津波シミュレーションと津波波源モデルの構築

建築研究所 国際地震工学センター
藤井 雄士郎令和５年度建築研究所講演会
IISEE, BRI

1

発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

2

津波データインバージョン
による断層のすべり分布

背景地図： Hanifa etal. (2014, EPSL)より
IISEE, BRI

3

津波データインバージョン
による断層のすべり分布
2004年スマトラ－アンダマン(Fujii and Satake, 2007, BSSA; 改訂版 Fujii et al. 2021, Pageoph)

2005年ニアス (Fujii et al., 2020, GJI)
2007年ベンクル（南スマトラ）(Fujii and Satake, 2008, EPS)

2010年メンタワイ(Satake et al., 2013,Pageoph)
背景地図： Hanifa etal. (2014, EPSL)より
IISEE, BRI

2006年西ジャワ(Fujii and Satake,2006, GRL)

4

津波予測のための想定断層モデル
地震のスケーリング則

断層面積

すべり量
大すべり域
南海トラフの巨大地震の想定震源域

http://www.bousai.go.jp/jishin/nankai/nankaitrough_info.html

面積の比
Mwの範囲
Murotani et al. (2013)IISEE, BRI

5津波波形インバージョン

j 番目の小断層

実際の海底地形データを用いた差分法による津波伝播計算
計算津波波形（グリーン関数）
i 番目の観測点

Satake (2002)IISEE, BRI

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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

7

検潮所（TG）と人工衛星(SA）の津波データ

検潮記録：Univ. Hawaii Sea Level Center,
Hydrographic Dept. Royal Thai NavyFujii and Satake (2007)IISEE, BRI

8従来の津波波源モデル（FS2007）

断層面上のすべり分布

断層の長さ：～900 km ?

スリランカとインド東岸
における津波波形の比較

灰色線：観測黒線：計算

Fujii and Satake (2007)（以降，FS2007と呼ぶ）

IISEE, BRI

9地震後の地殻変動
赤丸：隆起
青丸：沈降
サンゴの隆起アンダマン

沈降による浸水（Port Blair）
ニコバル
茅根・他 (2005)
スマトラ

約3 m 沈降した
灯台

IISEE, BRI

Meltzner et al. (2006)

Malik and Murty (2005)

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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

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津波波形データ（震源域，高サンプリング）

IISEE, BRI

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インバージョンに使用した津波波形データ□：海底水圧計
ケーブル式と DART◇：GPS波浪計△：検潮所または波浪計☆：震央（気象庁より）

タイプ

観測機関

水深

データ間隔

海底津波計 7

ERI, JAMSTEC

1000-2300 m

0.1-1 s

DART

4

NOAA

5300-5800 m

15s/1min

GPS波浪計10

NOWPHAS

125 – 430 m

5s

波浪計

8

NOWPHAS, TEPCO

20 – 50 m

0.5- 5 s

検潮所

24

JMA, JCC, THEP, JAPG

coast

0.5 – 60 s

IISEE, BRI#13破壊伝播効果を考慮しない震源モデル
断層面：500 km x 200 km
分割した各領域：50 km x 50 km
最大すべり量： 34 m
地震モーメント：3.2 x 1022 Nm（Mw = 8.9）

青星：気象庁の震央
赤丸：気象庁の余震（M5以上，本震後約1日間）

Ver. 4.2: Fujii et al. (2011, EPS)IISEE, BRI

14津波波形の比較
海底水圧計

GPS波浪計検潮所

赤：観測波形
青：計算波形IISEE, BRI

Fujii et al. (2011, EPS)

15

現地調査による津波高との比較

過小評価

過大評価

津波の高さ
都司・他 (2011)IISEE, BRI

16

すべり遅れを考慮したインバージョン

Vr: 破壊伝播速度（2.0 km/s）
Δt: タイムウィンドウ（30秒）
R: 震央から小断層までの距離（km）
データサンプリング： 0.2 分（12 秒）「マルチタイムウィンドウ（MTW）津波波形インバージョン」
IISEE, BRI

