コンピュータ数値シミュレーションによる明和大津波の挙動特性の解析: 沖縄地域学リポジトリ

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挙動特性の解析

Author(s)

仲座, 栄三

Citation

沖縄科学防災環境学会論文集 (Coastal Eng.), 5(1): 38-49

Issue Date

2020-10-09

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12001/24746

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コンピュータ数値シミュレーションによる

明和大津波の挙動特性の解析

仲座栄三

琉球大学工学部工学科社会基盤デザインコース（〒903-0213 沖縄県中頭郡西原町字千原1番地） E-mail:[email protected] コンピュータ数値シミュレーションによって，八重山諸島及び宮古島諸島を襲った明和大津波（1771年）の挙動特性を調べる研究が，これまでに数多く行われている．それらの殆どは，島々の沿岸に対して，数値計算による津波遡上高と古文書記録に記された津波遡上高や津波石分布から想定される津波遡上高との比較を行うことを主目的としている．本研究では，遡上高の比較は行わず，明和津波の波源と推定される位置から生じた津波が，八重山諸島や宮古島諸島にどのような形で来襲するものとなるのかを明らかにしている．明和大津波は，八重山諸島や宮古島諸島の島々に対して一様な現象となって現れたのではなく，ある特定の地域に際だって高い遡上高や巨大な津波石を残している．また逆に，特定の島では津波の遡上高が周りの島々よりも極端に低いと判断されるような場合もある．本研究では，平面的な津波の挙動に焦点を当てて，空間的になぜ，そのような差異が現れたのかについて明らかにしている．．

Key Words : Meiwa tsunami, numerical simulation, Ryukyu islands, ancient document, tsunami boulder

1. はじめに

コンピュータ数値シミュレーションによって，明和津波の発生と伝播挙動特性を明らかにしようとする研究は，これまでに数多く行われている1), 2), 3), 4)_{．しかしながら，} それらのいずれも，古文書記録に記されている津波遡上高をうまく再現できていないという問題を抱えている．特に，古文書記録に記された石垣島の宮良村や白保村の遡上高は，それぞれ約85 m及び60 mとなっており5), 6)_，従来の経験的なパラメータ設定を超えた対応であっても， 2次元平面モデルによる一般的な数値シミュレーションではこれらの遡上高の再現は不可能とされている．このような状況にあって，従来の数値計算結果の評価に当たっては，古文書記録を部分的に採用したり，伝承や津波石など津波痕跡の状況などから推定される津波遡上高との比較を行ったりして，「大方の再現はできているのではないか」との判断が行われてきている．その結果，例えば，古文書記録5), 6)_の遡上高_{85 m及び60 mなどは，} 高々30 m程度の数値計算結果に対応づけられている．もつとも，従来の研究の多くで参考にされている津波痕跡による最大遡上高は，明和津波以外にも数多くの巨大津波が沖縄先島地方に発生していることを前提としたものであり，石垣島の大浜にある津波大石や宮古島東平安名崎の巨大津波石群に関しては，いまから2000年程前に発生した（仮称）沖縄先島津波によるものとしている 7)_{．その結果，従来，明和大津波の再現計算結果の検証} に用いられている津波遡上高は，場所によっては，古文書記録に記された数値の半分以下となっていることに注意が必要である．著者は，考古学的発掘調査現場の状況や，海中の津波石の侵食量の解析などから，沖縄先島地方に発生した巨大津波は，明和大津波のただの１回であるとする研究結果を発表してきている．加えて最近は，古文書記録の解析から，石垣島の大浜の津波大石が明和大津波によるものであることを明らかにしている8), 9), 10)_{．さらに，牧野が} 明らかにした陸上部の津波石の分布を補足する形に行われた海に引き流された津波石の分布の解析などから，古文書記録に記された遡上高85 m及び60 mなどは肯定されなければならないとする判断を与えている11)_{．これらの} 結果からは，「数値計算結果が明和大津波の遡上高を大方再現できている」とする判断を与えてきた従来の研究結果は，今一度再考されなければならないと判断される．これまで述べてきたように，従来の数値シミュレーションによる明和大津波に関する遡上高の再現計算は，従来の経験的なパラメータ設定を超えた対応においてさえも，過小評価となっている可能性があり，今後，新たな

