科 学 技 術 計 算 分 科 会

選 出

SS 研 HPC フォーラム 2011 より

東日本大震災での津波の被害像と今後の減災への課題—津波数値シミュレーションへの現状と期待—
東北大学大学院工学研究科附属
災害制御研究センター
今村 文彦

サイエンティフィック・システム研究会

2011 年 8 月 25 日

SS 研 HPC フォーラム 2011

東日本大震災での津波の被害像と今後の減災への課題—津波数値シミュレーションへの現状と期待—
今村 文彦
東北大学大学院工学研究科附属災害制御研究センター津波工学研究分野[アブストラクト]
2011 年 3 月 11 日、宮城県沖を震源としたマグニチュード 9 の巨大地震および津波が発生した。この地震は「東北地方太平洋沖地震」と気象庁により命名され、我が国での歴史上最大の規模であり、沿岸各地で壊滅的な被害を受けた。今回の大震災を人的・物的被害の面から考えると、津波による被害が圧倒的に広大かつ甚大であった。本講演では、現在までの調査で判明されつつある津波被害の実態と多くの教訓を紹介したい。また、各地域での以前の津波規模や被害の評価、当時の気象庁による津波警報と避難の状況などを説明する。これらの基礎である想定津波被害の手法や数値シミュレーション方法などを紹介しながら、次世代スパコンなどを利用した、今後の津波減災への取組への課題や展望を議論したい。

[キーワード]巨大津波、東日本震災、津波数値シミュレーション、警報システム、被害実態

１ はじめに2011 年 3 月 11 日 14 時 46 分頃、三陸沖で発生した M9.0 の地震と巨大津波は、宮城県、岩手県、福島県を中心に青森県、茨城県、千葉県、東京都まで広範囲に戦後最大の被害をもたらした。「東北地方太平洋沖地震」と命名されたこの地震では、宮城県北部で震度 7 を観測し、津波については、験潮所の機器が破壊されて正確な高さは記録されていないが、被害跡から 10m を超える大津波が襲ったものと推測されている。被害を受けた地
域はこれまでも津波被害を経験しており、岩手県宮古市田老地区には、1933 年の昭和三陸津波を受けて高さ10m、総延長 2.4km にわたる防潮堤が築造されるなど防災意識も高く、8m を想定した津波に対する防災訓練も実施されていた。

２ 地震と津波の発生
震源は宮城県沖であり、想定されている地震の尐し沖に位置していた。当初は、福島県、宮城県、岩手県沿岸を中心での活動であったが、すぐに、北は青森、南は茨城・千葉方向に広がり、現在の余震の分布も、東北・関東地方での太平洋沖の広範囲に至っている。主な断層活動の範囲は、南北約 500km 東西約 200km であると推定されている。過去この地域は、三陸沖、宮城県沖、福島県沖、海溝沿い、など個別地域でそれぞれ評価されていたが、今回、一気に連動し超巨大地震が発生したことになる。
東北および関東での太平洋沖は、過去においても津波を伴う地震が発生し、被害を繰り返してきた地域である。代表的な地震・津波としては、1611 年慶長、1896 年明治、1933 年昭和などが挙げられる。特に、1896 年明治三陸地震による津波では、地震による揺れが小さいにも関わらず、最大遡上高さ 38m を記録し、当時で 2 万 2千名の犠牲者を出した。「TSUNAMI」という日本語が世界語になった理由の１つでもある。大被害の後には、沿1

