気象レーダーを活用した
火山噴煙観測と降灰予報
気象庁 気象研究所
新堀 敏基

2014/02/07

災害・危機管理ICTシンポジウム2014＠パシフィコ横浜－危機管理のためのセンシング技術と情報伝達－

はじめに• 大規模火山災害対策のための噴煙観測の必要性
2013年5月，内閣府より「大規模火山災害対策への提言」
現状 我が国では，総噴出量10億㎥を超える大規模噴火（VEI≧4）は，桜島の大正噴火（1914年）以降，1世紀間，発生していない
 2011年3月の東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）以降，大規模火山噴火の発生が危惧されている
重要な課題
 大規模な溶岩流，火砕流，融雪型火山泥流，降下火山礫，降灰対策等，多岐に渡る災害対策が必要
 大規模噴火時，昼夜全天候下で，リモートセンシング観測から噴火現象を即時的に把握できる技術研究が必要⇔降水観測の維持にとっても重要
2

噴火の規模VEI （Volcanic Explosivity Index）：火山爆発指数
噴火の規模 ≈ エネルギー ≈ 噴出物量
VEIテフラ噴出量（m3）8>101271011～1012

61010～1011

過去の主な噴火

規 模
巨大Yellowstone (更新世), Toba (73000年前)
鬼界カルデラ (7300年前), Tambora (1815)
Krakatau (1883), Pinatubo (1991)
Vesuvius (79), 榛名山 (550), 浅間山 (1108),
北海道駒ヶ岳 (1640), 有珠山 (1663),
樽前山 (1667), 富士山(1707),
St. Helens (1980)ほか

5109～1010

非常に大規模4108～109

大規模

浅間山 (1783), 桜島 (1914),
Eyjafjallajökull (2010) など多数

3107～108

やや大規模

伊豆大島 (1986) , 三宅島 (2000),
新燃岳 (2011) など多数

2106～107

中規模

浅間山 (2004) など多数

1104～106

小規模

桜島 (近年)

0<104

非爆発的

Newhall and Self (1982)※ VEIは，地質調査などによって±1程度前後することがある 3

国内の活火山大雪山• 概ね過去1万年以内に噴火した火山と有珠山
現在活発な噴気活動のある火山
北海道駒ヶ岳恵山
秋田焼山• 全国で110（全世界の約10%）
岩木山

十勝岳

雌阿寒岳
樽前山

磐梯山

乗鞍岳

丸山

倶多楽

秋田駒ヶ岳

焼岳

アトサヌプリ

鳥海山

岩手山

草津白根山

栗駒山

新潟焼山
蔵王山

白山

吾妻山

御嶽山

安達太良山
那須岳
日光白根山
浅間山
富士山

雲仙岳
鶴見岳･伽藍岳
薩摩硫黄島

阿蘇山

口永良部島

諏訪之瀬島

神津島

九重山

霧島山（新燃岳）
桜島

箱根山

伊豆東部火山群

青ヶ島

新島
三宅島

伊豆大島

八丈島

4

内 容
• （小規模） 2013年8月18日桜島（昭和火口）噴火の事例• 移流拡散モデルによる降灰予報の必要性• （中規模） 2011年1月26～27日霧島山（新燃岳）噴火の事例• 気象レーダーによる噴煙観測の有効性• （大規模） 1914年1月12日桜島大正噴火の事例• 大規模噴火で想定される噴煙観測および降灰予測5

事例１：小規模噴火（VEI=1）
2013年8月18日桜島（昭和火口）噴火

気象庁，127回噴火予知連資料62013年8月18日桜島（昭和火口）噴火

降灰状況

鹿児島中央駅付近の降灰状況（8月18日17時10分頃）

2013年8月18日15時の天気図

福岡管区気象台・鹿児島地方気象台：桜島の火山活動解説資料（平成25年8月19日13時30分発表）ほか

7

• このような降灰が予想される場合，気象庁では降灰予報を発表• その予測方法は，気象研究所で開発している
風による領域移流拡散モデル（JMA-RATM）による輸送開始
噴火発生

