文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第41回 東京大学 地震研究所（2023.5.12)

12:05－12:10(5分） ：東京大学地震研究所の概要
所長 古村 孝志

12:10－12:25(15分）：地震の大規模数値シミュレーション手法の開発
計算地球科学研究センター 准教授 藤田 航平

12:25－12:45(20分）：質疑応答

文部科学省と附置研・センターとのランチミーティング（2023/5/12）

東京大学地震研究所 概要 所長 古村孝志

1925年（大正14年）創立「本所永遠の使命とする所は地震に関する諸現象の科学的研究と直接又は間接に地震に起因する災害の予防並に軽減方策の探求とである」

寺田寅彦による碑文（1935）東大地震研究所: 地震火山メカニズム、災害軽減
地震研究所紹介パンフより

2【役割１】 地震火山現象とその根源としての地球ダイナミクスの研究
・地震学、火山学、地球物理・化学、地質学、測地学、応用数学、情報科学、社会基盤学、地震工学、など【役割２】 地震・火山科学の全国共同利用・共同研究拠点 0.4億/年
・地震火山噴火予知・災害軽減研究（文科省科学技術・学術審議会の建議、18大学＋10機関・省庁）, 3.9億/年
・防災の共・共拠点である京都大学防災研究所との拠点間連携研究, 0.3億/年

東京大学地震研究所における研究教育□ 人員構成□ 予算
令和４年１１月1日現在

教員 74（6）
教員女性比率大学院生 65（10）

15％

８%
助教のみ

構成員
239名

17%

補佐員・専門職員
45（39）
技術職員 18（5）特任研究員 15（5）33％*承継職員の人件費含まず

事務員 22（12）□ 大学院生・専攻〇修士40 名、 博士 25 名
理学専攻: 地球惑星科学
工学専攻: 建築学・社会基盤学
・情報理工学
学際情報学専攻： 学際情報学

・年間予算23億（令和３年度、承継職員人件費除く）
運営費交付金65%＋外部資金35%・大学院生は、理学・工学・情報学専攻より3東京大学地震研究所で進める異分野・文理融合研究①□ 東京大学ミュオグラフィ連携研究機構
地震研究所・医学部附属病院・工学系研究科
・理学系研究科・総合研究博物館

・東京アクアラインでの潮位・津波観測
・機械学習による桜島火山噴火予測（筆頭著者：東大病院）

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薩摩硫黄島内部の透視（ミュオグラフィ）東京大学地震研究所で進める異分野・文理融合研究②□ 東京大学地震火山史料連携研究機構
・地震研究所・史料編纂所

史料・歴史資料データベース、出版
・1854年安政東海地震の発生時刻
近世史料研究者（黒船航海日記）＋地震研究者（津波シミュレーション）
Sugimori, Arizumi ＆ Satake (2022)＆津波計算

Journal of Disaster Research,https://doi.org/10.20965/jdr.2022.p0409

5東京大学地震研究所で進める国際共同研究の例
世界の地震分布■ 2023トルコ南部の地震
地震と災害の総合調査（科研費特別研究推進費）■ 太平洋プロジェクト
プレート発達史解明
海底地震・電磁気観測■ ネパール
プレート衝突帯
地震観測■ ニュージーランド
ヒクランギ沈み込み帯
地震・電磁気観測□ 地震・火山噴火、災害軽減＝全人類課題
・国際共同観測研究、防災に向けた協働・海外研究者招聘、3月〜1年（20名/年）
国際室体制： 職員３＋教員（委員会）■ チリ沖
プレート三重会合点
海底地震観測6東京大学地震研究所で進める広報アウトリーチ活動□地震火山科学の理解、防災力向上に向けて・施設見学: 中高校生 1000名／年・サイエンスカフェ：
報道関係者、自治体防災担当者

6回／年

広報室体制： 職員２＋URA１+教員（委員会）

文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第41回 東京大学 地震研究所（2023.5.12)

地震の大規模数値シミュレーション手法の開発
計算地球科学研究センター 准教授 藤田航平

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地震分野における数値シミュレーション• 対象が広大かつ要求分解能が高い• 領域サイズ100~1000 kmに対し構造物の部材は0.1 mスケール• 固体地球観測データは地表付近でしか取れない• 多数回の数値シミュレーションを介して地下の情報を推定• まじめに計算しようとすると超大規模計算となるため、現状では形状や物理過程を単純化して計算• 工学・防災面から：現行のハザードマップや耐震設計では適切に計算を近似。ただし、これを精緻化しようとすると途端に計算コストが膨大に・・・• サイエンスとしては、せっかくの観測データが生かしきれない・・・

