[論文レビュー] A Reanalysis of the October 2016 "Meteotsunami" in British Columbia with Help of High-Frequency Radars and Autoregressive Modeling

Baptiste Domps, Julien Marmain+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2020

earthquake and tectonic studiesEarth and Planetary Sciences参考文献 20被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、2016年10月のブリティッシュコロンビアにおける「メテオツナミ」を、高周波レーダー（HFR）データと最大エントロピー法（MEM）を用いた新規の自己回帰モデル手法を用いて再分析し、短時間積分における流速推定を向上させた。解析の結果、大気の前線と関連する急激な表面流速の前線が特定され、プライドマン共鳴は不適切であり、真のメテオツナミではなく、暴風潮が原因であると支持された。

ABSTRACT

On October 14th, 2016, the station of Tofino (British Columbia, Canada) issued the first ever real-time tsunami alert triggered by a coastal High-Frequency Radar system, based on the identification of abnormal surface current patterns. The detection occurred in the absence of any reported seismic event but coincided with a strong atmospheric perturbation, which qualified the event as meteo-tsunami. We re-analyze this case in the light of a new radar signal processing method which was designed recently for inverting fast-varying sea surface currents from the complex voltage time series received on the antennas. This method, based on an Auto-regressive modeling combined with a Maximum Entropy Method, yields a dramatic improvement in both the Signal-to-Noise Ratio and the quality of the surface current estimation for very short integration time. This makes it possible to evidence the propagation of a sharp wave front of surface current during the event and to map its magnitude and arrival time over the radar coverage. We show that the amplitude and speed of the inferred residual current do not comply with a Proudman resonance mechanism but are consistent with the propagation of a low-pressure atmospheric front and wind vectors as revealed by satellite imagery. This indicates that the event that triggered a tsunami alert is more likely a storm surge than a true meteo-tsunami. Beyond this specific case, another outcome of the analysis is the promising use of oceanographic radars as proxy's for the characterization of atmospheric fronts.

研究の動機と目的

• 高周波レーダー（HFR）信号処理の高度化を用いて、2016年10月のブリティッシュコロンビアにおける沿岸の異常現象を再表現すること。
• 津波に似た現象の背後にある物理的メカニズムの曖昧さを解消すること——つまり、プライドマン共鳴か暴風潮か。
• 高周波レーダーを大気前線検出のリアルタイムプロキシとして使用できることを検証すること。
• 早期津波警報への応用を目的とした、短時間スケールの海洋流速推定を改善すること。
• HFRデータを衛星および気象観測データと統合し、複数ソースの観測によるイベント特徴化を実現すること。

提案手法

• HFR電圧時系列データに時間変動型自己回帰（AR）モデルを適用し、極めて短時間積分での表面流速を推定した。
• 信号対雑音比とスペクトル分解能を向上させるために、ARモデルと最大エントロピー法（MEM）を組み合わせた。
• 残差流速に対する変化点検出を実施し、流速前線の到着時刻と振幅を正確に特定した。
• 到着時刻の差を用いて、レーダー範囲全域における流速前線の伝播をマッピングした。
• GOES-15衛星画像およびGFSモデルデータからの大気前線速度と、レーダーで推定された前線速度を相関させた。
• 長波速度と前線速度の比較を用いて、プライドマン共鳴の適合性を評価するためのフロイド数条件を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2016年10月のブリティッシュコロンビアにおける「メテオツナミ」現象の背後にある物理的メカニズムは何か——プライドマン共鳴か、暴風潮か？
• RQ2 高度な信号処理を施した高周波レーダーは、海洋表面流速に及ぼす急激な大気前線の影響を検出・特徴づけられるか？
• RQ3 推定された表面流速前線の速度と振幅は、長波速度および大気前線速度とどのように比較されるか？
• RQ4 観測された流速前線は、風のシアーおよび気圧低下といった気象的条件とどの程度整合するか？
• RQ5 HFRデータは、リアルタイムでの大気前線検出および追跡に信頼できるプロキシとして機能できるか？

主な発見

• HFRで導出された流速前線の伝播速度は約65 km/hであり、長波速度（約100 km/h）より著しく遅く、プライドマン共鳴の成立を否定した。
• GOES-15およびGFSデータからの推定大気前線速度（約75 km/h）は、レーダーで推定された前線速度とよく一致しており、直接的な大気駆動メカニズムを支持した。
• フロイド数（Fr ≈ 0.87）は「津波発生性」の範囲（0.9 < Fr < 1.1）外にあり、プライドマン共鳴が原因である可能性をさらに否定した。
• NOAAブイが記録した約25 hPaの気圧低下は、25 cmの海面上昇と整合し、観測された20 cmの tidal gauge 振動とも一致した。
• 流速前線の振幅と到着時刻は、共鳴波増幅ではなく、表層における風応力とストークス漂流によって最もよく説明された。
• 統合的解析により、この現象は真のメテオツナミではなく、暴風潮であると確認され、HFRが地震的津波信号と大気的津波信号を区別する上で価値があることが強調された。