地震による死傷者推定

最近の進歩により、地震直後(1 時間以内) の被害予測の速度と精度が向上し、負傷者の救助がより効率的に行えるようになりました。「死傷者」とは、居住建物の被害による死亡者と負傷者を指します。大規模地震の後、救助機関と民間防衛管理者は、被災地からの情報がまだ外部に届いていない可能性がある時点で、潜在的な災害の範囲を定量的に予測する必要があります。瓦礫の下にいる負傷者にとっては、1 分 1 秒が重要です。地震災害の範囲を迅速に予測することは、先進国では発展途上国よりもずっと簡単です。この記事では、発展途上国での地震による被害をリアルタイムで予測する方法に焦点を当てます。

地震発生後の最初の数日間は、被災地の中心部からはほとんど情報が流れてきません。発展途上国と先進国における地震災害の規模が当初過小評価された例を図 1 に示します。担当の専門家は、 2008 年 5 月 12 日のMw 8 の汶川地震の死者数は 4 日間 10,000 人未満であると 信じ_{ていました。}

医療チームやその他の緊急対応要員が迅速に現場に到着することは、負傷者を救って他の人々が治療を受けられるようにするために不可欠です。大地震発生後 1 時間以内に死亡者と負傷者数を理論的に推定することだけが、災害の発生場所と規模を緊急対応要員に知らせる唯一の情報です。このため、QLARM ^[1]および PAGER ^[2]チームは、世界中のあらゆる地震発生後 1 時間以内に地震被害と死傷者数を計算できる機能を 24 時間体制で維持しています。このような詳細な分析ができるグループは他にありません。^{[3] [4]}このページは、医療要員やその他の対応要員が、地震発生後に損失推定値をどのくらいの速さで、どのくらい正確に計算できるか、また、より役立つ情報にするために何を追加すべきかを理解するのに役立ちます。

国際地球シミュレーションセンター財団（ICES）^[6]のQLARMチームが汶川地震^[5]の発生後100分以内に電子メールで配信した死者数の推定値は55,000±30,000人で、最終的な死者数は約87,000人であった^{[7] 。}

2009年のラクイラ地震（マグニチュード6.3）では、発生から22分後のQLARMの死者推定数は275±200人でした。^[8]最終的な死者数は287人でした。 ^[9]どちらの場合も、公式の死者数は災害の真の範囲を反映するのに時間がかかりました。したがって、理論的な死者推定は、推定値に大きな誤差があっても、適切な災害救援対応に役立ちます。現在のQLARM警報は、国際地球シミュレーション財団^[1]のウェブサイトで確認でき、米国地質調査所PAGERチームの警報は、同財団のウェブサイトで確認できます。^[2]

被害を見積もるためには、地震の発生場所（震源と深さ）を速やかに知る必要がある。これは、地震によって発生した波が震源周辺の地震計に到達した時間から計算される。コンピュータは、最初に波を記録した観測所の近くに震源推定値を移動し、後から波を報告した観測所からは遠ざける。観測所間の距離が約10kmの高密度の地震計ネットワークが存在する地域では、これは数秒以内に1kmの精度で実行できる。^[10]世界のほとんどの地域ではこのような贅沢は利用できず、世界的な地震計ネットワーク^[11]を使用して、遠地地震データ^[12]（1,000km以上の距離で記録）に基づいて発生場所を推定する必要がある。つまり、波がそれを記録する観測所に何百、何千kmも移動してからでないと、発生場所の推定値は計算できない。

以下の機関は、世界中の地震の緯度、経度、深さ、マグニチュードの推定値を迅速かつ高精度で配信しています。ドイツのポツダムにある地質研究センター^[13]は、世界中のすべての大地震について、7分以内（中央値）に自動解析を提供しています。 ^[14]米国地質調査所（USGS）の国立地震情報センターは、世界中のすべての大地震について、地震学者がレビューした解析値を18分以内（中央値）に提供しています。欧州地中海地震学センターは、主にヨーロッパ地域のレビュー済みパラメータを21分以内（中央値）に提供しています。米国海洋大気庁（NOAA）の太平洋津波警報センターと国立津波警報センターは、太平洋地域の地震のレビュー済みパラメータを9分以内（中央値）に提供しています。これらは最新の数字であり、前に詳しく説明したものよりわずかに短いものです。^[14]

