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．
近年では富岳などのCPUベースの計算機に加え，GPUなどの加速器を備えた計算機が主流となりつつあり，CPUやGPUなどのヘテロな計算機環境に向けた研究開発も実施している．2024年においては，CPUとGPUを同時に利用することでCPUあるいはGPU単体を利用した際よりも高速・少ない消費エネルギーで波動シミュレーションを実施する手法を開発した．ここではCPUにおいて過去の時刻歴の求解データを学習し，GPUにおける反復法ソルバーの初期解の予測に用いることで，解析精度を落とすことなく時系列シミュレーションを高速化している．CPUに備わる大容量メモリとGPUの高速計算能力を踏まえたアルゴリズム開発・拡張を実施することで，GPUのみを用いた場合と比べて8.7倍の高速化および7.0倍の消費エネルギー低減を得た．この研究成果は計算科学の国際会議ワークショップであるWACCPD (Workshop on Accelerator Programming and Directives)でBest Application Paper Awardを受賞した．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．
地震関連現象の理解・解明のための大規模複雑系データ同化
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り，金属岩石成長（Ito et al, 2017,2019）や断層摩擦（Ito et al., 2023）への適用などを通じて地震関連大規模複雑系への理解に貢献する．
2024年はこの不確実性評価法の超大規模地震波動場モデルへの適用を進めるため，波動方程式特有の数理構造を利用した，4次元変分法の計算量および必要メモリ量を大幅に削減する手法を開発した．波動方程式系は数値計算の不安定性の回避のために稠密な時空間格子の分解能が要求され，モデル計算1回あたりの計算量・メモリ使用量が非常に大きいために既存の4次元変分法をそのまま利用することは難しいことが指摘されている．これの解決のため，対象の波動方程式に対応する随伴モデルが“局所的にほぼ線形系”であることに着目し，元来非線形系では計算量的に利用困難な陰的解法を線形系と同程度の計算量で計算可能なアルゴリズムを開発し適用することで前述の計算不安定性を回避する．これにより時間刻みの縛りから解放され時間刻みを大きくとれるようになったことで大幅な計算量およびメモリ量の削減を実現した．本提案手法を現実の地下構造を考慮した深さ方向１次元モデルへ適用したところ，既存の手法に比べ大幅な高速化が観測された．
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．2024年においては，動的な断層破壊を計算するためのHPC拡張コードを開発した．新しいモデルでは，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て初期応力を計算する．そのため既存のモデルとは異なり，複雑な断層形状・不均質な断層強度分布・非線形材料に対しても，初期応力の整合性が保証される．この際，与えられた初期応力状態に対応する遠方境界条件を特定することが課題となるため，本研究においてはMaxwell-Bettiの相互作用の定理を用いた逆解析手法を開発した．現在はSCECコミュニティモデルとの比較を通して断層破壊シミュレータの検証に取り組むとともに，国土地理院で公開されている断層トレースデータを用いた中央構造線の高分解能な幾何学的詳細情報を含むメッシュ(200×60× 20 km)を作成しさまざまな初期条件における中央構造線の破壊の大規模シミュレーションを行っている．
| 教授 |
市村 強 (センター長)，古村孝志（兼務），田島芳満(工学系研究科，兼務) |
| 准教授 |
ラリス・ウィジャラットネ，長尾大道，鶴岡 弘（兼務）, 中川茂樹（兼務），藤田航平 |
| 助教 |
伊藤伸一 |
| 特任研究員 |
徳田智磯，Gerardo Manuel Mendo Pérez，加藤慎也，Dharmasiri Migel Arachchillage Kasun |
| 学術専門職員 |
長﨑由美子，吉田美和 |
| 外来研究員 |
今田耕太郎, 大塚悠一，桑谷 立，椎名祐太，高橋勇人，前根文子，三橋祐太，森川耕輔，山本 実，吉田健太，Gill Amit |
| 大学院生 |
村上颯太（D3）， Elia Nicolin（D2），Jeffrey Michael Church（D2），中尾 魁（D1），安久岳志（M2）， 稲福勇也（M2），Khatiwada Pramod（M2），Sayson Stanley Brian（M2），Shi Yuxuan（M2），楠井俊朗（M2），三田村大我（M2），Hamza Ameer（M2），阿部祥太郎（M1），伊東秀晃（M1），Dulat Manisha(M1) |
