火山 第 58 巻 ( 2013)
第 2 号 379-385 頁

解説・紹介

ユーザーインターフェイスを改良した溶岩流シミュレーションシステムとその防災上の意義
安田敦＊・金 子 隆 之＊・新 堀 賢 志＊＊・藤 井 敏 嗣＊＊

Lavaflow Simulation with Improved User Interface and Its Significance in Disaster Prevention
Atsushi YASUDA＊, Takayuki KANEKO＊, Kenji NIIHORI＊＊ and Toshitsugu FUJII＊＊

1．は じ め に

2003； Chirico et al., 2009)．この時に重要となるのが，溶火山噴火災害を軽減するための防災啓発ツールとし岩流の流下経路や到達時刻を予測し速やかに関係者に伝て，溶岩流の簡易シミュレーションが実行出来る web サ

達することと，自治体関係者や住民自身が溶岩流噴火にイトを立ち上げたので紹介する．小学校から大学までのついてある程度の基礎知識を持ち，入手にした情報をき

火山教育の現場や，自治体防災関係者，火山近傍の住民

ちんと理解して行動できることである．これを実現するの利用を想定している．URL は http : //VRSSERV.eri.u-

ために，活動的な幾つかの火山についてはハザードマッ

tokyo.ac.jp/REALVOLC/lava/ で，簡単なユーザー登録をプが整備されている（e.g., 富士山ハザードマップ検討委行うだけで誰でも利用することができる．公開したシス員会，2004）．

テムは，シミュレーションの経験がまったく無い者でもこれまで様々な溶岩流シミュレーションプログラムが容易に溶岩流の流下計算を実行し結果を確認することが発表されて，学術的研究だけではなく防災にも役立てらで き る よ う に，国 内 の 主 要 な 火 山 に つ い て は DEMれてきた (e.g., Ishihara et al., 1990； Hidaka et al., 2005；（Digital Elevation Model（数値標高モデル））を予め用意Favalli et al., 2006)．具体的には，対象とする火山の代表

し，計算パラメタの入力はブラウザ画面から行うととも的な噴火規模と噴火位置について幾つものシミュレーに，計算結果は Google マップ上に投影するという仕様

ションを行い，被害地域の範囲や溶岩流の到達時間を計になっている．加えて，計算パラメタの入力から結果表

算し，それらの結果をデータベース化するという方法で示までに要する時間が短いため，リアルタイムハザード

危険地域を地図上に表現したハザードマップの作成であマップとしての機能も備えている．

る．しかしながら，火口位置や噴出率が少し変化するだけでシミュレーションの結果から推定される被害区域や

2．システム開発の背景

到達時間が大きく変化する場合があり，加えて，噴出温火山噴火に伴う様々な現象の中で，溶岩流は比較的進度，結晶量，化学組成が噴火ごとに値が異なる可能性が

行速度が遅いため現象の進行中に被害軽減対策がとれるあり，これらの要素は溶岩の流動特性に大きく影響するという特徴がある．実際，溶岩流の流下にあわせて住民ため，十分に機能するハザードマップを作成するためにの避難を実施したり，堰堤の構築や溶岩への放水によっは膨大な計算が必要であった（富士山ハザードマップ検て溶岩流の流動方向を変えたり停止させたりする試みが討委員会，2004）．さらに，ハザードマップは一度作成す幾つかの火山噴火で行われている (e.g., Barberi et al.,れば良いというものではなく，砂防ダムや道路といった＊〒113-0032 東京都文京区弥生 1-1-1
東京大学地震研究所
Earthquake Research Institute, University of Tokyo, 1-1-1
Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0032, Japan＊＊〒160-0011 東京都新宿区若葉 1-22-505
特定非営利活動法人 環境防災総合政策研究機構 環
境・防災研究所

Research Institute for Disaster Mitigation and Environmental Studies, Crisis & Environment Management Policy
Institute, 1-22-505 Wakaba, Shinjuku-ku Tokyo 160-0011,
Japan
Corresponding author: Atsushi Yasudae-mail: yasuda@eri.u-tokyo.ac.jp

