特集

火山噴火災害に備える（その１）□ GIS を活用した降灰リスク予測と降灰リアルタイムハザードマップ

鹿児島大学地震火山地域防災センター
特任研究員

中谷

剛

対応し降灰被害軽減を支援する技術として、降灰

１．はじめにシミュレーションによる降灰ハザードマップの作

火山噴火災害の中で降下火砕物（いわゆる降灰）成、GIS を利用した降灰リスクの予測、及び降灰の影響範囲は広く、噴火規模によって数100km にリアルタイムハザードマップについて紹介する。

及ぶ。社会や生活への影響が大きく、微量な降灰であっても鉄道の運行は停止し、上水道は水質低下による断水の可能性がある。３mm 程度の降２．降灰シミュレーションモデル

灰でも降雨時は漏電が発生しやすくなり、停電の以下の２次元移流拡散方程式を基礎方程式３）可能性が高まる。さらに、10cm 程度の降灰ではとした降灰シミュレーションモデルは、取り扱い自動車走行が不能となり、30cm の降灰（湿潤）やすいというメリットがある。鉛直方向の運動方

では木造家屋倒壊の可能性も指摘

１）

されている。

程式は考慮していないが、火砕物の降下速度を導豪雨時には、堆積した降灰が流されて発生する泥入することで３次元的な降灰計算が可能である。

流や、堆積によって河積阻害を起こした河川からの出水、道路側溝や下水道閉塞による内水氾濫な߲‫ܥ‬௅߲‫ܥ‬௅߲‫ܥ‬௅߲(‫ܥ‬௅ )+ ܹ௫+ ܹ௬െ ܹ௅,௦=߲‫ݐ‬߲‫ݔ‬߲‫ݕ‬߲‫ݖ‬ଶଶ߲ ‫ܥ‬௅߲ ‫ܥ‬௅+ ‫ܭ‬௬+ ‫ܥ‬௅,௦௢௨௥௖௘‫ܭ‬௫߲‫ ݔ‬ଶ߲‫ ݕ‬ଶど、複合的災害が長期化する可能性もある。
大規模噴火は稀な自然現象で、現在の私たちには被災経験がない。活発な火山と言われる桜島の(1)場合でも、直近の大規模噴火は1914年の大正噴火

ここに、C L は粒径別の火砕物濃度、W x,W y は２）

それぞれ水平、垂直方向の風速、W L,s は粒径別降が残されているが、この108年間に私たちの日常下速度、K x,K y は拡散係数、C L,source は単位時間あや社会のあり方が大きく変容した。いま大規模噴たりに放出される粒径別噴煙量で、噴煙高度から火が起きた場合、どのような降灰被害が社会や生噴出量を算出し次の Suzuki 式４） で鉛直分布を与活に及ぶのかは想像するしかない。また、降灰のえている。

影響範囲や降灰堆積量はその時の気象条件（風����(�) = �� ��1 − ����� �� � − 1�����にまで遡る。大正噴火については詳細な記録向・風速）に左右されるため、事前の被害想定を難しくしている。本報では、このような困難さに(2)

ここに、S 0：規格化係数、H：噴煙柱高度、A, λ：－20－

消防防災の科学Suzuki 係数で標準値 A =４, λ =２を与えた。粒径てΔM （噴出量）を求めた。

ごとの降下速度 W L,s は、火砕物粒子に働く重力降灰シミュレーションでは、３次元的に計算格と空気抵抗力のつり合いで決まるが、大気の密度子を配置して２次元移流拡散方程式を差分法でや粘性は高度や気温の関数であり、抗力係数が粒解いている。計算領域は鹿児島県本土全域の約径や降下速度で記述される Reynolds 数の関数と150km 四方で、高度1500ｍ（桜島の標高は1117ｍ）

な る た め、 標 準 大 気（U.S. standard atmosphere,～20000ｍまでを計算対象とした。計算格子数は1976）を仮定して算出した。粒径分布はΦスケー

