GPS を用いた地震と津波のリアルタイム監視システムの提案
Proposal of Real-time Monitoring System of Strong Earthquake Motion and Tsunami based on GPS
岩淵 哲也, GPS Solutions, Boulder, CO, USA
和田 晃 ・ 神崎 政之, 日立造船

2011 年東北地方太平洋沖地震は，その規模の大きさから地震計（加速度計）が飽和し，地震後迅速かつ精度良く断層メカニズムを推定することが困難な地震であった（Wright et al., 2011, to be submitted）．このような強震において地震計の補強に期待される観測システムに高周波(一般に1Hz か，より高サンプリング) のGPS(GNSS) 観測がある（例えば，Miyazaki et al., 2004)．日本では，国土地理院により展開された1Hz でリアルタイムの観測を行うGPS 連続観測システム（GEONET) があるが，現在の定常解析では，準リアルタイム（数時間遅れから）および事後（数日遅れから）解析が行われているのみで，GPS によりリアルタイムで地震波および地震による座標変動の大きさを監視するには至っていない．
本講演では，世界にも例をみない安定したリアルタイムデータ配信システムを持つ，GEONET の1Hz 観測システムを最大限に活かした，リアルタイムGPS ハイレート座標変動解析および監視システム，また，GPS 観測ブイのより沖合への展開とそのリアルタイム解析システムの構築を提案する．
2011 年東北地方太平洋沖地震が生じた時， RTNet ソフトウエアシステム（GPS Solutions 社と日立造船による共同開発）を用いたリアルタイム精密単独測位（PPP）により，複数のGEONET 観測点で，実際にリアルタイムで地震波を捕らえることに成功した（http://rtgps.com/rtnet pppar honshu eq tsunami.php，以後，rtgps 東北地方太平洋沖地震公開サイトとよぶ）．また，グローバルに展開されたGNSS 観測点に基づきリアルタイムで生成された5 秒間隔のGPS 衛星軌道・時計データ（Veripos 社，APEX プロダクト）を用いたリアルタイム解析に相当するGPS 事後解析を行い，牡鹿観測点を含む東北地方を中心とした415 点のGEONET 観測点で地震波の伝搬を捕らえることにいち早く成功した（rtgps
東北地方太平洋沖地震公開サイト参照，実際の解析データも公開している）．
この地震では，大津波が発生し，東北地方の太平洋沿岸の都市に甚大な被害をもたらした．RTNet とAPEX を利用した
平塚沖GPS 観測ブイデータ（東京大学生産研究所，目黒研究室から提供）のリアルタイム解析に相当する事後解析を行ったところ，このGPS 観測ブイが，リアルタイムで地震および津波による海面高の変動を監視可能であることが示された．この結果は，GPS 観測ブイに生データ通信システムが搭載されていれば，リアルタイム（数秒遅れ）でグローバルに津波を監視できることを示している．よって，今後，GPS 観測ブイが日本においてより沖合い（例えば100-200km沖合い）に設置され，かつ観測データが得られれば，より早くかつ正確な観測に基づく津波到着時刻と津波の大きさの予報が可能であることが示唆される．
上述の結果に基づき，巨大地震に備えた(1) リアルタイムのGPS 座標変動監視システム，(2) GPS 観測ブイの沖合いへの展開とリアルタイムの海面変動監視システム，の構築を提案する．
(1) においてはGPS PPP 解析に必用な安定した衛星軌道・時計情報を利用する必用があるが，すでに，グローバルな基準網を利用した複数のサービスがあり，地震による基準点の座標変動の影響を受けない衛星時計の生成が可能となっている．GEONET および日本の地殻変動の監視を目的として展開されたGPS 網の多くはリアルタイムのデータ配信システムを有しているので，このようなプロダクトを用いれば，水平成分数cm，鉛直成分約10cm より良い精度でのリアルタイ
ムかつハイレートの地震変動の監視が可能と考えられる．その情報を断層モデルの高精度化，それによる津波モデルへの予報精度向上に活かすとともに，地震後の余効変動もリアルタイムで監視する．
より高精度な監視が必用な地震においては，PPP アンビギィテイ決定法(Mervart et al., 2008) を用いた監視が可能である．そのためには，地震による基準点座標の変動によるバイアスを避けるために，例えば日本列島に３つの基準網を設けたリアルタイム監視システムの構築が可能である（rtgps 東北地方太平洋沖地震公開サイトで試験解析結果を公開する予定）．
(2) においては，GPS 観測ブイを，津波の監視だけではなく，漁業や海洋工事に有用な情報となる波浪計，また，天気予報（数値予報）に利用可能な水蒸気（可降水量）の監視（GEONET固定点では日立造船によるサービス提供中）にも利用できる複数目的のシステムとし，津波発生時だけでなく，常時活用できるシステムを目指す(http://rtgps.com/rtnet pppar honshu eq tsunami.php)．同様のシステムは，日本だけでなく，他の海洋に囲まれた諸国に展開され，その情報が共有されれば，有用なグローバル海洋環境監視システムとなることが期待される．

ハイライト

東西

鉛直

南北
図1：GEONET大船渡のGPS衛星リアルタイム軌道・時計を用いた解析結果．約4mのコサイスミックな地震変動が確認される．この情報をリアルタイムで提供できれば，断層モデル，津波モデルの精度が向上することが期待される．
138˚
42˚

40˚

142˚

144˚

146˚

Site 0550 (b)B546Site 0172 (a)3Site 0920 (c)38˚

2Site 0214 (d)Sendaib36˚09CcSeismic Mw

GPS Mw

81st Warning IssueddD34˚eTokyo

1Site 3022 (e)a2 ± 0.1 m

79.0
8.8

t = 50 s

0t = 100 s

12

3

65

4

Station density (sites/100 km)

t = 300 s

030

60

90

Moment Magnitude (Mw)