遠望カメラ，気象レーダー，衛星観測

噴火に関する
火山観測報

噴煙高度
継続時間

① 噴煙柱モデル

初期条件

初期時刻における火山灰粒子データ

数値予報GPV

気象データ② 移流拡散モデル（RATM）

時間発展

噴出物総質量火山灰・礫の粒径分布
各高度からの拡散比率
移流・拡散火山灰・礫の落下速度
乾性・湿性沈着

予報時間ごとの火山灰粒子データ③ 落下量の算出

可視化

降灰域の描画
最大粒径分布の描画
予報区の抽出① 噴煙柱内部の火山灰・礫の初期分布② 風に流される火山灰・礫の移流拡散予測結果を画情報に変換

予報時間ごとの図情報

降灰予報
（用語）
GPV (Grid Point Value): 気象庁数値予報モデルの格子点値
RATM (Regional Atmospheric Transport Model): GPVを入力値とする気象庁領域移流拡散モデル③ 火山灰・礫の落下範囲・量の算出

2013年8月18日桜島（昭和火口）噴火

発表された降灰予報

 現在の降灰予報は，噴火開始から6時間先までの降灰域の予想のみ

9

事例２：大規模噴火（VEI=4）
1914年1月12日
桜島大正噴火• 今から100年前の大正3年に発生• 噴火開始：1月12日10時05分• 噴煙高度：最高18,000 m（推定）• 噴出物総量（火山灰・礫）：6億m3
噴火開始から約1日半で噴出

1914年1月12日10時30分頃
桜島大正噴火100周年記念誌（2014）より

桜島大正噴火

降灰状況（近地）

単位：寸（×3.03 cm）
大森，震災予防調査会紀要8（1916）113

1914年1月12日06時の天気図

桜島島内は1 m以上の降灰

11桜島大正噴火

降灰状況（遠地）

長谷川，中央気象台気象要覧170（1914）1

1914年1月14日06時の天気図

東北地方でも降灰が確認

12

仮定１：

RATMによる予想降灰量
噴火開始から36時間先まで（積算）2013年8月18日噴火が大正規模の場合
各地点の予想降灰量（近地）

市来
桜島港

鹿児島中央駅
鹿児島地台
軽石（密度：1 g/cm3）の場合，
 桜島島内で1 m以上
 鹿児島市内で数10 cmの降灰が予想連合大会（2014）SVC50-P01仮定２：
大正噴火のときと同様，南西風が卓越する場合(2013年10月9日の気象場)
各地点の予想降灰量（遠地）

軽石（密度：1 g/cm3）の場合，
 大阪で1 mm程度
 名古屋，東京で0.1～1 mm
 東北・北海道地方まで降灰が予想連合大会（2014）SVC50-P01

RATMによる予想降灰量
噴火開始から72時間先まで（積算）降灰量の階級表『降灰予報の高度化に向けた提言（平成25年3月，気象庁）』より
表現例
名称

厚さ
キーワード

影響ととるべき行動イメージ※1

その他の影響路面

視界完全に覆われる

視界不良となる

1mm 以上多量【外出を控える】

白線が見えにくい

やや多量

明らかに降っている

0.1mm≦厚さ＜1mm

道路

外出を控える

運転を控える

慢性の喘息や肺気腫が悪化し健康な人でも目・鼻・のど・呼吸器などの異常を訴える人が出始
める

降ってくる火山灰や積もった火山灰をまきあげて視界不良となり、通行規制や速度制限等の影響が生じる

マスク等で防護徐行運転する

喘息患者や呼吸器疾患を持つ人は症状悪化のおそれがある

短時間で強く降 る場合は視界不良の恐れがある
道路の白線が見えなくなるおそれがある（およそ0.1～0.2mmで鹿児島市は除灰作業を開始）

窓を閉める

フロントガラスの除灰【注意】

うっすら積もる少量

人

0.1mm 未満

降っているのがようやくわかる

火山灰が衣服や身体に付着する目に入ったときは痛みを伴う

火山灰がフロントガラスなどに付着し、視界不良の原因となるおそれがある※1 掲載写真は気象庁、鹿児島県、（株）南日本新聞社による※2 富士山ハザードマップ検討委員会（2004）による想定がいしへの火山
灰付着による停電発生や上水道の水質低下及び給水停止のおそれがある

