気象研究所研究開発課題評価報告
緊急地震速報高度化のための震度等の予測の信頼性向上技術の開発
中間評価
- 副課題１：緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発
- 副課題２：震源・マグニチュードの即時推定精度および震度の予測精度の向上に関する研究
研究代表者
干場充之（地震火山研究部 第四研究室長）
研究期間
平成21年度～25年度
中間評価の総合所見
研究の動機・背景
（副課題１）緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発
現在の緊急地震速報の処理では、地震が連発した場合には適切に対応できない課題がある。引き続いて発生した２つ以上の地震についてはイベントの分離が難しいのが現状である。
（副課題２）震源・マグニチュードの即時推定精度および震度の予測精度の向上に関する研究
緊急地震速報における震度予測の精度向上には、まず、震源とマグニチュードの迅速かつ適正な推定が重要である。また、巨大地震では断層面に広がりが見られるが、この広がりの影響を震度予測に取り入れれば、精度の向上が期待できる。
①海底地震計の活用による震源決定精度の向上
海域に設置したケーブル式海底地震計は海溝型地震の震源域近傍に設置されているため、より早い段階で地震波を検知することができる。しかし、その特殊な設置条件のため、陸域に設置した地震計とは異なるデータの扱いが必要となる可能性がある。
②迅速かつ的確なマグニチュードの推定と震度予測における観測点補正等の導入
緊急地震速報では、少数の観測点でのみ地震波が到達している段階でマグニチュードを決定するため、使える観測点は少なく、決定誤差が大きいのが現状である。迅速かつ的確なマグニチュードの決定、さらに、精度の高い震度予測が求められている。これを解決するにはリアルタイムでデータを送り出す観測網を増強すること、および、震度の予測手法の向上が重要であるが、本研究では、このうち、震度の予測精度を向上させる手法を開発する。
③巨大地震の断層面の広がりに対応した震度予測手法の開発
巨大地震においては、震源は点ではなく、断層面の広がりを無視できない。現状では、震度予測において、この広がりのある断層面には十分に対応していない。
研究の成果の到達目標
（副課題１）緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発
連発する地震の中で発生したやや大きな地震に対して、個々の地震を分離し適切に震源決定処理ができる技術を開発する。（* 達成目標の変更あり．「2．今後の研究の進め方」に記述）
（副課題２）震源・マグニチュードの即時推定精度および震度の予測精度の向上に関する研究
ケーブル式海底地震計をより有効に活用する技術を開発する。また、マグニチュードの推定を迅速かつ的確化すること、観測点ごとの補正値の適正化を図ること、により震度予測の手法の改良を行う。さらに、巨大地震の震源の広がりの影響を取り入れることにより、震度予測の手法の向上につなげる。
研究の現状
（１）進捗状況
気象庁本庁の緊急地震速報の技術担当とは緊密に連絡を取り合いながら現場での課題に応じられるように研究をすすめた。概ね順調に進んでいる。ただし、以下に示すとおり、当初計画していた手法についての課題が明らかになったことから、異なる手法での技術開発について検討を行った。
東北地方太平洋沖地震の余震活動では、数週間にわたり過大な震度予測をする緊急地震速報が多くあった。これは、複数の地震が広域でほぼ同時に発生したため、システムが混乱し、震源・マグニチュードを適切に決められなかったためである。副課題１「余震・群発活動・連発地震への対応」に関して、当初計画では、「余震や群発、連発地震等では発生場所はほぼ同じ」という前提のもとで技術開発を進めることを想定していたが、今回の事例ではこの前提が成り立たないことが明らかになった。そこで、この前提を使わない新たなアプローチの考察を行った。（「（３）当初計画からの変更点」を参照。このアプローチは、副課題２の”巨大地震の震源の広がり”への対応も可能である）。
