気象研究所技術報告 第 78 号

TECHNICAL REPORTS OF THE METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE No.78

Studies on Monitoring of the 2013 – 2015 Nishinoshima Eruption

BY

Akimichi Takagi, Yutaka Nagaoka, Keiichi Fukui, Shinobu Ando, Kazuhiro Kimura, Hiroaki Tsuchiyama

気象研究所技術報告 第 78 号

2013-2015 年西之島噴火のモニタリングに関する研究

高木朗充、長岡優、福井敬一、安藤忍、木村一洋、土山博昭

気象研究所

METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE, JAPAN

March 2017

METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE

Established in 1946

Director-General: Dr. Kiyoharu Takano Senior Director for Research Affairs: Dr. Kazuo Saito Senior Director for Research Coordination: Mr. Yoshiaki Takeuchi

Forecast Research Department Director: Mr. Ko Koizumi

Climate Research Department Director: Dr. Tomoaki Ose

Typhoon Research Department Director: Mr. Isao Takano

Atmospheric Environment and

Applied Meteorology Research Department Director: Dr. Izuru Takayabu Meteorological Satellite and

Observation System Research Department Director: Mr. Osamu Suzuki Seismology and Tsunami Research Department Director: Dr. Kenji Maeda Volcanology Research Department Director: Dr. Hitoshi Yamasato Oceanography and Geochemistry Research Department Director: Dr. Tsurane Kuragano

1-1 Nagamine, Tsukuba, Ibaraki, 305-0052 Japan

TECHNICAL REPORTS OF THE METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE

Editor-in-chief: Tomoaki Ose

Editors: Wataru Mashiko Masayoshi Ishii Masahiro Sawada Yuji Kitamura Hanako Inoue Hiroaki Tsushima Shinya Onizawa Norihisa Usui

Managing Editors: Rai Okabe, Miyuki Kawamata

The Technical Reports of the Meteorological Research Institute has been issued at irregular intervals by the Meteorological Research Institute (MRI) since 1978 as a medium for the publication of technical report including methods, data and results of research, or comprehensive report compiled from published papers. The works described in the Technical Reports of the MRI have been performed as part of the research programs of MRI.

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the MRI, provided that the source is acknowledged.

TECHNICAL REPORTS OF THE METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE No.78

Monitoring Studies of the 2013 – 2015 Nishinoshima Eruption BY

Akimichi Takagi

, Yutaka Nagaoka

, Keiichi Fukui

, Shinobu Ando

, Kazuhiro Kimura

, and Hiroaki Tsuchiyama

*1

Volcanology Research Department, Meteorological Research Institute

*2

Seismology and Tsunami Research Department, Meteorological Research Institute

*3

Volcanology Division, Seismology and Volcanology Department, Japan Meteorological Agency (until March 2016, in Seismology and Tsunami Research Department, Meteorological Research Institute)

*4

Volcanology Division, Seismology and Volcanology Department, Japan Meteorological Agency

気象研究所技術報告 第 78 号

2013-2015年西之島噴火のモニタリングに関する研究

高木朗充^*1，長岡優^*1，福井敬一^*1，安藤忍^*2，木村一洋^*3，土山博昭^*4

*1 気象研究所火山研究部

*2 気象研究所地震津波研究部

*3 気象庁地震火山部火山課（2016年3月まで気象研究所地震津波研究部）

*4 気象庁地震火山部火山課

気 象 研 究 所

METEOROLOGICAL RESEARCH INSTITUTE, JAPAN MARCH 2017

RESEARCH INSTITUTE No.78, March 2017 doi:10.11483/mritechrepo.78

序

小笠原諸島の西之島で，平成

25

11

12

48

今回の西之島の噴火は，1日あたり

10

m

1

8

海洋気象観測船啓風丸の協力を得て実施した三回の航海観測においては，表面活動の観測や二酸化 硫黄の放出量の測定を行うとともに，西之島周辺で自己浮上式海底地震計による観測も実施した．人 工衛星を活用した観測では，光学センサー画像による放熱率の変化，合成開口レーダー画像による西 之島の地形変化，地殻変動を捉え，静止気象衛星による放射輝度観測から熱活動のモニタリングを行 った．

西之島では，平成

27

2015

11

28

2016

8

17

1.5 km

500 m

西之島のような無人島の噴火に限らず，平成

27

2015

5

最後に，気象庁地球環境・海洋部をはじめとする庁内外の関係各位に改めて御礼申し上げる．

平成

29

3

火山研究部長 山 里 平 地震津波研究部長

前 田 憲 二

The island of Nishinoshima, located ~940 km south of Tokyo, belongs to the volcanic front of the Izu- Bonin arc-trench system. The 2013–15 Nishinoshima eruptive episode began in November 2013 when a new island was created just south of the main island. The new island continued to spew large amounts of lava. After one month, lavas from the new island had merged with and covered much of the main island.