震源が間違っていると、損失の推定は不確実になります。位置の推定に誤差が生じるのは、主に地球の不均一性によるものです。地震波は岩石によって伝わる速度が異なります。遠地地震計で推定したリアルタイムの震源の不確実性は、±25 km（中央値）です。^[15]

深さは重要ですが、上位50kmでは不確かです。地震の深さは0kmから約700kmの範囲です。^[16]一般的に、上位100kmの地震のみが、死傷者を出すほど集落に近い場所です。距離の関数としての波の振幅の減少（図2）は、大地震の場合、危険な震度I≥VIIが30〜50kmを超える範囲には存在しないことを示しています。したがって、深発地震は通常、警報の対象にはなりません。

地震発生地点の真上（またはその近く）にある地震計で地震波が記録されていれば、エネルギー放出の深さを正確に（1 km 以内）推定できます。ただし、通常はそうはいかないので、深さを推定するには遠地地震法に頼る必要があります。

遠地地震法は、地震発生地点より上の地表で反射された波が地震計に到達するまでの時間遅延を測定するものである。^{[16] [17]}地表は鏡のような働きをする。地表に当たった波は空中に伝わることができないため、地表に反射されて再び地表に戻り、少し前に直達波を記録した同じ地震計に到達する。反射波の時間遅延は、もちろん、震源から地表まで、そして再び震源の深部までの移動距離に直接依存する。

この方法は、震源深度 Z>50 km の場合に有効です。その場合、直接波と反射波が記録上で明確に分離されるからです。より浅い深度では、遅延が非常に小さいため、地震記録上の 2 つのパルスは別々のパルスとして容易に認識できません。これらを分離して識別するには、フィルタリング技術が必要です。^{[18] [19] [20] [21]}

したがって、最も危険な浅い地震の深さは、他に証拠がない場合は、25 ± 25 km と想定する必要があります。この不確実性は、震源の深さとほぼ同じです。場合によっては、過去のデータに基づいてこの誤差を減らす可能性があります。地震を引き起こす構造様式と断層がよく知られている地域では、深さが正確に決定されている過去の地震と同じであると仮定して深さを選択できます。

マグニチュードが M7.5 未満の地震の場合、上記の場所推定値を発行するさまざまな機関は、通常、M の値を互いに 0.2 単位以内で分配します。これらの中規模の地震の場合、推定値の平均は、地震の規模の信頼性の高い決定です。ただし、M8 に近づき、それを超える大地震の場合、M の初期推定値は大幅に小さすぎることがよくあります。これは、すぐに得られる表面波 M が 20 秒のレイリー表面波に比例すると定義され、この波の波長が約 100 km であるためです。したがって、100 km を超える地震破壊の M を確実に測定するには短すぎます。これらの場合、正しい M に到達するには、時間のかかる詳細な分析が必要です。

たとえば、 2008 年 5 月 12 日の汶川地震は、当初リアルタイムで M7.5 と推定されていました。その後、M7.9 から M8.0 と推定されました。最初の推定では、死者は最大 4,000 人に達すると予想されていましたが、2 番目の推定では最大 100,000 人と計算されました。この場合、数か月後に測定された死者数は 87,000 人でした (このページの冒頭の図を参照)。

大地震のマグニチュードは、最初は過小評価されることが多い。地震の「大きさ」を測る標準的な遠地地震の尺度は表面波マグニチュードM s_であり、これは定義により周期20秒の表面波から導き出される。より信頼性が高く、より現代的な尺度はモーメントマグニチュードM _wである。

異なる地震計観測所で記録された振幅の変動は多くの理由によるが、地震を記録した多くの観測所の報告から導き出された平均マグニチュードはかなり安定しているはずである。しかし、震源パラメータを報告する機関（GFZ、NEIC、TWC、EMSC）は、マグニチュード推定値が平均で0.2単位異なる。^[22]この値は、リアルタイムでのマグニチュード推定値の不確実性として扱われる。

M >8の大地震には特別な問題があります。M _{s を}定義する周期20秒の波の波長は約100 kmしかありません。つまり、長さが100 kmを大幅に超える破壊のサイズを測定するには短すぎる基準です。このため、約1000 kmの波長に基づくM _wが導入されました。残念ながら、これらの長い波長は短い波長ほど早く利用できないため、大地震のマグニチュードの初期評価が過小評価されることになります。たとえば、2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震（M9）の場合、初期評価はGFZ M8.5、NEIC M7.9、TWC M7.9、EMSC M8.0でした。