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大型の構造物が新たに構築された場合，市街地の変化で居住地域が変化した場合，あるいは地形が変化した場合などには再び作成しなおす必要が生じる．このため，限られた予算と時間の中で作成される多くのハザードマッ
プの情報の有効性には限界があることをふまえ，これを補うための対策を考える必要があった．
我々はこの問題への対応として，(1) 簡易シミュレー
ションを用いて自治体防災関係者や住民の溶岩流噴火に対する啓発を行うこと， (2) リアルタイムでハザードマップを作成すること，が有効であろうと考え，それらを実現するためのシステム作成を目指した．(1) はシ
ミュレーションを自ら試行することによって，既存のハ
ザードマップに表示された情報についての理解が深まるとともに，ハザードマップが示しきれなかった事態の発生にも対処できるよう溶岩流噴火への基礎知識を高めることを狙っており，(2) は火山噴火の発生後の計算ならば火口位置や噴出率などは実測値が使えるため，噴火発
生前のハザードマップ作成時の不確定要素を大幅に減らしてより精度の高い予想が可能となるためである．
非専門家でも容易に使える溶岩流シミュレーションであるためには，特別なハードウエアを必要としないだけ
でなく，パラメタの入力から結果の表示までを総合的に支援したシステムである必要がある．Web の利用が一般的である現在の社会環境においては，使用者がクライアントとして web サーバーにアクセスしてパラメタの入力とシミュレーションの実行を行い，結果も web ペー

Fig. 1.

Flow chart of the system.

ジの Google マップ上に投影されるというシステムが適当であろう．クライアント側では結果を可視化するためある．そこで，計算パラメタの入力や DEM の設定等のの特別なアプリケーションを必要とせず，web ブラウザ

計算の前処理部分やシミュレーションの結果を可視化すだけがあれば良い．火山災害の数値シミュレーションをる部分を整備することによって，簡便かつ，安価なシミュ

総合的に支援する同種のものとしては，Felpeto et al.

レーションシステムの構築を試みることにした．

(2007) による GIS ソフトウエアをフレームワークとして動作するシステムが発表されているが，Arc View とい

3．システムの仕様とユーザーインターフェイス

う専門性が高くやや高価な GIS ソフトウエアの使用を多くの人々の利用を念頭においた場合，簡易シミュ

前提としており，専門家以外が使うにはややハードルがレーションとはいっても 1 台の web サーバーでは実行高かった．非専門家を対象として web 上でパラメタを出来る計算量には限りがある．そこで，興味のある者が設定して計算できるシステムとしては，火砕流について

わずかの手間と予算で自分自身の計算環境を立ち上げてはすでに公開されているが（例えば，東京大学地震研究

様々にパラメタを変化させた多量の計算を実行すること

所 http : //vrsserv.eri.u-tokyo.ac.jp/REALVOLC/enecon/index.

もできるよう，システムの移植性について特に留意した

html； 産 業 技 術 総 合 研 究 所 http : //volcano. geogrid. org/

システム開発を行った．具体的には，オープンソースのapplications/EnergyCone/），溶岩流についてのこうしたも溶岩流シミュレーションプログラム (Ishihara et al., 1990)のは存在していなかった．

を用いて計算し，広く流通しているフリーウエアのソフ

近年のパーソナルコンピューター (PC) の性能の向上

トウエアを用いて計算結果を図化して web 表示をする．

や Google マップを初めとする情報可視化手段の広がり

このため，Unix，Windows，Mac のいずれにもシステムによって，高価な大型計算機を使わなくても，シミュレー構築が可能である．

ションを実行しその結果を可視化できる環境ができつつ本システムが行う内容を Fig.1 にまとめた．Web サー

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Fig. 3. Example of simulation results. Lava thickness
and covered areas are projected on Google Maps．
Fig. 2. Example of graphical user interface (GUI) of thesystem. Input screen for crater positions.

et al. (1990) のプログラムは，溶岩流を二次元のビンガ
ム流体として扱い，ナヴィエ・ストークスの方程式を差バー (Apache ver. 2.2) を通じてクライアントから入力さ分法で解くことによって溶岩流の流動を計算する．粘性れた情報（計算パラメタや出力のリクエスト）は perl 言

率，降伏応力を温度の関数として与え，系の温度低下は語 (ver. 5) で記述した CGI (common gateway interface) ス

表面からの熱放射を考えている．近年発表されている幾クリプトを経由して計算や図化のためのアプリケーショ

つ か の 三 次 元 溶 岩 流 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (Harris andン（Imagemagick ver. 6 と Gnuplot ver. 4）に引き渡される．

Rowland, 2001； Hidaka et al., 2005) と比較すると，計算量クライアントは背後にあるアプリケーション群を意識せが圧倒的に少ないので高度な計算機環境ではなくても実ずに計算結果を web ブラウザで確認出来る．マウスク