稲などの農作物が収穫できなくなったり ※2 、鉄道のポイント故障等により運転見合わせのおそれがある

航空機の運航不可※215

降灰予測に必要な観測データ
桜島大正噴火を想定した噴煙高度の時間変化予測に用いた仮定
噴出物総質量（火山灰・礫）：
6億ton
噴煙高度：
おおよそ3,000～18,000 m
継続時間：38時間（噴火開始10時05分）
井口，桜島大正噴火「防災」100 年式典
講演資料（2014）などに基づく• 精確に予測するためには，観測データに基づく初期条件が必要• 大正噴火当時は目撃資料しかなく，仮定した噴煙高度は推定（上図）• 噴煙高度の観測値は，降灰の範囲と量の双方の予測に影響するのでとても重要• 高度や粒径など，噴煙状態をリアルタイムで観測できる可能性
 気象レーダー，衛星などのリモートセンシングデータ• 気象レーダーが噴煙観測にも威力を発揮した近年の事例を次に紹介
17

事例３：中規模噴火（VEI=3）
2011年1月26～27日霧島山（新燃岳）噴火

2011/01/27 NATIONAL GEOGRAPHIC Daily News18

2011年1月26～27日新燃岳噴火

降灰状況

新燃岳の火山灰が降り積もる中，マスク姿で登校する子供たち＝28日午前7時45分，都城市（asahi.comより）

新燃岳噴火の影響で，宮崎空
港発着の航空便には欠航が相次いだ＝28日午前10時27分，宮崎市（asahi.comより）2011年1月26日15時の天気図

現地調査に基づく降灰量
古川，産総研TODAY (2011/09)

19

国土交通省・気象庁レーダー観測網（右図）気象庁Cバンド
レーダー観測網（2014年2月現在）● 気象ドップラーレーダー 20基■ 空港気象ドップラーレーダー 9基△ 活火山 110山

福岡レーダー（下図）国交省Xバンド
レーダー観測網（平成25年6月13日
国交省報道発表資料より）

鹿児島空港
レーダー

新燃岳
標高1421 m

種子島レーダー2011年新燃岳噴火を捉えた気象レーダー
20

観測仰角（種子島・福岡レーダー）
種子島レーダー7.6 km→

新燃岳上空でのビーム幅の広がり：2600 m
赤線：2011年に新燃岳の噴煙エコーが観測された仰角

福岡レーダー

8.7 km→

新燃岳上空でのビーム幅の広がり：3100 m

験震時報77（2013）139

観測仰角（鹿児島空港レーダー）
空域モード

飛行場モード6.4 km→4.7 km→

新燃岳上空でのビーム幅の広がり： 210 m
赤線：2011年に新燃岳の噴煙エコーが観測された仰角

新燃岳上空でのビーム幅の広がり： 210 m

験震時報77（2013）139

気象レーダーによる火山噴煙の観測事例
2011年1月26日15時～28日00時 新燃岳噴火に伴う噴煙エコー頂高度の時間変化
2011/1/26 17:20JST
A
Shinmoe-dakeB

2011/1/27 04:20JST

zmax: 56.5 dBZ(~124 mm/h)

5km

B

B

新燃岳標高

Shinmoe-dakezmax: 56.2 dBZ(~119 mm/h)

AB

2 km CAPPI

2 km CAPPI
10km

5km

A

験震時報77（2013）139

A

Shinmoe-dake

2 km CAPPI
10km

2011/1/27 17:30JST

A10km

zmax: 54.2 dBZ(~89 mm/h)

5km

BAB風の場 ウインド・プロファイラ（鹿児島市来）2011年1月26日12時～27日12時
1/27

1/26

上層：西風が卓越，風速大下層：北西風が卓越

エマグラム（鹿児島）
1/26 21JST

速報天気図
1/2615JST

噴煙エコーの検出期間

①

気象衛星画像 ひまわり7号の赤外差分

A

2011年1月26日06時～28日06時③
1/26 20JST (11UTC)