Satake et al. (2013, BSSA)

17

すべりの時空間分布

IISEE, BRI

55小断層モデル: Ver. 8.0

Satake et al. (2013, BSSA)

18

インバージョンの結果（最終すべり分布）Ver 6.3 (44小断層)

IISEE, BRI

Ver 7.0 (44小断層)

Ver 8.0 (55小断層)

Satake et al. (2013, BSSA)

19

津波伝播のシミュレーション

IISEE, BRI

従来の津波波形インバージョン

MTW津波波形インバージョン21

津波波形の比較
海底水圧計

GPS波浪計

Red：Obs.
Blue：Syn.
55小断層モデル: Ver. 8.0

IISEE, BRI

Satake et al. (2013, BSSA)

22

沿岸での津波高との比較

すべり遅れを考慮した
震源モデル

IISEE, BRI

Satake et al. (2013, BSSA)

すべり遅れを考慮しない（従来の）震源モデル

55小断層モデル23

発表内容• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

24

2010年チリ地震の津波到達予想時刻

30分

気象庁（2010）

観測された津波の到達時刻が予想時刻より30分程度遅い．
IISEE, BRI

25

遠地津波の走時遅れと初期反転位相①固体地球の弾性， ②海水の圧縮性， ③重力ポテンシャルの変化を考慮することによりWatada et al. (2014, JGR)でほぼ説明された．

津波伝播の概念図IISEE, BRI

地震研究所ニュースレター（2015）より

26

計算津波波形の位相補正
線形長波による津波を計算→FFT，位相スペクトルを補正→逆FFT

線形長波

線形重力波

ΔΨ : 位相差D : 海の深さ [m]Δc : 位相速度差 [ms -1 ]D0 : 平均の海の深さ [m]線形分散波

Δc0 : D0で規格化した位相速度 差 [ms -1 ]

 : 周波数 [s -1 ] x : 観測点位置 [m]L : 伝播経路の長さ [m]Watada et al. (2014, JGR)IISEE, BRI①固体地球の弾性g : 重力加速度 [ms -2 ]＋②海水の圧縮性＋③重力ポテンシャルの変化

27

GPGPUによる津波シミュレーション
・General-Purpose computing on Graphics Processing Units の略
・GPUの演算資源を汎用の計算に応用する技術
・NVIDIA社が提供するGPGPU専用の統合開発環境「CUDA」を使用
・単純なデータの大量処理に非常に高いパフォーマンスを発揮
IntelIntelXeon
Xeon
Gold6326 2.90
E5-2687W
3.10 GHz
コア数：
コア数：168
最大メモリ容量：GB
最大メモリ容量：6,144256 GB
メモリ帯域幅：
メモリ帯域幅：51.251.2GB/GB/秒
秒

NVIDIA
RTX A6000
NVIDIAQuadro
Tesla K20c
GPU
GPUコア数：
コア数：10,752
2,496
メモリ容量：
GB
メモリ容量：48
5 GB
メモリ帯域幅：
メモリ帯域幅：768
208GB/GB/秒
秒
単精度演算性能：
単精度演算性能：38.7
3.52 TFLOPSTFLOPS
http://www.hpc.co.jp/gpu_solution.html
IISEE, BRI

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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

30

人工衛星（SA）データ：時空間分布

記録点の総数：4,426

記録時間間隔：約1 s

SAデータ：
Hayashi (2008, JGR:O)IISEE, BRI31

人工衛星（SA）データ（FS2007）〇 FS2007で使用したSAデータ

IISEE, BRI

32

人工衛星（SA）データ（改訂版）● Hayashi (2008)： 再解析で使用

ノイズレベルが低く，振幅が抑えられた→
求まるすべり量は小さくなる？

観測点数が増加→
インバージョン解析の解像度が向上

IISEE, BRI

33

計算津波波形の位相補正による広範囲のTG及びSAデータの利用（改訂版）
計算グリッド：24秒
海底地形データ：
GEBCO_2014
時間ステップ：1 s

津波伝播の時間：
20 hr
GPGPUによる計算時間：
2 hr 50 mim

IISEE, BRI

TGデータ: ハワイ大学Sea-Level Center (UHSLC), Tsuji et al. (2005, EPS)
SAデータ: Hayashi (2008, JGR:O)がバックグラウンドノイズを除去
34