行できるという特徴がある．計算量が少ないとはいってリックによる火口位置選択やパラメタのデフォルト値をも，溶岩の被覆域，到達時間などは，幾つかの火山噴火

準備するなど，計算に必要な情報の入力もできるだけ簡において実際の噴火データと比較検証されており，実用単に行えるよう工夫してある．

的な精度を持っていることが確認されている（石原・他

国内の主要な 55 活火山について山体の大部分をカ(1984, 1985）, Ishihara et al. (1990))．また，これまで多くバーする範囲の DEM（10 m メッシュ）を準備した．シの火山のハザードマップの作成に利用されているという

ミュレーションが可能な領域は，Google マップ上に矩形．このプログラムは実績もある（国土庁防災局，1992）

で示され，火口位置の入力は，Google マップ上で対象点

Fortran 言語で記述されているが，これを PC で実行しやをクリックするか，あるいは，緯度，経度の値をテキス

すいように C 言語 (gcc ver. 4.2) に移植するとともに，計トボックス内に直接入力することによって行う．火口は算の安定性と実行時の利便性のために幾つかの機能追加

複数（最大 100 カ所）設定可能で，先に入力した火口位を行った．具体的には，(1) 地図への重ね合わせ処理の置を地図上で確認しながら次の火口位置の入力ができるための位置と時間マーカーの出力，(2) 火口湖形成時の(Fig. 2)．また，複数のセルにまたがって直線状に火口が計算安定性のために隣のセルへ移動できる最大流量の制配列する場合などは，一括して火口情報の入力が行える．

限，(3) DEM の差分ファイルの読み込みである．差分

位置情報の他に，噴出率，噴出開始時間，噴出終了時間，

ファイルの読み込み機能によって，DEM とは地形が異溶岩の温度の入力が火口情報として必要である．同じ火なる場合（噴火直前の地殻変動や人工的構造物）の影響

口位置で噴出開始時間，噴出終了時間を変えた火口を設も計算時に考慮できる．

定することによって，噴出率の時間変化にも対応可能である．
シミュレーションプログラムとして採用した Ishihara

シミュレーションプログラムで必要とするパラメタ
は，計算時間，時間ステップ，溶岩の密度，比熱，放射冷却の効率，クリンカ形成温度，クリンカ形成時の放射

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温度低下量，粘性の定数項，粘性の温度依存項，降伏応力の定数項，降伏応力の温度依存項である．これらの入力項目に対しては，入力の簡便化のため火山ごとのデ
フォルト値をあらかじめ与えることができる設計になっているが，今のところ個々の火山についての最適値は未整備である．上記の項目に加えて計算終了を通知するための e-mail アドレス入力欄も用意した．
Web ブラウザ上で必要なパラメタの入力を終えてス
タートボタンを押せば，シミュレーション計算を行い，結果の溶岩流の被覆域と最終温度を Google マップ上に重ねて表示した HTML ページが自動的に作成され，上述の e-mail アドレスに計算結果を示す URL アドレスが通知される．Fig. 3 は実行結果の一例（抜粋）である．
最終結果（厚さと温度）だけではなく，途中の溶岩流の厚さについても，Google マップ上に重ねて見ることができる．特定の時間の溶岩流の厚さについてボタン操作で表示 / 非表示の切替が可能なので，時間とともに被覆域がどのように変化していったのかが一目でわかる．溶岩流の厚さ情報は 26 階調のカラー画像で表現しているが，より詳しい情報を得たい場合のために，地形および溶岩流断面図を任意の位置で作成できる機能を設けている．
これらの基本的な結果表示機能に加えて，ユーザー側が独自の解析や図化を行う場合を想定し，シミュレー
ション結果の溶岩流厚さと温度の情報はテキストファイ
ルとして個別にダウンロードできる仕様になっている．

Fig. 4. Time needed to simulate lavaflow at given conditions： (a) comparison of different platformʼs performance (vent position： summit crater of Kaimondake； effusion rate = 200 m3 /s), (b) difference ofrun time caused by calculation conditions on platform 1 (see text for detail).

4．設定時間と計算時間
噴火開始からある時間後（以後，「設定時間」と表記）

件範囲になっている．シミュレーションの時間ステップの溶岩流の状態を計算するのに要する時間（以後，「計算

は 0.05 秒（玄武岩質溶岩の場合）と 0.1 秒（安山岩〜デ

時間」と表記）は，使用する PC の性能に大きく依存すイサイト質溶岩の場合）に固定した．この条件での計算

る．Fig. 4 (a) は 4 つの異なるプラットホームを用いて同の安定性は確認してある．条件によって巾があるが，計一条件（火口位置： 開聞岳山頂，噴出率： 毎秒 200 m3）

算時間は設定時間よりも有意に短く，設定時間 3 時間ので計算を行った場合の，設定時間と計算時間の関係であ現象は 5 分以内，設定時間 6 時間の現象は 2 分から 15

