験震時報（2023）
第 87 巻：１

論文（PAPERS）

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用
Case Studies of Volcanic Monitoring Based on Temporal Infrasound-wave Correlation

内田 東 1*，菅野 洋 1**，藤原 みどり 2 ，岸本 博志 3***，矢野 美波 3****，横尾 亮彦 4
Higashi UCHIDA 1*, Yo KANNO1**, Midori FUJIWARA 2,
Hiroshi KISHIMOTO 3***, Minami YANO 3****, and Akihiko YOKOO 4(Received October 19, 2022: Accepted March 28, 2023)
ABSTRACT: The cross-correlation and coherence of infrasound waves between two observation sites in amoving time window allows extraction of infrasound signals from wind noise within the volcano monitoringarea of the Japan Meteorological Agency (JMA). This allows detection of subtle changes (such as crater
outgassing) that are difficult to identify from individual continuous waveforms. As examples of suchapplication, infrasound signals preceding an eruption at the volcano on Sakurajima Island were detected, andhighly correlated infrasound waves accompanying thick ash cloud were observed during an eruption at the
volcano on Kuchinoerabujima Island. At Mt. Aso, continuous infrasound signals of 0.5 and 3 Hz were observed
regardless of eruption status, and infrasound noise apparently caused by the passage of Shinkansen trains
through a tunnel was detected at the southern foot of Mt. Asama. Ground-coupled seismic signals were clear
during intermittent eruptions at the volcano on Suwanosejima with a constant frequency throughout. In air-air
and air-ground data, highly correlated frequency bands were generally observed around 1 – 7 Hz, but exceeded
15 Hz in the 2018 eruption of Mt. Kusatsu-Shirane. In the 2014 Mt. Ontake eruption, no frequencies with highcorrelation were observed in infrasound coherence analysis. Previous studies indicate that a combination of aseismometer and an infrasound sensor may be as good as two infrasound sensors in correlation monitoring.
However, in air-ground correlations, no consistent or empirical correspondence for air-ground coupled seismic
signals was observed. In volcanic monitoring, air-air correlation can thus be considered more reliable than the
air-ground correlation for eruption-related infrasound detection. In this way, the correlation of infrasoundwaves recorded using multiple closely located infrasound sensors can be considered to enable reliable
monitoring of volcanic infrasound signals and constraint of their arrival directions and sources.
1

はじめには，空振観測は噴火発生を判断するための極めて重要

火山噴火は，固体地球表面からの物質の放出である

な手段となりうる（例えば，坂井・他，2000）．しかし，ことから，その放出の規模や形態に応じて空気振動

坂井・他 (2000) でも指摘されているように，空振は（以下，空振）が発生する．このため，天候不良等に風ノイズの影響を受けやすいという欠点がある．

より監視カメラで火山の状況を監視できない場合に
1

風ノイズの影響を低減して火山噴火に起因する空地震火山部火山監視課，Volcanic Observation Division, Seismology and Volcanology Department.
*現所属：鹿児島地方気象台，Kagoshima Meteorological Office.
**現 所 属 ： 文 部 科 学 省 研 究 開 発 局 地 震 ・ 防 災 研 究 課 ， Earthquake and Disaster-Reduction Research Division, Research andDevelopment Bureau, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.
2
福岡管区気象台気象防災部地域火山監視・警報センター，Regional Volcanic Observation and Warning Center, Disaster Mitigation
Department, Fukuoka Regional Headquarters.
3
鹿児島地方気象台，Kagoshima Meteorological Office.
***現所属：地震火山部火山監視課，Volcanic Observation Division, Seismology and Volcanology Department.
**** 現 所 属 ： 地 震 火 山 部 地 震 火 山 技 術 ・ 調 査 課 ， Earthquake and Volcanic Engineering Affairs Di vision, Seismology andVolcanology Department.
4
京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設火山研究センター，Aso Volcanological Laboratory, Institute for Geothermal
Sciences, Kyoto University.

- 1 -験震時報第 87 巻

振波を検知するための方法として，空間的に離れた 2

かし，噴火警報発表を念頭においた国内の火山監視の点以上の空振計を利用するアレー観測が挙げられる事例報告やその議論はこれまで十分になされてきた（例えば，Matoza et al., 2007）．風ノイズの相関距離とはいえない．

(Wilson et al., 2007; Shields, 2005) に比べ，火山噴火に

気象庁では，2001 年の火山監視・情報センター（現起因する数十 Hz 未満の空振の波長はずっと長いため，

在の火山監視・警報センター．以下，火山センター）

ある程度空間的に離れた 2 点以上の空振波形の相関をを中心とした業務体制（以下，火山現業）への移行以取ることで，風ノイズの中に埋もれた空振波の到来を来，いくつかの火山噴火の対応経験を踏まえつつ，火効率的に検知できる（以下，空振－空振相関法と呼ぶ）．

山総合観測点の整備などの観測体制の強化や，噴火警

しかし，波形の相関に注目するアレー観測は，データ

報・噴火速報の運用開始などの火山防災情報の高度化

処理が煩雑であることや，そもそも火山によっては複を図ってきた．これを受け，火山現業も火山センター

数の空振計が設置されていないことから，これまで気化以前から行われていた空振計 1 点観測に基づく従来

象庁の火山監視業務では現業化されてこなかった．

の監視スタイルを改め，拡充された観測網を活用した

そのような中で Ichihara et al. (2012) は，到来する空高度な監視とそれに基づく的確な情報発表が求めら振と，その空振が地面を叩くことで励起される地震動れている．その流れの中で，気象庁では 2017 年の霧島との相互相関関数を時系列で連続的に並べて表示し ，山（新燃岳）の噴火を契機として相互相関モニタを全

そのパターンを監視することで火山活動の変化を効

国の火山センターと鹿児島地方気象台に整備し，以降，率的に検知できることを示した（以下，この監視手法

数多くの観測事例の蓄積が進むとともに，その現業運を「空振－地震相関法」と呼ぶ）．空振計と地震計は電用上の課題も明らかになってきた．

源取得やデータ伝送の観点から併設 されることが多

本稿では，移動時間窓による波形相関の監視手法にく，この手法はほとんどの既存の火山観測網に適用可

ついて，計算処理方法の実際について触れたあと，気能である点で画期的であるといえる．さらに，必要な象庁の日々の火山現業のなかで捉えられた異常検知

処理は，移動時間窓における相互相関関数の繰り返し事例を紹介する．それらを踏まえ，火山現業でこの技

計算だけであり，システムへの実装が比較的単純であ術を利用するうえでの留意点や課題，その解決策につる．また，実装したソフトウェア（以下，相互相関モ

いて議論する．

ニタ）は，前述の空振－空振相関法のためにも利用で
2

きる．
空振－地震相関法で噴火を検知した報告は，例えば，相関を利用した時系列データの監視手法

2.1

相互相関モニタ

複数の火山の検知事例を比較考察した Matoza and Fee

時 間 長 𝑇の 時 間 窓 [ 𝑡 − 𝑇⁄2 , 𝑡 + 𝑇⁄2 ] に お け る 二(2014) や，数百 km 離れた遠方の大規模噴火を捉えた

つの時系列信号 𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) のうち，信号 𝑏(𝑡) を時

Fee et al. (2017) ，Matoza et al. (2018) がある．国内火間 𝜏 だけ遅らせたときの両者の波形の相似性を確認

山については，西之島 (Nishida and Ichihara, 2016) ，する指標として相互相関関数を，

箱根山 (Yukutake et al., 2018) ，霧島山（えびの高原（硫黄山）周辺） (Muramatsu et al., 2022) の報告がある．

𝐶𝐴𝐵 (𝜏; 𝑡; 𝑇) ≡空振－空振相関法 について は数多くの報告がある．

1 𝑡+𝑇⁄2∫𝑎(𝑡′)𝑏(𝑡 ′ − 𝜏)𝑑𝑡′
𝑇 𝑡−𝑇⁄2(1)

例えば Yamasato (1997) は，雲仙岳の火砕流に伴う空振を解析し，移動時間窓で相互相関を取ることで観測で定義する．これを各波形の二乗平均の平方根で規格点間の空振の到達走時差を求め，空振源の位置推定と化 し た 相 互 相 関 関 数 (Normalized Cross-Correlation

その追跡に成功している．最近では，空振の検知力をFunction) nCCF(𝜏; 𝑡; 𝑇) を，上げるために隣接した 2 つの空振計の相互相関関数を利用した Castaño et al. (2020) の例や，相互相関関数の位nCCF(𝜏; 𝑡; 𝑇)

相差を空振源位置の拘束に利用した Walsh et al. (2019) の研究，さらに国内でも Muramatsu et al. (2021) による霧島山（えびの高原（硫黄山）周辺）の報告がある．し

