気象研究所研究開発課題評価報告
津波の予測手法の高度化に関する研究
中間評価
- 副課題名１ 多点観測データ等を用いた津波即時予測手法の高度化に関する研究
- 副課題名２ 遠地津波の後続波と減衰特性のモデル化の研究
研究代表者
山本剛靖（地震津波研究部 第四研究室長）
研究期間
平成26年度～平成30年度
中間評価の総合所見
研究の動機・背景
（社会的背景・必要性）
- 2011年東北地方太平洋沖地震が津波による大災害をもたらしたことなどを踏まえ、地震調査研究推進本部は、国の地震調査研究の方針を定めた新総合基本施策の見直しを行い、2012年9月6日に「新たな地震調査研究の推進」の改定を行った。その中で、今後重点的に推進すべき調査研究の一つとして「海域の津波観測網やGNSS観測網等の観測データを活用した津波の即時予測技術の高度化」が提言された。また、科学技術・学術審議会測地学分科会が取りまとめた「災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画の推進について」において、「大学及び気象庁は、即時的地震、地殻変動、津波波形情報などにより、地震動や津波などを高速かつ高精度に予測する手法を開発する。」と提言されている。
（学術的背景・意義）
- 海底水圧計が波源域に近い場合、観測データには地震動起源の大振幅の変動成分がノイズとして含まれるが、その性質は十分に明らかにされていない。そのため、地震動由来の変動成分の性質を明らかにし、津波成分のみを抽出するための効率的な手法を開発することは重要である。また、沖合津波観測網の整備に伴い、稠密な観測データが活用可能となるが、それら大量のデータを津波予測に有効に活用するためのデータ同化手法の研究はようやく始まったばかりで、今後の技術開発が必要である。
- 遠地津波については、海水密度変化の影響を考慮する手法など、新たな計算手法が提案されてきており、それらの成果を津波の後続波や減衰モデルに取り入れられる可能性がある。
（気象業務での意義）
- 2011年東北地方太平洋沖地震における津波警報の課題について、気象庁は有識者の意見を基に、「東北地方太平洋沖地震を踏まえた津波警報の改善の方向性について」（平成23年9月12日）を取りまとめ、その中で沖合津波観測の強化とデータ利用等関連技術の開発を提示した。また、津波警報の継続時間についての見通しを立てることは、防災対応の必要期間の情報を提供するために重要である。これらを踏まえ、本庁地震津波監視課からの要望に沿い、沖合津波観測データを活用した津波即時予測の精度向上、および遠地津波の注警報の解除時期の予測のための研究を行う。
研究の成果の到達目標
（副課題名１） 多点観測データ等を用いた津波即時予測手法の高度化に関する研究
稠密な観測データを高度に活用し、津波成分を抽出する手法や現況を面的に把握する手法を開発する。波源推定に基づく予測手法の高度化及び波源推定に基づかない新たな予測手法の開発を行う。
（副課題名２） 遠地津波の後続波と減衰特性のモデル化の研究
遠地津波の後続波及び減衰特性のモデル化を行い、遠地津波の継続時間の予測を行うことにより津波警報解除の時期の予測手法を開発する。
１．研究の現状
（１）進捗状況
沖合津波観測データからの津波成分の抽出については、地震波や音波等、地震発生直後の高周波成分実観測データと理論合成データを用いて、その除去手法が妥当であることを確認した。
波源推定に基づく津波予測手法について、多点沖合津波観測データを活用するための改良、地震発生直後の段階にGNSS測地データ解析結果を活用するための改良、海底水平変位による見かけの上下変位を取り込む改良を行った。また、津波予測精度をリアルタイムに評価する指標を開発した。
波源推定に基づかない津波予測手法について、沖合津波高から沿岸津波高への換算係数の見直しを行った。
遠地津波の後続波及び減衰特性のモデル化について、津波の成長過程を含めた全期間の振幅時間変化を説明するための数理モデルを構築した。
（２）これまで得られた成果の概要
（副課題名１） 多点観測データ等を用いた津波即時予測手法の高度化に関する研究
- 高速サンプリング高分解能の自己浮上式海底水圧計を、平成26年6月から10月にかけて房総沖に設置し、期間中の7月12日に発生した福島県沖の地震（マグニチュード7.0）に伴う地震動や津波による圧力変化を観測した。地震動による圧力変化の周波数特性を解析し、既存のノイズ除去手法であるバターワース型の漸化式ローパスデジタルフィルタを適用することで適切に高周波成分を除去できることを確認した。