岸各地で復旧・復興が図られるが、高地移転しても元の場所に戻るなど、数十年後さらには数百年後には、津波による大災害を受けることを繰り返してきた歴史がある。

３ 津波工学の目指す課題
本研究分野は、広域での津波災害を軽減するために、環太平洋での総合的な防災対策・技術を開発することを目的としている。現在、近地・遠地津波の予警報のために数値シミュレーションを実施しているが、短時間での予測精度には課題が残されている。そのため、リアルタイム津波監視・予測システムを検討しており、現在精力的に整備されつつある高密度な津波観測網をネットワーク化し、数値シミュレーションモデルと融合させることにより、リアルタイム予測手法の画期的な高精度化・高速度化を図る。これらは次期津波予警報手法の一翼を担い、人的被害の軽減に貢献できると期待できる。
さらに、人間活動の変化により変貌が予想される直接災害・2 次災害更に複合的な災害を推定・予測できる手法を新たに開発し、防災対策に活用できるシステムの構築を目指している。視覚・聴覚などの認知科学を導入した人間避難行動システムや、沿岸開発・土地利用、警報システムなどを組み合わせた、多層構造を持つ総合的な津波防災システムであり、従来研究されている通常の地震原因の津波だけを対象とせずに、「津波地震」や地滑り・火山・隕石などによる非地震性津波の発生機構の解明とモデル化を行い、これらの津波に対しても再現・予測できる手法を開発している。また、堆積学的アプローチによる歴史津波の検証方法の開発も行い、従来困難であった津波の再来周期の推定を試みている。

４ 今回の大災害
今回の津波規模はまだ不明な点が多いが、恐らく我が国での史上最大の規模であり、これに伴う災害は最悪となると思われる。津波の浸水に伴う、沿岸構造物・防潮林・家屋・建物・インフラへの被害、浸食・堆積による地形変化、破壊された瓦礫・沖合での養殖筏・船舶などの漂流、さらには可燃物の流出と火災、道路・鉄道（車両も含む）など交通網への被害、原子力・火力発電所など施設への影響など、現在想定される津波被害のほぼす
べてのパターンが発生したと考えられる。
海岸域での防潮林の減災効果を評価し、津波波力低減、漂流物抑止、人命救助などの多彩な機能が見直され、柵などを設置した強化策も実施されていた（宮城県）。だたし、宮城県が想定した高さの約 3 倍の津波は、防潮堤や防潮林を越え集落を襲った。今回、想定を遥かに上回る津波により、様々な防災機能は十分発揮できなかったが、一定の役割は果たしており、今後、どのような組み合わせで何を強化するかを長期的な視点で評価する必要がある。

５ 今後に向けて巨大津波にどのように対峙できるか？をまとめたい。従来、ハード対策が中心であり、地域を守る要として位置づけられた。しかし、その限界もあり、これを超える部分をソフト対策（情報、避難、啓発・意識高揚）でカバー
しようとしてきた。最後に、津波災害に強いまち作りを推進してきたが、このプロセスを変える必要がある。いずれにおいても津波工学の技術（予測、情報、減災システム、避難体制、防災教育）が不可欠であり、数値シミュレーションへの期待は大きい。
以上

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F.Imamura, DRCR

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http://www.aob.geophys.tohoku.ac.jp/info/topics/20110311_news/index_html

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http://iisee.kenken.go.jp/staff/fujii/OffTohokuPacific2011/tsunami_ja.html

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科 学 技 術 計 算 分 科 会

選 出

科学技術計算分科会 2011 年度会合 より

エクサバイト規模のストレージシステムへ向けて

高エネルギー加速器研究機構
計算科学センター
佐々木 節

サイエンティフィック・システム研究会

2011 年 10 月 19 日

2011 年度 科学技術計算分科会 会合

エクサバイト規模のストレージシステムへ向けて
佐々木 節
高エネルギー加速器研究機構 計算科学センター[アブストラクト]
高エネルギー加速器研究機構では、KEKB加速器を用い、Belle実験がB中間子のCP保存則の破れを観測することにより、小林・益川両先生のノーベル賞受賞につながる成果を得た。さらに統計精度を上げ、精密測定を行うとともに、素粒子の標準理論を超える新たな物理学へ向け、KEKB加速器をアップグレードしたSuperKEKB加速器の開発が進められている。Super KEKB加速器を用いて行われるBelle II実験においては、2020年には200PB程度のデータを収集すると見込まれている。同程度の統計量のモンテカルロシミュレーションを行うことを考慮すると、エクサバイト規模のストレージステムが必要になる。KEKにおける計算機システムの歴史を紹介するとともに、将来に向けた取り組みについて議論する。