- 2 -

≡

𝐶𝐴𝐵 (τ; 𝑡)⁄⁄√1 ∫𝑡+𝑇⁄ 2 𝑎(𝑡 ′ )2 𝑑𝑡 ′ √1 ∫𝑡+𝑇⁄ 2 𝑏(𝑡 ′ )2 𝑑𝑡 ′𝑇 𝑡−𝑇 2
𝑇 𝑡−𝑇 2(2)

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

Fig. 1 Calculation of normalized cross-correlation functions and coherence from moving time windows with time series waveforms of A and B

で 定 義 す る ． 計 算 に あ た っ て 𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) が [𝑡 −ここで 𝑓 は周波数である．𝑆𝐴𝐴 (𝑓) と 𝑆𝐵𝐵 (𝑓) は，それ𝑇⁄2 , 𝑡 + 𝑇⁄2] 以外では 0 であると仮定すれば，−1 ≤ぞ れ 𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) の パ ワ ー ス ペ ク ト ル ， 𝑆𝐴𝐵 (𝑓) はnCCF(𝑡; 𝜏) ≤ 1 であり，互いに波形が相似であるときに𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) のクロススペクトルで，nCCF(𝑡; 𝜏) = 1，波形が相似でなく時系列に相関が無い

𝑆𝐴𝐴 (𝑓) ≡ lim 〈|𝐴(𝑓; 𝑇)|2⁄𝑇 〉,(4)

場合にnCCF(𝑡; 𝜏) = 0，互いに相似だが一方の波形の符𝑆𝐵𝐵 (𝑓) ≡ lim 〈|𝐵(𝑓; 𝑇)|2 ⁄𝑇 〉,𝑇→∞
𝑆𝐴𝐵 (𝑓) ≡ lim 〈𝐴(𝑓; 𝑇) ∙ 𝐵 ∗ (𝑓; 𝑇)⁄𝑇 〉,
𝑇→∞

(5)

𝑇→∞

号 が 反 転 し て い る 場 合 に は nCCF(𝑡; 𝜏) = −1と な る ．

(6)

nCCF(𝑡; 𝜏) は「相互相関係数」と呼ばれることがあるが，本論文では「相互相関関数」と呼ぶことにした．相互である．ここで 𝐴(𝑓; 𝑇) と 𝐵(𝑓; 𝑇) は，それぞれ 𝑎(𝑡)相関モニタでは，横軸に時間窓の時刻 𝑡，縦軸にラグと 𝑏(𝑡) のフーリエ積分，

時間 𝜏 をとって相互相関関数 nCCF(𝑡; 𝜏) の値を二次元平面に表示し，その縞状の表示パターンの変化を監𝑇 ⁄2𝑎(𝑡)𝑒 2𝜋𝑖𝑓𝑡 𝑑𝑡

𝐴(𝑓; 𝑇) ≡ ∫

視する．

(7)

−𝑇 ⁄2
𝑇 ⁄2

2.2

𝐵(𝑓; 𝑇) ≡ ∫コヒーレンスモニタ𝑏(𝑡)𝑒 2𝜋𝑖𝑓𝑡 𝑑𝑡

(8)

−𝑇 ⁄2

実際に火山から到来する空振波はその周波数特性が様々であることから，監視で実際に相互相関モニタであり，〈⋯ 〉 はアンサンブル平均を表す．クロススペ

を利用する場合には相関が明瞭にあらわれる周波数クトルは 2 信号の相互相関関数のフーリエ周波数成分

帯の選択に迷うことがある．入力波形にかけるバンド（例えば，日野，1977），

パスフィルターを試行錯誤しながら，相互相関モニタの表示が明瞭になる周波数帯を探してもよいが，一般∞

𝑆𝐴𝐵 (𝑓) = lim ∫ 𝐶𝐴𝐵 (𝜏; 𝑇)𝑒 2𝜋𝑖𝑓τ 𝑑𝜏 .

には次式で示すコヒーレンス coh2 (𝑓) （例えば，日野,

𝑇→∞ −∞(9)

1977; Matoza and Fee, 2014）を利用するのが便利である．

であることから，これをパワースペクトルで割ったコ
ヒーレンス coh2 (𝑓) の平方根は，これら 2 信号の周波
coh2 (𝑓) ≡|𝑆𝐴𝐵 (𝑓)|2.
𝑆𝐴𝐴 (𝑓) ∙ 𝑆𝐵𝐵 (𝑓)(3)

数 𝑓 成分の相互相関関数に対応する．コヒーレンス- 3 -験震時報第 87 巻の取りうる値の範囲は 0 ≤ coh2 (𝑓) ≤ 1 であり，値がクトルである．𝑚 は平滑化の次数で，値が大きいほど大きいほど信号の周波数 𝑓 成分の相関が高いことをスペクトルは滑らかになる．コヒーレンスモニタでは，示す．

横軸に時間窓の時刻𝑡，縦軸に周波数 𝑓𝑛 をとって移動

コヒーレンス（ (3) 式）は無限に長い時間窓での連時間窓で計算したコヒーレンスの推定値，続関数の積分から定義されるが，ここでは有限の時間窓で離散化された時系列信号からコヒーレンスを推̂ 2 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ≡coh

定したい．時間長 𝑇 の時間窓 [𝑡 − 𝑇⁄2 , 𝑡 + 𝑇⁄2] を離̅ (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)|2|𝑆𝐴𝐵,̅̅ (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)
𝑆𝐴𝐴 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ∙ 𝑆𝐵𝐵(16)

散化間隔 ∆𝑡 = 𝑇⁄𝑁 で 𝑁 個に離散化し，時系列信号
𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) の離散フーリエ変換をそれぞれ，を二次元平面上に表示する．

𝑁−1

𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ≡ ∆𝑡 ∑ 𝑎(𝑡𝑘 )𝑒 2𝜋𝑖𝑓𝑛 𝑡𝑘

2.3

(10)

𝑘=0
𝑁−1

𝐵̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ≡ ∆𝑡 ∑ 𝑏(𝑡𝑘 )𝑒 2𝜋𝑖𝑓𝑛 𝑡𝑘

相互相関モニタとコヒーレンスモニタの計算

二つの時系列波形 𝑎(𝑡) と 𝑏(𝑡) の相関の度合いの時間変化を追うために，固定長の時間窓を一定の時間(11)

ス テ ッ プ で ず ら し な が ら 相 互 相 関 関 数 nCCF(𝜏; 𝑡; 𝑇)

𝑘=0̂ 2 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) の計算を繰り返し行う．
とコヒーレンス cohと定義する．ここで，𝑘 = 0, 1, ⋯ , 𝑁 − 1，𝑡𝑘 = 𝑡 − 𝑇⁄2 +計算の処理の流れを Fig. 1 で示す．

𝑘∆𝑡 である．これらは (7) ，(8) 式に対応する． 𝑓𝑛 はまず，波形を時間窓で切り取って高速フーリエ変換

離 散 化 さ れ た 周 波 数 で 𝑛 = −𝑁⁄2 , ⋯ , 𝑁⁄2 ， 𝑓𝑛 =(Fast Fourier Transform, FFT) に よ っ て (10) 式 ， (11)𝑛⁄(𝑁 ∙ ∆𝑡) である．有限時間窓の 離散フーリエ変換か式を求め，パワースペクトルとクロススペクトル

ら計算されるパワースペクトルとクロススペクトル（ (12) – (14) 式）を計算する．これらを (15) 式で平は，滑化しコヒーレンス（ (16) 式）を計算する．
相互相関関数もパワースペクトルとクロススペク
2

𝑆̃𝐴𝐴 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) = |𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)| ⁄𝑇
2𝑆̃𝐵𝐵 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) = |𝐵̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)| ⁄𝑇𝑆̃𝐴𝐵 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) = 𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ∙ 𝐵̃ ∗ (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)⁄𝑇

(12)

トルから計算する．(1) 式の 𝐶𝐴𝐵 (τ; 𝑡; 𝑇) はクロススペ(13)

クトルの離散逆フーリエ変換から高速に計算できる．

(14)
𝑁−1

𝐶𝐴𝐵 (𝜏; 𝑡; 𝑇) ≅となる．これらを (3) 式に代入してコヒーレンスを求𝑁−1めたいところだが， (3) 式の分子と分母は無限長の時

1∑ 𝑎(𝑡𝑘 )𝑏(𝑡𝑘 − 𝜏)∆𝑡
𝑇
𝑘=0

1
=
∑ 𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)𝐵̃∗ (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)𝑒 −2𝜋𝑖𝑓𝑛 τ .
𝑇𝑁

間窓のアンサンブル平均で定義されており，これらを

(17)