2

研究のアプローチ• 最新スパコンの性能を出し切る超高速・大規模計算が可能な計算手法を開発することで、固体地球観測とシミュレーション技術を融合した計算地球科学の創成を目指す• 対象とする計算は他分野の計算と比べても大規模（既往の計算手法を使うだけでは不十分）。年々進化する計算機にあわせて計算手法を開発• 汎用の計算手法となるため、地震分野以外への波及効果も期待

3

大規模地震シミュレーションの難しさ• スパコンは多階層の並列計算機となっている• 全階層を有効活用して初めて性能が出る• 計算負荷の分散・通信コストの削減が必須• 地震シミュレーションで対象とする有限要素法は近年の計算機で性能が出しにくい• 飛び飛びの場所からデータをアクセスする• これらの課題を解決する手法を開発

スーパーコンピュータ富岳（理化学研究所）
48コアCPU × 158,976台 = 7,630,848 CPUコア

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計算科学シミューレーションと人工知能による国際的成果(計算地球科学研究センター)• 世界初の超高詳細大規模地震解析をいくつか実現• 兆自由度で地球を解く• High Performance Computingの世界最高峰の国際会議（Supercomputing Conference）にて継続的に高く評価• ゴードンベル賞ファイナリスト（2014年，2015年，2018年，2022年），ベストポスター賞（2016年，2017年），WACCPDベストペーパー賞（2016年，2017年）, WACCPD Honorable Mention（2021年）

5

京コンピュータ全系を使った大規模シミュレーション例c) Resident evacuationa) Earthquake wave
propagation
0 km
-7 km

Two million agents evacuating to nearest safe
site

Ikebukuro
Ueno

Earthquake

Post earthquake

Shinjuku
Tokyo station
Shinbashi
ShibuyaLarge finite-element simulation enabledby the developed solver
Ichimura, Fujita, et al., SC15, Gordon Bell Prize Finalistb) City response simulation

6富岳全系を活用した断層から都市までの⼀体型の連成地震応答シミュレーション例
都市における構造物も陽に解像(最小要素サイズ: 12.5 cm)

開発手法を富岳全系(152,352計算
ノード(609,408 MPI processes ×
12 OpenMP threads = 7,312,896
CPUコア)上で実行することでこれまでにない解像度で一体解析を実現
Ichimura, Fujita, et al., SC22, HPC Asia Best Paper Award

7

物理シミュレーションと人工知能の融合研究• 人工知能による予測：高速に解を推定可能だが、精度は保証されない• 物理シミュレーション：精度が保証されるが高コスト• これらをうまく組み合わせて物理シミュレーションを高度化できないか？

• 物理シミュレーションの結果を人工知能で学習しつつ予測した解を物理シミュレーションの「初期解」として使うことで物理シミュレーションを高速化• 人工知能は初期解の推定にしか使われないため、計算結果は通常の物理シミュレーションと同じ
A

B
Upper plate

Pacific Plate
Eurasianplate

Philippine
sea plate

Viscoelastic mantle wedgeb) Close up view

Viscoelastic oceanic mantlec) Vertical cross section

A

B

Horizontal displacement (m)a)

Finite-element modeld) Target coseismic slip(m)Vertical displacement (m)e) Viscoelastic response at surface

他の高速アルゴリズムと組み合わせることで最大76倍の高速化を達成
Fujita, Murakami, et al., SC22,
ScalAH workshop
8まとめと今後の展望• 固体地球観測データの有効活用のための大規模数値シミュレー
ショ手法の開発を進めている• 最新スパコンの性能を出し切る計算手法を開発（高性能計算による物理シミュレーションの高度化、物理シミュレーションと人工知能の融合）• High Performance Computingの世界最高峰の国際会議（Supercomputing Conference）にて継続的に評価。汎用の手法のため地震分野以外にも応用可能• 今後の展望• 最新計算機特性に合わせた計算手法開発• 観測データの不確実性を考慮した数値シミュレーションを可能とする
超高速計算手法
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