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考えに基づく津波発生モデルの構築が必要と想定される．現状の数値シミュレーションによる津波遡上高の評価はさておいて，島々の存在する条件下での津波の挙動は興味ある問題と言える．例えば，推定される明和大津波の波源位置に対して，石垣島南岸，多良間島，下地島，宮古島南岸などにおける古文書記録の津波遡上高をそれぞれ比較すると，必ずしも単なる距離減衰に対応するような形にはなっていない．また，波源域に面した海岸で必ずしも大きな津波遡上高になっているという訳でもない．また，津波石の分布によれば，島への遡上や島背後への津波の回り込みにおいても，それぞれの島において大きな違いが現れているように判断される．本研究においては，推定される明和大津波の波源域からの距離や海底地形の相違，島々の位置関係などが，津波の来襲方向や遡上高にいかような違いを与えるものとなっているのかについて，2次元平面モデルによる数値計算によって明らかにすることを主目的としている．

2. 津波断層モデル及び数値計算モデル

本研究では，明和大津波を想定した津波モデルとして，沖縄県津波浸水想定設定業務委託報告書（2015年3月）にもとづき，津波波源モデルP1を採用する．その理由は，研究対象とする八重山諸島及び宮古島諸島の幅広い地域に対して，最も均等な距離にあると判断されることによる．波源モデルP1は，琉球海溝側に位置し，報告書では「八重山諸島南方沖地震」と呼ばれている．波源モデル P1に関する設定条件（パラメータ）は，表—1に示すとお りである．数値シミュレーションには，iRIC SoftwareのELIMOを用いている．これは，全球座標上で非線形長波方程式を差分計算によって解くものであり，３次の差分スキームを用いていることに特色がある．詳しくは，専用のマニュアル等をご参照頂きたい．

3. 明和大津波を想定した津波の挙動特性の数値

計算結果

図—1に，数値計算結果を示す．計算結果は，津波発生 3.086 s 後から1826.766 sまでの間に対して，津波先端の引 き波や最高水位が，着目する島や各地点に到達する時間に対応して表示してある．以下にこれらの計算結果で特徴的なことについて，時間を追って説明する． a）経過時間：3.086 s（0分0秒）津波は，琉球海溝側で発生し，八重山諸島及び宮古島諸島の全域に亘って平面的にはほぼ等しく伝播するように設定してあるので，津波発生後の水位変動は断層長さに対応して断層軸にほぼ平行に直線的かつ一様に伝播する形となっている．図中，凡例の色階調が示すように，青色部は水位の低下部を示し赤色部は水位の上昇部を表す． b）経過時間：577.036 s（8分35秒）波照間島に津波第一波の最高水位が到達した瞬間に当たる．黒島辺りではすでに，津波先端部の水位の低下部分が通過中であり，石垣島南端にも津波の水位低下部が到達直前となっている．多良間島，宮古島地方では，まだ津波の影響を受けていない． c）経過時間：577.036 s（9分37秒）津波の最大水位低下部が石垣島南端（大浜，宮良辺り）に到達し，宮古島南端辺りに津波の引きの影響が現れ始めている． d）経過時間：731.324 s（12分11秒）津波の最高水位が黒島に到達（波照間島到達から2分 34秒ほど遅れている），最大水位低下部が石垣島の白保辺りに到達している．宮古島南端に水位低下部の影響が現れている．ここで，多良間島の南東側に存在する浅い海域で津波が屈折する現象が見られる．石垣島と多良間島との間の海域はその両端側よりも水深が深いため，津波の伝播は，その中央側で進行方向に凸の形を成し伝播している． e）経過時間：837.84 s（14分18秒）津波の最高水位部が石垣島南端（大浜，宮良，白保）に到達（波照間島到達から5分43秒ほど遅れている），黒島と石垣島との間にあるバリアリーフ側から水位の高まりの反射が発生し，反時計回りに回転して，石垣島南端向けに伝播を開始している．多良間島の西海岸には津波の水位低下部が到達している．多良間島の南東にある浅瀬に津波最高水位部が到達している．宮古島南端には最大水位低下部が到達している．黒島の東側を通過した表—1 明和大津波を想定した津波モデルに対する各種条件