なお、東北地方太平洋沖地震以降、とくに海外から、緊急地震速報についての招待講演を依頼されることが多く、なるべく対応した。また、緊急地震速報の予測精度向上の研究は、Ｈ２４年度科学技術重要施策アクションプランに登録され、国としての重要研究課題とされた。
（２）これまで得られた成果の概要
短期的に成果の求められている、海底地震計の活用による震源やマグニチュード決定精度の向上、および、的確な震度予測のための観測点補正等の導入、の課題について重点的に進めた。成果は本庁に報告され、業務に応用された（あるいは、その予定）。
（副課題１）緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発
- 気象庁・他機関からの地震波形データの収集とデータセットの作成を続けている。内陸の比較的大きな地震(およびその余震)・群発地震等の連続波形記録をはじめ、緊急地震速報を発した全波形記録の保存と編集を進めた。なお、東北地方太平洋沖地震では連続記録を保存している。これらは、本研究のほか他の研究の遂行に使用された。
- 震源決定の自動処理・地震波形の信号処理・地震の相判別等に関する文献や資料の調査、開発者への聞き取り等を行うことで、各種手法の一長一短を調査し従来手法の調査と評価を行った。
- 当初「余震や群発地震等では発生場所はほぼ同じ」という前提のもとで開発していくことにしていたところ、東北地方太平洋沖地震ではこの前提が成り立たないことが明らかとなった。そこで、新たに、震源とマグニチュードによらず震度予測を行う方法、具体的には、波が伝わっていく様子を実時間でモニターすることで予測を行う方法を考察した。
（副課題２）震源・マグニチュードの即時推定精度および震度の予測精度の向上に関する研究
①海底地震計の活用による震源決定精度の向上
- 気象庁がＨ20に東南海沖に設置したケーブル式海底地震計（東南海ＯＢＳ）データを緊急地震速報に適用するに当たり、海底地震計の記録について吟味した。気象庁ばかりでなく他機関データ等の資料の調査と解析を継続し、１観測点で震源距離を求める現在の手法（Ｂ―Δ法）における適応の可否について調べ、現在のパラメータでも概ね適応可能であるとの結果を得た。Ｂ―Δ法に関して海底地震計特有の補正値が必要となるわけではなさそうである。
- 東南海沖ＯＢＳについて、観測点ごとの走時補正値やＭ補正について検討を進めた。走時に関しては1~3秒の補正を、また、マグニチュードに関しては、系統的に0.6の補正を加えるべきことがわかった。
②迅速かつ的確なマグニチュードの推定と震度予測における観測点補正等の導入
- 震度の予測精度向上の一環として、現在の震度推定手法における観測点補正値の改良の検討を進めた。震度観測の実測に基づく補正値を推定し、従来の微地形区分に基づく補正値を用いる方法より精度向上が期待できることを示し、業務化に向けて本庁に計算方法等の資料を提供した。（本庁では、昨年度3月に業務化との予定であったが、東北地方太平洋沖地震を受けて延期になった）
- 震度の予測精度に大きな影響を及ぼす地表最大速度や震度の距離減衰式について評価を行った。特に近距離に注目し、地表最大速度を介するよりも直接震度を推定する方が比較的精度が良いことを示した。
- 観測点補正に関して、震度の増幅量というスカラ量では様々な周期の揺れの増幅を考える上では必ずしも十分でないことが予想される。実際の波形を解析した結果、震度を基に震度増幅率のみの観測点補正を用いて他の地点の震度を予測するよりも、波形の周期も考慮した観測点補正を用いて予測する方が、約2割の改善が見込めることを示した。
- １観測点で震源距離を求める手法では、地震波の到来方向の推定が重要である。そこで、１観測点の解析結果が比較的多く用いられる島しょ部について、到来方向の推定精度を向上させることを検討した。従来用いられているよりも短い時間長を用いる方が、精度が良くなる結果を得た。
