平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

3次元不均質場での波動伝播と強震動のシミュレーション

発表資料 (3.2MB)

1. プロジェクト名

3次元不均質場での波動伝播と強震動のシミュレーション

Numerical simulation of seismic wave propagation and strong ground motions in 3-D heterogeneous media

2. プロジェクト責任者名

古村 孝志 (東京大学大学院情報学環総合防災情報研究センター/地震研究所)

Takashi Furumura

3. プロジェクトの目的

３次元的に不均質な媒質中の地震波動伝播と強震動生成そして津波発生伝播の数値シミュレーションを実施する。陸海プレート境界地震や内陸活断層の地震に伴って放射される地震動が、不均質な地殻・上部マントルを伝播し、地殻表層部の軟弱な堆積層により強く増幅され、そして構造物に被害を引き起こす強震動が生成される一連の物理過程を、運動方程式の大規模計算により理解する。加えて、海溝型巨大地震が引き起こす海底地殻変動と、津波発生伝播を高精度に評価するための、地震と津波の連成シミュレーションを実施する。

地球シミュレータによる計算結果を、日本列島に展開された高密度強震・津波観測データ、そして過去の大地震の古記録と直接比較することにより、シミュレーションモデルを検証し、そしてモデル物性値の調整を進めてモデルの高精度化をはかる。こうして、将来発生が予想される大地震の強震動と津波を高い精度で予測し、災害軽減に活用するための強震動・津波予測シミュレーションを実現する。

4. 今年度当初の計画

巨大地震の強い揺れと津波を、高精度コンピュータシミュレーションに基づき適切に予測して、事前の備えと災害軽減に役立てる。まず、複雑な断層運動により放射された地震波が、不均質な地下構造を伝播して地表に強い揺れと地殻変動を生成する過程を、運動方程式の差分法計算に基づき評価する。次に、海底地殻変動により発生した津波が不均質な海底を伝播して沿岸に大津波をもたらす過程を、ナビエストークス方程式とその長波近似式の差分法計算により評価する。地震動計算と津波計算を結合した「地震―津波連成シミュレーション」により、大地震に伴う強震動と津波が引き起こす複合災害を総合的に評価する。

本年度（H21年度）は、過去の巨大地震（1703年元禄関東地震や、1707年宝永地震）や、津波地震（1896年明治三陸地震、1933年昭和三陸地震）による強震動と津波を再現し、被害発生の原因を明らかにする。また、近年の日本の大地震（1995年兵庫県南部地震、2006年新潟県中越沖地震、2007年岩手沿岸北部の地震など）のシミュレーションも行い、高密度地震観測との比較から、計算結果の検証と地下構造モデルの物性値の修正を進め、シミュレーションモデルの高精度化を図る。

平成20年度より開始した、文科省受託研究「南海・東南海・東海地震連動性評価研究：地震津波の高精度評価」を海洋研究開発機構などの海域地震観測、地下構造探査、地震発生シミュレーションのグループと共同で進める。成果を国の地震調査研究や自治体の防災施策に活用できるよう、動画等を用いた可視化技術を積極的に活用して、社会一般にわかりやすく伝える努力を払う。

年度当初には、新型地球シミュレータ（ES2）の更新を踏まえて、これまでES向けにチューニングを進めてきた地震動の並列計算コード（Seism3D, Seism3D3）の再チューニングを行う。５月～８月には、前述の被害地震や想定地震の強震動と津波評価シミュレーションを進めるほか、ES2の最大限の資源（128ノード）を用いた、地震―津波大規模連成シミュレーションを６月頃に実施する。

5. 研究計画に沿った利用状況度

  • (1) 地震動の並列計算コード（Seism3D3）のES2向けコードチューニングを６月～８月にかけて進めた。
  • (2) 1707年宝永地震の強震動と津波の再現シミュレーションを９月～１１月にかけて実施し、地震学会秋期大会（10月21日）で発表した。
  • (3) 最新の地下構造モデル（大阪府2005年）とES2を用いて、1995年兵庫県南部地震の再現シミュレーションを10～11月に実施した。５年前にESを用いて行った計算との比較を行い、局所的な被害域（震災の帯）や木造家屋を倒壊させたパルス波（キラーパルス）の再現に成功した。
  • (4) 以上の計算等の実施のために、本年度の割り当て時間26,000ノード時間積の90％（23,530ノード時間積）を使用した（1月6日現在）。