[キーワード]ストレージ、ハードディスク、テープ、階層化ストレージ管理システム、分散並列ファイルシステム

1. はじめに茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK)では、長年にわたり、複数の加速器を用いた様々な研究が行われてきた。原子核・素粒子物理学の実験的研究ばかりではなく、物質科学、生命科学など
様々な分野の研究が行われている。PF(Photon Factory)や、J-PARC のビームラインは、広く産業界にも利用されており、物質の構造の解明に用いられている。計算科学センターは、データを記録し、解析を行うために必要な計算環境の提供を行っている。
KEK で最大の計算資源需要があるのは、Belle II 実験である。前身となる Belle 実験は、小林・益川理論を裏付ける B 中間子の CP 破れの観測に成功し、両先生のノーベル賞受賞につながった。Belle 実験に用いられた KEKB 加速器を高度化した Super KEKB 加速器の開発が開始されており、現在の 40 倍以上の強度となる予定である。Belle 実験も検出器をアップグレードし、新たなメンバーを諸国から受け入れた Belle II 実験が行われる。観測データのみでも、2020 年には 200PB に達すると考えられており、シミュレーションデータ、2 次
データを考慮に入れると、エクサバイト規模のストレージシステムが必要になると考えられる。
一方、2008 年に共用が開始された J-PARC においても、年間 2PB 程度のデータを収集すると見積もられている。J-PARC は、陽子線加速器のコンプレックスであり、原子核・素粒子、物質科学、生命工学など様々な目的に利用されている。Photon Factory の運転も続いており、大量ではないが、データの収集が継続されている。
計算科学センターは、プロジェクト毎に異なる最大時 5 システムを平行して運用を行っていた。それらを統合し、中央計算機とスーパーコンピュータの 2 システムへの統合がまもなく終了する予定である。新中央計算機は、2012 年春に稼働を開始する予定であるが、テープライブラリの容量は 16B、ユーザが利用可能なディス
ク領域は 3.5PB となっている。ここに至るまでの課程を以下に紹介するととみに、エクサバイト規模のストレージシステム開発向けた取り組みについて紹介する。

2. KEK における計算機システムの歴史
KEK のデータ解析用システムは、以前は、最大時で４システムあったものを徐々に統合を進めるとともに、時代に即したアーキテクチャの採用を行ってきた。メインフレームに代わる商用 UNIX による分散環境の構築
が 1992 年頃から開始され、2000 年代中頃には、Linux をユーザ環境とするシステムへの置き換えが進み、現在に至っている。
図１にデータ解析システムのユーザが利用可能なディスク領域の量とテープライブラリの容量の伸びを示す。
KEKB 加速器、J-PARC の運転開始後、データ需要が急速に伸びたことが見て取れる。

スパコン除くTB

図１ KEK におけるデータ容量の推移
テープ利用の利便性を改善するために、階層化ストレージ管理システムを 1995 年頃から利用している。
SONY の Petesite と DoE 研究所共同開発の HPSS が平行して用いられてきたが、新中央計算機システムでは、HPSS に一本化される。ディスクアクセスの高速化と、シームレスにシングルファイルツリーをユーザに提供するために、GPFS が 2008 年から利用されている。

3. エクサバイト規模のストレージに向けて
予定通り加速器の建設と実験が進めば、次回のシステム入れ替え時である 2015 年に 4 年で計算機のレンタルを行うとすると、200～300PB 程度のストレージ容量が必要となる。夏季の加速器シャットダウン中の再解
析、また、その次のシステムへのデータ移行を考えると、100GB/sec 程度の総転送速度が要求される。予算の緊縮が続くなか、新たな技術を開発して、困難を克服する必要がある。
中央計算機システム導入のための市場調査で、階層化ストレージ管理システムと分散並列ファイルシステ
ムを連携させたソリューションを国内外に複数確認することができたが、テープを必要とするほど大量のデータを持つ機関の数は RAID の大容量化と共に減っていると考えられており、今後も慎重に動向を見守る必要がある。
国内には、KEK 以外にも、理研、JAXA、国立天文台など大量のデータを抱える機関が多くあり、これらの機関とも情報の交換をし、必要な技術の開発を行っていきたいと考えている。この目的で、 Data Intensive
Computing 研究会を 2011 年度に私的任意団体として設立した。隔月で研究を開き、お互いの情報交換を行っている。個人的には、DoE 参加の研究所が共同開発を行っている HPSS を参考に、研究機関横断で共通の技術仕様を作成し、大規模ストレージを管理し利用するために必要な技術の開発を協力して行えないかと考えている。

