に取得 )。赤の点線で囲んだ領域に 2015 年に発生した噴火で形成された火口、噴気孔、蒸気井が存在する (Mannen et al. , 2018)。赤の星印の位置の標高 1000 m の風向風速値を気象庁メソ解析 ( 気象庁予報部 , 2009) から内挿して算出し、二酸化硫黄放出率の推定に用いた。黄色の星印は箱根ロープウェイ株式会社が設置した風向風速の観測点を示す。

カラム濃度 (ppmm)

200150でのカラム濃度の測定値を z(t) とし、新たにカラム濃ベースラインの変化度を10050としてドリフトを除去した。ここで、t は時刻、ccel は用0いた校正用セルのカラム濃度を示す。校正用セルのカラ－5037000 38000 39000 40000 41000 42000
時刻 (秒)

図2

ム濃度や噴気の影響のない状況でのカラム濃度は観測途中で離散的に得られるので、それらを時間的に線形内挿して上述の式に当てはめた。ドリフト補正の概念図を図3 に示す。

2020 年 8 月 7 日 の 観 測 期 間 中 に 得 ら れ た 二 酸化硫黄のカラム濃度の時系列。カラム濃度は安部ほか(2018) と同様の手法により推定した。赤の破線でベー2.3.

誤差の見積もり方法について

安部ほか (2018) は、走査ごとに放出率を測定しそのスと思われるカラム濃度値を示す。

平均をその観測日における放出率、その最小値から最大値までを放出率推定の誤差範囲とした。しかし、この範ルのカラム濃度の測定値を n(t)、噴気の影響のない状況- 56 -

校正用セルn(t1 )n(t2 )a(t’)

z(t2 )

a(t’)-z(t’)
z(t1 )

Ccel ppmm
n-zan(t’’)-z(t’’)
a(t’’)

n(t’)-z(t’)

z(t0 ) = 0

観測

校正用セル

観測

校正用セル

カラム濃度(ppmm)

n(t0 ) = Cceln(t’)

nn(t3 )

n(t’’)

走査経路上の測定値の補正

a(t’’)-z(t’’)
z(t’’)za-z

Ccor =a-zCn-z cel0 ppmmz(t3 )

時刻z(t’)

t1 , t2 , t3：校正用セル観測時刻t’, t’’ ：走査経路上の観測時刻
t0 ：初期校正時刻
n ：校正用セル（Ccel ppmm ）のカラム濃度（黒：測定値、緑：内挿値）
z ：噴気のない空のカラム濃度（黒：測定値、緑：内挿値）
a ：走査経路上のカラム濃度測定値
図3

ドリフト補正の概念図。

囲は実際の放出率が一定の確率でその範囲内に収まるこ3.1.

観測とを示すものではなく、それを誤差の指標として二酸化本研究で実施した観測では、従来の観測 ( 安部ほか ,硫黄放出率の推移を解釈するのは困難である。そこで、

2017; 2018) で用いてきたものと同じ観測機器を用い、観測日ごとに誤差を定量するために、各走査における測自動車の天井に分光器を取り付け、移動しながら真上か定値をもとに区間推定を行った。区間推定のために、まら到来する紫外線の波長分布を測定した。観測は主に神ずその観測期間中に無限回の走査を行ったとしたら、放奈川県道 734 号線の箱根ロープウェイ早雲山駅から上出率の揺らぎおよび観測誤差によって測定値の分布が正湯バス停までの区間 ( 図 1) で行ったが、噴気の状況に規分布になり、その平均は真の放出率の平均値に一致す

よっては 734 号線の緑の村入り口付近から 735 号線のることを仮定した。もちろん実際に得られるのは、その箱根ロープウェイ姥子駅付近 ( 図 1) まで観測区間を延うちのわずかな有限個の測定値であり、それらの平均はばすことがあった。この片道 1 回分の観測を 1 回の走必ずしも真の平均に一致しない。そこで、本研究では上査とし、2 秒ごとに波長分布を得た。波長分布を測定し述の仮定と有限個の測定値に基づき、99% の確率で真た時刻と場所とを対応付けるために、観測中は常にカシの平均を含む区間を推定し、その区間を誤差範囲と定義

ミール 3D (http://www.kashmir3d.com/) を用い Globalした。ただし、この区間推定はあくまで無限回の測定値

Positioning System (GPS) による測位を行って 1 秒ごとの分布が真の平均放出率を中心とした正規分布になるこに時刻と座標を記録した。とを仮定した結果であり、例えば後述するように、観測

なお安部ほか (2018) と同様に、検量線取得のために中の風速が常に過小評価されているなど系統的な誤差がカラム濃度 88、173、261、442 ppmm の 4 種類の校正含まれる場合には、区間内に真の平均が含まれる確率は用セルを用いた。

99% にはならない。
3.2.
3.