Since Nishinoshima Island is uninhabited, this eruption caused no damage. However, this eruptive episode is volcanologically interesting because it is the first reported eruption to maintain an effusion rate of 10

m

/d for around two years. Monitoring of the eruptive activity at Nishinoshima included observations from a research vessel and analyses of various remote-sensing datasets from multiple satellites.

We summarize observations and analytical results in six chapters of this technical report: (1) visual observations of eruptive activity, (2) plume activity recorded by optical-sensor satellites, (3) thermal activity recorded by geostationary meteorological satellites, (4) lava effusion and ground deformation recorded by the advanced land observing satellite (ALOS-2), (5) SO

emissions in volcanic plumes, and (6) seismicity recorded by ocean bottom seismometers. Temporal variations of these datasets have been synchronized. All observed activity decreased gradually from June to July 2015.

Results in this work indicate that a multidisciplinary approach facilitates eruption monitoring, even in the case of isolated volcanic islands such a Nishinoshima. Remote sensing observations and analyses proved to be especially effective.

－

ii

目 次

第

1

···（木村一洋・長岡 優）··· 1 I Terrain and thermal observations of Nishinoshima from the Keifu-Maru research vessel

第

2

···（福井敬一）··· 11 II Monitoring of Nishinoshima plume activity using satellite optical sensors

第

3

···（土山博昭）··· 23 III Thermal activity of Nishinoshima detected by geostationary meteorological satellites

第

4

···（安藤 忍）··· 34 IV Ground deformation and lava effusion at Nishinoshima observed using ALOS-2/PALSAR-2

第

5

···（長岡 優） ··· 53 V Sulfur dioxide emissions at Nishinoshima

第

6

···（高木朗充・長岡 優） ··· 59 VI Seismicity recorded by ocean bottom seismometers around Nishinoshima

第

7

···

··· 70

VII Summary and conclusions

－1－

第１章 海洋気象観測船「啓風丸」からの地形および熱観測^＊

I Terrain and thermal observations of Nishinoshima from the Keifu-Maru research vessel**

1.1 はじめに

2013

11

39

130 km

2015

2016

3

3

1.2 2015

6

4

気象研究所の観測に先立ち，海洋研究開発機構（

JAMSTEC

2015

2

26

27

JAMSTEC

6 km

JAMSTEC

2015

（

2015a

2015

3

1

UAV

2.55 km

137 m

6,446

m

2015

3

5

12

庁，

2015a

2015

5

26

Fig. 1.1 Track chart of the Keifu-Maru on 4 June 2015.

図

1.1 2015

6

4

2015

3

1

C1-No.448

（杉本，

2002

* 木村一洋（地震火山部火山課，火山研究部併任），長岡 優（火山研究部） ** Kazuhiro Kimura, Yutaka Nagaoka

気象研究所技術報告 第78号 2017

動を続ける主火口である第

7

7

2015

3

25

気象研究所は，気象庁の海洋気象観測船「啓風丸」の

2015

6

1

2015

2

24

6 km

4 km

5

20

10 m

5

30

8.1

Fig. 1.2 (1, 2) Photographs of Nishinoshima from the northwest on (1) 4 June and (2) 1 March 2015.

(3, 4) Photographs from the southeast on the same dates, respectively.

図

1.2

2

からの展望図．

(1)

Fig.1.1

2015

6

4

8:33

(2) (1)

(3)

Fig.1.1

2015

6

4

14:19

(4) (3)

2015

3

1

C1-No.448

2002

2015

3

1

Fig. 1.3 (1) Detailed view of ballistic ejecta above the cinder cone. (2) Photograph of Nishinoshima cinder cone from the southeast on 4 June 2015. (3) Detailed view of the hornito on the northeast slope of the cinder cone.

図

1.3 (1)

1m

(2)

2015

6

4

14:20

－3－

度の観測）を行った．

2015

6

4

Fig. 1.1

まず地形変化について，

Fig. 1.2

2

2015

3

1

C1-No.448

2002

Fig. 1.2(1)

(3)

2015

3

1

Fig. 1.3(2)

Fig. 1.3(3)

2015

3

1

2015

6

15

132

2015

6

18

（海上保安庁，

2015c

次に，噴火活動や噴煙の状況について説明する．火砕丘からは１分に数回程度の間歇的な噴火が断続的に続いてい た．また，Fig. 1.3(1)の火砕丘上部を拡大した可視画像で示すように有色噴煙とともに直径

1m

熱赤外温度の観測について，西之島の南から撮影した熱赤外画像及び可視画像を

Fig. 1.4

2015

5

26

120

Fig. 1.4 Thermal infrared image (top) and photograph (bottom) of Nishinoshima from the south on 4 June 2015.