遠地の海底水圧計(OBPG)データ
津波の波線：
計算グリッド：2分

西周り

海底地形データ：
GEBCO_2014
南極

時間ステップ：3 s

ドレーク海峡東周り津波伝播の時間：
48 hr

米国北西岸

南米

IISEE, BRI

GPGPUによる計算時間：
41 mimOBPGデータ：海上保安庁, 極地研，Rabinovich et al. (2011, GRL),NOAA, Rabinovich et al. (2017, JGR:O)

35

インバージョンの結果（断層面上のすべり分布）
断層の破壊伝播速度 (Vr)を仮定
SAデータのみ

TGデータのみ

SA+TGデータIISEE, BRI

37

インバージョンの結果（SA+TGデータ）
断層の破壊伝播速度 (Vr)を仮定

Variance Reduction:
観測と計算の一致度を示す
Vr = 1.3 km/s

IISEE, BRI

38

SAデータの比較

IISEE, BRI

Vr = 1.3 km/s

観測，計算（位相補正なし），計算（位相補正あり）

39

遠地津波波形の比較（DART, OBPG）

ドレーク海峡

南米

米国北西岸

IISEE, BRI

観測，計算（位相補正なし），計算（位相補正あり）,計算（西方向），計算（東方向）42アンダマン諸島とインド東岸における津波波形の比較（FS2007）

観測，計算（位相補正あり）
IISEE, BRI

43

アンダマン諸島とインド東岸における津波波形の比較（改訂後）

IISEE, BRI

観測，計算（位相補正あり）

44

津波波源モデル（改訂版）
断層面上のすべり分布

断層の長さ：～1,400 km

Meltzner et al.
(2006)
計算した
地殻変動
赤線：隆起
青波線：沈降コンター間隔：
0.5 m

IISEE, BRI

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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

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地殻変動データと津波データの同時インバージョン
地殻変動（測地）データ

j 番目の小断層

実際の海底地形データを用いた差分法による津波伝播計算
計算津波波形（グリーン関数）
i 番目の観測点
津波データ

Satake (2002)IISEE, BRI

47

地殻変動（測地）データ
ASTER, 珊瑚（マイクロアトール）：
Briggs et al. (2006)IISEE, BRI

ASTER: 18地点，珊瑚： 96地点

GPS: Kreemer et al. (2006)

54成分（18観測点の3成分） 48

津波データ：検潮所と遠地の海底水圧計
計算グリッド： 24秒(18,000 x 14,400)

海底地形データ：
GEBCO2014
時間ステップ： 1 s

津波伝播の時間：
20 hr
GPGPUによる計算時間： 約2 hr

IISEE, BRI

TGデータ: ハワイ大学Sea-Level Center (UHSLC), Aydan et al. (2005）
OBPGデータ： 極地研究所，海上保安庁
49

インバージョンの結果
津波

地殻変動

津波＋地殻変動

すべり分布

計算した
地殻変動

IISEE, BRI

赤線： 隆起， 青点線： 沈降， 等高線の間隔： 0.5 m

50地殻変動（測地）データの比較
ASTER，珊瑚（マイクロアトール）：
Briggs et al. (2006)

津波

地殻変動

津波＋地殻変動

観測データ

GPS： Kreemer et al. (2006)IISEE, BRI

51

津波波形の比較（TG, OBPG）
津波

IISEE, BRI

津波＋地殻変動

地殻変動

観測，計算（位相補正なし），計算（位相補正あり）

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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

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2022年トンガ火山噴火による津波のモデリング

April 10, 2021

January 17, 2022

NASA, https://earthobservatory.nasa.gov/images/149367/dramatic-changes-at-hunga-tonga-hunga-haapai