解析

まず、安部ほか (2018) と同様の手順で、走査中に 2二酸化硫黄放出率推定の手順
以上では、本研究の二酸化硫黄放出率の推定手法につ秒ごとに得られた波長分布から、その時刻における分光いて、安部ほか (2018) からの改善点について説明した

器直上の二酸化硫黄カラム濃度を推定した。安部ほかが、ここでデータの取得から放出率が推定されるまでの(2018) は、推定したカラム濃度からベースラインのオ手順について簡単にまとめる。

フセットを除去したが、本研究では上述のドリフト補- 57 -正を行ったのでベースラインのオフセット除去は行わな

差範囲の推移を図 4 に示す。当所が繰り返し観測を開かった。そして、安部ほか (2018) と同様に、一つの走始した 2017 年以降、数～数十トン / 日の放出率が続い査 (n 回目の走査 ) で得られるデータから、二酸化硫黄ている。2019 年に山体膨張や群発地震が発生した期間の放出率 En ( トン / 日 ) を(Mannen et al., 2021) は、その中でも放出率が比較的大きかったが、2015 年の噴火直後に気象庁が観測した( 式 1)

100 トン / 日を超えるような放出率の顕著な増加は見らと算出した。ここで、cn(r) は走査経路上の位置 r におれなかった。

ける二酸化硫黄のカラム濃度であり、走査経路が積分経路である。この積分経路は二酸化硫黄の移動方向に直交5.

風向風速についてする直線に実際の走査経路を投影したものである。二式 1 の通り放出率は火山ガスの移動速度の倍数とし酸化硫黄の移動方向と移動速度は、気象庁のメソ解析て推定されるため、放出率推定の正確さは火山ガスの移データ ( 気象庁予報部 , 2009) をもとに推定した大涌谷

動速度の推定の正確さに大きく依存する。そのため、定(35.243° N, 139.022° E, 標高 1000 m、図 1) の風向、風量は困難ではあるが、火山ガスの移動の方位と速度の推速に等しいことを仮定した。v は二酸化硫黄の移動速度定の正確さを明らかにすることが望まれる。そこで、箱(m/s)、ρは二酸化硫黄の密度 2.76 × 10 ( トン /m )根ロープウェイ株式会社が箱根ロープウェイ大涌谷駅舎を示す。

( 図 1) において 2019 年から 2020 年までに観測した風-33

さらに、安部ほか (2018) と同様にカラム濃度の走査

向風速値 ( 以降、実測値 ) を参考に、火山ガスの移動の経路に対する分布が正規分布に似ており、その分布を正推定の正確さについて考察した。

規分布で近似したときの標準偏差一つ分の範囲が走査経

まず、気象庁メソ解析データから得られた風向風速値路内に収まる走査を選び、選ばれた走査で得られた放出( 以降、解析値 ) と実測値とを比較することにより、風率に基づいてその観測日における平均放出率および誤差向風速の推定手法に依存する誤差が現れるかどうかを調範囲を推定した。

べた。図 5 は両者の風向風速を観測日ごとに比較したものである。気象庁メソ解析は 3 時間ごとに行われており、4.

解析値は DOAS 観測の開始時刻と終了時刻の中間の時

二酸化硫黄放出率の推移
本研究で推定した、二酸化硫黄の平均放出率とその誤刻における値を、その時刻の前後の値から直線的に内挿

二酸化硫黄放出率 (トン/日)

1000

15101051

図4風速(m/s)
2010020152016

2017

2018
時刻 (年)