- 緊急地震速報に用いるマグニチュードを推定する手法について検討した。P波部分から求めるマグニチュードについて、Ｈ20年度の緊急地震速報評価・改善検討会技術部会で、従来（S-P時間の0.7倍）よりももっと短い時間長（S-P時間の0.5倍）にする案が取り上げられたが、その影響を調査したところ、Mの過小評価に繋がり易いことがわかった。（その結果、短い時間長（S-P時間の0.5倍）で推定するのは全国的には行わず、南西諸島のみ、とすることとなった）。
- Ｐ波の最初の数秒間の卓越周期から最終的なマグニチュードが推定可能であるとする考え（τc法、τPmax法）があり特に海外の研究者では多く用いられている（気象庁では用いていない）。東北地方太平洋沖地震で吟味した結果、この地震ではこの方法はうまく働かないことと、その理由（きわめて強い高周波が輻射）を示した。マグニチュードの推定について、現在の気象庁方式と同様に時間の経過とともに逐次更新していくことが重要との見解を得た。
③巨大地震の断層面の広がりに対応した震度予測手法の開発
- 震源域の広がりに対応した震度予測の一環として、既往の震源域推定手法の調査を進めるとともに、過去に日本近海で発生したＭ８クラスの地震の波形記録に現在の緊急地震速報の処理を適用し、マグニチュードや震度の推定の振舞を調査した。その結果、震源域の広がりに対応するためには、揺れの実時間把握が必要であることを示した。
- 断層面の広がりに対応する手法として、震源とマグニチュードによらず震度予測を行う方法、具体的には、揺れが伝わっていく様子を実時間で把握することで震度予測を行う方法を考察した（これは、副課題１での余震・群発活動・連発地震への対応と共通の方法である）。この方法は、断層面の広がりそのものを求めることにはこだわらず、断層面の広がりに対応した震度予測を目指すものである。
（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
- 東北地方太平洋沖地震の余震活動では、複数の地震が広域でほぼ同時に発生したため、システムが混乱し、震源・マグニチュードを適切に決められず、その結果、震度を過大評価した場合が多かった。副課題１に関して、当初計画では、「余震や群発地震等では発生場所はほぼ同じ」という前提のもとで技術開発を進めることを想定していたが、今回の事例ではこの前提が成り立たない。そこで、新たに，（この前提条件に基づくのではなく）震源とマグニチュードによらずに震度予測を行う方法を考察することとした。具体的には、一旦、震源とＭを決めるという方法ではなく、揺れが伝わっていく様子を実時間で把握することで震度予測を行う方法である。この方法は、同時に、副課題２の③「震源域の広がり」にも適用できる方法である。
- 本研究の当初の計画以外の対応として、気象庁本庁の地震火山部からの依頼により、地震火山部と防災科研との共同研究「強震データの緊急地震速報への活用に関する研究」にも参画することとなった。この依頼研究の中では、首都圏の防災科研KiK-netのボアホール（深さ500～3500m）のデータを緊急地震速報に活用すべく、震源決定時の走時補正、Ｍ推定時の補正値、および、ボアホールデータを活用することによる迅速性向上の程度、等の調査を担当している。
- 国土交通省の平成22年度開発途上国研究機関交流事業に応募し、H22年11月9日～17日にメキシコのCentro de Instrumentación y Registro Sísmico, A. C.のJuan Manuel Espinosa Aranda所長を招へいする機会を得た。現在、地震動の直前予測が一般の人向けに発表されているのは、日本以外には、メキシコにおいてのみであり、メキシコおよび日本における地震動の直前予測の現状や技術の紹介、さらには将来展望等について意見交換を行った。この招へいおよびメキシコ版の緊急地震速報について、験震時報にまとめた。
（４）成果の他の研究への波及状況
- 本課題の成果は、地震火山部、防災科研、鉄道総研、地震研と進めている「緊急地震速報の高度化」、地震火山部と防災科研との共同研究「強震データの緊急地震速報への活用に関する研究」、地震予知総合研究振興会で進めている「大深度地震データの利用による早期地震検知検討会」での議論に生かされている。