②
C
A

B

1/27 02JST (17UTC)③

D

レーダーによる噴煙高度の時間変化
A

①

②

C
B

D

③
Ex

E

④

C
B

1/27 08JST (23UTC)

E

④
Ex

1/27 20JST (11UTC)

噴煙エコー頂高度の初期値利用
2011年1月26日15時～28日00時の観測値を用いて，28日00時の降灰予測①26 00Z

LFM

FT=6-9②26 06Z

26 06Z•

FT=3-9③26 12Z

09Z

FT=3-9④26 18Z

15ZFT=3-9⑤27 00Z

21Z

FT=3-9⑥27 06Z

27 03Z

FT=3-909Z

15Z

初期値：噴煙柱モデルの高さに，従来の遠望カメラ（黒線）と気象レーダー（青線）により観測された噴煙高度を使用した結果を比較（次スライド）
26

噴煙高度の違いによる降灰予測の改善
2011年1月26日15時～28日00時 新燃岳噴火に伴う積算降灰量
遠望カメラ観測に基づく予測

気象レーダー観測に基づく予測●：降灰あり，○：降灰なし

40 km●：降灰あり，○：降灰なし

40 km

気象学会（2012春）P226

降灰の量的予測への活用事例
2011年1月26日15時～28日00時 新燃岳噴火に伴う積算降灰量
現地調査に基づく降灰量

気象レーダー観測に基づく予測

2011年1月26～27日●：降灰あり，○：降灰なし

古川，産総研TODAY (2011/09)
40 km
気象学会（2012春）P226

気象レーダーの噴煙エコー頂高度を初期値に用いた，JMA-RATMによる降灰予測の結果，降灰の分布主軸および降灰量の予想が改善

28

まとめと今後に向けて重要性• リモートセンシングによる噴火現象の即時かつ定量的把握• 昼夜全天候下での噴煙観測⇔火山噴火時の降水観測• データ同化による火山灰拡散・降灰予報の精度改善• 大規模噴火時の降水・降灰観測に対処可能な研究が必要
可能性• 一般レーダー⇒降灰量（Z-A関係）推定，多波長による観測• 偏波レーダー⇒灰・礫の形状，落下姿勢，雨・雪との判別• フェーズドアレイレーダー⇒即時的なボリュームスキャン
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エコー強度

偏波レーダーの可能性
2013年8月18日桜島噴火の事例
垂直偏波
水平偏波

• エコー強度［dBZe］

火山灰粒子

送信
受信

標的からの反射電力．標的の粒径大きいほど，また個数が多いほど大きな値を取る• 反射因子差［dB］
水平／垂直偏波のエコー強度の比．標的の形状が偏平（縦横比が大）なほど大きな絶対値を取る• 偏波間相関係数
水平・垂直偏波の受信信号の相関係数．標的の形状が一様なほど大きな値を取る（右図）XRAIN垂水局の仰角6.0°で観測された噴煙エコー
噴火直後に偏波間相関係数が一時的に低下（図中矢印）
偏波間相関が高い曇天時にも噴煙を検出できる可能性
噴火予知連会報116（2014）253

16:31噴火開始

反射因子差

偏波間相関

観測計画（2014年2月～）
噴煙の実態解明のための共同観測
静止気象衛星航空機
Cバンドドップラーレーダ

Xバンド小型偏波レーダ
Kaバンドレーダ

偏光ライダー

予定機関
鹿児島大
京大防災研
防災科研
気象研
産総研
神戸大
気象協会
MELCO
FURUNO
NPO桜島ミュージアム
ほか

粒径分布計

自動降灰量計Ｃバンド偏波レーダ

XバンドMPレーダ

鹿児島大学 真木教授による

謝 辞

XRAIN垂水局のデータは，XバンドMPレーダに関する技術開発コンソーシアムを通じて提供戴きました．解析には田中恵信氏・鈴木 修氏により気象研究所で開発され，山内 洋氏・佐藤英一氏らにより改良された「Draft」を使用しました．
この場を借りてお礼申し上げます．