図 1.4 西之島の南から撮影した熱赤外画像及び可視画像（Fig. 1.1の④から

2015

6

4

15:29

気象研究所技術報告 第78号 2017

1.3 2015

10

3

4

その後

2015

10

2015

6

13

18

6

JAMSTEC

JAMSTEC

2015

2015

6

26

7

3

8

2015

6

24

7

7

2

2015b

7

6

10

50

2015

6

9

12

2015c

8

19

2015

7

6

8

23

9

20

2015b

2015

7

28

UAV

2.74km

は

150 m

8,511

m

3

1

13 m

C1-No.453

気象研究所は，気象庁の海洋気象観測船「啓風丸」の

2015

9 -10

2015

10

3

4

2

10

2

23

10

6

2

2016

6

OBS

2016

2

JAMSTEC

OBS

OBS

Fig. 1.5 Track charts of the Keifu-Maru on 3 and 4 October 2015.

図

1.5 2015

10

3

4

2015

7

28

C1-No.453）及びカ

－5－

が行われた合間を縫って，船上からの火山観測を行った．

10

3

4

Fig. 1.5

まず地形変化について，

Fig. 1.6

2015

6

2015

10

3

UAV

2015

3

1

7

28

7 %

32%

Fig. 1.7

2

7

2015

6

2015

6

Fig. 1.6 Photographs of Nishinoshima from the northwest on (1) 4 June and (2) 3 October 2015.

図

1.6

(1) 2015

6

4

9:27

Fig. 1.1

(2) 2015

10

3

13:20

Fig. 1.5

(1)

(2)

Fig. 1.7 (1, 2) Photographs of Nishinoshima cinder cone from the north on (1) 4 June and (2) 3 October 2015 and from the east-northeast on (3) 4 June and (4) 4 October 2015.

図

1.7

2

(1)

Fig. 1.1

2015

6

4

11:36

(2)

Fig. 1.5

2015

10

3

12:11

(3)

Fig.1.1

2015

6

4

14:07

(4)

Fig.1.5

③）から撮影（

2015

10

4

6:28

(1)

(3)

(2)

(4)

気象研究所技術報告 第78号 2017

次に，噴火活動や噴煙の状況について説明する．噴火活動に伴う有色噴煙は確認できたが前回の航海時ほど活発で はなく，前回の航海で見られた溶岩流と海水の接触によるとみられる水蒸気や，噴石が上向きに飛ぶ様子は確認でき なかった．但し，夜間には島の一部が赤く光る現象が確認できており，Fig. 1.8に示す

2015

10

4

7

7

30

10

90

Fig. 1.9

7

1.4 2016

6

5

8

その後

2016

6

2015

10

2016

5

18

2015d

2016a

2016b

2015

10

13

10

18

11

12

11

17

7

11

12

11

17

14:54

7

爆発音及び激しい空振を伴うブルカノ式噴火があり，約

500

1000 m

2016

5

20

Fig. 1.8 Photograph of Nishinoshima cinder cone in the early morning of 4 October 2015.

図 1.8 早朝に火砕丘周辺を撮影した可視画像（Fig. 1.5の④から

2015

10

4

5:07

7

Fig. 1.9 Schematic representation of glowing lava near the bottom of the crater and along a lava flow on 4 October 2015. The horizontal axis indicates time elapsed since the glow began at the bottom of the crater.

図

1.9 2015

10

4

21

7

軸に時間をとり，第

7

1

0

－7－

方向に落ち込んでいたことが報告された．また，国土地理院は

2015

12

9

2016

3

3

UAV

2.71 km

2.73 km

142m

8,801

m

8,721

m

2015

7

28

8 m

2016

2

17

4 km

1.5 km

2016

6

2016

5

4

6

3

4 km

1.5 km

7

気象研究所は，気象庁の海洋気象観測船「啓風丸」の

2016

6

2016

6

5

8

4

2015

2

6

5

8

Fig. 1.10

Fig. 1.10 Daily track charts of the Keifu-Maru on 5–8 June 2016.

