[S17P] PM-P

[S17P-01] Progress and application of the synthesis of trans-oceanic tsunamis

*Shingo WATADA¹ (1. Earthquake Research Institute of the University of Tokyo, Division of Monitoring Geoscience)

Abundant high-quality distant tsunami records from the 2010 Maule (Chile) and 2011 Tohoku-Oki earthquakes have revealed two distinctive features compared to long-wave tsunami simulations. The records show that the traveltime delay of the tsunami increases with distance from the earthquakes, and the initial phase reversal of tsunamis appears and grows systematically. The conventional tsunami theory cannot explain the observed waveforms and traveltimes of distant tsunamis, leading to the need for a new theory to explain and synthesize distant tsunamis. The propagating elevated sea surface of a tsunami compresses seawater and deforms the seafloor and the solid Earth. A propagating tsunami changes the mass distribution of the Earth and results in a spatiotemporal change in gravity, thereby altering the propagating tsunami itself. Incorporating these physics, we developed a new tsunami propagation theory in which a tsunami is naturally treated as a wave in a gravitationally and elastically coupled Earth system composed of solid Earth layers and an ocean layer. Two distinct tsunami simulation techniques based on the new tsunami propagation theory were introduced and confirmed to produce nearly identical tsunami waveforms. One technique treats tsunamis as free waves within a deformable Earth system, while the other treats tsunamis as external pressure and gravitational forces acting on the surface of a deformable Earth system. With the new techniques, the waveform and traveltime differences between the observed and simulated distant tsunamis disappear. Past distant tsunamis recorded by coastal tide gauges, which were not previously studied due to the traveltime and waveform mismatch problems, have become the focus of quantitative tsunami studies analyzing waveforms. New tsunami propagation techniques have been applied to the analysis of distant tsunami waveforms from the past 19 events and have helped to unveil the slip distributions of the past large earthquakes and to determine the earthquake origin time of the trans-Pacific tsunami events recorded by tide gauges since 1854.

Programs to compute tsunami normal modes for a spherically symmetric Earth model are available at https://github.com/WatadaShingo/mode-tsunami. Examples of simulation and phase correction for a dispersive tsunami are available at https://github.com/WatadaShingo/tsunami-1d.

2010年チリ地震と2011年東北沖地震で発生し、太平洋深海域で観測された豊富で高品質の遠地津波記録には、震源から離れるにつれ、津波の到達時刻は遅れ、津波の初期位相が反転する特徴が現れた。これら二つの特徴は従来の津波長波理論では説明できず、新しい津波理論が求められた。津波伝播中に海面が上昇すると、海水の荷重で海水が圧縮され、海底と固体地球が変形する。伝播する津波は地球の質量分布を変化させ、重力の時空間的変化を引き起こし、伝播する津波自体を変化させる。これらの物理過程を取り入れた、津波を固体地球層と海洋層から構成される重力・弾性結合した地球系の波として扱う新たな津波伝播理論が構築された。新しい津波伝播理論に基づき、２つの異なる津波シミュレーション手法が開発され、ほぼ同一の津波波形を生成することが確認された。一つのシミュレーション手法は津波を、重力・弾性結合地球系に内在する自由波として扱い、もう一つの手法は津波を、重力・弾性変形する固体地球の表面を伝播する固体地球への外部圧力源と重力源として扱った。新しい津波シミュレーション手法を用いると、観測された遠地津波とシミュレーション津波の波形と到達時刻の違いが解消した。これまで、到達時刻や波形の不一致の問題があったため、沿岸の潮位計によって記録された遠地津波は、定量的な津波波形研究の対象ではなかったが、新しい津波シミュレーション手法が、過去19の巨大地震で発生した津波波形の解析に適用され、各巨大地震の断層滑り分布が明らかにされた。また、江戸時代末期の1854年に日本付近で発生し、米国の潮位計に記録された太平洋横断津波イベントの地震発生時刻が特定された。

球対称地球に対する津波ノーマルモードを計算するプログラムを以下に公開している。
https://github.com/WatadaShingo/mode-tsunami
分散性津波のシミュレーションと位相補正を計算するプログラム例を以下に公開している。
https://github.com/WatadaShingo/tsunami-1d