P波最大加速度を用いた新たな震度予測手法の提案

第

3

章

緊急地震速報な与びに企業防災力向上に向けた研究開発

緊急地震速報の高度化@高度利用に向けた研究開発

1

.

P

波最大加速度を用いた新たな震度予測手法の提案

上田竹寛@倉橋奨@正木事日明@入金孝次郎

1

.はじめに 地震の検知直後、主要動の到達前に地震の規模、位置、発生時刻など を即時に計算し、配信するシステムはリアルタイム地震情報システムと 呼ばれ、その一つに緊急地震速報がある。被害の軽減が期待されている が、内陸型地震の場合に、震源に近い地点では主要動が到達したあとで 情報が配信される問題や、東海・東南海地震のような巨大地震の場合に 予測震度を過小評価してしまう可能性など、速報性や予測精度に課題を 抱えている。震度の予測精度向上に関する研究には、山本ほか (2007) は震度マグ、ニチュードを提案し、震度を直接的に求められる震度の距離 減衰式を提案している九しかし、情報提供までの時聞に対しては根本 的な解決には至っていない。図 lは、岩手@宮城内陸地震における緊 急地震速報の第 1報提供から主要動到達までの時聞及び推計震度分布 である。震源に最も近い円が情報提供と主要動到達が同時の地点を示 している。震源近傍において、情報の提供が間に合っていないことが 分かる。そのような地域に対しては、地震動計測機器を予測対象地点 官室箆 t 4g弱 5~是 8弱 回都 宵:密君主 図

1

岩手・宮城内陸地震のおける 緊急地震速報の第

1

報提供から主要 動到達までの時聞及び推計震度分布 図(気象庁

HP

より) に設置し、警報を発するオンサイト警報が有効であると言われている(中村，20082))。しかし、オンサイト警報 のシステムでは、計器が設置されていない任意地点の予測はできない欠点がある。本研究は、オンサイト警報の 概念を取り入れた、任意地点における予測が可能な新たな予測手法の提案を試みる。また、予測に必要な関係式 を提案し、最終的に予測精度の検討を行う。

2

.

新たな震度予測手法の提案 緊急地震速報の震度予測手法3)は、変位波形からマグニチ ュードを求めている。しかし、干場ほか (2009)4)によれば、 P波の最大値の出現時刻は加速度が最も早く、速度、変位の 順に出現する。そのため、加速度からマグ、ニチュードを予測 できれば、より早期に予測が可能であると考えられる。また、

P

波の情報を

S

波に関する既往の経験式と組み合わせて震度 の推定が行われており、最適であるとは限らない。そこで、 より早く、精度良い震度予測を目的とした新たな手法を提案 する(図2)。本提案では、手法による予測が可能かを確認す るため、関係式の定義および予測精度の検討を行った。 加速度波形

P

波マグニチュード計算式等由同 同ーの式 P波マグニチュード(Mp) ￨とする P波最大加速度距離減衰式事...J 地表面における P波最大加速度 震度推定式 予測震度 図

2

提案手法による加速度波形からの震度推定 までの流れ

争 Earthquake 匂 Station 現 40'N

P

波マク、ニチュードを用いた震度予測式の定義

3

.

用いたデータ 3. 1 内陸型地震を対象として、地点及び波形の選定条件に該当する

1570

データ

(

1

2

4

地点、

55

地震)を用いて、震度予測式の導出と精度の検討 モホロピチッチ不連続面 を行った。震源距離

1

2

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r

n

以遠の記録には、 38'N からの屈折波による影響が考えられるので、

1

2

0

k

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n

以内の記録を対象 とした。また、同ーの地震で5記録以上あり、同一地点で 5記録以上 あることを条件とした。 142企5 140舎E 138'芭 3昏'N 関係式の導出および精度検討に 図3 用いた地震及び地点 条件1:対象地点の選定 震度

5

以上の地震が計測された地震において、震度

4

以上が計測された地点を対象とする。選定に用いた地 震は平成

1

6

年新潟県中越地震、及び平成

20

年岩手@宮城内陸地震の本震および余震を用いた。 条件

2

:波形記録の選定 条件1で選定された地点において、内陸型地震の震度 l以上の記録であること。また、モーメントマグ、ニチュー ドが

4

.