169x169x38の約100万点で、水平方向には桜島周ルで -５から５の11粒径 (32mm ～0.03125mm) と辺が500ｍ、計算領域端付近が1330ｍとなる不等し、標準偏差σφ = ２、平均値μ= -１（２mm) と間隔格子を採用した。高さ方向は500ｍ間隔としして粒径別噴煙量を算出している。

た。なお、地上の地形は考慮していない。

噴火想定規模は、鹿児島県地域防災計画の火山災害対策編（令和３年５月、第３部桜島）で想定

３．桜島の降灰ハザードマップ

されている大正３年の噴火規模（1914年の大正噴火）とした。図１に示すように、大正噴火は約39降灰シミュレーションモデルと鹿児島地方気象５)時間継続している 。降灰シミュレーションでは、台のゾンデ観測による風向風速を使って、桜島の１時間毎の噴煙高度は一定とした。噴煙高度を H降灰ハザードマップ（図２）を作成した。この降灰（ｍ）、単位時間当たりの噴出量をΔM （kg/s）とハザードマップは、2020年～2021年の２年間を対すると、以下の経験式が提案されている６)。

象に、毎日で大正噴火が起こると想定し48時間後(3)の降灰堆積深を730日分求めて、その最大値によ‫(ܪ‬m) = 320(ȟ‫)ܯ‬଴.ଶହ (kg/s)

る等高線図になっている。図３に降灰ハザード

大正噴火における軽石・火山灰の総噴出量は4.5

マップの作成手順を示した。

～６億ｍ3であることが報告されている ７）, ８） の降灰ハザードマップで示した0.1ｍを超える範で、（3）式に噴煙高度 H の時間変化を与えて得囲は、車による走行ができないので避難が困難なられる総噴出量が、６億ｍ3となるように補正しエリアとなる。鹿児島県の広い範囲でその可能性

モデル噴煙高度H(m)/時間

噴煙高度(m)

20000
18000
16000

噴煙高度(m)

14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
003

6912151821242730

継続時間（h）

図１№148 2022（春季）

噴煙高度の時間変化（大正噴火）－21－333639

図２

桜島の降灰ハザードマップ－22－

消防防災の科学

があることがわかる。0.3ｍを超える範囲では降が倒壊する可能性があるほか、最悪の場合は人的灰による河積阻害が懸念され、一時的に河川の治被害が生ずる可能性があるエリアと言える。

水安全度が低下するため、出水期には浸水被害等

降灰被害には、大きな被害を受けるリスクと被の複合災害に注意が必要なエリアと言える。0.5

害を被る頻度が高いリスクの２つの要素がある。

ｍを超える範囲では、古い木造住宅などが倒壊す

鹿児島観測所（気象庁）の高度別月別風向風速る可能性があるエリアで、建物外への避難は実質の平年値（午前）を図４に示した。風向の360°的に困難となる。1.0ｍを超える範囲では、住宅は北からの風を表している。鹿児島県の上空では2021/12/30の降灰堆積深分布

2020/1/1の降灰堆積深分布12/30-９AM噴火

1/1-９AM噴火

39時間継続

39時間継続

1/1-9AM

1/3-9AM

48時間後の堆積深を計算

48時間後の堆積深を計算

・・・

ゾンデ観測

12時間毎に風向風速を更新

ゾンデ観測

2年分の計算12時間毎に風向風速を更新

2021/12/31の降灰堆積深分布

2020/1/2の降灰堆積深分布12/31-９AM噴火

1/2-９AM噴火

39時間継続39時間継続

1/2-9AM

1/4-9AM

48時間後の堆積深を計算

48時間後の堆積深を計算

ゾンデ観測

ゾンデ観測

12時間毎に風向風速を更新

12時間毎に風向風速を更新

図３

降灰ハザードマップ作成の手順

1991-2020年の30年間の観測値平均風速（気象庁:9am ）

22000

20000

20000

18000

18000

1月

16000

2月

14000

3月
4月

12000

5月
6月

10000

7月

8000

8月
9月

6000

ジオポテンシャル高度(m)

