日本には，国の機関等が整備した数千点の観測点で得られる高精度地震計測データのほか，建造物，電気・ガス等のライフライン，スマートフォンが持つ加速度計等のデータが存在しており，これらを活用する次世代の地震計測ビッグデータベースが構築されつつある．最先端ベイズ統計学に基づいて，これらの多種多様な地震計測データを包括的に解析するためのアルゴリズム群を開発し，地震防災・減災や地震現象の解明に役立てることを目的とするプロジェクトが，科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CRESTの研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測解析手法の開発と応用」（略称：「情報計測」CREST）における研究課題「次世代地震計測と最先端ベイズ統計学との融合によるインテリジェント地震波動解析」（略称：iSeisBayes）として，2017年10月に発足した．本研究課題は，地震研究所の地震学の専門家と，東京大学大学院情報理工学系研究科の統計学の専門家との異分野交流プロジェクトであり，2023年3月までの5.5か年にわたって実施される．2020年度からは，東北大学大学院工学研究科の流体力学の専門家グループが新規加入し，同分野において用いられているスパースセンシングなどの新しい情報科学技術に基づく地震データ解析アルゴリズムの開発を行っている．2022年は，深層学習に基づく地震波自動検出アルゴリズムや新規統計量の導入に基づく深部低周波微動検出アルゴリズム等，本研究課題で開発した新しい地震データ解析技術の既存の解析システムへの実装を実施した．また，強震動予測等において重要な地震の応力降下量の推定法，地殻内の地震波速度不連続性に適合的な正則化による地震波トモグラフィ，首都圏周辺の地震観測網データに基づいて地表面における地震波の時空間発展をイメージングするための地震波動場再構築手法，情報科学的手法に基づく地震観測点選択アルゴリズムの開発をほぼ完成させ，多数の論文発表を行った．さらには，科学技術振興機構が主催する情報計測オンラインセミナーシリーズに協力し，研究成果を広く国民に周知することにも努めた．

本研究課題には，計算地球科学研究センターの他，地震予知研究センター，観測開発基盤センター，地震火山情報センターの教員と研究員が参加している．

[情報計測] 計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用プログラム概要
https://www.jst.go.jp/kisoken/crest/research_area/ongoing/bunyah28-3.html

H29年度採択課題：次世代地震計測と最先端ベイズ統計学との融合によるインテリジェント地震波動解析
https://www.jst.go.jp/kisoken/crest/project/1111092/1111092_2017.html

iSeisBayesホームページ
http://www.eri.u-tokyo.ac.jo/project/iSeisBayes/

ポスト「京」（現在の「富岳」）を有効に活用するため，ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的重要課題のひとつとして「地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築」を2019年度までに実施し，この過程で，大規模シミュレーションを可能とする先端的数値解析の研究開発のための基礎的な数理研究と計算科学研究の学理が涵養された．2020年度以降においては，「富岳」成果創出加速プログラムにおいて，「富岳」の性能を引き出すように計算科学・計算機科学の最先端技術を駆使して地殻変動・地震動・地盤震動・都市地震応答等の地震に関する高性能大規模シミュレーション手法を開発した．

上記の過程を通して，首都直下地震を対象とした山手線内の30万を超える構造物の地震動応答解析や10Hzまでの精度保証が可能な1000億～1兆自由度級の有限要素法モデルを用いた断層から地表までの地震動解析や地表近傍の堆積層による地盤震動解析を行うための数値計算技術が整備されつつある．また，地殻構造の幾何形状が地殻変動の弾性・粘弾性挙動に大きな影響を及ぼすことが指摘されていることから，これらの問題への展開も進められている．これらの解析技術は上記の基礎的な数理研究と計算科学研究に立脚する成果であり，ハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な賞のひとつであるゴードンベル賞の最終選考論文5編に2014年・2015年・2018年・2022年に選ばれるとともに，2016年・2017年においてはハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な国際会議のひとつであるSCにおいて受賞，2021年には富岳上で人工知能により物理シミュレーションを高速化する方法を開発することで，断層から都市までを単一の有限要素モデルにてモデル化し地殻中の波動伝播から地表付近での地盤増幅，構造物の応答までを高分解能で連成して解く世界で初めてのシミュレーションを実現 (HPC Asia 2022 Best Paper賞受賞)するなど，計算科学の分野においても高い評価を受けている．2022年においては高詳細3次元地殻構造モデルを対象に地殻の物性の曖昧さを考慮した地殻変動解析を計算可能とする，富岳全系までスケールする高効率確率有限要素解析手法を開発した．確率応答問題の数値解の信頼性の担保のためには空間方向に高詳細なメッシュを使うだけでなく，確率応答分布の収束のため10000回オーダーのモンテカルロシミューレーションが必要となり，膨大な計算コストが必要となる．本手法を使うことで1回の計算で確率応答分布を計算でき，従来手法比で100倍以上の計算速度向上を実現した(この研究は先述のゴードンベル賞の最終選考論文に選ばれた)．また，データ駆動型手法を活用して高詳細3次元粘弾性地殻変動解析を高速化する手法も開発するなど，人工知能・データ駆動型手法と従来からのequation-basedな数値シミュレーション手法の融合などの新しい研究アプローチの開発も実施した．以上のように，新しい分野を開拓するとともに，継続的に高い国際的評価を受けている．

