１．研究概要
近年の日本全域を覆う高密度の地震や地殻観測網の充実による大量の観測データは今、ほぼリアルタイムに利用することが出来るようになっています。他方で、地震発生は地域性のある複雑系現象ゆえ、予測は一筋縄でいきません。このため、統計的モデルの開発と確率予測の現実的な展開が焦眉の課題となっています。
地震学、測地学、地質学や歴史記録の知見に基づいた数々の地震シナリオに加えて、地震発生の統計的経験則に合うモデル開発、異常事象の記録カタログなどの設定・整備や、求める情報に適した観測データの選択・取得が必要です。先ず各種観測データに適合した統計モデルを開発し、それらを基準に使ってデータから異常事象を検出することが求められています。そのうえで、異常事象が大地震の前兆たり得るのかを統計的に識別し確率的に表現したい。時空間的な危険度や切迫度の変化を確率的予測に結びつけるためのモデル化に確率点過程の考え方が必要不可欠です。
大地震発生確率が通常確率にくらべ何倍高くなるのかという量を「確率利得」と云います。一種類の異常事象だけでは、十分大きな変化幅のある確率利得を得ることができなくても、幾種類かの異常事象が同時に観測されれば、総合的な予測の確率利得が高まることもあります。長期・中期・短期の予測を可能にする知見や異常事象を探し、それらを手掛かりに複数要素の確率予測を実施する必要があります。
時空間ETAS モデルを始めとした長期・中期・短期という多項目の確率予測から想定された地震学的シナリオに対する配分確率のもと、地震動予測や緊急観測網の機動的な展開や首都圏観測網などの効果的な利用を目指します。とくに複数の予測をオンラインで実装し、それらの合わせ技（多項目複合確率予測）として確率利得を高めることをめざします。オンラインの確率予測の出力は、緊急地震速報システムの信頼性を向上させるための事前情報として使用し、また想定された地震学的シナリオの配分予測確率のもと地震動予測や緊急観測網の機動的な展開を目指します。
２．研究目標と実施体制
上述の目標の実現のため本プロジェクトでは、様々な情報・統計科学専門分野での手法の特長を最大限に活用し、地震活動のモデリング高度化・予測の実装・地震観測網の最適化・即時地震動予測という４つのテーマ（図１）を研究します。各テーマの推進及び相互連携によって地震分野の発展と地震防災の対策に貢献をもたらすことを目指します。
図1 ： 本プロジェクトにおける４つのテーマとその相互連携
テーマA：Epidemic Type Aftershock Sequence（ETAS）モデルの高度化
予測確率を詳細に時空間で表現するために必要な、時空間点過程モデルの中核となる概念は「条件付き強度」です。これは過去のイベントや共変量データの履歴の条件の下で、イベントが発生する場所の確率の微分量に相当するものです。この条件付き強度から出発して、パラメータ推定、シミュレーション、予測を実施することができます。本テーマでは、ETAS モデルを創意的に高度化して、複雑系の多様な地震間や共変量との因果性などを検出し定量的に特徴づけ、将来の地震の確率を評価し、地震活動の物理的特性を分析します（図2）。
図2 ： ETAS モデルの拡張と高度化
テーマB：オンライン確率予測システムの構築
現実の地震活動は地震群の異方性や地域的に異なる統計的不均質性があります。このように多様な活動に最適に適合し予測できるように、精巧な時空間ETAS のベイズモデルで、地震発生の長期・中期・短期予測とオンライン把握を実装します。そして、時空間ETAS モデルを震源データの不均質性などを取り込み高度化し、地殻変化や地震活動の異常変化などを考慮し、長期・中期・短期といった異なる時間スケールの確率予測とそれらを組み合わせた確率予測（多項目複合確率予測；図3）をオンラインシステムに実装します。
図3 ： 地震活動のオンライン予測システムの構築
テーマC：観測網最適化
日本には全国規模の地震観測網、局所的な稠密地震観測網、GEONET などの測地観測網など多くの地震・測地観測網が存在しています。この際、地震活動の活発時期とそうでない時期の測地変化、ノイズや周囲の地盤の状況といった各観測点の特性は様々であり、全ての観測点をそのまま利用するのではなく、目的に応じて解析に利用する観測点を適切に選択・統合することにより、解析の精度を向上させることができます。今日の観測点の多量さや多種多様性に対応できるよう、観測点選択・統合自動化アルゴリズム( 図4) を開発します。
図4 ： 地震検測精度向上のための観測点統合・高精度解析のための観測点選択
テーマD：即時地震動予測
このテーマでは、熊本地震列や東北沖前後の大地震、南海トラフ地震、1938 年福島沖大群発地震などのような、連発する大地震発生の可能性を考慮した時空間ETAS モデルなどによるオンラインの短期・中期確率予測から即時把握を可能にし、地震動モニタリングを含む有益なモデルの開発・展開・実装を目的とします。緊急時に対応して臨時観測網を含む観測点の多量さや多種多様性を考えた、大地震後の臨時観測における各種観測網の配置設計を予測の観点から事前に機動的に最適化する自動化アルゴリズム( 図5) を開発します。
図5 ： 緊急地震速報用の最適観測網と即時速報可視化
各テーマの連携
以上、時空間ETAS モデルを始めとした長期・中期・短期の多項目の確率予測から想定された地震学的シナリオの配分確率のもと、地震動予測や緊急観測網の機動的な展開や首都圏観測網などの効果的な利用を目指します。とくに予測を合わせ技（多項目複合確率予測）として確率利得を高め、オンライン予測で実装することをめざします。オンラインの確率予測の出力は、緊急地震速報の事前シナリオに活用するとともに、システムの不偏性・信頼性を向上させるための事前情報として使用し、また想定された地震学的シナリオの配分予測確率のもと地震動予測や緊急観測網の機動的な展開を目指します。以上の成果の各種の予測出力（地図、画像、動画）の可視化手段を整備し、各種の源データがリアルタイムに使用可能な状況に備え、本研究プロジェクトのテーマ間の連携及び他機関の採択課題との連携で、それぞれの専門分野の特長を最大限に活用し地震分野の発展と地震防災の対策に貢献をもたらしたいと考えます。