IISEE, BRI(Katakam et al., 2022) https://graphics.reuters.com/TONGA-VOLCANO/LJA/movanwrxapa/

54気圧と海面水位
ETA
海面水位 (cm)(天文潮汐は除去)

気圧 (hPa)ETA: 津波の到達予測時刻

ETA
海面水位 (cm)気圧 (hPa)
9 UT

12 UT

15 UT

18 UT

21 UT

55

IISEE, BRI 気象庁, https://www.data.jma.go.jp/eqev/data/study-panel/tsunami/tonga-houkokusho/houkoku_honbun.pdf

気圧波による津波の生成
大気境界波（ラム波）及び大気重力波による強制波強制波の速度≒津波の伝播速度 → 増幅（プラウドマン共鳴）
1883年クラカタウ火山噴火による遠地津波：
大気・海洋結合系の先行研究(Harkrider and Press, 1967)

位相速度

音波

大気境界波（ラム波）

大気重力波
周期(Kubota et al., 2022)

IISEE, BRI(Harkrider and Press, 1967)
56

環状に伝播する水位変化でモデリング
時間変化

空間変化

ラム波: C1 = ～310 m/s
amp (m):正の振幅

T: Rise time (s)大気重力波:
C2 = ～200 - 250 m/s
T (s)amp (m):負の振幅

amp ～amp0 * 1/sqrt(R*sinΔ)
R: 地球半径, Δ: 震源距離（angle）

IISEE, BRI

57

異なる伝播速度の津波シミュレーション
ラム波

C1 = 310 m/s

大気重力波

C2 = 200 m/s

https://iisee.kenken.go.jp/staff/fujii/Tonga2022/tsunami.html

IISEE, BRI

58

後続波を再現する大気重力波の伝播速度(Fujii and Satake, 2023,revised)
観測

IISEE, BRI

計算（ラム波のみ）
計算（ラム波＋大気重力波）
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発表内容
• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震• 2011年東北地方太平洋沖地震• 2010年チリ地震による津波• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）• 2005年ニアス地震• 2022年トンガ火山噴火による津波• 国際地震工学研修における活用
IISEE, BRI

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国際地震工学研修の津波防災コース

IISEE, BRI

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国際地震工学研修の元研修生の貢献

フィリピン： 量的津波警報のための津波データベースの構築（Igarashi et al., 2015, JDR）

ペルー： リマにおける津波浸水予測図（Adriano etal., 2013, JDR）
IISEE, BRI

ニカラグア： 2016年から2019年に実施されたJICAプロジェクト「中米津波警報センター能力強化プロジェクト（CATAC）」のカウンターパートとして中心的役割．津波警報システムの構築と運用．
（Emilio Talavera氏・他５名）
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最近発生した津波のシミュレーション

2011年東北地震

http://iisee.kenken.go.jp/staff/fujii/TsunamiTop.html
IISEE, BRI

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まとめと今後の課題• インバージョンによる津波波源モデルの構築と意義• 2004年スマトラ－アンダマン地震： 検潮記録と人工衛星データ• 2011年東北地方太平洋沖地震：
震源域内の沖合データによる時空間すべり分布• 2010年チリ地震による津波：
遠地津波の到達遅れ，理論的方法論的解決（Watada et al., 2014）• 2004年スマトラ－アンダマン地震（再解析）：
以降，遠地(広範囲）の検潮記録と人工衛星データの利用• 2005年ニアス地震：
遠地を含む津波データと地殻変動データの同時インバージョン• 2022年トンガ火山噴火による津波：
気圧波による津波の生成（海洋全体に津波波源が伝播，津波も伝播）• 国際地震工学研修における活用： 元研修生の津波防災対策への貢献• 今後の課題： 津波地震（1896年明治三陸地震，2006年西ジャワ地震）
や，海底地すべり（2024年能登半島地震）による津波の予測
IISEE, BRI

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