𝑛=0

そのまま代入することはできない（そのまま代入すると (10) 式 と (11) 式 の 定義 から 明 らか な よう に 常に

(2) 式 の 相 互 相 関 関 数 nCCF(τ; 𝑡; 𝑇) の 分 母 の 積 分 はcoh2 (𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) ≡ 1となっ てし まう）．コ ヒー レンス を推Parseval の定理より，定するために，有限時間窓 [𝑡 − 𝑇⁄2 , 𝑡 + 𝑇⁄2] と同様の状況が無限に続くような定常状態を仮定し，(12) –1 𝑡+𝑇⁄2 ′ 2 ′∫𝑎(𝑡 ) 𝑑𝑡
𝑇 𝑡−𝑇⁄2(14) 式をそれぞれ平滑化することで (4) – (6) 式に代える．平滑化は日野 (1977) にならい三角ウィンドウ，𝑆̅(𝑓𝑛 ) =

1
𝑚2

≅

𝑁−1

𝑁−1

𝑘=0

𝑛=0

1
1
2
∑ 𝑎(𝑡𝑘 )2 ∆𝑡 = 2 ∑|𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇)|
𝑇
𝑇

(18)

𝑚−1

∑ (𝑚 − |𝑗|) ∙ 𝑆̃(𝑓𝑛−𝑗 )により 𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) から計算するのが効率がよい．𝑏(𝑡)(15)𝑗=−𝑚+1に関しても同様である．
相互相関関数の計算では必要に応じてバターワーを用いた．ここで 𝑆̃(𝑓𝑛 ) と 𝑆̅(𝑓𝑛 ) はそれぞれ平滑化前

スフィルター，と平滑化後のクロススペクトルあるいはパワースペ- 4 -移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

間窓の一方の終端が他方の終端に回り込んで影響を1
BPF(𝑓) = √,1 + 𝜎(𝑓)2𝑛𝐹

及ぼしてしまう問題を避けるため，時間窓の長さと同(19)

じだけ終端にゼロで埋めた時間長を追加した．
本報告の解析では時系列データのサンプリング間を 𝐴̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) と 𝐵̃(𝑓𝑛 ; 𝑡; 𝑇) に 乗 算 し て か ら 相 互 相 関

隔 ∆𝑡 = 0.01 秒，時間窓長 𝑇 = 20.48 秒，ゼロ埋めの関数を計算した．ここで σ(𝑓) はバンドパス特性を持領域を加えた時間窓サンプル長 𝑁 = 4096 とし，隣りたせるために，合う時間窓は互いに時刻が重ならないようにした．周波 数 の 離 散 化 間 隔 は𝜎(𝑓) =

𝑓 2 − 𝑓𝐻𝑐 𝑓𝐿𝑐
𝑓(𝑓𝐻𝑐 − 𝑓𝐿𝑐 ),∆𝑓 = 𝑓𝑛+1 − 𝑓𝑛 = 1⁄𝑁∆𝑡 =0.024 Hz である．三角ウィンドウによる平滑化の項数(20)𝑚 の値は 20 を用いた．すなわちスペクトルの 1 サン
プルあたり前後それぞれ 0.48 Hz の加重平均で平滑化であり（例えば，斎藤，1978），𝑓𝐻𝑐 と 𝑓𝐿 𝑐 はそれぞれを行った．

高周波側と低周波側のカットオフ周波数， 𝑛𝐹 はフィ

移動時間窓による相互相関関数とコヒーレンスの算出では，固定長 FFT の繰り返し計算が必要になる．

ルターの次数である．
移動時間窓における波形の切り取りでは，有限時間

ここで毎回の FFT のたびにメモリの確保と開放を繰

窓の影響を軽減する目的で，時間窓の平均値をオフセ

り返すと一般には処理速度が大きく低下するため，計ットとして取り除き，時間窓の片側 5 %ずつコサイン

算機でのコーディングでは，最初に時間窓サンプル長

テーパーをかけて両端が滑らかにゼロに収束するよ

𝑁 に対応した記憶領域を確保し，その記憶領域を時間うにした．また，離散フーリエ変換の際に有限長の時

窓の移動に応じて書き換えながら FFT を繰り返すの

Table 1

Observations
Dist. c(km)

Corr.
Pattern d

MC-MC
SU-MC

5

Clear
Poor

Corr.
Freq. e(Hz)
<6
(None)

T, I

MC-MC

5

Clear

<2

4

Eruption

T

SU-MC
SU-MC

4
12

Poor
Clear

(None)
1–7

6

2018/01/23

Eruption

T

SU-MC

3

Clear

>15

8

Suwanose-jima

2020/04/28

Eruption

C, I

SU-MC

3

Clear

>1

10

6

Kuchinoerabujima

2020/05/05–06

Eruption

C

MC-MC

2–3

Clear

1–4

13

7

Aso

2020/01/16

Eruption

C, I

MC-MC

1

Clear

<7

16
18

(YYYY/MM/DD)

InfrasoundSourceWaveformcharacter a

Corr.
Pair b

Sakurajima

2019/09/16

Eruption

T, C

2

Sakurajima

2019/10/30

Eruption

3

Shinmoe-dake,
Kirishima

2018/03/10

4

Kusatsu-shirane

5No.

Volcano1

DateFig. g3

8

Ontake2014/09/27

Eruption

C

MC-MC

2–3

Clear

?f

9

Sakurajima

2019/08/24

Fireworks

I

MC-MC

4–5

Poor

(None)

19, 2010

Asama

2020/02/20

Noise

I

MC-MC

~5

Clear

~1

22, 23a Approximate characteristics of infrasound and seismic waveforms. T: transient; C: continuous; I: intermittent.
b Combination for calculation of correlations. MC: infrasound microphone; SU: seismometer vertical component.
c Distance to infrasound sourced Pattern clarity in cross-correlation monitoringe Cross-correlation frequency band; “None”: no correlation across the whole bandf No clear frequency band correlation in coherence monitoringg Results- 5 -験震時報第 87 巻がよい．FFT のライブラリは数多く存在し，例えば計算コードの詳細な説明がある Numerical Recipes (Press
et al., 2007) やオープンソースで 高速な FFTW (Frigoand Johnson, 2005) があるが，(10) ， (11) 式の指数部の符号がライブラリによっては異なることがあり，(17) 式のラグ時間 𝜏 にかかる符号が逆になることがあるため注意が必要である．
なお，2022 年現在，気象庁の火山監視・情報システム (VOIS) で は 相 互 相 関 モ ニ タ の み が 実 装 さ れ て おり，コヒーレンスの計算機能は未実装となって いる．
また，VOIS ではバンドパスフィルターは，移動時間窓
Fig. 2 Observation stations and the main crater at
Sakurajima volcano. Black dots: observation
stations; red star: Mt. Minami crater; black star:
fireworks launch site referred to in Fig. 19.

による切り出しを行う前に時間領域で漸化式フィルター（斎藤，1978）を使って適用されている点が本報
告と異なるが，結果に違いはない．
3

適用結果

27 日御嶽山噴火」の例を除く）．本報告の解析では機

ここでは空振の観測事例を全 10 事例紹介する．事例の一覧は Table 1 のとおりで，火山活動による空振器の特性（位相遅れ，周波数特性）の補正は行っていない．この問題については第 4 章で議論したい．

の 8 事例の他に，参考として人為的な空振による 2 事
例を加えた．Table 1 の事例番号（No.）は本章の節番

3.1

2019 年 9 月 16 日の桜島連続噴火号に対応している．また，空振―地震相関法における2019 年 9 月 16 日の桜島の噴火は，数日前からの顕地震計の設置状況の参考のために，本報告で使用した著な山体の膨張の後に発生した比較的規模の大きな地震計の埋設深度を Table 2 にまとめた．

噴火であった（気象庁, 2019）．気象庁では桜島の場合，現在の気象庁の火山監視では，相互相関モニタで相有色噴煙が概ね火口縁上 1,000m を上回った場合に噴関パターンの縞模様が現れるか否かに注目して監視火として記録する．鹿児島地方気象台の 9 月 16 日のすることがほとんどであり，また後述する空振計の位

遠望観測によると，07 時 10 分から南岳山頂火口で白相特性の問題もあるため，位相情報に注目することが色噴煙を観測したのち，07 時 46 分に火口縁上 2,800 m

少ない．このため，事例の紹介にあたっては，相関がの灰白色の噴煙が上がり噴火開始を観測した．その後，高い周波数帯がどこなのかに特に注目するために，主噴火は断続的に続き，有色噴煙の高さが概ね火口縁上にコヒーレンスで事例を紹介することにした．すなわ

1,000m を下回った 11 時 10 分に噴火終了を観測した．

ち，コヒーレンスの高い周波数帯にバンドパスフィル

1,000m を下回る少量の有色噴煙の放出はその後もしターをかけて相互相関モニタを表示すれば，相関パタ

ばらく続いていたとみられる．

ーンの縞模様が確認できる（ただし「3.8Table 2

2014 年 9 月

Seismometer depths

観測点と噴火場所である南岳山頂火口の位置を Fig.
2 に，噴火前後の観測結果を Fig. 3 に示す．島内の観測波形（Fig. 3a）をみると，気象台で噴火開始を記録