[参考文献](1) 高エネルギー加速器研究機構 http://www.kek.jp(2) Belle2 http://belle2.kek.jp(3) 「大規模ストレージの今後の課題と展望」サイエンティフィックコンピューティング研究会 2011 年

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4Main Projects at KEK

J-PARC

Tokai
Tsukuba
B-Factory

Narita Airport

LC-Test Facility

Photon-Factory5

Takashi.Sasaki@kek.jp

KEK Tsukuba
Mt. Tsukuba

Belle Experiment
KEKB

Photon Factory-AR:6.5GeV

Computing Research Center

Photon Factory: 2.5GeV

e+/ e- Linac

Takashi.Sasaki@kek.jp
6

KEKB e+ e- Collider
Belle Experiment
13 countries, 57 institutes, ~400 collaborators
SCC RF(HER)

8 GeV

e-

3.5 GeV

e+

ARES
(LER)

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ProtonP
Accelerator
A lR
Researchh Complex
Hadron Beam Facility

Materials and Life Science
Experimental Facility

Neutrino to
SuperKamiokande
3 GeV Synchrotron(25 Hz, 1MW)

Linac
(330m)

50 GeV Synchrotron(0.75 MW)

Joint ProjectTakashi.Sasaki@kek.jp
between KEK and JAEA

9

J-PARC (T2K Experiment)

Neutrino Experimental
Facility
295 kmWest
Super Kamiokande

Super-Kamiokande
J-PARC
KamiokaTakashi.Sasaki@kek.jp
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• KEK PS(Proton Synchrotron)– 1976ᖺ-2005ᖺ– ከ䛔᫬䛷ᖺ㛫10䝔䝷䝞䜲䝖⛬ᗘ• J-PARC– 2008ᖺ~– ᭱኱ᖺ㛫2PB⛬ᗘ(㟁Ẽ௦䛜༑ศ䛒䜜䜀)
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1976ᖺ䛛䜙2005ᖺ䜎䛷䛴䛟䜀䜻䝱䞁䝟䝇䛷㐠㌿• 2006-2007• 1995ᖺᗘ䜎䛷
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•

– IBM
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1996-2000
–
–
–
–
–

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2001-2005
–
–
–
–

IBM
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HPSS
•

•

•

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Takashi.Sasaki@kek.jp25᪂୰ኸィ⟬ᶵ䝅䝇䝔䝮• IBM䛜ⴠᮐ– 2012ᖺ䠐᭶䠍᪥඲య䛜✌ാ㛤ጞணᐃ• 䜾䝸䝑䝗䚸䜽䝷䜴䝗⎔ቃ– gLite,NAREGI,iRODS,Platform ISF• HPSS,GPFS䜢᥇⏝• 䝔䞊䝥䝷䜲䝤䝷䝸䛾ᐜ㔞16PB– 䝗䝷䜲䝤㻌 250MB/sec㻌 x 60㻌 ྎ• 䝕䜱䝇䜽 7PB– 䛖䛱3PBᙉ䛿HPSS䛾䜻䝱䝑䝅䝳– GPFS䛷3PBᙉ䜢䝃䞊䝡䝇• SF10000• 㟁ຊぢ䛘䜛໬
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6000

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2000

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2005

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1.5

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1996

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2006

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Takashi.Sasaki@kek.jp

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