る．使用する PC の性能（CPU の占有状態の違いを含む）

分で完了した．

によって 4 倍程度の実行速度の違いが生じている．注目もっと大規模な溶岩流の計算に関して言えば，計算すべきは，使用したいずれの PC でも，計算時間が設定

ルーチンの改良か，あるいはより高性能の PC で実行す時間よりも大幅に短くなっていることである．設定時間るのが望ましい．浅間山山頂から総量 1.7 億 m3（200 m3

10 時間の計算が，20 分から 70 分弱で完了している．
総噴出量が多い場合や，地形が急峻な場合には，流下距離が長く被覆面積が大きくなるため，より長い計算時/s の噴出率で 10 日間）の溶岩流流下を試行した場合には，計算時間は設定時間よりもはるかに短いものの，ほぼ 1 日半もの時間を要した．

間が必要となる．そこで，様々な地形勾配をもつ幾つかの火山において，その火山で典型的な組成の溶岩（玄武5．リアルタイムハザードマップとしての実用性

岩〜デイサイト）に対応する粘性を与えるとともに，噴リアルタイムハザードマップとして役に立つために出率を 100〜300 m3 /s の範囲で変化させて試行を行い，は，シミュレーション結果の開示が現象の進行よりも早設定時間と計算時間の関係を調べた (Fig. 4 (b))．国内のくなければならない．これは単に計算速度が速いだけで火山噴火で起りえるほとんどの場合を網羅するような条は実現せず，システム全体としての効率が重要になる．

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えた段階で未来を予測する領域に入る．計算終了後には，結果の伝達が完了するまでに V と A の時間を必要とする．Fig. 5 の斜線部（R･t に相当）の防災対策時間を得るためには，tʼ 以上のシミュレーションを行わなければならないが，D, P, V, A に要する時間を短縮すること
で，tʼ をより小さな値にすることができる．すなわち，
短時間の現象にたいしてもリアルタイムで有効な予測ができることになる．
我々のシステムでは，web サーバーと組み合わせてユー
ザーインターフェイスを改良することによって，要素 P,
V, A について合わせて数分程度と大幅に時間短縮をすることができた．火口位置やパラメタの入力に必要な時
間 (P) は操作者のシステムへの慣れにもよるが通常は 1
分以内，結果の図化と HTML ページの作成 (V) は最大
Fig. 5. A schematic concept drawing for the relationship between simulation stop time and elapsed time.
“Realtime efficiency (R)” of the system is defined as
R=1−(D+P+C+V+A)/t, where t is elapsed
time (real time), and time needed to detect eruption(D), to prepare calculation (P), to calculate (C), tovisualize results (V), to send alert messages toclients (A). Shaded area (R･t) represents the time tospend for measures. See text for detail.

でも 30 秒程度しかかからない．また，e-mail の送受信
(A) は 1 分未満で終わる.また，要素 C は前述のように，
3 時間程度の流れなら設定時間の 1/30 以下の 5 分未満
で，数日の流れについても設定時間の 1/6 程度の時間で計算が行える．したがって，要素 D を小さくすることさえできれば，本システムを小規模溶岩流噴火のリアルタ
イムハザードマップに利用できることになる．実際の噴火の場合に，噴火現象を検知し火口位置を特定するに要する時間は，噴火発生の時間帯や先行現象の有無によって大きく変化する．このため要素 D は何分以内である

ここで，リアルタイム効率という概念を導入して整理しと限定することはできないが，仮に，先行現象があっててみよう．リアルタイム効率 (R) は，R=1−S/t，と定義

監視カメラが動いているような状況ならば，噴火開始後される．ただし t はイベント発生からの経過時間，S は15 分から 30 分程度で火口位置を特定することも可能でイベント発生後にシミュレーションを行い，その結果があろう．そうした場合には，本システムは 1 時間から 3

関係者に伝わるのに要する時間である．リアルタイム効

時間程度より先の溶岩流の状態予想に使える．また，実率が 1 に近い程，防災的には有効であり，R･t に相当す

際の溶岩流から観測される流下速度や被覆域の情報を参る時間を防災対策に利用することができる．

照して粘性項，噴出率といったパラメタの絞り込みを行

S はシミュレーションシステムの総合的な性能で決まり，S を小さくすることが，リアルタイム型ハザードマッ

いながら，常に数時間先の溶岩流の状態を予測するといった使い方もありえる．

プが現実に役立つかどうかの鍵となる．S を個別の要素に分解すると，D： 現象の発生を検知するまでにかかる

6．防災上の意義

時間，P： シミュレーションの前処理に要する時間，C：

これまで述べてきたように，非専門家が使えて，かつシミュレーション計算にかかる時間，V： 結果の可視化

移植性の高い本システムの特徴が，防災上どのような意に要する時間，A： 結果を関係者への伝達に要する時間，義を持つか以下にまとめた．

に分けられる．重要なのは，シミュレーション計算の高(1) プレアナリシス型のハザードマップの作成： 2 章で速化によって計算時間 (C) そのものを短くするだけではふれたように地方自治体の防災関係者がハザードマップ