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

(1) 新型地球シミュレータ（ES2）向け計算コードチューニングの実施

地震波計算コード（Seism3D3）のES2向けチューニングを実施した．ES2の特性であるCPU―メモリ間のデータ転送速度の低下（2.5Byte/FLOP）の課題や，ベクトル型計算機に初めて導入されたプログラマブルなキャッシュメモリ（ADB）を考慮し、データロード回数の節減や、バンクコンフリクトの一層の解消、ADBの再利用を配慮して、地震動計算のアルゴリズムに立ち戻って、コード修正を進めた。この結果、Seism3D3の実効性能を、チューニング前の22.7%から31.1%に高めることに成功し、計算速度が36%高速化した．平行して、MPI通信の効率化を高めることを目標に、通信バッファサイズの拡大やグローバルメモリを用いた高速通信の採用により、並列化率をチューニング前の99.947%から99.995%に高めることができた．本計算コードは最終的にESの7.8倍の性能比を得た。

本成果を地球シミュレータ成果報告会（9月1日）と東北大学・NEC主催のTera FLOPS Workshop（10月19日、仙台）で発表した。

(2) 1707年宝永地震の強震動と津波のシミュレーション

1707年宝永地震（南海・東南海・東海地震の３連動地震）の新しい震源モデル（南海地震の断層が日向灘まで延びているモデル）を提唱したことに伴い、強震動と地殻変動、そして津波を再評価した。シミュレーションモデルに、最新の震源モデルの知見と海洋研究開発機構や大学等の調査による高分解能地下構造モデルを採用した新しい計算を行った。その結果，南海地震の破壊伝播の進行方向にある四国～九州に向けて，揺れの周期が数秒を超える長周期地震動が強く生成すること，また足摺岬から日向灘の沿岸では最大７ｍの津波が発達するほか，特に土佐湾では海岸地形により津波が内部に閉じ込められ，１時間以上にわたって数ｍの津波が長く続くことが確認できた．本計算から求められた各地の地震動を、東京大学市村准教授らのグループによる大型石油タンクの震動シミュレーションの入力地震動として使用したほか、津波遡上・浸水シミュレーションに活用するなど、被害予測に活用する予定である。

(3) ES2を用いた過去の被害地震の強震動の再現・再解釈

阪神淡路大震災から15年の節目にあたり、最新の地下構造モデルの知見（大阪府2005年）と最新の高速計算機（ES2）を用いた強震動シミュレーションを再度実施した。５年前にESを用いて行った計算の16倍（時空間解像度2倍）の規模の計算をES2を用いて行ったところ、局所的な被害域（震災の帯）や木造家屋を倒壊させたパルス波（キラーパルス）の再現が格段に改善されたことから、大規模シミュレーションに基づく強震動予測の将来の見通しを得た。

2004年紀伊半島南東沖の地震時に記録された海洋研究開発機構の室戸沖ケーブル津波計の津波記録をNavier-Stokes式の３次元計算および線形分散波モデルを用いて評価し、震源破壊の逆解析（震源インバージョン）を進めた。本地震のように断層面積が小さいプレート内地震の断層モデルの推定には，ケーブル津波計で記録された津波の分散波の特徴が決定的な拘束条件となることを示した。旧来の湾内に設置された津波計では分散波は検出が難しく、また一般的な線形長波方程式に基づく津波シミュレーションでは分散波が評価できない。現在、南海トラフ沖に敷設が進められている海底ケーブル津波計と，非線形津波方程式に基づく新しい津波シミュレーションの津波警報・防災への有効性が証明された。

(4) 不均質な地殻・マントルにおける地震波の散乱等に関するシミュレーション研究

　周期１秒以下（周波数１Hz以上）の短周期地震動シミュレーションの実用化を目指し、短周期地震動の伝播と散乱に大きく寄与する、地殻・マントルの短波長の不均質構造（スケールが数十～数百メートル未満）を日本の高密度地震観測（Hi-net;防災科学技術研究所）データ解析と、いろいろな不均質モデルパラメータを用いた地震波伝播シミュレーション結果との直接比較により推定した。その結果、地殻・マントルの不均質性として相関距離がa=5km程度、物性揺らぎの標準偏差がe=7%程度、Von Karmann型と呼ばれる分布特性で良く説明できることを示した。求めた不均質地下構造モデルを用いて2000年鳥取県西部地震のシミュレーションを行い、短周期地震動の波形の特徴（P波、S波、包絡線形状、スペクトル特性）が良く説明できることを確認した。こうして、ES2そして次世代スパコンをもちいて、周期１秒以上の短周期地震動を評価するための地下構造モデルの構築手順が確立できた。