図

1.10 2016

6

5

8

2016

3

3

C1-No.462

2002

気象研究所技術報告 第78号 2017

まず地形変化について，前回の航海に比べて島全体の形状に大きな変化はないものの，火砕丘周辺の地形変形が顕 著であった．Fig. 1.11に西之島の火砕丘を南から撮影した可視画像を示す．火砕丘の南斜面の中腹のやや低いところ から

2015

11

11

12

2015

12

9

C1-No.458）でもこの溶岩流を確認することができるが，火砕

Fig. 1.11 Photograph of Nishinoshima cinder cone from the south on 7 June 2016.

図 1.11 西之島の火砕丘を南から撮影した可視画像（Fig. 1.10の①から

2016

6

7

11:48

2015

11

Fig. 1.12 Photograph of Nishinoshima cinder cone from the north on 5 June 2016.

図 1.12 西之島の火砕丘を北から撮影した可視画像（Fig. 1.10の②から

2016

6

5

14:28

Fig. 1.8

火砕丘の陥没が大きく広がっている様子が確認できる．

Fig. 1.13 Photograph of Nishinoshima cinder cone from the east on 6 June 2016.

図

1.13

Fig. 1.10

2016

6

6

11:58

－9－

降はこの南斜面の溶岩流出口から溶岩が流出するはずで，2016年

11

2016

9

Fig. 1.12

Fig. 1.8

2016

4

14

5

20

Fig. 1.13

2016

11

12

17

2016

12

22

次に，噴火活動や噴煙の状況について説明する．噴火活動に伴う有色噴煙は確認できなかったほか，夜間に島の一 部が赤く光る現象も確認できなかった．

Fig. 1.14

Fig. 1.15

Fig. 1.14 Thermal infrared image (top) and photograph (bottom) of Nishinoshima from the east on 7 October 2016.

図

1.14

Fig. 1.10

2016

6

7

9:13

NEC Avio H2640

2

-40

120

1.0

Fig. 1.15 Thermal infrared image (top) and photograph (bottom) of Nishinoshima from the south on 7 October 2016.

図

1.15

Fig. 1.10

2016

6

7

11:33

NEC Avio H2640

2

-40

120

1.0

気象研究所技術報告 第78号 2017

出跡も若干高温域であることが確認できる．但し，溶岩流出跡に比べて火砕丘南側斜面の方が温度が高い．溶岩流出 跡の温度がそれほど高くないということは，それほど流出量がなかったということかもしれない．

謝辞

本観測に際し，気象庁の海洋気象観測船「啓風丸」の乗組員並びに観測員に多大なる協力を得るとともに，同乗し ていた東海大学海洋学部及び京都大学防災研究所，東京大学地震研究所が撮影した写真も活用した．関係者各位に は，ここに記して御礼申し上げる．

参考文献

海上保安庁（

2015a

132

海上保安庁（

2015b

133

海上保安庁（

2015c

133

海上保安庁（

2015d

133

海上保安庁（

2016a

134

海上保安庁（

2016b

135

海上保安庁・東京工業大学（

2016

135

気象研究所・気象庁（

2015

132

国土地理院（

2015a

132

国土地理院（

2015b

133

産業技術総合研究所・

JAMSTEC

2015

6

26

7

3

133

杉本智彦（2002）：カシミール３Ｄ入門，実業之日本社，148p．

東京大学地震研究所・JAMSTEC・京都大学（2015）：西之島火山の「かいれい」による観測と最近の活動，第

132

第２章 衛星搭載光学センサーを用いた西之島火山における噴煙活動評価^＊

II Monitoring of Nishinoshima plume activity using satellite optical sensors**

2.1 はじめに

2013

11

20

1000 km

130 km

Fig. 2.1

500 m

2015

2014

3

, 2016

2016

8

10

, 2016

このような火山の，定常的な監視には，人工衛星の利用が有効であり，

ALOS-2/PALSAR-2

TerraSAR-X

Maeno et al., 2016

Himawari-8/AHI (Advanced Himawari Imager)

ASTER

Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection radiometer

MODIS

Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer

ALOS-2/CIRC

Compact Infrared Camera

2014

2016

2016

H

O

* 福井敬一（火山研究部） ** Keiichi Fukui

Fig. 2.1 Location map of active volcanoes in Japan (∆), Nishinoshima volcano, and Chichijima.

図

2.1

.

2

る 有

2.2

西之島の噴煙 るいはそれ以上 有する光学セン

Table 2.1 S

Fig. 2.2

図

2.2

観測に利用可

煙の規模は

1

Specifications

(after http://ww

Landsat-8 Left colum panchrom

= bands ( Landsat-8/

（左）ナチ ンド，（右 しい火山噴 赤四角の領

可能な衛星

000 m

s of the satel ww.restec.or.jp

8/OLI image o mn: natural matic band 8

(7,6,5).