- ヨーロッパ連合を中心とした地震防災研究プロジェクト（Real time EArthquake risK reducTion，REAKT）に、気象庁の代表として参加し、気象庁での緊急地震速報を紹介するとともに、技術的な議論に参加している。
２．今後の研究の進め方
今後とも、気象庁本庁の緊急地震速報の技術担当とは緊密に連絡を取り合いながら、現場での課題に応じられるように研究をすすめる。
- 副課題１「余震・群発活動・連発地震への対応」については、当初計画していた手法ではＭ９クラスの巨大地震への対応に問題があることがわかったため、揺れが伝わっていく様子を実時間で把握することで震度予測を行う方法で臨むこととしたい。これは、副課題２の③「断層面の広がりへの対応」も可能である。この方法では、揺れ（地震動）の空間分布の把握とその伝播方向を求めることが重要である。揺れの空間分布の把握については、適切な内挿・外挿方法を探る。また、波の伝播方向については、アレイ処理の技術を応用する方策を探ることとする。
なお、この変更に伴い副課題１「緊急地震速報のための余震・群発活動・連発地震に対応した処理手法の開発」での達成目標を“連発する地震の中で発生したやや大きな地震に対して、個々の地震を分離し適切に震源決定処理ができる技術を開発する”から、“連発する地震の中で発生したやや大きな地震に対して、適切な震度予測ができる処理技術を開発する”に変更したい。 - 海底地震計を用いたより有効な震源やマグニチュード決定手法を検討、評価する。今後、東南海・南海海域でのJAMSTECのDONETの緊急地震速報への適用（さらには、Ｈ23年度3次補正で文科省は東北沖に海底地震計網を検討中）をにらみ、これらの観測点での走時やマグニチュードの観測点補正を推定する。
- より高精度を目指した震度やマグニチュードの推定手法の改良を継続する。観測点ごとの地震波の増幅特性に周波数依存性を取り入れるなどより的確に評価して、震度等の推定精度の向上を目指す。
３．自己点検
（１）到達目標に対する達成度
研究期間の途中段階で発生した東北地方太平洋沖地震により顕著になった課題の解決のため、当初計画していた手法とは別の手法についての考察を行うなど、「緊急地震速報の高度化」という目標に対して、おおむね順調に進捗している。
（２）研究手法の妥当性
震源決定やマグニチュード推定、また、震度予測の精度向上に結びつくように進めてきた。また、東北地方太平洋沖地震の教訓を受けて新たに手法を考察し、現場での課題に対応することを目指しているなど、妥当である。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
短期的に業務への応用が求められている課題（海底地震計の有効な活用や、震度観測点での補正値など）について重点的に進めた。これらの成果は、外部有識者からなる緊急地震速報評価・改善検討会技術部会においても報告され、現場の業務に活用された（あるいは、される予定）。また、東北地方太平洋沖地震での課題（震源域の広がりと広域同時多発）に根本的な対応を考察するなど、現場への活用を意識しながら研究を進めている。
世界的にみると、マグニチュードの決定や震度予測に、Ｐ波の最初の数秒間のデータで推定可能、とする考えも多かった。今回の東北地方太平洋沖地震の解析により、それらの方法がうまく働かないことやその理由を示した。このことは、地震動の早期警戒の情報の研究分野において重要な知見である。
（４）総合評価
緊急地震速報の震度等の予測の改善につながる成果を得て、実際に、既に業務に活用されている（または、される予定）。また、順調に成果が出ており、目標の達成へ進捗している。また、東北地方太平洋沖地震により、当初予定していた手法を変更し、震源域の広がりと広域同時多発の課題に根本的に対応することなど、現場への活用の期待感も高い。
Ｈ２４年度科学技術重要施策アクションプランに登録され、国としての重要研究課題とされていることもあり、本研究を引き続き着実に遂行していく必要がある。