VolcanoSeismic station

Depth (m)Sakurajima

SET
YOK

0
85

振幅は小さくなったものの 08 時 40 分から再び振幅がShinmoe-dake,
Kirishima

KIHN
KIKR

0
0

スペクトル（Fig. 3b – d）も振幅の高まりに対応してKusatsu-shirane

KSHA
KSAO

0
94

桜島の東西両端に位置する YOK（横山）（火口からSuwanose-jima

SUW0

した 07 時 46 分に瞬間的に振幅が大きくなり，直後に大きくなり 11 時過ぎまで振幅の大きな状態が続いた．
0.25 – 0.5 Hz 付近でパワーの高まりがみられた．
西北西に約 5 km）と SET（瀬戸）（火口から東南東に- 6 -移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

1.2 Hz 付近で相関が高くなり，さらに白色噴煙を確認した 07 時頃から 0.5 Hz 未満でも相関の高まりがみられた．さらに噴火開始後の 08 時 40 分以降では 5 Hz 以上の高周波でも相関が高くなった．期間を通じて相関が高い周波数帯は一定ではないこと，さらに噴火開始
前から相関の高まりがみられることが分かった．また，パワーの大きな周波数と相関の高い周波数が必ずしも一致しないことも分かった．コヒーレンス（Fig. 3e）
では 1.5 – 3.0 Hz 帯は相関が常にみられないが，個々のパワースペクトル（Fig. 3b, 3c）をみると，相関のある 3 Hz 以上と比べてパワーの欠落があるわけではな
い．
瀬戸観測点の空振計と地震計（広帯域地震計，地表面設置）の相関（Fig. 3c）をみると，噴火開始の 07 時
46 分に 10 Hz 付近の高周波でわずかに相関の高まりが確認できたのを除き，ほとんど両者の信号に相関は確認できなかった．
3.2

2019 年 10 月 30 日の桜島の爆発

桜島で発生する噴火のうち，急激な噴出に伴う地震（爆発地震）を伴い桜島島内で概ね 10Pa 以上の空振を観測したものを気象台では「爆発」と記録している．
2019 年 10 月 30 日 15 時 27 分の桜島南岳山頂火口の爆発の前後の波形とその相関を Fig. 4 に示す．この爆発では噴煙が最高で火口縁上 2,800 m まで上がり，空振の最大振幅は YOK（横山）92.3 Pa，SET（瀬戸）41.2
Pa であった．火口から西に約 11 km 離れた鹿児島地方
気象台でも 36.1 Pa，体感空振で階級 2（誰にでも感じる 程度 ） と 比 較 的大 き な 空 振 が観 測 さ れ た ． SET とYOK の空振のコヒーレンス（Fig. 4d）では爆発のあっ

Fig. 3
Infrasound/seismic waveforms and related
spectrograms/coherence before and after the
September 16 2019 eruption at the Sakurajima
volcano. The Kagoshima Meteorological Officereported ongoing white plume emission followedby an eruption at 07:46. (a) Raw microphonesignals (MC) from YOK and SET, and verticalseismometer components (SU) from SET; (b – d)related spectrograms; (e) infrasound coherence
from YOK and SET; (f) coherence of infrasoundand seismic waveforms observed at SET. Poor
coherence is observed between microphone andcollocated seismometer signals.

た 15 時 27 分頃に広い周波数帯で相関の高まりがみられる．ただし，その高まりは相関を計算する移動 時間
窓が爆発の波形に重なる短時間に限られ，数時間にわたって相関の高まりがみられた前項の 2019 年 9 月 16
日桜島連続噴火の事例（Fig. 3e）とは対照的である．
このように爆発にともなう一過的な空振は，相互相関
モニタやコヒーレンスモニタでは表示上あまり目立たない．
さらに Fig. 4d を注意深くみると，爆発からしばら
く経った 15 時 44 分頃から 15 時 56 分頃にかけて断続的に 0.5 Hz から 1.5 Hz 付近で相関の高い周波数帯が約 5 km）の空振記録どうしでコヒーレンスを調べると（Fig. 3e），噴火開始約 90 分前の 06 時 10 分ごろから- 7 -験震時報第 87 巻

Fig. 5 Mt. Shinmoe volcano. Black dots: observation
points; red star: Mt. Shinmoe Crater.

Fig. 4 Infrasound signals from before and after the
Sakurajima volcano eruption at 15:27 on October
30 2019. (a): Infrasound waveforms observed at
SET and YOK (maximum amplitudes for SET and
YOK: 41.2 Pa and 92.3 Pa, respectively); (b, c):related spectrograms; (d) coherence between
infrasound waveforms from SET and YOK.

みられる．鹿児島地方気象台では 15 時 40 分に火口縁
上 800 m の有色噴煙を観測しており，その後もしばらく噴煙が出ていた．
3.3

2018 年 3 月 10 日 01 時 54 分霧島山(新燃岳)噴火

霧島山（新燃岳）（Fig. 5）で 2018 年 3 月 10 日 01 時
Fig. 6
Temporal evolution of cross-correlation
between infrasound and seismic signals before andafter the Mt. Shinmoe volcano eruption at 01:54 on
March 10 2018. (a): vertical ground velocity andinfrasound waveforms at KIHN; (b): related crosscorrelation functions in the 1 – 7 Hz band; (c):waveforms at KIKR; (d) related cross-correlation
functions in the 1 – 7 Hz band.

54 分に発生した噴火前後の波形とその相関を Fig. 6 に示す．この噴火では噴煙が火口縁上 4,500 m まで上がり，これは 2018 年 3 月に新燃岳で数多く観測された噴火の中では最も高かった．この噴火の例では，相互相関モニタにより，地震計とそれに併設された空振計の波形の相互相関関数（Ichihara et al., 2012）に注目す
る．地震計は固有周期 1 秒の短周期地震計，空振計はアコー社製超低周波マイクロホン（Type 3348+7144）

ひな

Fig. 6a と 6b には火口から約 3 km 離れた KIHN（夷もりだけを使用しており，解析にあたり両者の位相特性は補正

守 岳 西）観測点の地震計と空振計の波形，およびそれせずに使用した．

らの相互相関モニタを示す．Fig. 6c と 6d には火口か- 8 -移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

ら約 9 km 離れた KIKR（栗野岳西）観測点の地震計と空振計の波形，およびそれらの相互相関モニタを示す．
空振―地震の相互相関関数の縞模様のパターンは，火口からより遠い KIKR で明瞭に確認できた一方で，火口により近い KIHN ではほとんど確認できなかった．
この特徴は Fig. 6 に図示した 1 – 7 Hz 帯に限らず，他の周波数帯でも同じだった．また KIKR で両者の相関が確認できるのは，噴火に伴う一過的な空振が到達した後の 01 時 55 分から 58 分にかけてであり，地震波と空振波のラグ時間はほぼ 0 秒であった．
3.4

2018 年 1 月 23 日草津白根山（本白根山）噴火

2018 年 1 月 23 日 10 時 02 分頃に草津白根山の本白根山付近（Fig. 7）で噴火が発生した．当時，草津白根
山では KSHA（水釜北東）と KSAO（青葉山西）の 2
点の空振計を監視していたが，いずれの連続記録でも噴火に対応する明瞭な振動はみられなかった ．Fig. 8には KSHA の空振計とそれに併設された地震計の噴
火前後の観測例を示す．10 時 03 分以降は機器障害にFig. 8 Infrasound and seismic waveforms before andafter the 2018 Mt. Motoshirane eruption. (a):vertical ground velocity and infrasoundwaveforms at KSHA; (b, c): related spectrograms;(d) related coherence.

よりデータが得られていない．噴火に関連して発生したとみられる微動が KSHA の地震計では 10 時 00 分頃
から確認されているが，空振計ではノイズレベルを超える明瞭な振動は確認できなかった（Fig. 8a）．一方で，両者のコヒーレンスの時間変化（Fig. 8d）に注目すると，10 時 02 分 30 秒頃に 15 Hz 以上の比較的高周波の帯域で相関の高まりがみられ，これは東京大学地震研 究 所 (2018) で も 報 告 さ れ て い る ． Yamada et al.

(2021) は，本白根山の北北西 1 km に東京工業大学が独自に設置した空振計の記録を調べ，特徴的な相のKSAO との到達時間差から噴火発生時刻を 10 時 02 分
09 秒と見積もっている．
一方で，より火口に近い KSAO の空振計とそれに併設する地震計では波形の相関が認められなかった．
KSHA の 地 震 計 は 地 上 に 設 置 さ れ て い る の に 対 し ，KSAO はボアホールの孔底に設置されている違いがある（Table 2）．また，KSAO と KSHA の空振波形どうしでも相関は認められなかった．
3.5

諏訪之瀬島の断続的な空振を伴う火山性微動
お た け

諏訪之瀬島の御岳 火口（Fig. 9）では 2020 年 4 月 28
日 04 時 32 分から噴火が観測された．気象庁では諏訪之瀬島の場合，桜島と同様に，有色噴煙が概ね火口縁
上 1,000m を上回った場合に噴火として記録する．翌Fig. 7 Mt. Kusatsu-Shirane. Black dots: observationsites; red stars: 2018 Mt. Motoshirane eruption
craters (JMA, 2019). No infrasound signal
associated with the eruption was detected at
KSAO.