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．
欧州ライセンス契約
欧州IT事業者と本学との間にミュオグラフィ技術に関するライセンス契約が締結された。
サイエンスアゴラ
ハンガリー大使館並びに欧州連合代表部と共同でJSTサイエンスアゴラに出展した。
産学官共同研究
国内IT事業者、ハンガリー国立機関と本学との間で３者共同研究契約を更新した。
G空間EXPO2025
日本政府、ハンガリー政府と連携して大型展示や講演会を行った。欧州委員会、ハンガリー政府からも投稿があった。国内外政府関係者、ビジネスリーダー多数が訪問した。
国際メディア報道
Hungarian Today紙など数多くの国際メディア報道があった。
(a)ミュオグラフィ画像解析
高精細ミュオグラフィ画像自動診断による桜島火山活動状況の推移との相関評価を進めた。この噴火の推移に伴い、昭和火口の火道がマグマでプラグされた様子が透視画像に映し出された。この成果をベースとして、ミュオグラフィ画像を学習して、噴火判定を行う技術Mu-NETを東大病院と共同開発した。2020年度には、Mu-NETを用いて、2016年から2017年の間に記録されたミュオグラフィ画像を学習して、噴火判定を行った結果、この間に記録された画像と昭和火口からの噴火との間には密接な関係があることが見出された（南岳火口：AUC=0.678、昭和火口：AUC=0.726、その他の場所：AUC〜0.5）。成果を英ジャーナルScientific Reportsに発表した。2021年度は日毎のミュオグラフィ画像データ（高解像度画像）を機械学習（CNN）することで噴火判定を導出する技術（MuNET-2）を開発した。昭和火口から南岳火口に噴火活動が移った2019年以降のミュオグラフィ画像にMu-NET-2を適用した結果、この間に記録された画像と南岳火口からの噴火との間に密接な関係があることが見出された（南岳火口 ：AUC=0.761、昭和火口 AUC=0.704、その他の場所：AUC〜0.5）。
これまでにミュオグラフィ連続観測データと衛星SARデータを組み合わせることで、桜島山頂付近の隆起/沈降と噴火の活発期/平穏期との間に負の相関が、また、山頂付近の隆起/沈降と火口底直下の密度の上昇、減少との間の正の相関が徐々に明らかになってきたが、2024年度までにこの相関の火山学的解釈が進んだ。先ず、この正の相関は膨張が密度上昇、収縮が密度低下に対応していることを示している。次に、噴火前の膨張と密度上昇は気泡を多く含んだマグマの注入が弱まることで、火道が冷えマグマの粘性が高まり、火道を閉塞して膨張を引き起こすプラグの形成が開始されたことを示唆している。噴火開始前〜噴火開始直後の収縮と密度低下は、新鮮な気泡を多く含んだ (低密度の) マグマの注入によってガスポケットとマグマプラグが加熱されることにより、プラグの粘性が低下して、これが噴火とともに取り除かれたために引き起こされた可能性を示唆している、この火山学的解釈はSO2放出量変動とも調和的である（図3.8.3）。
(b) 多方向ミュオグラフィによる活火山3次元密度再構成のためのシミュレーションツール構築
ミュオグラフィ研究における重要な課題の一つは，観測方向を増やすことで高い3次元空間分解能を達成することである。静岡県の伊豆大室山スコリア丘を10方向から調査し、高い3次元空間分解能で火山内部のマグマの分岐が可視化された研究(Miyamoto et al., 2022, Nagahara et al., 2022)を、活動的火山に適用する際に実現可能性を評価するシミュレーションツールの構築が進められている。
シミュレーションツールは3次元密度再構成計算を高速に行い、結果を迅速にフィードバックする必要がある。そのため、演算の高速化に長けているC++ベースでコードが書かれた。さらに演算を高速化するためOpenMPによる並列処理化が用いられた。加えて行列計算高速化のためintel MKLライブラリがインクルードされた。また線形代数ライブラリとしてEigenを用いることで、ソースコードの可読性を向上させた。
Voxelとの当たり判定algorithmには、Amanatides et al. (1987) による”A Fast Voxel Traversal Algorithm for Ray Tracing”を実装した(図3.8.4)。これによって、ある方向に感度を持つ検出器の「素子」が作るビームが、山体を仮定したVoxel集合体のどのVoxelをどれだけの長さ通過するか、の行列作成が効率的に行われるようになった。この行列はNishiyama et al. (2014)らによって開発された三次元密度再構成手法に必要不可欠な情報である。
現在、大室山の地形データから先に述べたシミュレーションフレームワークを使った、三次元密度再構成の性能評価が行われている。
(c) ニュートリノ振動を用いた，地球深部の化学組成・密度構造測定