（1）革新的データ同化の創出を目指して

科学研究を進める上において，物理・化学法則等に基づく数値モデルと，観測・実験に基づくデータの比較が重要であることは論をまたない．しかしながら，近年の巨大スパコンの登場や大規模地球観測網・実験設備等の整備に伴い，大規模数値モデルと大容量観測データを突き合わせることすら容易ではなくなってきた．数値モデルと観測データをベイズ統計学の枠組みで統融合するための計算技術であるデータ同化は，時々刻々と入力する観測データに基づいて各時刻における状態の逐次推定を行う「逐次データ同化」と，予め決められた時間窓において観測データと最も整合する状態を探索する「非逐次データ同化」とに大別される．大規模数値モデルへデータ同化を実装する際には，4次元変分法を始めとする非逐次データ同化を用いるのが常套であり，例えば気象予報は主に4次元変分法に基づいて行われている．

従来の4次元変分法は，事後分布の局所最大を与える状態を推定するのみであり，その不確実性を推定することが原理的に不可能であるという大きな欠点があった．我々は，2nd-order adjoint法を採り入れ，不確実性評価が可能な4次元変分法を開発することにより，これを解決した（Ito et al., 2016）．このようにして得られた不確実性は，観測デザイン最適化のためのフィードバックともなる極めて重要な情報である．

2022年はこの不確実性評価法を，豊後水道沈み込み帯を模擬した境界要素モデルに適用し，断層面内の摩擦パラメータを空間場として推定し，その不確実性を評価するアルゴリズムの開発を完遂した(Ito et al., 2023)．これにより沈み込み帯で発生するスロースリップ現象の物理と摩擦パラメータ空間場の関係の定量的評価が可能となる．その際，必要なメモリを最低限に抑え，さらにヘッセ行列の数値誤差を計算機誤差まで抑えることを可能にする2nd-order adjointモデルの最適な数値積分法の選択法（Ito et al., 2021）を利用した．本手法は，2nd-order adjoint法に登場する微分方程式群に内在する保存量を離散化後も保存するような数値積分法を構築し，高精度なヘッセ行列計算を可能にする．

（2）情報と計測の融合に資する数理的手法の開発

本センターは，科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CRESTの研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」において，平成29年度に採択された研究課題「ベイズ推論とスパースモデリングによる計測と情報の融合」に参画し，本学大学院新領域創成科学研究科，統計数理研究所，海洋研究開発機構との協働により，ベイズ推論に基づいて実験計測効率を最大限に高める「ベイズ計測」を実現するための情報数理基盤の開発研究を実施している．

2022年は，2.5次元古典スピン系の磁化ダイナミクスを双極子間相互作用を含む時間依存 Ginzburg-Landau (TDGL)方程式によって実現した，平衡状態で見られるドメインの空間パターンを分類する方法論（Anzaki et al., 2021）をテストベッドに，複雑なモデルから少数モードで構成される有効モデルを抽出する数値実験を継続実施した．