29 日にかけて断続的に空振を伴う振幅の大きな火山性微動が発生し，噴石が火口近傍に多数飛散した．十
島村役場諏訪之瀬島出張所によると，同火口から南南
西 4 km の集落で空振による窓ガラスや障子等の揺れ- 9 -験震時報第 87 巻が感じられ，鳴動も確認された（気象庁，2020）．Fig.
さかき

9 には解析に使用した観測点の位置を示す．SKA（ 榊
ど ばる

戸 原 ）は気象庁が島内に設置した唯一の空振計（火口から南南西に約 3.3 km）だが，地震計は併設していな
い．このため，SKB に近い京都大学の SUW（諏訪之瀬島）観測点（火口から南南西に約 3.1 km ）の地震計の波形との相関を調べた．Fig. 10 に両者の観測波形とそれぞれのパワースペクトル，コヒーレンスの時間変化を示す．連続的な相関の高まりは噴火開始時刻 04 時
32 分ではなく，その約 10 分後の 04 時 40 分からみられた．また，その前後でも断続的にパルス状の空振波と地震波が確認でき（Fig. 10a），それに伴って両者の相関の高まりがみられた（Fig. 10d）．また，相関の高い周波数帯域はほぼ一定で，特に 1 – 8 Hz 付近で安定
Fig.

9Suwanose-jima volcano. Black dots:
observation stations: red star: Otake Crater.

して相関が高い一方，10 Hz 以上の高周波帯でも相関が高い状態が断続的に続いた．一方でスペクトルをみるとパワーは 5 Hz 以下に集中しており，パワーの大
きな周波数帯と相関の高い周波数帯は必ずしも一致していないことが分かった．また，期間を通じて相関が高い周波数帯がほぼ変わらず一定である特徴があり，この特徴は桜島 2019 年 09 月 16 日噴火（Fig. 3e）の例とは対照的であった．
3.6

2020 年 5 月 5 日口永良部島噴火
しんだけ

口永良部島の新岳 火口（Fig. 11）では，2020 年 5 月
5 日から翌 6 日にかけてごく小規模な噴火が発生し，噴煙が最高で火口縁上 500 m まで上がった．島内に設ほんむら置された KEMN（本村 西）カメラ（Fig. 11）からみた
噴火の様子を時系列順に Fig. 12 に示す．また，島内に設置された KEHT（新岳北東山麓）観測点（火口からほんむら

北東に約 2.3 km）および KEMH（本村 東）観測点（火口から北西に約 2.7 km）（Fig. 11）の空振計の記録をFig. 13a に示す．それぞれの空振の連続記録（Fig. 13a）
では噴火に対応して目立った変化はみられず，それぞれのパワースペクトル（Fig. 13b, 13c）でもわずかに 2– 4 Hz のパワーの高まりがみられるだけであった．一
Fig. 10 Seismic and infrasound signals associatedwith intermittent eruptions starting at 04:32 on
April 28 2020 at Suwanose-jima volcano. (a):vertical ground velocity waveforms at SUW andinfrasound waveforms at SKB; (b, c): related
spectrograms; (d) related coherence.

方，両者のコヒーレンス（Fig. 13d）をみると，5 月 6
日 00 時 05 分から 00 時 20 分頃にかけて周波数 1 – 4
Hz 付近で相関の高まりがみられた．この時，本村西カメラの画像では噴煙の色がそれまでと比べて濃くなった（Fig. 12d）．福岡管区気象台が KEMN（本村西）
カメラで有色噴煙を確認したのは 5 月 5 日 23 時 50 分
から翌 6 日 00 時 30 分にかけての 40 分間である．空- 10 -

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

Fig. 11 The Kuchinoerabujima volcano. Black dots:
infrasound stations; black square: camera location;
red star: Shindake Crater.

Fig. 13 Infrasound signals from a minor eruption on
May 5 – 6 2020 at the Shindake Crater of theKuchinoerabujima volcano. (a): infrasoundwaveforms at KEHT and KEMH; (b, c) related
spectrograms; (d) related coherence. The a – f time
points in (a) correspond to a – f in Fig. 12.
なり（Fig. 16a），これにあわせてコヒーレンスでは 5
Hz 程度までの広い周波数帯で相関の高まりがみられた（Fig. 16d）．一方で，目立った噴煙がみられない時
間帯でも，3 Hz 付近と 0.5 Hz 付近で相関の高い信号
Fig. 12 (a – f): camera images of the minor eruption
on May 5 – 6 2020 at the Shindake crater of theKuchinoerabujima
volcano.
Each
image
corresponds to the a – f time points in Fig. 13 a.

が継続的してみられた（Fig. 16d）．このような有色噴振の相関がみられた時間はこのうちの約 15 分間にす
ぎず，有色噴煙を確認した時間と一致しなかった．
3.7

2020 年 1 月 6 日阿蘇山噴火

2020 年 1 月 6 日に阿蘇山の中岳第一火口（Fig.14）
で噴火が観測された．KSA（草千里）カメラ（Fig. 14）からみた噴煙の様子を Fig. 15 に時系列順に示す．Fig.
ほんどう

ふるぼうちゅう

16 には HOD（本堂 ）の空振波形と FBC（ 古 坊 中 ）の空振波形，それらのパワースペクトルとコヒーレンスの時間変化を示す．有色噴煙が火口から噴出する 08 時
46 分から 08 時 48 分頃にかけて空振の振幅が大きく- 11 -Fig.

14
Mt. Aso. Black circles: infrasoundobservation stations; black square: camera
location; red star: Nakadake Crater No. 1.

験震時報第 87 巻

煙の噴出と対応しない空振波の到来は，Fig. 3 で示しFig. 17 は 2014 年 9 月噴火の火口列位置 (Oikawa etal., 2016) と観測点位置を示し，Fig. 18 は空振波形のた桜島噴火前の空振とも共通する．

解析結果を示す．Oikawa et al. (2016) によると噴火開始時刻は 11 時 52 分 30 秒頃であったが，ONTA（田の原上）と ONTN（田の原）のそれぞれの空振波形（Fig.
18a）はノイズレベルが高く，これらの波形を個別に見ただけでは噴火開始を判断することは難しい．Fig. 18b，
18c のパワースペクトルでは噴火開始時刻付近から 10
Hz 未満の信号が噴火開始後から徐々に大きくなるのが分かるが，やはり噴火開始時刻の判断は困難である．
一方で，相互相関関数（Fig. 18d）をみると，噴火開始
Fig. 15 (a – i): camera images of the minor eruption
on January 6 2020 at Nakadake Crater No. 1 on Mt.
Aso. Each image corresponds to the a – i time
points in Fig. 16 a.

時刻からラグ 2.4 秒付近に相関の高まりが明瞭に認められる．ONTA と ONTN の 2 観測点は概ね火口列が並ぶ方向に配置されており（Fig. 17），火口列方向からみた 2 観測点の距離差は 0.8 km である．音速 340 m/s を仮定すれば到達時間差は 2.4 秒で，相互相関関数の鋭いピークがみられるラグ時間にほぼ一致し，この信号は概ね火口列方向から到来している空振波によるものと推定できる．これは，市原・他（2014）でも既に報告されている．
Fig. 18d の相互相関モニタには周波数フィルタをかけずに計算した相互相関関数を示した．相互相関は特Fig. 16 Infrasound signals from a minor eruption on
January 6 2020 at Nakadake Crater No. 1 on Mt.
Aso. (a): Infrasound waveforms at HOD and FBC;(b, c): related spectrograms; (d): related
coherence. The a – i time points in (a) correspondto images a – i in Fig. 15.
3.8

2014 年 9 月 27 日御嶽山噴火

2014 年 9 月 27 日の御嶽山噴火の事例は，相互相関モニタで明瞭に検知できた一方で，コヒーレンスモニ
タでは検知できないという特異な事例であった．

- 12 -

Fig. 17
Mt. Ontake. Black circles: infrasoundobservation stations; red: craters of the 2014
eruption (Oikawa et al., 2016).

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

定のラグ時間に非常に鋭いピークがみられるのみでほとんど時間変化せず，縞模様がラグ時間方向に広がっていない．また，コヒーレンスモニタ（Fig. 18e）では噴火前後で明瞭な変化を検出できなかった．

Fig. 19
Infrasound from a fireworks display on
August 24 2019 (launch site: Fig. 2). (a):infrasound waveforms observed at YOK and KOR;(b, c): related spectrograms; (d) related coherence
between infrasound waveforms at YOK and KOR.