強い地震動は建物に損傷を与え、時には倒壊を引き起こします。地面の揺れは、エネルギーの放出、震源、またはより正確に言えば破壊領域全体からの距離が離れるにつれて減少します。特定の集落での揺れの強さを計算するために、コンピューターは、問題の集落までの距離を伝わる地震波の減衰（振幅の減少）を調べます。このような計算は、地震災害を評価するために行われる計算と似ており、工学地震学の分野の一部です。

地球の不均一性によっても誤差が生じます。波の経路に沿ったエネルギーの損失は、世界のすべての地域でまったく同じではありません。^{[25] [26]}例を図2に示します。発展途上国の十分に研究されていない地域では、減衰が十分にわかっていないため、さまざまな曲線で示されているように、推定強度の不確実性はかなり大きくなる可能性があります。

観測される揺れの強さにばらつきが生じるもう 1 つの要因は、特定の構造物の下の土壌の状態です。波は、固い岩石に比べて固められていない土壌では増幅されます (図 3)。重要な都市では、土壌の状態とその増幅係数がマイクロゾーニングの目的でマップ化されています。この種の情報は、通常、発展途上国の居住地では入手できません。さまざまな状態が混在することで、都市全体の平均的な損失推定値が得られると想定する必要があります。

震度 I はローマ数字の I から XII で表され、地震の規模と距離、また、わかっている場合はその地域の増幅を考慮して、各集落ごとに計算されます。

国によっては、建築環境があまり知られていない。建物の質は国や集落の規模によって異なる。建築環境への被害を推定するには、特定の集落に存在する各タイプの建物に予想される被害を計算する必要がある。各集落について、強い揺れに対する耐性が異なるクラスに建物が分布していることを知っておく必要がある。建物の種類を分類するための一般的な尺度は、ヨーロッパマクロ地震スケール（EMS98）^{[27]である。}

建物の種類の分布は、工業国と発展途上国では異なります（図4）。また、同じ国でも村と都市では異なります。多くの地震技術者が、建物の特性に関する世界のデータをより適切に定義するという問題に取り組んでいます。^{[28] [29]}

建物のクラス別分布がわかったら (図 4 の両方のフレームの左側のヒストグラム)、人口がこれらの建物タイプにどのように分布しているかを推定する必要があります (図 4 の両方のフレームの右側のヒストグラム)。これらの分布は同一ではありません。これは、高品質の住宅では建物 1 つあたりの収容人数が多くなる傾向があるためです。

2010年1月12日のM7.3のハイチ地震は、このケースでは建築の品質がエンジニアリング コミュニティによって大幅に過小評価されていたことを示した。新たな被害をもたらす地震が発生するたびに、その地域の建物の特性に関する新たな情報源となる。2010年1月12日のハイチ地震の直後、PDNA を支援するため、UNITAR-UNOSAT、EC-JRC、世界銀行/ImageCAT によって航空写真に基づく建物ストックの被害推定の共同研究が実施された。Hancilar ら (2013) は、リモート センシングと現場データに基づき、主要な建物類型について経験的脆弱性関数を開発している。^[30]国際プロジェクト Global Earthquake Model (GEM) ^{[31]は、地震}リスクの世界地図を作成することを目的としている。この膨大な取り組みの一環として、リアルタイムの損失評価にも必要なデータ セットが改善される予定である。その 1 つは、世界の住宅物件に関するデータセットです。

特定の種類の建物が特定の強度の揺れを受けた場合に倒壊する確率 (図 5) は、予想される人的被害を計算するための重要なパラメータです。発展途上国に存在する脆弱な建物 (左の図 4) は、中程度の強度で倒壊する可能性が高い建物です (左の図 5)。

死者数と負傷者数（死傷者数はこれら 2 つのパラメータの合計）は、倒壊した建物の居住者の死亡者、負傷者、無傷者の割合を示す表である死傷者マトリックスを使用して推定されます。この分布は、建物の種類によって大きく異なります。

建物が倒壊しなくても負傷者や死亡者が出ることはあり得ますが、被害の程度がどのようなものであっても、死傷者が出る可能性は存在します。

死傷者マトリックスのデータはあまり知られていないため、ここで不確実性を示すことはできません。しかし、専門家は、地震による損失を推定する際のこれと関連する問題についてさらに学ぶことに取り組んでいます。^{[32] [33]}