2019

2020

20210

2015 年以降に測定された大涌谷における二酸化硫黄放出率の時間推移。丸印で各観測日における放出率の平均値、バーで誤差範囲を示している。青のバーで気象庁 (2016) による測定結果を、緑の丸印とバーで気象研究所 (2016)による測定結果を示す。黒と赤の丸印とバーで当所が測定した結果を示す。このうち黒は気象庁メソ解析により推定した風向風速を参照した値であること、赤は箱根ロープウェイ株式会社が実測した風向風速を参照した値であることを示す。丸印を塗りつぶした色で、その値を算出するのに参照した風速値を示す。背景の黄色は箱根火山の噴火警戒レベルが 2 であった期間、オレンジ色は噴火警戒レベルが 3 であった期間を示す。
- 58 -

して得た。また、大涌谷駅舎では箱根ロープウェイ株式

そらく、解析値あるいは実測値が上述したそれぞれの弱会社が風向および風速を観測し 10 分ごとの 10 分間平点により火山ガスの移動をうまく表現できていないと考均値が記録されており、そのデータをもとに DOAS 観えられる。よって、解析値と実測値に乖離がある時には測の開始時刻から終了時刻までの値を平均してその観測二酸化硫黄放出率の推定値に大きな系統誤差が含まれる日における実測値とした。解析値と実測値の比較につい可能性がある。ただし、それ以外の観測では、一方の風て図 5 に示した。解析値と実測値を比較すると、風向に速および放出率推定値が他方の 1.5 倍を超えることはな

ついては両者の差は小さくその平均は 9.2° である。風

く、大気の移動が時間的・空間的に安定していたことが向についても大きな差は見られず、両者の差の平均は 1.8わかる。

m/s であり、またどちらかの手法で推定される風速が常また、風速が小さい場合にも、二酸化硫黄放出率の推に大きいというような系統的な差は見られない。

定においてガスの移動の推定誤差に依存する系統誤差が気象庁メソ解析の時間間隔は 3 時間であるが、著者ら大きくなるので注意が必要である。例えば、もし風速のによる一日の観測時間が 1 時間 30 分程度であることを推定誤差が 1 m/s であれば、風速が 10 m/s と推定され考慮するとその間隔は粗く、またメソ解析の水平格子間ている場合は放出率の誤差が 10% となるのに対し、風隔も 5 km と大涌谷の地形に比べると粗い。一方、実測

速が 2 m/s と推定されている場合には放出率は 50% の

値は時間・空間分解能が高いが局所的な値しか得られな誤差を含むことになる。また、風速が小さいほど風向をいため、地形が複雑な大涌谷における火山ガスの移動を正確に推定することが難しい。さらに、風速が小さいほ反映していない可能性がある。しかし、解析値と実測値

ど、火山ガスの水平方向の移動の要因として拡散の影響との差が小さいのであれば、大気の移動は空間的にも時が大きくなり、風向の方向へと移動しない火山ガスの割間的にも安定している場合が多く、それぞれが火山ガス合が増加する。の移動をある程度正確に表していると考えられる。

図 4 の二酸化硫黄放出率の推移のグラフには、放出率

次に、風向風速の実測値が火山ガスの移動を表すと仮を表す丸印を気象庁メソ解析データから推定した観測時定し、2019 年から 2020 年の実測値に基づいて二酸化の風速値に対応した色で塗りつぶした。例えば、風速が硫黄放出率とその誤差を推定した。その結果を図 4 に1.2 m/s と最も小さかった 2021 年 4 月 19 日は放出率が示す。放出率や推移の傾向は解析値を用いた結果と非常1.8 トン / 日と推定された。その値は、現時点の推定値によく似ている。ただし、2019 年 4 月 9 日の放出率はの中で最も小さく、その前後の観測とは誤差範囲が重な解析値に基づくと 6.3 トン / 日なのに対し実測値に基づらないほど大きな違いがある。それをもってこの日の観くと 18.7 トン / 日と 3 倍近い差がある。この日はメソ測値が不正確であるとは断定できないが、大きな系統誤解析による風速推定値が 2.4 m/s であるのに対し、実測差を含む可能性がある。

値が 6.2 m/s と解析値の 2.5 倍を超える値となった。お240

210

180180図520(a)
実測された風速 (m/s)

実測された風向 (̊)

270以上のことから、推定されている風速が小さい場合と、

210
240
メソ解析の風向 (̊)

151050270(b)010155メソ解析の風速 (m/s)

202020 年と 2021 年のそれぞれの観測時において、気象庁メソ解析から推定された大涌谷の風向風速と、箱根ロープウェイ株式会社が大涌谷駅舎で観測した風向風速の関係 (a)- 59 -