二つの観測点で時間的に対応した振幅の高まりがみられる．ランニングスペクトル（Fig. 19b, c）をみると，10Hz 未満の低周波よりも概ね 30 Hz 以上の高周波のFig. 18
Infrasound signals from the Mt. Ontake
eruption on September 27 2014. (a): infrasoundwaveforms at ONTA and ONTN; (b, c): related
spectrograms; (d): related cross-correlation
functions; (e) related coherence. No frequency
filter is applied to the cross-correlation function.

3.9方が大きいパワーをもっており，この特徴は桜島の噴火（Fig. 3, 4）が 10Hz 未満の低周波にパワーのピーク

桜島周辺の花火大会に伴う空振ノイズ

空振は火山噴火だけでなく，打ち上げ花火や自衛隊の火力を使った演習でも発生するため，火山監視においては，しばしば噴火現象との判別が重要となる．Fig.
19 には，2019 年 8 月 24 日 19 時 30 分からおよそ 1 時
間にわたって鹿児島港付近（Fig. 2）で行われた花火大会に伴う，YOK（横山）と KOR（東郡元）の空振記録を示す．空振の観測波形（Fig. 19a）に注目すると，花火の打ち上げに伴い一過的な空振が繰り返し発生し，- 13 -

Fig. 20
Detailed infrasound waveforms for the
fireworks display on August 24 2019. As per Fig.
19 a, but with time-axis focus around 19:42.
Dotted line: temporal change at the speed of sound(340 m/s). The phase marked by the arrow for KOR
is assumed to indicate waves reflected fromsurrounding topography and buildings. No
corresponding phase is seen in YOK.

験震時報第 87 巻を持つのとは異なる特徴である．YOK と KOR の空振が卓越する．SNY 観測点ではトンネル微気圧波以外の波形のコヒーレンス（Fig. 19d）では，全周波数帯で相環境ノイズが大きく，観測波形（Fig. 23a）とスペクト関の高まりは認められなかった．個々の打ち上げに伴ル（Fig. 23c）ではトンネル微気圧波の存在は分かりにう波形を確認すると（Fig. 20），YOK と KOR の観測点

くいが，コヒーレンスモニタ（Fig. 23d）では 19 時 27に限らず，複数観測点で波形が相似ではない．加えて，

分 30 秒から 19 時 28 分ごろにかけてトンネル微気圧

KOR には周辺の地物からの反射波とみられる YOK に波の到来による相関の高まりが 1 Hz 付近で認められ対応しない相もみられた（Fig. 20）．

た．

3.10

4

浅間山の新幹線によるトンネル微気圧波

議論

火山噴火以外の空振源により空間的に離れた複数以上の事例を踏まえ，空振波（あるいは空振によっの空振計で相関のある信号がみられた珍しい例として励起された地震波）の相関を監視する中で得られたて，浅間山の南山麓（Fig. 21）で観測されたノイズの知見と，今後，この手法を火山現業で活用していく上例（Fig. 22, 23）を紹介する．このノイズは，その発生での課題やその解決の方向性について議論する．

時刻が新幹線の通過時刻と対応がよく，南側山麓の線
路上（Fig. 21）から音速で伝播していると考えると各4.1

相互相関を取ることで検知できる空振波の存在

観測点の走時がおおむね説明できる（Fig. 22）．この付空間的に離れた 2 点の空振計の観測波形（あるいは近には新幹線のトンネルが複数設置されていること

空振計と地震計の観測波形）の相互相関を取ることで，から，このノイズは新幹線のトンネル通過に伴う微気それぞれ単独の連続空振記録からは気付きにくかっ

圧波とみられる．Fig. 23 には 2020 年 2 月 20 日の SNY

た空振波の到来を検知し，これまで見逃していた火山（塩野山）と CNT（血の滝）観測点で観測されたトン活動の変化を検出できるようになった．Fig. 3 で示し

ネル微気圧波の例を示す．CNT 観測点のスペクトル（Fig. 23b）で示すようにトンネル微気圧波は約 1 Hz

Fig. 22 Filtered (1 – 2 Hz) infrasound noise assumed
to be from Shinkansen train operation. Verticaloffsets: horizontal distance from potential noise
sources on the train line denoted by the red star in
Fig. 21; dotted line: temporal change at the speedof sound.

Fig. 21 Southern foot of Mt. Asama. Black circles:
observation points; red star; potential noise sourceon the Hokuriku Shinkansen train line (Fig. 22).

- 14 -

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

一方 で ,空 振波 到 来の 有無 は 地形 や大 気 構造 の 影響を強く受ける場合がある（例えば，Lacanna et al., 2013）．
空振－空振相関法において特定の周波数帯で相関がみられないことがあるのはこのためであろう．桜島
2019 年 09 月 16 日噴火（Fig. 3）の例では，1.5 Hz から 3 Hz の帯域は時間に関わらず，常にコヒーレンス
は小さい．YOK と SET は互いに大きく離れた桜島の両端に位置しており，空振の周波数による伝播経路の違いが影響していると考えられる．すなわち，1.5 – 3
Hz 帯で，一方の観測点にのみ反射波など伝播 経路が異なる波が混入すれば，その帯域だけ相関 は下がる．
2020 年 1 月 6 日阿蘇山噴火（Fig. 16）の例では，FBCと HOD の両観測点（Fig. 14）でパワーの大きな周波数帯（Fig. 16b, c）と相関の高い周波数帯（Fig. 16d）に大きな違いは無い．これは FBC と HOD は近接しており伝播経路に両者でほとんど違いが無いためだと考えられる．このような伝播経路の違いの影響を避けるために，相互相関による監視では，空振計（あるいは空振計と地震計）は互いに近接して設置されている
Fig. 23 Infrasound frequencies assumed to be causedby Shinkansen train operation. (a): infrasoundwaveforms for CNT and SNY; (b, c); related
spectrograms; (d) related coherence.

ことが望ましい．
4.2

空振―地震相関法の運用

ここでは Ichihara et al. (2012) で示された空振と「空た桜島 2019 年 9 月 16 日の噴火では，噴火開始時刻の振により励起される地震」の相互相関による火山監視約 90 分以上前の 06 時 10 分頃から，桜島の両端に位について注目したい．

置する二つの観測点の相互相関により約 1 Hz の空振

まず桜島 2019 年 9 月 16 日の例（Fig. 3）をみると，が検出された．空間的に離れた観測点の空振波に相関

空振計どうしでは明瞭な相関がみられた一方で ，SETがあることは単一の空振源から空振波が放出されて（瀬戸）の空振計と，これに併設された広帯域地震計

いることを強く示唆し，噴火に先立って火口からのガでは全周波数帯で相関がみられなかった（Fig. 3f ）．

ス放出が起きている可能性（Iguchi et al., 2008）が考え

YOK（横山）の空振計と地震計の組み合わせでも同様られる．さらに噴火約 40 分前から 0.5 Hz 付近でも相に相関はみられなかった．SET の広帯域地震計は地上関の高い信号が連続的に検出されている．一方，阿蘇に設置されている一方で，YOK の地震計は 85 m の孔山の例（Fig. 16）でも，噴火に伴う空振とは別に，ほ底に設置されているという違いがあるが，いずれにしぼ継続的に 3 Hz と 0.5 Hz 付近で相関の高い空振波がても，この事例では地震計が地上にあるか地中にある

連続して検出されている．また，口永良部島では，噴かに関わらず地震と空振の相関は不明瞭であった．

火が継続した時間のうち，有色噴煙が濃くなった時間

また，霧島山（新燃岳）の 2018 年 3 月 10 日 01 時

（Fig. 12）に対応して，1 – 4 Hz 付近で相関の高い空

54 分噴火の例（Fig. 6）では，より火口に近い KIHN

振が検知できた（Fig. 13）．これらの信号の変化は従来（夷 守 岳 西）では空振と地震の波形に明瞭な相関がなの連続波形のモニタリング上では見逃していたもの

かった一方で（Fig. 6b），KIHN よりも火口から 3 倍もであり，火山活動の変化を検知し噴火の予兆を捉えたの距離がある KIKR（栗野岳西）では両者に相関がみり，噴火メカニズムを解明したり，あるいはこれまでられた（Fig. 6d）．なお，この例では両観測点ともに地

気付かなかった微小な噴火を検知する上で役に立つ

震計は短周期地震計であり ，地上に設置されている．

ひなもりだけ可能性がある．

いずれにしても本調査では，空振と「空振により励- 15 -

験震時報第 87 巻

起される地震」の相関について，観測点距離や周波数である場合を考える．白色雑音は，全周波数帯でパワ

帯，あるいは地震計の埋設深度等に一貫した法則や経ースペクトルが一定で，かつ，それぞれの周波数の位験則を見出すことはできなかった．Ichihara et al. (2012)

相が全くランダムであり，自己相関関数はラグ時間ゼは震源から地震動として伝播する微動振幅が増大す

ロ以外では相関がゼロとなるデルタ関数となる（例えることで，相対的に空振により励起される震動振幅がば，日野，1977）．この白色雑音の空振波がそのまま空小さくなり，地震と空振の相関が失われる事例を示し