なく，総合的に時間を短縮することである．概念図を作成の一助として使用できる．加えて，DEM の修正機

Fig. 5 に示す．横軸はイベント発生後の経過時間，縦軸能を持つので，堰堤構築や掘削工事の防災・減災効果のはシミュレーションで計算する時間であり，実線に沿っ評価にも使える．

てリアルタイムハザードマップシステムは動作してゆ(2) リアルタイムハザードマップの作成： 限られたオ

く．D と P の期間は何も計算が行われず，その後にシペレーターしか動かせないシステムの場合，噴火に際しミュレーションを開始して，斜め 45 度の破線部分を超ての緊急時にそのオペレーターと装置を確保することが

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まず必要になる．このため，現象発生からの経過時間がスクリプト（perl で記述）と溶岩流シミュレーションの短い場合には，確保に必要な時間のためにリアルタイム

C コードは，二次配付を行わないという条件のもとに提効率が正にならない（対策の時間がない）という問題が供可能である．著者宛 (yasuda@eri.u-tokyo.ac.jp) にメー生じる恐れがある．この点，誰にでも容易に使えるといルで直接送付希望を告げてもらえれば，システム構築時

う本システムの特性はリアルタイム効率を高める上で非の簡単な注意事項を添えてお送りする．

常に有効であろう．また，結果を web 表示にして汎用性

個別の火山における最適なシミュレーションパラメタが高い地図に投影したことによって，対策を講ずるのにの吟味と，リアルタイム効率の向上のためのカメラ映像

必要な情報を関係者間で短時間に容易に共有できる．避（地上 & 衛星）との連携は今後の課題としたい．

難経路の確保や減災対策を効率良く実施する上で，情報が速やかに共有されるメリットは大きいものと思われ

謝る．

DEM の作成では栗原美貴さんに手伝っていただいた．

辞(3) 啓発ツールとしての利用： 火山噴火は発生頻度が

数値標高地図は，国土地理院基盤地図情報サービスを低いため，たとえ自治体の防災関係者といえども，溶岩利用した．本研究の一部に平成 24 年度科研費基盤 A流の挙動についての理解は十分ではない場合も多いであ(23241055) を使用した．また，査読を行った吉本充宏・

ろう．プレアナリシス型のハザードマップの作成自体は渡辺

外部の有識者にまかせるにせよ，多少でもシミュレー

するに大変有意義でした．以上，記して感謝いたします．

ションを自らの手で実行して溶岩流の速度や到達範囲について評価する作業を行うことは，噴火の疑似体験として防災計画の策定のなかで生かせるのではなかろうか．
また，簡単にシステムを構築できて様々にパラメタを変化させた計算が行えることから，小学校〜大学といった教育機関において身近にある火山の溶岩噴火について学
習する材料にも使える．粘性や噴出率の変化が溶岩流の挙動にどのように影響するか実験してみることは，火山や溶岩の特性を理解するためにも有意義であろう．加えて，防災マップとして最終的にまとめられる前の生の計算結果を目にすることは，防災マップへの理解を深めることにもつながる．
(4) 研究ツールとしての利用： どのようなシミュレー
ションプログラムでも，適切なパラメタを入力しなければ実際の現象を再現することは困難である．溶岩流の場
合，溶岩の組成や噴火の温度，地形の違いなど，溶岩流の挙動を左右する幾つも要因がある．このため，有効なシミュレーションを行うためのパラメタセットは火山ごとあるいは噴火ごとに異なっている可能性がある．できるだけ適切なパラメタセットを推定するには，過去の噴火による溶岩流の地形解析や噴出物分析から得られる情報が欠かせない．容易にシミュレーションが実行できる環境があれば，これらの情報を保有している火山の専門家が，パラメタセットの推定作業に参加する機会が高まる．また，シミュレーション結果と現実の溶岩流との比較事例が増えれば，シミュレーションプログラムの改良にもつなげることもできよう．
7．お わ り に
本稿で紹介したシステムのために著者が作成した CGI了両編集委員からのご指摘・ご指示は本稿を改善

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