ニュートリノは伝播中に別のニュートリノに変化することが分かっている（ニュートリノ振動，本学梶田教授２０１５年ノーベル賞）．ニュートリノが他の種類のニュートリノに変化する割合は，ニュートリノと他のニュートリノの質量の差，エネルギー，伝播距離，及び媒質中の電子数密度で一意に決まる．したがって，電子ニュートリノが他のニュートリノに変化する割合を，エネルギー毎に測定すれば，地球内部の電子数密度分布を測定できる．ニュートリノ振動測定で得られた電子数密度と，地震波測定等で得られている物質密度とを組み合わせることにより，地球内部の平均的な化学組成(原子番号と原子量との比)をイメージングすることも可能である．
ハイパーカミオカンデは，次世代のニュートリノ観測装置であり，スーパーカミオカンデの８倍の巨大な有効体積と，高いエネルギー・角度分解能を備える．これを用いることで，地球液体核やマントルの化学組成に制限を与えられることが，これまでの研究から明らかとなっている．ハイパーカミオカンデは，2020年度より建設が開始され，現在，様々な建設作業が行われている．
地震研究所では，ハイパーカミオカンデの主要構成要素である，光電子増倍管からの信号をデジタルデータに変換するための電子回路の設計及び性能評価を，宇宙線研究所ほかと共同で行ってきた．今年度は主に，内水槽側の電子回路の最適化と特性評価，外水槽側の信号読み出し回路・高電圧分配回路の製作と性能評価，及び電子回路の校正装置の設計と評価に取り組んだ (図3.8.5)．
電子回路は光電子増倍管の性能を最大限に引き出せる高い性能を持っていることも重要だが，10年以上の長期間故障せずに動作し続けることも重要である．加えて，長期間にわたり検出器の特性が変化しない，または検出器の特性が変化してもそれを検知し補償する機能が必要となる．内水槽用信号読み出し電子回路のベースラインの温度ドリフトを補償する回路変更を提案し，温度ドリフトを大幅に低減させることができた．外水槽側の光電子増倍管は，高電圧印加用のケーブルと信号伝送用のケーブルが兼用となっており，加えて，高電圧は3本の光電子増倍管で共通となっている．1500Vの高電圧バイアスと数mVの光電子増倍管からの信号を同居させて運用できるようにするための分配回路，信号読み出し回路を作成し，統合試験において必要な性能が満たされていることを確認した．
| 教授 |
横山将志（兼任）, 田中宏幸(センター長), |
| 助教 |
宮本成悟，武多昭道，西山竜一（兼任） |
| 特任研究員 |
OLÁH László |
| 学術支援専門職員 |
市川雅一 |
本センターの設置目的は，宇宙線ミュオンやニュートリノ等の高エネルギー素粒子を用いて，これまでにない高い分解能（10-100m程度）で断層や火山などの固体地球内部を透視し，地震・火山現象の解明と防災・減災に貢献することである．そのためには素粒子透視技術（ラジオグラフィー）の一層の高度化が必要となる．とくに素粒子検出デバイス開発に対しては，小型・軽量・低消費電力という野外観測からの要求に応えつつ，一方で空間的にも時間的にも高い解像度を確保することが，世界の中でのリーディング・エッジを今後も確保することが欠かせない．また，一方でこれまでは火山に限定されてきた応用分野を，地震断層等にも広げていくことが望まれてきた．これらのことを念頭に，当センターで進めてきた研究活動を以下に述べる．
| 教授 |
古村孝志(所長), 楠 浩⼀(部⾨主任) |
| 准教授 |
毎田悠承, 三宅弘恵 |
| 特任研究員 |
NWei Liu, 新本翔太 |
| 外来研究員 |
Nato Jorjiashvili, 大石裕介, 司宏俊, Yuxiang Tang, Weiwei Zhan |
| JSPS特別研究員 |
新本翔太 |
| 学術専門職員 |
藤原敦子 |
| 大学院生 |
安 芝賢(D3),新関倫乃亮(D2), Munoz Andre(D2), Taopicuri Huacre Yenifer Carol(D1), Yukun Du (D1), 森田寅靖（M2）, 佐藤 翔琉(M2), 染矢真好（M2）, 岡野 正太郎(M2), 鈴木康瑛 (M2),唐崎海嘉(M1) , Chenfeng Sheng (M1), 高橋和暉 (M1) |
| 研究生 |
伊藤嘉則, Yi Ding (特別研究生),Yung-Ching Yang (インターンシップ研修生) |
災害科学系研究部⾨は，地震による強震動や津波などの現象の解明と予測を⾏い，それらによる災害を軽減するための基礎研究を理学と⼯学の視点から⾏う．観測，実験，解析，理論，シミュレーション，被害調査，資料分析などの⼿法によって，強震動地震学・津波地震学や耐震⼯学・地震⼯学などの分野の基礎的あるいは応⽤的な研究を⾏っている．本部⾨における最近の主な研究対象は，⼤地震の震源過程と強震動の⽣成過程の研究，⾼密度強震観測，地震波伝播・強震動のコンピュータシミュレーション，古地震・歴史地震研究，構造物の被害調 査，耐震性能評価に関する研究などである．