[SCG70-07] OpenSWPC + JAGURS: 巨大地震の全波動現象再現のための融合数値シミュレーション
キーワード：津波、地震動、数値計算
西南日本におけるDONET, DONET2や日本海溝におけるS-netが整備され，日本周辺には世界にも類をみない高密度な地震・津波観測網が整備されつつある．それらの記録から，特に震源直上付近における海底の圧力変動は地震動・海中音波・地殻変動・津波が複雑に混ざりあったものになることが分かってきた．海溝型巨大地震の震源域直上の記録を用いて即時的な解析を行い，揺れや津波の予報に繋げるためには，この複雑な記録を正面から取り扱う必要がある．ところが，津波を伴う大地震が高密度の観測網の直下で発生することはきわめてまれであり，数値シミュレーションによってこれらの現実的な記録を合成することが喫緊の課題となっている．これまでに，重力場中の地震動方程式を考えることにより地震動から津波までを統一的に解く方法も提案されている（Maeda and Furumura, 2013）が，そのためには莫大な計算資源を必要としていた．最近の津波発生の理論と数値計算技術の発展を踏まえ，本研究では，地震と津波のシミュレーションのためのオープンソースコードであるOpenSWPCとJAGURSとを組み合わせることで，現実的な計算規模でかつ高精度に，地震動から津波までの一連の波動現象を再現する手法を提案・実装する．
JAGURS (Baba et al., 2015) は，2次元非線形分散長波式を差分法で計算するコードである．ネスティングアルゴリズムが実装されており，対象とする領域を高解像度で解くことができる．OpenSWPC (Maeda et al., 2017)は3次元の地震動を差分法で解くコードであり，適切な表面及び吸収境界条件の採用により，地殻変動までを含む広帯域の地震動を実用十分な精度で再現することができる．どちらのコードも，PCによる小規模なシミュレーションからスパコンによる大規模計算までの様々な問題を，入力パラメータセットの変更だけでシームレスに実現できる．
本研究では，Saito and Tsushima (2015)およびSaito et al. (2019)によって提案された弱連成手法に基づき地震動と津波を合成した．まず，OpenSWPCによって海底での有限断層からの重力を含まない地震動シミュレーションを行い，海面での鉛直方向の変位変動量をその時刻における海面変動量としてJAGURSへの入力とする．カップリング計算はOpenSWPCからJAGURSへの一方向にのみ行う．JAGURSは長波近似のもとで海面変位を計算するため，海底での圧力観測に換算する際には，JAGURSにより計算された津波波高による圧力変化にOpenSWPCで計算しておいた地震動による法線応力の動的変動と上下方向地殻変動の効果を重畳させる．このようにして，陸海の地殻変動と地震動，海中における音波そして津波という，固体地球と海洋からなる系における巨大地震による全波動現象を統一的かつ容易にシミュレーションすることができる．
実際のシミュレーションはそれぞれ独立に行い，座標系の違いを吸収する中間ツールを用いて結合される．OpenSWPCはデカルト座標系でシミュレーションを行い，地理座標とは地図投影を通じて関連付けられる．一方JAGURSは主として極座標系でシミュレーションを行う． そこで，中間ツールがOpenSWPCの一定時間ごとの地表面および海表面における速度をもとに，JAGURSのグリッド緯度経度点における単位時間あたりの変位変動量を双3次補間により推定し，JAGURS用の入力フォーマットで出力する．JAGURSでは複数の時間変化する水位変動を入力とすることができるため，この中間ツールの出力はそのままJAGURSで利用できる．
単純な一様水平床，海底下均質ポアソン媒質のモデルで実装した連成シミュレーションのテストを行った．計算に用いたモデルは4 kmの海水層を持ち，海底下10 kmに上端をもつ100 km x 50 kmの底角逆断層が一様に破壊する．非常に単純な媒質と震源過程ではあるが，提案した方法による連成シミュレーションによって，地震動・海中音波・地殻変動の効果を含むシミュレーションが実現可能となった．ただし， OpenSWPCをからJAGURSに表面変位を渡す時間間隔が1秒以上になると，震央直上の津波後続波計算結果にある程度のノイズが混入することがわかった．これは高周波成分を含む地震波動をナイキスト周波数を超えて粗くサンプリングするためのものと考えられる．この問題に対処するためには，OpenSWPCからJAGURSに接続する全グリッドにおいてアンチエイリアスフィルタを適用するか，あるいは十分に細かいサンプリングで接続を行う必要がある．
JAGURS (Baba et al., 2015) は，2次元非線形分散長波式を差分法で計算するコードである．ネスティングアルゴリズムが実装されており，対象とする領域を高解像度で解くことができる．OpenSWPC (Maeda et al., 2017)は3次元の地震動を差分法で解くコードであり，適切な表面及び吸収境界条件の採用により，地殻変動までを含む広帯域の地震動を実用十分な精度で再現することができる．どちらのコードも，PCによる小規模なシミュレーションからスパコンによる大規模計算までの様々な問題を，入力パラメータセットの変更だけでシームレスに実現できる．
本研究では，Saito and Tsushima (2015)およびSaito et al. (2019)によって提案された弱連成手法に基づき地震動と津波を合成した．まず，OpenSWPCによって海底での有限断層からの重力を含まない地震動シミュレーションを行い，海面での鉛直方向の変位変動量をその時刻における海面変動量としてJAGURSへの入力とする．カップリング計算はOpenSWPCからJAGURSへの一方向にのみ行う．JAGURSは長波近似のもとで海面変位を計算するため，海底での圧力観測に換算する際には，JAGURSにより計算された津波波高による圧力変化にOpenSWPCで計算しておいた地震動による法線応力の動的変動と上下方向地殻変動の効果を重畳させる．このようにして，陸海の地殻変動と地震動，海中における音波そして津波という，固体地球と海洋からなる系における巨大地震による全波動現象を統一的かつ容易にシミュレーションすることができる．
実際のシミュレーションはそれぞれ独立に行い，座標系の違いを吸収する中間ツールを用いて結合される．OpenSWPCはデカルト座標系でシミュレーションを行い，地理座標とは地図投影を通じて関連付けられる．一方JAGURSは主として極座標系でシミュレーションを行う． そこで，中間ツールがOpenSWPCの一定時間ごとの地表面および海表面における速度をもとに，JAGURSのグリッド緯度経度点における単位時間あたりの変位変動量を双3次補間により推定し，JAGURS用の入力フォーマットで出力する．JAGURSでは複数の時間変化する水位変動を入力とすることができるため，この中間ツールの出力はそのままJAGURSで利用できる．
単純な一様水平床，海底下均質ポアソン媒質のモデルで実装した連成シミュレーションのテストを行った．計算に用いたモデルは4 kmの海水層を持ち，海底下10 kmに上端をもつ100 km x 50 kmの底角逆断層が一様に破壊する．非常に単純な媒質と震源過程ではあるが，提案した方法による連成シミュレーションによって，地震動・海中音波・地殻変動の効果を含むシミュレーションが実現可能となった．ただし， OpenSWPCをからJAGURSに表面変位を渡す時間間隔が1秒以上になると，震央直上の津波後続波計算結果にある程度のノイズが混入することがわかった．これは高周波成分を含む地震波動をナイキスト周波数を超えて粗くサンプリングするためのものと考えられる．この問題に対処するためには，OpenSWPCからJAGURSに接続する全グリッドにおいてアンチエイリアスフィルタを適用するか，あるいは十分に細かいサンプリングで接続を行う必要がある．