- 波源推定に基づく津波即時予測手法について、震源域内で観測されうる地震動・音波等の非津波成分に伴う海底圧力変化が津波予測精度に与える影響を、理論合成データを用いた数値実験により検証した。ローパスフィルタ適用後に残存する地震動に伴う圧力変化の影響で、観測波形データが短い地震発生直後は精度が低下するものの、時間が経過して観測データが増えると、精度低下は大幅に改善することを明らかにした。
- 波源推定に基づく津波即時予測手法について、沖合観測点で津波が十分に観測されていない地震発生直後の段階における津波予測精度を向上させるため、リアルタイムGNSS測地データ解析によって推定される震源断層解と統合して津波波源を推定できるように解析システムを改良した。東北地方太平洋沖地震津波への事後適用により、適切な震源断層解が得られれば、初期段階での津波予測精度が向上することを実証した。
- 波源推定に基づく津波即時予測手法について、東北地方太平洋沖地震津波の事後解析を通して、海溝付近の海底水圧計データに対しては海底地形により水平変位から生じる見かけの上下変位を考慮することによって波源推定精度が向上することを明らかにした。また、仮想データを用いた検証により、すべての観測点ではなく海底地形変化が急峻な観測点についてのみ見かけの上下変位を考慮すれば精度向上には十分であることを示した。
- 波源推定に基づく津波即時予測手法について、沖合津波観測網の増強に伴って観測データによる波源への拘束が強まると期待されることから、従来の波源推定手法で用いてきた震央位置による波源位置の拘束を緩和するよう手法を改良し、自己浮上式海底水圧計で実測された津波データを用いて、その改良の有効性を示した。
- 波源推定に基づく津波即時予測手法について、実際に活用する場面において時々刻々得られる津波予測結果の妥当性を提示できるよう、予測精度をリアルタイムに評価する指標を開発した。①事前に実施した津波予測数値実験の結果に基づき、沖合観測点配置と津波波源域、及び津波予報区の位置関係ごとに最終的な解に達するに要する時間を定めておく方法。②時々刻々得られる津波予測結果が安定することをもって結果が妥当であると判断する方法。
- 波源推定に基づく津波予測手法を利用した解析により、東北地方太平洋沖地震について震源像の推定を行った。既往研究で得られている地震・津波の発生機構は、互いに整合しない点がある。これらを統一的に説明し、明らかにした震源像は、地震津波発生シナリオ作成の参考に活用できる。
- 沖合と海岸の観測点での津波高の関係について、沖合から海岸へと津波の高さが水深比の1/4乗に比例して増幅することが経験的に導かれていたが、2011年東北地方太平洋地震津波で得られた観測値から、大津波では増幅率が水深比の1/5乗に比例することを見いだした。
（副課題名２） 遠地津波の後続波と減衰特性のモデル化の研究
- 遠地津波の減衰過程だけではなく成長過程を含めた全期間の振幅時間変化を説明するため、津波エネルギーの伝達過程を踏まえた考察に基づき、①波源と二次波源（散乱源）、②伝播経路、③観測点付近の効果の3つに区分して、それぞれの段階ごとに数理モデル化した。この数理モデルによって、減衰定数などのパラメータによって津波の第一波到着から最大波出現までの時間に違いを生じること、遠地からの津波ほどその時間が長くなる傾向が説明できることを確認した。
- 2011年東北地方太平洋地震津波の検潮記録で第一波到達から5時間以上後に見られる顕著な押し波の多くは、ハワイ諸島など津波波源の長軸方向に直交する位置にある島等で反射したと考えるとその出現時刻をうまく説明できることが分かった。
（３）当初計画からの変更点（研究手法の変更点等）
なし
（４）成果の他の研究への波及状況
なし
２．今後の研究の進め方
（副課題名１） 多点観測データ等を用いた津波即時予測手法の高度化に関する研究
沖合津波観測データからの津波成分の抽出については、今後利用可能になることが見込まれる新たな海底水圧連続観測データに対して適用して検証し、地震波等以外の様々な非津波成分が観測されることがあればこれら非津波成分の特徴を分析して除去手法を開発するとともに、必要に応じて津波監視手法や津波予測手法の改良を行う。
波源推定に基づく予測手法の高度化については、震源時間関数の長い巨大地震や地震の連続発生等、一連の津波の中で複数の波源生成時刻を必要とするような現象にも対処できるよう、手法の改良を行う。
波源推定に基づかない予測手法の開発については、稠密な沖合津波観測データから最適内挿法等により逐次・面的に把握される津波現況を出発点として、波動理論に基づく予測手法の高速化、波線理論に基づく予測手法の高精度化の両面から開発を行う。
