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GPS海啸计、波浪计、潮位计开发的现状与展望

产学研合作系列 2013年07月13日

2011年3月11日海啸到达当地之前，高知工业高等专门学校的寺田幸博教授等研究小组开发的“GPS海啸计”，从釜石市洋面反馈的浮标观测数据比日本气象厅更早预知海啸的到来。根据寺田幸博教授等研究小组的信息，提高了海啸警报的级别，由此引起了人们的热切关注。2012年10月24日开始，包括该高校的产学研共同研究组进行了使用技术试验卫星VIII型“菊花8号”（ETS-VIII）来传送GPS海啸计数据的实验。这次实验是为了检测GPS海啸计在今后海洋观测中的应用，同时探讨在受灾地区通信网络瘫痪情况下的应对措施。

序言

2011年3月11日，日本东北太平洋海域地震引起的海啸造成约2万人死亡和失踪，如今，两年过去了，依然有很多人被迫过着避难生活。笔者藉此，谨对在灾难中遇害的人们致以诚挚地哀悼和衷心地慰问。

这次地震灾害也给开发GPS海啸计的研究人员提供了很多教训和需要解决的课题。特别是“持续传送数据”和“在离岸更远的洋面设置”两点非常重要。大地震发生时，日本国土交通省港湾局已经在全国配置了15座GPS波浪计，可以随时公开数据。正如各家媒体报道的那样，釜石市洋面上的GPS波浪计显示的实时观测值是6.7米，气象厅以包含这一数据的多个数据为依据将海啸警报上升到了最高级。但是遗憾的是，在第1波观测数据发出后，因为受灾地区停电影响，导致通信网中断，后续的实时观测值无法传送。观测数据本身留存在地处高台上的基准局，在备用电源的支持下，保留了完整的海啸波形。在此，我们强烈呼吁在含地震带的海域都应设置海啸计，同时为了延伸设置GPS海啸计的离岸距离，改良GPS的精密测位法都是眼下的当务之急。现在，为了从技术层面克服这2个课题，正在努力推进实用化的研究。

GPS海啸计的开发过程

虽然不能防止海啸的发生，但是通过预警和信息的及时传递，可以极大地降低损害。从这个观点来看，构筑海啸防灾系统，在正确的观测值基础上进行海啸的预知、传达、监视，从而更好地疏散及诱导避难，这将给生活在海啸灾害可能发生地区的居民提供安全保障，并作为地域发展的基础做出很大贡献。“无论何时、无论谁、无论在哪里”都可以查看这一数据，对防灾的“三助”（自助、互助、公助）很有帮助――这一开发的概念如图1所示。另外，不仅是日本，如果在世界各地的洋面上设置，并通过网络连接起来，就能对世界性的防灾、减灾做出贡献。

笔者也是阪神淡路大地震的受灾者。正因为亲眼目睹过地震的惨状，所以想要用自己所掌握的技术知识为地震防灾做一点贡献。不久，我有幸得到与东京大学地震研究所加藤照之教授面谈的机会，由此着手开发（见照片1）在洋面上设置浮标进行海啸观测的系统。换句话说，这次的设计原理与现有加速度计测浮标的方式及海底水压感应器设置方式的原理完全不同，所以将开发的观测系统命名为GPS海啸计。

其基本原理是设计制作可以随海面起伏的浮标，在浮标最上端装置GPS天线，在天线位置垂直方向精密测位结果，按时间统计的数据可以作为海面高度的移位。测量数据中包括以秒为单位的波浪变化和以半天为单位的潮汐变化，将这些数据进行过滤，抽取出按几分钟到几小时的周期变化就是海啸数据了。这件事情说明我们开发的GPS海啸计可以用一个测量仪器高精度地观测有着多个频率带宽的海面高度变化，这也成为海啸计实用化的一大技术特征。

在面向实用化过程中，可否在日常生活中使用也是重要的一点。因此，除了传送波浪、潮汐、高潮、水温、海上风速等信息，我们还使GPS海啸计兼有海洋观测站的性能，支持渔业活动以及海运等相关的地域经济活动。独立行政法人港湾机场技术研究所的永井纪彦元理事注意到了这一点。他正在研究进行防波堤和港湾设计施工时必备的波浪数据实时观测仪。他希望能够利用本次开发的成果，使波浪观测仪在波浪观测外加上应对发生海啸等紧急状况时的功能，目前正在积极为国土交通省港湾局导入GPS波浪计而努力。

为了开发研究，日本国内3处海域被设定为实验区域。最初的基本性能实验在相模湾进行。相模湾也是1997年东京大学地震研究所油壶地壳变动观测所所在地。其次是在大船渡市外海进行了实用化实验，并在室户岬海面进行了观测系统的实时数据公开功能的实证实验。通过这一系列实验，如图2所示的2004年纪伊半岛海域地震海啸等灾害发生时，都观测到了数次浪高10厘米左右的海啸，其精度和性能都得到了实证。通过这一结果，GPS海啸计获得了国土技术开发奖最优秀奖、日本产业技术大奖特别奖以及全国表彰发明奖，这说明我们的开发成果得到了社会的承认。

克服存在的课题

应对受灾地通信网络中断的基本对策就是，将观测的海啸数据向全世界可以进行实时传递的区域——也就是没有受灾的区域传送。这一步骤可以利用通信卫星，利用技术试验卫星Ⅷ型“菊花8号”构筑如图3所示的通信系统的实验，取得了良好的结果。*1将来，如果实现拥有与“菊花8号”同等以上的基本性能，并且通信速度更快的“防灾应用等新一代信息通信卫星”的话，本课题将得以全面解决。

要推进在洋面上设置GPS海啸计，就需要在革新测位法RTK法和新的测位计算程序算法两方面进行努力。RTK法可以更好地修正引起测位误差的对流层影响，确保超过离岸100公里距离的测位稳定性。另外，还探讨了通过洋面上设置的浮标GPS观测数据进行测位的单独测位法。对于周期以秒为单位的波浪，使用超精密单独变位计测（PVD）法，对于周期长的海啸、潮汐的观测，通过国土地理院的电子基准点数据谋求精密日历（卫星的轨道和时钟），开发了洋面浮标测位的超精密单独测位（PPP-AR）法。将新的测位法在图4所示的室户岬海面GPS海啸计实验系统中进行了应用，其数据已经公开*2，实验不断收到令人满意的结果。