達成度

  • 80%

当初研究計画の未達成の20％は、以下のとおりである：

  • (1) 並列津波計算コードのES2向けチューニングが未達成である。本計算では、既にESよりポアソン方程式の収束計算のベクトル化率を高めることが課題であったが、ES2においてこの問題が一層顕在化した。マルチグリッド法に利用など、アルゴリズムの変更を含む大がかりなコード修正を次年度（H22年度）引き続き行う。
  • (2) 2006年中越沖地震による長周期地震動の評価や、2007年岩手沿岸北部の地震による短周期地震動の伝播と震度分布の異常（異常震域）の再現シミュレーションが現在積み残しである。2008年８月11日に発生した駿河湾の地震のシミュレーションを優先したためであり、今年度末～次年度にかけて再度計画する。
  • (3) 大規模津波シミュレーションに基づく、「津波地震」の成因の解明研究が未着手である。前述の並列津波シミュレーションコードのチューニングの進展を踏まえ、次年度は1605年慶長津波地震を中心に本研究を継続実施する。

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • Furumura, T. and T. Saito, An integrated simulation of ground motion and tsunami for the 1944 Tonankai earthquake using high-performance super computers, Journal of Disaster Research, 4, 2, 118-126, 2009.
  • 古村孝志, 差分法による３次元不均質場での地震波伝播の大規模計算, 地震2, 61巻, S83-S92，2009.
  • 今井健太郎，佐竹健治，古村孝志，南海トラフで発生する地震による四国南部沿岸での津波継続時間，土木学会論文集，　B2-65，281-285，2009.
  • Imai, K., K. Satake and T. Furumura, Amplification of Tsunami Heights by Delayed Rupture of Great Earthquakes along the Nankai Trough, Earth Planet. Sci., 2009, accepted.
  • Cruz-Jimenez, H., F.J. Chavez-Garcia and T.　Furumura, Differences in Attenuation of Ground Motion Perpendicular to the Mexican Subduction Zone between Colima and Guerrero: An Explanation Based on Numerical Modeling, Bull. Seism. Soc. Am., 99, 1, 400-406, 2009.
  • Saito, S., K. Satake and T. Furumura, Tsunami waveform inversion including dispersive waves: the 2004 off Kii Peninsula earthquake" submitted for publication to the Journal of Geophysical Research - Solid Earth under the reference 2009JB006884, 2009, accepted.
  • Saito, S. and T. Furumura, Three-dimensional tsunami generation simulation due to sea-bottom deformation and its interpretation based on the linear theory Geophys. J. Int, 2009, Geophys. J. Int., doi:10.1111/j.1365-246X.2009.04206.x.
  • Saito, T. and T. Furumura, Scattering of linear long-wave tsunamis due to randomly fluctuating sea-bottom topography: coda excitation and scattering attenuation, Geophys. J. Int., doi:10.1111/j.1365-246X.2009.04206.x, 2009.
  • Saito, T. and T. Furumura, Three-dimensional simulation of tsunami generation and propagation: application to intraplate events, J. Geophys. Res., 114, B02407, doi:10.1029/2007JB005523, 2009.
  • Takemura, S.,　T. Furumura, and T. Saito, Distorion of the apparent radiation pattern in the High-frequency wavefield: Tottori-ken Seibu, Japan, Earthquake of 2000. Geophyis. J. Int., 178, 950-961, 2009

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • 古村孝志, 地震波伝播と強震動の大規模並列FDMシミュレーション, スーパーコンピューティングニュース, 東京大学情報基盤センター, 10, 2009.
  • 古村孝志・齊藤竜彦，地震―津波連成シミュレーション，日本計算工学会編，シミュレーションハンドブック，1.5章, 丸善出版，印刷中, 2009．
  • 古村孝志・今井健太郎・齊藤竜彦　, 南海トラフ連動型巨大地震による地震動と津波の予測, 月刊地球，2009.
  • Furumura, T., Visualization of seismic wavefield and strong ground motions using data from a nationwide strong-motion network and large-scale computer simulation, The 1755 Lisbon Earthquake: Revisited, Geological, and Earthquake Engineering, Springer Science + Business Media, 7, 257-272, 2009.