（副課題名２） 遠地津波の後続波と減衰特性のモデル化の研究
遠地津波の振幅時間変化を表現する数理モデルを、チリ及びアラスカ～アリューシャン～カムチャツカで発生したマグニチュード8～9の地震による日本での津波観測データに適用し、減衰定数などのモデルパラメータを推定する。推定したモデルパラメータの波源域ごとの再現性等について検討し、遠地津波の振幅時間変化の予測可能性を評価する。
３．自己点検
（１）到達目標に対する進捗度
沖合津波観測データから津波成分を抽出する手法の開発については、地震時高周波成分の適切なフィルタによる除去等、その発生が理論的に予想できる現象への対処については概ね終えた。地震時に生じる観測機器の移動等により発生するような予期できない異常データへの対処が残されている。
波源推定に基づく予測手法の高度化については、予測精度向上のための改良を行うとともに、予測精度をリアルタイムに評価する指標を開発するなど、基本的な津波現象への適用という観点からの高度化は概ね終えた。時間的な適用範囲を広げるような改良の余地があると考えている。
波源推定に基づかない予測手法の開発については、波動理論に基づく手法のみに拘らず、まずは様々な手法の可能性の検討を行った。その検討を踏まえ、津波の面的現況把握後の予測に関し、波動理論に基づく手法の高速化、経験的手法や波線理論に基づく手法の高精度化という複数の取り組みを進めている。
遠地津波の継続時間の予測については、沿岸津波観測データの移動自乗平均振幅の全体を説明する数理モデルを構築した。このモデルを観測データに適用してモデルパラメータを決定する解析を進めている。
以上の通り、研究は全体として概ね当初の計画通り進捗している。
（２）研究手法の妥当性
研究開発にあたっては、その成果が業務で活用できるようにすることまでを考慮した。すなわち、本庁の業務担当官との打ち合わせを随時行って要望を確認するなどして、限られた事例にのみ適用できたり成立したりするのではなく、発生しうるあらゆる事例に適切に適用できるだけの完成度を目指している。予測手法の検証にあたっては、津波の実観測データが限られることから、多数の仮想的な観測データを生成して検証に使用しており、十分な検証を行うことができている。仮想データの生成にあたっては、２つの副課題間で共用できるように効率的な作業に努めている。研究成果の業務化のために、この研究手法は妥当であると言える。
（３）成果の施策への活用・学術的意義
波源推定に基づく津波予測手法は、平成27年度に更新された気象庁の地震津波監視システムに取り込まれ、今後、津波警報等の更新判断に役立てられることになっている。同システムについては、沖合津波観測データの前処理に高周波成分の除去手法など本研究から得られた知見が活用されており、平成28年7月の沖合津波観測点の大量追加への対応に寄与している。
（４）総合評価
これまでに得られた研究成果の一部は、気象庁の地震津波監視システムに取り込まれ、業務に活用されている。また、今後得られる成果は、津波警報等の更新のより一層の迅速化・高精度化、及び早い時点での遠地津波の減衰見通しの実現に寄与し、沿岸地域の防災対応に役立つことから、本研究を進める意義は大きい。
４．参考資料
４．１ 研究成果リスト
（１）査読論文 ：7件
1. Tsushima, H., R. Hino, Y. Ohta, T. Iinuma, and S. Miura, 2014: tFISH/RAPiD: Rapid improvement of near-field tsunami forecasting based on offshore tsunami data by incorporating onshore GNSS data. Geophysical Research Letters, 41.
2. Tsushima, H., and Y. Ohta, 2014: Review on near-field tsunami forecasting from offshore tsunami data and onshore GNSS data for tsunami early warning. Journal of Disaster Research, 9(3), 339-357.
3. 今井健太郎, 都司嘉宣, 林 豊, 2014: 東京湾における津波伝播特性の励起源－観測と数値実験による検証－. 土木学会論文集, 70(2), I_211-I_215.