ある国の国勢調査で、その国のすべての居住地の人口を簡単に調べることができると思う人もいるだろう。しかし、私たちが調査対象としている国ではそうではない。ウェブ上のデータソースには、居住地別の人口については、World Gazetteer、^[34] 、国家地理空間情報局（NGA）、GeoNamesなどがある。しかし、これらのリストは不完全で、小さな居住地は省略されている。多くの国では、上記の組織によってリストされた人口の合計は、CIAのThe World Factbook ^[35]で推定された総人口の50％から80％にしか相当しない。また、多くの居住地は座標なしでリストされており、座標はあっても人口がない居住地もある。

時間帯と季節による居住率の変化。地震が発生する最も危険な時間帯は、住民のほとんどが屋内にいる夜間です。被害がそれほど深刻でない時間帯は、農民が屋外にいて、オフィスや工場の労働者が通勤している朝と夕方です。居住率の変動は約 35% と推定されています。^[36]

季節的な観光が盛んな地域では、人口が最大 10 倍変動することがあります。この変動は場所に大きく依存します。現在、損失推定においてこの影響を考慮した世界規模のデータセットは存在しません。

世界はあまりにも広大で、あらゆるところに詳細を詰め込むことはできないため、簡素化が必要です。

重要な施設（原子力発電所、高所のダム、橋、病院、学校など）にどのような被害が予想されるかをリアルタイムで予測したい場合、かなりの数の詳細情報を知る必要があります。たとえば、施設が置かれている土壌の種類、さまざまな周波数の波に対する反応を計算するための建設の設計図、地震によって放射される周波数スペクトルなどです。これは可能ですが、コストがかかります。発展途上国では、このすべての情報が入手できるわけではありません。

リアルタイムで損失を見積もるには、建物の中には建築基準法に基づいて建てられているものもあればそうでないものもあること、硬い岩盤の上にあるものもあれば固まっていない堆積物の上にあるものもあること、地震によって一方向に他の方向よりも多くのエネルギーが放射される可能性があるという事実を活用する必要があります。平均的な状況を前提として予想される損失を合計すると、結果に局所的な変動はあるものの、ほぼ正しい結果になる可能性があります。

宇宙や飛行機から撮影された写真は、都市の建築環境のデータベースを組み立てるのに非常に役立ちます。補正されていない画像でも、建物のサイズや種類、建物の用途を明確に識別できます (図 6)。同様の構造の住宅街や工業地帯をマッピングできます。

建物の高さは、宇宙や上空から撮影した写真に映る影から推定できます。高さに基づいて、ブカレスト中心部の例 (図 7) に示すように、都市の 3D モデルを作成できます。中央には政府庁舎が見られ、東側には小さな住宅ビルが目立ちます。

街路レベルから撮影したファサードの写真を追加することで、都市の詳細でリアルなモデルを構築できます (図 8)。この追加情報により、各建物の建築タイプをより適切に分類し、地震による損失を正確に見積もるために必要な建築環境のモデルの詳細を深めることができます。

しかし、人口データが入手可能な世界の集落の数は 100 万を超えています。それぞれの集落について、座標、名前、推定人口は入手可能ですが、図 6、7、8 に示すように、それらすべてを詳細に分析することは不可能です。集落の規模に関係なく、人口全体を 1 つの座標点に配置し、各集落に異なる耐震クラスへの建物の標準分布を割り当てる以外に選択肢はありません。実行できる唯一の改良点は、異なる国ごとに異なる標準モデルを用意し、各国ごとに少なくとも 3 つの集落規模を用意することです。

理想的には、すべての建物とその居住者に関する詳細な情報が必要です。しかし、何千もの大都市が危険にさらされており、そこに何億人もの住民がいる場合、これはコストがかかりすぎます。大都市をモデル化する費用対効果の高い方法は、各行政区を別々の集落として扱うことです。^[37]