140˚

146˚

East Displacecment (m)

A

Mw

要旨

4120 150 180 210 240 270 300

Time after earthquake onset )(s

図2：GEONET解析データに基づき作成された変動ベクトルおよびマグニチュードの推定（Wright et al., 2011, submitted）．GPSは強震において地震計と相補的なデータとなることが期待される．

実際のリアルタイム解析結果
南北

本震

余震

本震

東西

鉛直

15時JST

14時48分JST

15時JST図4：実際にリアルタイムで解析された東北地方太平洋沖地震により地震波（観測点）．本震および余震の地震波が捕らえられていることが確認できる（GEONETの1Hzリアルタイム観測データは日本GPSデータサービスから購入）．

図3：解析結果公開サイト:
http://rtgps.com/rtnet_pppar_honshu_eq.php

RTNet リアルタイム解析の流れ・解析システムのデザイン(1) グローバル PPP(2) リージョナル PPP(3) PPP-AR（RTK）

図6
Verpos社のGNSSグローバルネットワーク
利点: GPS軌道・時計が連続
図5：RTNet（Rtal-time Network Software，GPSSolutions と日立造船共同開発)によるリアルタイム解析の流れ図

欠点: 独自に解析システムをセットアップするか，Veripos社のAPEXのようなグローバル衛星時計プロダクトを購入する必用あり

図7

利点: 領域網のみで時計生成

利点: PPPより高精度

欠点: GEONETにような安定した補正
情報生成網を要する

欠点: GPS軌道・時計が不連続

有望なリアルタイム監視解析戦略 PPP-AR図8PPP-AR（AmbiguityResolution)
電子基準点の座標と衛星の軌道を既知とし，対流圏遅延，受信機時計，衛星時計，アンビギュイティおよび未知の位相・コード遅延（衛星の時計や電波送信機などハードウェアに依存）を推定．この位相・コード遅延も考慮して精密歴の衛星時計を修正する．未知の位相・コード遅延まで補正すれば、アンビギュイティを決定でき，フィックス解が求まる．Mervart et al.(2008)参照．
衛星間一重差
ij
1k

ij
k

ij
2kijk

L =
図9: PPP-ARの補正データ生成網の提案．サーバ
ー点補正データをクライアント移動点に送る．
北海道・本州・九州・四国により広域網の他，地震による座標変化の影響のバイアスを避けるため，領域網を生成し，最適な補正情報を利用する．デモンストレーションサイト：
http://rtgps.com/pppar.php

図10: 日本列島補正データを用いたGEONET0603点の１日の解析結果，100m/s （座標拘束フリー）．現在，リアルタイムデモ解析を行っている．補正データ生成網より1,000km以上離れた点でも，水平成分10mm未満，鉛直成分約20mmの再現性が期待できる．

ijkij(ij1 1kij
1I c + n +l2
1 ij
2 k2ijk2
1 ij
2 k2)

f
ij
ij
ij
L =I c + 2 n 2k + l2
f
ij
ij
ij
ij
P1k = k + I c + p1
ij
ij
ij f
ij
P2k = k + I c + p2f(

Lij1k , Lij2 kijk)

I ijk
ij

n1ijk , n ij2 kl1ij , lij2
f1 , f 2

L1,L2, 2c

L1,L2

1

多目的GPSブイの展開案

GPSブイのリアルタイム相当の解析
多目的ブイの展開に向け：GPSブイの大気遅延量

図11: 平塚沖GPS津波ブイ（東京大学生産技術研究所）のRTNet
PPP解析結果．リアルタイムで生成されたGPSプロダクトを用いた解析なので，ブイのデータをリアルタイムで入手できればリアルタイムでの津波の監視が可能となる．

図12：室戸のGPS津波ブイ（東京大学地震研究所）と近傍の室戸GEONET点の大気遅延量の比較．2008年の128日間で，天頂大気遅延の RMS差は20mm（可降水量差約3mm）．RMS差の一部は観測点が離れていることに起因し，ブイの可降水量の精度はより良いと推測され，大気遅延データの天気予報（データ同化）への利用が期待される．

図13：GPS津波ブイの展開の提案．
津波・波浪・水蒸気を観測する多目的ブイとして展開し，通信コストなど維持費を分散する必用がある．

リアルタイム解析のデモンストレーション：GPSによる地球環境の監視
南北

東西

鉛直

図15：地震波の伝搬と地殻変動のリアルタイム監視例（アニメーション，ホームページ参照）．GPSによる地殻変動の伝搬情報をリアルタイムでモバイルでバイスに提供できれば，強震の到達時刻とその大きさが予測できる．

図16：GPSによる環境監視．リアルタイムで推定された大気遅延量は可降水量に変換され，現在，天気予報に利用される．GPS
ブイが沖合に展開されれば降水予報の精度向上が期待できる．

謝辞：GEONETは国土地理院が展開しているGPS観測網である．GEONETリアルタイム観測データを日本GPSデータサービスより購入した．平塚ブイデータは東京大学生産研究所（目黒研），室戸津波ブイデータは，東京大学地震研究所より提供いただきました．GPSリアルタイム軌道・時計プロダクトAPEXはVERIPOS社から提供いただきました．感謝いたします．

図14：リアルタイム解析デモンストレーションサイト

日本地球惑星科学連合2011年大会 MIS036-P15
緊急セッション 「2011年東北地方太平洋沖地震」