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • 古村孝志，今井健太郎，齊藤竜彦，南海トラフ地震連動発生による地震と津波の高精度評価，日本地球惑星科学連合2009年大会，幕張メッセ，2009.05.
  • 齊藤竜彦，佐竹健治，古村孝志，2004 年紀伊半島沖地震の津波波源の推定：分散波理論に基づく津波波形インバージョン解析，日本地球惑星科学連合2009年大会，幕張メッセ，2009.05.
  • 古村孝志，今井健太郎，南海東南海東海地震の連動発生による強震動と津波--1707年宝永地震の震源モデルの再評価--，2009年日本地震学会秋季大会，京都，2009.10.
  • Noguchi, S., T. Furumura and T. Sasatani, Nonlinear Site Response Due to Large Ground Acceleration: Observation and Computer Simulation, AGU Fall Meeting, S43A-1964, San Francisco, USA, 2009.12　（Poster）.

d. 講演

  • 古村孝志，観測データとコンピュータシミュレーションで見る地震の強い揺れ，第46回名古屋大学防災アカデミー，2009.1.
  • 古村孝志、首都直下地震とその強い揺れに備えて、東京大学地震研究所特別公開講義、2009.2.
  • 古村孝志、大地震発生とその強い揺れに備えて、地域防災講演会、高島第一小学校、2009.4.
  • Furumura, T., Large-scale parallel simulation of strong ground motion using the Earth Simulator, 1999 Chi-Chi, Taiwan, earthquake symposium, Taiwan, 2009.5.
  • 古村孝志、地震と津波の大規模数値シミュレーション，T2Kシンポジウム09 in Tsukuba，筑波，2009.5.　
  • 古村孝志，東海地震による強震動と津波の予測，2009年震災対策技術展セミナー，静岡，2009.6.
  • Furumura, T., Strong ground motion and Tsunami Simulation for the Nankai-Trough Mega-thrust Earthquake Using Supercomputers, 10th Memorial Chi-Chi, Taiwan, Earthquake, Taipei, 2009.9.
  • Furumura, T., 2009Large-scale parallel simulation of strong ground motion and tsunami due to the Nankai-Trough megathrust earthquakes using the Earth Simulator, Tera FLOP Workshop, Sendai, Japan, 2009.10.
  • 古村孝志，東南海・南海地震の連動発生による地震と津波の評価，日本機械学会関西支部フォーラム，大阪，2009.10.
  • 古村孝志，東海・東南海・南海地震の連動発生による地震と津波の予測，損害保険算出機構，2009年災害研究フォーラム，東京，2009.10.
  • 古村孝志，地球シミュレータで予測する東海・東南海・南海地震の強い揺れと津波 ，第７回地球シミュレータシンポジウム，東京，2009.11.

e. 新聞、雑誌での掲載記事

  • 日本経済新聞，2009年5月23日，遠隔地で発生，長周期地震動（首都圏の長周期地震動の観測とシミュレーションに関して）
  • 朝日新聞，2009年5月21日，東海・東南海・南海15～30分差で地震，津波の高さ２倍（南海トラフ地震の時間差発生による津波増幅に関して）
  • 読売新聞，2009年10月17日，東海・東南海・南海３地震連動なら日向灘まで震源域（南海トラフ地震の連動発生による地震動と津波に関して）
  • NHKおはよう日本，2009年5月19日，時間差地震で津波増幅も（南海トラフ地震の時間差発生による津波増幅に関して）
  • 中部名古屋放送，2009年9月26日，迫り来る天変地異（東南海地震の時間差発生による伊勢湾での津波増幅に関して）
  • NHKニュース７，2009年10月7日，宝永地震の震源域見直し（新しい1707年宝永地震の震源モデルを用いた地震と津波シミュレーションに関して）
  • 東京MX TV，2009年10月17日，ガリレオチャンネル，迫り来る首都直下地震（首都直下地震の長周期地震動シミュレーションに関して）
  • 静岡放送，2009年10月18日，大地が揺れるＭ８の恐怖（想定東海地震の地震動と津波シミュレーションに関して）
  • NHKスペシャル、2010年１月10日、Megaquake第１回「次の巨大地震をつかめ人類の果てしなき闘い」（東南海地震、宝永地震の地震と津波シミュレーションに関して）
  • NHKスペシャル、2010年１月17日、Megaquake第２回「KOBE15秒の真実そのとき地下で何が」（兵庫県南部地震の強震動シミュレーションに関して）