多くの大都市では、人口と地区別の建物ストックに関する情報が国勢調査に含まれている。各地区が建物をクラス別に独自に分布させ、人口も分布させた都市モデルは、1 つの座標点という基本的で原始的なモデルよりもはるかに優れている。大都市を同様の建物ストックを含む地区に分割するリソースがあれば、それでも中程度のコストで高品質のモデルを構築できる。ペルーのリマ沖で将来発生する M8 の地震の死亡率推定例を見ると、地区間で大きな違いがあることがわかる (図 9)。^[38]この違いは、想定される震源からの距離、土壌の種類、建物ストックの品質によるものである。全人口の死亡率計算に加えて、学校、病院、消防署、警察署、重要な施設の場所と予想される被害状況に関する情報は、救助隊にとって非常に価値がある。しかし、これらの施設の場所と建設品質が不明な国では、この種の情報を作成するには、より多大な労力が必要となる。

地震後の病院の機能予測には専門知識が必要です。一部の都市では、図 9 に示されているよりも詳細な地域レベルの情報をカタログ化する営利企業による綿密な取り組みがすでに実施されているか、進行中です。工業国では、各住宅の詳細と住所がわかっている場合がよくあります。

人的損失のリアルタイム推定の不確実性は、せいぜい 2 倍です。不確実な入力によって損失推定に誤差が生じる重大さは、重大、中程度、無視できるという 3 つのクラスに分類できます。

最も重大な誤差の大きさは、1 桁(つまり 10 倍) です。これらの誤差は、震源の誤差、建物ストックに関する不正確なデータ、M>8 の地震のマグニチュード誤差によって発生する可能性があります。地震波の減衰に関する誤った仮定により、3 倍の誤差が生じる可能性があります。

マグニチュード8未満の地震の規模、土壌条件、放射エネルギーの指向性の変化によって、通常約30％の中程度の誤差が生じる可能性があります。データセットや入力のその他の不正確さは、前述の不確実性と比較すると無視できるほどの誤差をもたらします。^[39]

QLARMチームは、2003年10月以降に世界中で発生した地震について、データベースに登録されている各集落の平均被害額の計算に加え、人的損失（死者数と負傷者数）の推定値を電子メールで配布している。 ^[40] 2010年5月までは、これらの推定値はQUAKELOSSと呼ばれるプログラムとデータセットに基づいていたが、それ以降は、第2世代のツールとデータセットであるQLARMに基づいて警報が発せられ、被害を受けた集落の平均被害額を示す地図も含まれるようになった。このチームによる最初の10年間の準リアルタイム地震警報は、で見ることができる。^[4]最近の警報は、ジュネーブの国際地球シミュレーション財団センター（ICES）のウェブページで見ることができる。^[1]

USGSの国立地震情報センターは、 2009年4月から電子メールでPAGERアラートを発行しています^。[41]アラートには、地震の深刻度、さまざまな震度レベルの被害を受けたと推定される人数、震源地の地殻構造情報、および近くで以前に発生した地震の影響を反映したカラーコードが含まれています。

世界災害警報調整システム(GDACS) は、2005 年 9 月から色分けされた地震警報を発令しています。これらのレポートには、震源地の社会経済状況に関するコメントが含まれています。深刻度の尺度として、設定された距離半径内の人数のみが使用されます。この情報は、災害の範囲を制御するパラメータ (マグニチュード、深さ、伝播特性、建物ストック特性、および時刻) が無視されるため、誤解を招く可能性があります。

ここで説明する方法は、強い地盤の揺れによる損失のみを対象としています。津波による被害は含まれていません。津波を研究しているコミュニティは現在、地震発生後に津波が発生したかどうか、外洋で津波の高さはどのくらいか、そして最終的にどの程度の局所的な津波が予想されるかを迅速に判断するという問題に取り組んでいます。波が襲来したときに建築環境に何が起こるかを計算する方法はまだ開発されていません。

人的損失は、災害対応が適切に展開されるよう支援するのに十分な精度で推定できる。重要でない出来事は99%のケースで特定できるため、救助隊は不必要な展開に時間と労力を費やす必要がない。人的損失をリアルタイムで推定する際の不確実性は大きいが^[15] 、注意が必要な悲惨なケースを即座に特定することができる。入力パラメータの不確実性の一部は改善できず、誤差源として残る。しかし、他のパラメータ、特にデータベースの不確実性は研究によって低減できる。^[42]重要なパラメータのいくつかはほとんど調査されていない。^[32]多くの人がこの問題に取り組んでいるため^[42] 、地震後の人的損失のリアルタイム推定はより正確で有用なものとなるだろう。

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