4. 今井健太郎, 田野邊睦, 林 豊, 今村文彦, 2014: 2011年東北地方太平洋沖地震津波における日本列島太平洋沿岸の津波減衰過程. 土木学会論文集, B2-70(2), _276-I_280.
5. Gusman, A. R., Y. Tanioka, B. T. MacInnes, and H. Tsushima, 2014: A methodology for near-field tsunami inundation forecasting: Application to the 2011 Tohoku tsunami. Journal of Geophysical Research, 119, 8186-8206.
6. Maeda, T., H. Tsushima, and T. Furumura, 2016: An effective absorbing boundary condition for linear long-wave and linear dispersive-wave tsunami simulations. Earth, Planets and Space, 68:63, doi:10.1186/s40623-016-0436-y.
7. Saito, T. and H. Tsushima: Synthesizing ocean bottom pressure records including seismic wave and tsunami contributions: Towards realistic tests of monitoring systems (投稿中).
（２）査読論文以外の著作物（翻訳、著書、解説）：2件
1. 林豊, 2014: 潮位・津波観測施設. 東日本大震災合同調査報告 共通編２津波の特性と被害, 共通編２, 62-69.
2. 平田賢治, 山崎 明, 対馬弘晃, 2015: 新型自己浮上式海底水圧計の開発. 気象研究所技術報告, 74, 1-26.
（３）学会等発表
ア．口頭発表
・国際的な会議・学会等：1件
1. Tsushima, H., Y. Hayashi, T. Baba, K. Ando, and T. Kato, Development of tsunami Green’s function database based on linear dispersive-wave theory, 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG2015), 2015年6月, チェコ, プラハ
・国内の会議・学会等：17件
1. 阿部邦昭, 岡田正実, 林 豊, 最大波の遅れ時間の空間分布からみえる反射波の到達-1993年北海道南西沖津波の場合, 日本地球惑星科学連合2014年大会, 2014年5月, 神奈川県横浜市
2. 対馬弘晃, 津波警報の改善に向けた津波即時予測の高度化, 地震学夏の学校2014, 2014年9月, 岩手県下閉伊郡
3. 今井健太郎, 都司嘉宣, 林 豊, 東京湾における津波伝播特性の励起源－観測と数値実験による検証－, 第61回海岸工学講演会, 2014年11月, 愛知県名古屋市
4. 阿部邦昭, 岡田正実, 林 豊, 津波波形の平均化による繰り返し間隔（周期）の検出, 日本地震学会2014年度秋季大会, 2014年11月, 新潟県新潟市
5. 対馬弘晃, 日野亮太, 稲津大祐, 伊藤喜宏, 長田幸仁, 鈴木秀市, 飯沼卓史, 自己浮上式海底水圧計データを用いた2011年東北地方太平洋沖地震の津波波源の推定, 第4 回 巨大津波災害に関する合同研究集会, 2014年12月, 宮城県仙台市
6. 対馬弘晃, 林 豊, 馬場俊孝, 安藤和人, 加藤季広, リアルタイム津波予測のための津波データベースの高精度化, HPCI戦略プログラム分野3「防災・減災に資する地球変動予測」地震津波シミュレーションワークショップ, 2015年2月, 東京都千代田区
7. 堀内明子, 日野亮太, 太田雄策, 久保田達矢, 対馬弘晃, tFISHを用いた近地津波予測の性能評価―2011年3月9日三陸沖の地震（M7.3）を事例に―, 日本地球惑星科学連合2015年大会, 2015年5月, 千葉県千葉市
8. 対馬弘晃, 沖合津波観測による津波波源逆解析とそれを活用した津波即時予測手法に関する研究, 日本地震学会2015年度秋季大会, 2015年10月, 兵庫県神戸市
9. 対馬弘晃, 平田賢治, 山崎明, 松原忠泰, 高分解能・高速サンプリング自己浮上式海底水圧計の開発とその実海域観測, 第5回巨大津波災害に関する合同研究集会, 2015年12月, 東京都文京区
10. 対馬弘晃, 沖合津波観測による波源逆解析に基づく近地津波の即時予測, 日本海洋学会2016年度春季大会, 2016年3月, 東京都文京区
11. 対馬弘晃, 近地津波の即時予測：津波警報の現状と将来にむけた技術開発, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
12. 対馬弘晃, 山本剛靖, 波源推定に基づく津波即時予測手法の系統的な予測性能評価とリアルタイム精度判断指標の開発, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