5

以上であり、

P7

皮および

S

波の読み取りが可能であること。

P7

皮マグ、ニチュードの定義

3.2

モーメントマグ、ニチュードと相関の良い P波マグ、ニチュードを 本研究で、は気象庁マグ、ニチュードに代わり、 定義し、震源のパラメータとして用いた。 P波マグ、ニチュードは P波最大加速度(上下動成分)から決める指標 マグ、ニチュードの値が6.0でモーメントマグニチュードと一致するように定義した。モーメントマグニ であり、 モーメントマグ、ニチュードは地震モーメントから定義されるので、物理 チュードと関係を持たせた理由として、 ところで、図4の震源距離と地表面におけるP波最大加速度 的な意味が明確な指標であることが挙げられる。 モーメントマグ、ニチュード6以上、震源距離

50km

未満のデータはばらつきが大き (上下動成分)の関係から、 いことが分かる。 マグ、ニチュードを過小評価する可能性があるため、

P

i

皮マグニ チュード(P波最大加速度距離減衰式)の導出に用いる記録から除外することにした。 モーメントマグ、ニチュードとP波マグ、ニチュードの関係を図 5に、気象庁マグ、ニチュードと P波マグ、ニチュ これらのデータを用いた場合、 ードの関係を図6fこ示す。定義式は地表面におけるP波最大加速度(上下動)の距離減衰式と同ーの式とするた

Mp=O.97

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103 自 にJ 制102 姻 R

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震 気象庁マグ、ニチュードと P波マグ、ニチュード 図 6 モーメントマグ、ニチュードと P波マグ、ニチュード

1

6

図5 地震面P波最大加速度 図

4

3.3 地表面におけるP波最大加速度の予測 地表面における P波最大加速度の予測には、 P波マグ、ニチュードを用いたP波最大加速度の距離減衰式を用 いる。距離減衰に関する既往研究の多くは、 S波に関するものであり、 Pi皮に関する研究は十分にされていなし、。 そこで、リアルタイム地震情報の利用を目的とした、地表記録における P波最大加速度の距離減衰式を本研究 において導くことにする。回帰式は S波に関するものを参考5)にして、係数の決定は 2ステップ法(Joynerand Boore，19816_{))を用いた。これは、回帰係数聞のトレードオフ問題を回避するため、 2段階で近似を行う方法で} ある。その結果、式 (1)を得た。右辺の第 2項が幾何減衰を表し、第 3項が粘性減衰を表す。また、第 4項は 地点ごとの増幅(サイト係数)である。式(1)のサイト係数は地点ごとの値の平均を示している。 log Prnax

=

0.600・M p一logr -0.0055・r-0.338 (1)

P

m

田 :p波の最大加速度(上下動成分)(gal)

M

p :p波マグ、ニチュード r 震源最短距離(krn) a， b，

C

:

回帰係数 また、式(1)を変形した式(2)によって、 P波マグ、ニチュードは算出される。 Mp =

1

.

667.(logPmax

+

logr

+

0.0055.r

+

0.338) (2)

3.4 P

波最大加速度と震度の関係式 既往研究(例えば、翠川ほか，1999)によれば、

S

i

皮最大速度と震度の関係は高い相闘があるとされている。 しかし、リアルタイム地震情報はS波の到達を待たず、震度を予測する必要があるため、 P波から震度を予測す る必要がある。そこで、地表面P波最大加速度と震度の関係式を提案する。 図7の左にS波最大加速度と震度の関係、中にP波とS波最大加速度の関係、そして、左にP波最大加速度 と震度の関係を示す。 P波最大加速度およびS波最大加速度は地表面におけるものである。 1 地表面S波最大加速度 (水平動成分)(gal) 相関係数 0.95 J回 世 右

足

9

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4

鑑官

3

2

昨

縦三

雪空 3 A り I 地表面P波最大加速度 (上下動成分)(gal) 相関係数 0.85

ト

2 再 tH1く101 O A U 1 地表面P波最大加速度 (上下動成分)(gal) 相関係数 0.89 3 ハ U l 図7 地表面における P波とS波の最大加速度、および震度の関係 左の S波最大加速度と震度では、相関係数は0.95と高い。このことは既往研究とも一致している。次に、中 の

P

波と

S

波の最大加速度の関係の相関係数は

O

目的と高い。よって、

P

波最大加速度から震度を推定すること が可能であることを示している。右のP波最大加速度と震度の関係を確認すると、相関係数は0.85と高く、 P

i

皮最大加速度から震度を予測することが可能であると判断できる。

回帰式はS波についての式を参考にした。解析には平均回帰直線(宇津，19847_{))を用いた。これは独立変数と} 従属変数を入れ替えて最小二乗法により 2つの回帰式を求め、その幾何平均を平均回帰直線とする方法である。 得られた平均回帰直線は式(3)となった。 (3) 1

=

2

.

1

8・logPmax+0.77 :震度 :p波地表面最大加速度、上下動成分(gal) 回 m P L P波マグニチュード計算式 Mp = 1.667 . (log

凡

田

+logr+ 0.0055. r十0.338) +実測地点のP波のサイト特性(補正) P波マグニチュード(Mp) pj皮最大加速度距離減衰式 log

凡眠=

0.600 . M p -logr -0.0055 . r -0.338 +予測地点のP波のサイト特性(補正) 震度推定式 1 =2.18・logP max+ 0.77 十予測地点の震度のサイト特性(補正) 予測震度

4

.