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津波が西表島南端に到達している． f）経過時間：975.098 s（16分15秒）石垣島白保に津波の最高水位部が到達（波照間島到達から7分40秒ほど遅れている），石垣島カラ嶽以北の全域に津波の最大水位低下部が到達している．多良間島には南西方向から津波の最大水位低下部が到達している．宮古島南端からは津波の水位低下部の反射が生じ，来襲する沖側の水位上昇部と重なっている．波照間島の背後及び東側は，西表島からの反射波によって水位の高まりが生じている．与那国島では津波の影響が現れ始めている． g）経過時間：1012.127 s（16分52秒）石垣島南端（大浜，宮良）に黒島及びバリアリーフ側からの反射波の最高水位部が到達している．宮古島南端に津波の水位の高まりが到達している（波照間島到達から8分17秒ほど遅れている．また，石垣島南端到達から3 分ほど遅れている）．多良間島の西沿岸に津波の最大水位低下部が到達している． h）経過時間：1092.357 s（18分12秒）宮古島南端に津波の最高水位部が到達している．石垣島及び多良間島間の海域を津波はその進行方向に凸状を成し伝播している．また，多良間島と宮古島間の海域でも津波はその進行方向に凸状を成し伝播している．与那国島の南東側に津波による水位の高まりが見られる（波照間島到達から9分ほど遅れている）． i）経過時間：1206.53 s（20分07秒）石垣島のカラ嶽以北全域が津波の最高水位に達している（波照間島到達から11分31秒ほど遅れている．また，石垣島南端到達から5分49秒遅れている）．石垣島白保に黒島及びバリアリーフで反射した津波が到達している．多良間島の西側に津波に伴う水位の高まりが到達している．西表島の西側では到達した津波の高まりが時計回りに島背後を伝播している．宮古島東平安名崎を反時計回りに通過した津波の水位低下部が北側海岸に沿って北上している． j）経過時間：1292.931 s（21分33秒）石垣島南端（大浜，宮良），黒島東，波照間島東辺りに津波の最大水位低下が生じている．多良間島の西沿岸が最高水位時となっている．また，その南東には，多良間島の南東にある浅海敷で収束した津波の高まりが来襲してきているのが見られる．宮古島南端からは，水位の高まりの沖側への反射が見られる．しかし，沖側では水深が深くなるため，それは発散的となっている．東平安名崎を通過した津波の高まりが，沿岸を北上し始めている． k）経過時間：1437.961 s（23分58秒）石垣島南端（大浜，宮良，白保）に津波に伴う水位の低下が見られる．多良間島の東側に津波の水位の高まりが到達している．宮古島の下地島に向けて津波の水位の高まりが伝播しているのが見られる． l）経過時間：1561.391 s（25分01秒）石垣島白保及びカラ嶽側で津波に伴う水位の低下が見られる．石垣島北端を反時計回りに津波が通過している．黒島及びバリアリーフで反射した津波が，カラ嶽以北の沿岸で最高水位をもたらしている．多良間島の西側を伝播した津波は，その背後にある水納島に向けて西側から近づいている．宮古島東平安名崎を反時計回りに通過した津波は，島の北海岸を北上している．下地島に近づいた津波は，屈折を受けて下地島の南西海岸に向かって伝播している． m）経過時間：1724.92 s（28分45秒）八重山諸島の南東沿岸側では，そのほぼ全域で水位の低下となっている．多良間島の東側を通過した津波がその背後の水納島に到達している．津波の最高水位が下地島の南西沿岸（帯大岩の存在する海岸）に到達している（波照間島到達から20分10秒ほど遅れている．石垣島白保到達から14分27秒ほど遅れている．宮古島南端到達から10分33秒ほど遅れている）． n）経過時間：1826.766 s（30分27秒）波源側に面した殆ど全ての海岸側で，水位の低下が見られる．多良間島の背後にある水納島に東側から来襲した津波は，多良間島の東側を通過したものであり，それが西側からの津波よりも大きいのは，多良間島の南東にある浅瀬で津波が収束し，多良間島の東側へと伝播したことによる．多良間島で津波の高さが比較的小さくなっているのは，その南東にある浅瀬の存在の影響であり，その存在によって津波が石垣島と多良間島間を進行方向に凸状に進行したことが要因である．下地島の場合，宮古島の南西にある来間島の沖から下地島まで続く浅瀬の存在によって，津波が屈折し，丁度下地島で最大の水位となったことが下地島に来襲した津波を高めた要因と判断される．

