[論文レビュー] Quantifying Uncertainties in the 2004 Sumatra-Andaman Earthquake Source Parameters by Stochastic Inversion

Devaraj Gopinathan, Mamatha Venugopal+4 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

earthquake and tectonic studies参考文献 61被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、2004年スマトラ＝アンドーマン地震の源因子を有限断層モデルを用いて定量化するために、人工衛星アルティメトリー観測データの確率的逆問題手法を採用した。波形フィットは優れた結果を示したが、すべり量、破壊速度、発破時間の分布には大きな分散と歪度が認められ、津波早期警報システムの性能向上のためには、より洗練された物理モデルと客観的な逆問題戦略の開発が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

Usual inversion for earthquake source parameters from tsunami wave data incorporates subjective elements. Noisy and possibly insufficient data also results in instability and non-uniqueness in most deterministic inversions. Here we employ the satellite altimetry data for the 2004 Sumatra-Andaman tsunami event to invert the source parameters. Using a finite fault model that represents the extent of rupture and the geometry of the trench, we perform a non-linear joint inversion of the slips, rupture velocities and rise times with minimal a priori constraints. Despite persistently good waveform fits, large variance and skewness in the joint parameter distribution constitute a remarkable feature of the inversion. These uncertainties suggest the need for objective inversion strategies that should incorporate more sophisticated physical models in order to significantly improve the performance of early warning systems.

研究の動機と目的

• データ駆動型の客観的手法を用いて、地震源因子推定における主観的要因を低減すること。
• ノイズが多いまたは不十分なデータによる決定論的逆問題における不安定性と一意でない解の問題を解決すること。
• 最小限の事前仮定を用いた確率的逆問題手法により、すべり量、破壊速度、発破時間の不確実性を定量化すること。
• 津波早期警報システムの文脈において、現在の逆問題戦略の性能を評価すること。
• 既存モデルの限界を特定し、より洗練された物理的表現の導入を提言すること。

提案手法

• 2004年スマトラ＝アンドーマン地震の破壊範囲および海溝の幾何形状を表現するために、有限断層モデルが用いられた。
• 人工衛星アルティメトリー観測データに対して確率的逆問題手法を適用し、すべり量、破壊速度、発破時間を同時に推定した。
• 逆問題プロセスでは、主観的な事前仮定への依存を最小限に抑え、代わりにデータ駆動型の確率分布に依拠した。
• 非線形最適化手法を用いて観測された津波波形に適合させつつ、パラメータ空間全体を探索した。
• 後騒分布の分散と歪度を分析することで、不確実性を定量化した。
• 逆問題の結果を統計的に分析し、推定された源因子の安定性と信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 津波波形データを用いて、地震源因子の不確実性をどのように客観的に定量化できるか？
• RQ2 良好な波形フィットが得られても、すべり量、破壊速度、発破時間の推定値に残る不確実性の程度はどの程度か？
• RQ3 データノイズとモデルの限界が、決定論的逆問題における一意でない解にどの程度寄与しているか？
• RQ4 後騒分布における分散と歪度は、早期警報システムの信頼性にどのように影響を及えるか？
• RQ5 不確実性を低減し、逆問題性能を向上させるために、物理的モデルにどのような改善が求められるか？

主な発見

• 観測された津波波形へのフィットは一貫して良好であったが、逆問題の結果では推定された源因子に大きな分散が認められた。
• すべり量、破壊速度、発破時間の後騷分布には顕著な歪度が認められ、非正規分布の不確実性構造が示唆された。
• 高い不確実性レベルは、決定論的逆問題手法が信頼できる早期警報システムの性能を確保するには不十分であることを示している。
• 本研究では、高品質なアルティメトリー観測データが得られても、モデルおよびデータの限界により、パラメータ推定が依然として極めて不確実であることが明らかになった。
• 結果から、津波災害評価におけるより洗練された物理的モデルと客観的な逆問題フレームワークの開発が、急務であることが強調された。
• これらの発見は、現在の逆問題戦略が、運用上の早期警報システムに必要な精度を提供していない可能性を示唆している。