本提案手法の検討 本提案手法の流れと導出した関係式を図8fこ示した。 加速度波形 ここまで示したサイト特性は平均値であり、地点ごとに サイト特性を評価する必要がある。 提案手法の精度検討では、サイト特性を補正したもの で、行った。また、実測波形には高振動数成分が含まれる 可能性があるので、震度フィルターをかけたものについ て検討した。その結果を図9に示す。 地表面における

P

波最大加速度 図から震度フィルターによる予測精度の改善はほとん フィルターを用いなくても ど見られなかった。よって、 十分に予測が可能であると言える。ただし、図中の×印 は大きな地震(モーメントマグニチュード6以上)であ り、かつ震源近傍(震源距離50km以内)の記録である。 これらの記録は過大に予測されている。 この点について 図8 提案する震度予測手法と用いる関係式 は、今後改善しなければならない。 実 測 震 度 標準偏差 0.64 勺 F f O N 3 A ﹃ 1 d ゥ “ 1 i A U

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J F フィノレター:震度フィルター 7 F ぷ り F3A 品 寸 今 3 ウ & 1 1 n u

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J F 1 2 3 4 5 実 測 震 度 標準偏差(震度フィルター) 全体 0.43 実演u震度4以上 0.56 フィノレター:なし 7 7 r b 戸 5 A 守 今 3 2 1 A O 1 2 3 4 5 実 測 震 度 標準偏差(フィノレターなし) 全体 0.44 実測震度4以上 0.56

。

世

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J F 提案手法による予測震度と実測震度 (x印はMw6以上で震源距離50k m未満の記録、口印はその他) 図9 図10は緊急地震速報の手法による予測震度と実測震度の比較である。緊急地震速報は予測震度4以上が有効 であるため、実測震度4以上の標準偏差で比較すると、提案手法の精度の方がよいと言える。ただし、本手法の 場合は実測記録から求めた対象地点のサイト特性を用いているのに対し、緊急地震速報の場合のサイト特性は 18

500m

メッシュの地形分類から、松岡・翠JII

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1

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)

8

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によって表層地盤特性を評価した違いはある。平均サイ ト特性を場合は、十分に地点のサイト特性を評価していないため、精度が低くなっている。 今回の検討から、提案した方式は適切にサイト特牲を与えれば、有効な震度予測方式であると言える。

5

.

結論 モーメントマグニチュードと相聞のよい

P

波マグニチュードを提案した。

P

波マグニチュードは

P

波最大加 速度から決まる指標である。また、これを用いて震度予測値屈の地表面におけるP波最大加速度を推定する経 験式を示した。そして、地表面のP波最大加速度から震度を求める経験式についても示した。以上により、 P波 マグ、ニチュードを用いて、震度を予測する手法を提案し、その有効性を示した。 今回の予測精度の検討では、現在の緊急地震速報よりも震度の予測精度が良いことが分かったが、より多く の地震、地点に対し、検証していくことは必要である。また、地震計が設置されていない任意地点のサイト特性 の与え方や巨大地震における震源域近傍での予測に対しては今後の課題として残っている。 P波マグ、ニチュード を用いて、どのような手順を踏めば震度の予測が可能になるかを示せたが、これらの課題を早期に解決し、実用 化に向けて更なる改良が必要である。 謝辞 本研究は、独立行政法人防災科学技術研究所の運用する強震観測網

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および

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の記録、及び

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による地震のメカニズム情報を用いています。また、地形分類からの表層地盤特性は「全国地形分類図に よる表層地盤特性のデータベース化、および、面的な早期地震動推定への適用」日)を利用しました。ここに記し、 謝意を表します。 参考文献 1)山本俊六，堀内茂木，中村洋光，呉長江緊急地震速報における震度マグニチュードの有効性，物理探査，

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中村豊:地震防災システムの動向，鉄道と電気技術，

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2008

3

)

気象庁地震火山部:緊急地震速報の概要や処理手法に関する技術的参考資料，

2007

4

)

干場充之，石切一宏，大竹和生・最大動の出現時間について 緊急地震速報のより迅速な

M

推定を目指して I巨大地震に対応した高精度リアルタイム地震動情報の伝達システムの構築」会議資料，

2009

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7)宇津徳治震度一震央距離マグニチュードの関係 その 1.東日本太平洋岸沖合を除く日本の浅発地震，地震 研究所量報，

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松田昌志，翠川三郎:国土数値情報とサイスミックマイクロゾーニング，第

2

2

団地盤震動シンポジウム資料 集，

2

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4

，

1

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9)久保智弘，久田嘉章，柴山明寛，大井昌弘，石田瑞穂，藤原広行，中山圭子.全国地形分類図による表層地盤特 性のデータベース化、および、面的な早期地震動推定への適用，地震

2

，

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2003