（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 28 年度 学術利用 成果報告書

GPGPU による長周期地震動シミュレーション
Long-period ground motion simulation using GPGPU藤原広行
Hiroyuki Fujiwara
国立研究開発法人 防災科学技術研究所
National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience
URL: http://www.bosai.go.jp/
内陸活断層で発生する地震を対象として、破壊開始点やアスペリティ配置などを変えて設定した多数の震源モデルと詳細な 3 次元地下構造モデルを用いた長周期地震動シミュレーションを、TSUBAME の GPU環境に対応させた 3 次元差分法による地震動シミュレータ GMS を用いることで効率的に行った。これらのシミュレーション結果を用いることで、震源モデルや地下構造モデルが長周期地震動に及ぼす影響を評価することができ、さらに、事前の予測が困難な震源モデルの不確実さを考慮したばらつきを含んだ長周期地震動評価が可能となった。
We simulated long-period ground motion of inland crustal earthquakes in the Kanto area by the3-D FDM of the Ground Motion Simulator (GMS) adapted to GPU on TSUBAME2.5. In thesimulation, we used 70 cases of seismic source model which have different source parameters such
like hypocenter and asperity and a detailed 3-D velocity structure model. These simulation results
enable us to study the effects of source model and velocity structure model on long period groundmotions. Furthermore it makes possible to assess the long-period ground motion considering
uncertainties of source model.

Keywords: 長周期地震動、地震波伝播シミュレーション、GMS、GPU、関東地域

背景と目的源モデルを設定し、各震源モデルに対する予測に加大地震の際に超高層ビルや石油タンクなどの長大え、予測結果がどの程度のばらつきを持つかを定量

構造物が長周期地震動による被害を受けることが知的に評価することが重要となる。そのためには計算られている。２０１１年東北地方太平洋沖地震の際コストの高い大規模シミュレーションを多数行う必に、大阪平野内の超高層ビルが長周期地震動による要がある。そこで、本課題では、TSUBAME2.5 の GPU被害を受けた事例は、震源から遠く離れた平野や盆環境を利用して、多数回の大規模地震波伝播シミュ地においても、複雑な地下構造の影響によって増幅レーションにもとづいた長周期地震動のハザード評された長周期地震動が、構造物に被害を及ぼし得る価を行う。

ことを示している。３次元差分法などの数値シミュ
レーションにより複雑な地下構造が長周期地震動に概要及ぼす影響を評価することが可能だが、長周期地震超高層建物などの長大構造物に対して影響を及ぼ動の予測のためには、地下構造の情報に加え、震源す長周期地震動は、震源が浅く、規模の大きな地震からの地震波の励起特性（震源モデル）に関する情ほど強く励起されると考えられる。関東平野内には報も必要となる。

多数の長大な構造物が存在しており、強震動や津波巨大地震の震源モデルを事前に予測することが極に加え、長周期地震動の予測も重要である。本研究

めて困難なことは、2011 年東北地方太平洋沖地震やでは、糸魚川－静岡構造線断層帯を震源とする内陸2016 年熊本地震からも明らかであり、長周期地震動地殻内地震を模した多数の震源モデルを設定し、想の予測では、さまざまな可能性を考慮して多数の震定震源域の違いによって長周期地震動の予測結果が（様式 20）成果報告書
どの程度のばらつきを持つかについて、関東地域の以上の計算では TSUBAME2.5 の S キュー（X キュー）3 次元地下構造モデルを用いた 3 次元差分法によるを利用し、48GPU（16 ノード）を使用した実行時間