風向について(b)

風速について

実測値と解析値のそれぞれに基づいて推定される二酸化and Smith, 2019) を使用させていただきました。また、硫黄放出率に大きな差がある場合は、推定された放出率

Google Earth の航空写真を使用させていただきました。

が大きな系統誤差を含んでいる可能性がある。ただし、記して感謝いたします。

その誤差の大きさを定量することは困難であり、系統誤差が大きくなりやすい条件で得られた値を含む時系列か参考文献

ら放出率の時間推移を解釈する際には、その値があって安部祐希・原田昌武・板寺一洋・森健彦・高木朗充 (2018)もなくてもその解釈が変わらないかどうかを確認してお箱根火山大涌谷における二酸化硫黄放出率 - 観測・くことが重要である。

解析手法と 2018 年 6 月までの放出率の推移 -, 温泉地学研究所報告 , 50, 1-18.

6.

安部祐希・原田昌武・板寺一洋・森健彦・高木朗充・長まとめ
本研究では、DOAS 観測による大涌谷からの二酸化岡優 (2017) 箱根火山大涌谷における二酸化硫黄放硫黄放出率の推定にあたり、推定の信頼性の向上を目的

出率の測定 , 温泉地学研究所報告 , 49, 21-28.

として、安部ほか (2018) の観測・解析手順に、パンニ

原田昌武・板寺一洋・本多亮・行竹洋平・道家涼介 (2015)

ング観測の廃止、ドリフトの補正、および区間推定に2015 年箱根火山活動に伴う地震活動と地殻変動の基づく誤差範囲の決定という変更を加えた。その上で、特徴（速報）, 温泉地学研究所報告 , 47, 1-10.

2017 年 11 月から 2021 年 6 月までに 23 回実施した観気象庁 (2016) 箱根山 , 第 135 回火山噴火予知連絡会資測によるデータを解析した。その結果、この期間は数 ~料（その７）, 58-66.

数十トン / 日の放出率が続いており、2015 年の噴火直気象庁予報部 (2009) 非静力学メソ 4 次元変分法、数値後に測定された 100 トン / 日を超えるほどの放出率の予報課報告・別冊第 56 号 , 104.

顕著な増加は見られなかった。また、解析に用いる風向気象研究所 (2016) 箱根山 , 第 135 回火山噴火予知連絡

風速値の信頼性を考察するために、メソ解析で得られる会資料（その７）, p.67.

風向風速と実測された風向風速とを比較したところ、両Mannen, K., Abe, Y., Daita, Y., Doke, R., Harada, M.,

者の差は小さく両者とも火山ガスの移動をおおよそ正確

Kikugawa, G., Honma, N., Miyashita, Y., Yukutake,に表していることが多いと判断した。ただし、風速が小Y. (2021) Volcanic unrest at Hakone volcano

さいときや、メソ解析から得られる風向風速と実測されafter the 2015 phreatic eruption: reactivation of a

た風向風速とが大きく異なる時は、放出率の推定値に大ruptured hydrothermal system? Earth Planets, and

きな誤差が含まれる可能性が高いため、放出率の時間推Space, 73, 80.

移を解釈する際には注意が必要である。

Mannen, K., Yukutake, Y., Kikugawa, G., Harada, M.,Itadera, K., Takenaka, J. (2018) Chronology of the2015 eruption of Hakone volcano, Japan – geological

謝辞
菊川城司氏と小田原啓氏には、原稿を改善する上で有background, mechanism of volcanic unrest and益なご意見をいただきました。箱根ロープウェイ株式会

disaster mitigation measures during the crisis, Earth社には、大涌谷駅舎における風向風速の観測データをごPlanets, and Space, 70, 68.

提供いただきました。産業技術総合研究所招聘研究員・

Wessel, P., Luis, J. F., Uieda, L., Scharroo, R., Wobbe,

篠原宏志氏からは本研究の観測手法について有益なご助

F., Smith, W. H. F., Tian, D. (2019) The Generic

言をいただきました。GPS 測位データの記録にはカシM a p p i n g To o l s v e r s i o n 6 . G e o c h e m i s t r y,

ミール 3D を、作図には Generic Mapping Tools (WesselGeophysics, Geosystems, 20, 5556–5564.

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