断層-構造系システムとは，対象とする断層と構造物から成る地殻と構造物のモデルである．断層から生成される強震動と，その強震動に対する構造物の地震応答を計算するために使われる．開発されてきた独自のマルチスケール解析手法を改良し，大規模化・高速化を実現し，断層-構造系システムの解析を行っている．なお，大規模化・高速化の結果，従来の手法を凌駕する時間・空間分解能で，断層から伝播する地震動に対する構造物の地震応答を計算することに成功した．断層-構造系システムの根幹である地震波動の計算では，地盤・地殻構造の幾何形状を詳細にモデル化することが重要であり，このためには有限要素法を用いる必要がある．しかし，有限要素法は差分法に比べ，計算コストが膨大となる．数理的な観点から分析し，計算コストを低減させる効率的なアルゴリズムを考案し，マルチスケール解析手法の計算コードに実装した．実装に際して並列化性能を上げることにも成功した．また，断層-構造系システムの応用として，広域都市の震災想定を高度化することを目的として，広域都市をモデル化し，その地震時応答をシミュレーションする統合地震シミュレータ（IES）の開発を進めてきた．断層-構造系システムの大規模数値解析手法の開発では，このように基礎的な数理研究と計算科学研究にも重点が置かれている．断層-構造系システムの具体的な対象として，大規模地下トンネルや原子力発電所といった実際の大規模構造物も挙げられる．実構造物に忠実な大自由度の解析モデルを構築し，改良されたマルチスケール解析手法を適用し，地震応答を計算している．構造物の特性を理解するためには，民間企業等の協力が必須であり，共同研究を介することで実構造物のより現実的な地震応答解析手法の構築をすすめている．

断層-構造系システムにおける地震波動の計算の高性能化を目指し，大規模で複雑な断層系の震源過程をシミュレーションするために，三次元不均質体内のき裂伝播を効率的にモデル化可能なPDS-FEMをベースとした高性能計算シミュレーション手法の開発を行っている．これにより，複雑な断層形状，不均質な摩擦特性，不均質で非線形な材料などを含む大規模な三次元モデルにおいて，super-shear ruptureを含む多様な震源過程をより詳細にモデル化出来るようになり，強震動シナリオ構築に寄与すると期待される．2022年においてはPDS-FEMに基づく動的な断層破壊の数値解析手法とその並列実装を開発した．既存の断層破壊モデルのほとんどは経験則に基づいて初期応力を設定しているが，本モデルにおいてはクーロン摩擦と遠方境界条件下での断層の静的平衡を考慮し初期応力を計算することで断層の複雑形状や断層強度・材料の不均一性と整合した初期応力を設定する．FEMベースの断層破壊シミュレータにおいては断層表面での摩擦の計算のために高コストな接触解析を必要とするが，PDS-FEMにおいては要素中にあらかじめ設定した亀裂面を用いて断層面をモデル化することで接触解析が不要となるため，FEMに比べて低コストで計算できる．適用例としてPalu Koro断層の動的破壊シミュレーションを行い，試行錯誤により2018年のsuper-shear ruptureを再現するための境界条件を特定し，応答スペクトルを求めることでsuper-shear ruptureによる地震動が建物に与える影響を分析した．

計算地球科学研究センターは，東日本大震災を契機として2012年4月に設立された巨大地震津波災害予測研究センターで培ってきたシミュレーション技術等の計算科学分野における知見を十分に活用しうる目途がついたことにより，当該分野の研究体制をさらに強化するとともに，従来の地球科学との融合をより加速していくため，巨大地震津波災害予測研究センターからの改組により2019年9月に設立された．本研究センターでは，地震研究所で培ってきた固体地球観測と高速計算によるシミュレーション技術を融合した計算地球科学の創成を目指している．関連する学内連携を強化しつつ，観測データを活かす高性能計算プログラムとそれを使った大規模シミュレーションの研究開発を行い，計算地球科学の国際的卓越性の確立を目指すとともに，地震・津波・災害の現象解明・予測研究分野での学際的・国際的に卓越した若手世代の育成を目指している．

• 3.9.1 計算地震工学分野での大規模数値解析手法の開発に関する研究
• 3.9.2 巨大地震関連現象の解明に資するデータ同化およびデータ駆動型モデリングの研究開発
• 3.9.3 「富岳」プロジェクト先端的数値解析の研究開発
• 3.9.4 CREST次世代インテリジェント地震波動解析プロジェクト
• 3.9.5 災害復旧時の社会経済分野における大規模数値解析手法の開発に関する研究
• 3.9.6 STAR-Eプロジェクト「人工知能と自然知能の対話・協働による地震研究の新展開」