ジオポテンシャル高度(m)1991-2020年の30年間の観測値平均風向（気象庁:9am）

22000

4000

40

50

60

70

80

風速(m/s)

図４№148 2022（春季）

5月
6月
7月

8000

8月

6000

9月
10月

4000

11月

2000
0

30

4月

10000

020

3月

12000

12月
102月

14000

11月

2000

1月

16000

10月

0

し灰２て堆年
ハ積間
ザ深のを計
ド求算
マめか︑ら
プ平︑を面地作図点
成に毎しプのたロ最大ト降

12月
90180

270360風向°（北が360°）

高度別月別風向風速の平年値（鹿児島・午前９時観測値）－23－450

偏西風の影響で概ね西風が吹いている。堆積深がる傾向があるが、卓越風向側が大きな降灰被害を10cm 以上となる日数の分布を図５（2020年）に被るとは必ずしも言えない。事前に風向風速の統示した。桜島の東側地域は日数が大きくなってい計処理を行って降灰シミュレーションを実施するるが、これは卓越風向方向と一致している。風向場合は、大きな被害を被る降灰リスクを見逃す可の卓越方向側の地域では、ある程度の被害を被る能性があることに注意する必要がある。

頻度が高いというリスクがあることがわかる。
偏西風は冬季に強まり夏季に弱まる。2020年８月に実際に観測された高度別の風況（午前）を図４．GIS を利用した降灰リスク予測

６に示した。角度は風向を表しており、0°が北GIS とは、地理的な位置情報を見出しとして、からの風である。半径方向は風速 (ｍ/s) を表してその位置に関わる空間的な情報を管理し加工している。偏西風が弱まる８月は風速も小さく風向も視覚的に表示するだけでなく、高度な分析によりばらつく傾向があり、ほぼ全方位からの風が観測迅速な判断を可能にする技術９) である。ここでされている。この時期に大規模噴火があると、弱は2021年８月５日の降灰シミュレーション結果を

い上空の風のため降灰が移流されにくく、桜島近利用して、避難困難者人口及び世帯数の予測（図郊で降灰堆積深が大きくなりやすい。2020年の降７）と道路交通阻害の予測（図８）について紹介

灰計算では、鹿児島中央駅（新幹線駅）付近の最する。この日は、鹿児島市街地の広い範囲で48時

大降灰堆積深は約１ｍで、堆積深の上位10ケース間後の降灰堆積深が１ｍを超える計算事例（図のうち９ケースまでが８月に集中した。風向の卓９）である。

越側でない地域でも、大きな被害を被るリスクが降 灰 堆 積 深 が10cm を 超 え る と 車 の 走 行 が であることがわかる。降灰リスクを風向から想定すきないので、このエリア内を避難困難地域とし、

図５

堆積深が10cm 以上となる日数分布（2020年）－24－

消防防災の科学図６

2020年８月の高度別風況図（午前９時観測値）

0.5~1m1~1.5m1.5m~

GIS:メッシュ人口
ハザード:10cm以上の堆積深
リスク:⾞を利用した移動困難

図７№148 2022（春季）

GIS による避難困難者人口及び世帯数の予測（2021年８月５日）－25－

GIS で降灰堆積深が10cm の等高線（線情報）を65_,House65_1）を集計して、被災総人口・高齢作成する。次にこの等高線をポリゴン（面情報）者人口、総世帯数・高齢者世帯数及び高齢者独に変換すると、堆積深が10cm 以上となるエリア居世帯数を予測できる。人口や世帯数の推計にと共通する範囲の500ｍメッシュ人口を切り出す

は500ｍメッシュ人口 (2015年国勢調査 ) データことができる。切り出したメッシュ人口の属性かを利用した。このデータは、e-Stat（統計で見るら必要な項目（図７の tPop,Pop65_,tHouse,House

