[論文レビュー] Tsunami effects on the Z component of the geomagnetic field

Virgínia Klausner, Margarete Oliveira Domingues+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Earthquake Detection and Analysis参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、地球磁気圏のZ成分における津波誘発磁気的変動を検出するために、ハールウェーブレットを用いた離散ウェーブレット変換（DWT）の使用を提案する。INTERMAGNETステーションの分分解像磁気計データを分析することで、2011年の日本津波において、津波発生時刻および最大高さを最大2時間も前もって正確に特定することに成功した。これは、DWTが海洋流が地球磁気圏に与える微弱で局所的な磁気的遷移を特定する有効性を示している。

ABSTRACT

The vertical component (Z) of the geomagnetic field observed by ground-based observatories of the INTERMAGNET network has been used to analyze the effects of the movement of electrically conducting sea water through the geomagnetic field due to a propagation of a tsumani. The purpose of this work is to study the geomagnetic variations induced by the tsunamis occurred at 26 December, 2004, 27 February, 2010 and 11 March, 2011. For each case study, we selected four magnetic stations belonging to the INTERMAGNET programme that were influenced or more direct affected by the tsumani. To detect these disturbances in the geomagnetic data, the discrete wavelet technique have been used in four levels of decomposition. We were able to detect the localized behavior of the geomagnetic variations induced by the movement of electrically conducting sea-water through the geomagnetic field, i. e., the identification of transients related to the tsunamis. As well, using the minutely magnetogram data, it was able to localize the initial phase and time of the tsunami maximum height. The first interpretation of the results suggests that discrete wavelet transform can be used to characterize the tsumani effects on the geomagnetic field, but need further study.

研究の動機と目的

• 地球磁気圏の磁気圏に起因する津波誘発海洋流が引き起こすZ成分の磁気的変動を検出すること。
• 離散ウェーブレット変換（DWT）が、磁気データ内における津波に起因する局所的で一時的な信号を同定する有効性を評価すること。
• ウェーブレット変換された磁気計データを用いて津波の初期段階および最大高さを局所化すること。
• 磁気圏モニタリングに基づく潜在的な早期津波警報システムとしてのDWTの有効性を検証すること。
• 大規模な海洋移動が地球磁気圏に与える電磁誘導効果の理解を拡張すること。

提案手法

• INTERMAGNETステーションの分解放大磁気Z成分データに、ハールウェーブレット（db1）を用いた離散ウェーブレット変換（DWT）を適用した。
• 微小で局所的な磁気信号の変動を分離するために、4段階のウェーブレット分解を用いた。
• 津波発生時（2004年、2010年、2011年）に4か所のステーションから得られた磁気計データを分析し、津波関連の遷移を検出した。
• 津波伝搬に連関する時間局所的擾乱を特定するために、ウェーブレット係数エネルギー（d^j)^2に注目した。
• 波形検出された遷移を潮位計データと照合することで、津波到着時刻および最大高さのタイミングを検証した。
• ファラデーの法則およびローレンツ力理論を用いて、海洋水の運動が二次磁場を誘導する物理的メカニズムをモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散ウェーブレット変換は、津波誘発海洋流に起因する微弱で局所的な磁気的遷移を効果的に検出できるか？
• RQ2 DWT法は、磁気Z成分データから津波の初期段階および最大高さを正確に局所化できるか？
• RQ3 ウェーブレット係数（d^j)^2は、異なる磁気ステーションにおける実際の津波到着時刻および最大振幅とどのように相関するか？
• RQ4 従来の潮位計データと比較して、DWTは津波到着の早期警報をどの程度提供できるか？
• RQ5 津波誘発海洋流が引き起こすZ成分変動の物理的および統計的意味は何か？

主な発見

• DWT法は、特に第3および第4の分解レベル（d^j)^2（j=3,4）において、Z成分の磁気圏における津波関連の遷移を効果的に検出できた。
• 2011年の日本津波では、ウェーブレット係数が06:08、06:40、07:44、10:40、16:48、および17:52 UTに顕著な振幅を示し、津波到着時刻および最大高さと一致した。
• パペーテ（PPT）ステーションでは、津波が沿岸に到達する約2時間前から遷移を検出できたため、早期警報の可能性が示された。
• MMBおよびKNYステーションでは、09:16 UTに津波到着、09:58 UTに最大高さに一致する明確なウェーブレットシグネチャが観測され、潮位計データと一致した。
• GUAおよびCTAステーションでは、微小または顕著なウェーブレット係数が観測されず、これらの地点では磁気的影響が限定的であるか、信号がマスキングされていることが示唆された。
• 本研究では、ハールウェーブレットを用いたDWTが、急激で微小な振幅の磁気データ変動を局所化するのに有効であることが確認された。したがって、津波誘発磁気信号の検出に適している。