間的に離れた地点 A と地点 B に時間差 𝜏𝐴𝐵 で伝播すている．桜島で空振―地震の相関が現れなかった事例

るとすれば，この二地点の相互相関関数はラグ時間（Fig. 3f）や霧島山（新燃岳）で火口により近いにも𝜏𝐴𝐵 のみに鋭いピーク値を持つデルタ関数 𝛿(τ − 𝜏𝐴𝐵 )関わらず相関がみられなかった事例（Fig. 6b）はこのとなる．よって (9) 式より，地点 A と B で観測されためであろう．

る波形のクロススペクトルの絶対値は，また，空振―地震相関法では，相関が高い周波数とそれぞれのパワースペクトルが極大となる周波数と∞|𝑆𝐴𝐵 (𝑓)| = | lim ∫ 𝐶𝐴𝐵 (𝜏; 𝑇)𝑒 2𝜋𝑖𝑓τ 𝑑τ|が必ずしも一致しなかった（例えば，草津白根山（本𝑇→∞ −∞

白根山）（Fig. 8），諏訪之瀬島（Fig. 10））．空振の地面∞= |∫ 𝛿(𝜏 − 𝜏𝐴𝐵 )𝑒 2𝜋𝑖𝑓τ 𝑑τ| = |𝑒 2𝜋𝑖𝑓𝜏𝐴𝐵 |への入力に対して，それに応答する地面の動きには周−∞波数による違いがあることを示しており，観測点の浅

=1

(21)

部地下構造，あるいは観測点の設置環境が影響していると考えられる．Matoza and Fee (2014) は，空振がそとなり，周波数によらず一定となる．さらに，白色雑の直下の地面を叩くことで地震動が励起される効率

音では，パワースペクトル（ (4) 式と (5) 式）も全周（ 単 位 振 幅 の 空 振 に 対 す る 地 震 動 の 応 答 関 数 ） H pw

波数で一定であることから，コヒーレンス（ (3) 式）に注目し，セントヘレンズ火山の噴火記録で高周波帯も周波数によらず一定となる．以上は，白色雑音といほどその効率（ゲイン）が大きくなる例を紹介していう理想的な状況であるが，一般的には，空振波が広いる．彼らは，軟質な堆積物の地盤では硬質な岩石地盤

周波数域で平坦なパワーを持ち，かつ，周波数によっに 比 べ て ゲ イ ン が 大 き く な る 例 (Hinzen, 2007) を 挙て位相がランダムであるほど，相互相関関数はラグ時

げて，ゲインの周波数依存性が観測点地下浅部の地質

間 𝜏𝐴𝐵 のみに鋭いピークを持ち，さらにクロススペク

条件に基づく可能性について言及している．また，トル（ (9) 式）から導かれるコヒーレンスも広い周波

Ichihara et al. (2021) は空振―地震の相互相関から応答数帯に分散して値を持つことになる．よって，コヒー関数 Hpw を簡便に推定する手法を提案している．噴火

レンスを計算する際の平滑化の操作によって，値の周の空振観測事例が蓄積されている火山であれば，あら波数による変化が見えにくくなってしまうと考えらかじめ観測点ごとに Hpw を 把握して おくことで，よれる．Fig. 18e の御嶽山の例では，到来する空振波のり信頼度の高い監視ができるであろう．いずれにしてパワーが広い周波数の帯域に分散し，さらに位相が周も，空振―地震相関法は安定した空振の検出に課題が波数によってランダムだったため，コヒーレンスモニ

ある．

タで検知できなかったと考えられる．また，このようなコヒーレンスモニタでの見逃しを防ぐには，周波数

4.3コヒーレンスモニタで捉えられない 2014 年 9 月

27 日御嶽山噴火

フィルターをかけない相互相関モニタもあわせて表示するのが有効であろう．

2014 年 9 月 27 日御嶽山噴火の事例（Fig. 18）では，

このようなコヒーレンスモニタで捉えられない空相互相関モニタで噴火発生が検知できるものの，コヒ振波の特徴は，桜島の長時間噴火の例（Fig. 3e）や諏

ーレンスモニタでは噴火発生がうまく検知できない

訪之瀬島の長時間噴火（Fig. 10d），阿蘇山の噴火（Fig.

特異な事例だった．これは，相互相関関数（Fig. 18d）16d）とは対照的である．御嶽山の例（Fig. 18）で，到が空振の到達時間差であるラグ時間 2.4 秒付近だけに来する空振波が互いに位相がランダムな広い周波数

鋭いピークを持つことと対応していると考えられる ．

成分の波を含んでいた理由としては，空振源に固有の仮に，単一の空振源から発生する空振波が白色雑音

振動系が存在せず，空振源の大きさや数やその位置が- 16 -

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

時間的にも変動するような状況が考えられる．たまたの補正があらかじめ必要となる．加えて，相互相関モ

ま ONTA（田の原上）と ONTN（田の原）の両観測点

ニタでは，相関の明瞭な周波数帯の選択に試行錯誤がを結ぶ直線上に空振源となる複数の火口が位置して必要である．最初から位相差は議論せず，相互相関モ

いたため（Fig. 17），空振源がその直線上で様々に変わ

ニタにおける相互相関関数の縞模様の発現のみに注っても相互相関関数が極大となるラグ時間がほぼ一目して監視するのであれば，周波数窓の選択の必要が定（Fig. 18d）だったのであろう．御嶽山の噴火では複ないコヒーレンスモニタのほうが監視に使用しやす

数の火口が新たに形成され (Oikawa et al., 2016) ，さいであろう．ただし前節の 2014 年御嶽山の事例のよらに火砕流や泥流の噴出（ 例えば， 岸本・他，2014）

うにコヒーレンスモニタで捉えられず，相互相関モニがあり，複雑な空振励起過程があったと推測される．

タで捉えられる事例も存在することに注意が必要で

相互相関モニタやコヒーレンスモニタから分かるこある．また，相互相関モニタは，相互相関関数の縞模のような特徴も噴火過程を理解するうえで何らかの様の変化から空振波の到来方向や周波数のわずかな参考になるかもしれない．

変化を監視できるというメリットがある．

4.4

4.5

相互相関モニタにおける空振と「空振により励起

火山活動に伴う空振には，Fig. 3 のような数時間以される地震」の位相差 の監視 ―気象庁の展開する空振計の問題―

一過的（Transient）な空振波の監視上も継続した桜島の連続的な脱ガスと連続噴火によIchihara et al. (2012) で説明されているように，空振る空振とは対照的に，Fig. 4 のような爆発に伴う一過が地面を叩くことで地震動が励起される場合，その地的（transient）な空振（例えば，Fee and Matoza, 2013）

震 動 の 振 幅 は 空 振 よ り も 90 度 位 相 が 遅 れ る （ Ben-がある．一過的な空振の典型的な波形例として 2020 年

Menahem and Singh, 1981）．このため，空振―地震相関

6 月 4 日の桜島の爆発に伴う空振波形を Fig. 24a に示法ではこの 90 度の位相ずれを確認することで空振のした．継続時間が相互相関を計算する移動時間窓の長到来を検知できる．しかし，気象庁の火山監視ではこさと同等かそれ 未満の一時的な波に対しては，当然，の 90 度位相ずれを明瞭に確認できた事例はなかった

その移動時間窓が波の発現時刻に重なる短時間にし（例えば Fig. 6d では地震―空振の位相差はほぼ 0 でか相関の高まりは期待できない．もちろん，その一瞬ある）．これは，気象庁の火山監視で広く用いられていをとらえてアラームを出すという監視方法も考えらるアコー社製超低周波マイクロホン（Type 3348+7144）

れるかもしれないが，風ノイズが 2 観測点で一瞬だけと固有周期 1 秒の短周期地震計のそれぞれの位相特性

たまたま高い相関で現れる可能性もあり現実的でなによるとみられる．新堀・他（2013）は，桜島噴火のい．また，相互相関関数とコヒーレンスの計算にあた

空振波の観測データを用い，アコー社製空振計の位相っては，それぞれの時間窓で解析対象とする波動が特性を Paroscientific 社製絶対気圧計（Model6000-16B）（その時間窓よりも長い時間スケールで）ほぼ時間的との比較観測により推定した．その結果，アコー社製に定常であることを暗に仮定している．例えば，有限の空振計の出力は入力に比べて 1 Hz 付近で約 45 度位

時間窓の終端で波の主要部分が切断されることで元相が進み，これよりも高周波あるいは低周波ではさらの波形の相関性が大きく失われることは想定していに位相が進むことを報告している．また，Yukutake etない．

al. (2018) は箱根山の空振の地震動との相関解析にあ坂井・他（2000）でも指摘されているように，このたって，あらかじめアコー社製の空振計を白山製ような一過的な空振では異なる観測点で波形の相似