日 本：https://www.e-stat.go.jp/） で 公 開 さ れ て

GIS:交差点の位置
ハザード:4時間後の堆積
リスク:道路交通の阻害●走⾏不可(10cm堆積)●10km/h制限(5cm堆積)●20hm/h制限(2cm堆積)

図８

主要な交差点を対象にした道路交通阻害の予測（2021年８月５日、噴火から４時間後）

図９

噴火から48時間後の降灰堆積状況の可視化例（2021年８月５日に噴火想定）－26－

消防防災の科学いる。同様な方法で、１時間毎の降灰計算結果噴火と同時に降灰シミュレーションを実施するこを利用し、主要な交差点でどのように交通阻害とを想像するが、ここでは待ち受け計算によって、が発生するかを可視化した例が図８（噴火から防災担当者に必要な時に必要な情報が届けられる４時間後）である。降灰堆積深が５cm で車は時という意味でリアルタイムとしている。

速10km/h 走行、降灰堆積深が２cm で20km/h 走

風向風速は、気象庁数値予報モデル GPV(GSM行１） としている。鹿児島市街地北部では、噴火日本域）を利用する。この数値予報モデルは、水から４時間後には通行不可となる道路（交差点）

平方向の格子間隔が20km（指定気圧面）で、少が発生するため、大規模噴火後の車による避難はなくとも5.5日先までの予測値を６時間更新で入実質的に困難であることが想像できる。交差点

手できる。降灰リアルタイムハザードマップシスの位置情報は OpenStreetMap の道路情報を利用

テムの運用については、現時刻から意思決定に関した（Ⓒ OpenStreetMap contributors,https://www.

わるプロセスを含み６時間以内に情報提供が可能

openstreetmap.org/copyrigh)。）となる運用を想定した。そのため降灰計算では、水平方向の計算格子間隔が桜島周辺で700ｍ、計算領域端付近が1400ｍとなる不等間隔格子を採用

５．降灰リアルタイムハザードマップ

した。高さ方向は1000ｍ間隔とした。降灰ハザー

火山噴火そのものの予測は困難である。しかし、ドマップを作成したシミュレーションモデルと、数日後に大規模噴火を想定した待ち受け計算は可降灰リアルタイムハザードマップのモデル諸元の能である。そこで、大正噴火級の大規模噴火を２比較を表１に示した。

日後 (48時間後 ) 及び1.5日後 (36時間後）に想定し、降灰リスク予測情報として、堆積深が10cm 以噴火から18時間先の降灰堆積深を、６時間毎に更上となる避難困難エリア内の人口及び世帯数、65新しながら24時間連続稼働させる降灰リアルタイ歳以上の高齢者人口及び高齢者の一人世帯数・二ムハザードマップシステムを紹介する。18時間後人世帯数のほか、通行できない区間がある道路をの予測堆積深は、48時間後の予測堆積深の概ね80抽出した。また、堆積深が30cm 以上のエリア内～90％程度である。リアルタイムというと大規模を流下する河川を、一時的に治水安全度が低下す

表１

項目

降灰リアルタイムシミュレーションモデルの諸元

降灰リアルタイムハザードマ
ップモデル
噴火規模
大正噴火級
→
基礎方程式
２次元移流拡散方程式→
計算範囲150km 四方（鹿児島県本土域） →計算高度20km まで20km まで
水平解像度
500m〜1330m
700m〜1400m
垂直解像度（高度方向）
500m
1000m
計算時間間隔Δt＝2sec
Δt＝4sec
風向風速の解像度
鹿児島気象台 1 地点
GSM20km 四方（指定気圧面）
風向風速の更新時間
12 時間
6 時間
計算結果
48 時間後の堆積深18 時間後の堆積深必要な総計算時間（１ケース） 約 53 時間
約 2 時間備考
2 日後及び 1.5 日後に噴火を想定した計算を同時に実施№148 2022（春季）