4. 断層モデルの抜本的見直しの必要性

(5)

はじめに述べたように，明和大津波に関する古文書記録や津波石の存在などから設定される津波遡上高を説明するために取られている津波の数値計算に対する断層モデルにおいては，パラメータの設定に，従来の経験的な設置値よりも大きめの対応が取られている．それであっても，遡上高が説明できないところもある．例えば，今村らの計算においては，マグニチュードが7.7と設定され，海底地すべりが発生したと想定するパラメータの設定が取られている．それでも，計算結果は，石垣島南端や東沿岸，宮古島沿岸で比較的小さめ目の遡上高を与えている．本研究で用いた断層モデルでは，八重山諸島から宮古島沿岸までを均等にカバーする目的から，断層長さを相当大きくとり，マグニチュードを8.8，すべり量を20 mに設定している．それでも，古文書記録による石垣島沿岸や宮古島諸島沿岸の最大遡上高にははるかに及ばない4)_{．こうして，津波の最大遡上高の比較という意} 味においては，従来のパラメータ設定の経験智が通用しない状況となっており，断層モデルの根本的な検討が必要と判断される．マグニチュードを7.4～7.7程度とし，石垣島や宮古島の南岸で津波高を30 m～59 mを推定させるような断層モデルの構築が必要と判断される．

5. おわりに

iRIC SoftwareのERIMOを用いて，八重山諸島から宮古島諸島にまたがる沿岸を対象として，明和大津波の規模に匹敵すると想定される津波を発生させ，その挙動特性を調べた．想定した津波の発生源に最も近い波照間島に津波の最高水位が到達した時間から測定して，各地域に到達した津波の遅れが明らかとなった．最高水位については，黒島で3分6秒，大浜・宮良・白保側で5分43秒ほど遅れてる．さらに，カラ嶽以北の沿岸では全域的に11分31秒ほど遅れる．宮古島の南端では8分17秒ほど，多良間島では11分31秒，下地島では20分10秒ほど遅れる．石垣島南端（大浜，宮良，白保）には，津波の第一波到達後に，黒島及びバリアリーフで反射した津波が第二波として現れる．その後，カラ嶽以北の沿岸にもそれが第二波となって現れる．黒島には，第一波の後に，西表島からの反射波が島の後方に到達する．石垣島の東の沿岸は，その南端部（大浜～カラ嶽辺りまでの沿岸）とカラ嶽以北の沿岸とは，津波の来襲形態が大きく異なる．南端部は，波源からの直接的な津波の影響を受ける．他方，カラ嶽以北の沿岸は，石垣島と多良間島南東の浅海域との間を通過した津波が屈折した形に到達する．多良間島については，その南東に位置する浅海域の存在によって，津波がそこに収束し，多良間島への直接的な津波到達を防ぐ形にある．津波は石垣島と多良間島間の海域をその伝播方向に凸の形を成して伝播する．多良間島は，この津波によってその西沿岸から津波を受ける．さらに，その津波は島の西側沿岸を時計回りに水納島方向に向けて伝播する．多良間島の南東にある浅瀬で収束した津波が多良間島の東沿岸を反時計回りに伝播し，それが主に水納島を襲う．多良間島に来襲した明和大津波が島の西及び東側に交互に来襲したこと及び，水納島に来襲した明和大津波が南東方向から来襲したことは，津波石の分布状況からも肯定される10)_．多良間島に対しては，その南東側にある浅瀬の存在が今回設定した波源に対して防波の役目を果たしているが，津波の来襲方向が南東側となる場合，図—1(i)で示すように，津波の収束域に多良間島が入る可能性が高い．宮古島の南端及び東平安名崎は，波源からの津波を直接的に受ける．東平安名崎を反時計回りに通過した津波は，島の北側海岸沿いに北上する．このような津波挙動は，津波石の散在の様子8) _{からも肯定される．} 下地島の帯大岩や佐和田の浜の前面に散在する津波石は，下地島の西側の海岸から引き流されたものと推定されているが，計算結果はそれを肯定する8)_．石垣島及び宮古島では，津波来襲方向に対して，島の背後となる沿岸では，津波の高さは小さく限定的なものとなる．与那国島では，本想定津波による影響は非常に小さい．今回の検討は，主として津波の平面的な振る舞いを対象としているため，津波高さを表す色階調の最大最小値は，±10mに設定してある．したがって，色の濃淡から大よその津波の高さを知ることはできるが，それらの最大値の比較は，ここに示す図では困難である．本研究における津波伝播の数値計算は，１秒メッシュという比較的粗い海底地形図にもとづいている．また，津波の遡上現象も考慮されていない．そのため，明和大津波の最大遡上高85 mに至る要因を解析するには遠く及ばない．このような津波遡上高の検証には，波の砕波現象まで考慮できる3次元的な計算モデルが必要と判断される．現在，さらに詳細な海底地形データを用いてかつ，津波の遡上までも考慮できる計算を実施中であり，別途その成果を報告したい．謝辞：本研究の一部は，尾崎次郎奨学基金の援助を受けている．ここに記し感謝の念を捧げる．数値計算の実施に当たっては，当時琉球大学工学部・社会基盤デザインコース・仲座研究室学生神田尚輝君の協力を得た．また，本研究を進めるに当たり，博士後期課程の学生田中聡君