多数回の大規模地震波伝播シミュレーション結果をは 4.5 時間程度であった。

もとに評価する。
多数回の大規模シミュレーションを行うために結果および考察

TSUBAME の GPU 環境を利用する。防災科学技術研究出力された 1D Dump ファイルに対して、フィルタ、所では、大規模な地震波伝播シミュレーションを高ダウンサンプリングのポスト処理を行い、各ケース精度かつ効率的に実行するための 3 次元差分法に基について速度応答スペクトルの空間分布を求め、さづくソルバ及びプレ・ポスト処理ツールをパッケーらに、70 ケースの結果を統計処理し、7 つの断層面ジ化し、地震動シミュレータ GMS として公開していに対する平均の速度応答スペクトルの空間分布を求る（http://www.gms.bosai.go.jp/GMS/）。我々は、めた（図 1）。震源に近い地域では 100cm/s を超える

これまでに CPU 用に開発した GMS を GPU に対応させ、大きな速度応答となっているが、震源から離れた関TSUBAME 上でのチューニング及び性能評価・精度検東平野においても 100cm/s に近い値となっている地証を行い、数億から数百億格子程度の規模のモデル点が見られる。長周期地震動の振幅が大きい領域は、に対して十分な性能を発揮出来る環境を構築してお関東平野などの平野・盆地部に対応しており、地下り、本研究ではそれを用いる。

構造の影響を適切に評価することの重要性を示して本検討で対象とした糸魚川－静岡構造線断層帯は、地震調査推進本部の長期評価によれば、北部区間、いる。
まとめ、今後の課題

中北部区間、中南部区間、南部区間の 4 つの区間かTSUBAME の GPU 環境を用いて、内陸地殻内地震をらなると評価されており、それらの組合せにより 7対象とした 70 ケースの震源モデルに対する長周期つの断層面を設定した。さらに、アスペリティの配地震動シミュレーションを行い、震源モデルの違い置、破壊開始点位置を複数設定し、合計で 70 ケースによるばらつきを含んだ長周期地震動評価を行った。の特性化震源モデルを作成した（表１）。

今後は、本研究で行った検討を他の地域で想定さ長周期地震動の計算に用いる地下構造モデルは、れている巨大地震に対して適用していくと同時に、防災科学技術研究所によって関東地域を対象に構築

本課題で設定した多数の震源モデルが長周期地震動

された浅部・深部統合地盤モデルである。このモデのばらつきを評価する上で十分な母集団となっていルから、東西 320 ㎞、南北 260 ㎞、深さ 100 ㎞までるかについて検討することが重要な課題である。まの領域を切り出して、水平方向 100m、深さ方向 50mた、シミュレーションによって得られる膨大な計算（深さ 7.5km 以深ではその 3 倍の大きさ）の格子サ結果から、防災、減災に有用な情報を抽出し、効果イズでモデル化した。格子数は約 18 億である。

的に可視化する手法を開発することも今後の重要なGPU 版の GMS を用いた地震波伝播シミュレーショ課題である。

ンでは、地下構造モデルを水平方向に 6×8 に分割し、表 1 設定した震源モデルそれぞれの部分領域に１つの GPU を割り付けて計算処理を行っている。計算結果は、GMS の 1D Dump 機

糸魚川－静岡構造線断層帯能を利用し、地動速度の 1 成分を 1 ファイルとして東西、南北、上下の 3 成分について出力している。1ファイルには、陸域に約 2km 間隔で設定した約 2 万観測点の毎タイムステップ（全部で 98400 ステップ=410 秒）の地動速度値が記録されており、1 ファイ
ルで約 28GB である。震源モデルの大きさにもよるが、

ITSZ1
ITSZ2
ITSZ3
ITSZ4
ITSZ5
ITSZ6
ITSZ7

北部 中北部 中南部 南部○○○○○○○
○○
○
○○○
○
○
○
○

Mw
7.0
7.2
7.1
7.3
7.4
7.4
7.5

アスペ 破壊開 ケース
リティ 始点
数
22
2
1
2
2
2

2
64
6668
計4
128612121670

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相対速度応答（cm/s）

周期 3 秒

周期 5 秒

周期 7 秒

ITSZ1

ITSZ2

ITSZ3

ITSZ4

ITSZ5ITSZ6ITSZ7

図１7 つの断層面について求めた、速度応答値（減衰 5％）の平均値空間分布。