降灰ハザードマップモデル－27－

る河川として抽出した。これらの結果を表示するていない。降灰リアルタイムシミュレーションのWeb 閲覧サイトを開設し、2021年７月～2022年

概要を図10に、降灰リアルタイムハザードマップ２月まで試験的な運用を行なった。システムの有システム概要を図11に、また図12には、降灰リア効性を評価する目的で、鹿児島県及び関係市町村

ルタイムハザードマップのイメージをそれぞれ示の防災担当者には期限を限定して公開したが、気した。

象業務法により制限があるので、一般公開は行っ

図10

降灰リアルタイムシミュレーションの概要

システムは全てオープンソースソフトウェア（OSS）で開発
京都大学生存圏研究所
生存圏データベース

降灰堆積
深分布

リスク

ブ
ラ
ウ
ザ

Ubuntu20.04LTS

Python

GSM

受信

WEB

ユーザー
（一般には非公開）

降灰リアルタイムハザードマップシステム

gfortran

wgrib2

風向風速変換

DB
風向風速

降灰計算
html
公開系WEBサーバー（学内仮想環境）

堆積深リスク
抽出

gdal

GIS
geopandas

Python

リスク

可視化

図11

降灰リアルタイムハザードマップシステム概要－28－

消防防災の科学

図12

降灰リアルタイムハザードマップ

ルデータを京都大学生存圏研究所が運営する生存６．おわりに圏データベースによって収集・配布されたものを本報で紹介した降灰リアルタイムハザードマッ
プシステムの開発言語は、いずれもオープンソー利用した（http://database.rish.kyoto-u.ac.jp）。ここに記して謝意を表す。

スなものを採用した。また、GIS データや表示用 の 背 景 地 図 は、GIS ホ ー ム ペ ー ジ（ 国 交 省：
https://nlftp.mlit.go.jp/index.html）、e-Stat（ 統 計で見る日本：https://www.e-stat.go.jp/）、及び国土 地 理 院（https://www.gsi.go.jp/top.html） な ど、無料で公開されているデータを利用している。本
システムは、どの火山にも応用できる。このようなシステムの継続的な運用・維持管理を担う主体はどのような組織が望ましいのか、という運用面での課題が残されている。本システム試験的運用
期間の GPV(GSM 日本域）は、気象庁のオリジナ№148 2022（春季）【参考文献】
１）中央防災会議防災対策実行会議：大規模噴火時の広域降灰対策検討ワーキンググループ（令和２年４月），「大規模噴火時の広域降灰対策について- 首都圏における降灰の影響と対策 - ～富士山噴火をモデルケースに～（報告），2020.
２）（中央防災会議）災害教訓の継承に関する専門調
査会報告書：1914桜島噴火報告書、内閣府
３）中谷剛・浅野敏之：１年間にわたる風速場を考慮した桜島大規模噴火に対する降灰ハザードマッ
プの作成 , 自然災害科学 J. JSNDS 40 特別号 175-－29－189,2021.
４）Suzuki, T.: A Theoretical Model for Dispersion ofTephra, Volcanism; Physics and Tectonics, edited by
D. Shimozuru and I. Yokoyama, pp.95-113, 1983.
５）近藤一飛・多々納裕一・井口正人・田中 博：
火山灰輸送シミュレーションを用いた桜島における大規模火山噴火時の降灰リスク分析，平成30年度京都大学防災研究所研究発表講演会，A26，2019.
６）山科健一郎 : 桜島火山1914年噴火の噴煙高度−
目撃資料の検討，火山第44巻，第２号，pp.71-82，

1999.
７）中央防災会議 ( 災害教訓の継承に関する専門
調査会 ):1914桜島噴火報告書，第２章，第１節，pp.33-36，2011.
８）浅野敏之・高橋 忍・甲斐信治 : 大規模火山噴火
災害時における港湾機能維持に必要な降下軽石群の揚収作業量の分析，自然災害科学，Vol. 39，特別号，pp.45-56，2020.
９）国土地理院 (https://www.gsi.go.jp/GIS/whatisgis.
html)

－30－

消防防災の科学