/OLI

噴出部と思わ 領域を拡大し

気象研究所

搭載光学セ

であり，衛星画 ンサーが必要 運用されてお

lites and sens p/knowledge/s

15m

of Nishinoshi color image, image. Right

2014

4

所技術報告 第

センサー

画像から噴煙 要である．商用

り（例えば，

sors that acq satellite_term.h

ma and its pl color comp t column: Sho

3

30

4, 3, 2

RGB

7, 6, 5

下は上の画像

第78号 2017

の上昇形態を 用衛星ならば，

IKONOS

uired data us html and https:/

星センサーの

ume on 30 M posite (R,G,B

ortwave infra

B

RGB

像がフルシー 像中の赤四角の

を解析するには

1 m

や

GeoEye，Qu sed in this stu //directory.eop

March 2014.

B) = bands (4 red image, co

て表示），（中 当てて表示．

ン，上の画像 の領域を拡大表

は空間分解能 いはそれ以上の

uikBird，Worl udy.

portal.org/web/

4,3,2). Middl color composi

中）パンクロマ 橙色の領域は 像はフルシーン 表示したもの

能

10 m

ldview（内閣 /eoportal/)

e column:

ite (R,G,B)

マチックバ は高温の新 ン画像中の の．

あ を 官

Fig. 2.3

図

2.3 E

域 赤

Fig. 2.4 T

図 2.4

T R

EO-1/ALI ima Left column:

panchromatic (MS-7,MS-2, EO-1/ALI

（左）ナチュ ド，（右）短波 域は高温の新 赤枠を拡大，

Terra/ASTER Left column:

(R,G,B) = ba Terra/ASTER

（左）可視画像

RGB

下は上の画像

age of Nishin natural color c band image

MS-1).

撮像された

20

R

右下は上の画

R images of N VNIR color nds (10,12,14

で撮像された 像（バンド

3

oshima and i image, color e. Right colum 014

2

15

（バンド

MS-3 R

出物と思われ 画像の赤枠を

Nishinoshima composite, ( 4).

た

2014

4

N, 2, 1

RG

．各列の左下 大．

its plume on r composite (R mn: Shortwav 5

3, 2, 1

RGB

た画像（バン れる）．各列の左 を拡大．

and its plum (R,G,B) = ba

23

GB

15 February 2 R,G,B) = ban ve infrared im

B

MS-7, 2, 1

e on 23 April ands (3N,2,1)

てて表示），（ ルシーン，上

2014.

ds (MS-3,MS mage, color co

て表示），（中

1

RGB

2014.

). Right colum

（右）熱赤外画 の画像は左下

S-2,MS-1). M omposite (R,G

中）パンクロマ 割り当てて表示 上の画像は左

mn: TIR colo

画像（バンド 下の画像の赤枠

iddle column G,B) = bands

マチックバン 示．赤色の領 左下の画像の

or composite

10, 12, 14

: s

ン 領 の

,

を 右

気象研究所技術報告 第78号 2017

房宇宙開発戦略本部事務局，2011）），ステレオ観測や動画データの取得が可能な衛星もある．無償で利用可能な衛星 データとしては，Landsat 8号に搭載された

Operational Land Imager（OLI）

Advanced Land Imager（ALI）

ASTER

15 m

OLI

15 m

PAN

ALI

10 m

3

16

ASTER

ALI

37 km

Landsat

185 km

16

OLI

10

06

ASTER

10

24

ALI

08

18

09

38

本研究ではこれら無償で入手可能な衛星搭載光学センサーのジオコーディングされたデータを用いた．

Table 2.1

Fig. 2.2

2.4

2.3 解析方法

2.3.1

衛星画像から火山噴煙の高度を推定するには噴煙の温度データから推定する方法や，噴煙の移動方向から推定する 方法，複数の衛星や立体視センサーによる視差を利用した方法，噴煙の影を利用した方法が用いられている（

Prata et al., 2015

Fig. 2.5 Geometry of the image (T) and shadow (S) of a point (P) on the plume edge.

l: shadow length in satellite image

L: shadow length projected on the Earth’s surface

d: shift of point (T) in the satellite image from point (P) on the plume edge.

α: solar elevation

θ: look angle of satellite sensor φ

: solar azimuth, from north

φ

: sensor imaging azimuth, from north

図

2.5

OS

L

h

α

θ

TS

l

φ

φ