13. 堀内明子, 日野亮太, 太田雄策, 久保田達矢, 対馬弘晃, 実測データを用いたリアルタイム津波予測アルゴリズムtFISH/RAPiDの性能評価, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
14. 林豊, 沖合と海岸の観測点での津波高の経験的関係の更新, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
15. 阿部邦昭, 岡田正実, 林 豊, 太平洋で観測される津波後続波での反射波の特定-2011年東北津波, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
16. 堀内明子, 日野亮太, 太田雄策, 加地正明, 越村俊一, 対馬弘晃, tFISH/EEW: 沖合津波観測と緊急地震速報に基づく津波予測アルゴリズムの開発とその性能評価, 日本地震学会2016年度秋季大会, 2016年10月, 愛知県名古屋市
17. 阿部邦昭, 岡田正実, 林 豊, 2011年東北津波におけるチリ反射波の2乗振幅偏差での検討, 日本地震学会2016年度秋季大会, 2016年10月, 愛知県名古屋市
イ．ポスター発表
・国際的な会議・学会等：4件
1. Tsushima, H., R. Hino, D. Inazu, Y. Ito, Y. Osada, T. Iinuma, and S. Suzuki, Spatio-temporal tsunami source of the 2011 Tohoku earthquake estimated from tsunami data including pop-up bottom pressure measurements inside the source, 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG2015), 2015年6月, チェコ, プラハ
2. Imai, K., Y. Tsuji, and Y. Hayashi, The origin of predominant long-period tsunami in Tokyo Bay, 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG2015), 2015年6月, チェコ, プラハ
3. Hayashi, Y., Proper Scoring System with Definite Connections to Information Values of Tsunami Warnings, AOGS 2014, 2014年7月, 北海道札幌市
4. Tsushima, H., R. Hino, Y. Ohta, T. Iinuma, and S. Miura, tFISH/RAPiD: Rapid Improvement of Near-Field Tsunami Forecasting Based on Offshore Tsunami Data by Incorporating Onshore GNSS Data, International Symposium on Geodesy for Earthquake and Natural Hazards(GENAH)2014, 2014年7月, 宮城県松島町
・国内の会議・学会等：9件
1. 対馬弘晃, 日野亮太, 稲津大祐, 伊藤喜宏, 長田幸仁, 鈴木秀市, 飯沼卓史, 自己浮上式海底水圧計データを用いた2011年東北地方太平洋沖地震の津波波源の推定, 日本地震学会2014年度秋季大会, 2014年11月, 新潟県新潟市
2. 田野邊 睦, 今井健太郎, 林 豊, 今村文彦, 日本列島沿岸部における津波減衰の周期依存性―2010年チリ中部沖地震津波と2011年東北太平洋沖地震津波―, 日本地震学会2014年度秋季大会, 2014年11月, 新潟県新潟市
3. 対馬弘晃, 林豊, 馬場俊孝, 安藤和人, 加藤季広, 津波即時予測のための線形分散波理論に基づく理論津波波形データベースの作成, 日本地球惑星科学連合2015年大会, 2015年5月, 千葉県千葉市
4. 平田賢治, 山崎明, 対馬弘晃, 松原忠泰, 高分解能・高速サンプリング自己浮上式海底水圧計の開発とその実海域観測, 日本地震学会2015年度秋季大会, 2015年10月, 兵庫県神戸市
5. 山本剛靖, 津波シミュレーション結果の画像解析による特徴抽出, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
6. 対馬弘晃, 林豊, 馬場俊孝, 安藤和人, 加藤季広, 線形分散波理論に基づく理論津波波形データベースの作成とそれを活用した津波即時予測, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
7. 前田拓人, 対馬弘晃, 古村孝志, 線形長波および線形分散波の津波数値シミュレーションのための効果的なPML吸収境界条件, 日本地球惑星科学連合2016年大会, 2016年5月, 千葉県千葉市
8. 対馬弘晃, 津波数値計算に基づく沖合から沿岸への津波高増幅率の周波数特性の推定, 日本地震学会2016年度秋季大会, 2016年10月, 愛知県名古屋市
9. 山本剛靖, 津波シミュレーション結果からの特徴抽出, 日本地震学会2016年度秋季大会, 2016年10月, 愛知県名古屋市