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との議論は，大変有意義であった．ここに記し感謝の意を表します．参考文献 1) 今村文彦・吉田功・アンドリユームーア：石垣島における1771 年明和大津波と津波石挙動の数値解析，津波工学研究報告，pp.61-72，2001．

2) Mamoru Nkamura: Fault model of the 1771 Yaeyama earthquake along the Ryukyu Trench estimated from the devasting tsunami, Geophysical Research Letters, Vol.36, L19307, pp.1-4, 2009. 3) 宮澤啓太郎・後藤和久・今村文彦：痕跡調査と数値計算に基づく1771 年明和大津波の波源推定，土木学会東北支部技術研究発表会，II-47，2011． 4) 沖縄県：平成 25 年度沖縄県地震被害想定調査報告書（概要版），169P.，2014． 5) 牧野清：八重山の明和大津波，自費出版，447p.， 1968． 6) 牧野清：改訂増補八重山の明和大津波，自費出版，462p.，1981． 7) 河名俊男・島袋永夫・島袋綾乃・正木譲・伊達望・仲宗根直司・濱中望・比嘉淳：石垣島大浜における 1771 年明和津波による 2 個のサンゴ礁岩塊（高こるせ石）の移動—古文書「奇妙異変記」に基づく考察，沖縄地理，第7 号，pp.53-60，2006． 8) 仲座栄三：宮古島の巨大津波石の分布から読み解く明和大津波の唯一性とその挙動特性，沖縄科学防災環境学会論文集 (Coastal Eng.), Vol.5, No.1, 1-11, 2020． 9) 仲座栄三：石垣島大浜の津波大石は古文書に記載さ

れていたか，沖縄科学防災環境学会論文集 (Coastal Eng.), Vol.5, No.1, 12-16, 2020．

10) 仲座栄三：石垣島大浜の津波大石は古文書に記載されていたか・その２，沖縄科学防災環境学会論文集 (Coastal Eng.), Vol.5, No.1, 17-23, 2020．

11) 仲座栄三：石垣島及び多良間島の海に引き流された津波石の分布が語るもの，沖縄科学防災環境学会論文集 (Coastal Eng.), Vol.5, No.1, 24-34, 2020．

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Miyako Irabu Shimoji Tarama Minna Ishigaki Iriomote Yonaguni Hateruma Hateruma (a) Time=3.086s (b) Time=515.321s 図—1 数値シミュレーションによる津波鼓動（続く）

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(c) Time=577.036s

(d) Time=731.324s

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(e) Time=857.84s

(f) Time=975.098s

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(g) Time=1012.127s

(h) Time=1092.357s

(11)

(i) Time=1206.53s

(j) Time=1292.931s

(12)

(k) Time=1437,961s

(l) Time=1561.391s

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(m) Time=1724.936s

(n) Time=1826.766s