SI104 空振計と比較することで，アコー社製の空振計性が高い．噴火発生が予測される監視対象の火口が既の伝達関数を求め，これを補正した上で空振―地震のに決まっているのであれば，走時を補正した上で空振相関解析を行っている．さらに，国内火山で広く展開

波形を重合（スタッキング）し，その重合波形（Fig.24b）

されている固有周期 1 秒の地震計も，その固有周期付をモニタするという監視方法も考えられる．重合によ

近では位相特性が大きく変化する．

って各観測点に無相関な風ノイズなどが相殺されて気象庁の現在の観測網で空振―地震の 90 度位相ずれに注目して監視するためにはそれぞれの位相特性

信号対ノイズ比が向上し，噴火に伴う空振のみを高い
信頼度で検出することが期待できる．

- 17 -

験震時報第 87 巻

法を用いて空振計と地震計の最低限の組み合わせで
噴火検知力を上げられることは魅力だが，空振―地震の相互相関は安定した空振の検知が難しいことが分かった．より確実に火山活動に伴う空振波を捉えるた
めには，従来のように空振計を単独で設置する考えを改め，2 点以上の空振計を隣接しておくことを検討すべきであろう．気象庁の現行の火山観測網では，Fig.
25a のように，想定火口を囲むように空振計は互いにできるだけ離して設置することが暗黙の了解となっている．しかし，それぞれの観測点で空振到達時間に大きな差がある場合には，相互相関やコヒーレンスを計算するために移動時間窓を長くとる必要があり，相関による空振検知には適さない．例えば，火口から 5
km の観測点と火口近傍の観測点とで空振の相関を計算する場合，走時に約 15 秒の差があるため，正負のラグを考慮して 30 秒以上の時間窓で相関を計算することが求められる．また，空振が長距離を伝播する過程
で反射波が一方のみに混入し，相関が低下することも考えられる．一方で，Fig. 25b のように空振計を想定
火口の動径方向に近接して設置すれば，短い時間窓で風ノイズの影響を抑えた信頼度の高い空振の検知ができるだけでなく，空振波が想定火口方向から到来しているか否か，ラグ時間から判断もできる．風ノイズの相関距離は長くても数 m 程度 (Wilson et al., 2007;

Fig. 24 Transient infrasound signals. (a) Waveformsof the eruption at the Minamidake Crater of the
Sakurajima volcano. Vertical axis: horizontal
distance from the crater. Each trace is plotted
relative to an amplitude axis anchored at the
distance of the station from the crater. The dottedline indicates temporal change at the speed ofsound (340 m/s). (b) Stacked waveform fromtraces in (a). Before stacking, the temporal delayof each waveform was removed with theassumption of the source as the Minamidake
Crater, and the peak-to-peak amplitude of eachwaveform was normalized to 1.

Shields, 2005) であるのに対し，捉えたい空振が 1 – 10
Hz 程度だとすれば，その波長は数十 m から数百 m 程度である．このため 10 m 程度離して 2 点以上の空振計を設置できれば，火山活動に起因する空振をより信頼度高く検知できると考えられる．
また，浅間山の新幹線によるトンネル微気圧波のよ
うに，空振―空振相関法でも検知されてしまう波長の長い空振ノイズの存在も明らかになった．それが火山活動によるものか否かの判断のためには，空振の到来
方向や空振位置の特定が求められる．例えば，少なくとも 3 点の空振計があればそれらを三角形状に配置することで空振波の到来方向が拘束できる．また，火山4.6

相関解析を念頭に置いた空振計の配置と現業化

周辺に配置した複数の空振波形の相互相関から空振

噴火による空振の観測経験が少ない上に 人的アクセスや通信・電力インフラが制限される火山地域においては，空振計が複数設置されることは稀である．特に，噴火経験が近年無い火山では，空振計の設置はごく少数に限られるが，噴火の社会的影響は大きく，その発生検知の重要性は高い．Ichihara et al. (2012) の手の到達時間差を求めることで空振源の位置を拘束できる（例えば，Yamasato,1997; Yokoo et al., 2019）．ただし，気象庁で採用しているアコー社製空振計は入力に対する位相ずれが顕著であり，他機関の空振計で記録された波形との位相差を議論する場合には注意が必要である（新堀・他, 2013; Yukutake et al., 2018）．

- 18 -

移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

また，火山監視業務として安定的に本手法を運用す

動と空振の相関が明瞭で，その周波数は噴火の期間をる上では，相互相関モニタとコヒーレンスモニタを表通じて一定だった．浅間山の南山麓の複数の空振計で示するための計算資源にも配慮が必要である．常時観は，2 点の空振計の相関により，新幹線通過が原因と測火山は全国に 50 火山あり（2023 年 1 月現在），現みられる空振ノイズが検知された．空振―空振，ある

在，一つの地域火山センターがモニタする火山は 10 –いは空振―地震の相関が明瞭である周波数帯は，多く

20 火山程度である．到来方向まで拘束するために 1 火の場合で 1 – 7 Hz 付近であったが，15 Hz 以上の高周

山あたり 2 – 3 組の観測点ペアで相関を計算するとし

波に限られた例やコヒーレンスモニタで相関の高いて，20 – 60 の観測点ペアで相互相関の常時計算が必

周波数帯が特定できない例もあった．

要となる．またこれら多数のコヒーレンスモニタ・相空振が励起した地震動と空振の相関の監視では，そ互相関モニタを監視するためには効率的な画面配置の相関が現れる観測点距離や周波数帯，あるいは地震も課題となる．

計の埋設深度等に一貫した法則や経験則を見出すこ(a) Present(b) Ideal for correlationとはできなかった．より確実に火山活動に伴う空振波を捉えるためには，空振計を単独で設置する従来の考えを改め，2 点以上の空振計を隣接して設置しその相関を監視するのがよい．
ただし，気象庁で採用されているアコー社製の空振計は観測帯域で 入力に対する位相ずれが顕著であり，地震計や他機関の空振計との相関で位相差を議論す
るには伝達関数の違いに留意すべきである．さしあた

Fig. 25
Layouts for two infrasound observation
stations (black triangles) and the crater (red star)assumed to be the infrasound source. (a) Present
typical station arrangement. Infrasound sensors areplaced as far apart as possible around the presumed
source crater. This arrangement is not suitable fordetecting infrasound waves in wind noise using
correlation due to the large arrival time differenceof air waves from the crater. (b) Arrangement of
infrasoundsensors
assuming
correlation
monitoring. These are placed close together
radially around the presumed source crater. This
allows infrasound detection with suppressed windnoise using correlation and determination ofwhether infrasound waves are actually comingfrom the presumed source crater.

り空振発生のみを検知するのであれば，相互相関モニ
タだけでなく，周波数窓選択の必要がないコヒーレン
スモニタも併用するのがよい．
謝辞
本稿は，2018 年 12 月 25 日付で策定された「今後の火山業務の基本方針（気火第 139 号）」に基づき，気象庁の火山現業作業の計画的な見直しを進める中での成果をまとめたものである．火山監視課の山里平博士，
本稿を作成する契機を与えていただいた加藤幸司調査官，火山監視・警報センターの小林宰技術専門官には本稿を作成する上で的確なコメントをいただいた ．
東京大学地震研究所の市原美恵准教授と行竹洋平准教授，気象庁の武尾実参与には議論に応じていただき

5

まとめ

有益な意見をいただいた．また，査読者の坂井孝行氏

相互相関モニタ，あるいはコヒーレンスモニタによと藤原善明氏の指摘により本稿は大きく改善された．

り，空間的に離れた 2 点の空振波形の相関を監視する

事例の収集にあたっては，気象庁の火山監視・情報シことで，単独の空振連続記録からは気付きにくかった

ステ ム（VOIS）に 相互 相関 モニ タを 実装 する こ とで空振の到来やその特徴の変化を明瞭に検知できるよ

日々の火山監視に供した増田与志郎調査官の貢献がうになった．桜島では噴火に先行する空振の発生を捉多大である．桜島・諏訪之瀬島の事例では，「南九州のえた．阿蘇山では一定の周波数の空振が噴火とは別に活動的火山の災害軽減に関する共同研究（その 2 ）（研

連続して検知された．口永良部島では有色噴煙が濃く

究実施期間：2019 年 4 月 1 日〜2024 年 3 月 31 日）」

なった時間に対応して空振が検知された．諏訪之瀬島の協定に基づき京都大学のデータを使用させていたの断続的な空振を伴う噴火では，空振が励起した地震

だいた．また，京都大学防災研究所火山活動研究セン- 19 -

験震時報第 87 巻

ターの井口正人氏（センター長）には京都大学のデー

Fee, D., R. S. Matoza (2013): An overview of volcano

タを使用する上で便宜を図っていただいた．記して感infrasound: From Hawaiian to Plinian, local to global, Journal

謝の意を表します．

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移動時間窓での空振相関を利用した火山監視手法の適用

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- 21 -（編集担当

山里 平）